運用PLC對ZB25型卷煙包裝機組條包缺包檢測系統升級

馮展坤

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

關鍵詞：PLC；ZB25；卷煙包裝；檢測系統

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。由于機械上包裝煙包的動作是固定的，所以設計上所有機械動作的狀態檢測和包裝質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°的相位進行檢測定位的（通常以一包香煙前進一個工位為360°周期，在條盒包裝前以兩包煙一垛前進一個工位為360°周期，在條盒包裝后以5垛一條前進一個工位為360°周期）。

ZB25型卷煙包裝系統還為了提高維修效率，創造性的在檢測開關和控制系統的連線中加入自診斷功能。當檢測開關正常時，在“0”檢測狀態下，檢測開關以4ms為周期，0.2ms為脈沖寬度輸出方波，“1”檢測狀態則方波反相輸出。當系統檢測不到檢測開關發送過來的脈沖方波信號則判斷該檢測開關故障，機器停止并在顯示屏給出相應的故障提示信息，從而可以很快知道哪個檢測開關故障并對其進行更換。

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

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

（1）當空氣濕度發生改變時檢測精度會發生變化，要經常根據天氣情況對檢測開關的設定進行調整。

（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，煙包高度會發生變化，這些都會對檢測精度產生不良影響。

（3）只對煙垛上層煙包進行檢測，當下層煙包缺包時系統就無能為力。

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

檢測的精髓在于能對特定物質的特定特性或特定狀態進行準確反映。在煙草行業中，最主要的是能對煙絲這種特定物質的各種特性和狀態進行檢測，但是目前市面上還找不到這種針對煙絲的特殊檢測裝置，所以替代現用的容性檢測開關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行密度檢測，在通用的檢測元件中，只有容性接近開關可以近似的實現這種檢測，這就是原系統采用容性接近開關的原因。在沒有特殊檢測元件的情況下要改進這種檢測方法，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行檢測。采用檢測光線強度方式的光電開關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。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。傳感器在通道上進行不間斷的光線強度檢測，通過設定適當的強度判定信號判斷煙包存在與否，實現煙包的缺包檢測。

由于原機電氣控制系統的專利保密，加裝的兩只漫反射式光纖傳感器是不能通過修改原系統設置直接加入到原檢測系統中的，所以需要另加PLC來進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行鎖存和移位到原系統的缺包檢測輸入點，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識信號移位到原系統的缺包檢測工位。

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5垛煙后才向前包裝成1條煙，而且這兩者的驅動同一個電機，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的感性接近開關就可以取得相應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齊備，但由于自診斷功能的存在使加裝系統的缺包輸出信號的處理成為棘手問題。

首先，加裝系統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，則機組的電控系統就會將缺包檢測接近開關判定為故障，造成機器停機并且不能重新復位啟動。因此，需要加裝系統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機組電控系統，則由于信號的不同步迭加，產生紊亂的方波信號，機組電控系統同樣會判定為檢測開關故障。再者，兩套缺包檢測裝置不一定得出相同的檢測狀態，如果將兩組檢測輸出信號直接并接進機組電控系統，當兩組信號相反時則會造成短路故障，將兩套系統同時燒毀。

所以必須將兩組信號經過PLC進行整合處理后才輸出到機組MICRO II電控系統：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生缺包信號并進行鎖存。由于該檢測位位于條盒包裝前的兩個工位，所以缺包信號要經過垛同步（I0.0）作兩個移位。垛煙前進兩個工位后到達條包裝工位，程序相應進入條同步（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，程序將兩個信號“或”處理，結果通過輸出端口Q0.0生成對應狀態的PWM信號輸出到原機組電氣控制系統。endprint

由于原機缺包檢測接近開關帶自診斷功能，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的“0”、“1”狀態呢？研究S7-200編程軟件Micro/WIN的軟件幫助手冊發現：

S7-200允許用戶為某些或全部局部數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造成不良改動的噪音。通過設置輸入時延，用戶可以過濾數字量輸入信號。輸入狀態改變時，輸入必須在時延期限內保持在新狀態，才能被認為是有效的。濾波器會消除噪音脈沖，并強制輸入線在數據被接受之前必須先穩定下來。

這樣就可以將I0.4-I0.7這組輸入端口的輸入時延設為1.6ms，0.2ms<1.6ms<3.8ms，從而將0.2ms的尖脈沖（正或負）信號過濾掉，“0”、“1”狀態就表現為單純的低高電平狀態，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的輸入到原系統的通道。但是當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PLC運行時斷開原缺包檢測的輸出通道，原系統的缺包檢測信號輸入到PLC，由PLC內部將兩組缺包檢測裝置的檢測信號進行“或”處理后將結果通過Q0.0生成PWM信號輸出到原系統；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的選型已經確定和程序的運行邏輯經過上面的分析已經理順，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的調整。由于機器按嚴格的相位運行，所以加裝的這個系統也應該按照機器的相位進行檢測控制。早前為了對缺包信號進行移位所加的兩個同步接近開關的觸發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，條盒前進一個工位該軸旋轉360o。所以通過調整凸輪上齒觸發同步接近開關的時機就能對應調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）。在垛同步接近開關的相位調整上，選擇垛煙包經過了缺包檢測光纖檢測位置后1/3煙包寬度時觸發為標準，這個時候煙包對光纖發射過來的光線反射較穩定，檢測較為準確。而條同步接近開關的相位調整，由于原缺包檢測開關在機器的225°時輸出有效，為了保證PLC輸出有效，因此設定條同步接近開關在機器222°相位時觸發，并保持6°以保證原系統能準確收到該信號，即228°時同步凸輪離開接近開關。

