煙支在線激光打孔設備UPS 的設計與維護

賈卓，李勇

（山西昆明煙草有限責任公司卷包車間，山西太原 030001）

煙支在線激光打孔技術在卷煙生產過程中已廣泛普及，然而當設備正常運行時若發生市電故障或關機操作不當時則會導致生產數據丟失，影響煙支正常生產。結合生產實際需求，對煙支在線激光打孔設備的電控系統進行升級改造，有效降低了設備故障率，提高了生產效率。

1 煙支在線激光打孔的概述

煙支在線激光打孔是指煙支在卷煙機內部生產制造時，利用激光發生器發射高能級激光束并投射至煙支濾嘴棒處進行在線打孔[1]。通過設置設備參數，可調節激光束能量，將煙支濾嘴外部的水松紙及高透紙打穿，并形成具有一定深度的小孔。通過加入該項工藝流程，可在不降低卷煙機生產速度的同時完成煙支在線打孔的工作，同時成形后的煙支通風度變異系數小，吸阻調節范圍廣，具備了較強的降焦能力。且可根據工藝具體要求調整打孔時間、打孔數量，在降低煙支焦油含量的同時實現了通風度與吸阻的可調可控，也降低了對人體及環境的不良影響[2]。相較于傳統預打孔，在線激光打孔實現打孔通風效果更為直接、有效，還能大幅降低輔材料成本。隨著近年來中細煙支的發展，在線激光打孔裝置已成為中細煙支卷接機組的標準配置，并且對設備的電源系統提出了更高的要求。若設備電源系統可靠性較低，則較易發生設備參數丟失，生產出大批量無打孔、打孔數少、打孔跑偏等缺陷煙支[3]。

2 設備電控系統設計方案

2.1 UPS 在煙機設備上的應用

UPS 可以理解為具有儲備電源能量的設備，能夠使得設備長期保持在一個恒定的電流電壓且能夠維持穩定的工作頻率。當前UPS 在以倍福IPC（Industrial Personal Computer，工業個人計算機）為控制核心的煙機電控系統中已得到廣泛應用，以ZJ118 卷煙機為例，ZJ118 型卷接機組的IPC 控制系統包含UPS、中央處理器、電源模塊等。其中UPS 型號為CX1100-0930，輸入輸出電壓均為DC24 V（Direct Current，直流電）。電壓通過UPS 送入電源模塊，再經由電源模塊為中央處理器供電。當設備斷電或市電意外斷開時，此刻電源輸出端會自動切換，UPS 持續輸出DC24 V 電壓為電源模塊及中央處理器供電，直至設備參數及停機程序運行完成后再斷電，能夠較好地保護負載設施設備的可靠穩定以及相關軟硬件的有效工作，有效降低了設備生產參數丟失及系統運行等故障率[4]。然而當前在線激光打孔設備的工控機內置WindowsXP 系統，且無配置相應的UPS 進入設備電控系統，當設備發生意外斷電時，則會產生工控機系統及生產參數受到損壞或系統文件丟失等故障，甚至導致工控機硬盤、主板等受到不可逆的損壞，嚴重影響設備運行穩定性及煙支質量。

2.2 UPS 電控系統設計方案

UPS 作為市電輸入端與設備負載之間的緩沖系統，可以有效避免用戶受到電網異常的干擾，保證設備安全、穩定的運行使用。在市電輸入異?；蛟O備意外斷電時，可通過UPS 內部的蓄電池為負載設備提供能量，從而使設備可繼續工作一段時間，也可為操作或維修人員提供相應操作時間。其中UPS 的原理框圖如圖1 所示。

圖1 UPS 電源原理框圖

如圖1 所示，UPS 內部的整流電路可將電網中的交流電經過降壓、整流變為直流電壓，并送入逆變器中。當前UPS 中使用的逆變器大多采用高頻調制限流技術及快速短路保護技術，可使該逆變器具有抗負載沖擊及供電電壓跳變等功能，保證UPS 穩定工作。其中UPS 核心處理器為內置的整流電路及逆變器提供各開關管的驅動信號，并且還集成檢測、通信及SPWM正弦脈寬調制等功能，極大改善了UPS 的動態特性及穩定性。當市電輸入發生故障時，UPS 開始為設備負載供電，內置蓄電池輸出電能經由逆變器輸出至設備負載，并且通過通信模塊實時顯示UPS 供電情況。

對在線激光打孔設備的電控系統進行改造，改造原理圖如圖2 所示。市電回路經由單向濾波器輸出AC220 V（Alternating Current，交流電），直接送入至UPS 中，對UPS 內置的蓄電池充電的同時為工控機提供輸入電壓，同時UPS 還具有一定的穩壓效果。當電源意外中斷時，UPS 可迅速工作，由內置蓄電池輸入電壓，經由逆變器送入至設備負載，保障工控機可繼續工作一段時間，完成后續的數據保存、軟件關閉等工作并同時發出關機信號，保障設備正常關機。

