一種用于細(xì)支煙卷煙機(jī)的重量控制系統(tǒng)

楊旭 韓忠華

摘要：該文針對(duì)一臺(tái)為適應(yīng)細(xì)支煙生產(chǎn)而改造的卷煙機(jī)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于倍福PLC的重量控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了其控制原理。該系統(tǒng)采用微波測(cè)量煙支重量，并使用數(shù)字PID控制算法實(shí)現(xiàn)重量控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，響應(yīng)迅速，并預(yù)留升級(jí)改造的空間，完全能夠取代原機(jī)控制系統(tǒng)，滿足細(xì)支煙生產(chǎn)的精度要求，保證了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：細(xì)支煙;微波檢測(cè);重量控制;PID

中圖分類號(hào)：TS4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1009-3044（2018）36-0235-03

Abstract：In this paper，a weight control system is developed Based on Beckhoff PLC for a ZJ19 cigarette machine which is changed for slender cigarette production， and the control principle of system is also introduced.The system uses microwave to measure cigarette weight， uses digital PID control algorithm to achieve weight control. The system hardware structure is simple， stable and reliable performance， quick response， and set aside the upgrade space. It could completely replace the original machine control system to meet the requirements of slender cigarette production precision， ensure the production efficiency and product quality.

Key words：slender cigarette; micro wave measure; weight control; PID

煙支重量是衡量香煙質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[1]，隨著人們對(duì)香煙質(zhì)量要求不斷提高，煙支重量控制就顯得越來越重要;同時(shí)嚴(yán)格控制香煙平均重量，并保證煙支的重量標(biāo)準(zhǔn)差，能夠有效地控制煙草用量，有利于煙廠生產(chǎn)管理，降低成本，因此煙支重量控制引起了各煙草企業(yè)的高度重視[2]。

相比于普通香煙，細(xì)支煙煙支細(xì)長，煙絲量少，燃燒產(chǎn)生的尼古丁、焦油等有害物質(zhì)少，既能滿足吸煙需求，又能減少對(duì)人體的損害，受到了許多吸煙者的青睞。由于細(xì)支煙在國內(nèi)尚處于起步發(fā)展階段，煙草企業(yè)出于成本考慮，多采用對(duì)卷煙機(jī)進(jìn)行改造的方法進(jìn)行生產(chǎn)。由于改造過程中對(duì)卷煙機(jī)進(jìn)行了較大調(diào)整，后身供絲量有較大變化，同時(shí)細(xì)支煙對(duì)平均重量和標(biāo)準(zhǔn)偏差的要求比普通香煙更高[3]，因此，必須開發(fā)高效可靠的重量控制系統(tǒng)來保證香煙質(zhì)量。

某品牌細(xì)支煙的單支煙重量為0.55g，20支煙重量為11g±0.15g，標(biāo)準(zhǔn)差小于0.014g，要求精度較高。卷煙機(jī)由標(biāo)準(zhǔn)煙卷煙機(jī)改造而成，原機(jī)重量控制系統(tǒng)采用DSP電路板，已經(jīng)難以滿足煙支重量和標(biāo)準(zhǔn)差的要求。

本控制系統(tǒng)采用倍福PLC作為主控制器，相對(duì)于DSP控制電路，PLC工作穩(wěn)定，性能可靠，并且易于擴(kuò)展，便于后期系統(tǒng)升級(jí)改造[4]。本系統(tǒng)采用倍福高速超采樣模塊，能夠滿足卷煙機(jī)高速生產(chǎn)時(shí)的測(cè)量任務(wù)。并通過PLC模擬PID控制器實(shí)現(xiàn)煙支重量控制，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，動(dòng)作平穩(wěn)，能夠很好地滿足卷煙機(jī)重量控制要求。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)通過測(cè)量煙絲密度，計(jì)算得到煙支重量，根據(jù)煙支重量情況調(diào)節(jié)平準(zhǔn)盤高度實(shí)現(xiàn)對(duì)煙絲量的控制，并調(diào)節(jié)平準(zhǔn)盤相位實(shí)現(xiàn)對(duì)緊頭位置的調(diào)整，同時(shí)對(duì)超輕、超重、空松、結(jié)塊等不合格煙支進(jìn)行剔除，從而將煙支重量平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在要求范圍內(nèi)。

