KDF2 濾棒成型機增塑劑控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王冠華，孫成順，陳忠祥，徐國現(xiàn)

1 紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司會澤卷煙廠，云南省曲靖市會澤縣金鐘鎮(zhèn)東郊 654200；

2 紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠，云南省曲靖市麒麟?yún)^(qū)麒麟北路499 號 655099

硬度是濾棒工藝質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其好壞與增塑劑的施加量有關(guān)[1-4]。煙草行業(yè)濾棒采用的增塑劑主要是三醋酸甘油酯，它是一種能使二醋酸纖維素更具可塑性的一種化合物，可提高濾棒硬度，保證在接裝中不變形[5]。

KDF2 濾棒成型機是煙草行業(yè)濾棒加工制造的主要機型之一，該機型設(shè)計由于受年代技術(shù)水平的限制，對產(chǎn)品質(zhì)量的均質(zhì)化生產(chǎn)的保障能力較弱，故KDF2濾棒成型機的檢測功能存在著較多盲點，尤為明顯的是濾棒增塑劑施加系統(tǒng)存在設(shè)計缺陷，容易出現(xiàn)增塑劑的施加中斷和施加量不夠[6]，導(dǎo)致濾棒硬度指標(biāo)不達標(biāo)，引起嚴(yán)重的質(zhì)量事故，從而造成大量的原輔料浪費，故應(yīng)把造成增塑劑施加問題的所有因素納入控制范圍，以降低生產(chǎn)過程中的質(zhì)量風(fēng)險。對此，曹斐等[7]設(shè)計了一種濾棒成型機三醋酸甘油酯自動供應(yīng)系統(tǒng)，能較好地保證甘油酯純度和施加量的穩(wěn)定；趙丹[8]設(shè)計了一種三醋酸甘油酯自動供給防溢流裝置，提升了KDF2 濾棒成型機三醋酸甘油酯供給的穩(wěn)定性；劉娜等[9]采用近紅外法建立濾棒中三醋酸甘油酯的定量分析模型,并將模型應(yīng)用于濾棒車間現(xiàn)場檢測三醋酸甘油酯的施加量；陳天麗等[10]采用微波諧振幅頻特性解析技術(shù)設(shè)計了一種濾棒三醋酸甘油酯含量的微波在線檢測系統(tǒng)。上述改進雖在一定程度上降低了KDF2 濾棒成型機的質(zhì)量風(fēng)險，但檢測功能仍存在局限性。此外，李斌[11]、溫茂榮[12]、劉靜宇[13]、董麗艷[14]提出了三醋酸甘油酯霧化噴灑技術(shù)，增塑劑（三醋酸甘油酯）施加量由噴淋室活門的開啟度實現(xiàn)控制，此技術(shù)控制較為精準(zhǔn)，但須取消原有增塑劑施加系統(tǒng)，重新改裝三醋酸甘油酯霧化噴灑裝置，工作量較大、成本較高。為此，以紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司會澤卷煙廠的KDF2 濾棒成型機為例，在保持原有設(shè)備功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合信息化手段和PLC 軟件編程技術(shù)，設(shè)計了一種KDF2 濾棒成型機增塑劑控制系統(tǒng)，以期降低濾棒的質(zhì)量風(fēng)險。

1 問題分析

1.1 增塑劑施加系統(tǒng)原理

增塑劑施加系統(tǒng)由儲存桶、浮動開關(guān)、輸送泵、接近開關(guān)、流量監(jiān)測器、刷輥、上膠箱、排放閥、抽吸閥、浮子開關(guān)、計量泵組成，增塑劑施加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，儲存桶1 用于儲存增塑劑，滿足整個施加系統(tǒng)增塑劑的供給，在其上部安裝了一個輸送泵3，其作用是把增塑劑傳送給計量泵11，系統(tǒng)通過改變計量泵11 的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對增塑劑施加量的控制，然后計量泵11 將增塑劑輸送至上膠箱7，在上膠箱7 內(nèi)實現(xiàn)增塑。增塑過程采用毛刷旋轉(zhuǎn)甩涂方式，即毛刷下方浸泡在增塑劑液面下，開松后的絲束從毛刷上方通過，刷輥6 以固定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動毛刷旋轉(zhuǎn)，利用毛刷旋轉(zhuǎn)的離心力，將增塑劑均勻地噴灑在流動的醋纖絲束帶上，同時多余的增塑劑通過上膠箱7 內(nèi)的溢流管道流回至儲存桶1，完成增塑劑施加的循環(huán)過程[15]。

圖1 增塑劑施加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of plasticizer application system