圖2 UPS 電控系統電氣原理圖

經測試，在線激光打孔設備工控機內置控制軟件關閉并正常保存數據時間約為20 s，故通過WinPower軟件設置關機參數。規定在市電斷電1 min 后設備執行工控機關機程序。由于整個工作過程需要工控機與UPS 實時通信，故在本電源系統中選用智能通信型UPS?；诖?，本次選擇的UPS 型號為TG-500 智能上網型UPS，通過RS232 通信串口與工控機進行通信，可實時關注UPS 的運行狀態及設置關機參數，同時對設備進行突波保護，選用的電源參數如表1 所示。

表1 TG-500UPS 電源參數表

3 設備排故

3.1 UPS 失效

當設備UPS 失效時，最明顯的表現方式是直接關閉電源后，在線激光打孔設備的工控機直接關機或接通市電后UPS 電源指示燈不亮，工控機無法啟動。此時首先應檢查電源系統的接線方式是否存在異常，是否存在輸入電源或輸出電源接觸不良等情況，同時應保證UPS 電源模塊開關處于開啟狀態。當以上問題均檢查無誤后，則應測量電源輸出電壓是否正常，如果電壓過低，則先接入市電開機后再對UPS 電源模塊進行調試維修[5]。

3.2 設備斷電后工控機無法自動關機

出現此類故障的原因為UPS 與在線激光打孔設備的工控機通信錯誤所導致。此類故障需從軟件設置和硬件連接兩方面去排故維修。軟件方面的故障有：①電腦系統安裝了防病毒軟件或防火墻等后臺運行的程序、網絡監控程序，致使工控機無法搜索到UPS，需將相關軟件關閉，在搜索到UPS 后再啟動相關監控程序；②設備關機參數或串口參數設置錯誤，需將UPS與工控機完成通信后，在WinPower 軟件中根據實際生產需要修改相關參數；③USB 轉換COM 口的驅動程序安裝錯誤，需要將原先的驅動程序卸載并安裝新的驅動程序。硬件連接方面的故障有RS232 串口線不良，包括串口線規格型號不符、串口線存在質量問題導致接觸不良、串口線長度超過15 m導致通信信號衰竭等。出現以上情況后，更改一根符合使用要求的通信線即可。

3.3 UPS 蓄電池失效

當UPS 使用年限較長時，則可能導致內部蓄電池性能下降甚至失效。此時當市電中斷時則會出現UPS電源能量不足，致使無法持續維持負載供電。出現此類情況，則需要更換UPS 內蓄電池或直接更換新的UPS。為延長UPS 使用壽命，保障內部蓄電池可長時間正常工作，建議每隔3 個月對電池進行完全充放電實驗，使蓄電池恢復額定容量[6]。當UPS 長時間閑置時，需利用市電對UPS 充電一段時間后再接入工控機。

4 設備維護與保養

4.1 在線激光打孔設備電控系統的維護

在線激光打孔設備的電控系統核心硬件為西門子工控主機、西門子S7-300 系列PLC 模塊、FPGA 脈沖控制板、SICK 傳感器等。由于煙支生產過程中會有部分煙末及煙塵經由通風管道進入電控柜中，若積攢過多則易造成設備散熱不良、接觸不良等故障。此外，煙末也是影響激光打孔鏡片的主要原因，一旦有灰塵落在鏡片表面，被激光束照射后，瞬間的高溫使灰塵立即熔化。熔化后的物質附著在鏡片表面，造成鏡片的反光率降低，讓實際用于打孔的激光功率降低。同時因附著物吸收了一部分激光功率，造成激光鏡片溫度上升，破壞鏡片鍍膜層。因此，每周應對在線激光打孔設備的電控柜及鏡頭進行及時的保養及清潔，重點清除設備內殘損的煙末，以保障設備正常運行。

4.2 UPS 的維護

本次在線激光打孔設備所選用的UPS 為MT-500，屬于智能上網型UPS，雖然標稱工作溫度為0～40 ℃，然而過熱的工作環境將對UPS 的使用壽命及穩定性造成一定影響，因此將UPS 固定至電控柜風扇口附近，使其工作環境保持在25 ℃左右。此外，在通風管道處加裝過濾網的同時每周進行一次清潔保養，保證其處于散熱良好、干凈清潔的工作環境中，還可有效預防煙末對于UPS 硬件造成損壞。在選配UPS 電源系統功率時，應適當留有余量，避免其出現超載現象。負載的總容量應小于UPS 的額定功率，將UPS 的最大啟動負載控制在額定功率的80%。此外，若發現電源外殼出現形變狀況，需立即停止使用，及時排查形變原因，檢查電源溫度是否存在異常，電源是否存在漏電現象，檢查完畢后進行相應的安全處理，從而為后期維修工作提供安全保障。

5 結束語

綜上所述，隨著煙機設備的發展，可保障設備穩定運行，并具有一定的抗干擾能力已成為設計電控系統重要指標之一。而UPS 作為其中重要的后備能源，在當前煙機設備的設計中也已愈發受到重視。本文通過在在線激光打孔設備中加裝UPS，有效避免了生產參數丟失、硬盤損壞等問題，為在線激光打孔的穩定運行提供保障。相關技術人員唯有充分重視UPS 在煙機設備中的應用，注重UPS 在日常工作中的保養維護，才能確保煙機設備穩定運行，為煙支質量及有效作業率提供保障。