本文重量控制系統(tǒng)由重量測(cè)量單元、控制單元、執(zhí)行單元以及位置測(cè)量單元等部分組成。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

重量測(cè)量單元采用SIA-MW10-12K微波檢測(cè)源測(cè)量煙絲密度，當(dāng)煙條經(jīng)過微波諧振腔時(shí)，微波穿過煙絲產(chǎn)生衰減，衰減量同煙絲密度之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)這個(gè)關(guān)系可以計(jì)算出煙支重量[5]。

為了提高煙支重量測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須保證在一支煙上有足夠的采樣點(diǎn)，才能計(jì)算得到煙支的總重量以及煙支重量分布情況，控制系統(tǒng)使用編碼器獲取同步信號(hào)，準(zhǔn)確計(jì)算煙支重量。

控制單元采用倍福PLC和上位機(jī)，PLC完成數(shù)據(jù)采集和輸出控制，上位機(jī)提供友好的人機(jī)交互界面，并存儲(chǔ)PLC運(yùn)行參數(shù)。

（1） PLC選用倍福CX2020，性能優(yōu)良，運(yùn)算速度快，可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)以下的快速控制（即極速控制技術(shù)），電源模塊選用CX2100，IO模塊分別為：

1） EL1262帶超采樣功能的數(shù)字量輸入模塊用于采集編碼器同步脈沖，采樣速度快，能夠滿足卷煙機(jī)生產(chǎn)速度要求;

2） EL3702帶超采樣功能的模擬量輸入模塊用于獲取微波檢測(cè)源輸出的煙絲密度信號(hào)和平準(zhǔn)盤高度傳感器輸出的位置信號(hào)，并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換;

3） EL2008數(shù)字量輸出模塊可提供八個(gè)點(diǎn)位的輸出信號(hào)，用于調(diào)節(jié)平準(zhǔn)盤高度和相位、控制剔除閥動(dòng)作。

（2） 上位機(jī)選用西門子工業(yè)PC，并開發(fā)了人機(jī)交互程序，用于數(shù)據(jù)監(jiān)控，參數(shù)修改以及其他輔助功能。

執(zhí)行單元為直流伺服電機(jī)和剔除閥，位置測(cè)量單元為電阻式傳感器。

2 重量控制原理

2.1 重量信號(hào)采集

微波檢測(cè)電路根據(jù)微波發(fā)射端和接收端的信號(hào)偏差，將其裝換為電壓信號(hào)，根據(jù)微波檢測(cè)源的輸出電壓可以計(jì)算出煙支重量。計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)為輸出電壓V所對(duì)應(yīng)煙支重量，V為檢測(cè)源中有煙支時(shí)的輸出電壓，V0為無煙支時(shí)檢測(cè)源的輸出電壓，K為比例系數(shù)[6]。

數(shù)據(jù)在采集和傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生一些干擾，因此有必要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。如果采集值處于上下限之間，則作為正常數(shù)據(jù)處理，如果超出正常的分布范圍，則表明信號(hào)受到干擾，此時(shí)應(yīng)將其限定在合理的范圍內(nèi)。具體公式如下：

其中，[mR]為采集的原始數(shù)據(jù)，[m0]為重量平均值，d為允許波動(dòng)范圍，m為最終的有效數(shù)據(jù)。

2.2 煙支重量計(jì)算

上述測(cè)量值為煙支上某一點(diǎn)的重量值，所以需要在一支煙上取足夠數(shù)量的采樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算得到整支煙的總重量以及煙支重量分布情況。為了提高測(cè)量精度并兼顧數(shù)據(jù)處理計(jì)算量，在每支雙倍長煙上取256個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，即單支煙128個(gè)點(diǎn)[7]。

