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PROTOS 70卷烟机PLC控制系统研究概述

发表时间：2020/9/28 来源：《基层建设》2020年第17期作者：薛立刚

[导读] 摘要：PROTOS 70系列卷烟机在中国烟草行业的卷烟机中占有很大比重，已经成为国内各卷烟厂的主流卷烟机。

        山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂 250100
        摘要：PROTOS 70系列卷烟机在中国烟草行业的卷烟机中占有很大比重，已经成为国内各卷烟厂的主流卷烟机。这种机器由继电器和分立元件组成的逻辑电路板系统控制。大量的继电器和电子线路板构成了一个复杂的电气逻辑系统，因此维护成本非常高。随着工业控制技术的不断提高，从2001年开始，德国倪虹公司采用INTERBUS总线方案重新开发了PROTOS E-8卷烟机。考虑到SIEM ENS产品在中国工业企业中的广泛应用，德国倪虹于2002年开发了一种基于PROFIBUS总线方案的卷烟机。然而，所有技术文件和资料的转移费用相当昂贵。因此，依靠国内技术力量改造现有的基于电子电路逻辑控制系统的PROTOS卷烟机是升级设备、降低维护成本的有效途径。笔者对Protos70卷烟机电系统进行了分析，希望能为行业提供一些参考。
        关键词：Protos70 卷烟机电；生产；控制系统
        1 前言
        在我国烟草行业卷烟机设备中，Protos70 系列卷烟机占有相当大的比例，并已成为目前国内各卷烟厂的主流卷烟机机型。Protos70是中国烟草行业90年代从德国豪尼公司引进的高速卷烟机，至今仍是国内大多数卷烟生产厂家的主流卷烟机。设备的机电一体化程度相当高。这类机器采用由继电器和分立元件组成的逻辑电路板系统进行控制，大量的继电器和电子电路板构成复杂的电气逻辑系统，维护成本非常高；另外，系统已经运行多年，设备的电气故障频繁出现，很难排除故障，这在一定程度上严重影响了卷烟厂的生产效率和产品质量。
        卷烟机械是机械行业中的专用成套设备，由过滤嘴、卷绕、包装、码垛、大流量输出等设备组成，涉及机电、气、液、光、核等专业领域，结构复杂，系统环节多，协调要求强。近年来，卷烟机械发展迅速，卷烟设备向高速、自动化、集成化方向发展。第一，包装速度越来越快，达到了每分钟10000件以上。二是对卷烟质量的要求越来越高。这就要求卷烟设备不断改进，采用新技术。公司引进英国、德国的先进绕线机组，采用新技术，不断改进和完善现有机组。其中，气动系统广泛应用于卷烟机械中，主要控制吸烟丝、输送卷烟、清除残烟等动作。气动系统由各种功能阀门、气压计、传感器、管道等组成。工作点分散，结构混乱，安装维护不方便，影响机组正常运行。
        2 卷烟机组工艺流程及关键控制单元剖析
        2.1 卷烟机组烟支的工艺流程
        卷烟单元分为供烟和制烟两部分，供烟的任务是保证供烟的稳定性和均匀性，实现权数的调整。因此对线材的供给速度和动态生产都有很高的要求，要求每根卷烟都要有一定量的线材回流。与此同时,由于烟丝是最后发送到香烟形成负压吸丝的方法部分,一旦发生不均匀的烟丝供应,它不仅会导致线堵塞和关闭的问题,但也导致大量的废气香烟。可见，烟丝的供应对卷烟机的创新和发展有着重要的影响。在卷烟成型部分，主要将部分烟丝制成条状卷烟棒，将其切割成不同的卷烟棒，并输送到接装机。卷烟接装机的技术功能是将双长卷烟接装后，分成长度相同的两根单长卷烟。之后，两根单独的香烟在一定距离处被合并到鼓中。水松纸从纸托盘中拉出，粘合并加热，然后切割成水松纸薄片，这些薄片被搓板搓成带有过滤嘴的双倍长度的香烟。
        2.2 卷烟机组关键的控制单元
        2.2.1 操作站、主控器、通讯网络及I/O单元
        操作站、主控制器、通信网络和I/O单元是卷烟单元系统的主要组成部分，对卷烟单元控制系统的主框架具有重要的决定性意义。控制单元应根据用户的需求和操作管理的便利性，选择适合企业发展的控制框架，形成自己的控制体系。各单元之间主控制器设置的重点不同。操作站主要是设备的操作调度系统，包括数据的计算和传输，以及各子功能模块与主控系统之间的协调。传统的主控制器采用中型或大型PLC系统，对系统的处理速度限制不够细心。现代卷烟机组实现了PLC主控制器的改进，将主控制器与主操作相结合。
        2.2.2 安全保护控制单元
        安全保护控制单元主要利用一些安全保护装置来实现对系统装置的保护，从而实现卷烟机组PLC系统应用符合安全标准和安全要求。该单元首先要对机组设备的危险性进行评估分析，从而对卷烟机组设备的风险等级进行确定。
        2.2.3 执行和驱动单元
        卷烟机组的执行和驱动单元一般包括气缸和电机，主要是指电机和气动执行件的驱动。随着近几年用户对设备使用和管理水平要求的提高，对卷烟机组驱动单元的要求也变得更为严格。在机电、电气一体化发展的进程中，卷烟机组制造的驱动单元实现了在新技术上的探索。
        2.2.4 子功能模块
        子功能模块的设置能够在一定程度上减轻主控单元的负担，提升卷烟机组系统的处理速度。

