馮展坤

摘 要：ZB25型卷煙包裝機組原有條包缺包檢測系統(tǒng)偶爾會出現(xiàn)缺包檢測失敗現(xiàn)象，為此加裝了另一由S7-200PLC控制的缺包檢測裝置對原系統(tǒng)作為補充，并入原機檢測系統(tǒng)后，極大提高了缺包檢測的成功率。

關(guān)鍵詞：PLC；ZB25；卷煙包裝；檢測系統(tǒng)

ZB25型卷煙包裝機組的電氣控制采用帶專利的名為MICRO II的PC單板機集群系統(tǒng)。由于機械上包裝煙包的動作是固定的，所以設(shè)計上所有機械動作的狀態(tài)檢測和包裝質(zhì)量在線檢測都是通過絕對型軸編碼器，在包裝周期中以精確到1°的相位進(jìn)行檢測定位的（通常以一包香煙前進(jìn)一個工位為360°周期，在條盒包裝前以兩包煙一垛前進(jìn)一個工位為360°周期，在條盒包裝后以5垛一條前進(jìn)一個工位為360°周期）。

ZB25型卷煙包裝系統(tǒng)還為了提高維修效率，創(chuàng)造性的在檢測開關(guān)和控制系統(tǒng)的連線中加入自診斷功能。當(dāng)檢測開關(guān)正常時，在“0”檢測狀態(tài)下，檢測開關(guān)以4ms為周期，0.2ms為脈沖寬度輸出方波，“1”檢測狀態(tài)則方波反相輸出。當(dāng)系統(tǒng)檢測不到檢測開關(guān)發(fā)送過來的脈沖方波信號則判斷該檢測開關(guān)故障，機器停止并在顯示屏給出相應(yīng)的故障提示信息，從而可以很快知道哪個檢測開關(guān)故障并對其進(jìn)行更換。

在原機系統(tǒng)中，缺包檢測是在包裝流程到了條盒外包裝紙對5垛煙（10包）進(jìn)行包裝的通道上，通過5只帶自診斷功能的容性接近開關(guān)對條盒包裝以后的5垛煙包的上層5包煙分別進(jìn)行檢測，當(dāng)任一檢測接近開關(guān)在檢測相位檢測不到煙包時則系統(tǒng)判定為缺包，通過鎖存移位，到達(dá)后續(xù)通道的剔除工位時，在剔除相位將該條缺包的條煙進(jìn)行剔除。

由于采用容性接近開關(guān)，這種開關(guān)的特性對空氣濕度、檢測距離都比較敏感，所以這樣的檢測系統(tǒng)缺點比較明顯：

（1）當(dāng)空氣濕度發(fā)生改變時檢測精度會發(fā)生變化，要經(jīng)常根據(jù)天氣情況對檢測開關(guān)的設(shè)定進(jìn)行調(diào)整。

（2）由于5垛煙表面還有一層條盒包裝紙，而且煙包由于擠壓變形，煙包高度會發(fā)生變化，這些都會對檢測精度產(chǎn)生不良影響。

（3）只對煙垛上層煙包進(jìn)行檢測，當(dāng)下層煙包缺包時系統(tǒng)就無能為力。

為了降低這種質(zhì)量事故的發(fā)生機率，那就需要彌補原系統(tǒng)的缺陷對其進(jìn)行技術(shù)改造升級。分析原系統(tǒng)的檢測裝置，造成事故的根本原因有兩個：（1）容性接近開關(guān)對任何物質(zhì)在其檢測距離內(nèi)都有反應(yīng)，不能有針對性的只對煙包進(jìn)行判斷檢測，而且靈敏度受諸多因素影響；（2）只對上層煙包進(jìn)行檢測，可靠性大大降低。

