基于ZL23成型機咀棒缺陷剔除系統的改良

代寬 吳疆 龍亮

四川三聯新材料有限公司 四川成都 610000

1 項目背景

在濾棒的生產過程中，由于ZL23濾棒成型機的生產工藝存在一些缺陷，會偶然的生產出一些帶有缺陷的濾棒，如紙帶進行拼接時造成的棒體變厚，電機運行中出現的微小波動導致的重量變化或者是機械結構變化產生的棒體變形等問題，這些現象都會使得ZL23濾棒成型機生產出少量的帶有缺陷的濾棒。對于這類情況的出現，一般會利用濾棒在線檢測系統對濾棒進行實時檢測，當發現有帶有缺陷的濾棒出現時，通過通訊連接主機發送警告，再激活濾棒剔除系統對帶有缺陷的濾棒進行剔除動作，以確保最終生產獲得的濾棒都是符合標準的成品。

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

同樣的，ZL23濾棒成型機的剔除系統也一般都設置在位于機器機頭部位的V型槽裝置中，通過壓縮空氣將帶有缺陷的濾棒打出V型槽裝置以達到剔除缺陷濾棒的目的。但是，在實際的生產過程中，發現當設備車速達到95m/min及以上車速時，濾棒剔除成功率低，剔除不徹底，極易出現濾棒剔除不徹底，堵塞濾棒通道，造成跑條現象。那么，為了改善這種剔除方式所造成的跑條情況，以及避免設備有效作業率下降等問題，本文提出了一種改良的ZL23濾棒成型機的剔除系統。

1.1 項目目的與項目意義

使用V型槽進行剔除的這些機組剔除廢棒的功能大多數只能實現在連續高速生產的過程中連續剔除多支廢棒。有少部分機型實現了V型槽單支剔除廢棒的功能，但是由于其成本較高且調試難度較高，導致普及率不高。同時，由于V型槽的機械結構，使得剔除完全依賴壓縮空氣，壓縮空氣的穩定程度不確定且剔除閥的精度問題，可能會導致濾棒剔除動作沒有達到剔除要求，使得機器在高速運轉時，剔除的壓縮空氣未能使其沖擊的濾棒達到要求的剔除位置，在這種情況下，就會造成廢棒卡在V型槽中，最終導致機器出現跑條現象。

為了改進這一缺點，本文提出了一種設置于分煙輪的剔除裝置。由于分煙輪的機械結構是帶有多個槽位的筒狀，這種結構在剔除的過程中就不會出現卡棒的情況。同時，分煙輪的位置獨立于主電機，那么即使系統剔除失敗也并不會影響到主電機的生產，從而杜絕了主電機跑條的現象。另外，分煙輪根據槽位進行剔除的工藝也可以更加方便的進行單支剔除的改造。

1.2 改良系統簡介

本文提出的改良ZL23濾棒成型機剔除系統是由硬件組件與人機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裝置在檢測過程中的信號的輸出與采集，PLC控制器的信號輸入與輸出以及相應的執行元件，如高速固態繼電器與高速剔除閥等。而人機交互組件使用的是倍福HMI人機交互界面，經過系統組態的編寫之后，改良的系統能夠通過HMI來對相應的剔除參數進行設置、對采樣的結果進行顯示，還可以將生產中產生的廢棒統計并繪制相應的曲線。以此更加直觀且便捷的對剔除系統進行實時的反饋與調整。

該系統中的執行元件主要作用于ZL23濾棒成型機的分煙輪位置。在機器進行生產時，當濾棒檢測裝置檢測出廢棒時，系統接收到具體的信號。通過系統計算每支濾棒所經過的模長與需要剔除的電機位置時，通過位于分煙輪8點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 設計方法

原有ZL23濾棒成型機剔除系統存在兩個主要的缺陷：1.設備存在V型槽位置卡棒的跑條風險。2.原有剔除系統不能對于單支缺陷濾棒進行剔除，只能夠多支嘴棒同時剔除的問題。

對于第一個缺陷本文提出了將剔除系統執行機構從原有機器的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。對于第二個缺陷，提出的改良剔除系統，使用能夠在30-40ms內完成一次打開/閉合動作的高速剔除閥，實現單支缺陷濾棒的剔除功能。

