ZJ118卷接機組切紙輪負壓控制系統的設計

陳榮林，陳杰，朱登科，鄭友東，黃蘇龍

江蘇中煙工業有限責任公司徐州卷煙廠，江蘇省徐州市云龍區珠江路88號 221000

ZJ118型卷接機組生產煙支直徑≤7.0 mm卷煙時，額定生產速度為6 000支/min，通常采用剪切方式進行接裝紙分切［1］。在剪切過程中，切紙輪通過負壓風機提供的吸風吸附接裝紙，其負壓大小需要通過手動調節負壓閥，而刀片與切紙輪則采用點接觸方式對接裝紙進行分切［2］。由于接裝紙種類以及批次間材料特性存在差異、吸風通道堵塞等因素的影響，導致生產過程中接裝紙在切紙輪上的拉力時大時小，容易發生接裝紙斷裂、紙邊長短不齊、煙支泡皺和漏氣等質量問題［3-5］。近年來，針對接裝紙切割問題的研究主要集中在橫向糾偏改進［6］、刮紙拉磨改進［7］、切紙輪刮刀裝置研制［8］、切紙輪負壓風道清潔裝置設計［9］等方面，對于ZJ118機組切紙輪負壓自動控制方式的研究則鮮見報道。為此，采用PLC控制和力傳感技術，結合軟件算法優化，設計了一種切紙輪負壓自動控制系統，以期實現接裝紙拉力的實時監測和穩定控制，提升卷煙產品質量和生產效率。

1 問題分析

1.1 接裝紙切割原理

如圖1所示，接裝紙切割系統由切刀輥2、切紙輪3、真空泵4、上膠系統5、供紙輥6、橢圓輥7、從動輥8等部分組成。該系統位于上膠系統與搓接系統之間，主要是將涂膠后接裝紙切割成定長尺寸的接裝紙片。設備運行時，真空泵提供的負壓空氣通過切紙輪上的吸風孔將接裝紙吸附在切紙輪的圓弧上，接裝紙跟隨切紙輪做順時針轉動；切刀輥與切紙輪轉動方向相反，刀片內高外低，主要完成由內到外的接裝紙剪切任務。因供紙輥的線速度略低于切紙輪的線速度，在分切之前接裝紙在切紙輪上形成一段距離的滑差［10］。而在分切過程中，通過橢圓輥的補償作用，接裝紙與切紙輪線速度保持一致，保證在接裝紙無膠區內完成接裝紙切割。因切紙輪線速度較高，分切后接裝紙片將分開一定距離，并輸送至后續搓接工序。

圖1 接裝紙切割系統結構示意圖Fig.1 Structure of tipping paper cutting system

在此過程中，接裝紙分切之前在切紙輪上產生的相對位移稱為滑差，計算公式［11］：

式中：ΔL為滑差，mm；d切為切紙輪直徑，mm；L為接裝紙片長度，mm。

已知d切=150 mm，常規卷煙接裝紙片長度L常=27 mm，中支卷煙接裝紙片長度L中=22 mm。由公式（1）可知，常規卷煙的滑差ΔL常=12 mm，中支卷煙的滑差ΔL中=17 mm。可見，中支卷煙的滑差比常規卷煙長5 mm，由此影響中支卷煙接裝紙在切紙輪上的平穩性。

