基于微波檢測(cè)的M5卷接機(jī)煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛芳芳

（阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽阜陽(yáng) 236031）

國(guó)家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、科技水平日新月異，人民的生活水平和消費(fèi)觀念，也發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。煙草也被越來(lái)越多的人們所接受，與此同時(shí)，煙草行業(yè)面臨著巨大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，煙草本身的質(zhì)量是影響消費(fèi)者消費(fèi)偏好的重要因素。為滿足市場(chǎng)對(duì)煙草制品的需求，不僅需要提高口感、減少焦油量、保護(hù)消費(fèi)者健康，還需要提高煙草質(zhì)量，M5卷接機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)性能在保證煙草產(chǎn)品質(zhì)量中發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。

我國(guó)楊旭、郭銳等學(xué)者針對(duì)舊式的PASSIM卷接機(jī)組煙支重量控制及質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)故障率高,而不易檢修維護(hù)和備件組織等問(wèn)題，提出了基于BeckhoffXFC極速控制技術(shù)的新型控制系統(tǒng)，保證了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，但未對(duì)煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制精度不高，獨(dú)立的檢測(cè)程序等進(jìn)行相關(guān)研究。借鑒國(guó)外微波檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用到煙支重量檢測(cè)控制系統(tǒng)，如：德國(guó)HAUNI公司的MIDAS系統(tǒng)、德國(guó)TEWS公司的LIBRA系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，本文基于微波檢測(cè)對(duì)M5卷接機(jī)煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

針對(duì)傳統(tǒng)的M5卷接機(jī)煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)全新的自動(dòng)化控制系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)以傳統(tǒng)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)依據(jù)，替換其功能性較差的硬件設(shè)備，同時(shí)引入微波檢測(cè)技術(shù)，對(duì)煙支進(jìn)行重量檢測(cè)，保證每只煙的規(guī)格與配比符合煙支制備標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)生產(chǎn)結(jié)果不符合要求時(shí)，及時(shí)給出與制備標(biāo)準(zhǔn)之間的差異量，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙支制備質(zhì)量的提升。此次設(shè)計(jì)的煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)，不僅解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)程序單一的問(wèn)題，還通過(guò)完善自動(dòng)加料過(guò)程，提升了煙支的生產(chǎn)質(zhì)量，為煙草行業(yè)的發(fā)展，提供更先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)[2]。

一、M5卷接機(jī)煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)此次提出的設(shè)計(jì)理念，對(duì)M5卷接機(jī)的煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件展開(kāi)設(shè)計(jì)，通過(guò)替換原有的控制器和驅(qū)動(dòng)器，增強(qiáng)系統(tǒng)硬件的運(yùn)行功能，加強(qiáng)硬件與軟件之間的兼容性。

控制系統(tǒng)中的控制器采用第二代雙核處理器，該控制器有2個(gè)獨(dú)立的前兆以太網(wǎng)口，4個(gè)USB接口以及2.0接口和DVI-I接口，充分替代原有控制器的功能，增強(qiáng)系統(tǒng)的控制能力。而選取的伺服驅(qū)動(dòng)器，需要具有更強(qiáng)的電流控制功能，令系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行下，實(shí)現(xiàn)控制器快速、準(zhǔn)確、精準(zhǔn)控制的功能，表1是兩種不同型號(hào)的伺服驅(qū)動(dòng)器功能比較[3]。

表1 伺服驅(qū)動(dòng)器功能比較

根據(jù)上表中的基本信息可知，運(yùn)用新型伺服驅(qū)動(dòng)器替換原有驅(qū)動(dòng)器，可以加強(qiáng)硬件與軟件之間的匹配度，保證自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行順暢，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)M5卷接機(jī)對(duì)煙支重量制備的控制效果[4]。

二、基于微波檢測(cè)的煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）控制計(jì)量誤差改進(jìn)系統(tǒng)自動(dòng)化加料過(guò)程。計(jì)量煙支制備過(guò)程中，煙支原材料存在動(dòng)態(tài)誤差，根據(jù)該誤差控制材料計(jì)量誤差，通過(guò)加強(qiáng)控制精度，改進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)化加料過(guò)程。設(shè)置物料計(jì)量模塊的初始值為0，然后調(diào)節(jié)物料量，保證物料可以均勻通過(guò)計(jì)量段。計(jì)量模塊對(duì)所有物料統(tǒng)計(jì)完畢后，根據(jù)動(dòng)態(tài)累計(jì)誤差方程，得出物料計(jì)量值與投放前物料值的差異，如下列公式所示：

公式中：δI表示動(dòng)態(tài)累計(jì)誤差，單位為%；Z1、Z2分別表示系統(tǒng)計(jì)量模塊顯示結(jié)果和計(jì)量前的物料重量，單位為kg。當(dāng)δI值不為零時(shí)，證明計(jì)量模塊存在計(jì)量誤差，因此通過(guò)精度控制公式，調(diào)整計(jì)量模塊的計(jì)量結(jié)果，保證系統(tǒng)制備煙支重量的精確度[5]。下列公式為計(jì)量模塊精度控制公式：

