基于PLC及HMI的包装机集成控制系统设计与实现

黄远征 李继波

（广东中烟工业有限责任公司湛江卷烟厂，广东湛江524300）

0 引言

为适应产品质量要求提高的需要，湛江卷烟厂的GDX1、GDX2包装机组新增加了一部分检测器（简称“外挂检测器”）对产品质量进行检测。这些外挂检测器基本都是采用单片机独立控制，工作环境较差，存在着粉尘和油污污染，且运行温度较高。该现象造成设备故障多，维修时间长，且检测功能升级难度大，成本高。另外，许多外挂检测器的烟包剔除信号是包装机内部的手动剔除信号，在OPC控制面板上无故障显示和剔除原因显示，无法迅速查找分析故障原因，给维修带来很大的不便。因此，包装机迫切需要一个集成控制系统去整合这些外部检测器，提高维修效率及设备运行效率。

本文采用西门子S7-200系列PLC及台达触摸屏搭建了一个包装机外挂集成控制系统，该系统既提高了检测器工作的稳定性，也提高了外挂检测器的故障排除效率。

1 存在问题及分析

湛江卷烟厂包装机组新增加的外挂检测器有烟包散包检测器、透明纸驳接口检测器、侧翼开胶检测器、烟包外观成像检测器、条盒透明纸偏移检测器等12种。这些外挂检测器基本都是采用单片机独立控制，而单片机是安装在设备上，存在着粉尘及油污污染，故障率较高。

这些外挂检测器都是共用包装机内部烟包剔除信号，当某个检测器灵敏度发生变化，出现烟包误剔除现象时，在包装机的OPC界面上只能看到手动剔除烟包数量增加，无法准确地判断出是哪一个检测器出现故障，车间的电气维修人员只能对所有检测器进行逐一排查。据统计，平均每一次故障排除需要5.5 min，维修效率不高。

2 改造方案

针对以上存在的问题，本文结合PLC控制技术及HMI人机交互技术搭建了一个包装机外挂集成控制系统，整个控制系统是以PLC的输入、输出实现逻辑控制，通过通信来实现人机命令的执行及状态的显示等。整体设计遵循包装机设备工艺要求来与PLC和触摸屏配合完成。

2.1 PLC控制程序设计

系统的控制器为西门子S7-200系列PLC，安装在包装机大电柜内，能杜绝油污及粉尘污染，降低PLC控制器的故障发生率。

查阅了GDX1及GDX2包装机的电气图纸及操作说明书，结合车间外挂检测器，汇总集成控制系统所需要的检测信号及执行机构的数量和要求，形成PLC地址分配表，如表1所示。

表1 GDX2的PLC地址分配表

根据外挂检测器的报警或剔除信号，按照一个检测器信号对应一个计数器的原则配置计数器，当检测器检测到不良烟包，检测器输出高电平，当PLC检测到该检测器的报警信号的上升沿时，计数器加1，程序如图1所示。当检测器发生异常误剔除时，计数器的累积数值比正常检测器的计数值大很多，检测人员可根据计数值缩小检测器的故障范围，从而提高维修效率。

图1 PLC程序截图

2.2 HMI人机交互设计

系统的HMI人机交互硬件为台达触摸屏，装在包装机的辅机部分，方便维修人员进行检测器参数设置及维修人员查阅故障信息。

触摸屏的设计根据不同部分的工艺流程以及故障排除需求进行，不仅能真实反映缺陷的流动过程，还能显示出缺陷烟包的累计数量。为了提高触摸屏传达信息的有效性，根据包装机的工艺流程将外挂检测器的人机交互界面分为两个部分，分别为CH外挂检测器监控界面（图2），CT及CV外挂检测器监控界面。

图2 CH外挂检测器监控界面

PLC控制程序中设置了一个32位的移位寄存器，并且移位寄存器的第一位作为缺陷烟包的标记，当有信号时置位第一位为1，根据不同的检测器的位置，将触摸屏上代表该检测位置的模块变红，随着设备的运行，移位寄存器跟着烟包位置移位，而触摸屏的显示模块也跟着移动，直到剔除工位将缺陷烟包剔除出来，该类型的缺陷烟包累计数值也会加1。触摸屏上可以直观地监视缺陷烟包检测、移位跟踪和剔除整个过程。

3 应用效果

将编写好的PLC程序下载到西门子S7-200中，将人机交互界面下载到台达触摸屏，进行上机测试。测试结果表明：整合后检测器工作正常，且所有外挂检测信息在触摸屏上显示准确无误。该系统在湛江卷烟厂投入使用后，通过触摸显示屏直接可以看到检测器的累计情况，外挂检测器的故障排除用时从原来的5.5 min/次降低到现在的0.5 min/次，效果明显。

[1]姚二民，储国海.卷烟机械[M].北京：中国轻工业出版社，2005.

[2]《ZB25型包装机组》编写组.ZB25型包装机组[M].北京：中国科学技术出版社，2001.

[3]郝爱民，田欣.用PLC控制的包装机铝纸全自动涂油装置[J].中国科技信息，2010（10）：139-140.

[4]张易东.基于PLC及HMI的供油控制系统[D].济南：山东大学，2013.

[5]殷洪义.可编程控制器选择、设计与维护[M].北京：机械工业出版社，2008.