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本技術(shù)文章介紹了以PLC為核心的香煙配料控制系統(tǒng)的設(shè)計。分析了系統(tǒng)配料控制原理及主要功能的實現(xiàn)，闡述了PLC在系統(tǒng)中的應(yīng)用及其軟硬件的設(shè)計方法。實踐表明，該系統(tǒng)在功能、性能和控制精度上達到或接近國外同類產(chǎn)品的先進水平，投入運行后給香煙制造企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益。 
香煙廠對香煙生產(chǎn)的質(zhì)量控制，其關(guān)鍵是煙絲成份配比的控制。改變香煙中葉絲、薄片絲、梗絲、膨脹絲、殘絲等的配比，可生產(chǎn)出不同品牌和檔次的香煙。煙絲配比的穩(wěn)定性不僅直接影響到香煙的吸味，還關(guān)系到煙廠的生產(chǎn)效益。所以在煙絲生產(chǎn)過程中，各條配料輸送生產(chǎn)線必須嚴格協(xié)調(diào)控制，對料位、流量及時準確地進行監(jiān)測和調(diào)節(jié)。配料控制系統(tǒng)在線監(jiān)控點多、采樣精度高、邏輯條件復(fù)雜，若用一般控制方式設(shè)計，系統(tǒng)繁瑣，故障率高，性能難以滿足工藝要求。為此，宜采用先進的計算機技術(shù)和控制理論設(shè)計，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；添加通信功能，實時顯示各原料配比的變化趨勢及故障報警畫面，形成自動檢測、控制、監(jiān)管相結(jié)合的一體化系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)概述及工作原理
配料控制系統(tǒng)主要由配料輸送流水線、高低料位倉監(jiān)控、配方計量控制、混合攪拌控制及成品倉料位控制等組成。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，煙絲成份配料控制和流量計量均由PLC控制。在生產(chǎn)控制過程中，以煙絲主要成份（葉絲）的計量流量為依據(jù)，按配方比率摻配其它各料。皮帶稱配料系統(tǒng)配方計量控制是計量偏差與變頻調(diào)速的結(jié)合，由PLC、觸摸屏、變頻器、電子皮帶稱等實現(xiàn)。
當秤架上有煙絲流過時，由重量變送器輸出一正比于煙絲重量的計量電平信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成重量碼Mp；由旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出跟蹤皮帶速度的脈沖信號，經(jīng)計數(shù)器轉(zhuǎn)換成速度碼Mv。再由CPU計算得實時流量Qn=Kn×Mp×Mv及累計產(chǎn)量W=∫Qndt，兩值經(jīng)串口送顯示屏顯示。實時流量Qn與予置給定流量Qp相比較得配料偏差e=Qp－Qn，經(jīng)PID調(diào)節(jié)改變D/A輸出接口電平，以控制變頻器對輸送電機的速度調(diào)節(jié)，即反向調(diào)節(jié)Mv值，從而實現(xiàn)定量給料。
各配料同時混合計量，并按配方工藝要求加香、加水等，經(jīng)均勻攪拌后送煙絲成品柜，以待后用。
2 系統(tǒng)技術(shù)要求及主要功能
2.1 技術(shù)要求
⑴ 各控制配料稱級聯(lián)啟停，故障自檢及應(yīng)急手動運行，保證正常工作； 
⑵ 對配方比率、流量系數(shù)Kn、速度系數(shù)等進行設(shè)定和調(diào)整；
⑶ 對生產(chǎn)工藝參數(shù)自動記錄；
⑷ 計量誤差≤±0.5%，高/低速計量誤差≤±1%，控制誤差≤±1%，配比偏差≤±2%；
⑸ 流量輸出信號0～10V或4～20mA任選。 
2.2 系統(tǒng)主要功能
⑴ 檢測功能 高精度配料系統(tǒng)能實時檢測各配料儲柜料位、入口配料重量、輸送機速度、煙絲溫濕度、操作按鈕（開關(guān)）狀態(tài)，故障自檢等。
⑵ 控制功能 系統(tǒng)能實現(xiàn)煙絲流量的計量、PID調(diào)節(jié)，控制變頻器輸出頻率；各配料秤間級聯(lián)控制；當系統(tǒng)發(fā)生故障時，除啟動故障報警外，還切換相應(yīng)設(shè)備的工作狀態(tài)。 
