本文介紹了光電式直徑控制系統(tǒng)在纖維濾棒成型機(jī)中的應(yīng)用，對濾棒直徑的控制方案及原理進(jìn)行了詳細(xì)說明。 1 引言 纖維濾棒成型機(jī)是制造卷煙過濾嘴必不可少的設(shè)備。它生產(chǎn)的濾棒經(jīng)切割處理后成為符合要求的香煙過濾嘴。煙嘴質(zhì)量的好壞直接影響到香煙的口感和對煙氣中有害物質(zhì)的過濾。濾棒的直徑是考核其品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，控制產(chǎn)品直徑的波動狀況直接影響到以后生產(chǎn)工藝流程的效果。隨著煙草設(shè)備日新月異的發(fā)展，煙廠對濾棒質(zhì)量的要求不斷提高，新型的直徑控制系統(tǒng)的研發(fā)逐漸成為成型工藝中重要的課題。 2 氣路式直徑檢測/控制系統(tǒng)的簡介 ZL22D型纖維濾棒成型機(jī)是在引進(jìn)德國的技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)的較新型濾棒成型機(jī)組，采用了Lenze公司的伺服控制系統(tǒng)，大幅提升了機(jī)組性能。然而，該機(jī)組對于濾棒直徑的檢測及控制系統(tǒng)仍然停留在利用可控硅檢測氣壓的檢測方式上。 其工作原理圖如圖1所示:當(dāng)機(jī)組正常生產(chǎn)時(shí)，濾棒不斷被送入檢測氣室內(nèi)，電磁閥打開，由氣源向檢測氣室和直徑控制儀送入穩(wěn)定流量的壓縮空氣，通過檢測氣室內(nèi)空氣的氣壓大小就間接反映了濾棒的直徑，氣壓和直徑的值在一定范圍內(nèi)是呈線性關(guān)系的，隨后直徑控制裝置將氣壓信號通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?電壓信號被送入計(jì)算電路進(jìn)行處理，并通過可控硅決定繼電器K1或K2的輸出與否。以此控制電機(jī)M是處于正向運(yùn)行還是反向運(yùn)行。該電機(jī)抬升或者下壓成型槍來實(shí)現(xiàn)對濾棒直徑的調(diào)整。 該電機(jī)輸出軸上帶有大比例的減速器，電機(jī)運(yùn)行位移計(jì)算的分辨率高，能夠高精度的控制行距來調(diào)整濾棒直徑。 是使用了這樣的氣壓檢測裝置，在實(shí)際使用中就面對不少難以解決的問題: （1）氣路搭建復(fù)雜，占空間多，長時(shí)間的使用會引起各種氣管老化后，氣路密封性能的降低容易影響控制精度。 （2）隨著長時(shí)間的使用，氣壓檢測室中容易出現(xiàn)積灰，從而降低檢測精度，需要經(jīng)常清潔、保養(yǎng)。 （3）計(jì)算電路雖然響應(yīng)較快，但控制方式卻比較落后。 （4）正常工作時(shí)，氣路產(chǎn)生的噪音很大。 （5）氣路受環(huán)境因素影響大，環(huán)境溫度和濕度會影響氣體的膨脹度和密度，從而影響直徑控制的正常工作。 氣動式控制器存在的不足之處，本次改造決定取消氣路式控制系統(tǒng)的檢測部分的元件，采用光電式直徑控制系統(tǒng)，取消內(nèi)部運(yùn)算的電路板，改由PLC控制并計(jì)算內(nèi)部參數(shù)，保留氣路式控制的執(zhí)行部分元件。 3 光電式直徑檢測的器件選擇 采用光電式檢測器作為直徑控制器的檢測元件，確實(shí)能彌補(bǔ)氣路式控制的許多不足。光電式檢測器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，使用壽命長，不容易受環(huán)境影響，工作時(shí)無任何噪音。最重要的是光電式檢測器可以在犧牲一定可容忍的快速性的基礎(chǔ)上，提供各種形式的電壓信號給PLC，利用PLC強(qiáng)大的計(jì)算能力可以對信號進(jìn)行自動化控制能力較高的控制策略，這樣可以提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。 在光電式檢測器的選型方面需要考慮如下因素： 該光電式檢測器必須能夠在暗室內(nèi)進(jìn)行工作; 該光電式檢測器的檢測精度不得低于0.01mm; 該光電式檢測器體積有一定限制。 