氣壓式與光學式濾棒圓周控制系統的對比分析

黃雯華

廈門煙草工業有限責任公司，福建省廈門市海滄新陽工業區新陽路1號 361022

目前國內煙草行業用于濾棒生產的主要有KDF2/AF2、KDF3/AF3、ZL22、KDF4/AF4 等濾棒成型機組［1］。濾棒圓周控制系統是濾棒成型機組的重要控制部件，主要有氣壓式和光學式兩種控制方式。其中，早期設備（如KDF2/AF2、KDF3/AF3、ZL22）圓周控制系統都采用氣壓式，近年來從德國HAUNI公司引進的KDF4/AF4濾棒成型機組的圓周控制系統則采用光學式控制方式。由于光學式圓周控制系統使用時間較短，對其工作原理、控制方式、控制精度及維護保養方法等方面缺乏深入了解［2-3］。為此，以KDF2/AF2（氣壓式圓周控制系統）和KDF4/AF4(光學式圓周控制系統）濾棒成型機組為研究對象，分析對比了兩種圓周控制系統的控制原理、控制方式及維護保養方法，通過進行濾棒對比測試實驗［4］，了解和分析兩種系統的控制精度及過程能力指數，以更好地為濾棒生產提供指導。

1 控制原理

1.1 氣壓式濾棒圓周控制系統

20世紀80年代中期，我國從德國HAUNI公司引進了KDF2/AF2濾棒成型機組和相應的生產技術，90年代初實現國產化后成為目前卷煙企業使用的主要機型［5］。該機型的圓周控制系統工作原理［1］見圖1，在設備開始生產時，B4識別到濾棒后，濾棒圓周控制器開始工作，壓縮空氣經過減壓閥（4）輸送給測量噴嘴（2），在測量管內形成一個回滯壓力，壓力大小與濾棒直徑有直接關系，該壓力在圓周控制器A21中通過2個磁性壓力開關S1和S2轉變為電信號。如果濾棒圓周過大，磁性壓力開關S2觸點閉合，繼電器K4吸合，信號燈H21.1亮，信號通過繼電器K2接通電機M21驅動密封室（3）的高度下降，信號燈H21.1熄滅，H21亮，濾棒圓周重新回到額定范圍；如果濾棒圓周過小，磁性壓力開關S1觸點閉合，繼電器K3吸合，信號燈H21.2亮，信號通過繼電器K1接通電機M21驅動密封室（3）的高度提高，信號燈H21.2熄滅，H21燈亮，濾棒圓周重新回到額定范圍。濾棒圓周也可通過手動調節，不管設備在生產過程還是停機狀態，M21都可以用手動操作，操作按鈕S21.1時，信號通過K1傳遞給M21以提高密封室高度；操作按鈕S21.2時，信號通過K2傳遞給電機M21以降低密封室高度。氣壓式濾棒圓周控制系統結構簡單，維護保養方便，但由于測量氣壓與濾棒圓周之間的變化呈非線性關系，無法進行準確的量化調整，也無法顯示當前濾棒圓周值，直觀性較差。

圖1 氣壓式圓周控制器原理示意圖

隨著濾棒成型設備國產化技術的逐步提高，原有的氣壓式圓周控制器已經無法滿足生產需要。國內廠家先后開發了多種新型氣壓式濾棒圓周控制系統，對其電控系統和氣路控制都進行了較大改進，有效提高了控制精度和穩定性，見圖2。其中，測量氣路系統采用精密減壓閥和精密氣體定值系統作為檢測氣路的恒定輸入，減小了氣壓波動對檢測精度的影響；電控系統采用微壓傳感器將濾棒圓周值轉換為對應的電壓信號，經過溫度補償電路進入精密儀表放大器對采樣信號進行放大處理，再經過高精度模塊轉換，利用單片機或PLC對信號進行處理和判斷，輸出控制信號，通過驅動電路控制電機，同時采用液晶顯示屏顯示當前圓周值［6］。