1.2 存在問題

分析可知，在分切之前接裝紙在切紙輪上產生相對位移期間，接裝紙與切紙輪之間存在滑動摩擦力f，即f=μ×P×S。其中，μ為接裝紙印刷面動摩擦系數（無量綱），P為真空泵產生的負壓（Pa），S為接裝紙與切紙輪吸風孔的吸附面積（m2）。可知，當動摩擦系數μ較小、真空泵負壓設置P較小或切紙輪吸風通道堵塞時，滑動摩擦力f較小，切紙輪上的接裝紙拉力變小，造成中支卷煙接裝紙在切紙輪上產生的相對位移較大，進而導致接裝紙在切紙輪上出現反折錯位、切割不齊等現象，甚至在回彈力作用下出現接裝紙斷裂等問題；當動摩擦系數μ較大、真空泵負壓P設置較大時，滑動摩擦力f較大，切紙輪上的接裝紙拉力變大，同樣容易造成接裝紙斷裂、切割不齊等問題。可見，中支卷煙接裝紙批次間或品牌間的印刷面動摩擦系數存在差異、切紙輪吸風通道堵塞等原因，均會導致切紙輪上接裝紙拉力產生波動，進而影響接裝紙在切紙輪上的平穩性。因此，保持切紙輪上接裝紙拉力穩定，可有效改善接裝紙切割效果；通過對接裝紙拉力進行實時監控，可及早發現切紙輪吸風通道堵塞等問題。

2 系統設計

基于接裝紙拉力設計的切紙輪負壓控制系統主要包括拉力測量輥、嵌入式控制器CX1020、模擬量輸入模塊EL3162、模擬量輸出模塊EL4002、人機界面、負壓旁通比例調節閥（以下簡稱負壓調節閥），見圖2。CX1020系列控制器嵌入模擬量輸入模塊EL3162和模擬量輸出模塊EL4002［均為德國倍福（BECKHOFF）自動化有限公司產品］。利用拉力測量輥檢測接裝紙拉力，拉力測量范圍為0～100 N，將接裝紙拉力轉換為電壓信號輸入至模擬量輸入模塊EL3162。負壓調節閥安裝于負壓吸風主通道中，通過程序控制，模擬量輸出模塊EL4002將0～10 V電壓信號輸出至負壓調節閥；當輸出電壓為10 V時，負壓調節閥全開，此時切紙輪上負壓吸風最小。

圖2 切紙輪負壓控制系統原理圖Fig.2 Principle of negative pressure control system in tipping paper cutting drum

2.1 拉力測量輥

由于ZJ118機組內部空間尺寸受限，市售傳感器無法直接安裝使用，故設計了一套接裝紙拉力測量輥。該裝置由拉力傳感器3、檢測支架2、底座1、鎖緊套4、傳遞軸8、導紙輥6等組成，見圖3。使用拉力測量輥取代圖1中的從動輥，沿接裝紙運行方向安裝于接裝紙供紙輥與上膠系統之間；拉力傳感器嵌入檢測支架內并通過螺釘緊固，檢測支架通過底座固定于設備后墻板上；拉力傳感器端部測力軸與導紙輥、傳遞軸通過鎖緊套緊固連接。改進后接裝紙在輸送過程中位于輸送輥中間，利用切紙輪負壓吸附力對輸送的接裝紙產生拉力。

圖3 拉力測量輥結構示意圖Fig.3 Structure of tension measuring roller

2.2 受力分析

接裝紙拉力測量輥整體固定在接裝機內壁上，該裝置可轉化為一個懸臂梁受力模型。假設接裝紙被切紙輪負壓吸附牢固，切紙輪轉速恒定，則接裝紙所受拉力大小恒定且處處相等。因接裝紙拉力可等效為接裝紙對測量輥的壓力，故壓力大小為定值。拉力測量輥分為構件1和構件2兩部分，分別對測量輥整體和構件1進行受力分析，見圖4和圖5。其中，A、B、C為3個受力分析點，假設接裝紙拉力沿紙方向均勻分布，且接裝紙平直展開，則可將接裝紙拉力簡化為居于紙中心的一個拉力。

圖4 拉力測量輥受力分析Fig.4 Force analysis of tension measuring roller

圖5 構件1受力分析Fig.5 Force analysis of Component 1

對拉力測量輥整體進行受力分析，可得：

對構件1進行受力分析，可得：

式中：∑Fx為水平方向受力之和，N；∑Fy為豎直方向受力之和，N；∑MB為B點所受力矩之和，N·m；Fbx為B點水平方向受力，N；Fby為B點豎直方向受力，N；Mb為B點所受力矩，N·m；Fa為A點所受接裝紙拉力，N；Fc為連接件對C點的壓力，N；L1為接裝紙拉力力臂，m；L2為連接件壓力力臂，m；Mc為連接件對C點作用力矩，N·m。