由于改造前經過縝密的考慮，各種因素都基本在設計階段就作出適當的處理，所以改造過程相當順利。改造完成后，由于采用了與原系統完全不同的檢測手段，所以對原系統作出了很好的補充，經過了一段時間運行，的確能與預期一樣，大大增加了缺包檢測的成功率，達到了設計要求。endprint

由于原機缺包檢測接近開關帶自診斷功能，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的“0”、“1”狀態呢？研究S7-200編程軟件Micro/WIN的軟件幫助手冊發現：

S7-200允許用戶為某些或全部局部數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造成不良改動的噪音。通過設置輸入時延，用戶可以過濾數字量輸入信號。輸入狀態改變時，輸入必須在時延期限內保持在新狀態，才能被認為是有效的。濾波器會消除噪音脈沖，并強制輸入線在數據被接受之前必須先穩定下來。

這樣就可以將I0.4-I0.7這組輸入端口的輸入時延設為1.6ms，0.2ms<1.6ms<3.8ms，從而將0.2ms的尖脈沖（正或負）信號過濾掉，“0”、“1”狀態就表現為單純的低高電平狀態，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的輸入到原系統的通道。但是當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PLC運行時斷開原缺包檢測的輸出通道，原系統的缺包檢測信號輸入到PLC，由PLC內部將兩組缺包檢測裝置的檢測信號進行“或”處理后將結果通過Q0.0生成PWM信號輸出到原系統；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的選型已經確定和程序的運行邏輯經過上面的分析已經理順，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的調整。由于機器按嚴格的相位運行，所以加裝的這個系統也應該按照機器的相位進行檢測控制。早前為了對缺包信號進行移位所加的兩個同步接近開關的觸發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，條盒前進一個工位該軸旋轉360o。所以通過調整凸輪上齒觸發同步接近開關的時機就能對應調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）。在垛同步接近開關的相位調整上，選擇垛煙包經過了缺包檢測光纖檢測位置后1/3煙包寬度時觸發為標準，這個時候煙包對光纖發射過來的光線反射較穩定，檢測較為準確。而條同步接近開關的相位調整，由于原缺包檢測開關在機器的225°時輸出有效，為了保證PLC輸出有效，因此設定條同步接近開關在機器222°相位時觸發，并保持6°以保證原系統能準確收到該信號，即228°時同步凸輪離開接近開關。

由于改造前經過縝密的考慮，各種因素都基本在設計階段就作出適當的處理，所以改造過程相當順利。改造完成后，由于采用了與原系統完全不同的檢測手段，所以對原系統作出了很好的補充，經過了一段時間運行，的確能與預期一樣，大大增加了缺包檢測的成功率，達到了設計要求。endprint

由于原機缺包檢測接近開關帶自診斷功能，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的“0”、“1”狀態呢？研究S7-200編程軟件Micro/WIN的軟件幫助手冊發現：

S7-200允許用戶為某些或全部局部數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造成不良改動的噪音。通過設置輸入時延，用戶可以過濾數字量輸入信號。輸入狀態改變時，輸入必須在時延期限內保持在新狀態，才能被認為是有效的。濾波器會消除噪音脈沖，并強制輸入線在數據被接受之前必須先穩定下來。

這樣就可以將I0.4-I0.7這組輸入端口的輸入時延設為1.6ms，0.2ms<1.6ms<3.8ms，從而將0.2ms的尖脈沖（正或負）信號過濾掉，“0”、“1”狀態就表現為單純的低高電平狀態，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的輸入到原系統的通道。但是當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PLC運行時斷開原缺包檢測的輸出通道，原系統的缺包檢測信號輸入到PLC，由PLC內部將兩組缺包檢測裝置的檢測信號進行“或”處理后將結果通過Q0.0生成PWM信號輸出到原系統；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的選型已經確定和程序的運行邏輯經過上面的分析已經理順，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的調整。由于機器按嚴格的相位運行，所以加裝的這個系統也應該按照機器的相位進行檢測控制。早前為了對缺包信號進行移位所加的兩個同步接近開關的觸發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，條盒前進一個工位該軸旋轉360o。所以通過調整凸輪上齒觸發同步接近開關的時機就能對應調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）。在垛同步接近開關的相位調整上，選擇垛煙包經過了缺包檢測光纖檢測位置后1/3煙包寬度時觸發為標準，這個時候煙包對光纖發射過來的光線反射較穩定，檢測較為準確。而條同步接近開關的相位調整，由于原缺包檢測開關在機器的225°時輸出有效，為了保證PLC輸出有效，因此設定條同步接近開關在機器222°相位時觸發，并保持6°以保證原系統能準確收到該信號，即228°時同步凸輪離開接近開關。

由于改造前經過縝密的考慮，各種因素都基本在設計階段就作出適當的處理，所以改造過程相當順利。改造完成后，由于采用了與原系統完全不同的檢測手段，所以對原系統作出了很好的補充，經過了一段時間運行，的確能與預期一樣，大大增加了缺包檢測的成功率，達到了設計要求。endprint