圖2 新型氣壓式濾棒圓周控制系統工作流程圖

1.2 光學式濾棒圓周控制系統

從德國HAUNI公司引進的KDF4/AF4濾棒成型機組的圓周控制系統采用的是ODM-F型光學測量裝置。該測量裝置主要由測量轉換器ODM、煙槍調整部件、圖文顯示系統、組件支架和計算機輔助的統計分析過程處理系統SPS（Statistical Process System）組成，見圖3。在生產過程中，ODM實時的將濾棒圓周測量值傳遞給SPS系統，SPS將測量平均值與額定值進行比較，生成驅動指令發送給煙槍調整部件，同時通過圖文顯示系統實時顯示測量平均值。由圖3可見，ODM測量轉換器由發光二極管（2）發出光束，光束通過透鏡（3）到達濾棒（1），光敏傳感器（4）記錄濾棒投下的陰影。ODM測量轉換器每秒鐘繞濾棒旋轉 180°并對濾棒圓周進行 1000次測量，測量數據經處理器加工處理后，將數據通過總線輸送至控制系統（PLC），控制系統發出指令給煙槍調整部件對濾棒圓周進行調節，見圖4。

圖3 ODM-F型光學測量裝置示意圖

圖4 煙槍調整部件結構示意圖

2 兩種控制方式比較

氣壓式和光學式兩種控制方式的精度均能滿足濾棒生產工藝要求，但兩者在響應速度、控制精度、抗干擾能力等方面有所區別。

2.1 響應速度

氣壓式控制方式通過壓力傳感器將檢測到的測量噴嘴內的壓力變化值轉換為電信號，再由電信號產生相應的控制信號；光學式控制方式是通過光敏傳感器記錄濾棒投下的陰影，并轉換為相應電信號，再由電信號產生相應的控制信號，所以氣壓式控制方式對濾棒圓周變化的響應速度沒有光學式快。

2.2 控制精度

氣壓式控制方式測量到的噴嘴內濾棒圓周變化所引起的氣壓變化值非常微弱，檢測信號易受干擾，氣壓與圓周變化關系為非線性，再加上現場所提供的氣體壓力波動的影響，檢測精度較低，穩定性較差；光學式控制方式是ODM測量轉換器每秒鐘繞濾棒旋轉180°，并對濾棒圓周進行1000次測量，得到其平均值，因此測量精度比氣壓式高。

從使用相同規格絲束、生產同一規格濾棒的設備中隨機各選取一臺KDF2和KDF4濾棒成型機組進行濾棒圓周取樣測試實驗［7-8］。每小時取1次濾棒，每次取30支，連續取7次，在同一臺離線測試臺上測試，結果見圖5。可見，生產相同規格和工藝要求的濾棒，在同一生產班次抽取相同的樣本量進行檢測，光學式和氣壓式濾棒圓周檢測樣本均值分別是24.1019和24.0962，樣本標準差分別是0.0310和0.0504，短期過程能力指數CP（Process Capability index）分別是3.22和1.99，長期過程能力指數CPK（Complex Process Capability index）分別是3.20和1.96。從上述數據可以看出，光學式濾棒圓周控制器的控制能力比氣壓式強，控制精度和控制效果也更好。

圖5 氣壓式和光學式兩種圓周控制器的過程能力對比

為進一步了解和分析兩種不同控制方式對濾棒圓周的影響，對不同班次生產的濾棒也進行了實驗［9］。KDF2和KDF4機臺每班次各取30支濾棒，連續7個班次，各取210支樣本量進行圓周檢測，結果見圖6。可見，在相同牌號、規格和工藝要求下，采用光學式控制方式比氣壓式生產的濾棒圓周波動范圍小，基本在（設定值±0.10 mm）范圍內波動，控制效果較好。

2.3 抗干擾能力

氣壓式控制方式容易受氣壓壓力波動、成型紙透氣度及污垢的影響；光學式控制方式則容易受成型紙表面的粗糙度、粉塵和膠垢的影響。在生產高透氣度成型紙濾棒時，測量噴嘴內的氣壓壓力比較容易波動，此時光學式比氣壓式的抗干擾能力強。