2.1 改良剔除系統工藝

改良ZL23濾棒成型機剔除系統工藝結構如下圖1所示。

圖1 改良剔除系統工藝結構

根據上圖所示，整個剔除系統的工藝流程為開環控制。通過檢測元件實時檢測生產的濾棒狀態，經過相應的濾波算法將濾波后的信號輸入控制器。當出現缺陷濾棒時，檢測元件的輸出模擬量出現變化，控制器接收到缺陷濾棒信號。同時根據位于主電機的編碼器將主電機的實時位置反饋給控制器，通過HMI上設置的剔除參數，控制器計算出剔除缺陷濾棒的時候主電機應在的位置。當主電機達到相應的剔除位置時，控制器向執行機構輸出控制信號，在單支缺陷濾棒到達指定位置時，快速開啟剔除閥將單支缺陷濾棒剔除。

2.2 改良剔除系統工藝

主機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。同時在切割濾棒的過程中，記錄濾棒切割位置頭與尾的主電機位置，將相關信息傳輸至控制器中。

改良ZL23濾棒成型機的分煙輪的運動位置如下圖2所示。

如上圖所示，分煙輪逆時針運動。加速輪將濾棒從分煙輪12點鐘方向射入槽內，通過分煙輪槽內的負壓氣流將濾棒吸到槽底位置且固定。逆時針運動到6點鐘方向后，負壓吸附效果完全消失，濾棒從分煙輪槽內掉至輸送帶上。從分煙輪12點方向逆時針運動到6點鐘方向的運動位置區間，為剔除位置的選擇區間。經過負壓吸附力測試，8點鐘位置為最佳剔除點。因為該位置上剔除的濾棒不會由于過于靠近傳送帶而混入良品中，同時，由于分煙輪各個槽位的負壓是逐漸減小的，當高于該位置進行剔除動作時，需要短時間內的強負壓與強正壓交替，整體機械設計難度較高，且效果較差。

3 剔除系統的硬件構成

改良ZL23濾棒成型機的硬件構成主要包含：微波檢測裝置、PLC控制器及其輸入輸出模塊（數字量與模擬量，其中數字量需要高速脈沖輸出模塊）、固態繼電器、高速剔除閥與主機主電機編碼器。同時配備HMI觸摸屏實現人機交互功能。

圖2 分煙輪運動位置示意圖

3.1 微波傳感器

微波傳感器為檢測膠囊濾棒定制的傳感器，其輸出為0-10V的電壓模擬量信號。根據相關的工藝要求與標準，該微波傳感器可以對于膠囊的有無，位置與破裂三種情況進行判斷與檢測。由于微波傳感器會根據經過的部分中的水分含量進行檢測，水分含量越高則輸出的模擬量信號數值越大，而均勻的部分則會輸出一根水平直線，則控制器則可以根據所受到的曲線進行相應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控制器CX2020。該控制器使用InterCoreTMi7dual-coreCPU，同時具有2GB內存。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，則其數據處理速度完全符合本剔除系統的要求。能夠完整且實時的將傳感器接收的濾棒信息輸入處理器之中。

當機器在標準生產速度下（大于100m/min的機械速度），單支濾棒從被主電機切開到移動到分煙輪八點鐘位置的槽位需要約為30-40ms的時間。這意味著在不考慮微波傳感器傳輸數據到PLC控制器的時間的情況下，剔除閥需要滿足在30-40ms內完成一次單獨的打開然后閉合的動作，以此來完成單支廢品濾棒的剔除。但是對于標準的倍福PLC控制器數字量輸出模塊EL2008來說，從PLC輸出數字量信號到繼電器控制剔除閥進行動作的時間需要18-28ms的時間，這遠遠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，本系統選用了響應時間更加短暫的EL2212模塊。該模塊能夠輸出長度為20us的高速脈沖信號，最終通過計算可以得到使用EL2212模塊作為數字量，輸出模塊可以將整個剔除閥開關動作時間縮短到10ms之內。

3.3 主電機編碼器與剔除閥

本文提出的改良ZL23濾棒成型機的剔除系統中的剔除算法是基于主機的主電機位置來計算所需要剔除的廢品濾棒的位置，所以采用絕對值編碼器來對主電機的位置進行檢測。

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人機交互界面

為了能夠實時的觀測到微波傳感器的檢測結果，同時能夠對于缺陷濾棒的剔除位置與其他參數進行設置與調試，則使用了HMI屏幕作為人機交互的中樞。

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進行連接，同時HMI屏幕與PLC通過通信協議ADS進行通訊。

