廈門煙草工業(yè)責(zé)任有限公司 陳超明

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MK9-5卷煙機電控系統(tǒng)PLC及主驅(qū)動變頻改造

廈門煙草工業(yè)責(zé)任有限公司 陳超明

該文闡述了MK9-5卷煙機電控系統(tǒng)PLC及主驅(qū)動變頻改造，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)，同時采用工作穩(wěn)定、精度高、調(diào)速范圍寬的變頻器和價格低廉的國產(chǎn)電機替代原主驅(qū)動系統(tǒng)和笨重的主電機，使問題從根本上得到解決。

MK9-5卷煙機 PLC 主驅(qū)動變頻 改造

1 改造的目的

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

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，故障停機率高，而且由于主電機的笨重，還帶來了維修工作量大、停機時間長等問題；

③整機調(diào)速范圍小、精度差、效率低；

④電器元件備件造價高、通用性差、訂貨周期長等。

上述問題嚴(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)，同時采用工作穩(wěn)定、精度高、調(diào)速范圍寬的變頻器和價格低廉的國產(chǎn)電機替代原主驅(qū)動系統(tǒng)和笨重的主電機，可以使這些問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M1：選用國產(chǎn)Y160M1-2-11KW普通交流異步電動機。

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

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

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

⑥接紙接近開關(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，價格廉，功能強，易于編程和修改，還有外圍電路簡單、結(jié)構(gòu)模塊化、可靠性高等特點，在工業(yè)控制中越來越得到了廣泛的應(yīng)用。我們根據(jù)原機的功能要求，確定了PLC及其外圍電路實現(xiàn)的功能，并由輸入輸出點數(shù)選取PLC及相應(yīng)的輸入輸出模塊，最后設(shè)計出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系統(tǒng)運行。

①D0單元：空單元。

②D1單元：空單元。

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

圖1

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

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

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、盤紙電機控制和鋼印移動控制。

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：《中國經(jīng)濟(jì)增長的真實性——基于全球夜間燈光數(shù)據(jù)的檢驗》，《經(jīng)濟(jì)研究》2015年第9期，第17-29頁。

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

3.2 盤紙供應(yīng)和拼接控制的PLC和變頻改造

盤紙部分的PLC改造是整個電控系統(tǒng)改造中的難點和關(guān)鍵，我們用工作穩(wěn)定的接近開關(guān)U4和外加工的偏心凸輪取代原滑動電位器，通過紙臂的升降帶動偏心輪旋轉(zhuǎn)，使U4的輸出產(chǎn)生微小的變化，經(jīng)放大器U3處理后，輸出信號控制盤紙電機變頻器U2，以使盤紙電機在正常運行時與主電機保持同步，同時進(jìn)行預(yù)進(jìn)紙控制，控制圖參見圖2。

圖2

盤紙拼接的原理如下：當(dāng)盤紙的直徑達(dá)到預(yù)定的第一直徑時，PLC接收信號，經(jīng)延時后盤紙電機加速，當(dāng)盤紙的直徑達(dá)到第二直徑時，盤紙電機停轉(zhuǎn)，經(jīng)延時（以保證電機完全停止）拼接電磁閥動作并保持一段時間，然后電磁閥復(fù)位。若拼接時無拼接到底信號，則發(fā)出拼接不動作故障信號，機臺停機；當(dāng)PLC控制電磁閥復(fù)位時如接收不到電磁閥回位信號，則發(fā)出拼接不復(fù)位故障信號，機臺也停機，這兩項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

原機采用的是WEST公司Q3T2XL 372TJ型溫控器（A12），其工作原理是將來自熱電偶的感溫信號放大后，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，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格昂貴的問題。此次改造我們選用了OMRON公司的E5CS-Q1KJX溫控器，它具有體積小、價格低、精度高、易設(shè)定等特點，并帶有傳感器異常檢測和防止誤動作功能，改造后控制線路變得清晰簡單，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自動進(jìn)入狀態(tài)屏，顯示機器當(dāng)前的運行狀態(tài)，通過狀態(tài)屏上的觸摸開關(guān)——“RETURN TO MENU”，可切換到“功能選擇主菜單”，該菜單上共有7個觸摸開關(guān)，通過開關(guān)可選擇各個功能屏，從而實現(xiàn)了對系統(tǒng)的控制和監(jiān)視。功能屏介紹如下：

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

③“TIME”——運行時間屏，可顯示機臺運行時間、停機時間和機器運行效率。

④“SET”——系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置屏，可設(shè)置進(jìn)刀時間和進(jìn)刀計數(shù)報警值，并為下游機提供啟動和停機剔除數(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)計屏，可顯示各種故障的停機次數(shù)及其占總停機數(shù)的比例。

⑥“TEST”——系統(tǒng)操作檢測屏，可直接檢測外圍電磁閥、指示燈等待執(zhí)行器件的動作情況，屏上的觸摸開關(guān)對應(yīng)著各個執(zhí)行器件，按壓時若執(zhí)行器件動作，則屏上的開關(guān)亮，再按時，該器件復(fù)位，開關(guān)滅。

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

3.5 電控柜的改造

我們?nèi)〉粼娫磩恿窈途€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)動系統(tǒng)的變頻改造

原機的希南主驅(qū)動系統(tǒng)存在著以下一些問題：

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

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

③原機是全壓啟動，其沖擊電流大，正常停機時主電機照樣運轉(zhuǎn)，不同轉(zhuǎn)速時能耗基本一樣，在低速時大部分電能轉(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，價格昂貴。

改造后的交流變頻主驅(qū)動系統(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，徹底解決了原機存在的這些問題。圖5為主驅(qū)動變頻器的接線圖。

圖5 主驅(qū)動變頻器接線圖

5 改造后的成效

改造后經(jīng)過幾年來的運行，設(shè)備運轉(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)備維修和備件費用，并降低了能耗。在保留了原機所有功能的基礎(chǔ)上，通過新增的智能顯示終端，使人機對話更加直觀，維修和操作更為簡便。

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

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