ZJ118卷接機(jī)組切紙輪負(fù)壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳榮林，陳杰，朱登科，鄭友東，黃蘇龍

江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司徐州卷煙廠，江蘇省徐州市云龍區(qū)珠江路88號 221000

ZJ118型卷接機(jī)組生產(chǎn)煙支直徑≤7.0 mm卷煙時(shí)，額定生產(chǎn)速度為6 000支/min，通常采用剪切方式進(jìn)行接裝紙分切［1］。在剪切過程中，切紙輪通過負(fù)壓風(fēng)機(jī)提供的吸風(fēng)吸附接裝紙，其負(fù)壓大小需要通過手動調(diào)節(jié)負(fù)壓閥，而刀片與切紙輪則采用點(diǎn)接觸方式對接裝紙進(jìn)行分切［2］。由于接裝紙種類以及批次間材料特性存在差異、吸風(fēng)通道堵塞等因素的影響，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中接裝紙?jiān)谇屑堓喩系睦r(shí)大時(shí)小，容易發(fā)生接裝紙斷裂、紙邊長短不齊、煙支泡皺和漏氣等質(zhì)量問題［3-5］。近年來，針對接裝紙切割問題的研究主要集中在橫向糾偏改進(jìn)［6］、刮紙拉磨改進(jìn)［7］、切紙輪刮刀裝置研制［8］、切紙輪負(fù)壓風(fēng)道清潔裝置設(shè)計(jì)［9］等方面，對于ZJ118機(jī)組切紙輪負(fù)壓自動控制方式的研究則鮮見報(bào)道。為此，采用PLC控制和力傳感技術(shù)，結(jié)合軟件算法優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種切紙輪負(fù)壓自動控制系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)接裝紙拉力的實(shí)時(shí)監(jiān)測和穩(wěn)定控制，提升卷煙產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 問題分析

1.1 接裝紙切割原理

如圖1所示，接裝紙切割系統(tǒng)由切刀輥2、切紙輪3、真空泵4、上膠系統(tǒng)5、供紙輥6、橢圓輥7、從動輥8等部分組成。該系統(tǒng)位于上膠系統(tǒng)與搓接系統(tǒng)之間，主要是將涂膠后接裝紙切割成定長尺寸的接裝紙片。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，真空泵提供的負(fù)壓空氣通過切紙輪上的吸風(fēng)孔將接裝紙吸附在切紙輪的圓弧上，接裝紙跟隨切紙輪做順時(shí)針轉(zhuǎn)動；切刀輥與切紙輪轉(zhuǎn)動方向相反，刀片內(nèi)高外低，主要完成由內(nèi)到外的接裝紙剪切任務(wù)。因供紙輥的線速度略低于切紙輪的線速度，在分切之前接裝紙?jiān)谇屑堓喩闲纬梢欢尉嚯x的滑差［10］。而在分切過程中，通過橢圓輥的補(bǔ)償作用，接裝紙與切紙輪線速度保持一致，保證在接裝紙無膠區(qū)內(nèi)完成接裝紙切割。因切紙輪線速度較高，分切后接裝紙片將分開一定距離，并輸送至后續(xù)搓接工序。

圖1 接裝紙切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of tipping paper cutting system

在此過程中，接裝紙分切之前在切紙輪上產(chǎn)生的相對位移稱為滑差，計(jì)算公式［11］：

式中：ΔL為滑差，mm；d切為切紙輪直徑，mm；L為接裝紙片長度，mm。

已知d切=150 mm，常規(guī)卷煙接裝紙片長度L常=27 mm，中支卷煙接裝紙片長度L中=22 mm。由公式（1）可知，常規(guī)卷煙的滑差ΔL常=12 mm，中支卷煙的滑差ΔL中=17 mm?？梢?，中支卷煙的滑差比常規(guī)卷煙長5 mm，由此影響中支卷煙接裝紙?jiān)谇屑堓喩系钠椒€(wěn)性。

