ZL22 濾棒成型機新型直徑控制裝置的設計

柏焱煒 謝慶通訊作者 尹嵩 何屹

濾棒成型機組作為卷煙生產中不可或缺的重要機組，其性能直接影響卷煙制品質量。濾棒直徑作為濾棒質量的關鍵因素之一，直接影響后續卷煙拼接的質量。在濾棒的生產過程中，直徑控制大多采用氣壓控制方式。利用氣壓變化計算濾棒直徑。但氣壓本身受環境溫度和濕度影響導致氣體膨脹度和密度發生變化，同時由于生產環境多粉塵等不利因素，均會影響直徑控制的精度。

1 原氣壓式直徑控制系統的簡介

以市場上占有率較高的ZL22 型及衍生型濾棒成型機為例，其直徑控制系統仍然采用老式的氣壓式控制。具體的工作原理如圖1所示。

圖1 氣壓式直徑檢測儀的工作原理示意圖

濾棒生產時，電磁閥打開，向檢測氣室提供一定氣壓的壓縮空氣。壓縮空氣氣壓值作為基礎計算值由直徑控制儀進行計算。而濾棒成型機組將濾棒不斷送入檢測氣室內，將導致氣壓變化，進而得到一個新的氣壓值。新舊氣壓值的差值，通過計算可以得出氣室內濾棒的體積。由于氣室長度固定，這個體積值可導出濾棒平均橫截面大小。再根據π r2的圓面積公式，計算出濾棒直徑。

但因絲束不均勻性會導致濾棒直徑變化，引起檢測氣室內氣壓變化，直徑控制儀內置計算電路將氣壓信號轉變為電壓信號，并通過電壓差控制繼電器K1，K2 的輸出，通過K1 和K2 的動作來控制直徑控制電機M 的正反轉。

當濾棒直徑變大后，檢測氣室內氣壓升高，直徑控制儀使得繼電器K1 的線圈得電，令K1 吸合，同時放開K2，控制電機正轉使成型腔下壓以減小濾棒直徑，反之亦然。

2 氣壓檢測的不足之處

氣壓檢測裝置對氣源為純凈壓縮空氣。濾棒進入檢測氣室時，會帶入粉塵。為避免直徑控制出現偏差，工作一定時間需清潔檢測氣室；同時氣壓檢測裝置在多塵的環境下對測量及計算部件存在損傷；生產企業多擁有溫度和濕度檢測調節裝置，但仍不能避環境溫濕度對氣源氣壓的影響，需定期校準檢測裝置；氣壓檢測搭建相對復雜的氣動系統，產生噪聲。

3 新型濾棒成型機組直徑控制裝置的設計

3.1 對濾棒的橫截面形狀的分析

考慮到濾棒其實是由高密度絲束壓制而成的，而濾棒成型后絲束會有一定回彈力，由于回彈力的不確定性，濾棒的橫截面形成近似圓。由此，需檢測X 軸和Y 軸兩個方向的濾棒直徑。

3.2 選擇檢測方式

由于氣壓檢測的局限性，現代濾棒生產工業在電磁式傳感器和光電式的傳感器中選擇。而電磁式傳感器、光電傳感器因多種原因精度無法滿足濾棒生產企業質量控制要求。因為本文討論使用光幕式傳感器進行直徑的檢測，如圖2 所示。

圖2 反射式與光電式傳感器的區別

高精度光幕式傳感器，其精度可達到為0．2μm（靜態）/2μm（動態）；檢測范圍為0 到33mm；電壓輸出為0 到10v。成型腔所造成的空間最大檢測誤差（即光幕不垂直于濾棒）一般為2μm 以內；與一般PLC 的模擬輸入模塊的電壓檢測的誤差為0．3μm；測量誤差疊加控制在±5μm。參考生產企業圓周通用標準±0．1mm-0．2mm，即直徑的誤差為±30μm 以上，故檢測單元性能滿足使用要求。

3.3 對濾棒直徑變化的分析

由于絲束的密度并不均勻而且呈現出非線性，所以經過成型腔后的濾棒所產生的直徑變化也是非線性的,會影響到濾棒質量控制。開松的絲束完成濾棒成型后，濾棒直徑在離開成型腔時，其直徑是相同的。然后濾棒雖然在某一截面上膨脹或收縮的空間各方向的矢量相等，但不同截面所對應的矢量之間是不相等的。加上盤紙、膠水等因素的影響，造成了濾棒直徑變化的非線性。其推算公式如式（1）所示：

公式中x 和t 分別代表了成型腔位置值和時間值。D(x,t)是直徑變化公式，f(x)指成型腔位置對直徑變化的線性方程，c(t)指絲束密度對應時間而產生直徑變化的非線性方程，而∑ei(t)表示其它因素對應時間而產生直徑變化的線性及非線性方程組。由于∑ei(t)可以被認為是誤差，所以在控制中可以將此當作一種干擾因素而非控制對象，將公式簡化為式（2）：

成型腔位置對直徑變化的線性方程可以被看成是一元一階的比例方程。而對于密度的變化雖然是非線性的，可以判斷滿足泊松分布，即在成型腔固定的情況下，絕大部分的濾棒直徑都是在相同范圍內的。故而絲束密度對應時間而產生直徑變化的非線性方程的結果值也是服從泊松分布。但是c(t)的變化是相對微小的，且是連續非線性的，不會存在階躍。

3.4 新型濾棒成型機組直徑控制裝置的設計方案

本文采用三組高精度光幕式傳感器。其中兩組傳感器以固定位置的方式探測濾棒的直徑（X 方向和Y 方向）；另外一組傳感器，以每秒15°的角速度來回旋轉，檢測120°范圍內的濾棒的直徑，如圖3 所示。所得三個數值信號以電壓形式輸入PLC，由PLC 控制原來的K1 和K2 繼電器，從而控制直徑控制電機的運動，如圖4 所示。

圖3 三組光幕式傳感器的檢測方向

在計算中，旋轉方向是輔助參考量，不是受成型作用力的主要方向，而X 和Y 方向則是主要參考量，是受到成型作用力的主要方向。三個方向的直徑傳感器所得數據進行帶權重的數學平均，以X 方向、Y 方向和旋轉方向權重比為4:4:2。例如，假設X 方向的直徑為7．70mm，Y 方向為7．75mm，而旋轉方向為7．65mm，數學平均應為7．70mm，而計算帶權重的數學平均就是7．71mm。

而在控制電機的方面，考慮到控制對象為非線性系統的原因，采用智能算法“蟻群算法”。讓程序自動尋找對應的不同絲束、不同密度和不同開松之間的最佳電機動作時間是整個控制系統的控制關鍵。故而，在控制程序上，基于“蟻群算法”編寫了“自適應”程序，濾棒直徑超過偏差程序自動糾偏，抬升或降低成型腔。經過改良后的控制方式，更為有效的保障了產品質量。

圖4 新型濾棒成型機組直徑控制裝置的設計方案

4 結語

控制技術的發展不斷在促進濾棒成型機組性能的提高，也使卷煙生產企業對濾棒成型機組性能有了新的追求。煙草機械制造行業的發展戰略是跟蹤戰略，走的是引進、消化、吸收、提高與創新的路子。而新型濾棒直徑控制裝置的設計正是為了更好地創新控制技術，為中國擺脫如德國的HANUI，意大利的GD 公司那樣的煙草機械“托拉斯”的技術壟斷的一種有益嘗試。