1.2 存在問題

增塑劑施加系統(tǒng)的檢測裝置由流量監(jiān)測器5 的浮子和接近開關(guān)4 組成，接近開關(guān)4 安裝于流量監(jiān)測器5 的底部，系統(tǒng)根據(jù)浮子位置的變化反映施加量的多少，當(dāng)增塑劑施加不夠或者中斷，浮子會降至流量監(jiān)測器5 的底部，從而觸發(fā)接近開關(guān)4，此信號引入主控制器PLC，發(fā)出“流動停止”信號，引起主機設(shè)備停機。現(xiàn)有技術(shù)存在以下三方面缺點：

（1）檢測裝置故障引起增塑劑中斷或施加量偏少。當(dāng)接近開關(guān)4 與流量監(jiān)測器5 里的浮子之間的檢測間隙過大，或者接近開關(guān)4 線路信號中斷時，都會引起接近開關(guān)4 的失效，此時若增塑劑沒有按要求正常供給，出現(xiàn)流量較小或施加中斷情形，設(shè)備不會產(chǎn)生報警停機，導(dǎo)致濾棒增塑劑的施加量偏少或施加中斷。

（2）人為誤操作引起增塑劑中斷。設(shè)備運行分為調(diào)機模式和生產(chǎn)模式，其區(qū)別在于：調(diào)機模式無需施加增塑劑，生產(chǎn)模式需施加增塑劑。工作模式由主機面板的噴涂開關(guān)控制，并由噴涂指示燈進行提示，其中閃爍代表“調(diào)機模式”。故噴涂指示燈非常關(guān)鍵，若操作人員在生產(chǎn)過程中觸碰了噴涂開關(guān)，而噴涂指示燈正好燒壞而不閃爍報警，操作人員誤將“生產(chǎn)模式”切換成“調(diào)機模式”，導(dǎo)致濾棒增塑劑的施加中斷。

（3）刷輥電機故障引起增塑劑中斷。系統(tǒng)由浮子開關(guān)10 監(jiān)控上膠箱7 的液面高度實現(xiàn)控制，當(dāng)刷輥電機停轉(zhuǎn)時會導(dǎo)致液面過高，浮子開關(guān)10 被觸發(fā)，發(fā)出“溢出”信號，設(shè)備自動停機。然當(dāng)浮子開關(guān)10 出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)不能有效保護，而刷輥電機由于軸承損壞或刷輥電機的輸入信號異常（線路的松動、缺相等）引起毛刷停轉(zhuǎn)時，上膠箱10 的液位過高也不會引起設(shè)備停機，導(dǎo)致濾棒增塑劑施加中斷。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體構(gòu)架

針對增塑劑施加系統(tǒng)的癥結(jié)，可選擇在KDF2 濾棒成型機原機的主程序上進行修改，而程序的修改對主機程序本身而言會增加不可預(yù)見的風(fēng)險，故采用外加一套增塑劑控制系統(tǒng)來保障產(chǎn)品質(zhì)量，以確保濾棒的硬度指標(biāo)達標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2，本系統(tǒng)是以控制器為核心，引入原機的運行狀態(tài)信號，同時新增檢測裝置作為系統(tǒng)的判斷條件，將編程技術(shù)融入系統(tǒng)設(shè)計中，控制器根據(jù)已編譯好的程序進行計算和信息處理，最終驅(qū)動主機的執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)動作。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure diagram

系統(tǒng)實現(xiàn)功能如下：

（1）增設(shè)浮子冗余檢測功能，在流量監(jiān)測器的上端增加接近開關(guān)，把浮子高點位置納入控制，與原系統(tǒng)流量監(jiān)測器底部的接近開關(guān)構(gòu)成雙重保障體系，解決檢測裝置故障引起的增塑劑中斷和施加量偏少的問題；

（2）增設(shè)報警功能，增加報警指示燈對運行狀態(tài)進行雙重提示，解決操作人員誤操作噴涂開關(guān)引起的增塑劑中斷問題；

（3）增設(shè)刷輥電機速度檢測功能，把采樣的速度與設(shè)定的速度值進行比較，低于設(shè)定值時設(shè)備自動停機，解決刷輥電機故障引起的增塑劑中斷問題。

2.2 硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，選用三菱可編程控制器，高頻接近開關(guān)、接近開關(guān)、電磁繼電器、斷路器等組成控制系統(tǒng)（圖3），實現(xiàn)對增塑劑施加系統(tǒng)的控制。

圖3 硬件設(shè)計圖Fig.3 Hardware design drawing

增塑劑控制系統(tǒng)從主機引入工作電源220 V，電源控制選擇斷路器10，型號為5SY5216-7CC，安裝于控制器1 和主機電源11 之間，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的電源通斷。

