章俊杰 吳健 李鈺靚

摘 要：針對ZJ112型國產(chǎn)高速卷煙機煙支圓周控制系統(tǒng)的煙支圓周達標率低和煙支圓周控制穩(wěn)定型差等問題，研究開發(fā)了一種基于光學技術的新型煙支圓周自動控制系統(tǒng)，詳細介紹了新型圓周控制系統(tǒng)所包括的光電圓周檢測系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)和圓周控制調節(jié)系統(tǒng)的結構組成及工作原理。通過實驗測試結果表明：所設計的新型煙支圓周控制系統(tǒng)具有更高的控制精度、更小的煙支標準偏差和變異系數(shù)，能夠有效控制生產(chǎn)過程中煙支的圓周，提高產(chǎn)品優(yōu)質率。

關鍵詞：ZJ112型卷煙機；煙支圓周自動控制系統(tǒng)；光學技術

中圖分類號：TS43 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0027-02

在卷煙的生產(chǎn)過程中，卷煙卷制質量一直是煙草行業(yè)重點關注的內容[1]。煙支圓周是衡量卷接工序質量的重要指標，如果卷煙的圓周誤差超標，一方面影響濾嘴接裝質量及卷煙的吸阻和口感，另一方面反映精細化加工水平。由于卷煙是一種彈性體，在測量過程中可能產(chǎn)生形變，很難得到精確的結果。因此，卷煙圓周控制是卷煙機控制系統(tǒng)的重點和難點，其控制性能的優(yōu)劣直接影響卷煙的生產(chǎn)質量[2][3]。

ZJ112型卷接機作為新一代國產(chǎn)高速卷接機，是國內卷煙制造企業(yè)中廣泛應用的機型之一，生產(chǎn)速度達到10000支/分鐘[4]。但是在該型卷煙機的生產(chǎn)使用過程中，其煙支圓周控制暴露出以下問題：（1）現(xiàn)有的煙支圓周控制系統(tǒng)主要是采用微波檢測技術[4]，存在運算速度低、檢測精度不高，檢測結果可靠性差，無法滿足生產(chǎn)速度的要求，容易出現(xiàn)不合格煙支，降低了煙支圓周達標率。（2）系統(tǒng)沒有引入閉環(huán)的控制，圓周只能通過人工調節(jié)大壓板部件來進行，不能很好的對煙支圓周及時的控制和調整，使得檢測結果與圓周控制相對脫節(jié)，無法保證煙支圓周的穩(wěn)定性。

針對以上問題，本文設計一種基于光學技術為核心的煙支圓周自動控制系統(tǒng)，以適應于ZJ112卷煙設備在高速生產(chǎn)運行中對煙支圓周進行及時檢測、控制和調整，提高煙支圓周的自動控制精度，保證煙支圓周質量的穩(wěn)定性，提高檢測智能化程度，為實現(xiàn)生產(chǎn)精益管理提供良好的技術支持。

1 煙支圓周自動控制系統(tǒng)結構組成和工作原理

基于光學技術新型煙支圓周自動控制系統(tǒng)的原理框架圖如圖1所示，其主要由光電圓周檢測系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)和圓周控制調節(jié)系統(tǒng)組成。其工作原理是光電圓周檢測系統(tǒng)通過連續(xù)掃描測量SE上煙條的直徑，并將測量結果以模擬型號的方式通過DP總線將數(shù)據(jù)送至控制系統(tǒng)（PLC），PLC控制系統(tǒng)通過運算處理后將模擬信號通過DP方式輸送給煙支圓周控制調節(jié)系統(tǒng)，煙支圓周控制調節(jié)系統(tǒng)根據(jù)需要實時修正，最終實現(xiàn)煙支圓周的在線檢測和閉環(huán)控制。

1.1 光電圓周檢測系統(tǒng)

光電圓周檢測系統(tǒng)作為煙支圓周控制的核心具有高精度、性能穩(wěn)定、實時在線等優(yōu)勢，本系統(tǒng)采用了卷接機組光電式圓周檢測系統(tǒng)，其包括了檢測裝置、旋轉機構、數(shù)據(jù)處理模塊。

（1）檢測裝置。檢測裝置由其內部的激光式傳感器通過發(fā)射器發(fā)出激光光束，光束經(jīng)過煙支后通過CCD接收器接收煙支產(chǎn)生的投影，CCD是線性排列的受光組件，可以精確測量出煙支直徑變化形成的陰影面積的大小，從而得到煙支的直徑，并計算出煙支的圓周[5]。檢測裝置特別設計的CCD（電荷耦合元件）測量的圓周精度可達50微米，分辨率達到0.01mm。圖2是煙支檢測裝置的原理示意圖。（2）旋轉機構。依據(jù)激光傳感器的特性，為了測量不同方向上的直徑，采用步進電機帶動激光傳感器圍繞煙支不斷做來回180°掃描的工作模式，接收器在讀取直徑數(shù)據(jù)的同時，同步控制步進電機運動，實現(xiàn)對煙支多方位的直徑檢測，如圖3所示。旋轉機構可使激光傳感器在1秒內圍繞煙支條旋轉180°的同時進行大約1000次測量，每支煙條段至少測量5次，以此消除煙支“不圓度”對圓周測量結果的影響。（3）數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊集成與接受器上，數(shù)據(jù)處理模塊接收接收器的測量信號，實時對大量原始數(shù)據(jù)進行測量、計算、平均、校正異常值消除，并得到最終的圓周數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)處理模塊而言，可以選擇一定的測量樣本計算出平均值，如果希望平衡測量值的波動從而獲得穩(wěn)定的結果，則選擇一個相對較大的數(shù)值。

