烟支在线激光打孔设备UPS 的设计与维护

贾卓，李勇

（山西昆明烟草有限责任公司卷包车间，山西太原 030001）

烟支在线激光打孔技术在卷烟生产过程中已广泛普及，然而当设备正常运行时若发生市电故障或关机操作不当时则会导致生产数据丢失，影响烟支正常生产。结合生产实际需求，对烟支在线激光打孔设备的电控系统进行升级改造，有效降低了设备故障率，提高了生产效率。

1 烟支在线激光打孔的概述

烟支在线激光打孔是指烟支在卷烟机内部生产制造时，利用激光发生器发射高能级激光束并投射至烟支滤嘴棒处进行在线打孔[1]。通过设置设备参数，可调节激光束能量，将烟支滤嘴外部的水松纸及高透纸打穿，并形成具有一定深度的小孔。通过加入该项工艺流程，可在不降低卷烟机生产速度的同时完成烟支在线打孔的工作，同时成形后的烟支通风度变异系数小，吸阻调节范围广，具备了较强的降焦能力。且可根据工艺具体要求调整打孔时间、打孔数量，在降低烟支焦油含量的同时实现了通风度与吸阻的可调可控，也降低了对人体及环境的不良影响[2]。相较于传统预打孔，在线激光打孔实现打孔通风效果更为直接、有效，还能大幅降低辅材料成本。随着近年来中细烟支的发展，在线激光打孔装置已成为中细烟支卷接机组的标准配置，并且对设备的电源系统提出了更高的要求。若设备电源系统可靠性较低，则较易发生设备参数丢失，生产出大批量无打孔、打孔数少、打孔跑偏等缺陷烟支[3]。

2 设备电控系统设计方案

2.1 UPS 在烟机设备上的应用

UPS 可以理解为具有储备电源能量的设备，能够使得设备长期保持在一个恒定的电流电压且能够维持稳定的工作频率。当前UPS 在以倍福IPC（Industrial Personal Computer，工业个人计算机）为控制核心的烟机电控系统中已得到广泛应用，以ZJ118 卷烟机为例，ZJ118 型卷接机组的IPC 控制系统包含UPS、中央处理器、电源模块等。其中UPS 型号为CX1100-0930，输入输出电压均为DC24 V（Direct Current，直流电）。电压通过UPS 送入电源模块，再经由电源模块为中央处理器供电。当设备断电或市电意外断开时，此刻电源输出端会自动切换，UPS 持续输出DC24 V 电压为电源模块及中央处理器供电，直至设备参数及停机程序运行完成后再断电，能够较好地保护负载设施设备的可靠稳定以及相关软硬件的有效工作，有效降低了设备生产参数丢失及系统运行等故障率[4]。然而当前在线激光打孔设备的工控机内置WindowsXP 系统，且无配置相应的UPS 进入设备电控系统，当设备发生意外断电时，则会产生工控机系统及生产参数受到损坏或系统文件丢失等故障，甚至导致工控机硬盘、主板等受到不可逆的损坏，严重影响设备运行稳定性及烟支质量。

2.2 UPS 电控系统设计方案

UPS 作为市电输入端与设备负载之间的缓冲系统，可以有效避免用户受到电网异常的干扰，保证设备安全、稳定的运行使用。在市电输入异常或设备意外断电时，可通过UPS 内部的蓄电池为负载设备提供能量，从而使设备可继续工作一段时间，也可为操作或维修人员提供相应操作时间。其中UPS 的原理框图如图1 所示。

图1 UPS 电源原理框图

如图1 所示，UPS 内部的整流电路可将电网中的交流电经过降压、整流变为直流电压，并送入逆变器中。当前UPS 中使用的逆变器大多采用高频调制限流技术及快速短路保护技术，可使该逆变器具有抗负载冲击及供电电压跳变等功能，保证UPS 稳定工作。其中UPS 核心处理器为内置的整流电路及逆变器提供各开关管的驱动信号，并且还集成检测、通信及SPWM正弦脉宽调制等功能，极大改善了UPS 的动态特性及稳定性。当市电输入发生故障时，UPS 开始为设备负载供电，内置蓄电池输出电能经由逆变器输出至设备负载，并且通过通信模块实时显示UPS 供电情况。

对在线激光打孔设备的电控系统进行改造，改造原理图如图2 所示。市电回路经由单向滤波器输出AC220 V（Alternating Current，交流电），直接送入至UPS 中，对UPS 内置的蓄电池充电的同时为工控机提供输入电压，同时UPS 还具有一定的稳压效果。当电源意外中断时，UPS 可迅速工作，由内置蓄电池输入电压，经由逆变器送入至设备负载，保障工控机可继续工作一段时间，完成后续的数据保存、软件关闭等工作并同时发出关机信号，保障设备正常关机。

