PDF《MK-95卷烟机控制系统》

1 欧姆龙征文集2007 OMRON MK-95卷烟机控制系统 The Control System of MK-95 Cigarette Machine 南京理工大学 自动化学院 姜建芳 周志杰 叶成旭 Jiang Jianfang Zhou Zhijie Ye Chengxu 摘要: 本文以MK-95卷烟机组为研究对象,详细论述了卷烟机组的控制原理;

并设计了一套以OMRON C200HE PLC为控制器,集 控制、监控于一体的现代化自动控制系统.

生产运行表明,该系统运行稳定可靠,大大提高生产力水平. 关键词: 卷烟机 PLC 自动化控制系统 Abstract: This paper introduces the control theory of Cigarette Machine based on MK-95 in detail. A suit of automation control system modernization is developed, which adopts C200HE PLC produced by OMRON as controller, including both control and monitor. Producing result shows that the system can run steadily and raise the level of productivity greatly. Key words: Cigarette Machine PLC Automation control system 1.引言 近年来,国外卷烟机生产厂家(英国MOLINS公司,德国 HAUNI公司等)在研制新型高速卷接机组时,对电气系统进行 了彻底改革,完全抛弃了旧的电路设计思想.如英国MOLINS 公司的新一代PASSIM卷接机组的控制电路分别采用了VME总线、CAN总线和PROFIBUS等技术,以PLC 为局域控制器,以PC/AT为上位机实现全线生产的自动控制和管理,使整机电路 结构合理,不仅具有标准化、通用化的结构设计,而且各部分 都有一定的独立性. 本课题来源于四川成都卷烟厂的MK9-5卷接机组的电气控 制系统PLC改造项目.该机组的机械部分主要由MK9-5卷烟机、 PA8-5接装机和CID-6烟支检测设备组成. (1)MK9-5卷烟机是国际上较为先进的一种高速卷烟机,由 英国莫林斯(MOLINS)公司生产.它采用目前国际上较为流 行的负压风选供丝的方法进行烟条的卷制及烟支的切割成型. (2) PA8-5接装机是英国莫林斯公司生产的,与MK9-5卷烟 机配套生产过滤嘴香烟的专用机器,能与其他公司生产的机器 及辅助设备连机使用(兼容性较强).它的主要工作是进行滤嘴 的切割及烟支的搓合. (13)CID-6烟支检测设备,是专用于检测烟支质量的设备. 原MK9-5卷接机组的控制系统分三个单元进行控制,即MK9-5卷烟机控制单元、PA8-5接装机控制单元和CID-6卷烟质 量检测单元. 成都卷烟厂拥有多台该型卷烟机,从引进至今已运行多年, 发现其控制系统经过多年运行,存在诸多问题.本文基于这一 工程背景,讨论了MK9-5卷接机组电气控制系统 的设计与实现. 并针对烟厂卷包车间,研究和探讨了设备远程控制自动化和信 息管理自动化相结合的新型集散控制系统的总体设计与系统软 件的设计. 2.系统的基本组成和原理 MK9-5卷接机组卷制香烟的流程是先将烟丝卷制成烟条, 然后印上香烟的品名和牌号,最后经切割成烟支并装上滤嘴棒, 制成过滤嘴香烟.具体各部分工艺流程如下: 2.1 MK9-5卷烟机烟支卷制的工艺流程 MK9-5卷烟机烟支卷制的工艺流程见图1. 进料卷纸输送烟条卷制重量控制烟条切割烟支输出送料图1 MK9-5卷烟机流程简图 2.2 PA8-5接装机的工艺流程 PA8-5接装机的工艺流程见图2. 来自MK9-5 的烟支 多倍滤棒搓板搓合水松纸卷水松纸双倍滤嘴长最终切刀标准烟支图2 PA8-5接装机流程简图 根据烟机运行情况和当前控制领域的技术水平和发展,该MK9-5卷接机组改造的指导思想是:机电分离,集中控制,实 时监控.在不改变原控制性能和技术指标的前提下,应根据机 器的工作原理、控制过程、功能作用、动作顺序来设计系统. 具体的要求有: (1)要求电气控制柜单独设置;

(2)要求将主驱动装置由原滑差调速控制改为变频调速控制;

(3)要求将气闸制动改为能耗制动;

(4)要求去掉原有指示灯显示,改用计算机图形文字实现状 态显示,参数修改,故障报警等功能;

(5)CID-6烟支质量检测单元不在改造之列.