⑶ 顯示功能 系統(tǒng)具有豐富的顯示功能，實時顯示檢測到的各項工藝參數(shù)及工作運行圖表，主要包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定表、運行參數(shù)棒圖、流量記錄圖、配比變化趨勢圖及故障診斷信息圖，方便操作人員了解系統(tǒng)運行工況。
⑷ 診斷功能 系統(tǒng)具有故障自檢功能，當系統(tǒng)硬件電路（包括檢測、執(zhí)行元件）損壞、軟件運行出錯，或電子秤超速、過載、皮重過大時，系統(tǒng)均能給出故障診斷信息，為操作人員提供了直接的故障探查手段，以迅速確定故障點。
⑸ 維護功能 系統(tǒng)可實現(xiàn)自動去皮、自動掛碼、自動標定、自動校正端點系數(shù)等。利用校準的砝碼實際值和測量的帶速作為計量基準自動校正計量誤差。
3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
配料控制過程是一個多輸入、多輸出、滯后特性明顯的特定對象，除要求現(xiàn)場生產(chǎn)具備一定工藝條件外，更要求系統(tǒng)硬件配置高可靠?；谙到y(tǒng)設(shè)計要求，選用A-B公司SLC500系列可編程序控制器為工作主機，并配以相應(yīng)的接口模塊：DI/O模塊選用1746-IB16/OW16，AI/O模塊為1746-NI8V/NO4V，計數(shù)模塊為1746-HCSE。該系列PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)，配置靈活，功能齊全，運行可靠，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力；且軟件編程簡單，指令豐富，易于學習和使用。PLC負責配料工藝的算術(shù)運算及邏輯控制，包括設(shè)備的狀態(tài)檢測、煙絲檢測；執(zhí)行邏輯、算術(shù)運算；輸出執(zhí)行指令（參數(shù)），完成級聯(lián)控制、電機速度調(diào)節(jié)、配料啟停等功能。
在人機交互的操作、顯示界面上，采用GP370彩顯智能觸摸屏，實行全程漢化人機對話觸摸工作方式，性能穩(wěn)定，操作靈活。以串行通信方式完成與PLC之間通信，在線運行配比參數(shù)設(shè)定和信息查詢，實現(xiàn)監(jiān)控配料過程。
煙絲流量檢測與配料質(zhì)量直接相關(guān)。檢測回路主要由重量傳感器、信號放大器、AI模塊、速度編碼器、計數(shù)模塊組成。信號放大器采用具有自校準功能、高精密、高性能運放設(shè)計，合理運用電磁兼容性、全屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計電路板，具有高穩(wěn)定、低漂移、輸入阻抗高等特性。
對系統(tǒng)的煙絲料位、秤間級聯(lián)、線路供電、變頻器異常等都設(shè)有檢測保護開關(guān)。各檢測信號串聯(lián)，作為PLC啟動運行的聯(lián)鎖條件，保證系統(tǒng)在正常條件下工作。
4 系統(tǒng)優(yōu)化及功能實現(xiàn)
系統(tǒng)設(shè)有自動/手動2種控制方式，由選擇開關(guān)或觸摸按鈕轉(zhuǎn)換。根據(jù)配料工藝要求，以自動控制為主，手動方式僅在應(yīng)急操作、單秤計量或標定時使用。系統(tǒng)采用了高精度模擬量檢測，數(shù)字化測速，變頻調(diào)速，皮帶自動糾偏，誤差自動校正，觸摸屏操作、顯示等高新技術(shù)設(shè)計，實現(xiàn)配料生產(chǎn)的連續(xù)計量及穩(wěn)定控制。若電子秤運行多年出現(xiàn)計量誤差時，啟用系統(tǒng)維護功能，可實現(xiàn)自動校正。當設(shè)備出現(xiàn)故障或工藝參數(shù)不正常時，系統(tǒng)給出故障診斷信息，并啟動燈光及蜂鳴器報警，且僅當故障排除后，才能有效通過按鈕復(fù)位報警。系統(tǒng)配料工作時，PLC控制主電控柜上對應(yīng)狀態(tài)指示燈亮，觸摸屏實時顯示各原料配比的變化趨勢、瞬時流量、皮帶速度及故障報警畫面等，方便了操作員對整個配料過程的監(jiān)視。若生產(chǎn)所需，系統(tǒng)可通過聯(lián)網(wǎng)與中控室上位機通信，實現(xiàn)集中控制操作。
為提高系統(tǒng)的可靠性，還作了如下優(yōu)化設(shè)計：
（1）煙絲重量檢測采用球頭拉桿裝置，由球頭拉桿承載于計量支架與重量傳感器間。由于儲柜喂料對皮帶經(jīng)常產(chǎn)生顫動及秤架工作運行時的震動，使傳感器檢測失真。改用垂直受力的拉桿結(jié)構(gòu)后，可減少檢測誤差。
