代寬 吳疆 龍亮

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1 項(xiàng)目背景

在濾棒的生產(chǎn)過程中，由于ZL23濾棒成型機(jī)的生產(chǎn)工藝存在一些缺陷，會(huì)偶然的生產(chǎn)出一些帶有缺陷的濾棒，如紙帶進(jìn)行拼接時(shí)造成的棒體變厚，電機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的微小波動(dòng)導(dǎo)致的重量變化或者是機(jī)械結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的棒體變形等問題，這些現(xiàn)象都會(huì)使得ZL23濾棒成型機(jī)生產(chǎn)出少量的帶有缺陷的濾棒。對(duì)于這類情況的出現(xiàn)，一般會(huì)利用濾棒在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)濾棒進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有帶有缺陷的濾棒出現(xiàn)時(shí)，通過通訊連接主機(jī)發(fā)送警告，再激活濾棒剔除系統(tǒng)對(duì)帶有缺陷的濾棒進(jìn)行剔除動(dòng)作，以確保最終生產(chǎn)獲得的濾棒都是符合標(biāo)準(zhǔn)的成品。

目前煙草行業(yè)濾棒生產(chǎn)主要使用的是額定生產(chǎn)能力為400m/min（ 例 如 KDF2、AF2、ZL22） 和 600m/min（KDF3、AF3、ZL26）濾棒成型機(jī)組[1]。以上所提到的機(jī)組所使用的濾棒剔除系統(tǒng)大多使用的是相似的V型槽結(jié)構(gòu)與配套的V槽剔除廢棒功能。

同樣的，ZL23濾棒成型機(jī)的剔除系統(tǒng)也一般都設(shè)置在位于機(jī)器機(jī)頭部位的V型槽裝置中，通過壓縮空氣將帶有缺陷的濾棒打出V型槽裝置以達(dá)到剔除缺陷濾棒的目的。但是，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)備車速達(dá)到95m/min及以上車速時(shí)，濾棒剔除成功率低，剔除不徹底，極易出現(xiàn)濾棒剔除不徹底，堵塞濾棒通道，造成跑條現(xiàn)象。那么，為了改善這種剔除方式所造成的跑條情況，以及避免設(shè)備有效作業(yè)率下降等問題，本文提出了一種改良的ZL23濾棒成型機(jī)的剔除系統(tǒng)。

1.1 項(xiàng)目目的與項(xiàng)目意義

使用V型槽進(jìn)行剔除的這些機(jī)組剔除廢棒的功能大多數(shù)只能實(shí)現(xiàn)在連續(xù)高速生產(chǎn)的過程中連續(xù)剔除多支廢棒。有少部分機(jī)型實(shí)現(xiàn)了V型槽單支剔除廢棒的功能，但是由于其成本較高且調(diào)試難度較高，導(dǎo)致普及率不高。同時(shí)，由于V型槽的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得剔除完全依賴壓縮空氣，壓縮空氣的穩(wěn)定程度不確定且剔除閥的精度問題，可能會(huì)導(dǎo)致濾棒剔除動(dòng)作沒有達(dá)到剔除要求，使得機(jī)器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，剔除的壓縮空氣未能使其沖擊的濾棒達(dá)到要求的剔除位置，在這種情況下，就會(huì)造成廢棒卡在V型槽中，最終導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)跑條現(xiàn)象。

為了改進(jìn)這一缺點(diǎn)，本文提出了一種設(shè)置于分煙輪的剔除裝置。由于分煙輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)是帶有多個(gè)槽位的筒狀，這種結(jié)構(gòu)在剔除的過程中就不會(huì)出現(xiàn)卡棒的情況。同時(shí)，分煙輪的位置獨(dú)立于主電機(jī)，那么即使系統(tǒng)剔除失敗也并不會(huì)影響到主電機(jī)的生產(chǎn)，從而杜絕了主電機(jī)跑條的現(xiàn)象。另外，分煙輪根據(jù)槽位進(jìn)行剔除的工藝也可以更加方便的進(jìn)行單支剔除的改造。