經(jīng)過反復(fù)比較和咨詢，最終選擇了KEYENCE公司的LS-7000系列的傳感器。其檢測的靜態(tài)精度為0.2μm ，動態(tài)精度為2μm ，采樣速度最高為4096次/s。 4 單向光電式直徑檢測的理論依據(jù) 濾棒的圓度實(shí)際上是由調(diào)整濾棒成型腔的形狀保證的，而濾棒成型后的膨脹或收縮顯然是服從擴(kuò)張?jiān)瓌t的，這種形體的變化應(yīng)該是在空間各個(gè)方向都具有相同的矢量值，即某一截面上各個(gè)方向的膨脹或收縮的形變情況是相同。雖然還要考慮到重力影響及爾后刀盤切割所帶來的沖擊形變，但依然可以肯定濾棒的橫截面是圓或近似圓的。由此，單向檢測所得的數(shù)據(jù)必定就是其直徑數(shù)據(jù)。 前所采取的控制方式并非是最合適的控制方式。由于濾棒是由絲束壓制而成，而絲束的密度并不恒定，有大小變化，所以直徑也就有變化。這種變化并不是連續(xù)的線性變化，而是連續(xù)的非線性變化，這就無法以線性函數(shù)表示，而是非線性函數(shù)。 5 光電式直徑控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在新的光電式直徑控制系統(tǒng)中，整體的設(shè)計(jì)方案如下： （1）擬采用一組光電傳感器取代目前的檢測單元：用傳感器探測濾棒的直徑（X方向），所得信號以電壓形式輸入PLC。操作人員可以通過人機(jī)界面HMI進(jìn)行參數(shù)設(shè)定與數(shù)據(jù)反饋。 （2）直徑控制電機(jī)的啟動電路和直徑控制執(zhí)行單元：直徑控制執(zhí)行單元保留原來的設(shè)計(jì)，直徑控制電機(jī)輸入控制由PLC的I/O通過原電路進(jìn)行控制。 （3）直徑控制裝置的機(jī)械部件：對大部分機(jī)械部件不予更換，但對機(jī)組相關(guān)防護(hù)部件、直徑測量部件必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。 （4）原有氣路部件：全部移除。 5.1 硬件設(shè)計(jì) 本次改造的硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。 本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是在原來氣動式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造而成的，去除了原來繁雜的直徑控制電路，電磁閥，檢測氣室，氣路元件，增加了一組光電檢測器。 當(dāng)濾棒成型后通過光電檢測裝置，由光電檢測發(fā)射器向光電檢測接收器發(fā)射一道光幕，濾棒穿過光幕后阻擋了部分光的接收，光的發(fā)射量于接收量之間的差值就反映了濾棒的直徑。 當(dāng)濾棒的直徑變大時(shí)，濾棒遮擋光線量增大，光電檢測接收器的光線的接收量將減少，光電檢測接收器將發(fā)射量與接收量的差值轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬量信號傳遞給上位PLC，由PLC進(jìn)行相關(guān)模擬量的控制計(jì)算，給出數(shù)字量信號控制繼電器K1吸合K2斷開，于是直徑控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)下壓成型槍使得濾棒直徑變小。 反之，當(dāng)濾棒的直徑變小時(shí)，濾棒遮擋光線量減小，光電檢測接收器的光線的接收量將增大，光電檢測接收器將發(fā)射量與接收量的差值轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬量信號傳遞給上位PLC，由PLC進(jìn)行相關(guān)模擬量的控制計(jì)算，給出數(shù)字量信號控制繼電器K1斷開K2吸合，于是直徑控制電動機(jī)反轉(zhuǎn)下壓成型槍使得濾棒直徑變大。 5.2 軟件控制的設(shè)計(jì)過程 由于絲束的密度并不均勻而且呈現(xiàn)出非線性，所以經(jīng)過成型腔后的濾棒所產(chǎn)生的直徑變化也是非線性的。