AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機(jī)電控系統(tǒng)改造

陳 磊，朱振宏，高逸蕓，張子衿

（紅塔（煙草）集團(tuán)有限責(zé)任公司玉溪卷煙廠，云南玉溪 653100）

0 引言

AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機(jī)為德國(guó)HAUNI 公司20 世紀(jì)90 年代制造的濾嘴棒生產(chǎn)設(shè)備，是當(dāng)時(shí)較為先進(jìn)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。隨著電控技術(shù)的高速發(fā)展，HAUNI 公司研制出了KDF4、KDF-5FM、KDF6 等高度自動(dòng)化、集成化、模塊化的濾嘴棒成型設(shè)備。新技術(shù)的出現(xiàn)預(yù)示著舊技術(shù)的淘汰，而KDF3E 濾嘴棒成型機(jī)則處于淘汰的邊緣，但國(guó)內(nèi)部分卷煙企業(yè)仍然擁有此機(jī)型并作為主力生產(chǎn)機(jī)型，使用中會(huì)出現(xiàn)較多問題。如:電氣元件老化嚴(yán)重，已停產(chǎn)的設(shè)備專用件難以采購，維護(hù)維修成本高且周期長(zhǎng)，生產(chǎn)工藝技術(shù)落后，缺少有效的濾嘴棒質(zhì)量在線檢測(cè)手段，濾嘴棒質(zhì)量指標(biāo)控制難度大等。目前國(guó)內(nèi)在AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機(jī)改造方面做了電氣監(jiān)控系統(tǒng)[1]、甘油施加系統(tǒng)[2]等相關(guān)研究，但缺少對(duì)機(jī)組整體電控系統(tǒng)升級(jí)改造的綜合性研究，因此，本文對(duì)AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機(jī)電控系統(tǒng)、部分工藝系統(tǒng)及質(zhì)量控制系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行綜合性分析，并提出相應(yīng)的技術(shù)改造策略，提高濾嘴棒產(chǎn)品質(zhì)量控制能力，降低企業(yè)該機(jī)組的使用成本。

1 AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機(jī)現(xiàn)狀

1.1 控制器

AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機(jī)組主控系統(tǒng)采用西門子S5 系列PLC 與HIP 高精度專用邏輯控制板卡組合作為設(shè)備主要邏輯控制器，接收設(shè)備產(chǎn)生的溫度和時(shí)鐘脈沖等模擬量和數(shù)字量用以進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)一步對(duì)設(shè)備發(fā)出控制指令。運(yùn)動(dòng)控制方面，此機(jī)型采用AMK 公司AZ/AW 系列伺服控制作為設(shè)備主要運(yùn)動(dòng)控制器，控制開松輥組、膠泵組、主驅(qū)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)部件按比例進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)控制，控制框圖如圖1所示。

西門子S5 系列控制系統(tǒng)綜和了數(shù)字、模擬技術(shù)及計(jì)算機(jī)等學(xué)科，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，但由于其自診斷功能較弱，一旦出現(xiàn)故障，故障不直觀，維修耗時(shí)長(zhǎng)且難度大，對(duì)維修人員的知識(shí)水平要求較高，要能夠熟練運(yùn)用萬用表、示波器甚至計(jì)算機(jī)等工具，具有一定英語能力及計(jì)算機(jī)功底。更重要的是，由于目前西門子公司已經(jīng)停止對(duì)西門子S5 系列PLC 的服務(wù)支持，因此，備件問題難以解決。

圖1 AF3E-KDF3E 機(jī)組控制框圖

AMK 公司AZ/AW 系列伺服驅(qū)動(dòng)器也存在與西門子S5 系列PLC 同樣的問題。另外，AZ/AW 系列伺服驅(qū)動(dòng)器之間采用并行總線進(jìn)行通信，由于通信線纜較多，存在噪聲串?dāng)_，通信頻率難以提升。雖然該系列伺服驅(qū)動(dòng)器具備完善的故障診斷功能，但由于其不提供對(duì)外部PC 讀寫數(shù)據(jù)的通信接口，難以通過其他輔助手段進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)查詢，僅能通過其自帶的控制面板進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，難以直觀了解運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 上位機(jī)