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现阶段，在卷烟机组的发展中，对子功能模块和主控单元之间数据交换问题以及子功能模块控制器选择问题的研究是卷烟机组系统研究的重点和难点。
        3 卷烟机组的PLC控制系统开发及应用优化策略
        卷烟机组可编程控制器控制的关键是确定操作站、主控制器、通信网络和输入输出单元的控制框架，在确定控制框架的同时选择现成合适的控制设备，通过开发控制设备设计合适的应用程序。同时，要实现控制单元的安全保护，加强子功能模块的完善，优化系统执行和驱动单元。根据卷烟机组可编程控制器控制系统的要点，针对目前可编程控制器系统存在的问题，提出了满足客户需求的可编程控制器控制系统的开发和应用优化策略。
        3.1 操作站、主控器、通讯网络及I/O单元方面的优化
        新型PROTOS70烟机控制系统的总体结构设计主要是通过企业管理信息系统网络将数据从主操作站传输到管理信息系统，并基于第一层设备总线、主控制器和子功能模块的连接进行数据交换和共享。首先，这种数据共享连接降低了可编程控制器系统运行的复杂性，同时，主控制器可以有效地将温度、质量、重量等方面的控制分开，提高系统的运行速度，降低运行风险。其次，实现了内外网的同步连接，实现了工业自动化的发展。再次，实现分布式智能处理。PLC系统以总线节点为基本单元，简化了节点的处理方法，减少了故障对系统的干扰。同时，分布式网络结构还提供了节点间的通信方式，可以在智能设备上下载相关的应用程序，实现故障信息技术，利用IP路由器、电话线、计算机网络等工具实现对PLC系统的远程监控。
        3.2 实现对机器的安全控制保护
        机器安全控制和保护的实现主要体现在对直接责任设备和人员安全回路的控制以及控制信号的安全执行上，主要体现在以下几个方面:第一，安全开关的使用应选择带有IEC标志的元件，触点的保护应通过应用安全开关的常闭触点来实现。当传感器出现电路和断路问题时，使用该开关可以大大减少危险事件的发生。第二，加强安全继电器的使用。安全继电器是系统安全自动化的基础，可以保护操作人员和机器产品。因此，有必要在可编程控制器系统中加强安全门、防护罩、机器静态监控等功能单元的使用。第三，只有安全开关的常闭触点可以用来保护触点。第四，采用交流伺服技术实现设备的多轴同步驱动。同时，有必要从硬件和软件两个方面控制轴的意外启动问题。第五，对于具有多个操作台的机器，相关人员应采取措施，在特定时间点实现某个操作台的使用，并将操作台放置在合理的位置。第六，加强对控制信号安全实施的控制，增强控制信号的抗干扰能力。主要性能是对EMC性能的关键控制。首先，通过电容器、电抗器、二极管和可变电阻器的装置和组合有效地抑制了干扰源。其次，通过安装接地和导电外壳对电气设备进行屏蔽，实现系统设备与设备的分离。最后，必须避免静电放电和电磁辐射对电网的干扰。
        3.3 完善执行机构及其驱动单元
        卷烟机的驱动主要是电机驱动和气动执行器驱动，因此对卷烟机的同步精度有严格的要求，卷烟机的驱动一般是伺服驱动。这种驱动对同步没有严格的要求，因此有必要将伺服驱动改为变频驱动。气动执行机构的驱动是指用于驱动原离散电磁阀的阀岛的集中驱动。这种驱动应遵循以下原则:第一，主开关的电磁阀一般不能使用阀岛；其次，与机器安全保护控制电路相关的气动机构不能由阀岛驱动；第三，阀岛不能用于高响应速度的电磁阀。第四，一般使用具有现场总线接口的阀岛，并要根据具体的系统布局将启动执行件分为几个动作模块，当模块之间超过一个阀岛时，实现模块之间总线的连接。第五，要将主控单元作为整个系统的控制中心，通过现场总线联网，实现设备操作的清晰、准确。
        4 总结
        综上所述，基于计算机技术发展的卷烟机组可编程控制器控制系统大大提高了PROTOS70机组的整体稳定性。它具有机器故障率低、操作界面好、操作方便、故障处理和维修及时、机械设备无质量问题等优点。同时，改进后的可编程控制器系统具有数据采集和传输功能，能够完全满足基于现场总线的工厂自动化和CIMS系统信息集成的要求，展现了PLC控制系统单机控制、联机控制、联网控制以及对生产数据全面采集、存储的功能。因此，需要有关烟草人员不断完善信息化PLC系统控制在卷烟机组的应用，从而提升烟草的质量和品质。
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