基于PLC的BE机电控系统改造

摘要：本文介绍了利用PLC(可编程控制器)对基于单板机控制的BE横包包烟机电控系统进行改造的设计思想，并且全面地设计了系统的硬件和软件。硬件部分主要包括可编程控制器、通用变频器和触摸屏等先进工业控制装置。软件部分主要对BE机的逻辑控制时序对PLC进行编程设计，设计出与原机相同的逻辑时序控制功能。 关键词：BE横包包烟机，PLC 0   概述 BE横包包烟机是B1卷烟包装机组的主机，它是把由NF卸盘机通过传送带送来的烟支按20支一包的包坯推入机器的推入转塔，以后又经过压缩、包装、折叠、烘干、贴封签等程序，直到小包烟包装完毕出机的机电一体化包装设备。该包装机最高包装能力为400包/分（8000支/分）。除铝箔纸、商标纸、封签纸等由人工装入机器外，其它的包装动作全部都是由机器自动完成的。该机自动化程度较高，包装速度较快，控制对象较多，而且需要进行大量的实时运算和文本信息显示。 80年初至90年代初我国烟草行业从国外大量引进的BE横包包烟机的电控系统采用的都是单板机控制，其逻辑线路板基本已经过时老化，不能满足现代化生产过程的需要，用新技术改造这些设备已是当务之急。因此，本文提出了利用PLC对该包装机控制系统进行改造的设计思想。新型控制系统充分利用了可编程控制器（PLC）面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高等优点，使改造后的控制系统不但能够很好地实现原来的控制逻辑，还能提高控制系统的通用性和易操作性，同时还避免了对进口备件的依赖。 1   BE横包包烟机包装工艺流程    从NF卸盘机的传送带输入本机烟支输入装置中的烟支，分别由两路进入A、B烟支储存器，烟支过滤嘴只准向外。推入装置同时把两个烟支组（7-6-7）推入有十个工位的推烟转入转塔的两个模盒内，接着对烟支组的每根烟进行两端检查，在剔除器处把废烟支组剔除，控制系统“记下”此废烟组位置，机器将不为它提供包装纸和封签。烟支组传递至压缩转塔后，压紧装置把烟支组压缩至理论尺寸的93％，而包装转塔的模盒外尺寸与烟支组的理论尺寸相同。 1. 铝箔纸卷经圈绕牵引和切成定长后喂 入包装转塔Ⅲ的五工位模盒的外侧。在模盒外表先分五个步骤进行铝箔纸的包装：(1) 箔纸被模盒折成“∏”型（转塔Ⅲ、5-6工位）；(2) 一长边折叠器从下向上折铝箔纸一边长（转塔Ⅲ、6工位）；(3) 另一长边折叠器从上向下折铝箔纸,另一长边压在已经折好的长边上面（转塔Ⅲ、6工位）；(4) 底角折叠器折底部两底角（转塔Ⅲ、7工位）；(5) 短边折叠器折底面两短边（转塔Ⅲ、7-8工位），这时，烟包顶部敞开不折。 2. 单张商标纸从纸库内取出，经涂胶后喂入包装转塔Ⅲ的八工位模盒的左侧。同上，也分为五个步骤在铝箔纸外完成与铝箔纸包装相同的折边工作：(1) 商标纸被折成“∏”型（转塔Ⅲ、8-9工位）；(2) 一长边折叠器从下向上折商标纸一长边（转塔Ⅲ、9工位）；(3) 另一长边折叠器从上向下折商标纸另一长边压在已经折好的长边上面（转塔Ⅲ、9工位）；(4) 底角折叠器折底部两底角（转塔Ⅲ、10工位）；(5) 短边折叠器折底面两短边（转塔Ⅲ、10-11工位）。 铝箔纸与商标纸在烟包背面接缝的位置不同，铝箔纸的接缝几乎在烟包背面的中间，而商标纸的接缝则靠近烟包棱边。当烟支组连同已经折好底部的纸壳一起转到转塔Ⅲ的12工位时，由推杆从烟包敞开的顶端推烟，把烟支组与纸壳一起推入顶部折叠转塔Ⅳ的12工位模盒中。 3. 当烟包转至转塔Ⅳ的2工位时，顶角折 叠器把两顶角折好。在转塔Ⅳ的2-3工位，短边折叠器折顶部两短边。烟包转至塔Ⅳ的6工位时，由推杆推入干燥转塔Ⅴ的模盒内。烟包经过转塔Ⅴ的工位7至工位15范围内被加热烘干。当停车时，气缸支撑装把加热器拉离烟包，避免烤焦烟包。在烟包由烘干转塔Ⅰ向烘干转塔Ⅱ传送过程中，把由封签供给装置喂入的封签粘贴到该烟包顶部中间并折下两翼。包装过程中出现的废包和无签的烟包由烘干转塔Ⅱ上的废烟剔除器剔除机外并集存，而合格的烟包随烘干转塔Ⅱ转至与输出传送带重合位置时，被推入传送带输出机外。 2   BE横包包烟机硬件控制系统设计 该电控改造系统主要是针对8000型BE横 包包烟机而设计，该设备的检测信号和控制信号基本上均是开关量。如图1所示，PLC选用OMRON－CS1机型作为控制主机，根据实际需要组态PLC，使控制性能满足和符合原有逻辑要求。控制面板选用触摸屏来操作。 2.1  PLC要实现的功能有： (1)通过触摸屏“停车”按钮产生的设备停车；（2）通过触摸屏“选择开关”按钮对变频器进行控制从而实现对交流电机的无级调速；（3）通过触摸屏对设备转塔工位角度范围进行设定；（4）请求软停车故障引起的停车；（5）请求制动停车的故障引起的停车；（6）请求紧急停车故障引起的停车；（7）马达控制；（8）铝箔纸卷盘的更换；（9）铝箔纸的进给；（10）胶盒和涂胶辊的启停；（11）烘干转塔加热器和油加热器启停；（12）油泵和真空/吸取泵的启停。 