（化工过程机械专业论文）zj19卷接机组新型电控系统上位机软件设计与实现.pdf

四川大学硕上学位论文 z j l 9 卷接机组新型电控系统上位机软件设计与实现 化t 过程机械专、i p 研究生冯远彬指导教师冯立成 卷接机组是卷烟生产的关键设各，其自动化水平及其稳定性、可靠性、可 维护性对卷烟企业的生产组织、卷烟产品的质量保障以及卷烟生产的成本控制 有着重要影响。z j l 9 型卷接机组是我国卷烟企业目前装备的主力机型之一，1 日 其电控系统技术已经落后，严重制约r 机组综合效益的发挥。因此，迫切需要 对其进行升级改造。奉文分析了z j t 9 卷接机组电控系统存在的不足，并对国外 先进卷接机组的电摔系统进行了介绍；对z j l 9 卷接机组的工艺流程及其对控制 系统的要求进行了分析。在此基础h 介绍了新型屯控系统的技术方案及特点。 基于新型电控系统的技术方案，本文重点论述了电控系统上位机软件的设 计与实现。按照模块化设计理念完成了上位机软件的总体设计，分析了上位机 软件设计中需要解决的关键问题，即上位机软件平台的确定、主p l c 与上位机 的可靠通信、数据库的设计与实现以及人机界面的设计与实现。埘各个关键问 题进行了详细的讨论，提出了有效的解决方案并予以实现。 上位机软件以w i n d o w s2 0 0 0 + r t x 为平台，通过m e a s u r e m e n ts t u d i of o r v i s u a lc + + 6 0 开发实现。主p l c 与上位机的通信采州西门子m p i 卧议，通过 p r o d a v es 7 软件包来实现。为了提高通信处理的效率并确保p r o d a v e 软件 包能在多任务卅：境f 稳定工作，通信处理中采用j ，多线程技术和命令队列策略。 生产统计数据换班时自动保存。为r 便于统计分析，每一班组只保存一条生产 统计记录。采用a d o 数据库访问技术实现r 对本地a c c e s s 数据库的高速访 问。人机界面按软件的功能模块进行组织。为了提高软件的响应性，采用了当 前界而更新策略。 四川大学硕士学位论文 本软件具有模块化程度高、数据采集与处理能力强、界面友好、人机交互 方便等特点，能增强z j l 9 卷接机组的自我维护能力和故障自诊断能力，帮助操 作人员对机组实施有效的运行监控。 关键词：卷接机组 二位机p r o d a v e 数据库人机界面 四川大学硕士学位论文 s o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh o s t c o m p u t e r i nn e we l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo fz j l 9 c i g a r e t t em a k i n g a n d p l u ga s s e m b l i n gc o m b i n a t i o n m a j o r ：c h e m i c a lp r o c e s s i n gm a c h i n e r y s t u d e n t ：f e n gy u a n b i ns u p e r v i s o r - f e n gl i c h e n g c i g a r e t t em a k i n ga n dp l u ga s s e m b l i n gc o m b i n a t i o ni sak e ye q u i p m e n ti n c i g a r e t t ep r o d u c t i o n t h ep r o d u c t i o no r g a n i z a t i o no fc i g a r e t t ee l l t e l 砸s e s q u a l i t y b s s u l a l l o go fp r o d u c t sa n dc o s tc o n t r o la r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h ea u t o m a t i o nl e v e l a n ds t a b i l i t y , r e l i a b i l i t y , m a i n t a i n a b i l i t yo fc i g a r e t t em a k i n ga n dp l u ga s s e m b l i n g c o m b i n a t i o n a tp r e s e n t , m o d e l7 _ 2 1 9c i g a r e t t e m a k i n g a n d p l u ga s s e m b l i n g c o m b i n a f i o n ( z j l 9c o m b i n a t i o n li so n eo ft h en i a i nm o d e l se q u i p p e di nc i g a r e t t e e n t e r p r i s e si nc h i n a 。