2 OMRON 欧姆龙征文集2007 根据系统工艺流程控制的要求,改造后的MK9-5卷接机组 的电气控制系统设计成一种PLC+通信系统+操作管理机结构的 二级集散控制系统.如图3所示,整个系统在硬件上由MK9-5卷 烟机、PA8-5接嘴机、电气控制柜和触摸屏几大部分组成. 图3 系统组成模型图 3.系统的硬件组成 3.1 系统总体设计 在本系统中,过程管理级选用了OMRON公司的可编程终 端PT,即触摸屏用于监控管理,安装在MK9-5卷烟机的机身上. 触摸屏主要负责实时收集MK9-5卷烟机和PA8-5接装机的运行数 据,记录显示各种报警信息,提供清晰直观的人机界面,集中 显示生产状态,以及进行工艺参数的修改,完成系统的监控功 能. 图4 系统组态结构图 系统的直接控制级采用OMRON公司的可编程控制器 (OMRON C200HE)作为现场控制站,负责采集各类传感器所 拾取的MK9-5卷接机组的各种状态信息,经过其CPU对现场的 各种信息进行实时逻辑运算后,产生并输出各种控制信号,去 驱动执行机构来控制卷接机组的运行.同时,现场控制站还可 以接受监控机下发的参数设定指令,对MK9-5卷接机组进行现 场控制,两级系统间的信息传递如图4所示.可编程控制器安装 于电气控制柜中.考虑到电气控制柜就设立于MK9-5卷接机组 的旁边,触摸屏(监控机)与可编程控制器(现场控制站)之 间的距离〈15m,因此两者之间的连接是采用RS-232C方式,通 过串行屏蔽电缆完成,如图5所示. 图5 触摸屏与PLC串行口连接图 3.2 电气控制柜的设计 电气控制柜安设在MK9-5卷烟机的后面,是整个控制系统 中的重要组成部分.由于烟机的生产过程是一个高速、高振动 和多粉尘的过程,因此大部分控制设备必须放置在单独设立的 电气控制柜中,以保证正常工作.电气控制柜内各种控制元件 和主要设备的摆放如图6所示.下面具体介绍控制柜各部分的选 型、组成与功能. 图6 电气控制柜器件安排简图 根据MK9-5卷接机组的控制特点和控制要求,要控制烟机 按工艺流程正常运行,必须准确地采集现场的各类信号,并及 时准确地给出控制信号.现将系统所涉及到的输入输出点数统 计如下: (1) 输入信号 本系统中的输入信号总计85点,主要包括以下几个方面: ?行程开关――检测阀门的闭合状态和器件的到位情况, 共计22点. ?按钮――系统的点动、启动、停车等命令信号,共计27 点. ?断路器――检测断路器的通断状态,共计,14点. ?接触器――检测接触器的工作状态,共计,6点. ?传感器――特定状态的检测,计6点. ?其它连锁信号、报警信号等,共计25点. (2)输出信号

3 欧姆龙征文集2007 OMRON 本系统中的输出信号总计52点,主要包括以下几个方面: ? 按钮灯――指示按钮的按下状态,计10点. ? 接触器――控制各类电机的起停,计11点. ? 电磁阀――控制卷接机组各机件的动作,计21点. ? 其它控制变频器运转和连锁的输出信号,计10 点. 根据以上各类现场信号,本系统选用了日本OMRON公司 的SYSMAC C200H系列的中型可编程控制器,并配备了CPU模块(C200HE-CPU42-E)、电源模块(C200HW-PA204S)、开 关量输入模块(C200H-ID

