摘要：本文介紹了利用PLC(可編程控制器)對基于單板機控制的BE橫包包煙機電控系統進行改造的設計思想，并且全面地設計了系統的硬件和軟件。硬件部分主要包括可編程控制器、通用變頻器和觸摸屏等*工業控制裝置。軟件部分主要對BE機的邏輯控制時序對PLC進行編程設計，設計出與原機相同的邏輯時序控制功能。
　　　　
　　概述
　　
　　BE橫包包煙機是B1卷煙包裝機組的主機，它是把由NF卸盤機通過傳送帶送來的煙支按20支一包的包坯推入機器的推入轉塔，以后又經過壓縮、包裝、折疊、烘干、貼封簽等程序，直到小包煙包裝完畢出機的機電一體化包裝設備。該包裝機zui高包裝能力為400包/分(8000支/分)。除鋁箔紙、商標紙、封簽紙等由人工裝入機器外，其它的包裝動作全部都是由機器自動完成的。該機自動化程度較高，包裝速度較快，控制對象較多，而且需要進行大量的實時運算和文本信息顯示。
　　
　　80年初至90年代初我國煙草行業從國外大量引進的BE橫包包煙機的電控系統采用的都是單板機控制，其邏輯線路板基本已經過時老化，不能滿足現代化生產過程的需要，用新技術改造這些設備已是當務之急。因此，本文提出了利用PLC對該包裝機控制系統進行改造的設計思想。新型控制系統充分利用了可編程控制器(PLC)面向控制過程、面向用戶、適應工業環境、操作方便、可靠性高等優點，使改造后的控制系統不但能夠很好地實現原來的控制邏輯，還能提高控制系統的通用性和易操作性，同時還避免了對進口備件的依賴。
　　
　　1、BE橫包包煙機包裝工藝流程
　　
　　從NF卸盤機的傳送帶輸入本機煙支輸入裝置中的煙支，分別由兩路進入A、B煙支儲存器，煙支過濾嘴只準向外。推入裝置同時把兩個煙支組(7-6-7)推入有十個工位的推煙轉入轉塔的兩個模盒內，接著對煙支組的每根煙進行兩端檢查，在剔除器處把廢煙支組剔除，控制系統“記下”此廢煙組位置，機器將不為它提供包裝紙和封簽。煙支組傳遞至壓縮轉塔后，壓緊裝置把煙支組壓縮至理論尺寸的93％，而包裝轉塔的模盒外尺寸與煙支組的理論尺寸相同。
　　
　　1.鋁箔紙卷經圈繞牽引和切成定長后喂入包裝轉塔Ⅲ的五工位模盒的外側。在模盒外表先分五個步驟進行鋁箔紙的包裝：(1)箔紙被模盒折成“∏”型(轉塔Ⅲ、5-6工位)；(2)一長邊折疊器從下向上折鋁箔紙一邊長(轉塔Ⅲ、6工位)；(3)另一長邊折疊器從上向下折鋁箔紙,另一長邊壓在已經折好的長邊上面(轉塔Ⅲ、6工位)；(4)底角折疊器折底部兩底角(轉塔Ⅲ、7工位)；(5)短邊折疊器折底面兩短邊(轉塔Ⅲ、7-8工位)，這時，煙包頂部敞開不折。
　　
　　2.單張商標紙從紙庫內取出，經涂膠后喂入包裝轉塔Ⅲ的八工位模盒的左側。同上，也分為五個步驟在鋁箔紙外完成與鋁箔紙包裝相同的折邊工作：(1)商標紙被折成“∏”型(轉塔Ⅲ、8-9工位)；(2)一長邊折疊器從下向上折商標紙一長邊(轉塔Ⅲ、9工位)；(3)另一長邊折疊器從上向下折商標紙另一長邊壓在已經折好的長邊上面(轉塔Ⅲ、9工位)；(4)底角折疊器折底部兩底角(轉塔Ⅲ、10工位)；(5)短邊折疊器折底面兩短邊(轉塔Ⅲ、10-11工位)。
　　
　　鋁箔紙與商標紙在煙包背面接縫的位置不同，鋁箔紙的接縫幾乎在煙包背面的中間，而商標紙的接縫則靠近煙包棱邊。當煙支組連同已經折好底部的紙殼一起轉到轉塔Ⅲ的12工位時，由推桿從煙包敞開的頂端推煙，把煙支組與紙殼一起推入頂部折疊轉塔Ⅳ的12工位模盒中。