1.2 PLC控制系統(tǒng)和圓周控制調節(jié)系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)接收來自數(shù)據(jù)處理模塊的模擬信號，經(jīng)過轉換形成對應的煙支圓周數(shù)值后，與人機界面設定的參數(shù)“煙支圓周”和“可接受的最大偏差”進行比較，如果測得的平均值超出此范圍出現(xiàn)一定的偏差時，即產(chǎn)生超上限（OVER）或超下限（UNDER）信號。根據(jù)偏差的大小，主控PLC通過DP總線發(fā)出命令到圓周控制調節(jié)系統(tǒng)，圓周控制調節(jié)系統(tǒng)相應的圓周調整電機通過正反轉驅動圓周調節(jié)裝置實現(xiàn)對煙支圓周大小的調整，使生產(chǎn)的煙支圓周與設定的圓周偏差更小。檢測結果還可以通過人機界面實時顯示。由于數(shù)據(jù)處理模塊的信號輸出頻率非常高，通過設定PLC的數(shù)據(jù)輸出時間間隔可以調節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。

2 測量實驗與結果

2.1 實驗儀器

ZJ112卷煙設備，圓周自動控制系統(tǒng)，C2綜合測試儀。

2.2 實驗方案

將安裝有新型煙支圓周控制系統(tǒng)的ZJ112卷煙機進行84mm長度煙支的生產(chǎn)，根據(jù)煙支卷煙工藝要求，設定單支煙的目標圓周為24.5mm；同時，為了進行比較，分別對使用原有煙支圓周控制系統(tǒng)的ZJ112卷煙機和新型煙支圓周控制系統(tǒng)的卷煙機所生產(chǎn)的煙支通過C2綜合測試儀以10支為一組的順序對正常生產(chǎn)的煙支進行分時段各抽取5組進行圓周取樣檢測，然后進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比分析。

2.3 過程與結果結果分析

煙支圓周取樣數(shù)據(jù)如表1所示。其中，第1、2、3、4、5組為原有煙支圓周控制系統(tǒng)所生產(chǎn)的煙支；第6、7、8、9、10組為新型煙支圓周控制系統(tǒng)所生產(chǎn)的煙支。

在表2中，每組煙支圓周的標準偏差SD的計算公式為：

（i=1，2，...，n）

式中，為采樣煙支的圓周，形為每組n支煙的平均圓周，本實驗測試n取10。

每組煙支圓周的變異系數(shù)CV為：

其中長度84mm煙支圓周的內部檢驗控制值為（24.5±0.20）mm，由表1數(shù)據(jù)可知：

（1）原有煙支圓周控制系統(tǒng)所生產(chǎn)的5組煙支出現(xiàn)了2支圓周缺陷煙支，煙支圓周標準偏差SD的變化范圍為0.0759mm ～0.0829mm，煙支圓周變異系數(shù)CV的變化范圍為0.31%～0.34mm%；（2）新型煙支圓周控制系統(tǒng)所生產(chǎn)的5組煙支未出現(xiàn)圓周缺陷煙支，煙支圓周標準偏差SD的變化范圍為0.0260mm ～0.0566mm，煙支圓周變異系數(shù)CV的變化范圍為0.11%～0.23%。

實驗對比結果表明，該新型煙支圓周控制系統(tǒng)具有更高的煙支圓周控制精度，更小的煙支圓周標準偏差SD和煙支圓周變異系數(shù)CV，能更有效地減少煙支圓周的波動和缺陷煙支的產(chǎn)生。

3 結語

本文研究開發(fā)了一種基于光學技術的新型煙支圓周自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)煙支圓周的在線檢測和閉環(huán)控制。實驗測試結果表明：所設計的新型煙支圓周控制系統(tǒng)具有更高的控制精度、更小的煙支標準偏差和變異系數(shù)，能夠有效控制生產(chǎn)過程中煙支的圓周，提高產(chǎn)品圓周優(yōu)質率。

參考文獻

[1]洪杰.基于激光傳感器的在線煙支圓周檢測系統(tǒng)研究[J].湖南文理學院學報（自然科學版），2012，24（3）：60-62.

[2]黃幼斌，謝忱.卷煙機主要設備參數(shù)對卷煙圓周穩(wěn)定性的影響[J].設備管理與維修，2014，（12）：55-57.

[3]劉勇，程霄，張龍，等.基于DSP的卷煙圓周檢測系統(tǒng)的設計[J].測控技術，2008，27（7）：38-40.

[4]常德煙草機械有限責任公司.ZJ112卷接機組操作工培訓教材.

[5]王慶有.CCD應用技術[M].天津大學出版社，2000.