1.2 改良系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文提出的改良ZL23濾棒成型機(jī)剔除系統(tǒng)是由硬件組件與人機(jī)交互組件這兩部分所組成的。硬件組件的功能主要涵蓋了檢測(cè)裝置在檢測(cè)過程中的信號(hào)的輸出與采集，PLC控制器的信號(hào)輸入與輸出以及相應(yīng)的執(zhí)行元件，如高速固態(tài)繼電器與高速剔除閥等。而人機(jī)交互組件使用的是倍福HMI人機(jī)交互界面，經(jīng)過系統(tǒng)組態(tài)的編寫之后，改良的系統(tǒng)能夠通過HMI來(lái)對(duì)相應(yīng)的剔除參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、對(duì)采樣的結(jié)果進(jìn)行顯示，還可以將生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棒統(tǒng)計(jì)并繪制相應(yīng)的曲線。以此更加直觀且便捷的對(duì)剔除系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋與調(diào)整。

該系統(tǒng)中的執(zhí)行元件主要作用于ZL23濾棒成型機(jī)的分煙輪位置。在機(jī)器進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，當(dāng)濾棒檢測(cè)裝置檢測(cè)出廢棒時(shí)，系統(tǒng)接收到具體的信號(hào)。通過系統(tǒng)計(jì)算每支濾棒所經(jīng)過的模長(zhǎng)與需要剔除的電機(jī)位置時(shí)，通過位于分煙輪8點(diǎn)鐘位置的剔除孔吹出正壓的壓縮空氣，最終剔除單支廢品濾棒。

2 設(shè)計(jì)方法

原有ZL23濾棒成型機(jī)剔除系統(tǒng)存在兩個(gè)主要的缺陷：1.設(shè)備存在V型槽位置卡棒的跑條風(fēng)險(xiǎn)。2.原有剔除系統(tǒng)不能對(duì)于單支缺陷濾棒進(jìn)行剔除，只能夠多支嘴棒同時(shí)剔除的問題。

對(duì)于第一個(gè)缺陷本文提出了將剔除系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從原有機(jī)器的V型槽位置改變到分煙輪位置，從而杜絕剔除的缺陷濾棒卡在V型槽的問題。對(duì)于第二個(gè)缺陷，提出的改良剔除系統(tǒng)，使用能夠在30-40ms內(nèi)完成一次打開/閉合動(dòng)作的高速剔除閥，實(shí)現(xiàn)單支缺陷濾棒的剔除功能。

2.1 改良剔除系統(tǒng)工藝

改良ZL23濾棒成型機(jī)剔除系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 改良剔除系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)

根據(jù)上圖所示，整個(gè)剔除系統(tǒng)的工藝流程為開環(huán)控制。通過檢測(cè)元件實(shí)時(shí)檢測(cè)生產(chǎn)的濾棒狀態(tài)，經(jīng)過相應(yīng)的濾波算法將濾波后的信號(hào)輸入控制器。當(dāng)出現(xiàn)缺陷濾棒時(shí)，檢測(cè)元件的輸出模擬量出現(xiàn)變化，控制器接收到缺陷濾棒信號(hào)。同時(shí)根據(jù)位于主電機(jī)的編碼器將主電機(jī)的實(shí)時(shí)位置反饋給控制器，通過HMI上設(shè)置的剔除參數(shù)，控制器計(jì)算出剔除缺陷濾棒的時(shí)候主電機(jī)應(yīng)在的位置。當(dāng)主電機(jī)達(dá)到相應(yīng)的剔除位置時(shí)，控制器向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制信號(hào)，在單支缺陷濾棒到達(dá)指定位置時(shí)，快速開啟剔除閥將單支缺陷濾棒剔除。

2.2 改良剔除系統(tǒng)工藝

主機(jī)在刀頭將濾棒切割完成之后，通過加速輪將切割完成的濾棒輸送至分煙輪槽位中。同時(shí)在切割濾棒的過程中，記錄濾棒切割位置頭與尾的主電機(jī)位置，將相關(guān)信息傳輸至控制器中。