b u tt h et e c h n i q u e so fe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo fz n 9 c o m b i n a t i o nh a v ea l r e a d yf a l l e nb e h i n d 。w h i c hh a sr e s t r i c t e dt h ef u l lp l a yo fz j l 9 c o m b i n a t i o n sc o m p r e h e n s i v eb e n e f i t ss e r i o u s l ys o , i ti su r g e n tt ou p g r a d ea n d r e b u i l dt h ee l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m s i nt h i sp a p e r , t h et e c h n i c a ld e f e c t s o f e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e a no f7 - 2 1 9c o m b i n a t i o nw e l ep o i n t e do u lt h ee l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e m so fa d v a n c e dc o m b i n a t i o n sa b r o a dw e r ei n t r o d u c e d n ep r o c e s s f l o wo fz j l 9c o m b i n a t i o na n di t sr e q u i r e m e n t sa g a i n s tc o n t r o ls y s t e mw 雠a n a l y z e d a f t e rt h a t 。t h et e c h n i c a ls c h e m ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fn e we l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m w o r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h et e c h n i c a ls c h e m eo fn e we l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m , t h i ss t u d y f o c u s e d0 1 1s o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh o s tc o m p u t e ri nt h en e w e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m f i r s t l y , o v e r a l ld e s i g nw a sa c c o m p l i s h e da c c o r d i n gt o m o d u l ed e s i g ni d e a s t h e n 。k e yp r o b l e m si nt h es o f t w a r ed e s i g nw e l ：e x p o u n d e d ， m 四川大学硕十学位论文 i e t h ed e s i g no fs o f t w a r ep l a t f o r m , t h er e l i a b l ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a s t e r p l ca n dh o s t c o m p u t e r , t h ed e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no fd a t a b a s ea n d h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e f i n a l l y , e f f e c t i v es o l u t i o n st oa l lk c yp r o b l e m sa b o v e w e r ep u tf o r w a r da n dr e a l i z e da f t e rd e t a i l e dd i s c u s s i o n s t h eh o s tc o m p u t e rs o f t w a r ew a $ b a s e do nw i n d o w s2 0 0 0 + r t xp l a t f o r ma n d d e v e l o p e dt h r o u g hm e a s u r e m e n ts t u