　　
　　3.當煙包轉至轉塔Ⅳ的2工位時，頂角折疊器把兩頂角折好。在轉塔Ⅳ的2-3工位，短邊折疊器折頂部兩短邊。煙包轉至塔Ⅳ的6工位時，由推桿推入干燥轉塔Ⅴ的模盒內。煙包經過轉塔Ⅴ的工位7至工位15范圍內被加熱烘干。當停車時，氣缸支撐裝把加熱器拉離煙包，避免烤焦煙包。在煙包由烘干轉塔Ⅰ向烘干轉塔Ⅱ傳送過程中，把由封簽供給裝置喂入的封簽粘貼到該煙包頂部中間并折下兩翼。包裝過程中出現的廢包和無簽的煙包由烘干轉塔Ⅱ上的廢煙剔除器剔除機外并集存，而合格的煙包隨烘干轉塔Ⅱ轉至與輸出傳送帶重合位置時，被推入傳送帶輸出機外。
　　
　　2、BE橫包包煙機硬件控制系統設計
　　
　　該電控改造系統主要是針對8000型BE橫
　　
　　包包煙機而設計，該設備的檢測信號和控制信號基本上均是開關量。如圖1所示，PLC選用OMRON－CS1機型作為控制主機，根據實際需要組態PLC，使控制性能滿足和符合原有邏輯要求。控制面板選用觸摸屏來操作。
　　
　　2.1PLC要實現的功能有：
　　
　　(1)通過觸摸屏“停車”按鈕產生的設備停車；(2)通過觸摸屏“選擇開關”按鈕對變頻器進行控制從而實現對交流電機的無級調速；(3)通過觸摸屏對設備轉塔工位角度范圍進行設定；(4)請求軟停車故障引起的停車；(5)請求制動停車的故障引起的停車；(6)請求緊急停車故障引起的停車；(7)馬達控制；(8)鋁箔紙卷盤的更換；(9)鋁箔紙的進給；(10)膠盒和涂膠輥的啟停；(11)烘干轉塔加熱器和油加熱器啟停；(12)油泵和真空/吸取泵的啟停。
　　
　　2.2PLC輸入單元的選擇
　　
　　開關量輸入單元是把現場各種開關信號轉換為可編程控制器能內部處理的標準二進制信號。按照輸入端電源的不同類型，開關量輸入單元分為直流輸入單元和交流輸入單元。有時還可以根據電壓的高低分為低電壓和高電壓等類型，例如，220VAC開關量輸入單元、36VAC開關量輸入單元、24VDC開關量輸入單元等。由于在該電控系統改造設計中現場輸入信號均為直流開關量輸入，所以選用24VDC開關量輸入單元。
　　
　　直流輸入單元中R1與R2組成分壓器，電阻R1與C組成阻容信號的狀態。光電耦合器隔離輸入電路與可編程控制器內部電路的電器連接，并使外部信號經光電耦合轉換成為內部電路能接收的標準信號。當現場開關閉合后，外部的直流電壓經分壓和阻容濾波后加到光電耦合器的發光二極管上，經光電耦合，光電三極管接收光信號，并輸出一對內部電路來說是接通的信號，輸入端的發光二極管LED點亮，指示現場開關處于閉合狀態。該電路設計中將LED和光電耦合管設計為雙向二極管和雙向光電耦合管,使輸入直流信號極性可以任意連接，方便現場操作。
　　
　　2.3PLC輸出單元選擇
　　
　　開關量輸出單元是把可編程控制器的內部信號轉換為現場執行機構的各種開關量信號輸出。按照現場執行機構使用的供電單元類型，可分為直流輸出單元(晶體管輸出方式和繼電器輸出方式)和交流輸出單元(可控硅輸出方式和繼電器輸出方式)。根據該電氣系統改造中執行機構供電單元的類型，以及系統要實現控制所需的zui高輸出響應速度，開關量輸出單元采用繼電器輸出方式。
　　
　　該輸出單元中繼電器作為開關器件，同時又作為隔離器件，電阻R和發光二極管LED組成輸出狀態顯示器。當可編程控制器輸出一個接通信號時，內部電路使繼電器線圈通電，繼電器的接點閉合使負載得電，同時，輸出狀態指示發光二極管點亮。