檢測的精髓在于能對特定物質(zhì)的特定特性或特定狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確反映。在煙草行業(yè)中，最主要的是能對煙絲這種特定物質(zhì)的各種特性和狀態(tài)進(jìn)行檢測，但是目前市面上還找不到這種針對煙絲的特殊檢測裝置，所以替代現(xiàn)用的容性檢測開關(guān)的選型就成了解決問題的核心。缺包檢測實際上是煙包存在與否的檢測，而且由于條盒包裝紙的存在，可行的方法只能是對條盒煙整體進(jìn)行密度檢測，在通用的檢測元件中，只有容性接近開關(guān)可以近似的實現(xiàn)這種檢測，這就是原系統(tǒng)采用容性接近開關(guān)的原因。在沒有特殊檢測元件的情況下要改進(jìn)這種檢測方法，只有去掉條盒紙的影響，直接對上下兩層煙包的存在與否進(jìn)行檢測。采用檢測光線強度方式的光電開關(guān)就能很好的滿足這種需要。

由于安裝位置的限制，決定選擇漫反射式光纖傳感器作為檢測開關(guān)。這種傳感器是通過檢測反射光線的強度判斷光纖檢測頭前是否存檢測物。傳感器在通道上進(jìn)行不間斷的光線強度檢測，通過設(shè)定適當(dāng)?shù)膹姸扰卸ㄐ盘柵袛酂煱嬖谂c否，實現(xiàn)煙包的缺包檢測。

由于原機電氣控制系統(tǒng)的專利保密，加裝的兩只漫反射式光纖傳感器是不能通過修改原系統(tǒng)設(shè)置直接加入到原檢測系統(tǒng)中的，所以需要另加PLC來進(jìn)行這部分功能的實施和控制。由于檢測點的前移，為了對檢測到的缺包信號進(jìn)行鎖存和移位到原系統(tǒng)的缺包檢測輸入點，則還需要：（1）煙垛的工位移位同步信號，將PLC鎖存著的缺包垛煙的標(biāo)識信號移位到條包裝工位的入口；（2）條煙的工位移位同步信號，將從垛移位過來的缺包標(biāo)識信號移位到原系統(tǒng)的缺包檢測工位。

由于1條煙有5垛煙，所以在包裝的機械動作上必然是移進(jìn)5垛煙后才向前包裝成1條煙，而且這兩者的驅(qū)動同一個電機，所以垛的前移動作速度是條的前移動作速度的5倍。另外每條煙都用一張外包裝紙進(jìn)行包裝，所以包裝紙的輸送速度與條前移動作同步。這樣只需要在條外包裝紙的輸送軸（這個地方較容易安裝和觀察）上安裝兩個齒比為1：5的同步金屬凸輪和對應(yīng)的感性接近開關(guān)就可以取得相應(yīng)的條同步移位信號和垛同步移位信號。

缺包檢測的基本要素已經(jīng)齊備，但由于自診斷功能的存在使加裝系統(tǒng)的缺包輸出信號的處理成為棘手問題。

首先，加裝系統(tǒng)的缺包檢測信號如果不加處理直接輸出表示缺包的單純低電平或不缺包的單純高電平信號，則機組的電控系統(tǒng)就會將缺包檢測接近開關(guān)判定為故障，造成機器停機并且不能重新復(fù)位啟動。因此，需要加裝系統(tǒng)的輸出信號能模擬自診斷的周期脈沖方波信號：沒有缺包信號時輸出周期為4ms，脈沖寬度為3.8（4-0.2）ms的“1”狀態(tài)PWM信號；有缺包信號時輸出周期為4ms，脈沖寬度為0.2ms的“0”狀態(tài)PWM信號。

其次，由于兩套缺包檢測裝置的輸出方波信號很難保持同步，如果將兩組檢測輸出信號直接并接進(jìn)機組電控系統(tǒng)，則由于信號的不同步迭加，產(chǎn)生紊亂的方波信號，機組電控系統(tǒng)同樣會判定為檢測開關(guān)故障。再者，兩套缺包檢測裝置不一定得出相同的檢測狀態(tài)，如果將兩組檢測輸出信號直接并接進(jìn)機組電控系統(tǒng)，當(dāng)兩組信號相反時則會造成短路故障，將兩套系統(tǒng)同時燒毀。