在此基礎(chǔ)上，所采取的控制方式要針對這種非線性變化而設(shè)計(jì)。 首先，我們分析一下濾棒直徑的變化情況。 當(dāng)經(jīng)過開松的絲束完成濾棒成型工藝之后，在成型腔不變化的前提下，濾棒的直徑在離開成型腔的一剎那，其直徑是相同的。然后，由于濾棒所包裹絲束的密度不同，造成直徑變化。也就是說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(yīng)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。其推算公式如下： 公式1 濾棒直徑變化的推算公式 公式中x和t分別代表了成型腔位置值和時(shí)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(yīng)時(shí)間而產(chǎn)生直徑變化的非線性方程，而∑ei（t）表示其它因素對應(yīng)時(shí)間而產(chǎn)生直徑變化的線性及非線性方程組。 其次，我們要明確我們的控制對象。 由于∑ei（t）可以被認(rèn)為是誤差，所以在控制中可以將此當(dāng)作一種干擾因素而非控制對象，將公式簡化為： 公式2 濾棒直徑變化的簡化公式 所以，我們的控制對象就是成型腔位置對直徑變化的線性方程和絲束密度對應(yīng)時(shí)間而產(chǎn)生直徑變化的非線性方程。 最后，我們要依據(jù)控制對象來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。 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，但是可以判斷它是服從概率上的泊松分布。故而絲束密度對應(yīng)時(shí)間而產(chǎn)生直徑變化的非線性方程的結(jié)果值也是服從泊松分布。所以，控制程序的設(shè)計(jì)中就采用自適應(yīng)控制算法進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。編寫部分主要程序如圖3所示。 同時(shí)，為了使用者更加方便的設(shè)置各種直徑控制的相關(guān)參數(shù)以及即時(shí)顯示當(dāng)前濾棒直徑值和變化情況，需要在原先的人機(jī)界面中增加新的頁面，其頁面如圖4所示。 該頁面包含了當(dāng)前濾棒的直徑顯示，該直徑轉(zhuǎn)換成圓周值的顯示，直徑的給定值與允許范圍上下限的設(shè)置。 同時(shí)為了方便操作者使用，該頁面設(shè)置了正反轉(zhuǎn)按鈕允許操作者直接控制電機(jī)動作抬升或下壓煙槍控制直徑，這樣可以方便操作者自由的修整偏差。該界面的設(shè)計(jì)盡可能的保留了氣路式控制的基本功能，能使操作者更方便快捷的學(xué)習(xí)使用新裝置。 6 調(diào)試與總結(jié) 在完成裝配和調(diào)試后，改進(jìn)后的設(shè)備進(jìn)入實(shí)物試車階段，該裝置運(yùn)行情況良好，能夠較準(zhǔn)確的控制濾棒的直徑并且克服了原裝置的種種不足之處。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，為了能夠保證光電式直徑控制器的運(yùn)行，必須精確的調(diào)整成型槍的形狀來保證濾棒圓度，由此可見該裝置對機(jī)組的機(jī)械調(diào)整提出了新的要求。 7 結(jié)束語 電控系統(tǒng)日新月異的發(fā)展帶來了各種全新的檢測手段和檢測儀器，全新的控制理念和方法，對于濾棒直徑的光電式檢測/控制系統(tǒng)是對煙草設(shè)備的一種全新的設(shè)計(jì)嘗試：即完全不依據(jù)外力而自己獨(dú)立分析、設(shè)計(jì)整個(gè)控制系統(tǒng)。 同時(shí)，如果將目前所采用的控制電機(jī)改為Lenze公司0.25kw的交流伺服電機(jī)，將進(jìn)一步提高機(jī)組的控制精度和能力。 第二屆伺服與運(yùn)動控制論壇論文集第三屆伺服與運(yùn)動控制論壇論文集