廈門(mén)煙草工業(yè)責(zé)任有限公司 陳超明

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MK9-5卷煙機(jī)電控系統(tǒng)PLC及主驅(qū)動(dòng)變頻改造

廈門(mén)煙草工業(yè)責(zé)任有限公司 陳超明

該文闡述了MK9-5卷煙機(jī)電控系統(tǒng)PLC及主驅(qū)動(dòng)變頻改造，采用先進(jìn)的PLC部件、應(yīng)用軟件技術(shù)取代原系統(tǒng)繁雜的硬件邏輯插板，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用工作穩(wěn)定、精度高、調(diào)速范圍寬的變頻器和價(jià)格低廉的國(guó)產(chǎn)電機(jī)替代原主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和笨重的主電機(jī)，使問(wèn)題從根本上得到解決。

MK9-5卷煙機(jī) PLC 主驅(qū)動(dòng)變頻 改造

1 改造的目的

MK9-5卷煙機(jī)是英國(guó)MOLINS公司上世紀(jì)70年代末的產(chǎn)品，是我國(guó)各卷煙廠引進(jìn)較多的主要卷煙設(shè)備之一，由于歷史的局限性，該機(jī)主要存在以下一些問(wèn)題：

①電控系統(tǒng)由幾十塊電控插板組成，控制方法落后，使用元件多，布線復(fù)雜，故障率高；

②主電機(jī)采用滑差電磁調(diào)速，方法落后，耗能高，其滑差電磁調(diào)速部分裝有導(dǎo)電碳刷，易磨損，故障停機(jī)率高，而且由于主電機(jī)的笨重，還帶來(lái)了維修工作量大、停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題；

③整機(jī)調(diào)速范圍小、精度差、效率低；

④電器元件備件造價(jià)高、通用性差、訂貨周期長(zhǎng)等。

上述問(wèn)題嚴(yán)重妨礙了設(shè)備有效作業(yè)率的提高，而采用先進(jìn)的PLC部件、應(yīng)用軟件技術(shù)取代原系統(tǒng)繁雜的硬件邏輯插板，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用工作穩(wěn)定、精度高、調(diào)速范圍寬的變頻器和價(jià)格低廉的國(guó)產(chǎn)電機(jī)替代原主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和笨重的主電機(jī)，可以使這些問(wèn)題從根本上得到解決。

2 主要元件的選擇

①可編程控制器：選用OMRON公司生產(chǎn)的C200HS。

②主電機(jī)M1：選用國(guó)產(chǎn)Y160M1-2-11KW普通交流異步電動(dòng)機(jī)。

③主變頻器U1：選用FUJI公司生產(chǎn)的FRN11G9S-4JE變頻器（11KW）。

④盤(pán)紙電機(jī)變頻器U2：選用OMRON公司的3G3XV- A4007變頻器（0.75kW）。

⑤接紙接近開(kāi)關(guān)放大器U3：選用OMRON公司的E2CA- AL4E。

⑥接紙接近開(kāi)關(guān)U4：選用OMRON公司的E2CA-X5A。

⑦顯示終端PT：選用OMRON公司的NT600M-DT122。

⑧溫控器U5：選用OMRON公司的E5CS-Q1KJX熱電偶式溫控器。

3 電控系統(tǒng)的PLC改造

可編程控制器（PLC）是以微處理器為核心的邏輯控制器。它體積小，價(jià)格廉，功能強(qiáng)，易于編程和修改，還有外圍電路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)模塊化、可靠性高等特點(diǎn)，在工業(yè)控制中越來(lái)越得到了廣泛的應(yīng)用。我們根據(jù)原機(jī)的功能要求，確定了PLC及其外圍電路實(shí)現(xiàn)的功能，并由輸入輸出點(diǎn)數(shù)選取PLC及相應(yīng)的輸入輸出模塊，最后設(shè)計(jì)出PLC控制系統(tǒng)軟件和外圍電路。

3.1 PLC控制單元的分布

PLC控制單元的分布參見(jiàn)圖1，圖中的PT為智能顯示終端。

◎CPU單元：為PLC提供電源并由程序控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。

①D0單元：空單元。

②D1單元：空單元。

③D2單元：輸入單元，負(fù)責(zé)接收電機(jī)過(guò)載信函、主變頻U1得電和報(bào)警信號(hào)、料斗提升帶變速信號(hào)、煙絲位檢測(cè)信號(hào)、油壓低和部分防護(hù)罩聯(lián)鎖信號(hào)等。

圖1

④D3單元：輸入單元，負(fù)責(zé)接收U2故障信函、溫度超限報(bào)警信號(hào)、刀頭防護(hù)聯(lián)鎖、喇叭咀故障信號(hào)、加熱器及拼接部分各微動(dòng)開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)。