216、C200H-ID211)、开关量输出模 块(C200H-OC224)、高速计数模块(C200H-CT021-V)和中 断模块(C200HS-INT01)等模块和配件,如附表所列. 附表 可编程控制器配件列表 名称 规格型号 厂家 PLC CPU单元 C200HE-CPU42-E OMRON PLC电源*2 C200H-PA204S OMRON PLC输入模块*3 C200H-ID216 OMRON PLC输入模块*2 C200H-ID211 OMRON PLC输出模块*8 C200H-OC224 OMRON PLC计数模块 C200H-CT021-V1 OMRON PLC中断模块 C200HS-INT01 OMRON PLC-CPU底板 C200HW-BC081 OMRON PLC-I/O扩展底板 C200HEWBI081 OMRON PLC电缆 C200H-CW311 OMRON PLC EEROM C200HW-ME08K OMRON 本系统中有14点的输入信号的回路电压为12VDC,因此采 用了2块C200H-ID211模块(见图7),计16点. 图7 输入模块C200H-ID211端子接线图 在实际系统的输入信号中,另外71点的回路电压均为 DC24V,宜采用本输入单元.再考虑输入点数的余量,在本系 统中共选用了3块32点的高密输入模块C200HW-ID216(见图 8),计96点. 图8 输入模块C200H-ID216端子接线图 本系统各输出回路使用的电压比较众多复杂,既有直流 电,又有交流电.而且电压伏值也是不尽相同,包括24VDC、 110VAC和120VAC等.而本输出模块具有8个独立节点,每个节 点都有各自的COM端,可构成8个相互独立的回路,端子接线 如图9所示.具体每一个回路既可接交流电,又可接直流电,符 合系统需要.本系统中共采用了8块C200H-OC224输出模块,共计64点输出. 图9 输出模块C200H-OC224端子接线图 上述各个PLC模块共分成两排,分别安装在PLC的底板和 扩展底板上,如图10所示.底板上从左至右依次为电源模块、 CPU模块、输入模块、计数模块和中断模块.本项目中,并未 选用通信模块,因此该槽上为一空模块,待今后需要PLC进行 扩展或联网通信时插入通信模块.扩展底板上安放的是8块输出 模块.底板与扩展底板之间是通过扩展电缆C200H-CW311相连 接. 图10 PLC各模块位置安放图 4.软件设计 4.1 控制软件的设计 系统PLC控制软件设计的第一步是总体设计,即根据卷接 机组的生产工艺流程,将控制流程划分成若干个模块,确定各 模块需要完成的不同功能,再将各模块连接起来的设计过程. MK9-5卷接机组的PLC控制软件按功能主要可分为点动控制模 块,起动控制模块,停机处理模块和辅助功能模块四大部分, 其相互关系如图11所示.下面简要介绍各模块的控制要求及功 能.

4 OMRON 欧姆龙征文集2007 (1)点动控制模块 点动模块主要对10多个点动联锁条件进行检测,如图12所示.点动条件不满足时,卷接机组无法起动运行.这些点动联 锁条件中一部分是为保证烟机的正常运行所设,如切刀电机未 起动等;

另一部分可被超越开关屏蔽的联锁条件则是为了保护 操作人员的安全而设定的,如刀头防护罩未合上等.另外,烟 机运行起来后,一旦点动联锁条件不再满足,程序将控制烟机 立即停车. 当满足点动条件后,按下点动按钮使烟机以1/6速度运行, 同时接通电磁阀对烟机的烟枪及鼓轮部位进行吹气清洁.松开 点动按钮烟机就停止运行. 点动(1/6速) 自动运行? 自动运行 手动运行 停机处理起动控制全速运行 故障停机 停机吗? 正常停机? 正常停机 点动控制YNYNYN起动(1/3速) 图11 控制程序总流程图 (2)起动控制模块 MK9-5卷接机组在满足点动运行的前提下,还要检测起动 联锁条件.在起动条件具备后,按下启动按钮,烟机将以1/3速 度运行.在1/3速度到达时,程序自动判别所选择的操作方式后 进行相应操作,如图13所示. 手动方式下,PVA胶水供给、烟条加热器放下、烟条折断、 进入全速状态均需人工操作;

