用西门子S7-300PLC实现Super9/PA9滤嘴卷烟生产线的现代化改造设计

1. 引言
卷烟工业是中国国民经济的支柱产业之一，卷烟工业的技术进步和生产效率的提高对国民经济的发展有着重要意义。中国烟草工业总公司从80年代初期开始进口卷烟生产线，主要有MOLINS，PROTOS，SASIB，GD，FOCK等公司的产品，其中以英国MOLINS公司的MARK系列卷烟生产线进口最多。S9/PA9滤嘴卷烟生产线是MOLINS公司的最新也是最后型号的卷烟机械，它综合了MARK-9-5和MARK-10卷烟生产线的优点，设计先进，结构合理，控制功能完善，易于操作。尽管Super9/PA9滤嘴卷烟生产线具有上述优点，但是在现场的使用中仍然暴露出很多不足，主要有以下几个方面：
（1） 其电控系统核心采用8085微处理器，配以大量的专用电路板，因而通用性差，故障率高。由于MOLINS公司的转产，专用电路板更换困难，不易维修。
（2） 故障和机器运行状态显示过于简单，仅用17个指示灯表示60余种故障和运行状态，一旦发生故障，难以迅速判断故障原因，不利于迅速排除故障，保障机器连续运行。
（3） 运行参数修改必须在停机状态下在专用的电路板上进行，采用拨动开关设置，因而不能连续修改参数，调节范围广，且不能在运行中调节。
（4） 设备维修或故障排除时没有专门的设备判断故障是电气引起还是由机械引起的，难以测试各个动作点有无故障。
（5） 生产数据统计简单，只统计成品烟一项，不能保存统计结果。
（6） 逻辑控制功能已经固化，不能进行修改。
基于上述问题，Super9/PA9滤嘴卷烟生产线的改造势在必行。
2. 系统概述
Super9又简称超9，是一部每分钟能生产6500只无嘴烟支的卷烟机，与它配合工作的接嘴机是PA9。Super9卷烟机与PA9接嘴机以机组形式提供给用户。它将烟丝、卷烟纸卷制成符合工艺要求的普通圆形双倍长烟支，送入接嘴机进行二次分切、接装滤嘴后，形成普通的带过滤嘴的烟支。为了实现高速、高效率、低材料消耗的功能，机器具有许多一流的功能，这些功能是由电机、烙铁、离合器、继电器、高压空气电磁阀和真空电磁阀完成的。输入到这些电器硬件的部件的控制信号是来自开关或经过逻辑电路处理后的传感器信号。输出信号主要用来控制电机、电磁阀等。本系统的输入信号大约有110个，输出信号大约有70个。
Super9卷烟机主要由供料系统、供纸印刷系统、烟条成型系统、切割系统四大部分组成。它的工艺流程主要分为以下六个步骤：进料、送料、卷烟纸的输送、卷制、切割、烟支输出。PA9接嘴机主要由许多鼓轮、滤嘴棒、水松纸供给装置等组成。它的工艺流程主要分为以下五个步骤：滤嘴备制、组合烟支、水松纸准备、包卷、转向和输出。
3.控制系统硬件构成
在深入分析研究原有系统的基础上，采用西门子SIMATIC S7-300可编程序控制器为下位机工控机为上位机开发了Super9/PA9滤嘴卷烟生产线控制系统。SIMATIC S7-300是一种模块式的结构，系统构成和扩展都十分方便。本系统硬件组态如表1：
模块 具体名称 数量 备注
CPU模块 CPU314 1 PLC的核心模块，由微处理器和存储器组成。
数字量输入模块DI32xDC24V 4 32个输入点
DI 16xDC24V, Alarm 1 16个输入点，带硬件和诊断中断
DO 16xDC24V/0.5A 5 16个输出点
DO 16xRel.AC120V/230V 1 16个输出点，负载电压24~120/230VDC48~120/230VAC
模拟量输入输出模块AI4/AO2 1 支持4个模拟量输入，2个模拟量输出
高速计数模块 FM350-2 COUNTER 1 用于高速的精确计数
通信模块 CP 340-RS232C 1 用于PLC和上位机的通信
电源模块 PS 307 5A 1 为其他模块提供DC24V电源
接口模块 IM 365 2 用于扩展机架
表 1：系统硬件组态
4.控制系统主要软件设计
系统软件包括下位机PLC控制软件和上位机人机界面软件。下位机编程软件采用的是STEP7 V5.2，主要功能是完成系统的编程和组态；上位机软件采用Visual Basic,主要功能是实现人机界面，把当前机器的运行状态、运行速度、故障状态等信息显示出来。
下面主要介绍下位机PLC控制软件及实现。
下位机PLC控制软件用来完成生产工艺的全部任务，该软件开发的好坏直接关系到系统自动化的成败。整个系统编程采用模块化结构设计，使软件结构更为简洁，可移植性好，便于修改和调试。主控程序OB1中决定什么情况下调用哪个功能（FC），自PLC运行后OB1循环往复的执行，每个功能（FC）用来完成不同的过程任务。
本系统用到的组织块及功能如下：
OB块：程序循环块OB1、中断服务块OB40、暖启动块OB100
FC块：高速计数子程序、安全连锁、S9故障状态子程序、料斗部分动作、换盘纸子程序、PA9部分机器故障状态、PA9电机及切刀滤棒控制、水松纸部分控制、烟支剔除、开机清理等、状态显示、机器速度设定及处理、机器几种运行状态、机器启动运行、下位机往上位机船的参数、:通信模块、上位机传参数的初始化
PLC控制程序的总体结构框图如图2所示。


图2：PLC控制程序结构框图
5.结论
本次改造用以PLC为下位机工控机为上位机的新的Super9/PA9滤嘴卷烟生产线控制系统替换原有的电路板控制系统，实现了原系统的所有逻辑功能，并增加了很多新的功能，主要体现在以下几点：（1）系统采用独立的电控柜，减少机器运转温度对系统的影响，防止烟丝、粉尘对系统的影响。(2) 系统增加了专门的运行参数修改画面，运行参数修改不必在停机状态下进行， 在工控机上用键盘输入相应的参数即可，参数可以连续调节。 (3)同时系统还加入了专门的输出点测试界面， 为设备维修和故障排除提供了方便 (4)增加了盘纸拼接和水松纸拼接减速功能，使拼接更稳定可靠。（5）系统还可以对卷烟机组发生的故障时刻进行记录，方便维修。（6）拥有清晰美观的中文人机界面，显示内容更加详细，屏幕切换只要手去触摸方式来完成。
总之，超九烟机经过PLC改造，系统更加完善，操作更加方便，显示更加直观。
参考文献：
[1] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团编著，《深入浅出西门子S7-300PLC》， 北京航空航天大学出版社，2004.8
[2] 廖常初主编，《S7-300/400PLC应用技术》，机械工业出版社，2005.1
[3] 《MOLINS 长城 Super9 电气说明书》，常德卷烟厂五车间编印，1990.6
[4] 《MOLINS 长城 PA9 电气说明书》，常德卷烟厂五车间编印， 1990.6