d i of o rv i s u a lc 抖6 0 t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nm a s t e rp iea n dh o s tc o m p u t e rw a sb a s e do ns i e m e n sm p ip r o t o c o la n d i m p l e m e n t e dt h r o u g hp r o d a v e s 7s o f t w a r ep a c k a g e m u l t i t h r e a dt e c h n o l o g ya n d c o m m a n d - q u e u es t r a t e g yw e r a p p l i e dt oi m p r o v ec o m m u n i c a t i o ne f f i c i e n c ya n d g u a r a n t e e t h e s t a b i l i t y o fp r o d a v es o f t w a r e p a c k a g e u n d e rm u l t i t a s k c 订c u m s t a n c e p r o d u c t i o ns t a t i s t i c a ld a t aw e l es a v e di n t od a t a b a s ea u t o m a t i c a l l ya t s h i f ts w i t c ht i m e t om a k et h es t a t i s t i ca n da n a l y s i st r a c t a b l e ，e a c hs h i f to n l ys a v e da r e c o r di n t od a t a b a s e a d od a t a b a s e 粒c c s st e c h n o l o g yw a ga p p l i e dt or e a l i z eah i g h s p e e dd a t aa c o e s st ol o c a la c c e s sd a t a b a s e h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e w a s d e s i g n e da c c o r d i n g t of u n c t i o n m o d u l e so fh o s t c o m p u t e r s o f t w a r e c u r r e n t - p a g e u p d a t i n gs w a t e g yw a sa p p l i e d t oi l n p l o v et h er e s p o n s i b i l i t yo ft h eh o s t c o m p u t e rs o f t w a r e t h ea d v a n t a g e so ft h eh o s tc o m p u t e rs o f t w a r ec a rb ed e s c r i b e da sh i g h m o d u l a r i z a t i o nd e g r e e ，p o w e r f u ld a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ga b i l i t i e s ，f r i e n d l y i n t e r f a c e , e a s yt oo p e r a t ee t c t h eh o s tc o m p u t e rs o f t w a r ec a rs t r e n g t h e nt h e s e l f - m a i n t e n a n c ea n df a u l ts e l f - d i a g n o s i sa b i l i t i e so fz j l 9c o m b i n a t i o na n dh e l pt h e i l g c rm o n i t o rz j l 9c o m b i n a t i o ne f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：z j l 9c i g a r e t t em a k i n ga n dp l u g a s s e m b l i n gc o m b i n a t i o n 。h o s tc o m p u t e r , p r o d a v e d a t a b a s e 。