式中：δJ表示控制精度；Dc表示設(shè)定用料量為c時(shí)的重量理論標(biāo)準(zhǔn)；S表示可控偏差。根據(jù)控制后的結(jié)果，改進(jìn)系統(tǒng)自動(dòng)加料過(guò)程[6]。

加料過(guò)程是煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)的執(zhí)行環(huán)節(jié)，加料的多少，直接決定了煙支的重量和吸味，因此根據(jù)調(diào)整后的物料計(jì)量模塊，加強(qiáng)系統(tǒng)加料精度，同時(shí)設(shè)置物料配比，根據(jù)煙卷的尺寸大小，設(shè)置配比系數(shù)。點(diǎn)開(kāi)路徑列表，通過(guò)控制模塊執(zhí)行加料指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)M5卷接機(jī)煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)加料過(guò)程的改進(jìn)[7]。

（二）基于重量控制算法建立煙支制備程序。在煙支加料過(guò)程改進(jìn)的基礎(chǔ)上，利用重量控制算法建立煙支制備程序。已知煙絲密度信號(hào)經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)換后，會(huì)變成高頻脈沖信號(hào)，此信號(hào)與定位脈沖、增量脈沖結(jié)合，通過(guò)放射源模型計(jì)算方法，得到煙支的制備標(biāo)準(zhǔn)重量。

M5卷接機(jī)所生產(chǎn)的煙支，經(jīng)過(guò)密度掃描檢查后，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流I，依據(jù)放射源同位素掃描的工作原理，煙支吸收后的β射線進(jìn)入離子室，并隨之生成電流值，此時(shí)該電流值經(jīng)過(guò)采樣后，所生成的信號(hào)與煙草密度之間的關(guān)系，可用下列公式描述：

公式中：I表示β射線衰減后，在離子室內(nèi)生成的電離電流；I0表示無(wú)損耗條件下，β射線在離子室內(nèi)生成的電流；x表示線性吸收系數(shù)；ρ表示制備煙支的材料密度；xm=x/ρ，表示煙草質(zhì)量為m時(shí)的吸收系數(shù)；d表示煙支直徑。利用公式（3）可以換算出成品煙的密度，根據(jù)該結(jié)果再換算出成品重量，該過(guò)程可以描述為：M5卷接機(jī)的轉(zhuǎn)換器，在兩個(gè)定位脈沖區(qū)間內(nèi)，對(duì)煙條進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)n次采樣后，從單個(gè)成品中提取i個(gè)抽樣值，每根卷煙半成品的采樣，可看做是一次模型轉(zhuǎn)換。因此建立微分?jǐn)?shù)學(xué)模型，將數(shù)學(xué)建模下的微分化密度值，用采樣值表示，此時(shí)的煙支密度值，即其微分段，可依據(jù)表2的查詢(xún)內(nèi)容，帶入數(shù)學(xué)模型中。

表2 相關(guān)參數(shù)查詢(xún)表

將表2中的所有參數(shù)，帶入煙支采樣值數(shù)學(xué)模型中，該模型為：

公式中：Segi表示第i個(gè)抽樣值的計(jì)算結(jié)果；ref=Line(Ksi)?v。假設(shè)完成i次采樣操作，累加全過(guò)程中的煙支微分段，則根據(jù)公式（4），得到整體煙草密度為：

公式中：ρi表示整體煙草密度函數(shù)；t表示采樣時(shí)間。整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了n次采樣，相當(dāng)于每支標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的煙，有m個(gè)采樣點(diǎn)，且m=n/2。則完整煙條的平均密度為：

通過(guò)上式可知，在n次采樣條件下，存在。已知煙條平均密度i以u(píng)s作為單位，利用下列公式將該單位轉(zhuǎn)換為毫克，即：

公式中：w表示卷煙半成品重量；R代表比例系數(shù)。通過(guò)上述換算過(guò)程，建立煙支制備程序。

（三）微波檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)煙支重量鑒別程序。利用微波檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)煙支重量鑒別程序，檢查M5卷接機(jī)在自動(dòng)化控制下，每支煙的重量是否滿足制備標(biāo)準(zhǔn)。已知微波波長(zhǎng)短、頻率高，因此可將微波按照其波長(zhǎng)，進(jìn)行波段劃分，表3為微波主要波段劃分結(jié)果。

表3 微波主要波段劃分（單位：cm）

根據(jù)微波的特征量，基于微波檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)煙支重量鑒別程序。該程序主要由微波信號(hào)源單元、微波傳輸單元、微波檢測(cè)單元、信號(hào)釆集單元和數(shù)據(jù)分析單元連接組成。微波信號(hào)通過(guò)端口、同軸線輸出到探頭，再入射到煙支成品托盤(pán)中，同時(shí)接收反射信號(hào)到微波矢量網(wǎng)絡(luò)，判斷煙支重量是否符合制備標(biāo)準(zhǔn)。利用微波檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)的煙支重量鑒別程序，通過(guò)微波矢量網(wǎng)絡(luò)設(shè)定該程序的檢測(cè)頻率。

