一種用于細支煙卷煙機的重量控制系統

楊旭 韓忠華

摘要：該文針對一臺為適應細支煙生產而改造的卷煙機，設計開發了一套基于倍福PLC的重量控制系統，并詳細介紹了其控制原理。該系統采用微波測量煙支重量，并使用數字PID控制算法實現重量控制。系統硬件結構簡單，性能穩定可靠，響應迅速，并預留升級改造的空間，完全能夠取代原機控制系統，滿足細支煙生產的精度要求，保證了生產效率和產品質量。

關鍵詞：細支煙;微波檢測;重量控制;PID

中圖分類號：TS4? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1009-3044（2018）36-0235-03

Abstract：In this paper，a weight control system is developed Based on Beckhoff PLC for a ZJ19 cigarette machine which is changed for slender cigarette production， and the control principle of system is also introduced.The system uses microwave to measure cigarette weight， uses digital PID control algorithm to achieve weight control. The system hardware structure is simple， stable and reliable performance， quick response， and set aside the upgrade space. It could completely replace the original machine control system to meet the requirements of slender cigarette production precision， ensure the production efficiency and product quality.

Key words：slender cigarette; micro wave measure; weight control; PID

煙支重量是衡量香煙質量的一個重要指標[1]，隨著人們對香煙質量要求不斷提高，煙支重量控制就顯得越來越重要;同時嚴格控制香煙平均重量，并保證煙支的重量標準差，能夠有效地控制煙草用量，有利于煙廠生產管理，降低成本，因此煙支重量控制引起了各煙草企業的高度重視[2]。

相比于普通香煙，細支煙煙支細長，煙絲量少，燃燒產生的尼古丁、焦油等有害物質少，既能滿足吸煙需求，又能減少對人體的損害，受到了許多吸煙者的青睞。由于細支煙在國內尚處于起步發展階段，煙草企業出于成本考慮，多采用對卷煙機進行改造的方法進行生產。由于改造過程中對卷煙機進行了較大調整，后身供絲量有較大變化，同時細支煙對平均重量和標準偏差的要求比普通香煙更高[3]，因此，必須開發高效可靠的重量控制系統來保證香煙質量。

某品牌細支煙的單支煙重量為0.55g，20支煙重量為11g±0.15g，標準差小于0.014g，要求精度較高。卷煙機由標準煙卷煙機改造而成，原機重量控制系統采用DSP電路板，已經難以滿足煙支重量和標準差的要求。

本控制系統采用倍福PLC作為主控制器，相對于DSP控制電路，PLC工作穩定，性能可靠，并且易于擴展，便于后期系統升級改造[4]。本系統采用倍福高速超采樣模塊，能夠滿足卷煙機高速生產時的測量任務。并通過PLC模擬PID控制器實現煙支重量控制，系統響應迅速，動作平穩，能夠很好地滿足卷煙機重量控制要求。

1 控制系統結構

控制系統通過測量煙絲密度，計算得到煙支重量，根據煙支重量情況調節平準盤高度實現對煙絲量的控制，并調節平準盤相位實現對緊頭位置的調整，同時對超輕、超重、空松、結塊等不合格煙支進行剔除，從而將煙支重量平均值和標準偏差控制在要求范圍內。

本文重量控制系統由重量測量單元、控制單元、執行單元以及位置測量單元等部分組成。控制系統結構如圖1所示。

重量測量單元采用SIA-MW10-12K微波檢測源測量煙絲密度，當煙條經過微波諧振腔時，微波穿過煙絲產生衰減，衰減量同煙絲密度之間存在對應關系，根據這個關系可以計算出煙支重量[5]。

為了提高煙支重量測量的準確性，必須保證在一支煙上有足夠的采樣點，才能計算得到煙支的總重量以及煙支重量分布情況，控制系統使用編碼器獲取同步信號，準確計算煙支重量。

控制單元采用倍福PLC和上位機，PLC完成數據采集和輸出控制，上位機提供友好的人機交互界面，并存儲PLC運行參數。

（1） PLC選用倍福CX2020，性能優良，運算速度快，可實現毫秒級以下的快速控制（即極速控制技術），電源模塊選用CX2100，IO模塊分別為：

1） EL1262帶超采樣功能的數字量輸入模塊用于采集編碼器同步脈沖，采樣速度快，能夠滿足卷煙機生產速度要求;

2） EL3702帶超采樣功能的模擬量輸入模塊用于獲取微波檢測源輸出的煙絲密度信號和平準盤高度傳感器輸出的位置信號，并進行AD轉換;

3） EL2008數字量輸出模塊可提供八個點位的輸出信號，用于調節平準盤高度和相位、控制剔除閥動作。

（2） 上位機選用西門子工業PC，并開發了人機交互程序，用于數據監控，參數修改以及其他輔助功能。

執行單元為直流伺服電機和剔除閥，位置測量單元為電阻式傳感器。

2 重量控制原理

2.1 重量信號采集

微波檢測電路根據微波發射端和接收端的信號偏差，將其裝換為電壓信號，根據微波檢測源的輸出電壓可以計算出煙支重量。計算公式為：

式中，F為輸出電壓V所對應煙支重量，V為檢測源中有煙支時的輸出電壓，V0為無煙支時檢測源的輸出電壓，K為比例系數[6]。

數據在采集和傳輸過程中會產生一些干擾，因此有必要對采集的數據進行預處理。如果采集值處于上下限之間，則作為正常數據處理，如果超出正常的分布范圍，則表明信號受到干擾，此時應將其限定在合理的范圍內。具體公式如下：

