基于PLC及HMI的包裝機集成控制系統設計與實現

黃遠征 李繼波

（廣東中煙工業有限責任公司湛江卷煙廠，廣東湛江524300）

0 引言

為適應產品質量要求提高的需要，湛江卷煙廠的GDX1、GDX2包裝機組新增加了一部分檢測器（簡稱“外掛檢測器”）對產品質量進行檢測。這些外掛檢測器基本都是采用單片機獨立控制，工作環境較差，存在著粉塵和油污污染，且運行溫度較高。該現象造成設備故障多，維修時間長，且檢測功能升級難度大，成本高。另外，許多外掛檢測器的煙包剔除信號是包裝機內部的手動剔除信號，在OPC控制面板上無故障顯示和剔除原因顯示，無法迅速查找分析故障原因，給維修帶來很大的不便。因此，包裝機迫切需要一個集成控制系統去整合這些外部檢測器，提高維修效率及設備運行效率。

本文采用西門子S7-200系列PLC及臺達觸摸屏搭建了一個包裝機外掛集成控制系統，該系統既提高了檢測器工作的穩定性，也提高了外掛檢測器的故障排除效率。

1 存在問題及分析

湛江卷煙廠包裝機組新增加的外掛檢測器有煙包散包檢測器、透明紙駁接口檢測器、側翼開膠檢測器、煙包外觀成像檢測器、條盒透明紙偏移檢測器等12種。這些外掛檢測器基本都是采用單片機獨立控制，而單片機是安裝在設備上，存在著粉塵及油污污染，故障率較高。

這些外掛檢測器都是共用包裝機內部煙包剔除信號，當某個檢測器靈敏度發生變化，出現煙包誤剔除現象時，在包裝機的OPC界面上只能看到手動剔除煙包數量增加，無法準確地判斷出是哪一個檢測器出現故障，車間的電氣維修人員只能對所有檢測器進行逐一排查。據統計，平均每一次故障排除需要5.5 min，維修效率不高。

2 改造方案

針對以上存在的問題，本文結合PLC控制技術及HMI人機交互技術搭建了一個包裝機外掛集成控制系統，整個控制系統是以PLC的輸入、輸出實現邏輯控制，通過通信來實現人機命令的執行及狀態的顯示等。整體設計遵循包裝機設備工藝要求來與PLC和觸摸屏配合完成。

2.1 PLC控制程序設計

系統的控制器為西門子S7-200系列PLC，安裝在包裝機大電柜內，能杜絕油污及粉塵污染，降低PLC控制器的故障發生率。

查閱了GDX1及GDX2包裝機的電氣圖紙及操作說明書，結合車間外掛檢測器，匯總集成控制系統所需要的檢測信號及執行機構的數量和要求，形成PLC地址分配表，如表1所示。

表1 GDX2的PLC地址分配表

根據外掛檢測器的報警或剔除信號，按照一個檢測器信號對應一個計數器的原則配置計數器，當檢測器檢測到不良煙包，檢測器輸出高電平，當PLC檢測到該檢測器的報警信號的上升沿時，計數器加1，程序如圖1所示。當檢測器發生異常誤剔除時，計數器的累積數值比正常檢測器的計數值大很多，檢測人員可根據計數值縮小檢測器的故障范圍，從而提高維修效率。

圖1 PLC程序截圖

2.2 HMI人機交互設計

系統的HMI人機交互硬件為臺達觸摸屏，裝在包裝機的輔機部分，方便維修人員進行檢測器參數設置及維修人員查閱故障信息。

觸摸屏的設計根據不同部分的工藝流程以及故障排除需求進行，不僅能真實反映缺陷的流動過程，還能顯示出缺陷煙包的累計數量。為了提高觸摸屏傳達信息的有效性，根據包裝機的工藝流程將外掛檢測器的人機交互界面分為兩個部分，分別為CH外掛檢測器監控界面（圖2），CT及CV外掛檢測器監控界面。

圖2 CH外掛檢測器監控界面

PLC控制程序中設置了一個32位的移位寄存器，并且移位寄存器的第一位作為缺陷煙包的標記，當有信號時置位第一位為1，根據不同的檢測器的位置，將觸摸屏上代表該檢測位置的模塊變紅，隨著設備的運行，移位寄存器跟著煙包位置移位，而觸摸屏的顯示模塊也跟著移動，直到剔除工位將缺陷煙包剔除出來，該類型的缺陷煙包累計數值也會加1。觸摸屏上可以直觀地監視缺陷煙包檢測、移位跟蹤和剔除整個過程。

3 應用效果

將編寫好的PLC程序下載到西門子S7-200中，將人機交互界面下載到臺達觸摸屏，進行上機測試。測試結果表明：整合后檢測器工作正常，且所有外掛檢測信息在觸摸屏上顯示準確無誤。該系統在湛江卷煙廠投入使用后，通過觸摸顯示屏直接可以看到檢測器的累計情況，外掛檢測器的故障排除用時從原來的5.5 min/次降低到現在的0.5 min/次，效果明顯。

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