烟草自动化包装设备控制器综述

烟草自动化包装设备控制器综述

王钊

上海烟草机械有限责任公司 201206

摘要：烟草包装设备是为实现生产过程的机械化、自动化而设计并研制出的一套集机械包装与自动控制为一体，能完成自动检测、剔除坏烟包，全自动传送等功能的自动化设备。烟草自动化包装设备的控制器是一种以控制生产过程的自动化程度为目的，实现无人化、全自动操作，自动采集数据并进行处理和分析等功能的装置，对工业发展非常必要。本文阐述了烟草自动化包装机控制器现状及发展趋势，其次对国内相关技术进行分析和研究综述以及概括性地介绍了国内智能化程度较高的控制器。

关键词：烟草行业、包装机、自动化、控制器

1.绪论

美国通用汽车公司在1970年提出取代用继电器来控制设备以及装置的需求，同一年世界上第一台可以编写程序的控制器问世，并且在美国通用汽车的汽车制造产线上试验成功，这是历史第一代可以编程的控制器简称Programmable，也是世界上公认的第一台PLC。近二十年来可编程控制器发展迅速，计算机技术也已经全面引入PLC中，其功能发生了质变。更快的运算速度、微型体积、极度可靠的工业级别抗干扰设计、数字量模拟量计算、PID调节等功能奠基了其在当代工业中的地位。本文介绍了现如今烟草包装机设备控制器的型号以及性能，并介绍了可供选择进行替代的国产PLC设备的性能分析。

1.1 课题背景以及研究的目的和意义

烟草自动化包装设备是一个集机械、电子技术于一体的综合产品。它主要由控制器(PLC)，伺服驱动机器和控制装置组成，在一定范围内将原辅材料进行包装或折叠，并根据设定信号调整相应动作，如控制器接收到上位机或者传感器等故障信号后，控制设备电机停机并做报警处理，包装机设备以PLC为主控制器来控制整个包装设备运行状态及报警参数。由于中美贸易战的可能性以及进口产品供货周期的时间线拉长，设备上所应用到的元器件国产化需求日益增大，但由于我国的烟草自动化包装设备控制器研制起步较晚，所以其控制技术水平较低。

2.烟草自动化包装设备控制器

2.1 控制器的硬件

PLC的实质是一种用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为电源，如没有一个良好的可靠的电源控制系统是无法工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。中央处理单元，中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。存储器用于存放系统软件等。输入输出接口电路，现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

2.2 控制器的编程语言

IEC 1131-3的编程语言是IEC工作组对世界范围的PLC厂家的编程语言合理地吸收、借鉴的基础上形成的一套针对工业控制系统的国际编程语言标准。它不但适用于PLC系统，而且还适用于更广泛的工业控制领域。PLC目前共有5种标准的编程语言，分为以下两大类及图形化编程语言和文本化编程语言。图形化编程语言包括梯形图、功能块图以及顺序功能图。文本化编程语言包括指令表以及结构化文本。烟草自动化包装设备编程语言多用结构化文本以及功能块图来实现功能。

3.烟草自动化包装设备控制器选型

3.1现用进口控制器的现状

现如今烟草包装机设备所选用控制器型号为德国倍福公司的CX2030或者CX2040，根据不同包装形式选用不同型号的PLC控制器。CX2030 和 CX2040 系列嵌入式控制器搭载高性能处理器（可选择搭载多核处理器），进一步完善了 CX 产品系列，并能够直接插接总线端子模块和 EtherCAT 端子模块。如果将 CX2030 与 EtherCAT 和 TwinCAT 结合起来使用，则可以实现微秒级的超高速控制过程XFC 极速控制技术。基本 CPU 模块标配包括 1 张 CFast 卡、2 个独立的千兆以太网口、4 个 USB 2.0 接口和 1 个 DVI-I 接口。此外，还有很多现场总线及串行接口选项。CX2030以及CX2040是一款 DIN 导轨安装式工业 PC，可与 TwinCAT 软件结合使用，具有与大型工业 PC 相同的功能。多核 CPU 结合 TwinCAT 3，能够将 PLC 任务分配给多个内核，显著提高系统性能。此外，所有 TwinCAT 功能都可用于实现运动控制应用：理论上最多可以控制 256 根轴。除了简单的点到点运动外，它还可以执行“电子齿轮箱”、“电子凸轮”和“飞锯”等更为复杂的多轴功能。由于 CX2030 搭载的是高性能处理器，因此它也能够实现 3D 插补轨迹运动和执行 DIN66025 程序。除了执行实时任务控制以外，TwinCAT 的实时内核还能够确保为用户界面（HMI）留出足够的时间。集成在 CPU 中的图形内核的高性能满足了高级用户界面的可视化需求。该系列控制器可以在-25到60摄氏度的宽温范围内运行，能够应用于极端气候环境。

3.2国产控制器

在工业自动化控制领域中，国产的可编程逻辑控制器与国外进口的产品之间仍存在这一定的差距。其中性能方面，国产PLC在软件开发以及编程语言上有一定别的劣势，国外PLC提供更便捷的开发测试软件以及编程语言。在可靠性方面，经过长时间的验证，进口控制器在高温、低温、震动、电磁干扰等方面均通过测试以验证可靠性。在功能方面，国产控制器支持的通讯协议相对有限，与其他设备的系统难以无缝集成，在拓展以及模块化设计方面也有劣势，能够提供的模块和扩展接口较少。国产的控制器企业也正在积极努力弥补这些差距，它们加大了对技术研发和创新的投入，建设了专业的研发团队和实验室，并逐步提升产品的性能、可靠性和功能。

4.结论

在本次文章编写的过程中，通过查阅资料和研究学习到了控制器的现状和国产化发展方向。控制技术是实现自动包装设备自动化、智能化系统必不可少的环节之一。对控制器的应用有了更加深刻地认识，同时也了解到计算机编程与控制技术在自动化包装设备控制系统中所起到的重要性。

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