所以必須將兩組信號經(jīng)過PLC進(jìn)行整合處理后才輸出到機組MICRO II電控系統(tǒng)：將原缺包檢測信號的輸出通道斷開，將該信號接入到PLC輸入端口I0.4，在PLC程序中，當(dāng)任何一只光纖傳感器（I0.2或I0.3）在檢測同步相位（I0.0）檢測不到煙包時則產(chǎn)生缺包信號并進(jìn)行鎖存。由于該檢測位位于條盒包裝前的兩個工位，所以缺包信號要經(jīng)過垛同步（I0.0）作兩個移位。垛煙前進(jìn)兩個工位后到達(dá)條包裝工位，程序相應(yīng)進(jìn)入條同步（I0.1）移位，缺包信號作出四個移位后，該缺包條煙到達(dá)原機的缺包檢測工位，在原機的缺包檢測相位時（225o），檢查原機缺包檢測信號（I0.4）狀態(tài)，程序?qū)蓚€信號“或”處理，結(jié)果通過輸出端口Q0.0生成對應(yīng)狀態(tài)的PWM信號輸出到原機組電氣控制系統(tǒng)。endprint

由于原機缺包檢測接近開關(guān)帶自診斷功能，所以其輸出波形為脈沖方波信號，如何才能保證I0.4正確反映缺包與否所對應(yīng)的“0”、“1”狀態(tài)呢？研究S7-200編程軟件Micro/WIN的軟件幫助手冊發(fā)現(xiàn)：

S7-200允許用戶為某些或全部局部數(shù)字量輸入點選擇一個定義時延（可從0.2ms至12.8ms之間選擇）的輸入濾波器。該延時幫助過濾輸入接在線可能對輸入狀態(tài)造成不良改動的噪音。通過設(shè)置輸入時延，用戶可以過濾數(shù)字量輸入信號。輸入狀態(tài)改變時，輸入必須在時延期限內(nèi)保持在新狀態(tài)，才能被認(rèn)為是有效的。濾波器會消除噪音脈沖，并強制輸入線在數(shù)據(jù)被接受之前必須先穩(wěn)定下來。

這樣就可以將I0.4-I0.7這組輸入端口的輸入時延設(shè)為1.6ms，0.2ms<1.6ms<3.8ms，從而將0.2ms的尖脈沖（正或負(fù)）信號過濾掉，“0”、“1”狀態(tài)就表現(xiàn)為單純的低高電平狀態(tài)，原機缺包信號就能正確的輸入到端口I0.4以供PLC程序使用。

最后，由于為了不造成兩組檢測裝置輸出信號的相互干擾甚至短路，所以斷開了原缺包檢測接近開關(guān)的輸入到原系統(tǒng)的通道。但是當(dāng)PLC不運行時，則會造成兩組缺包檢測裝置都失效的后果。為此，通過加裝一個由PLC控制的繼電器，當(dāng)PLC運行時斷開原缺包檢測的輸出通道，原系統(tǒng)的缺包檢測信號輸入到PLC，由PLC內(nèi)部將兩組缺包檢測裝置的檢測信號進(jìn)行“或”處理后將結(jié)果通過Q0.0生成PWM信號輸出到原系統(tǒng)；PLC停止時，原通道通過繼電器的常閉觸點保持，PLC的輸出失效。

綜上所述，PLC輸入點要5個，輸出點要2個，并且其中一個輸入點要帶1.6ms延時功能，一個輸出點要生成4ms周期即0.25K Hz頻率的PWM信號，由于繼電器輸出型的PLC的輸出脈沖頻率只能達(dá)到1Hz，所以選擇型號為CPU 221 DC/DC/DC的晶體管輸出型S7-200 PLC。