改良ZL23濾棒成型機(jī)的分煙輪的運(yùn)動(dòng)位置如下圖2所示。

如上圖所示，分煙輪逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。加速輪將濾棒從分煙輪12點(diǎn)鐘方向射入槽內(nèi)，通過分煙輪槽內(nèi)的負(fù)壓氣流將濾棒吸到槽底位置且固定。逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)到6點(diǎn)鐘方向后，負(fù)壓吸附效果完全消失，濾棒從分煙輪槽內(nèi)掉至輸送帶上。從分煙輪12點(diǎn)方向逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)到6點(diǎn)鐘方向的運(yùn)動(dòng)位置區(qū)間，為剔除位置的選擇區(qū)間。經(jīng)過負(fù)壓吸附力測(cè)試，8點(diǎn)鐘位置為最佳剔除點(diǎn)。因?yàn)樵撐恢蒙咸蕹臑V棒不會(huì)由于過于靠近傳送帶而混入良品中，同時(shí)，由于分煙輪各個(gè)槽位的負(fù)壓是逐漸減小的，當(dāng)高于該位置進(jìn)行剔除動(dòng)作時(shí)，需要短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)負(fù)壓與強(qiáng)正壓交替，整體機(jī)械設(shè)計(jì)難度較高，且效果較差。

3 剔除系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

改良ZL23濾棒成型機(jī)的硬件構(gòu)成主要包含：微波檢測(cè)裝置、PLC控制器及其輸入輸出模塊（數(shù)字量與模擬量，其中數(shù)字量需要高速脈沖輸出模塊）、固態(tài)繼電器、高速剔除閥與主機(jī)主電機(jī)編碼器。同時(shí)配備HMI觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

圖2 分煙輪運(yùn)動(dòng)位置示意圖

3.1 微波傳感器

微波傳感器為檢測(cè)膠囊濾棒定制的傳感器，其輸出為0-10V的電壓模擬量信號(hào)。根據(jù)相關(guān)的工藝要求與標(biāo)準(zhǔn)，該微波傳感器可以對(duì)于膠囊的有無(wú)，位置與破裂三種情況進(jìn)行判斷與檢測(cè)。由于微波傳感器會(huì)根據(jù)經(jīng)過的部分中的水分含量進(jìn)行檢測(cè)，水分含量越高則輸出的模擬量信號(hào)數(shù)值越大，而均勻的部分則會(huì)輸出一根水平直線，則控制器則可以根據(jù)所受到的曲線進(jìn)行相應(yīng)的算法判斷是否完整。

3.2 PLC控制器及其配套模塊

PLC控制器選用倍福高性能工業(yè)控制器CX2020。該控制器使用InterCoreTMi7dual-coreCPU，同時(shí)具有2GB內(nèi)存。倍福的模擬量輸入模塊EL3054的最大刷新頻率為0.1MHZ，而所選用的微波傳感器的最大輸出頻率為6000smp/s，則其數(shù)據(jù)處理速度完全符合本剔除系統(tǒng)的要求。能夠完整且實(shí)時(shí)的將傳感器接收的濾棒信息輸入處理器之中。

當(dāng)機(jī)器在標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)速度下（大于100m/min的機(jī)械速度），單支濾棒從被主電機(jī)切開到移動(dòng)到分煙輪八點(diǎn)鐘位置的槽位需要約為30-40ms的時(shí)間。這意味著在不考慮微波傳感器傳輸數(shù)據(jù)到PLC控制器的時(shí)間的情況下，剔除閥需要滿足在30-40ms內(nèi)完成一次單獨(dú)的打開然后閉合的動(dòng)作，以此來(lái)完成單支廢品濾棒的剔除。但是對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的倍福PLC控制器數(shù)字量輸出模塊EL2008來(lái)說(shuō)，從PLC輸出數(shù)字量信號(hào)到繼電器控制剔除閥進(jìn)行動(dòng)作的時(shí)間需要18-28ms的時(shí)間，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足單支缺陷濾棒剔除的要求。所以為了滿足這一要求，本系統(tǒng)選用了響應(yīng)時(shí)間更加短暫的EL2212模塊。該模塊能夠輸出長(zhǎng)度為20us的高速脈沖信號(hào)，最終通過計(jì)算可以得到使用EL2212模塊作為數(shù)字量，輸出模塊可以將整個(gè)剔除閥開關(guān)動(dòng)作時(shí)間縮短到10ms之內(nèi)。

