基于光學技術的煙支圓周自動控制系統的研究與開發

章俊杰 吳健 李鈺靚

摘 要：針對ZJ112型國產高速卷煙機煙支圓周控制系統的煙支圓周達標率低和煙支圓周控制穩定型差等問題，研究開發了一種基于光學技術的新型煙支圓周自動控制系統，詳細介紹了新型圓周控制系統所包括的光電圓周檢測系統，PLC控制系統和圓周控制調節系統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具有更高的控制精度、更小的煙支標準偏差和變異系數，能夠有效控制生產過程中煙支的圓周，提高產品優質率。

關鍵詞：ZJ112型卷煙機；煙支圓周自動控制系統；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

在卷煙的生產過程中，卷煙卷制質量一直是煙草行業重點關注的內容[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的重點和難點，其控制性能的優劣直接影響卷煙的生產質量[2][3]。

ZJ112型卷接機作為新一代國產高速卷接機，是國內卷煙制造企業中廣泛應用的機型之一，生產速度達到10000支/分鐘[4]。但是在該型卷煙機的生產使用過程中，其煙支圓周控制暴露出以下問題：（1）現有的煙支圓周控制系統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，無法滿足生產速度的要求，容易出現不合格煙支，降低了煙支圓周達標率。（2）系統沒有引入閉環的控制，圓周只能通過人工調節大壓板部件來進行，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，無法保證煙支圓周的穩定性。

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，以適應于ZJ112卷煙設備在高速生產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定性，提高檢測智能化程度，為實現生產精益管理提供良好的技術支持。

1 煙支圓周自動控制系統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的原理框架圖如圖1所示，其主要由光電圓周檢測系統，PLC控制系統和圓周控制調節系統組成。其工作原理是光電圓周檢測系統通過連續掃描測量SE上煙條的直徑，并將測量結果以模擬型號的方式通過DP總線將數據送至控制系統（PLC），PLC控制系統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系統，煙支圓周控制調節系統根據需要實時修正，最終實現煙支圓周的在線檢測和閉環控制。

1.1 光電圓周檢測系統

光電圓周檢測系統作為煙支圓周控制的核心具有高精度、性能穩定、實時在線等優勢，本系統采用了卷接機組光電式圓周檢測系統，其包括了檢測裝置、旋轉機構、數據處理模塊。

（1）檢測裝置。檢測裝置由其內部的激光式傳感器通過發射器發出激光光束，光束經過煙支后通過CCD接收器接收煙支產生的投影，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據的同時，同步控制步進電機運動，實現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）數據處理模塊。數據處理模塊集成與接受器上，數據處理模塊接收接收器的測量信號，實時對大量原始數據進行測量、計算、平均、校正異常值消除，并得到最終的圓周數據。對數據處理模塊而言，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定的結果，則選擇一個相對較大的數值。

1.2 PLC控制系統和圓周控制調節系統

PLC控制系統接收來自數據處理模塊的模擬信號，經過轉換形成對應的煙支圓周數值后，與人機界面設定的參數“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一定的偏差時，即產生超上限（OVER）或超下限（UNDER）信號。根據偏差的大小，主控PLC通過DP總線發出命令到圓周控制調節系統，圓周控制調節系統相應的圓周調整電機通過正反轉驅動圓周調節裝置實現對煙支圓周大小的調整，使生產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。由于數據處理模塊的信號輸出頻率非常高，通過設定PLC的數據輸出時間間隔可以調節系統的靈敏度。

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，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的ZJ112卷煙機進行84mm長度煙支的生產，根據煙支卷煙工藝要求，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的ZJ112卷煙機和新型煙支圓周控制系統的卷煙機所生產的煙支通過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，然后進行數據統計對比分析。

2.3 過程與結果結果分析

煙支圓周取樣數據如表1所示。其中，第1、2、3、4、5組為原有煙支圓周控制系統所生產的煙支；第6、7、8、9、10組為新型煙支圓周控制系統所生產的煙支。

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數據可知：

（1）原有煙支圓周控制系統所生產的5組煙支出現了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CV的變化范圍為0.31%～0.34mm%；（2）新型煙支圓周控制系統所生產的5組煙支未出現圓周缺陷煙支，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CV，能更有效地減少煙支圓周的波動和缺陷煙支的產生。

3 結語

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

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對卷煙圓周穩定性的影響[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.