通過對拉力測量輥整體和構件1進行受力分析，可以求得C點的受力情況，Fc=Fa，Mc=Fa（L1-L2），即通過傳感器檢測C點的受力情況即可實時監測接裝紙拉力大小。

2.3 濾波采樣

在接裝紙輸送切割過程中，橢圓輥（圖1）順時針轉動會造成接裝紙拉力瞬時波動。為克服周期性拉力波動以及偶然因素引起的干擾對PID調節控制產生影響，采用移動平均值濾波算法對接裝紙拉力采樣值進行濾波處理。在Twincat程序中調用“FB_CTRL_MOVING_AVERAGE”功能塊，并在變量聲明區定義一個數組，按順序存放N個拉力采樣值。每采集一個新樣本，就將最早采集的樣本刪掉，而后求取包括新數據在內的N個數據的算術平均值。以ZJ118機組額定生產速度6 000支/min計算，濾波采樣間隔時間T應小于切紙輪輸送切割1張接裝紙片的時間20 ms。當N取值較小時，采樣長度過短會導致濾波平滑效果較差，引起PID調節出現振蕩現象；當N取值較大時，采樣長度過長會導致控制負壓調節閥的輸出信號滯后。現場調試結果顯示，N取值在35~65范圍內較為適宜。

2.4 控制方法

①首先關閉負壓調節閥，此時切紙輪上負壓最大。在停機狀態下由拉力傳感器測量接裝紙拉力，模擬量輸入模塊接收拉力傳感器測量的數字量整型INT數值Vmax，通過D/A轉換公式Xmax1=INT TO REAL（Vmax）×100/32 767，得到拉力最大值Xmax1；利用公式Xmax=INT TO REAL（REAL TO INT（Xmax1×10））/10，將拉力采樣值Xmax精確至小數點后一位，即0.1 N。

②設備正常運行時，接裝紙拉力設定值為Xpv，Xpv

④當控制方式為手動時，按照人機界面上顯示的接裝紙拉力實際值Xav手動設定調節開度，負壓調節閥按照設定的開度進行動作，設定范圍為0～100%。其中，100%為負壓調節閥全開，此時切紙輪負壓最小。

⑤當控制方式為自動時，系統比較接裝紙拉力設定值Xpv與實際值Xav之間的差值X（t），利用PID調節控制負壓調節閥輸出信號，傳遞函數G（t）=其中，Y為PID控制輸出值，調節區間為0～100。經現場調試，設比例系數Kp=2，積分時間Tn=50 ms，阻尼時間Td=100 ms，導數時間Tv=10 ms，控制效果最佳。

⑥按照模擬量輸出電壓量程，通過轉換公式YA=REAL TO INT（（100-Y）×32 767/100），將PID輸出控制值Y進行轉換，得到最終輸出量YA，與模擬量輸出模塊輸出電壓相對應。

2.5 人機界面

采用Visualization可視化界面技術，設計切紙輪負壓控制系統實時監控畫面，可顯示接裝紙拉力實際值、設定值，手動、自動控制模式以及負壓調節閥開度等內容，見圖6。在自動模式下，控制系統比較接裝紙拉力設定值與實際值，通過負壓調節閥自動調節切紙輪負壓大小。當接裝紙拉力實際值過小時，表明切紙輪負壓偏小，此時可能存在吸風通道堵塞等問題。

圖6 人機界面示意圖Fig.6 Schematic diagram of human machine interface

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“蘇煙（彩中）”牌卷煙，圓周20 mm，長度88 mm（江蘇中煙工業有限責任公司徐州卷煙廠提供）；接裝紙寬度74 mm（徐州紅杉樹紙業有限公司）。