3.3 主電機(jī)編碼器與剔除閥

本文提出的改良ZL23濾棒成型機(jī)的剔除系統(tǒng)中的剔除算法是基于主機(jī)的主電機(jī)位置來(lái)計(jì)算所需要剔除的廢品濾棒的位置，所以采用絕對(duì)值編碼器來(lái)對(duì)主電機(jī)的位置進(jìn)行檢測(cè)。

剔除閥采用市面常見的高速電磁閥，電磁閥額定電壓為12V，額定功率為6W。

3.4 HMI人機(jī)交互界面

為了能夠?qū)崟r(shí)的觀測(cè)到微波傳感器的檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)能夠?qū)τ谌毕轂V棒的剔除位置與其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與調(diào)試，則使用了HMI屏幕作為人機(jī)交互的中樞。

HMI觸摸屏使用倍福的12寸電容觸摸屏，通過ADS通信線纜與PLC控制器CX2020進(jìn)行連接，同時(shí)HMI屏幕與PLC通過通信協(xié)議ADS進(jìn)行通訊。

4 剔除系統(tǒng)的軟件算法

4.1 微波傳感器濾波

由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在著許多干擾條件，如主機(jī)中的電機(jī)造成的機(jī)器顫動(dòng)，廠區(qū)電壓不穩(wěn)定產(chǎn)生的微小電壓波動(dòng)以及機(jī)器內(nèi)部的電氣產(chǎn)生的電磁干擾，會(huì)造成微波傳感器所傳輸?shù)膶?shí)時(shí)濾棒的檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)噪聲。由于這些客觀情況下出現(xiàn)的干擾，微波傳感器所反饋的濾棒實(shí)時(shí)狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)判斷不準(zhǔn)確，從而造成誤剔，或者漏剔的情況，影響剔除系統(tǒng)的精確性與濾棒生產(chǎn)的作業(yè)效率。

為了解決這一問題，首先需要對(duì)這些干擾所造成的噪聲進(jìn)行處理。一般用于去除噪聲的算法有很多，例如賦值濾波法與中位值濾波法等方式。通過對(duì)于采集帶有干擾的信號(hào)進(jìn)行分析，分析得出存在的噪聲含有高斯噪聲。

高斯濾波是廣泛用于圖像噪聲的濾波，使用卷積運(yùn)算減少噪聲。因此，本文采用該濾波方式對(duì)微波傳感器輸出的采樣信號(hào)進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理。

4.2 剔除算法思路

本文提出的改良剔除系統(tǒng)在原有剔除算法的基礎(chǔ)上也進(jìn)行了一些變化。原有剔除系統(tǒng)的剔除算法是通過編碼器的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行計(jì)算的。當(dāng)檢測(cè)元件檢測(cè)到存在廢品濾棒的存在后，開始累加編碼器所傳輸?shù)闹麟姍C(jī)圈數(shù)。當(dāng)主電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)達(dá)到測(cè)試或者HMI屏幕設(shè)置的剔除位置時(shí)，開啟剔除閥從而完成廢品濾棒的剔除。

這種原有系統(tǒng)的剔除算法存在著一定的缺陷。首先原有系統(tǒng)使用的是旋轉(zhuǎn)編碼器，這種編碼器由于只能計(jì)算圈數(shù)，導(dǎo)致原有剔除算法存在著一定的誤差。而原有系統(tǒng)為了消除這個(gè)誤差的影響，則選擇提前在達(dá)到位置的時(shí)候就開啟剔除閥，然后在經(jīng)過剔除位置之后再稍微延遲一定的時(shí)間進(jìn)行剔除閥的關(guān)閉動(dòng)作。雖然這種方式在一定程度上解決了編碼器存在固有誤差的問題，但是也造成了原有剔除系統(tǒng)不能夠進(jìn)行精確的單支廢品濾棒剔除的功能。

為了解決這一問題，本文提出的改良剔除系統(tǒng)采用了能夠判斷電機(jī)位置的位置編碼器。采用位置編碼器可以對(duì)需要剔除的濾棒從檢測(cè)出存在缺陷，到主電機(jī)切割出廢棒成品，最后到剔除廢棒進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。通過編碼器的位置累加可以將廢品濾棒的位置精確到具體的電機(jī)模長(zhǎng)，配合快速剔除閥能夠準(zhǔn)確的剔除單支需要剔除的濾棒，避免了原系統(tǒng)為了系統(tǒng)誤差而連續(xù)剔除多支濾棒的情況。進(jìn)而較少了生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)損耗，提升了生產(chǎn)效率與生產(chǎn)收益。

