基于PLC 控制的翻箱喂料自動換批生產設計與應用

鄧忠聲，陳 曦，劉嘉耀，王海峰，宋成照，宮建華

（1.廣東中煙工業有限責任公司梅州卷煙廠，廣東梅州 514599；2.北京航天拓撲高科技有限責任公司，北京 100176）

0 引言

真空回潮作為煙草行業制絲車間關鍵工藝，可分為煙包開包、垂直切片、稱重裝箱、真空回潮、煙葉松垛、喂料機喂料6 個部分。煙包開包是用于對紙箱包裝的葉片煙包進行翻包、脫箱，并將煙垛和紙箱分別送往煙垛分切機和紙箱回收處。垂直切片用于將拆包后的煙包垂直分切成寬度相等的數塊，為煙片的松散和回潮、增濕提供工藝條件。稱重裝箱用于將切好的煙片進行計量裝箱，保證每箱重量均衡。真空回潮用于將已裝好箱的煙片進行連續、自動的真空回潮處理，可適度提高煙葉的溫度和含水率，提高其柔韌性和抗破碎性，改善成品煙絲的吸味，有利于加料、加香工序中糖料、香精的吸收。同時去除煙片中青雜氣，并可在一定程度上起到殺蟲卵的作用。煙葉松垛是將回潮后的煙葉進行松散，減少煙葉中的結塊。喂料機與電子皮帶秤配合使用，可定量輸送葉片。達到自動調節工藝流量、均衡生產的功能。

真空回潮作為煙草制絲車間的關鍵工藝，準確掌握和操作其中每個環節是至關重要的。只有嚴格控制工藝參數，才能生產出高質量、口感良好的煙草制品，滿足消費者的需求。因此，煙草行業的制絲車間必須高度重視真空回潮工藝，并進行科學管理和技術創新，不斷提升產品質量和企業競爭力。某卷煙廠真空回潮工藝段如圖1 所示。

圖1 真空回潮工藝流程

真空回潮工序受加工特質影響，常與物流管理系統相結合，通過PLC 編程實現對生產葉組簡單的批次信息標識。其以輥道輸送機為運輸平臺，煙箱為煙葉的載體，結合煙箱占位信號運用PLC 隊列技術，動態記錄葉組的每個煙箱在真空回潮工序上的批次信息，實現信息傳遞[1]。物流系統是保證卷煙廠自動化生產的重要基礎，快速換批是實現物流系統高效化和連續化生產的關鍵技術[2]。劃分合理的批次單元可以更好的提高生產效率。劃分單元越細，操作流程會比較繁瑣，出錯率較高。劃分單元越粗，生產效率會降低。如何在生產中實現操作簡單并提升效率，成為問題研究的關鍵。

1 現有真空回潮生產流程

上游開包好的煙包經過皮帶自動輸送至切片機處，切片機按照設定的自動流程將煙包切成5 片，并填充到切片機后斜長皮帶和裝箱工位電子皮帶秤上。當物流輸送線的空周轉箱到達裝箱工位時，裝箱工位電子皮帶秤將煙片裝到周轉箱內。隨著裝箱重量的不斷增加，當大于設定的裝箱預設重量后，電子皮帶秤停止輸送，控制系統將當前煙箱的重量、牌號信息寫入PLC數據塊進行存儲，同時信息隨著煙箱的流轉同步向后級傳遞。已裝完煙片的周轉箱離開裝箱位置后，前序已緩沖好的空周轉箱會通過鏈條自動輸送到裝箱工位進行裝箱，重復執行上述動作。已裝完箱的周轉箱經過真空回潮機增溫、增濕后輸送到達松垛機前翻箱位置時，控制系統將隨著煙箱傳遞的工位信息與松垛喂料機生產的批次號進行比對，信息比對一致才允許翻箱進入后續工序。

梅州卷煙廠真空回潮工藝段設備布局操作界面如圖2 所示。

圖2 梅州卷煙廠操作界面

為了提高生產效率，節省換批時間。通常將真空回潮生產線劃分為3 個單元，分別為裝箱備料單元、真空生產單元、松垛喂料單元。裝箱回潮單元包含垂直切片和裝箱備料，真空回潮包含真空主機及輸送翻箱，松垛喂料單元包含松垛機、喂料機及后續生產單元。單元的拆分類似流水線工作方式，可以實現不同工段并行生產，提高生產效率。比如當真空備料單元的所有煙箱備料完成并進入真空回潮機后。真空備料單元可以釋放當前批的工單并切換至下一批的工單，同時真空生產單元可以繼續當前批的生產。同理，當真空生產單元的當前批物料全部煙箱到達翻箱機并完成翻箱，真空生產單元同樣可以釋放當前生產工單，開始下一工單。這種工作方式極大提高了生產的并行程度。

2 現有流程存在的問題

生產線3 個單元的劃分雖然提高了生產效率，滿足了柔性化生產需求，同時增加了生產的復雜性。由于每個生產單元會同時生產不同批次，為了保證單元之間不發生混批事故，在單元銜接處增加了批次比對。例如在真空回潮生產單元和松垛喂料單元在翻箱位置增加基于煙箱信息與后續工藝單元的比對，當翻箱機工位信息與松垛喂料單元信息不一致時，煙箱停滯在翻箱位置等待翻箱。由于物流輸送裝置具有每個煙箱可以獨立裝載物料的特性，可以實現同一個單元運輸不同批次的煙葉。然而制絲設備，如松垛機、喂料機等，不具備上述特性，只能等生產線排空才可以換批生產。