最后，PLC的選型已經(jīng)確定和程序的運行邏輯經(jīng)過上面的分析已經(jīng)理順，但是對成敗還有一個決定性的因素，那就是兩個同步接近開關(guān)的調(diào)整。由于機器按嚴(yán)格的相位運行，所以加裝的這個系統(tǒng)也應(yīng)該按照機器的相位進(jìn)行檢測控制。早前為了對缺包信號進(jìn)行移位所加的兩個同步接近開關(guān)的觸發(fā)凸輪是安裝在條盒外包裝紙輸送軸上的，該軸剛好與條盒包裝的相位同步，條盒前進(jìn)一個工位該軸旋轉(zhuǎn)360o。所以通過調(diào)整凸輪上齒觸發(fā)同步接近開關(guān)的時機就能對應(yīng)調(diào)整垛的檢測相位和原缺包檢測信號的提取相位（即條盒缺包信號的輸出相位）。在垛同步接近開關(guān)的相位調(diào)整上，選擇垛煙包經(jīng)過了缺包檢測光纖檢測位置后1/3煙包寬度時觸發(fā)為標(biāo)準(zhǔn)，這個時候煙包對光纖發(fā)射過來的光線反射較穩(wěn)定，檢測較為準(zhǔn)確。而條同步接近開關(guān)的相位調(diào)整，由于原缺包檢測開關(guān)在機器的225°時輸出有效，為了保證PLC輸出有效，因此設(shè)定條同步接近開關(guān)在機器222°相位時觸發(fā)，并保持6°以保證原系統(tǒng)能準(zhǔn)確收到該信號，即228°時同步凸輪離開接近開關(guān)。

由于改造前經(jīng)過縝密的考慮，各種因素都基本在設(shè)計階段就作出適當(dāng)?shù)奶幚恚愿脑爝^程相當(dāng)順利。改造完成后，由于采用了與原系統(tǒng)完全不同的檢測手段，所以對原系統(tǒng)作出了很好的補充，經(jīng)過了一段時間運行，的確能與預(yù)期一樣，大大增加了缺包檢測的成功率，達(dá)到了設(shè)計要求。endprint

由于原機缺包檢測接近開關(guān)帶自診斷功能，所以其輸出波形為脈沖方波信號，如何才能保證I0.4正確反映缺包與否所對應(yīng)的“0”、“1”狀態(tài)呢？研究S7-200編程軟件Micro/WIN的軟件幫助手冊發(fā)現(xiàn)：

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這樣就可以將I0.4-I0.7這組輸入端口的輸入時延設(shè)為1.6ms，0.2ms<1.6ms<3.8ms，從而將0.2ms的尖脈沖（正或負(fù)）信號過濾掉，“0”、“1”狀態(tài)就表現(xiàn)為單純的低高電平狀態(tài)，原機缺包信號就能正確的輸入到端口I0.4以供PLC程序使用。

最后，由于為了不造成兩組檢測裝置輸出信號的相互干擾甚至短路，所以斷開了原缺包檢測接近開關(guān)的輸入到原系統(tǒng)的通道。但是當(dāng)PLC不運行時，則會造成兩組缺包檢測裝置都失效的后果。為此，通過加裝一個由PLC控制的繼電器，當(dāng)PLC運行時斷開原缺包檢測的輸出通道，原系統(tǒng)的缺包檢測信號輸入到PLC，由PLC內(nèi)部將兩組缺包檢測裝置的檢測信號進(jìn)行“或”處理后將結(jié)果通過Q0.0生成PWM信號輸出到原系統(tǒng)；PLC停止時，原通道通過繼電器的常閉觸點保持，PLC的輸出失效。

綜上所述，PLC輸入點要5個，輸出點要2個，并且其中一個輸入點要帶1.6ms延時功能，一個輸出點要生成4ms周期即0.25K Hz頻率的PWM信號，由于繼電器輸出型的PLC的輸出脈沖頻率只能達(dá)到1Hz，所以選擇型號為CPU 221 DC/DC/DC的晶體管輸出型S7-200 PLC。