h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e i v 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 据全球著名的商业信息公司d a t a m o n l t o r 统计，2 0 0 5 年全球烟草产业 市场规模高达4 7 0 5 亿美元：d a t a m o n l t o r 还预测在2 0 0 5 到2 0 1 0 年闻，全 球烟草产业市场规模将以年均z 8 的速度增长，到2 0 1 0 年将达5 4 1 5 亿美元n i 面对如此巨大的烟草产业市场，中国作为烟草产业大国，理应最大限度地抢占 国际烟草市场，但事实上中国烟草在国际市场上的份额目前还十分有限。烟草 产业中，卷烟产销是主体。目前，中国卷烟企业的生产效益与国际同行相比普 遍较低，缺乏国际竞争力口l 。随着国内烟草市场的逐渐开放以及国际控烟运动 的不断高涨，卷烟市场竞争必将更加激烈。对于国内卷烟企业来说，提高卷烟 生产的效益已是迫在眉睫提高卷烟生产的效益，很大程度上意味着需要提高 国内卷烟生产的自动化水平。卷接机组作为卷烟生产的关键设备，其自动化水 平及其稳定性、可靠性、可维护性与卷烟企业的生产组织、卷烟产品的质量保 障以及卷烟生产的成本控制有着密切联系。开发具有自主知识产权的高自动化 水平的卷接机组不仅能为我国卷烟企业发展中式卷烟及国际品牌卷烟提供技术 装备支撑，帮助国内卷烟企业抢占庞大的国内外烟草市场，还能提高我国烟机 制造水平，帮助国内烟机企业抢占国际烟机市场。 1 1 卷接机组的发展历程及趋势 1 8 7 5 年，d u r a n d 发明了世界上首台卷烟机，卷烟生产从此进入机器生产时 代 3 1 1 8 8 3 年，美国的j a b o n s a c k 发明了连续卷制原理，并制造了b o n s a e k 式卷烟机，卷烟生产从此进入大规模机械化生产时代【3 1 之后，卷烟产销量迅 速增加，卷烟逐渐成为烟草产业的主导产品。世界上首台滤嘴接装机出现于2 0 世纪3 0 年代，它是将双倍长滤嘴嵌在两支烟中间，用卷烟纸包卷起来，然后再 分切，生产速度为6 0 0 支份钟1 3 1 2 0 世纪5 0 年代中期以前，卷烟生产采用落丝成型原理，卷烟机刀头部分 为单刀单切，生产能力在1 0 0 0 支，分钟以下1 3 a i 。烟支卷制工艺和滤嘴接装工艺 是相对独立的卷烟机上烟支重量控制基本上是手动控制：滤嘴接装机一般属 于卡钳式，基本上没有烟支空头和稀释度检测装置及相应的不合格烟支剔除装 四川大学硕士学位论文 置f 5 】。卷烟机和接装机控制系统基本上是采用继电器逻辑控制，检测元件主要 采用行程开关等呻j 。 1 9 5 7 年，法国d e c o u f l e 公司制造了世界上第一台吸丝成型卷烟机1 3 1 。 后来，英国m o l i n s 公司取得d e c o u f l e 公司的专利，并于1 9 5 9 年制成了 m k 8 卷烟机，该机最初的卷制速度为1 6 0 0 支，分钟，改进后达到了2 5 0 0 支份 钟【3 朋。吸丝成型原理的应用，使得卷烟速度一下比原来提高了一倍多，卷烟机 的发展也进入了一个全新的时代，并极大地推动了卷烟工业的发展。仅1 0 年光 景，卷烟速度又提高一倍以上，达5 0 0 0 支，分钟左右。这期间。卷烟机上烟支 重量控制系统得到了改进，一般采用气一液压放大装置和平均器控制：滤嘴接 装机发展到单圈或多圈搓接式。有了烟支空头和稀释度检测装置以及相应的不 合格烟支自动剔除装置；烟支卷制和滤嘴接装工艺逐渐联合，采用了卷接机组 的生产方式晰7 l 。机组电控系统方面，仍以继电器和分离元件为主组成逻辑电 路板系统；随着集成电路的发展，以微处理器为核心的单片机控制系统逐渐得 到应用。 为了进一步提高卷接机组的生产能力，满足市场增长需求，设计人员对卷 接机组刀头等部分进行改进，将单刀改为双刀，采用双刀单切、双刀双切等形 式，使卷接机组进入了高速时代，卷烟生产速度提高到5 0 0 0 - 8 0 0 0 支份钟。这 期间，卷接机组开始采用模块化设计与制造；基于同位素扫描的烟支重量控制 技术逐渐得到应用；烟支空头和稀释度检测以及不合格烟支自动剔除技术进一 步得到完善。机组电控系统方面，仍以分离元件构成的逻辑电路板或单片机控 制系统为主；随着p l c 在工业控制领域的应用与普及，机组逐渐采用p l c 进 行过程控制，系统的稳定性和可靠性得以大幅提高。 随着市场对卷烟产品质量要求的不断提高以及卷烟市场竞争的日趋激烈， 卷烟企业对卷接机组的生产能力与可靠性等方面的要求迸一步提高。意大利 g d 公司率先在其g d l 2 1 型卷接杌组中采用双路结构( 即双烟枪结构，可同时 生产2 根烟条) ，使卷接机组进入了超高速时代，卷烟生产能力提高到1 0 0 0 0 支 9 钟以上网。在保持高速机组优点的前提下，超高速卷接机组普遍采用微波或 红外线烟支重量控制系统代替原来的同位素扫描烟支重量控制系统。机组电控 系统方面，成功采用了伺服控制、电子齿轮、现场总线等工业自动化与驱动领 域的高新技术，简化了机组的机械结构，提高了机组的自动化水平。 2 四川大学硕士学位论文 现代卷接机组正向高产品质量、高速度、高自动化、高可靠性、高可维护 性与高互换性等方向迈进，以进一步提高卷烟的质量与效率，降低原辅料消耗。 高产品质量主要表现在追求卷烟成品的质量稳定，关键在于拥有良好的烟 支质量在线检测与控制系统，要求完善烟支重量与紧头控制、烟支空头检测与 剔除以及烟支稀释度检测与剔除功能。 高速度意味着高生产能力，要求加强卷烟工艺与卷接机组结构及零部件设 计改进研究。