控制系統(tǒng)使用增量式編碼器來獲取同步信號(hào)，編碼器和切刀盤連接，編碼器旋轉(zhuǎn)一周，切刀切割一支雙倍長煙，選擇256線編碼器?？刂葡到y(tǒng)采集A向脈沖和Z向脈沖，A相脈沖用于采集點(diǎn)同步和計(jì)數(shù)，Z向脈沖用于確定采集點(diǎn)在煙支上的位置。每收到一個(gè)Z向脈沖，就將A相脈沖值清零。

PLC通過EL1262模塊和EL3702模塊完成重量信號(hào)的采集和處理。在一個(gè)PLC運(yùn)行周期內(nèi)，兩個(gè)模塊完成相同次數(shù)的采集任務(wù)，每次采集的時(shí)科保持一致。首先查詢EL1262在一個(gè)周期內(nèi)有沒有接收到脈沖跳變，如果檢測(cè)到跳變，則記錄本次采集任務(wù)的時(shí)刻，查找同一時(shí)刻EL3702采集的重量信號(hào)，作為本次采集的重量值[8]。

通過標(biāo)定得到煙支端部對(duì)應(yīng)的編碼器A向脈沖數(shù)值，可以將這些采集點(diǎn)對(duì)應(yīng)到煙支的具體位置上。計(jì)算煙支總重量以及煙支重量分布情況，判斷緊頭位置和有無空松、結(jié)塊煙支。

2.3 重量控制算法

單支煙重量主要取決于卷入煙條的煙絲量和緊頭位置偏差。所以重量控制系統(tǒng)應(yīng)該確保卷入煙條煙絲量的穩(wěn)定，可通過調(diào)節(jié)平準(zhǔn)盤高度實(shí)現(xiàn);同時(shí)應(yīng)該有效控制緊頭位置偏差，可通過調(diào)節(jié)平準(zhǔn)盤相位實(shí)現(xiàn)。

重量控制系統(tǒng)基本原理是根據(jù)煙支實(shí)時(shí)重量，對(duì)平準(zhǔn)盤高度進(jìn)行調(diào)節(jié)來控制煙支重量，是一種典型的滯后控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PID控制算法進(jìn)行控制。

根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)，通過PLC模擬PID控制器，即數(shù)字PID，這就需要將PID公式進(jìn)行離散化處理。常用的數(shù)字PID可分為位置式和增量式兩種，卷煙機(jī)通過計(jì)算煙支重量偏差量來調(diào)節(jié)平準(zhǔn)盤高度，可選用增量式PID進(jìn)行控制。其計(jì)算公式為[9]：

其中，[ek]為第k次采樣得到的偏差，[ek-1]為第k-1次采樣得到的偏差，[ek-2]為第k-2次采樣得到的偏差。

如果采樣周期T恒定，只要確定A、B、C，使用前后三次測(cè)量的偏差值，就可求出控制量，計(jì)算量小，適合本系統(tǒng)使用。

為了提高控制精度，需要對(duì)采集的重量數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理。根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)，選用滑動(dòng)平均濾波的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?；驹硎鞘紫冗B續(xù)采集18支煙（控制粒度）的重量值并保存，去掉最大值和最小值，以剩余16支煙的平均重量來計(jì)算本次偏差。再連續(xù)采集9支煙（滑動(dòng)采樣數(shù)量）的重量值，將上次的18支煙重量值中的前9個(gè)數(shù)據(jù)去掉，并與9個(gè)新數(shù)據(jù)重新組成18個(gè)數(shù)據(jù)，去除最值后求平均值，計(jì)算新的偏差值，一直重復(fù)這個(gè)過程，為PID控制提供反饋數(shù)據(jù)。