圖6 氣壓式和光學式兩種圓周控制器的濾棒圓周箱線圖

3 兩種控制系統的維護比較

由以上分析可以看出，氣壓式和光學式圓周控制方式有共性也有區別，因此在生產過程和維護保養方面也有一定差別。

（1）由于在生產過程中測量管內部容易產生膠垢和粉塵，所以設備每運行2 h左右，需要用軟毛刷或較小壓力的壓縮空氣對測量管進行清潔。特別是光學式控制系統，其測量管內有光學鏡片，清潔時要特別小心，以免損傷鏡片表面，影響測量精度。清潔后的效果可以通過ODM-F的自動清潔結果CCD曲線反映，見圖7。圖7右上角為標準圖像，清潔后的結果圖像與標準圖像對比看是否正常，曲線波動范圍不得超出水平的虛線。如果曲線波動范圍較大，說明測量管內粉塵、膠垢或其他異物沒有被清潔干凈，必須重新清潔直到CCD的圖像曲線波動較小，與標準圖像基本一致為止。而氣壓式圓周控制器的清潔結果無法通過圖像進行展示，只能通過濾棒圓周在線檢測圖形或人工檢查以判斷濾棒圓周變化情況。

圖7 自動清潔結果CCD曲線圖

（2）兩種控制裝置均可設為手動或自動狀態。設手動狀態時，該裝置不參與控制，只作為濾棒在線測量值顯示。隨著生產過程的進行，測量管內部粉塵逐漸增多，濾棒圓周將越來越小，操作人員通過定期自檢可發現濾棒圓周的變化情況，并及時調整和清潔測量管；設為自動狀態時，控制裝置將根據在線測量數值進行自動調節，波動較小，操作人員也應定期清潔測量管，并根據測量值的變化進行適當調整。

（3）在生產過程中，如果發現濾棒圓周波動較大，無法判斷故障原因時，可先將濾棒控制裝置設為手動狀態，觀察此時濾棒圓周變化情況，如果濾棒圓周波動過大現象消除，則可能是測量管內有粉塵、異物或控制裝置出現問題；如果波動仍然較大，則可能是濾棒成型過程有問題。

4 結語

通過對KDF2/AF2的氣壓式圓周控制系統和KDF4/AF4的光學式圓周控制系統的工作原理、控制方式及維護保養方法對比分析可見，兩種控制系統都能滿足濾棒生產工藝要求，但從控制精度、響應速度和抗干擾等方面看，光學式比氣壓式圓周控制系統功能更強大，人機交換界面更方便、快捷。在實際生產中，從兩種控制系統的機組所生產濾棒測試實驗結果可以看出，光學式圓周控制系統對濾棒圓周的控制精度、控制效果和過程能力等方面均比氣壓式要好。

［1］甘蔚鈺.濾棒成型機組圓周控制系統的對比分析［J］.煙草科技，2008（6）：23-25.

［2］孫學輝，趙樂，彭斌，等.濾棒中三醋酸甘油酯用量對卷煙主流煙氣有害成分釋放量的影響［J］.煙草科技，2011（6）：35-37.

［3］許寶華.濾棒成型機V槽單支剔廢的實現分析［J］.煙草科技，2010（8）：26-28.

［4］張博，張云蓮，朱強，等.測量系統分析(MSA)在卷煙工藝質量管理中的應用［J］.煙草科技，2010（8）：29-33.

［5］楊厚民.濾棒的理論與技術［M］.北京：中國輕工業出版社，1994.

［6］尤長虹，陳光明.濾棒質量控制和評價方法的研究［J］.煙草科技，2003（2）:3-4.

［7］廖永平.質量管理常用統計技術與方法［M］.北京：中國科學技術出版社，1998.

［8］邢軍，周德成，劉鋒，等.影響卷煙、濾棒硬度測試的因素分析［J］.煙草科技，2003(2)：17-20.

［9］魏步健，李清華，常紀恒，等.濾棒成型工藝參數優化研究［J］.煙草科技，2007（10）:14-17.