4.3 剔除算法設(shè)計(jì)

為了達(dá)到單支廢品濾棒的實(shí)時(shí)跟蹤的目的，首先需要計(jì)算從主機(jī)主電機(jī)切割位置到分煙輪剔除位置的長(zhǎng)度。但這里提到的長(zhǎng)度并不是具體的物理長(zhǎng)度，而是主電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的位置。經(jīng)過測(cè)試實(shí)驗(yàn)，低速或點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行機(jī)器，記錄刀頭完成切割濾棒尾部的主電機(jī)位置，繼續(xù)運(yùn)行設(shè)備，直到濾棒進(jìn)入分煙輪且旋轉(zhuǎn)到剔除孔方向，記錄此時(shí)的刀頭主電機(jī)位置。那么濾棒從刀頭完成切割后輸送到分煙輪旋轉(zhuǎn)到剔除孔主電機(jī)所走過的位置即為第二次記錄的位置減去第一次記錄的位，記為E計(jì)。這里需要注意的是，由于編碼器有計(jì)數(shù)溢出后復(fù)位的特性，則當(dāng)?shù)诙斡涗浀奈恢眯∮诘谝淮斡涗浀奈恢脮r(shí)，需要加上編碼器旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)264-1。同時(shí)，由于分煙輪的運(yùn)動(dòng)是與虛軸耦合的，且主電機(jī)的運(yùn)動(dòng)亦然。那么不管機(jī)器生產(chǎn)的機(jī)械速度如何，該位置是不變的。另外，E計(jì)可以在HMI人機(jī)交互界面上進(jìn)行微調(diào)，以確保單支廢品濾棒剔除的準(zhǔn)確性。

通過測(cè)試得到數(shù)據(jù)之后，那么在ZL23濾棒成型機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，每當(dāng)微波傳感器檢測(cè)到出現(xiàn)缺陷濾棒時(shí)，該濾棒經(jīng)過刀頭進(jìn)行切割且刀盤旋轉(zhuǎn)到濾棒尾部的切割點(diǎn)時(shí)，PLC控制器將記錄由編碼器記錄的當(dāng)前主電機(jī)位置信息en尾。此時(shí)EL5151模塊開始計(jì)數(shù)，當(dāng)記錄E剔的脈沖數(shù)達(dá)到廢品濾棒尾部切割點(diǎn)的主電機(jī)位置en尾加上測(cè)試時(shí)得到的E計(jì)時(shí)，PLC輸出高速脈沖數(shù)字量信號(hào)，快速開關(guān)剔除閥，從而實(shí)現(xiàn)單支廢品濾棒的剔除。同樣的，這里也需要注意編碼器計(jì)數(shù)溢出后復(fù)位的特性，如果編碼器旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)264-1減去記錄的主電機(jī)位置en尾小于測(cè)試時(shí)得出的主電機(jī)到剔除閥位置E計(jì)時(shí)，則E剔需要加上編碼器旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)264-1進(jìn)行補(bǔ)償。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案將改良的ZL23濾棒成型機(jī)剔除系統(tǒng)落實(shí)后已投入生產(chǎn)。該系統(tǒng)運(yùn)行情況穩(wěn)定，對(duì)于缺陷濾棒的剔除成功率達(dá)到99.8%。所以，該改良系統(tǒng)相比于原有系統(tǒng)的準(zhǔn)確性大大提升。

另外，由于將原有系統(tǒng)剔除閥位于機(jī)頭V型槽的物理結(jié)構(gòu)改為設(shè)置于分煙輪位置。該設(shè)計(jì)完全實(shí)現(xiàn)了對(duì)于單支廢品濾棒的精確剔除，同時(shí)也完全的避免了出現(xiàn)剔除動(dòng)作失敗所導(dǎo)致的生產(chǎn)線跑條的現(xiàn)象。極大的提高了機(jī)器的有效作業(yè)率，使得生產(chǎn)效率進(jìn)一步的提升。同時(shí)，由于改良剔除系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于系統(tǒng)的維護(hù)成本有效降低。