卷烟历史上的落丝成型原理向负压吸丝成条原理的转变以及双刀 头结构和双路结构的成功开发都大大的促进了卷接机组生产能力的提高；国内 许昌烟机公司在z j l 9 a 型机组的设计中对卷烟机刀头和接装机进行改进设计， 使该机组的生产速度由7 0 0 0 支，分钟提高到8 0 0 0 支，分钟。高速度需要机组的 高自动化水平和高可靠性作为保障。 高自动化要求机组具有自动监测、自动显示与自动控制等功能，同时要方 便与外界进行信息交换，能满足卷烟企业实施信息集成与综合自动化的需要， 这就要求综合利用现代机械设计及制造、智能传感、测控、计算机以及工业通 信等领域的先进技术来实现。 高可靠性是指追求机组的平均无故障时间或机组的有效作业率最大化，追 求更高的设备和控制精度。对于高速及超高速卷接机组来说，若其可靠性得不 到保障，故障频发，将会给卷烟企业带来巨大的损失机组的可靠性取决于机 组各零部件及单元的可靠性和机组的机电一体化集成的可靠性 高可维护性是指追求机组的平均故障修复时间最小化，这就要求机组采用 模块化设计技术，降低机组结构复杂性，要求机组具有故障自动检测与报警显 示功能，使之排除故障快，维修时间短。 高互换性是指机组应采用模块化组件设计，尽量采用国际通用标准或协 议，在硬件和软件层上尽量满足开放性原则，便于快速调整或更换组件，以适 应不同规格产品生产的需要，也便于零部件的采购和更换 回顾世界卷烟机的百年发展历程，可以清楚地看出卷烟机的发展与控制技 术的发展密切相关，控制技术的每一次重大变革对卷烟机的发展都起到了极大 的促进作用。可以说每一时期的卷烟机都打下了当时先进控制技术的烙印。当 前国外最新的高速、超高速卷烟机更是将先进控制技术用到了极致。 3 四川丈学硕士学位论文 1 2 国内卷接机组的现状、面临的问题及解决方案 1 8 9 1 年，美商老晋隆有限公司将两台b o n s a c k 式卷烟机运入天津，从此揭 开了我国卷烟生产的序幕，同时也开创了国内卷烟机的发展史嗍。在改革开放 之前，通过自主开发、制造烟草机械，我国已经有能力生产主要的单机产品( 包 括卷烟机单机、包装机单机以及制丝线上的单机产品) ，但是当时的机器设备耗 能高、劳动强度大，车甸生产环境相当不好0 0 1 到上世纪8 0 年代初，国内的 卷烟机技术水平与国外先进烟机技术水平相比，技术差距在4 0 年左右0 1 改革开放后，在烟草专卖体制的支持下，我国通过“技贸结合”的方式， 走引进先进技术，消化吸收为国产化产品的发展道路，从英国m o l i n s 公司、 德国h a u n i 公司以及意大利g d 等公司引进了系列同期国际先进的烟机设备。 并开发出7 1 1 4 、7 1 1 5 、7 1 1 7 、z ，1 9 和7 _ j 1 1 2 型国产卷接机组。引进的p r 0 1 o s 7 0 、 p a s s i m 7 0 0 0 卷接机组，消化吸收后的国产刁1 7 、刁1 9 卷接机组已成为我国卷 烟企业的主力机型【l ”。 目前，国内卷烟企业的总体技术装备水平已经接近或达到国际2 0 世纪9 0 年代的水乎，以上海、昆明、玉溪卷烟厂为代表的部分企业主要技术装备已达 到当代国际先进水平；国产烟机产品总体达到了国际2 0 世纪9 0 年代中期的水 平，在制丝产品等方面已经达到了当代国际先进水平。但在卷接包装设备方面， 还是有明显的差距f s j 0 1 2 j 。就卷接机组来说，我国最新的7 1 1 1 2 型卷接机组的生 产能力为1 0 0 0 0 支，分钟，m o l i n s 的p a s s i m l 2 k 型卷接机组为1 2 0 0 0 支份钟， h a u n i 的p r o t o s 2 2 型卷接机组为1 6 0 0 0 支，分钟，g d 的1 2 1 p - a f 2 0 型卷接 机组达到了2 0 0 0 0 支，分钟。国产卷接机组在自动化水平和可靠性方面与国外先 进机组相比还有一定差距，如国外先进机组的有效作业率一般在9 0 9 5 ， 国产机组一般在8 5 9 0 ，低5 个百分点【1 0 1 3 】。 卷接机组是卷烟生产中的关键设备其技术水平在很大程度上决定着卷烟 企业的生产组织、生产规模、生产方式、能源和原材料消耗等，因而影响企业 的产品质量、品种以及综合经济效益。卷接机组的技术进步对烟草工业的发展 起着促进作用，它的技术水平是衡量烟草工业现代化程度的重要标志之一。虽 说通过数十年的引进、研制开发和技术改造，国内卷烟企业的技术装备水平得 到了很大的提升，极大地提高了国内卷烟企业的生产效益；同时国产烟机的设 计制造水平也得到了很大的提高，大大缩小了与国外先进技术的差距，为国内 4 四川大学硕士学位论文 卷烟企业的发展提供了技术装备支撑，但是在新的形势下，国内卷烟企业及烟 机制造企业面临着新的问题。 我国烟草行业目前面临卷烟厂数量多、规模小、分布散、效益差等诸多问 题，造成资源配置不合理。为了提高行业整体效益，增强企业竞争力，烟草行 业正在进行产业结构和组织结构的大调整其结果必然是市场由分割到统一、 卷烟厂数量减少、规模扩大、效益提高、竞争力增强。伴随这一过程，烟草机 械等资源会进行优化配置。