通過調(diào)整控制粒度和滑動(dòng)采樣數(shù)量來調(diào)整控制的靈敏度以及速度，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

為了避免平準(zhǔn)盤高度頻繁調(diào)整引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，在計(jì)算得到平準(zhǔn)盤高度調(diào)整量后，如果調(diào)整量在誤差允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)將不進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)PLC引入平準(zhǔn)盤高度傳感器信號(hào)，實(shí)時(shí)判斷平準(zhǔn)盤高度，防止平準(zhǔn)盤到達(dá)極限位置后繼續(xù)調(diào)整，避免電機(jī)過載，保護(hù)電機(jī)。當(dāng)煙支重量持續(xù)較長時(shí)間過重而平準(zhǔn)盤到達(dá)極限位置無法調(diào)節(jié)時(shí)，控制系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)。

緊頭位置偏差會(huì)影響單支煙的重量，如果緊頭位置偏差超過允許范圍，會(huì)導(dǎo)致同一支雙倍長煙切下的兩支單支煙一支偏重、一支偏輕，影響煙支標(biāo)準(zhǔn)偏差。由于平準(zhǔn)盤和切刀盤同步情況較好，所以緊頭位置一般變動(dòng)較小，故無須頻繁調(diào)節(jié)。其基本原理為檢測(cè)緊頭位置偏差，只有緊頭連續(xù)多次向同一方向偏移，并且偏移量超出允許范圍后才進(jìn)行調(diào)節(jié)。事先標(biāo)定出PLC輸出和平準(zhǔn)盤相位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后進(jìn)行定量調(diào)節(jié)。

由于重量系統(tǒng)是滯后控制，故不能完全消除質(zhì)量不合格煙支，所以需要實(shí)時(shí)計(jì)算每支煙的重量，并判斷是否在重量允許范圍內(nèi)，對(duì)不合格煙支進(jìn)行剔除，可有效控制平均重量和標(biāo)準(zhǔn)偏差。同時(shí)根據(jù)煙支重量分布情況，可判斷出煙支是否存在空松、結(jié)塊等故障，并將其剔除以提高成品煙品質(zhì)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

為驗(yàn)證本重量控制系統(tǒng)的綜合性能，將系統(tǒng)集成到經(jīng)過改造的卷煙機(jī)機(jī)組中進(jìn)行安裝與調(diào)試，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，控制效果良好。通過在現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行測(cè)量，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。

按照煙廠測(cè)量要求，每次取樣30支煙進(jìn)行測(cè)量，測(cè)出30支煙的平均重量、標(biāo)準(zhǔn)差以及變異系數(shù)。共測(cè)量10組數(shù)據(jù)，測(cè)量儀器為北京歐美利華科技有限公司的OM-VL型綜合測(cè)試臺(tái)。設(shè)定重量為550mg，平均重量允許范圍是550mg±0.075mg，具體數(shù)據(jù)如下表所示：

通過表1中數(shù)據(jù)可以看出，30支煙平均值優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.014g，符合要求，變異系數(shù)較小。表明本系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，控制精度高，完全滿足正常生產(chǎn)的需求。

4 結(jié)論

本文基于倍福PLC設(shè)計(jì)開發(fā)的用于細(xì)支煙生產(chǎn)的卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)，能夠完全取代原卷煙機(jī)的專用電路板控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用通用的PLC模塊，結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)周期短，穩(wěn)定性好，可升級(jí)擴(kuò)展，同時(shí)降低了設(shè)備的維護(hù)成本，提高了數(shù)據(jù)采集和控制精度?？刂扑惴ú捎肞ID算法，準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性較好，滿足了細(xì)支煙生產(chǎn)過程中重量控制要求。本系統(tǒng)對(duì)提高卷煙機(jī)生產(chǎn)效率和可靠性，提升產(chǎn)品質(zhì)量和控制成本具有顯著意義。

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[通聯(lián)編輯：梁書]