四元復合加熱不燃燒卷煙水松紙搓接裝置控制系統研究

潘永華，竇劍峰，韓金江，張凌，李紅春

（紅塔煙草（集團）有限責任公司，云南 玉溪 653100）

加熱不燃燒新型卷煙作為一種可兼顧滿足感和煙草香氣的減害煙草制品，在滿足消費者煙草特征感受的同時，可有效降低煙氣有害成分釋放量，減少危害。自2015年起，加熱不燃燒卷煙已從新生事物迅速發展到日趨流行，被廣泛視為煙草行業可持續發展的希望和方向，日本、韓國、歐洲、美國、加拿大等市場增速迅猛，菲莫國際、日本煙草和英美煙草均已明確發展中心將從傳統卷煙轉移到新型煙草。根據加熱不燃燒卷煙四元結構特點，煙支卷制通常采用三元復合濾棒與薄片芯材基棒接裝技術或者兩段二元復合濾棒接裝技術實現煙支生產，國際國內對四元復合一次煙支成型和對應水松紙接裝技術研究較少，尚無四元復合一次成型接裝技術和設備應用。為避免三元復合或二元復合成型工序增加的環節，提高規?；a效率，節約設備投資和設備布局空間，利用傳統卷煙YJ27 接裝機技術進行采用四元復合水松紙搓接技術開發，可直接進行煙芯基棒+中空基棒+降溫段基棒+絲束基棒的復合，一次成型為雙倍長煙支，可實現高速、高效和高質規模化生產，是加熱不燃燒卷煙卷接生產模式的創新和突破，可為新型煙草卷接設備改造或開發提供參考。

1 系統設計

基于上述獨特的高速加熱不燃燒卷煙生產線工藝流程需求，在YJ27接裝機基礎上對濾棒下料和排列鼓輪的倍數級轉速、無切割煙支的錯位、匯合靠攏、短支煙調頭輸出等技術關鍵進行研究，重新設計煙支供料系統、傳動系統、搓接分切系統、水松紙供給系統、調頭系統、出煙系統和電控系統。水松紙接裝工藝如圖1 所示，雙倍長煙支取棒傳遞，在靠攏輪上粘搭上雙倍寬水松紙片，由搓煙輪和搓板搓卷，形成雙倍長煙支。切割輪圓盤刀將雙倍長煙支分切為兩支等長的單倍煙支，調頭輪將其中一排旋轉調頭，與另一排形成朝向一致并對齊的單排煙支流，經在線質量檢測和剔除缺陷煙支后輸出。

圖1 加熱不燃燒卷煙接裝工藝流程示意圖

根據上述工藝流程，設計YJ27 獨立電控系統方案，主控系統采用一臺倍福CX2020 主控制器，參考ZJ17_PLC 版本的MAX 電控方案，新增加LENZE 變頻器驅動方案，保留原ET200M 的MAX 子站、兩組閥島，取消原來西門子FM352 高速CPU，改用倍福輸入輸出模塊讀取其中信號。取消CIS 控制器，硬件讀取信號采用倍福輸入輸出模塊。系統方案圖如圖2。

圖2 YJ27 獨立控制系統

1.1 硬件選型設計

1.1.1 倍福IPC 控制器

主控制器CX2020 采用1.4 GHzIntel?Celeron?處理器，Windows Embedded Compact 7 操作系統，2GB 主內存，控制器從CF 閃存卡啟動，TwinCAT 2 軟件將CX2020 系統轉換為一個功能強大的PLC 和運動控制系統。

1.1.2 LENZE 驅動系統

包括主電機驅動和切刀電機驅動，主電機驅動選用7.5kW，切刀電機變頻器選用0.55kW，主電機額定功率7.5kW，額定轉速3500RPM，設計減速同步輪，讓電機在額定轉速下，聯機生產設備轉速為最高生產車速。主驅動實現快速停機，外部新增加制動電阻。

1.1.3 軸編碼器

系統同步時鐘脈沖采用720 線的增量時鐘脈沖（HEIDENHAIN 公司ROD426/720 720IMP/U，設計選型參考ZJ112 接裝機B90M）替代了原來設備機械的時鐘碼盤，生成設備開機基準的兩個時鐘脈沖DCP（一根雙倍長煙對應一個DCP 脈沖）和DCP20（一根雙倍長煙對應的20 個脈沖）。軸編碼器的引入使得設備時鐘脈沖校準脫離了原始的機械校準位置，可在上位機軟件直接定義電子零位和實際零位一致即可。