未来的大烟革集团公司出于自身管理和市场竞争的 需要，必将大大提高企业的生产自动化和信息化水平近年来，许多卷烟厂开 始了综合自动化与信息化建设，虽然在c b , i s ( 计算机集成制造系统) 上投入很 大，却未见明显效益，关键问题是卷烟生产现场层数据上不去，主要原因是机 组的电控系统与外界信息交换不畅，这不但造成生产线数据提取和监控的困难， 也影响设备的稳定性和可靠性t e l l 现代工业自动化和驱动技术的发展。尤其是 控制技术、计算机技术和通信技术的迅猛发展，对卷接机组电控系统的技术进 步产生了巨大的影响。国内卷烟企业目前装备的主力机型( p r o t o s 7 0 、 p a s s i m 7 0 0 0 卷接机组以及消化吸收后的国产z j l 7 、z j l 9 卷接机组) 都是于2 0 世纪9 0 年代初引进或改造的，其电控系统相对于现代自动化和驱动技术已显得 落后，不能适应企业实施信息集成与综合自动化的需要，但是这些机型的生产 能力或挖潜改造后的生产能力( 目前已达7 0 0 0 9 0 0 0 支，分钟) 都还适应目前国内 卷烟企业的生产规模( 中国烟草机械集团公司指出：按照国内卷烟企业目前的产 品加工需要，7 0 0 0 - 1 0 0 0 0 支，分种的卷接机组是比较适用的【1 0 ) ，且这些机型 在国内卷烟企业装备达数百套之多，也不可能在短时间内就全部淘汰。因此， 采用先进技术对现有主力机型的电控系统进行升级改造是一个有效的解决方 法。目前，中国烟草机械集团已将卷接机组升级改造与整机和零配件一起列为 其未来发展的。三分天下战略”。 1 3p a s s i m 7 0 0 0 及国产z j l 9 型卷接机组电控系统 p a s s i m7 0 0 0 卷接机组是英国m o l i n s 公司的主要机型之一，生产速度为 7 0 0 0 支，分钟卷烟机部分采用西门子公司的s 5 1 3 5 up l c 控制；接装机部分 采用的是以微处理器为核心的单片机系统f m p t j 为8 0 8 5 系列，该系列单片机已 经逐步淘汰) ，全部控制及检测功能( 如逻辑控制、烟支质量检测系统、捕烟轮 p q 川大学硕 学位论空 烟支到位控制、大流量控制及与卷烟机通信等) 均由电路板完成；重量控制功能 由m a l d n 系统实现，与它的操作显示系统一样，都属于专用系统1 1 5 j 。卷烟机 p l c 与接装机控制系统，m a i d - n 系统渊采用并口通信，接口关系复杂，传递 信息内容有限。在硬件电路上，各控制信号约束关系复杂。一旦某部分出现故 障就会影响整个系统工作。整个机组的电控系统未能形成有机的整体。系统外 围接口器件数量、型号繁多，有些器件已经停产或性能落后，备件采购不便， 给使用和维修带来了不少困难。传动方面采用交流变频调速电机作为主传动电 机，机组有位胃和速度同步要求的部件通过齿轮或同步皮带传动来满足，机械 传动链长，由于机械加工与装配精度、运行磨损等原因，导致机组累积误差增 大，运行稳定性下降，同时配件消耗商维修和维护工作量大。 z j l 9 卷接机组是中国烟草总公司引进英国m o l i n s 公司p ：芦l s s l m 7 0 0 0 型 卷接机组技术，由许昌烟机公司制造的国产型卷接机组。z j l 9 卷接机组的电控 系统是参考p a s s i m 7 0 0 0 犁机组的电控系统进行设计的。机组过程控制方面仍 采用p l c 结合分离电路扳的单片机控制系统对整机进行控制，线路复杂，中转 连线、接插件多，随着使用时间的增长，因接触不良引起的故障逐渐增多，并 且查找困难。严重影响设备的运行和效益的发挥。烟支质量在线检测与控制方 面，卷烟机上只有单片机组成的重量控制系统，精度和稳定性都较差，没有烟 支紧头控制功能：接装机上稀释度采用正压检测，精度低且故障率高，维护量 大。大多不能正常使用；空头检测也有同样的缺点，不能满足高质量烟支生产 需要。机组传动方面也没有什么大的改变。电控系统各部分都是专用部件，通 用性差、价格昂贵。电控系统各部分自成体系，信息交换不畅，几乎没有自适 应能力和故障的智能诊断功能，严重制约机组的综合效益发挥。 烟草行业是一家自动化生产水平较高的行业，各种新技术，新产品的应用 层出不穷。p a s s i m 7 0 0 0 及刁1 9 型卷接机组电气控制系统的技术水平已经落后， 随着卷烟厂信息集成及综合自动化的实施，对其更新改造已是必然趋势。 1 4 国外先进卷接机组电控系统 目前，国际上主要的卷接机组制造商有英国的m o l i n s 公司、德国的 h a u n i 公司以及意大利的g d 公司，三家公司产品占据了国际烟机市场7 0 以上的份额i 。6 l 。由于g d 公司的卷接机组控制系统采用其专用的m i c r oi i 控 6 四川大学硕士学位论文 制系统，虽然技术领先，但缺乏开放性。本节主要对m o l 矾s 公司和h a u n i 公司的主打产品的电控系统进行介绍。 