2.2  PLC输入单元的选择 开关量输入单元是把现场各种开关信号转换为可编程控制器能内部处理的标准二进制信号。按照输入端电源的不同类型，开关量输入单元分为直流输入单元和交流输入单元。有时还可以根据电压的高低分为低电压和高电压等类型，例如，220V AC开关量输入单元、36V AC开关量输入单元、24V DC开关量输入单元等。由于在该电控系统改造设计中现场输入信号均为直流开关量输入，所以选用24V DC开关量输入单元。 直流输入单元中R1与R2组成分压器，电阻R1与C组成阻容信号的状态。光电耦合器隔离输入电路与可编程控制器内部电路的电器连接，并使外部信号经光电耦合转换成为内部电路能接收的标准信号。当现场开关闭合后，外部的直流电压经分压和阻容滤波后加到光电耦合器的发光二极管上，经光电耦合，光电三极管接收光信号，并输出一对内部电路来说是接通的信号，输入端的发光二极管LED点亮，指示现场开关处于闭合状态。该电路设计中将LED和光电耦合管设计为双向二极管和双向光电耦合管,使输入直流信号极性可以任意连接，方便现场操作。 2.3  PLC输出单元选择 开关量输出单元是把可编程控制器的内部信号转换为现场执行机构的各种开关量信号输出。按照现场执行机构使用的供电单元类型，可分为直流输出单元（晶体管输出方式和继电器输出方式）和交流输出单元（可控硅输出方式和继电器输出方式）。根据该电气系统改造中执行机构供电单元的类型，以及系统要实现控制所需的最高输出响应速度，开关量输出单元采用继电器输出方式。 该输出单元中继电器作为开关器件，同时又作为隔离器件，电阻R和发光二极管LED组成输出状态显示器。当可编程控制器输出一个接通信号时，内部电路使继电器线圈通电，继电器的接点闭合使负载得电，同时，输出状态指示发光二极管点亮。 2.4  电路连接安全措施 电路连接线都采用屏蔽方式连接，以此提高电气系统的抗干扰能力。在三相电源输入端增加限流开关和滤波器来提高对变频器的保护,连接线采用屏蔽方式连接。     3   BE横包包烟机软件控制系统设计 可编程控制器要完成控制任务是在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来完成的，这就产生了对被控对象条件的满足时间与顺序执行的协调问题。由于PLC在执行用户程序时采用对整个程序循环执行的工作方式，也称循环扫描方式，即执行用户程序不是执行一次就结束，而是一遍一遍不停的循环执行，直至停机。如果用户程序并不长，每一条指令执行时间足够快，执行一次程序所用的时间足够短，那么扫描一次程序所用的时间短到足以保证变量条件不变，即前一次扫描未捕捉到的某一变量的状态，保证在下一次扫描程序时间时该状态变量条件依然存在。这样就可以解决程序控制与被控对象控制条件之间存在的不协调的矛盾。 扫描周期的长短，首先与每条指令执行的时间长短有关，其次与所用的指令类型及包含的指令条数有关。前者取决于主机的主频，而后者取决于被控系统的复杂程度和程序的编程控制方式。由于BE横包包烟机的最大包装速度是8000支/分，即每分钟包装400包烟，每秒大约7包烟。这就要求PLC的CPU执行全程指令的周期T≤0.14s。由于硬件方案中选用的PLC是OMRON-CS1系列，其执行基本指令的速度是0.04μs/条，执行特殊指令的速度是0.12μs /条。可以计算由600条左右的指令组成的软件程序PLC的CPU执行全程扫描周期T。 该系列的PLC完全能满足软件循环扫描控制的要求。 3.1  PLC报警子程序设计 在BE电控系统改造中，报警子程序的设计比较重要，因为改造主要是针对BE横包包烟机包装过程的各工位包装情况进行检测并且时实显示器工作情况，对出现故障的包装工位进行报警输出，通过触摸屏显示故障点，提示操作人员及时地排除相关故障。因此，报警输出的正确与否直接关系到操作人员是否能够正确操作，迅速地排除故障，提高工作效率和包装质量。由于BE横包包烟机的运转速度较快，其最大时速为400包/分，即主电机转速为400转/分。因而，各包装工位的停留时间比较短，包装工位出现故障时故障信号的输出时间也就比较短。 3.2  PLC停车子程序设计 BE横包包烟机停车有不同类型，可分为请求软停车故障引起的停车，请求制动停车故障引起的停车和请求紧急停车故障引起的停车。显而易见，停车在包装过程中起着十分重要的作用。在停车故障出现时，机器在软件程序的控制下能否进行相应故障的停车直接关系到包装过程的安全进行和包装质量的高可靠性。同样由于包装机主电机的运转速度较快，故障信号输出并保持的时间较短，要想使停车故障出现时机器停机并且只有在故障清除后机器才可以再次启动，以保证操作人员的安全和故障的正确排除，必须在程序中采用保持指令。机