4 剔除系統的軟件算法

4.1 微波傳感器濾波

由于生產現場存在著許多干擾條件，如主機中的電機造成的機器顫動，廠區電壓不穩定產生的微小電壓波動以及機器內部的電氣產生的電磁干擾，會造成微波傳感器所傳輸的實時濾棒的檢測信號出現噪聲。由于這些客觀情況下出現的干擾，微波傳感器所反饋的濾棒實時狀態會出現判斷不準確，從而造成誤剔，或者漏剔的情況，影響剔除系統的精確性與濾棒生產的作業效率。

為了解決這一問題，首先需要對這些干擾所造成的噪聲進行處理。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。通過對于采集帶有干擾的信號進行分析，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，使用卷積運算減少噪聲。因此，本文采用該濾波方式對微波傳感器輸出的采樣信號進行信號預處理。

4.2 剔除算法思路

本文提出的改良剔除系統在原有剔除算法的基礎上也進行了一些變化。原有剔除系統的剔除算法是通過編碼器的旋轉圈數進行計算的。當檢測元件檢測到存在廢品濾棒的存在后，開始累加編碼器所傳輸的主電機圈數。當主電機的旋轉圈數達到測試或者HMI屏幕設置的剔除位置時，開啟剔除閥從而完成廢品濾棒的剔除。

這種原有系統的剔除算法存在著一定的缺陷。首先原有系統使用的是旋轉編碼器，這種編碼器由于只能計算圈數，導致原有剔除算法存在著一定的誤差。而原有系統為了消除這個誤差的影響，則選擇提前在達到位置的時候就開啟剔除閥，然后在經過剔除位置之后再稍微延遲一定的時間進行剔除閥的關閉動作。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不能夠進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采用了能夠判斷電機位置的位置編碼器。采用位置編碼器可以對需要剔除的濾棒從檢測出存在缺陷，到主電機切割出廢棒成品，最后到剔除廢棒進行實時跟蹤。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模長，配合快速剔除閥能夠準確的剔除單支需要剔除的濾棒，避免了原系統為了系統誤差而連續剔除多支濾棒的情況。進而較少了生產過程中的生產損耗，提升了生產效率與生產收益。

4.3 剔除算法設計

為了達到單支廢品濾棒的實時跟蹤的目的，首先需要計算從主機主電機切割位置到分煙輪剔除位置的長度。但這里提到的長度并不是具體的物理長度，而是主電機所轉動的位置。經過測試實驗，低速或點動運行機器，記錄刀頭完成切割濾棒尾部的主電機位置，繼續運行設備，直到濾棒進入分煙輪且旋轉到剔除孔方向，記錄此時的刀頭主電機位置。那么濾棒從刀頭完成切割后輸送到分煙輪旋轉到剔除孔主電機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。這里需要注意的是，由于編碼器有計數溢出后復位的特性，則當第二次記錄的位置小于第一次記錄的位置時，需要加上編碼器旋轉一周的脈沖數264-1。同時，由于分煙輪的運動是與虛軸耦合的，且主電機的運動亦然。那么不管機器生產的機械速度如何，該位置是不變的。另外，E計可以在HMI人機交互界面上進行微調，以確保單支廢品濾棒剔除的準確性。

通過測試得到數據之后，那么在ZL23濾棒成型機實際運轉的過程中，每當微波傳感器檢測到出現缺陷濾棒時，該濾棒經過刀頭進行切割且刀盤旋轉到濾棒尾部的切割點時，PLC控制器將記錄由編碼器記錄的當前主電機位置信息en尾。此時EL5151模塊開始計數，當記錄E剔的脈沖數達到廢品濾棒尾部切割點的主電機位置en尾加上測試時得到的E計時，PLC輸出高速脈沖數字量信號，快速開關剔除閥，從而實現單支廢品濾棒的剔除。同樣的，這里也需要注意編碼器計數溢出后復位的特性，如果編碼器旋轉一圈的脈沖數264-1減去記錄的主電機位置en尾小于測試時得出的主電機到剔除閥位置E計時，則E剔需要加上編碼器旋轉一周的脈沖數264-1進行補償。

5 結語

根據設計方案將改良的ZL23濾棒成型機剔除系統落實后已投入生產。該系統運行情況穩定，對于缺陷濾棒的剔除成功率達到99.8%。所以，該改良系統相比于原有系統的準確性大大提升。

另外，由于將原有系統剔除閥位于機頭V型槽的物理結構改為設置于分煙輪位置。該設計完全實現了對于單支廢品濾棒的精確剔除，同時也完全的避免了出現剔除動作失敗所導致的生產線跑條的現象。極大的提高了機器的有效作業率，使得生產效率進一步的提升。同時，由于改良剔除系統硬件結構簡單，對于系統的維護成本有效降低。