其中，[mR]為采集的原始數據，[m0]為重量平均值，d為允許波動范圍，m為最終的有效數據。

2.2 煙支重量計算

上述測量值為煙支上某一點的重量值，所以需要在一支煙上取足夠數量的采樣點進行測量，計算得到整支煙的總重量以及煙支重量分布情況。為了提高測量精度并兼顧數據處理計算量，在每支雙倍長煙上取256個點進行測量，即單支煙128個點[7]。

控制系統使用增量式編碼器來獲取同步信號，編碼器和切刀盤連接，編碼器旋轉一周，切刀切割一支雙倍長煙，選擇256線編碼器。控制系統采集A向脈沖和Z向脈沖，A相脈沖用于采集點同步和計數，Z向脈沖用于確定采集點在煙支上的位置。每收到一個Z向脈沖，就將A相脈沖值清零。

PLC通過EL1262模塊和EL3702模塊完成重量信號的采集和處理。在一個PLC運行周期內，兩個模塊完成相同次數的采集任務，每次采集的時科保持一致。首先查詢EL1262在一個周期內有沒有接收到脈沖跳變，如果檢測到跳變，則記錄本次采集任務的時刻，查找同一時刻EL3702采集的重量信號，作為本次采集的重量值[8]。

通過標定得到煙支端部對應的編碼器A向脈沖數值，可以將這些采集點對應到煙支的具體位置上。計算煙支總重量以及煙支重量分布情況，判斷緊頭位置和有無空松、結塊煙支。

2.3 重量控制算法

單支煙重量主要取決于卷入煙條的煙絲量和緊頭位置偏差。所以重量控制系統應該確保卷入煙條煙絲量的穩定，可通過調節平準盤高度實現;同時應該有效控制緊頭位置偏差，可通過調節平準盤相位實現。

重量控制系統基本原理是根據煙支實時重量，對平準盤高度進行調節來控制煙支重量，是一種典型的滯后控制系統。系統采用PID控制算法進行控制。

根據本系統特點，通過PLC模擬PID控制器，即數字PID，這就需要將PID公式進行離散化處理。常用的數字PID可分為位置式和增量式兩種，卷煙機通過計算煙支重量偏差量來調節平準盤高度，可選用增量式PID進行控制。其計算公式為[9]：

其中，[ek]為第k次采樣得到的偏差，[ek-1]為第k-1次采樣得到的偏差，[ek-2]為第k-2次采樣得到的偏差。

如果采樣周期T恒定，只要確定A、B、C，使用前后三次測量的偏差值，就可求出控制量，計算量小，適合本系統使用。

為了提高控制精度，需要對采集的重量數據進行相應的濾波處理。根據本系統特點，選用滑動平均濾波的方式進行數據處理。基本原理是首先連續采集18支煙（控制粒度）的重量值并保存，去掉最大值和最小值，以剩余16支煙的平均重量來計算本次偏差。再連續采集9支煙（滑動采樣數量）的重量值，將上次的18支煙重量值中的前9個數據去掉，并與9個新數據重新組成18個數據，去除最值后求平均值，計算新的偏差值，一直重復這個過程，為PID控制提供反饋數據。

通過調整控制粒度和滑動采樣數量來調整控制的靈敏度以及速度，提高系統的可靠性和穩定性。

為了避免平準盤高度頻繁調整引起系統不穩定，在計算得到平準盤高度調整量后，如果調整量在誤差允許范圍內，系統將不進行調整。同時PLC引入平準盤高度傳感器信號，實時判斷平準盤高度，防止平準盤到達極限位置后繼續調整，避免電機過載，保護電機。當煙支重量持續較長時間過重而平準盤到達極限位置無法調節時，控制系統將發出警報。

緊頭位置偏差會影響單支煙的重量，如果緊頭位置偏差超過允許范圍，會導致同一支雙倍長煙切下的兩支單支煙一支偏重、一支偏輕，影響煙支標準偏差。由于平準盤和切刀盤同步情況較好，所以緊頭位置一般變動較小，故無須頻繁調節。其基本原理為檢測緊頭位置偏差，只有緊頭連續多次向同一方向偏移，并且偏移量超出允許范圍后才進行調節。事先標定出PLC輸出和平準盤相位之間的對應關系，然后進行定量調節。

由于重量系統是滯后控制，故不能完全消除質量不合格煙支，所以需要實時計算每支煙的重量，并判斷是否在重量允許范圍內，對不合格煙支進行剔除，可有效控制平均重量和標準偏差。同時根據煙支重量分布情況，可判斷出煙支是否存在空松、結塊等故障，并將其剔除以提高成品煙品質。

3 實驗數據及分析

為驗證本重量控制系統的綜合性能，將系統集成到經過改造的卷煙機機組中進行安裝與調試，經過一段時間運行，控制效果良好。通過在現場取樣進行測量，各項指標均能滿足設計要求。

按照煙廠測量要求，每次取樣30支煙進行測量，測出30支煙的平均重量、標準差以及變異系數。共測量10組數據，測量儀器為北京歐美利華科技有限公司的OM-VL型綜合測試臺。設定重量為550mg，平均重量允許范圍是550mg±0.075mg，具體數據如下表所示：

通過表1中數據可以看出，30支煙平均值優于設計要求，標準偏差小于0.014g，符合要求，變異系數較小。表明本系統工作穩定可靠，控制精度高，完全滿足正常生產的需求。

4 結論

本文基于倍福PLC設計開發的用于細支煙生產的卷煙機重量控制系統，能夠完全取代原卷煙機的專用電路板控制系統。本系統采用通用的PLC模塊，結構簡單，開發周期短，穩定性好，可升級擴展，同時降低了設備的維護成本，提高了數據采集和控制精度。控制算法采用PID算法，準確性和實時性較好，滿足了細支煙生產過程中重量控制要求。本系統對提高卷煙機生產效率和可靠性，提升產品質量和控制成本具有顯著意義。

參考文獻：

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[通聯編輯：梁書]