自动方式下以上操作完全由程序 自动控制. 自动方式程序控制过程如下:机器达1/3速时,烟条加 热器自动推下.加热器到位时,掉头盘清洁电磁阀断电,同 时供给PVA胶,开始烟条卷制.1秒后打条器工作,折断烟 条,使烟条进入喇叭嘴.3秒后跑条监测有效.同时,在 烟条进入喇叭嘴后,计数两个烟支脉冲,就确立烟条运行 状态,机器进入全速运行状态.接着,按照生产工艺的要 求,顺序控制滤嘴、水松纸的供给和涂胶,并使搓板监测 器有效,确立合格烟支状态,使机器进入正常运行状态. 图12 点动运行的联锁条件流程图 图13 起动控制模块程序流程图

5 欧姆龙征文集2007 OMRON (3)停机处理模块 停机有正常停机,跑条停机,紧急停机,立即停机四种情 况,后三种停机为故障停机.这四种停机处理大同小异,下面 以自动方式下的正常停机为例进行介绍: 自动方式下,按下正常停机按钮,PLC程序取消搓板阻塞 检测,停止供给滤嘴,经42个ECP后,取消合格烟支运行状态. 取消合格烟支运行状态56个ECP后,停止水松纸涂胶.再 间隔32个ECP后,停供水松纸.与此同时收集未涂胶的水松纸. 取消合格烟支运行状态104个ECP后,接通干燥鼓轮剔除电磁 阀,剔除不合格烟支. 取消合格烟支运行状态168个ECP后,即合格烟支进入下游 设备后发出停机指令,取消运行状态,接通能耗制动.并使烟 枪冷却电磁阀释放,PVA供给电磁阀释放,烟条加热器弹起,机 器停止运行. (4)辅助功能模块 辅助模块在图11中未体现,它包括跑条处理、烟丝料斗控 制、搓板阻塞处理、ECP检测、蜘蛛架控制和PT通信等辅助子 模块.程序中用JMP/JMPE跳转指令分别对它们进行了子模块 调用,取得了良好的控制效果. 4.2 PT监控软件的设计 本系统最终考虑到触摸屏具有价格低,功能完备,集成度 高,编程简易、开发周期短等优点,采用了OMRON公司的可 编程终端(PT)即触摸屏及配套软件来开发MK9-5卷接机组的 监控系统.系统采用的可编程终端的型号是NT631C. 根据本系统的控制特点和要求,可编程终端NT631C上设计 的监控软件,主要功能是通过直观清晰的图形画面显示系统和 相关设备的运行状态等实时信息,同时建立报警系统和设备错 误数据库,并提出合理的改正措施,给车间工人的操作和维修 以极大的方便.而对于直接生产过程的控制主要由现场控制站 PLC来完成,监控机的参与需要较少. 本系统中,可编程终端(PT)上的画面数据是在Windows 95环境下,使用 Windows 95的NT支持工具 (下面称为 支 持工具 )开发的.用支持工具建立画面的步骤如图14所示: 启动支持工具初始设定设定各内存表建立画面排列设定对象保存画面数据下载数据图14 支持工具基本操作流程图 在画面数据的制作过程中,内存表的设定和画面的制作是 最重要的两步.内存表是PT的重要系统资源,是PT中用来存储 数字值和串数据的区域.这些区域是用来与PLC通讯的.在可 编程终端NT631C中,拥有数字内存表、字符串内存表、位内存 表、I/O注释表等多张内存表. 5.结束语 作者参加了四川成都卷烟厂的MK9-5卷接机组的电气控制 系统PLC改造项目,参加了电气控制系统的总体规划和设计选 型,完成了系统原理图和接线图的设计与制作,编写了系统的 下位PLC控制程序及上位监控软件,并赴现场完成了调试.本文 主要基于这一工程背景,讨论了系统的软、硬件设计和触摸屏 的应用,并对烟厂卷包车间的集散控制系统进行了研究. 四川成都卷烟厂的MK9-5卷烟机组的电气控制系统顺利通 过验收,运行情况良好,大大提高了生产的自动化水平,提高 了生产效率,取得了明显的经济效益.由此可见,对老式进口 卷烟机的控制系统进行PLC改造和实现烟机的联网监制大有推 广前途. 作者简介 姜建芳 男 南京理工大学自动化学院 教授 高级工程师 从 事自动控制系统的教学和科研工作多年,先后设计自动化控制 系统20多项. 参考文献(略) ................