為了進一步節約生產時間，提高批次的銜接效率，真空回潮生產單元往往在煙箱全部真空回潮完畢但未完全翻箱進入松垛機時，真空回潮生產單元就提前換批，進行下一批次的生產。松垛喂料單元批次間的間距由松垛喂料單元生產信息進行拉開，這時對于松垛喂料單元換批時機掌控尤為關鍵。如果當前批煙箱未全部翻入松垛機就提前換批，會導致當前批次的煙箱遺留在輸送線上，煙箱信息與松垛喂料單元換批后的信息比對失敗無法翻箱。如果當前批煙箱全部翻箱進入松垛單元，并且后續已經生產完畢，操作人員未及時換批會導致下一批的真空回潮完成且等待在翻箱機前的煙葉停留在高溫的周轉箱內，會導致煙葉變干，影響工藝質量。這就要求操作人員要經常查詢當前翻箱的煙箱信息和松垛喂料單元的生產情況。

3 自動換批系統設計思路

為了降低系統的復雜度，提高操作的便捷性，設計一套完整的翻箱喂料自動換批生產解決方案。具體實施如下：將松垛喂料單元的松垛機和喂料機的底帶抽象出一個物料緩存單元，該單元的信息由系統自動進行生成及控制，用于更好銜接真空回潮生產單元和提升出料單元（原松垛喂料單元）。在喂料機物料排空初始狀態下，物料緩存單元的批次牌號為空，此時真空回潮生產單元的煙箱在翻箱位置不進行任何比對，直接翻箱進喂料機。翻入一箱后，將當前煙箱的物料信息記錄到物料緩存單元信息內。當下一箱到達翻箱位置處，與物料緩存單元信息進行比較，一致允許翻箱，不一致觸發報警。當喂料機料倉預填充完成后，物料緩存單元信息與后續單元（提升出料單元）比對一致才能出料。當真空回潮裝箱備料批次結束時，PLC 記錄當前批次裝箱重量，如果翻箱機已翻煙箱累計重量達到記錄的總裝箱重量時，物料暫存單元進入排空階段。當松垛機、喂料機所有電機持續運行且設備上的光電持續透空，提升機后電子秤達到翻箱重量且電子秤運行無瞬時流量延時一段時間則可認為物料暫存單元已經完全排空，系統自動清除物料緩存單元。當下一批煙箱到達翻箱機，此時重復上述過程，實現了自動換批生產。

4 控制方式的實現

本系統根據上述的設計思路通過PLC 程序進行實現。其中硬件采用西門子1500 系列PLC 控制器，軟件采用博途TIA V16 版本，通過創建功能塊完成相關程序的編寫。

第一步要將裝箱備料單元的裝箱重量以批次為單位進行累加，批次結束時保存該批次的累積量。

第二步增加物料緩存單元的數據塊。

第三步是完成信息寫入物料緩存單元和信息對比程序，按照圖3 的設計思路編寫控制程序，即當物料存儲單元無信息，無需比對直接翻箱，同時用MOVE指令將煙箱信息寫入物料緩存單元信息。如果有信息，則使用比較指令來比對煙箱信息和物料緩存單元的信息，并根據比對結果來確定是否允許翻箱。寫入物料緩存單元信息程序如圖4 所示，翻箱控制對比程序如圖5 所示。

圖3 物料存儲單元信息生成及比對流程

圖4 寫入物料緩存單元信息程序

圖5 翻箱控制對比程序

第四步是清空物料緩存單元信息，按照圖6 的設計思路編寫控制程序，即當松垛機、喂料機、定量管均沒有物料、電子秤的累計量大于保存的批次裝箱重量且設備運行，所有條件滿足一定時間后進行喂料機信息清空的步驟。最后通過邏輯運算指令、數據傳輸指令、比較指令和邏輯判斷指令等，實現整體所需的邏輯操作。清空物料緩存單元信息程序如圖7所示。

圖6 物料存儲單元信息清空流程

圖7 清空物料緩存單元信息程序

5 結束語

PLC 是一種可靠性極高的設備，在生產過程中可以精確控制和監測生產過程中的各個環節。通過與傳感器和執行機構的配合，同時可實時檢測生產過程中的異常情況，并及時采取相應的措施，確保生產的順利進行?；赑LC 控制的翻箱喂料自動換批生產是一種先進的生產方式，該系統通過使用PLC 來管理和控制生產過程，極大地減少了人力投入，實現了自動化生產。相比傳統的手工操作，這種自動化生產方式節省了大量的工作時間。產品在生產過程中可以自動完成翻箱和喂料的操作，無需人工介入，既提高了工作效率，又減少了人工操作可能引起的錯誤和損失，能夠保證生產線的安全性，為企業創造更大的經濟效益。這種基于PLC 控制的翻箱喂料自動換批生產對于現代制造業來說具有重要的意義。