i a 1m o l 矾s 公司p a s s i m l 2 k 型卷接机组电控系统 p a s s 订1 2 k 卷接机组是m o l 玳s 公司高速卷接机组的主要机型，生产速 度为1 2 0 0 0 支，分钟，其电控系统与p a s s 7 0 0 0 的电控系统相比有了显著的改 进，其中最为突出的就是采用了多种现场总线，并在此基础上采用4 台西门子 s 5 系列p l c 完成了机组的生产控制，并增加了人机界面，用以监控机组运行 状态，构成了一个比较完整的现场总线控制系统，其结构如图1 1 所示 v m e 总线 图1 1p a s s 蹦1 2 k 卷接机组电控系统结构1 1 7 l 系统中作为上位监控站的p c a t 计算机系统选用的是基于v m e 总线的工 控机，操作系统选用w i n d o w s c a n 总线通信接口板，串行通信接口板， p r o f i b u s 总线通信接口板都通过v m e 总线相连，可与机组各功能模块和p l c 进行数据传输，完成机组控制参数的设定和运行状态数据的采集。 卷烟机、接装机和料斗的生产功能分别由各自的s 5 9 5 up l c 控制，电控 柜中的主p l c 则采用s 5 1 1 5 u 型p l c ，由它完成整个卷接机组的控制和管理 四i t l 大学硕士学位论文 工作，包括机组连锁控制，与上位机p c a t 通信，p l c 间通信和管理，数据和 状态管理等。几个p l c 之间通过p r o f i b u s 总线通信，主p l c 与工控机之间 通过串口通信。高速信号处理、重量控制和稀释度检测等专用系统与工控机之 问通过c a n 总线通信由于采用p l c 进行过程控制，上位机使用工控机和触 摸屏，并采用总线和串行通信技术，整个结构变得简洁合理，机组各部分间的 信息交换变得流畅，与工厂管理信息系统的连网与信息交换也更加容易。 1 , 4 2h a u n i 公司p r o t o s 系列卷接机组电控系统 h a u n i 公司是世界领先的卷接机组制造商，其p r o t o s 系列卷接机组以 其出色的性能占据着国际卷接机组市场的最大份额。下面对其生产能力为 1 0 0 0 0 - 1 1 0 0 0 支，分钟的p r o t o s 9 0 e 单烟枪型和生产能力为1 6 0 0 0 支，分钟的 p r o t o s 2 2 双烟枪型超高速卷接机组电气控制系统加以介绍。 e t h e r n e y 图1 2p r o t o s 9 0 e 卷接机组电控系统结构1 ” 3 四川大学硕士学位论文 图1 2 为p r o t o s 9 0 e 型卷接机组的电控系统结构图。p r o t o s 9 0 e 电控系 统采用了三层总线：用于i o 、阀岛和总线仪表等现场仪器设备的p r o f i b u s 总线；用于生产线处理器( m l p ) 、重量控制系统( s r m ) 、烟支检测系统( c l s ) 和 专门处理快速i o 信号的h a u n i 智能处理器( h i p ) 的c a n 总线以及用于上位机 数采与监控的工业以太网( e t h e r n e t ) 。 该系统的另一个特点是，卷烟机和接装机共用一个西门子$ 7 - 4 0 0 型p i _ , c ， 它集成了专门用于处理高速信号的h a u n i 智能处理器h i p 卡，该卡可直接插 入s 7 机箱中，类似于一个s 7 模块，完美地解决了p l c 程序循环周期与高速信 号处理的矛盾。h i p 卡还提供c a n 总线接口与生产线处理器连接，通过总线向 上传送数据，向h i p 卡和c i s 系统装载用户程序。交流伺服驱动技术也得到了 应用，但范围仅限于主电机、陡角提丝带、针辊和胶泵四个伺服电机，没有实 现真正意义上的电子齿轮功能。 p r 0 1 旧$ 2 - 2 型卷接机组在电气结构和总线应用方面与p r o t o s 9 0 e 是一样 的，主要区别在于卷烟机和接装机分别由各自独立的$ 7 - 4 0 0 型p l c 控制，相 应的h i p 卡和p r o f i b u s 总线连接也是独立。该机型电控系统最显著的特点是 采用了交流伺服独立驱动技术，取消了以前的主电机概念。对传动系统中一般 的调速采用了变频调速技术，而对速度同步要求较严格的传动则采用交流伺服 驱动技术中的电子齿轮功能。由于充分采用了多轴同步驱动技术( 机组共用了 1 6 个交流伺服电机) ，并通过软件功能实现了机器的柔性化设计，即在改变产 品规格时，无需再像以前那样更换机械部件并重新调试设备，只要输入新的规 格参数，就可自动计算出各部分的运动速度，同时调整相关的控制参数，简化 了系统的机械结构，极大地方便了用户使用。 综上所述，国际领先的卷接机组制造商在其新产品开发中，电控系统都采 用了开放的体系结构和通用的国际标准，应用了现场总线，伺服驱动等工业自 动化与驱动领域的先进的成熟的技术。同时，这些公司都在对老机型进行电控 系统改造，以提升原机组的自动化水平、稳定性及可靠性，如h a u n i 公司将 其生产能力为7 0 0 0 支，分钟的基于电路板控制的p r o t o s 7 0 型卷接机组升级改 造为生产能力达8 5 0 0 支，分钟的基于p l c 和现场总线控制的p r o t o s l 8 型卷 接机组：将生产能力为9 0 0 0 一1 0 0 0 0 支，分钟的p r o t o s 9 0 s 型卷接机组升级改 造为生产能力达1 0 0 0 0 - 1 1 0 0 0 支，分钟的p r o t o s 9 0 e 型卷接机组。 9 四川大学硕士学位论文 1 5 课题来源、研究目的及意义 本课题来源于四川大学、成都博发控制技术有限公司及许昌烟机公司三方 合作的z j l 9 型卷接机组电控系统项目。