設備：ZJ118型卷接機組（常德煙草機械有限責任公司）。

方法：生產環境溫度20～30℃，相對濕度50%～65%，將切紙輪負壓控制系統應用于ZJ118機組，機組運行速度6 000支/min。①將接裝紙拉力設定值依次設為9、8、7、6和10 N，監測接裝紙拉力變化曲線，驗證負壓控制系統調節穩定性。②將接裝紙拉力設定值依次設為12 N（調節極限+1 N）、11 N，監測接裝紙拉力變化曲線，驗證接裝紙在切紙輪上的輸送效果。③分別統計改進前后接裝紙斷裂次數、手動調節負壓次數，每隔1 h對煙支質量進行一次抽檢，抽檢數量200支/次，每班次抽檢8次，依據《卷煙工藝規范》［12］對煙支卷制質量進行評價。統計周期為10班次，取平均值。

3.2 數據分析

3.2.1 切紙輪負壓調節控制結果

由圖7可見，左側部分為接裝紙拉力變化曲線。紅色虛線為接裝紙拉力設定值，對應于右側“SETPOINT”數值顯示框；綠色實線為當前值，對應于右側“Actual value”數值顯示框。當接裝紙拉力從9 N變化到6 N再突然增加到10 N時，系統輸出的動態響應迅速，超調量和振蕩次數較少，通過實時調節負壓調節閥，接裝紙拉力能夠快速達到設定值并保持拉力曲線穩定。表明系統PID調節參數設定正確，負壓控制系統運行穩定可靠。

圖7 切紙輪負壓調節控制曲線的顯示界面Fig.7 Display interface of negative pressure adjustment curve of tipping paper cutting drum

3.2.2 接裝紙拉力變化結果

當接裝紙拉力設定超出調整范圍時，負壓調節閥全關，負壓控制系統未發生作用，等同于手動狀態。由圖8可知，未啟用切紙輪負壓控制系統時，接裝紙拉力曲線多次出現波動，這可能與接裝紙材料特性存在差異以及內部吸風通道堵塞有關；當使用切紙輪負壓控制系統時，接裝紙拉力曲線平穩未出現波動，表明負壓控制系統可以提升接裝紙在切紙輪上的輸送穩定性。

圖8 接裝紙拉力變化的顯示界面Fig.8 Display interface of tipping paper tension variation

3.2.3 煙支卷制質量對比

由表1可見，應用切紙輪負壓控制系統后，ZJ118機組接裝紙斷裂次數由2.1次/班次減少至0.1次/班次，手動調節負壓次數由0.5次/班次降低為0，接裝紙搭口翹邊、紙邊不齊、煙支泡皺現象明顯改善，煙支卷制質量得分由98.7分提升至99.4分。

表1 切紙輪負壓控制系統應用前后煙支卷制質量對比①Tab.1 Comparison of cigarette manufacturing quality before and after application of negative pressure control system in tipping paper cutting drum

4 結論

基于力傳感原理和力傳導受力分析研制了接裝紙拉力測量輥，將BECKHOFF控制系統、PID調節技術和移動平均濾波算法相結合設計了基于接裝紙拉力的切紙輪負壓控制系統，實現了對接裝紙切紙輪負壓的自動調節和精確控制。以徐州卷煙廠使用的ZJ118卷接機組為對象進行測試，結果表明：①切紙輪負壓調節控制PID參數設定正確，系統輸出動態響應迅速，運行穩定可靠；②應用切紙輪負壓自動控制后，接裝紙拉力曲線變化平穩，有效提升了接裝紙在切紙輪上的輸送穩定性；③應用后ZJ118機組接裝紙斷裂次數由2.1次/班次減少至0.1次/班次，手動調節負壓次數由0.5次/班次降低為0，煙支卷制得分由98.7分提升至99.4分，提升了設備運行有效作業率和卷煙產品質量。