OP20 是KDF3E 濾嘴棒成型機(jī)上一套由小型數(shù)碼顯示器及配套的薄膜開關(guān)面板組合成的、可對(duì)設(shè)備產(chǎn)品規(guī)格、涂膠量、過程參數(shù)等重要工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、校準(zhǔn)，并可簡(jiǎn)單顯示設(shè)備英文故障代碼的上位人機(jī)交互系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其顯示內(nèi)容單一、條目可讀性差、操作繁瑣、功能單一等缺點(diǎn)是造成設(shè)備調(diào)試和維修較為困難的重要因素之一。設(shè)備運(yùn)行過程中對(duì)于整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控并實(shí)時(shí)直觀反饋以及相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)是提高設(shè)備質(zhì)量控制能力、生產(chǎn)及維護(hù)維修效率的重要舉措，因此，智能化、簡(jiǎn)潔化、人性化的人機(jī)交互系統(tǒng)在濾棒成型方面顯得極為重要。

1.3 操作面板

圖2 OP20 結(jié)構(gòu)

操作面板采用物理旋鈕、按鍵、數(shù)碼顯示屏、急停按鈕、指示燈、電位計(jì)和人機(jī)系統(tǒng)鎖定鑰匙開關(guān)組成，如圖3 所示，其指示燈繁多，操作繁瑣，設(shè)備狀態(tài)顯示不直觀，誤操作概率大，參數(shù)調(diào)整精確度低，經(jīng)常會(huì)發(fā)生參數(shù)超調(diào)或滯調(diào)。

圖3 操作面板

1.4 電機(jī)

設(shè)備使用的電機(jī)包括主驅(qū)動(dòng)、開松輥組和膠泵使用的三相交流伺服電機(jī)，AF 負(fù)壓和HK 負(fù)壓使用的三相交流異步電機(jī)，成型紙加速和直徑控制使用的直流電機(jī)等均為專機(jī)專用，與其他型號(hào)濾嘴棒生產(chǎn)設(shè)備互不通用，使用方需要單獨(dú)進(jìn)行專門采購和備貨，如遇電機(jī)停產(chǎn)還需專門定制，增加了配件的備貨成本。

1.5 甘油施加系統(tǒng)

AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機(jī)主要使用雙毛刷施加方式對(duì)絲束施加甘油（圖4），甘油從甘油箱內(nèi)由計(jì)量泵加壓分別輸送到上噴涂室和下噴涂室（圖5），再由上下毛刷（圖6）通過高速旋轉(zhuǎn)將積累在噴涂室內(nèi)的甘油拋灑到絲束面上，完成整個(gè)甘油施加過程。

該種施加方式中，附著到絲束表面的甘油顆粒大小不均，會(huì)在濾嘴棒中形成溶洞，產(chǎn)生質(zhì)量不合格的濾嘴棒，造成原輔料的浪費(fèi)。同時(shí)，當(dāng)成型機(jī)速度變化時(shí)，由于毛刷電機(jī)速度不可調(diào)，雙毛刷不能及時(shí)跟隨設(shè)備速度進(jìn)行甘油施加量的調(diào)節(jié)，施加量精度過低，對(duì)濾嘴棒重量及吸阻指標(biāo)控制極為不利。

1.6 成型紙拼接系統(tǒng)

圖4 雙毛刷上膠結(jié)構(gòu)

成型紙拼接機(jī)構(gòu)如圖7 所示，設(shè)備采用專用電子板卡及MCU 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行開環(huán)控制，由于直流電機(jī)響應(yīng)速度慢，運(yùn)行不穩(wěn)定，不能滿足成型紙高速拼接的響應(yīng)需求，會(huì)導(dǎo)致成型紙加速紙帶過長(zhǎng)，輔料消耗較大。同時(shí)，該種拼接方式的成功率極其依賴于操作人員對(duì)雙面膠放置位置的準(zhǔn)確度，操作要求較高，因此，該種拼接系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性差，失敗率高，會(huì)帶來廢品率增加、設(shè)備有效作業(yè)率降低等一系列問題。

圖5 噴灑室

圖6 噴灑毛刷

1.7 直徑檢測(cè)系統(tǒng)