本项目的主要目的是在满足机组功能的 前提下，以先进性、可靠性、高精度、智能化，网络化为目标，以工业上通用 标准硬件为基础。构建基于现场总线的分布式实时控制系统完成机组的控制功 能，力求提高z j l 9 卷接机组的性能，提高控制系统的智能化程度和自动化程度、 增强机组的自诊断能力和综合管理能力。在该项目中，作者的工作主要是完成 新型电控系统的上位机软件设计与实现。 改进后的新机组生产能力预计将达到9 0 0 0 支，分钟，机组的自动化水平、 可靠性与稳定性较原机组有显著提高，总体技术水平预计将达到国际同级剐机 组的先进水平。因为目前国内卷烟企业所需的主流机型的生产能力要求在 7 0 0 0 1 0 0 0 0 支，分钟，所以改进后的机组是满足国内市场的需要的。改进后的 机组售价在4 0 0 万元以下。而国外同级别的机组，如h a n u i 公司的p r 0 1 【o s l 8 型卷接机组，生产能力为8 5 0 0 妇分钟，售价在3 0 0 0 万元左右。可见，改进后 的机组性价比优势非常突出，在国内外烟机市场上将会有相当的竞争力。目前。 国内卷烟企业装备的p a s s 圈 f 7 0 0 0 及其国产z j l 9 型卷接机组有几百套之多， 由于国内卷烟企业的结构调整和生产规模的扩大，这些机组均进入大修改造升 级时期，否则将严重制约卷烟企业的调整步伐。如果将这些机组全部淘汰，而 引进国外的新机组。那将给卷烟企业带来巨大的技改成本。对这些机组进行技 改升级，提高原机组的性能以满足生产发展的需要，将是一种合适的选择。因 此，p a s s i m 7 0 0 0 及其国产z j l 9 型卷接机组电气控制系统的技术改造具有广阔 的市场前景。 1 6 本文的主要内容 本文首先介绍了z j l 9 型卷接机组的工艺流程及其对控制系统的要求，在 此基础上对z j l 9 型卷接机组电气控制系统的技改方案进行了阐述。 本文重点论述了新型电控系统上位机软件的设计与实现。上位机软件包括 p l c 过程控制与烟支质量在线检测与控制两部分内容。本文的研究重点是上位 机软件的p i _ c 过程控制部分，主要针对p l c 过程控制部分所涉及的问题进行 讨论。 四川大学硕士学位论文 第二章z j l 9 卷接机组新型电控系统 卷接机组工艺流程比较复杂，各部分之间的同步性与协调性要求较高。卷 接机组的电控系统首先需要满足机组的功能要求，具有较高的自动化水平、可 靠性、可维护性及故障自诊断能力。电控系统须具有开放性，便于升级和功能 扩展；各部分之间的信息交换要流畅，方便现场数据的提取，以为卷烟厂实施 信息集成和综合自动化打下基础。 2 i7 3 1 9 卷接机组工艺流程及其对控制系统的要求 7 _ 2 1 9 卷接机组由卷烟机和滤嘴接装机构成，下面分别对卷烟机和接装机的 工艺流程进行讨论。 图2 1 卷烟机的工艺流程图1 1 1 。1 卷烟机的工艺流程如图2 1 所示，可分为供丝和烟支成型两大部分。供丝 部分的主要任务一是保证均匀、稳定的烟丝供给，二是执行重量调节功能。在 供丝过程中，要进行进料控制、烟丝疏松控制、料位控制、梗丝分离和供丝量 控制，要求供丝速度要动态跟随生产速度，而且要有一定的回丝量。由于烟丝 是通过负压吸丝的方式将送到烟支成型部分，如果供丝不均匀、稳定性差，就 容易堵丝停机，而且还会产生大量不合格烟支，如空头烟支、竹节烟支、超重 四i i l 大学硬士学位论文 或超轻烟支等。 烟支成型部分将供丝部分送来的烟丝条卷制成连续的烟条，然后将其切割 成双倍长烟条传送到接装机上。盘纸供给既要满足机器高速运行中动态稳定供 纸，又要动态调节纸的张力以免拉断，在盘纸即将用尽时应能在正常生产速度 下完成新旧纸盘的自动交换。钢印即香烟的品牌和标志，要求清晰、准确地印 刷在盘纸上，为此必须通过油墨计量泵精确地控制油墨供应量烟丝与盘纸会 合后，通过上胶装置给盘纸边上胶，上胶量由胶水计量泵控制。随后封口器将 已上胶的盘纸边粘接并加热烘干，封口器烙铁的温度必须控制在合适的范围内。 从封口器出来的连续烟条穿过重量检测传感器后到达切割单元，在此被切割成 双倍长烟条并由传送单元传送到接装机的接收鼓轮上。 水松纸供给卜叫水松纸上胶il 滤嘴接收 水松纸加热li 滤嘴切割 图2 2 接装机的工艺流程图1 0 1 1 町 烟支切割 二 烟支接收 接装机的工艺流程如图2 2 所示。接收到来自卷烟机的双倍长烟支后，酋 先分切为两支等长的单倍长烟支，然后将并排的两支肇倍长烟支向两边分开一 定距离后进入汇合鼓轮。与此同时，滤嘴接收站将接收到的来自滤嘴发射机的 滤棒分切为双倍长的滤嘴，并传送到汇合鼓轮，依次嵌入分开的两支单倍长烟 四川大学硕士学位论文 支之间，然后一同进入搓接鼓轮。水松纸由喂纸辊从纸盘拉出，经上胶、加热 后切割成水松纸片，在搓接鼓轮与烟支汇合，通过搓板搓接形成含滤嘴的双倍 长烟支，再经分切成为内外两排含滤嘴烟支，然后按照工艺要求将内排或外排 卷烟调头，变成单排卷烟进入检测鼓轮，完成烟支空头检测及不合格烟支剔除 和烟支稀释度检测( 漏气，总透气性，吸阻检测) 及不合格烟支剔除合格的烟支经 输出鼓轮进入下游机器。如果进行取样，则被取样烟支不进入输出鼓轮，而是 经取样鼓轮进入取样盘。 由于卷烟工艺复杂、影响因素较多，卷接机组在正常生产过程中不可避免 地会产生各种不合格烟支。若这些不合格烟