（2）添加皮帶糾偏裝置。在秤架兩側(cè)安裝皮帶導(dǎo)輪及跑偏調(diào)整托輥，實現(xiàn)皮帶運行時自動糾偏，以利于電子秤運行穩(wěn)定、計量準確。
（3）控制電機選用進口SEW電機，它動態(tài)性能好，運行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩大，變速反應(yīng)迅速、準確，有效消除配料因執(zhí)行機構(gòu)反應(yīng)滯后產(chǎn)生的誤差。
（4）為抑制電源及變頻調(diào)速器對控制系統(tǒng)的噪聲干擾，采用線路濾波器、隔離變壓器及分離開關(guān)單獨供電。線路濾波器安裝時盡量靠近PLC電源，用最短雙絞線連接，且將其輸入、輸出配線分開；變頻調(diào)速器及其配置的濾波器盡量置于柜體底部，縮短柜內(nèi)線段，濾波器外殼接地。
（5）對檢測開關(guān)、PLC I/O信號、重量變送器、速度編碼器等采用專用凈化電源供電，以提高信號線路的抗干擾能力及整套設(shè)備的電磁兼容性。
（6）采取合理的配線方式?？刂凭€路、電源線路和信號線路分別獨立配線，且相互間保持一定距離，設(shè)法避免長距離平行配線，采取垂直交叉走線方式，以及輸入、輸出信號線分槽布置。對速度調(diào)節(jié)、流量計量、測速脈沖等信號采用雙絞屏蔽電纜傳送，并將信號線屏蔽層一端可靠接地。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
5.1 PLC軟件設(shè)計
根據(jù)煙絲各原料在計量運算、配制控制方式上具有一定共性的特點，采用模塊化結(jié)構(gòu)方式設(shè)計系統(tǒng)控制程序，以提高程序的編程效率和可讀性。設(shè)計時首先按工藝流程確定配料系統(tǒng)中各運行狀態(tài)的先后次序及聯(lián)鎖關(guān)系；畫出PLC各輸出信號與輸入信號的邏輯、運算關(guān)系；再由關(guān)系轉(zhuǎn)化為梯形圖。該程序分別由煙絲計量、PID運算、過程監(jiān)控、故障診斷等程序段組成，采用模塊化結(jié)構(gòu)方式編制后，程序流程有序、邏輯清晰。煙絲配料過程時間短，條件多，運算復(fù)雜，為此，將系統(tǒng)的運行和故障聯(lián)鎖等全部由PLC控制，以提高系統(tǒng)的可靠性；在軟件設(shè)計中適當添加聯(lián)鎖條件，使各電子秤嚴格確保相互約束或定時關(guān)系；建立合適的狀態(tài)標志位，并準確應(yīng)用于各控制狀態(tài)的設(shè)計中；設(shè)置識別及處理故障的能力，對系統(tǒng)中的煙絲料位、變頻器異常等采用延時確認方式。
5.2 人機交互界面設(shè)計
配料控制系統(tǒng)人機交互操作、顯示界面是基于Windows98環(huán)境下設(shè)計，選用Digital公司的ProTool軟件編程，該組態(tài)軟件具有較高的穩(wěn)定性和兼容性，直觀的圖形界面便于學習和使用。軟件編制時以填入式對話建立目標；將功能模塊在策略編輯器中按工藝要求所需邏輯將其聯(lián)接；分別對各功能文檔進行配置，即在相應(yīng)對話框中選擇參數(shù)，再定制最終的動態(tài)顯示畫面，用于顯示設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、報警信息等。各顯示畫面可由“主菜單”自由切換，在進入?yún)?shù)設(shè)置、配比調(diào)整等重要畫面前設(shè)有口令管理，使合法操作員才可進入對其實時監(jiān)視，有效防范了系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)的泄密和修改。
6 結(jié)束語
香煙稱重配料采用PLC控制，可大大減少中間接觸部件，簡化布線，優(yōu)化設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性；且操作簡單，重量控制器運行平穩(wěn)。經(jīng)全國40余家香煙廠使用效果表明該系統(tǒng)設(shè)計合理、性能穩(wěn)定，完全達到用戶提出的生產(chǎn)工藝要求。運行多年來，保持低故障率，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。
 

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