圖7 拼接機(jī)結(jié)構(gòu)示意

此機(jī)型采用氣動(dòng)直徑控制系統(tǒng)對(duì)濾嘴棒直徑進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及調(diào)整，該控制系統(tǒng)通過將壓縮空氣輸送至有濾條通過的檢測(cè)器，當(dāng)直徑發(fā)生變化時(shí)，檢測(cè)器內(nèi)氣壓會(huì)發(fā)生變化，檢測(cè)器將氣壓變化差值反饋至直徑控制機(jī)構(gòu)，直徑控制機(jī)構(gòu)不斷調(diào)整濾棒直徑使得檢測(cè)器內(nèi)的氣壓能夠保持一個(gè)恒定的值，以此來糾正濾棒直徑誤差。但該種檢測(cè)器由于經(jīng)常受到絲束飛花、粉塵、殘膠的污染，導(dǎo)致其檢測(cè)精度較差，可靠性低，直徑調(diào)整不準(zhǔn)確，濾棒廢品率極高。

1.8 水冷卻系統(tǒng)

設(shè)備水冷系統(tǒng)設(shè)3 條冷卻回路，分別是油冷回路、煙槍底板回路和封口器回路，其他部位均無冷卻功能設(shè)計(jì)。

冷卻水從集中制冷房送出，到達(dá)設(shè)備后經(jīng)分水器分為3路，分別帶走煙槍底板、封口器和油—水熱交換器產(chǎn)生的熱量，最后經(jīng)總回水管送入制冷房。該水冷系統(tǒng)雖然已經(jīng)能夠滿足濾嘴棒的生產(chǎn)冷卻需求，但由于冷卻對(duì)象設(shè)計(jì)較少，而機(jī)組整機(jī)均采用風(fēng)冷式電機(jī)和伺服控制器，機(jī)柜空間緊湊，不利于電機(jī)和控制器散熱，機(jī)柜內(nèi)高溫影響相關(guān)元?dú)獠考氖褂脡勖?，尤其主電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)電機(jī)軸承因溫度過高損壞，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子摩擦燒壞。

2 AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機(jī)升級(jí)改造方案

2.1 控制器改造

選用西門子S7-300 或S7-1500 系列PLC 與AMK 公司KZ/KW 系列伺服驅(qū)動(dòng)器作為設(shè)備主控系統(tǒng)替代原機(jī)已經(jīng)淘汰的S5系列PLC 與AZ/AW 系列伺服驅(qū)動(dòng)器，新電控系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP 總線技術(shù)[3]，將西門子PLC、AMK 伺服驅(qū)動(dòng)器[4]、工業(yè)計(jì)算機(jī)、I/O 子站、閥島組成一個(gè)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與系統(tǒng)，系統(tǒng)與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信。結(jié)構(gòu)框圖如圖8 所示。

圖8 改造后總線結(jié)構(gòu)

新控制系統(tǒng)可以通過人機(jī)界面按不同牌號(hào)規(guī)格濾棒要求設(shè)定參數(shù)，設(shè)定值被傳輸至PLC，運(yùn)算處理后通過PROFIBUS-DP總線傳輸至伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)所設(shè)定的參數(shù)要求按轉(zhuǎn)速比要求控制電機(jī)運(yùn)行。整個(gè)過程相比設(shè)備原控制系統(tǒng)，在操作便利性、狀態(tài)直觀性、響應(yīng)快速性、控制精準(zhǔn)性均可提升較高一個(gè)層次。

2.2 上位機(jī)改造

上位機(jī)采用OPC 觸摸屏與工業(yè)計(jì)算機(jī)作為人機(jī)交互系統(tǒng)取代原機(jī)功能較弱的OP20 人機(jī)系統(tǒng)，通過編程讓工業(yè)計(jì)算機(jī)與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)設(shè)置和更改、狀態(tài)查詢、故障診斷、維修幫助、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能，并以中文和圖形的形式顯示在觸摸屏上（圖9）。

在新人機(jī)交互系統(tǒng)中，得益于上位機(jī)軟件的強(qiáng)大功能，使得所呈現(xiàn)的內(nèi)容豐富，可讀性高，操作簡(jiǎn)便、智能，可以大大降低設(shè)備維修難度，提高濾嘴棒產(chǎn)品質(zhì)量控制能力。

2.3 操作面板改造

重新設(shè)計(jì)操作面板的按鍵結(jié)構(gòu)和布局，將原機(jī)物理按鍵及旋鈕更換為帶指示燈的薄膜開關(guān)，開關(guān)及數(shù)顯單元通過PROFIBUS-DP 接口與主控系統(tǒng)連接，并受其管理，PROFIBUSDP 接口將其下串行總線上的設(shè)備映射為上位PLC 系統(tǒng)的I/O，上位PLC 系統(tǒng)以字節(jié)和字的方式透明訪問顯示和按鍵單元。