图2 UPS 电控系统电气原理图

经测试，在线激光打孔设备工控机内置控制软件关闭并正常保存数据时间约为20 s，故通过WinPower软件设置关机参数。规定在市电断电1 min 后设备执行工控机关机程序。由于整个工作过程需要工控机与UPS 实时通信，故在本电源系统中选用智能通信型UPS。基于此，本次选择的UPS 型号为TG-500 智能上网型UPS，通过RS232 通信串口与工控机进行通信，可实时关注UPS 的运行状态及设置关机参数，同时对设备进行突波保护，选用的电源参数如表1 所示。

表1 TG-500UPS 电源参数表

3 设备排故

3.1 UPS 失效

当设备UPS 失效时，最明显的表现方式是直接关闭电源后，在线激光打孔设备的工控机直接关机或接通市电后UPS 电源指示灯不亮，工控机无法启动。此时首先应检查电源系统的接线方式是否存在异常，是否存在输入电源或输出电源接触不良等情况，同时应保证UPS 电源模块开关处于开启状态。当以上问题均检查无误后，则应测量电源输出电压是否正常，如果电压过低，则先接入市电开机后再对UPS 电源模块进行调试维修[5]。

3.2 设备断电后工控机无法自动关机

出现此类故障的原因为UPS 与在线激光打孔设备的工控机通信错误所导致。此类故障需从软件设置和硬件连接两方面去排故维修。软件方面的故障有：①电脑系统安装了防病毒软件或防火墙等后台运行的程序、网络监控程序，致使工控机无法搜索到UPS，需将相关软件关闭，在搜索到UPS 后再启动相关监控程序；②设备关机参数或串口参数设置错误，需将UPS与工控机完成通信后，在WinPower 软件中根据实际生产需要修改相关参数；③USB 转换COM 口的驱动程序安装错误，需要将原先的驱动程序卸载并安装新的驱动程序。硬件连接方面的故障有RS232 串口线不良，包括串口线规格型号不符、串口线存在质量问题导致接触不良、串口线长度超过15 m导致通信信号衰竭等。出现以上情况后，更改一根符合使用要求的通信线即可。

3.3 UPS 蓄电池失效

当UPS 使用年限较长时，则可能导致内部蓄电池性能下降甚至失效。此时当市电中断时则会出现UPS电源能量不足，致使无法持续维持负载供电。出现此类情况，则需要更换UPS 内蓄电池或直接更换新的UPS。为延长UPS 使用寿命，保障内部蓄电池可长时间正常工作，建议每隔3 个月对电池进行完全充放电实验，使蓄电池恢复额定容量[6]。当UPS 长时间闲置时，需利用市电对UPS 充电一段时间后再接入工控机。

4 设备维护与保养

4.1 在线激光打孔设备电控系统的维护

在线激光打孔设备的电控系统核心硬件为西门子工控主机、西门子S7-300 系列PLC 模块、FPGA 脉冲控制板、SICK 传感器等。由于烟支生产过程中会有部分烟末及烟尘经由通风管道进入电控柜中，若积攒过多则易造成设备散热不良、接触不良等故障。此外，烟末也是影响激光打孔镜片的主要原因，一旦有灰尘落在镜片表面，被激光束照射后，瞬间的高温使灰尘立即熔化。熔化后的物质附着在镜片表面，造成镜片的反光率降低，让实际用于打孔的激光功率降低。同时因附着物吸收了一部分激光功率，造成激光镜片温度上升，破坏镜片镀膜层。因此，每周应对在线激光打孔设备的电控柜及镜头进行及时的保养及清洁，重点清除设备内残损的烟末，以保障设备正常运行。

4.2 UPS 的维护

本次在线激光打孔设备所选用的UPS 为MT-500，属于智能上网型UPS，虽然标称工作温度为0～40 ℃，然而过热的工作环境将对UPS 的使用寿命及稳定性造成一定影响，因此将UPS 固定至电控柜风扇口附近，使其工作环境保持在25 ℃左右。此外，在通风管道处加装过滤网的同时每周进行一次清洁保养，保证其处于散热良好、干净清洁的工作环境中，还可有效预防烟末对于UPS 硬件造成损坏。在选配UPS 电源系统功率时，应适当留有余量，避免其出现超载现象。负载的总容量应小于UPS 的额定功率，将UPS 的最大启动负载控制在额定功率的80%。此外，若发现电源外壳出现形变状况，需立即停止使用，及时排查形变原因，检查电源温度是否存在异常，电源是否存在漏电现象，检查完毕后进行相应的安全处理，从而为后期维修工作提供安全保障。

5 结束语

综上所述，随着烟机设备的发展，可保障设备稳定运行，并具有一定的抗干扰能力已成为设计电控系统重要指标之一。而UPS 作为其中重要的后备能源，在当前烟机设备的设计中也已愈发受到重视。本文通过在在线激光打孔设备中加装UPS，有效避免了生产参数丢失、硬盘损坏等问题，为在线激光打孔的稳定运行提供保障。相关技术人员唯有充分重视UPS 在烟机设备中的应用，注重UPS 在日常工作中的保养维护，才能确保烟机设备稳定运行，为烟支质量及有效作业率提供保障。