1.2 存在問題

分析可知，在分切之前接裝紙?jiān)谇屑堓喩袭a(chǎn)生相對位移期間，接裝紙與切紙輪之間存在滑動摩擦力f，即f=μ×P×S。其中，μ為接裝紙印刷面動摩擦系數(shù)（無量綱），P為真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓（Pa），S為接裝紙與切紙輪吸風(fēng)孔的吸附面積（m2）?？芍?，當(dāng)動摩擦系數(shù)μ較小、真空泵負(fù)壓設(shè)置P較小或切紙輪吸風(fēng)通道堵塞時(shí)，滑動摩擦力f較小，切紙輪上的接裝紙拉力變小，造成中支卷煙接裝紙?jiān)谇屑堓喩袭a(chǎn)生的相對位移較大，進(jìn)而導(dǎo)致接裝紙?jiān)谇屑堓喩铣霈F(xiàn)反折錯(cuò)位、切割不齊等現(xiàn)象，甚至在回彈力作用下出現(xiàn)接裝紙斷裂等問題；當(dāng)動摩擦系數(shù)μ較大、真空泵負(fù)壓P設(shè)置較大時(shí)，滑動摩擦力f較大，切紙輪上的接裝紙拉力變大，同樣容易造成接裝紙斷裂、切割不齊等問題?？梢?，中支卷煙接裝紙批次間或品牌間的印刷面動摩擦系數(shù)存在差異、切紙輪吸風(fēng)通道堵塞等原因，均會導(dǎo)致切紙輪上接裝紙拉力產(chǎn)生波動，進(jìn)而影響接裝紙?jiān)谇屑堓喩系钠椒€(wěn)性。因此，保持切紙輪上接裝紙拉力穩(wěn)定，可有效改善接裝紙切割效果；通過對接裝紙拉力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可及早發(fā)現(xiàn)切紙輪吸風(fēng)通道堵塞等問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于接裝紙拉力設(shè)計(jì)的切紙輪負(fù)壓控制系統(tǒng)主要包括拉力測量輥、嵌入式控制器CX1020、模擬量輸入模塊EL3162、模擬量輸出模塊EL4002、人機(jī)界面、負(fù)壓旁通比例調(diào)節(jié)閥（以下簡稱負(fù)壓調(diào)節(jié)閥），見圖2。CX1020系列控制器嵌入模擬量輸入模塊EL3162和模擬量輸出模塊EL4002［均為德國倍福（BECKHOFF）自動化有限公司產(chǎn)品］。利用拉力測量輥檢測接裝紙拉力，拉力測量范圍為0～100 N，將接裝紙拉力轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入至模擬量輸入模塊EL3162。負(fù)壓調(diào)節(jié)閥安裝于負(fù)壓吸風(fēng)主通道中，通過程序控制，模擬量輸出模塊EL4002將0～10 V電壓信號輸出至負(fù)壓調(diào)節(jié)閥；當(dāng)輸出電壓為10 V時(shí)，負(fù)壓調(diào)節(jié)閥全開，此時(shí)切紙輪上負(fù)壓吸風(fēng)最小。

圖2 切紙輪負(fù)壓控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of negative pressure control system in tipping paper cutting drum

2.1 拉力測量輥

由于ZJ118機(jī)組內(nèi)部空間尺寸受限，市售傳感器無法直接安裝使用，故設(shè)計(jì)了一套接裝紙拉力測量輥。該裝置由拉力傳感器3、檢測支架2、底座1、鎖緊套4、傳遞軸8、導(dǎo)紙輥6等組成，見圖3。使用拉力測量輥取代圖1中的從動輥，沿接裝紙運(yùn)行方向安裝于接裝紙供紙輥與上膠系統(tǒng)之間；拉力傳感器嵌入檢測支架內(nèi)并通過螺釘緊固，檢測支架通過底座固定于設(shè)備后墻板上；拉力傳感器端部測力軸與導(dǎo)紙輥、傳遞軸通過鎖緊套緊固連接。改進(jìn)后接裝紙?jiān)谳斔瓦^程中位于輸送輥中間，利用切紙輪負(fù)壓吸附力對輸送的接裝紙產(chǎn)生拉力。