⑤D4單元：輸入單元，負(fù)責(zé)接收控制面板各按鈕的信號(hào)和斷紙檢測(cè)信號(hào)。

⑥D(zhuǎn)10單元：負(fù)責(zé)與PT通訊。

⑦D11單元：輸出單元，負(fù)責(zé)各電機(jī)控制、溫控器控制和拼接控制。

⑧D12單元：輸出單元，負(fù)責(zé)主變頻控制、盤(pán)紙電機(jī)控制和鋼印移動(dòng)控制。

⑨D13單元：輸出單元，負(fù)責(zé)各電磁閥控制、料斗離合器和升降離合器控制、烙鐵低位電磁鐵控制和進(jìn)刀指示控制等。

[7][31][39] 徐康寧、陳豐龍、劉修巖：《中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的真實(shí)性——基于全球夜間燈光數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)》，《經(jīng)濟(jì)研究》2015年第9期，第17-29頁(yè)。

⑩D14單元：輸入單元，負(fù)責(zé)接收下游機(jī)的聯(lián)鎖信號(hào)。

3.2 盤(pán)紙供應(yīng)和拼接控制的PLC和變頻改造

盤(pán)紙部分的PLC改造是整個(gè)電控系統(tǒng)改造中的難點(diǎn)和關(guān)鍵，我們用工作穩(wěn)定的接近開(kāi)關(guān)U4和外加工的偏心凸輪取代原滑動(dòng)電位器，通過(guò)紙臂的升降帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，使U4的輸出產(chǎn)生微小的變化，經(jīng)放大器U3處理后，輸出信號(hào)控制盤(pán)紙電機(jī)變頻器U2，以使盤(pán)紙電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)與主電機(jī)保持同步，同時(shí)進(jìn)行預(yù)進(jìn)紙控制，控制圖參見(jiàn)圖2。

圖2

盤(pán)紙拼接的原理如下：當(dāng)盤(pán)紙的直徑達(dá)到預(yù)定的第一直徑時(shí)，PLC接收信號(hào)，經(jīng)延時(shí)后盤(pán)紙電機(jī)加速，當(dāng)盤(pán)紙的直徑達(dá)到第二直徑時(shí)，盤(pán)紙電機(jī)停轉(zhuǎn)，經(jīng)延時(shí)（以保證電機(jī)完全停止）拼接電磁閥動(dòng)作并保持一段時(shí)間，然后電磁閥復(fù)位。若拼接時(shí)無(wú)拼接到底信號(hào)，則發(fā)出拼接不動(dòng)作故障信號(hào)，機(jī)臺(tái)停機(jī)；當(dāng)PLC控制電磁閥復(fù)位時(shí)如接收不到電磁閥回位信號(hào)，則發(fā)出拼接不復(fù)位故障信號(hào)，機(jī)臺(tái)也停機(jī)，這兩項(xiàng)新增的控制功能解決了原拼接失靈后故障難以查找的麻煩。

3.3 溫度系統(tǒng)的更新

原機(jī)采用的是WEST公司Q3T2XL 372TJ型溫控器（A12），其工作原理是將來(lái)自熱電偶的感溫信號(hào)放大后，與溫度調(diào)整基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，其差值再經(jīng)放大后為可控硅裝置（Y13）提供適合的觸發(fā)信號(hào)，以控制加到加熱器上的電源電平，達(dá)到控制溫度的目的。整套系統(tǒng)元件眾多，控制復(fù)雜，工作穩(wěn)定性較差，而且還存在著配件通用性差且價(jià)格昂貴的問(wèn)題。此次改造我們選用了OMRON公司的E5CS-Q1KJX溫控器，它具有體積小、價(jià)格低、精度高、易設(shè)定等特點(diǎn)，并帶有傳感器異常檢測(cè)和防止誤動(dòng)作功能，改造后控制線路變得清晰簡(jiǎn)單，而且加熱溫度更穩(wěn)定，故障率低，保證了煙支質(zhì)量的穩(wěn)定。圖3為改進(jìn)后的溫控系統(tǒng)接線圖。

圖3 改進(jìn)后的溫控系統(tǒng)接線圖

3.4 可編程智能顯示終端PT

我們選用OMRON公司的NT600M智能顯示終端PT作為系統(tǒng)監(jiān)視和某些參數(shù)設(shè)定的器件，該終端可與C200H端口直接相連，能直接從主機(jī)的I/O區(qū)和DATA區(qū)取存，大大減低了PT控制的梯形程序容量，也減少了主機(jī)的程序空間。該終端的使用使維修和操作更加方便、直觀，并簡(jiǎn)化了接線，提高了系統(tǒng)的可靠性。其具體操作如下：