控制器1 選擇可編程邏輯控制器PLC，型號為三菱FX1S-20MT-001，自帶的高速輸入通道滿足速度檢測的要求，無需增加高速模塊。

主機測速傳感器2 為高頻接近開關(guān)，型號為FSCH1204-N。主機測速傳感器2 安裝在主機剎車盤處，監(jiān)測成型機的生產(chǎn)速度，把主傳動信號輸送到控制器1 的高速輸入端。系統(tǒng)主機測速是確定主機轉(zhuǎn)速是否達到指定生產(chǎn)速度，并在主機轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速閾值時，全部視為不合格品自動剔除。

刷輥電機測速傳感器3 為高頻接近開關(guān)，型號為FSCH1204-N。刷輥電機測速傳感器3 設(shè)置在刷輥電機的風(fēng)扇輸出軸處，監(jiān)測刷輥電機的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，把旋轉(zhuǎn)狀態(tài)信號送到控制器1 的高速輸入端。系統(tǒng)檢測刷輥電機的運行速度，精準(zhǔn)掌握刷輥電機的運行情況，可及時獲知刷輥當(dāng)前的運行狀態(tài)，有效解決由上膠箱浮子開關(guān)判斷刷輥電機運行狀態(tài)的弊端。

浮子上端位置檢測傳感器4 為電感式接近開關(guān)，型號為LJ18A3-8-Z/BX。其設(shè)置在流量監(jiān)測器的上端，功能是檢測浮子高點位置，在主機正常運轉(zhuǎn)時，流量較小或無流量，浮子不會浮動至上端，新增的接近開關(guān)則判定增塑劑施加出現(xiàn)異常，可正確判斷增塑劑的輸送狀態(tài)。浮子上端位置檢測傳感器4 可以與主機控制系統(tǒng)（具體為設(shè)置于成型機主機的流量監(jiān)測器底部的接近開關(guān)）構(gòu)成雙重保障體系，實現(xiàn)協(xié)同作用。

防護安全門位置檢測傳感器5 電感式接近開關(guān)，型號為LJ18A3-8-Z/BX。對設(shè)置在刷輥電機后面的防護安全門的位置進行檢測，把安全門信號送到控制器1 的輸入端，避免刷輥電機的高速運轉(zhuǎn)給操作人員帶來人身傷害。

噴涂信號轉(zhuǎn)換組件6 為電磁繼電器，型號為RXM2AB2BD。與控制器1 的輸入端連接，噴涂開關(guān)信號通過噴涂信號轉(zhuǎn)換組件6 轉(zhuǎn)換后送到控制器1 的輸入點。主機信號轉(zhuǎn)換組件7 為電磁繼電器，型號為RXM2AB2BD，將成型機主機的主啟動信號轉(zhuǎn)換后送到控制器1 的輸入點。

主機停機驅(qū)動組件8 為電磁繼電器，型號為RXM2AB2BD?？刂破? 的一個輸出端通過電磁繼電器轉(zhuǎn)換后把輸出信號串聯(lián)至主機的停機信號中，在檢測信號出現(xiàn)異常時可以迅速切斷主機停機信號，使設(shè)備停機。

報警指示燈9 與主機的噴涂指示燈實現(xiàn)協(xié)同作用，對調(diào)機模式進行雙重提示。在噴涂信號出現(xiàn)異常時，可以通過報警指示燈9 進行雙重提示，并通過主機停機驅(qū)動組件8 來控制設(shè)備停機。

2.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計在Windows 開發(fā)環(huán)境中進行，利用三菱PLC 編程軟件GX Works 2（日本三菱公司）軟件編寫源程序，包括初始化、原機信號檢測模塊、新增信號檢測模塊、報警模塊等，其中原機信號檢測模塊包括主機的啟動信號檢測、噴涂信號檢測，新增信號檢測模塊包括主機速度測量、刷輥電機轉(zhuǎn)速測量、安全防護門位置信號檢測、浮子上端位置檢測信號，程序流程圖見圖4。KDF2 濾棒成型機主令空開合上，增塑劑控制系統(tǒng)得電自檢，裝置中的程序開始初始化，使三菱PLC 控制器的高速計時器C235 和C236 置零，生產(chǎn)準(zhǔn)備就緒；生產(chǎn)正常運行時，主機的啟動信號、噴涂信號傳送至三菱PLC 控制器輸入點，當(dāng)檢測主機速度的高速計數(shù)器C235 的數(shù)值大于2000 r/min 時，增塑劑控制系統(tǒng)開始工作，對信號進行檢測，若以上三個判斷條件不滿足要求時則停止運行；然后判斷安全防護門檢測信號、測量刷輥電機轉(zhuǎn)速（高速計數(shù)器C236 的數(shù)值是否大于2800 r/min），同時判斷新增的浮子上端位置檢測信號，系統(tǒng)設(shè)定閾值分析，若上述三個狀態(tài)中任意一個信號出現(xiàn)異常，則統(tǒng)計這個異常信號在一分鐘內(nèi)的數(shù)量，并與閾值進行比較，判斷是否達到了設(shè)定值6 次/min，如果超過了閾值，表明增塑劑施加出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)通過三菱PLC 控制器的輸出模塊驅(qū)動設(shè)備以0.1 s 為周期閃爍報警并停機，反之，三個輸入信號狀態(tài)正常，增塑劑控制系統(tǒng)則返回監(jiān)測，從而周而復(fù)始地、自動循環(huán)監(jiān)測增塑劑的施加狀態(tài)，實時監(jiān)測增塑劑施加過程。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