圖3 拉力測量輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of tension measuring roller

2.2 受力分析

接裝紙拉力測量輥整體固定在接裝機(jī)內(nèi)壁上，該裝置可轉(zhuǎn)化為一個(gè)懸臂梁受力模型。假設(shè)接裝紙被切紙輪負(fù)壓吸附牢固，切紙輪轉(zhuǎn)速恒定，則接裝紙所受拉力大小恒定且處處相等。因接裝紙拉力可等效為接裝紙對測量輥的壓力，故壓力大小為定值。拉力測量輥分為構(gòu)件1和構(gòu)件2兩部分，分別對測量輥整體和構(gòu)件1進(jìn)行受力分析，見圖4和圖5。其中，A、B、C為3個(gè)受力分析點(diǎn)，假設(shè)接裝紙拉力沿紙方向均勻分布，且接裝紙平直展開，則可將接裝紙拉力簡化為居于紙中心的一個(gè)拉力。

圖4 拉力測量輥受力分析Fig.4 Force analysis of tension measuring roller

圖5 構(gòu)件1受力分析Fig.5 Force analysis of Component 1

對拉力測量輥整體進(jìn)行受力分析，可得：

對構(gòu)件1進(jìn)行受力分析，可得：

式中：∑Fx為水平方向受力之和，N；∑Fy為豎直方向受力之和，N；∑MB為B點(diǎn)所受力矩之和，N·m；Fbx為B點(diǎn)水平方向受力，N；Fby為B點(diǎn)豎直方向受力，N；Mb為B點(diǎn)所受力矩，N·m；Fa為A點(diǎn)所受接裝紙拉力，N；Fc為連接件對C點(diǎn)的壓力，N；L1為接裝紙拉力力臂，m；L2為連接件壓力力臂，m；Mc為連接件對C點(diǎn)作用力矩，N·m。

通過對拉力測量輥整體和構(gòu)件1進(jìn)行受力分析，可以求得C點(diǎn)的受力情況，F(xiàn)c=Fa，Mc=Fa（L1-L2），即通過傳感器檢測C點(diǎn)的受力情況即可實(shí)時(shí)監(jiān)測接裝紙拉力大小。

2.3 濾波采樣

在接裝紙輸送切割過程中，橢圓輥（圖1）順時(shí)針轉(zhuǎn)動會造成接裝紙拉力瞬時(shí)波動。為克服周期性拉力波動以及偶然因素引起的干擾對PID調(diào)節(jié)控制產(chǎn)生影響，采用移動平均值濾波算法對接裝紙拉力采樣值進(jìn)行濾波處理。在Twincat程序中調(diào)用“FB_CTRL_MOVING_AVERAGE”功能塊，并在變量聲明區(qū)定義一個(gè)數(shù)組，按順序存放N個(gè)拉力采樣值。每采集一個(gè)新樣本，就將最早采集的樣本刪掉，而后求取包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。以ZJ118機(jī)組額定生產(chǎn)速度6 000支/min計(jì)算，濾波采樣間隔時(shí)間T應(yīng)小于切紙輪輸送切割1張接裝紙片的時(shí)間20 ms。當(dāng)N取值較小時(shí)，采樣長度過短會導(dǎo)致濾波平滑效果較差，引起PID調(diào)節(jié)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象；當(dāng)N取值較大時(shí)，采樣長度過長會導(dǎo)致控制負(fù)壓調(diào)節(jié)閥的輸出信號滯后?，F(xiàn)場調(diào)試結(jié)果顯示，N取值在35~65范圍內(nèi)較為適宜。

2.4 控制方法

①首先關(guān)閉負(fù)壓調(diào)節(jié)閥，此時(shí)切紙輪上負(fù)壓最大。在停機(jī)狀態(tài)下由拉力傳感器測量接裝紙拉力，模擬量輸入模塊接收拉力傳感器測量的數(shù)字量整型INT數(shù)值Vmax，通過D/A轉(zhuǎn)換公式Xmax1=INT TO REAL（Vmax）×100/32 767，得到拉力最大值Xmax1；利用公式Xmax=INT TO REAL（REAL TO INT（Xmax1×10））/10，將拉力采樣值Xmax精確至小數(shù)點(diǎn)后一位，即0.1 N。