　　
　　2.4電路連接安全措施
　　
　　電路連接線都采用屏蔽方式連接，以此提高電氣系統的抗*力。在三相電源輸入端增加限流開關和濾波器來提高對變頻器的保護,連接線采用屏蔽方式連接。
　　
　　3、BE橫包包煙機軟件控制系統設計
　　
　　可編程控制器要完成控制任務是在其硬件的支持下，通過執行反映控制要求的用戶程序來完成的，這就產生了對被控對象條件的滿足時間與順序執行的協調問題。由于PLC在執行用戶程序時采用對整個程序循環執行的工作方式，也稱循環掃描方式，即執行用戶程序不是執行一次就結束，而是一遍一遍不停的循環執行，直至停機。如果用戶程序并不長，每一條指令執行時間足夠快，執行一次程序所用的時間足夠短，那么掃描一次程序所用的時間短到足以保證變量條件不變，即前一次掃描未捕捉到的某一變量的狀態，保證在下一次掃描程序時間時該狀態變量條件依然存在。這樣就可以解決程序控制與被控對象控制條件之間存在的不協調的矛盾。
　　
　　掃描周期的長短，首先與每條指令執行的時間長短有關，其次與所用的指令類型及包含的指令條數有關。前者取決于主機的主頻，而后者取決于被控系統的復雜程度和程序的編程控制方式。由于BE橫包包煙機的zui大包裝速度是8000支/分，即每分鐘包裝400包煙，每秒大約7包煙。這就要求PLC的CPU執行全程指令的周期T≤0.14s。由于硬件方案中選用的PLC是OMRON-CS1系列，其執行基本指令的速度是0.04μs/條，執行特殊指令的速度是0.12μs/條。可以計算由600條左右的指令組成的軟件程序PLC的CPU執行全程掃描周期T。
　　
　　該系列的PLC完滿足軟件循環掃描控制的要求。
　　
　　3.1PLC報警子程序設計
　　
　　在BE電控系統改造中，報警子程序的設計比較重要，因為改造主要是針對BE橫包包煙機包裝過程的各工位包裝情況進行檢測并且時實顯示器工作情況，對出現故障的包裝工位進行報警輸出，通過觸摸屏顯示故障點，提示操作人員及時地排除相關故障。因此，報警輸出的正確與否直接關系到操作人員是否能夠正確操作，迅速地排除故障，提高工作效率和包裝質量。由于BE橫包包煙機的運轉速度較快，其zui大時速為400包/分，即主電機轉速為400轉/分。因而，各包裝工位的停留時間比較短，包裝工位出現故障時故障信號的輸出時間也就比較短。
　　
　　3.2PLC停車子程序設計
　　
　　BE橫包包煙機停車有不同類型，可分為請求軟停車故障引起的停車，請求制動停車故障引起的停車和請求緊急停車故障引起的停車。顯而易見，停車在包裝過程中起著十分重要的作用。在停車故障出現時，機器在軟件程序的控制下能否進行相應故障的停車直接關系到包裝過程的安全進行和包裝質量的高可靠性。同樣由于包裝機主電機的運轉速度較快，故障信號輸出并保持的時間較短，要想使停車故障出現時機器停機并且只有在故障清除后機器才可以再次啟動，以保證操作人員的安全和故障的正確排除，必須在程序中采用保持指令。機器停車子程序的流程圖如圖6。
　　
　　4、改造后的電控系統運行結果
　　
　　改造后的BE橫包包煙機電控系統調試完畢投入運行后，系統運行穩定，控制可靠，不但充分實現了原電控系統的邏輯控制功能，而且還進一步地提高了系統的通用性、可操作性和可維護性。另外，由于我國目前急待改造的BE橫包包煙機數量比較大，因此，該項改造技術具有很好的市場應用前景。