3 應(yīng)用效果

3.1 實驗設(shè)計

設(shè)備：KDF2 濾棒成型機2 臺；FX1S-20MT-001型三菱PLC 控制器1 臺；FSCH1204-N 型高頻接近開關(guān)2 個；LJ18A3-8-Z/BX 型電感式接近開關(guān)2 個；RXM2AB2BD 型電磁繼電器3 個；5SY5216-7CC 斷路器1 個。

方法：以應(yīng)用于紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司會澤卷煙廠的KDF2 濾棒成型機為對象，將KDF2濾棒成型機原機主啟動信號、噴涂開關(guān)信號通過電磁繼電器轉(zhuǎn)換后送到三菱PLC 控制器的X4 端和X5 端；在KDF2 濾棒成型機剎車盤處增設(shè)高頻接近開關(guān)B1，監(jiān)測設(shè)備生產(chǎn)速度，把主傳動信號輸送到三菱PLC 控制器高速輸入端X0；在刷輥電機風(fēng)扇輸出軸處增設(shè)高頻接近開關(guān)B2，監(jiān)測電機的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，把旋轉(zhuǎn)狀態(tài)信號送到控制器的高速輸入端X1,并用防護蓋加以保護；在流量控制器的上端增設(shè)冗余監(jiān)測，通過電感式接近開關(guān)B3 識別浮子位置，判斷增塑劑的輸送狀態(tài)，把此信號送到控制器的X2 端；通過電感式接近開關(guān)B4 識別門信號送到控制器的輸入端X3；三菱PLC 控制器的輸出端Y1 通過電磁繼電器轉(zhuǎn)換后把輸出信號串聯(lián)至主機的停機信號中，在檢測信號出現(xiàn)異常時迅速切斷主機停機信號，使設(shè)備停機，并在原機上新增一個報警指示燈，輸出端Y2 驅(qū)動指示燈固定頻率閃爍報警。系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后投入使用，于2021―2022 年對KDF2 濾棒成型機增塑劑控制系統(tǒng)進行跟蹤記錄，以驗證系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確率。

3.2 數(shù)據(jù)分析

表1 可知，2021―2022 年間KDF2 濾棒成型機增塑劑控制系統(tǒng)共發(fā)出故障報警12 次，經(jīng)核實無誤報和漏報，并可準(zhǔn)確定位故障位置，檢測準(zhǔn)確率達到100%?，F(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在增塑劑施加的整個過程中，當(dāng)流量監(jiān)測器接近開關(guān)4 失效、人為誤操作噴涂開關(guān)、刷輥電機故障停轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)立即閃爍報警并停機，當(dāng)故障解除后，控制系統(tǒng)自動循環(huán)監(jiān)測增塑劑的施加狀態(tài)，實時監(jiān)測增塑劑施加過程。

表1 系統(tǒng)故障報警統(tǒng)計Tab.1 Statistics of alarms sent by the system

4 結(jié)論

設(shè)計了一種KDF2 濾棒成型機增塑劑控制系統(tǒng)，采用信息化手段、PLC 軟件編程等技術(shù)，實現(xiàn)了增塑劑施加全過程的多方位實時檢測。以會澤卷煙廠的KDF2 濾棒成型機為對象進行測試，結(jié)果表明：2021―2022 年兩年間KDF2 濾棒成型機增塑劑控制系統(tǒng)共發(fā)出報警停機12 次，經(jīng)核實無誤報和漏報，可準(zhǔn)確判斷增塑劑和施加量偏少的問題，檢測準(zhǔn)確率達到100%，實現(xiàn)了硬度指標(biāo)的精準(zhǔn)控制，有效降低了KDF2 濾棒成型機的質(zhì)量風(fēng)險。該系統(tǒng)完善了增塑劑施加的檢測功能，提高了卷煙企業(yè)濾棒生產(chǎn)自動化水平。