②設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，接裝紙拉力設(shè)定值為Xpv，Xpv

④當(dāng)控制方式為手動時(shí)，按照人機(jī)界面上顯示的接裝紙拉力實(shí)際值Xav手動設(shè)定調(diào)節(jié)開度，負(fù)壓調(diào)節(jié)閥按照設(shè)定的開度進(jìn)行動作，設(shè)定范圍為0～100%。其中，100%為負(fù)壓調(diào)節(jié)閥全開，此時(shí)切紙輪負(fù)壓最小。

⑤當(dāng)控制方式為自動時(shí)，系統(tǒng)比較接裝紙拉力設(shè)定值Xpv與實(shí)際值Xav之間的差值X（t），利用PID調(diào)節(jié)控制負(fù)壓調(diào)節(jié)閥輸出信號，傳遞函數(shù)G（t）=其中，Y為PID控制輸出值，調(diào)節(jié)區(qū)間為0～100。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，設(shè)比例系數(shù)Kp=2，積分時(shí)間Tn=50 ms，阻尼時(shí)間Td=100 ms，導(dǎo)數(shù)時(shí)間Tv=10 ms，控制效果最佳。

⑥按照模擬量輸出電壓量程，通過轉(zhuǎn)換公式Y(jié)A=REAL TO INT（（100-Y）×32 767/100），將PID輸出控制值Y進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到最終輸出量YA，與模擬量輸出模塊輸出電壓相對應(yīng)。

2.5 人機(jī)界面

采用Visualization可視化界面技術(shù)，設(shè)計(jì)切紙輪負(fù)壓控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，可顯示接裝紙拉力實(shí)際值、設(shè)定值，手動、自動控制模式以及負(fù)壓調(diào)節(jié)閥開度等內(nèi)容，見圖6。在自動模式下，控制系統(tǒng)比較接裝紙拉力設(shè)定值與實(shí)際值，通過負(fù)壓調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)切紙輪負(fù)壓大小。當(dāng)接裝紙拉力實(shí)際值過小時(shí)，表明切紙輪負(fù)壓偏小，此時(shí)可能存在吸風(fēng)通道堵塞等問題。

圖6 人機(jī)界面示意圖Fig.6 Schematic diagram of human machine interface

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“蘇煙（彩中）”牌卷煙，圓周20 mm，長度88 mm（江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司徐州卷煙廠提供）；接裝紙寬度74 mm（徐州紅杉樹紙業(yè)有限公司）。

設(shè)備：ZJ118型卷接機(jī)組（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：生產(chǎn)環(huán)境溫度20～30℃，相對濕度50%～65%，將切紙輪負(fù)壓控制系統(tǒng)應(yīng)用于ZJ118機(jī)組，機(jī)組運(yùn)行速度6 000支/min。①將接裝紙拉力設(shè)定值依次設(shè)為9、8、7、6和10 N，監(jiān)測接裝紙拉力變化曲線，驗(yàn)證負(fù)壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。②將接裝紙拉力設(shè)定值依次設(shè)為12 N（調(diào)節(jié)極限+1 N）、11 N，監(jiān)測接裝紙拉力變化曲線，驗(yàn)證接裝紙?jiān)谇屑堓喩系妮斔托Ч?。③分別統(tǒng)計(jì)改進(jìn)前后接裝紙斷裂次數(shù)、手動調(diào)節(jié)負(fù)壓次數(shù)，每隔1 h對煙支質(zhì)量進(jìn)行一次抽檢，抽檢數(shù)量200支/次，每班次抽檢8次，依據(jù)《卷煙工藝規(guī)范》［12］對煙支卷制質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。統(tǒng)計(jì)周期為10班次，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 切紙輪負(fù)壓調(diào)節(jié)控制結(jié)果