最后，PLC的選型已經(jīng)確定和程序的運行邏輯經(jīng)過上面的分析已經(jīng)理順，但是對成敗還有一個決定性的因素，那就是兩個同步接近開關(guān)的調(diào)整。由于機器按嚴(yán)格的相位運行，所以加裝的這個系統(tǒng)也應(yīng)該按照機器的相位進(jìn)行檢測控制。早前為了對缺包信號進(jìn)行移位所加的兩個同步接近開關(guān)的觸發(fā)凸輪是安裝在條盒外包裝紙輸送軸上的，該軸剛好與條盒包裝的相位同步，條盒前進(jìn)一個工位該軸旋轉(zhuǎn)360o。所以通過調(diào)整凸輪上齒觸發(fā)同步接近開關(guān)的時機就能對應(yīng)調(diào)整垛的檢測相位和原缺包檢測信號的提取相位（即條盒缺包信號的輸出相位）。在垛同步接近開關(guān)的相位調(diào)整上，選擇垛煙包經(jīng)過了缺包檢測光纖檢測位置后1/3煙包寬度時觸發(fā)為標(biāo)準(zhǔn)，這個時候煙包對光纖發(fā)射過來的光線反射較穩(wěn)定，檢測較為準(zhǔn)確。而條同步接近開關(guān)的相位調(diào)整，由于原缺包檢測開關(guān)在機器的225°時輸出有效，為了保證PLC輸出有效，因此設(shè)定條同步接近開關(guān)在機器222°相位時觸發(fā)，并保持6°以保證原系統(tǒng)能準(zhǔn)確收到該信號，即228°時同步凸輪離開接近開關(guān)。

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這樣就可以將I0.4-I0.7這組輸入端口的輸入時延設(shè)為1.6ms，0.2ms<1.6ms<3.8ms，從而將0.2ms的尖脈沖（正或負(fù)）信號過濾掉，“0”、“1”狀態(tài)就表現(xiàn)為單純的低高電平狀態(tài)，原機缺包信號就能正確的輸入到端口I0.4以供PLC程序使用。

最后，由于為了不造成兩組檢測裝置輸出信號的相互干擾甚至短路，所以斷開了原缺包檢測接近開關(guān)的輸入到原系統(tǒng)的通道。但是當(dāng)PLC不運行時，則會造成兩組缺包檢測裝置都失效的后果。為此，通過加裝一個由PLC控制的繼電器，當(dāng)PLC運行時斷開原缺包檢測的輸出通道，原系統(tǒng)的缺包檢測信號輸入到PLC，由PLC內(nèi)部將兩組缺包檢測裝置的檢測信號進(jìn)行“或”處理后將結(jié)果通過Q0.0生成PWM信號輸出到原系統(tǒng)；PLC停止時，原通道通過繼電器的常閉觸點保持，PLC的輸出失效。

綜上所述，PLC輸入點要5個，輸出點要2個，并且其中一個輸入點要帶1.6ms延時功能，一個輸出點要生成4ms周期即0.25K Hz頻率的PWM信號，由于繼電器輸出型的PLC的輸出脈沖頻率只能達(dá)到1Hz，所以選擇型號為CPU 221 DC/DC/DC的晶體管輸出型S7-200 PLC。

最后，PLC的選型已經(jīng)確定和程序的運行邏輯經(jīng)過上面的分析已經(jīng)理順，但是對成敗還有一個決定性的因素，那就是兩個同步接近開關(guān)的調(diào)整。由于機器按嚴(yán)格的相位運行，所以加裝的這個系統(tǒng)也應(yīng)該按照機器的相位進(jìn)行檢測控制。早前為了對缺包信號進(jìn)行移位所加的兩個同步接近開關(guān)的觸發(fā)凸輪是安裝在條盒外包裝紙輸送軸上的，該軸剛好與條盒包裝的相位同步，條盒前進(jìn)一個工位該軸旋轉(zhuǎn)360o。所以通過調(diào)整凸輪上齒觸發(fā)同步接近開關(guān)的時機就能對應(yīng)調(diào)整垛的檢測相位和原缺包檢測信號的提取相位（即條盒缺包信號的輸出相位）。在垛同步接近開關(guān)的相位調(diào)整上，選擇垛煙包經(jīng)過了缺包檢測光纖檢測位置后1/3煙包寬度時觸發(fā)為標(biāo)準(zhǔn)，這個時候煙包對光纖發(fā)射過來的光線反射較穩(wěn)定，檢測較為準(zhǔn)確。而條同步接近開關(guān)的相位調(diào)整，由于原缺包檢測開關(guān)在機器的225°時輸出有效，為了保證PLC輸出有效，因此設(shè)定條同步接近開關(guān)在機器222°相位時觸發(fā)，并保持6°以保證原系統(tǒng)能準(zhǔn)確收到該信號，即228°時同步凸輪離開接近開關(guān)。

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