該程序設(shè)置兩道檢測(cè)，第一道為0～8.5GHz的檢測(cè)，屬于初步檢測(cè)階段；第二道為8.5～18.5GHz的檢測(cè)，屬于規(guī)律查詢(xún)檢測(cè)階段。當(dāng)檢測(cè)波值在8.5～18.5GHz內(nèi)波動(dòng)時(shí)，若微波值沒(méi)有波動(dòng)，證明煙支重量符合制備標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)微波值出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，則證明煙支重量的制備效果不好，存在極大的加料誤差，導(dǎo)致煙支重量不一致。圖1為正常微波和異常微波的曲線走勢(shì)。

圖1 微波檢測(cè)曲線示意圖

根據(jù)圖中曲線可知，當(dāng)微波異常時(shí)，該程序會(huì)彈出一個(gè)搜索界面，單擊確定后此程序執(zhí)行異常檢測(cè)，通過(guò)定位技術(shù)獲取整條煙中，存在差異性指標(biāo)的獨(dú)立小包裝，并計(jì)算出制備煙支重量與預(yù)期煙支重量之間的差值，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙支重量的檢測(cè)，至此基于微波檢測(cè)的M5卷接機(jī)煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢。

三、測(cè)試與分析

提出對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將此次基于微波檢測(cè)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)下的自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，分析兩個(gè)系統(tǒng)之間的功能差異。此次測(cè)試將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組，將傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)作為對(duì)照組，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，得出具體結(jié)論。

（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，將M5卷煙機(jī)工作組與實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備相連接，其中選取的M5卷接機(jī)，如圖2所示。

圖2 卷煙機(jī)組件實(shí)物圖

圖中的兩個(gè)組件分別為卷接機(jī)的控制硬件和檢測(cè)硬件。設(shè)置實(shí)驗(yàn)對(duì)象基本參數(shù)，如下表4所示，根據(jù)表4中的參數(shù)生產(chǎn)煙草制品。

表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)（單位：mm）

載入此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和傳統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與控制系統(tǒng)之間的運(yùn)行是否協(xié)同，測(cè)試30min后若無(wú)軟硬件異常，可以開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

（二）結(jié)果分析。打開(kāi)M5卷接機(jī)，分別運(yùn)行兩個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行制煙，圖3中的兩組圖片，分別是此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)下的控制系統(tǒng)制成的煙支樣本。

圖3 不同控制系統(tǒng)制成的煙支

根據(jù)兩個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果可知，可以明顯看到對(duì)照組中的煙支明顯粗細(xì)不一，可知傳統(tǒng)設(shè)計(jì)下，自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)于煙支重量的控制并不穩(wěn)定，因此測(cè)試不同設(shè)計(jì)方法下，兩組M5卷接機(jī)煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)煙支重量的控制效果。圖4即為系統(tǒng)控制能力對(duì)比結(jié)果。

圖4 系統(tǒng)控制能力對(duì)比結(jié)果

圖中曲線3為標(biāo)準(zhǔn)曲線，曲線2代表傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，曲線1代表本文設(shè)計(jì)方法。根據(jù)上圖中曲線1的走勢(shì)可知，所設(shè)計(jì)的基于微波檢測(cè)技術(shù)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對(duì)制備的煙支添加了一道檢測(cè)工序，對(duì)制備樣本煙支進(jìn)行重量檢測(cè)，保證所有成品煙均符合制備規(guī)格。而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法下的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，由于少了一道檢測(cè)工序，雖然在制備過(guò)程中進(jìn)行了精準(zhǔn)計(jì)量，但難保在加料過(guò)程中出現(xiàn)程序故障或機(jī)器故障，導(dǎo)致煙絲比重過(guò)大，影響自動(dòng)化控制結(jié)果。根據(jù)曲線2的走勢(shì)可知，煙支總量的控制曲線不斷上下波動(dòng)，可見(jiàn)該系統(tǒng)可控制下，煙支重量忽大忽小，不符合制作標(biāo)準(zhǔn)。綜合上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，可判定此次設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對(duì)煙支重量的控制效果更好。

四、結(jié)語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)替換原有設(shè)備硬件，加強(qiáng)軟件之間的兼容效果，再通過(guò)微波檢測(cè)技術(shù)，設(shè)置一道獨(dú)立的煙支重量鑒別程序，加強(qiáng)對(duì)煙支重量的檢測(cè)力度，保證成品煙支均符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。此次設(shè)計(jì)的卷接機(jī)煙支重量自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以在保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，加快生產(chǎn)效率，但由于該系統(tǒng)具有針對(duì)性，可能不適用在其他型號(hào)的卷接機(jī)中。