由圖7可見，左側(cè)部分為接裝紙拉力變化曲線。紅色虛線為接裝紙拉力設(shè)定值，對應(yīng)于右側(cè)“SETPOINT”數(shù)值顯示框；綠色實(shí)線為當(dāng)前值，對應(yīng)于右側(cè)“Actual value”數(shù)值顯示框。當(dāng)接裝紙拉力從9 N變化到6 N再突然增加到10 N時(shí)，系統(tǒng)輸出的動態(tài)響應(yīng)迅速，超調(diào)量和振蕩次數(shù)較少，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)壓調(diào)節(jié)閥，接裝紙拉力能夠快速達(dá)到設(shè)定值并保持拉力曲線穩(wěn)定。表明系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定正確，負(fù)壓控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖7 切紙輪負(fù)壓調(diào)節(jié)控制曲線的顯示界面Fig.7 Display interface of negative pressure adjustment curve of tipping paper cutting drum

3.2.2 接裝紙拉力變化結(jié)果

當(dāng)接裝紙拉力設(shè)定超出調(diào)整范圍時(shí)，負(fù)壓調(diào)節(jié)閥全關(guān)，負(fù)壓控制系統(tǒng)未發(fā)生作用，等同于手動狀態(tài)。由圖8可知，未啟用切紙輪負(fù)壓控制系統(tǒng)時(shí)，接裝紙拉力曲線多次出現(xiàn)波動，這可能與接裝紙材料特性存在差異以及內(nèi)部吸風(fēng)通道堵塞有關(guān)；當(dāng)使用切紙輪負(fù)壓控制系統(tǒng)時(shí)，接裝紙拉力曲線平穩(wěn)未出現(xiàn)波動，表明負(fù)壓控制系統(tǒng)可以提升接裝紙?jiān)谇屑堓喩系妮斔头€(wěn)定性。

圖8 接裝紙拉力變化的顯示界面Fig.8 Display interface of tipping paper tension variation

3.2.3 煙支卷制質(zhì)量對比

由表1可見，應(yīng)用切紙輪負(fù)壓控制系統(tǒng)后，ZJ118機(jī)組接裝紙斷裂次數(shù)由2.1次/班次減少至0.1次/班次，手動調(diào)節(jié)負(fù)壓次數(shù)由0.5次/班次降低為0，接裝紙搭口翹邊、紙邊不齊、煙支泡皺現(xiàn)象明顯改善，煙支卷制質(zhì)量得分由98.7分提升至99.4分。

表1 切紙輪負(fù)壓控制系統(tǒng)應(yīng)用前后煙支卷制質(zhì)量對比①Tab.1 Comparison of cigarette manufacturing quality before and after application of negative pressure control system in tipping paper cutting drum

4 結(jié)論

基于力傳感原理和力傳導(dǎo)受力分析研制了接裝紙拉力測量輥，將BECKHOFF控制系統(tǒng)、PID調(diào)節(jié)技術(shù)和移動平均濾波算法相結(jié)合設(shè)計(jì)了基于接裝紙拉力的切紙輪負(fù)壓控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對接裝紙切紙輪負(fù)壓的自動調(diào)節(jié)和精確控制。以徐州卷煙廠使用的ZJ118卷接機(jī)組為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：①切紙輪負(fù)壓調(diào)節(jié)控制PID參數(shù)設(shè)定正確，系統(tǒng)輸出動態(tài)響應(yīng)迅速，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；②應(yīng)用切紙輪負(fù)壓自動控制后，接裝紙拉力曲線變化平穩(wěn)，有效提升了接裝紙?jiān)谇屑堓喩系妮斔头€(wěn)定性；③應(yīng)用后ZJ118機(jī)組接裝紙斷裂次數(shù)由2.1次/班次減少至0.1次/班次，手動調(diào)節(jié)負(fù)壓次數(shù)由0.5次/班次降低為0，煙支卷制得分由98.7分提升至99.4分，提升了設(shè)備運(yùn)行有效作業(yè)率和卷煙產(chǎn)品質(zhì)量。