通過重新設(shè)計(jì)操作面板結(jié)構(gòu)布局，可以讓各類開關(guān)功能更加直觀，降低誤操作概率的同時(shí)，提高設(shè)備參數(shù)的顯示精確度（圖10）。

圖10 改造后控制面板

2.4 電機(jī)選型改進(jìn)

除直徑控制電機(jī)與成型紙轉(zhuǎn)換盤電機(jī)外，其余電機(jī)全部選用AMK 公司最新的DT/DW 系列交流伺服電機(jī)，加上與之匹配的KZ/KW 系列伺服驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高響應(yīng)速度、高可靠性的運(yùn)動(dòng)控制。

2.5 甘油施加系統(tǒng)改造

圖11 改造后噴灑室

圖12 噴灑噴嘴

將原機(jī)雙毛刷甘油施加系統(tǒng)改造為甘油霧化施加系統(tǒng)，新系統(tǒng)將甘油在小油箱內(nèi)加熱后，通過計(jì)量泵電機(jī)以恒定壓力將甘油輸送至噴灑室（圖11）分流器，分流器通過7 個(gè)一字排布的霧化噴頭（圖12）將甘油以小顆粒霧狀形式噴送至上方高速移動(dòng)的絲束面。霧化噴頭上方設(shè)有一個(gè)由伺服電機(jī)帶動(dòng)，可進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)的活門機(jī)構(gòu)，甘油施加量由活門的開度控制，伺服系統(tǒng)根據(jù)機(jī)器運(yùn)行的速度同步開大或關(guān)小活門、以改變噴灑面積，使濾嘴棒的甘油含量達(dá)到工藝要求。該施加工藝使用PLC 模塊作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，采用觸摸控制屏代替了原先的液晶數(shù)顯，通過其實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互，完成相關(guān)數(shù)據(jù)、信息、狀態(tài)顯示和參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作、監(jiān)控更加便捷，關(guān)鍵控制點(diǎn)可及時(shí)監(jiān)視、控制，可提升濾嘴棒的質(zhì)量過程控制能力。

2.6 成型紙拼接系統(tǒng)改造

將原成型紙有膠帶拼接系統(tǒng)改造為新型無膠帶拼接系統(tǒng)，新系統(tǒng)由安裝面板、拼接機(jī)構(gòu)、加速機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成（圖13），采用兩組伺服驅(qū)動(dòng)器分別控制成型紙加速電機(jī)和拼接軸凹凸機(jī)構(gòu)壓紙動(dòng)作，當(dāng)成型紙加速到拼接速度時(shí)，伺服拼接軸與切斷機(jī)構(gòu)相互配合完成拼接過程。整個(gè)拼接系統(tǒng)采用伺服控制可以精準(zhǔn)控制成型紙拼接速度和壓紙機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間，大大提高成型紙拼接成功率。

圖13 改造后拼接機(jī)構(gòu)示意

2.7 改進(jìn)直徑檢測(cè)系統(tǒng)

將原機(jī)氣動(dòng)直徑控制系統(tǒng)改造為CCD 光學(xué)濾棒檢測(cè)系統(tǒng)[5-6]，該系統(tǒng)采用光學(xué)組件和CCD 傳感器作為主要測(cè)量元件，利用微處理器對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，最后將信號(hào)圖像和測(cè)量值通過通信接口反饋至人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)濾棒直徑實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，并可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境清潔程度考慮將檢測(cè)系統(tǒng)反饋值接入設(shè)備控制系統(tǒng)，達(dá)到閉環(huán)控制的目的。

2.8 水冷卻系統(tǒng)改造

在原機(jī)冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)上，另外增加一獨(dú)立冷水循環(huán)回路，將電機(jī)、AMK 伺服系統(tǒng)引入冷卻回路，使電機(jī)、AMK 伺服系統(tǒng)和機(jī)柜溫度均可得到有效控制。同時(shí)，該循環(huán)水路不再設(shè)有壓縮機(jī)，而是采用板式熱交換器的方式，利用原機(jī)冷卻水對(duì)另外獨(dú)立冷卻循環(huán)水進(jìn)行降溫，再利用PID 控制方式，調(diào)節(jié)比例閥開度控制原機(jī)冷卻水進(jìn)入熱交換器的流量，以此精確控制獨(dú)立水冷系統(tǒng)水溫。