通電后，PT自動(dòng)進(jìn)入狀態(tài)屏，顯示機(jī)器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)狀態(tài)屏上的觸摸開(kāi)關(guān)——“RETURN TO MENU”，可切換到“功能選擇主菜單”，該菜單上共有7個(gè)觸摸開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)可選擇各個(gè)功能屏，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的控制和監(jiān)視。功能屏介紹如下：

②“MONI”——故障模擬報(bào)警屏，可顯示機(jī)器各部位的所有聯(lián)鎖信號(hào)，屏幕上有若干指示燈分別與機(jī)器上的各聯(lián)鎖部位相對(duì)應(yīng)，當(dāng)這些部位發(fā)生故障時(shí)，模擬屏上與之相對(duì)應(yīng)的燈會(huì)閃爍，故障排除后自動(dòng)返回主菜單。

③“TIME”——運(yùn)行時(shí)間屏，可顯示機(jī)臺(tái)運(yùn)行時(shí)間、停機(jī)時(shí)間和機(jī)器運(yùn)行效率。

④“SET”——系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置屏，可設(shè)置進(jìn)刀時(shí)間和進(jìn)刀計(jì)數(shù)報(bào)警值，并為下游機(jī)提供啟動(dòng)和停機(jī)剔除數(shù)設(shè)置、嘴棒等待和水松紙等待的脈沖數(shù)值設(shè)置等。

⑤“COUNT”——故障統(tǒng)計(jì)屏，可顯示各種故障的停機(jī)次數(shù)及其占總停機(jī)數(shù)的比例。

⑥“TEST”——系統(tǒng)操作檢測(cè)屏，可直接檢測(cè)外圍電磁閥、指示燈等待執(zhí)行器件的動(dòng)作情況，屏上的觸摸開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)著各個(gè)執(zhí)行器件，按壓時(shí)若執(zhí)行器件動(dòng)作，則屏上的開(kāi)關(guān)亮，再按時(shí)，該器件復(fù)位，開(kāi)關(guān)滅。

⑦“OPTIONS”——其它選項(xiàng)屏，可設(shè)置其它選項(xiàng)，如取樣脈沖數(shù)選擇等。

3.5 電控柜的改造

我們?nèi)〉粼娫磩?dòng)力柜和線路板柜以及柜中的所有元器件和插板，取掉原操作面板，重新制作了控制柜和活動(dòng)式的面板，改造后環(huán)境優(yōu)良，結(jié)構(gòu)更合理，元器件擺放寬敞整齊，布線簡(jiǎn)潔有序，維修十分方便。圖4為改造后的部分控制柜布置圖和面板圖。

圖4 部分電控柜布置圖和面板圖

4 主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的變頻改造

原機(jī)的希南主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在著以下一些問(wèn)題：

①原機(jī)采用的是滑差電磁調(diào)速，其電刷、滑環(huán)等需要定時(shí)的保養(yǎng)或更換，再加上主電機(jī)笨重?zé)o比，有較大的維修工作量；

②原機(jī)是屬于轉(zhuǎn)差率可變型調(diào)速，當(dāng)轉(zhuǎn)差率達(dá)到最小時(shí)，只能依靠更換皮帶輪來(lái)提速，這顯然是很不方便的；

③原機(jī)是全壓?jiǎn)?dòng)，其沖擊電流大，正常停機(jī)時(shí)主電機(jī)照樣運(yùn)轉(zhuǎn)，不同轉(zhuǎn)速時(shí)能耗基本一樣，在低速時(shí)大部分電能轉(zhuǎn)換成了熱能散發(fā)，不僅耗能而且需要循環(huán)水冷散熱；

④備件通用性差，價(jià)格昂貴。

改造后的交流變頻主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高、維護(hù)工作量小、調(diào)速性能好、節(jié)約能源，選用的零件全為通用件，徹底解決了原機(jī)存在的這些問(wèn)題。圖5為主驅(qū)動(dòng)變頻器的接線圖。

圖5 主驅(qū)動(dòng)變頻器接線圖

5 改造后的成效

改造后經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，設(shè)備的平均有效作業(yè)率得到了提高，還節(jié)省了大量的設(shè)備維修和備件費(fèi)用，并降低了能耗。在保留了原機(jī)所有功能的基礎(chǔ)上，通過(guò)新增的智能顯示終端，使人機(jī)對(duì)話更加直觀，維修和操作更為簡(jiǎn)便。

[1] MOLINS-MK95 Operating Manual. MOLINS COMPANY，UK，1980.

[2] MOLINS-MK95 Electrical Maintenance. MOLINS COMPANY，UK，1980.