2.9 中線膠檢測(cè)系統(tǒng)

中線膠檢測(cè)功能屬于增設(shè)功能，由于原機(jī)不設(shè)中間膠檢測(cè)，因此，中線膠膠線質(zhì)量依賴肉眼觀察，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備使得中線膠質(zhì)斷點(diǎn)無法觀察，僅能判斷膠線寬度是否滿足要求而不能判斷是否有斷膠情況發(fā)生，引入該系統(tǒng)可以通過實(shí)時(shí)檢測(cè)膠線寬度和連續(xù)性來嚴(yán)格控制涂膠質(zhì)量。

該系統(tǒng)由CCD 圖像處理單元、LED 光源控制單元、PLC、觸摸屏、相機(jī)及光源檢測(cè)執(zhí)行元件等組成，通過圖像采集系統(tǒng)對(duì)高透成型紙上2 條中線膠進(jìn)行圖像采集，嵌入式工控機(jī)和圖像處理模塊對(duì)所采集的圖像進(jìn)行處理，測(cè)量出膠線的長(zhǎng)度和寬度，根據(jù)圖像缺陷來判斷兩條膠線的缺失與中斷，再由上位控制系統(tǒng)控制設(shè)備的工作狀態(tài)，以此完成整個(gè)中線膠檢測(cè)過程。用該系統(tǒng)替代肉眼識(shí)別缺陷，可以杜絕中線膠有缺陷的濾嘴棒產(chǎn)品流入下一道工序，保證濾嘴棒的質(zhì)量穩(wěn)定。

3 存在問題

文中涉及的改造方案已經(jīng)在部分生產(chǎn)企業(yè)得到有效實(shí)施，但仍存在3 個(gè)問題。

（1）在CCD 直徑檢測(cè)系統(tǒng)中，其運(yùn)行對(duì)于環(huán)境清潔度要求極高，而在濾棒生產(chǎn)中不可避免的會(huì)產(chǎn)生一定的絲束飛花和成型紙粉塵等雜質(zhì)。此時(shí)，如果CCD 檢測(cè)機(jī)構(gòu)算法不理想，環(huán)境因素會(huì)使其檢測(cè)精度下降，有效運(yùn)行時(shí)間可能會(huì)減少。

（2）在中線膠檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)元件采用高頻率拍照方式獲取檢測(cè)部位信息并處理，由于算法優(yōu)化不好，數(shù)據(jù)處理速度不快，也做不到缺陷濾棒精準(zhǔn)剔除，需要增加剔除范圍，浪費(fèi)掉一部分合格濾棒且可能發(fā)生缺陷點(diǎn)漏拍，檢測(cè)系統(tǒng)需要進(jìn)一步改進(jìn)。

（3）目前濾棒甘油含量檢測(cè)仍然處于人工稱量計(jì)算階段，檢測(cè)效率極低、誤差極高，無有效實(shí)時(shí)檢測(cè)手段。

4 總結(jié)

AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機(jī)組經(jīng)過電控系統(tǒng)升級(jí)改造后，其生產(chǎn)能力和控制能力已經(jīng)能夠達(dá)到較高的水平，方案使用了成熟的PLC 控制技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服控制技術(shù)、總線技術(shù)及計(jì)算機(jī)運(yùn)用和工業(yè)控制技術(shù)，改造后設(shè)備的可靠性和可維護(hù)性得到有效提高，設(shè)備故障率和故障頻次有效降低。改造使用的配件較容易采購，原機(jī)專用件均變?yōu)橥ㄓ眉?，可靠性和耐用性均比原機(jī)高，工藝水平也提升到了較高的層次，改造推廣應(yīng)用價(jià)值較高。

目前，濾嘴棒成型機(jī)技術(shù)最難以突破的是生產(chǎn)速度，最先進(jìn)的濾嘴棒生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)速度最高為600 m/min，而早在二十多年前的AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機(jī)已經(jīng)能夠達(dá)到此速度，生產(chǎn)能力極強(qiáng)，因此，就目前來說，將其電控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)是最節(jié)省成本的做法，可以用最少的投入達(dá)到更好的效果。