圖3 DCP 與DCP20 脈沖

1.1.4 倍福超采樣輸入模塊

設備高速信號的脈沖采集需精度較高的輸入模塊，以7000 支/分鐘為例，光電開關檢測周期為6ms,響應時間不超過1ms,而模擬量的檢測，如空頭信號、漏氣信號，一支單倍長卷煙響應時間為6ms，需采樣80 次，任務周期為75us。采用倍福公司超采樣數字量輸入模塊EL1262,超采樣模擬量輸入模塊EL3702。EL1262 數字量輸入端子模塊從處理層采集二進制控制信號，并以電隔離的形式將這些信號傳輸到控制器。信號的超采樣周期是總線循環時間（一個總線循環有n 個微循環）的整數倍（超采樣系數：n）。對每個微循環，EtherCAT 端子模塊生成一個過程數據塊，并且在下一個總線循環中被采集和傳輸。端子模塊的時間基可以通過分布式時鐘與其他EtherCAT 設備實現精確同步。此過程使數字量輸入信號的瞬時分辨率增加到總線循環時間的n 倍。EL3702 模塊原理相似。數字量超采樣模塊，倍?？刂破髂軐崿F1 個任務周期采樣1000 次，模擬量模塊采樣100 次，軟件設計任務是1ms，可滿足要求。

1.1.5 倍福超采樣輸出模塊

廢品剔除一個周期要小于6ms，基于設備的DCP20 這個時鐘脈沖，使得高速剔除電磁閥門的打開時間和維持時間能夠確保精準剔除。同樣對于輸出模塊要求高精度控制,倍福EL2262 模塊最小精度可以達到1ms 采樣1000 點，基于生產速度需求和CPU 使用率，設計為1ms 任務分配，輸出采樣80次，最小精度為12.5us。

1.2 控制軟件設計

1.2.1 邏輯控制功能設計

對主要設備功能邏輯控制如下：

（1）溫度控制：水松紙溫度、搓板溫度。采用標準的溫度控制PID 模塊，上位機設置目標溫度，IPC 程序驅動固態繼電器，驅動加熱回路達到目標溫度。

（2）安全回路設計：MAX 部分和新加部分所有防護門開關，故障報警，上位機顯示。安全回路軟件部分設計通斷，驅動相關支路電氣。

（3）電機控制：對不需要速度控制電機進行邏輯控制設計，外界輸入驅動電機通斷。如膠水電機、切刀電機等

（4）上位機數據通訊接口程序：IPC 和上位機數據通訊采用TCP/IP 方式，設置雙方通訊協議、下位機參數格式、類型、數量、校驗方式和通訊交互應答方式。

1.2.2 物料控制程序

設備滿足邏輯運行，啟動使能，在不同控制模式下，控制物料順序投入，如設備啟動時的煙支下料、供紙、膠水使能、開機前剔除、檢測系統使能、高速信號使能等。對于停機信號設計時序，關閉煙支供料和輸送紙供給。設計3 種控制模式：

（1）手動模式，用于排空，速度旋鈕控制。

（2）自動模式，用于正常生產，物料投入按照參數設置，速度自動控制。

（3）帶料模式：用于調試用，物料開機投入，速度旋鈕控制。

圖4 系統三種模式示例圖

1.2.3 移位寄存器

卷煙在移動過程中，設計一個大的移位寄存器，記錄煙支的所有狀態，包括鼓輪上煙支狀態存在的檢測，卷煙質量數據，高速剔除閥狀態數據，用于卷煙吹攏、取樣、剔除和統計。自動模式下，控制MAX 物料投放次序。移位寄存器的觸發，以機器時鐘脈沖DCP 為準，一個DCP 脈沖上升沿過來，移位寄存器數據移動一次。

1.2.4 倍福超采樣程序處理

硬件配置上，設備高速輸入輸出信號均采用倍福超采樣模塊解決方案，以超采樣輸入模塊為例，對于一個點的采樣周期是1ms，采樣個數為80 個點。每個掃描周期，對于采樣的80 個點進行狀態位分析，得到信號點的實際值。同樣對于超采樣模擬量輸入，超采樣輸出同樣解決方案。

1.2.5 LENZE 驅動系統

IPC 系統和LENZE 變頻控制器之間通過DP 總線進行數據指令控制，控制框圖如圖5。

圖5 IPC 與變頻器通訊接口

1.2.6 漏氣、松頭、外觀等質量檢測

漏氣壓力采集原理：基于系統時鐘脈沖，衍生的DCP80脈沖，一支雙倍長煙支產生80 個脈沖，每個DCP80 脈沖采集一次漏氣檢測壓力數據。上位機設置波峰波谷數據，在波峰數據取其最大值作為氣壓最大值，波谷區域取其最小值作為氣壓最小值。兩者之間差值作為該卷煙漏氣壓力值。

廢品判斷算法：上位機設置相對門檻和絕對門檻。低于絕對門檻，剔除廢品煙。合格煙支壓力值做移動平均，移動平均值乘以相對門檻系數，得到一個相對門檻電壓值，低于該值剔除廢品煙支。

漏氣廢品剔除算法：漏氣廢品狀態寫入移位寄存器中，基于DCP 做移位傳遞，當到達Y1 高速閥位置，若為廢品，程序置1，打開高速閥并剔除。該檢測、計算和剔除原理適用于通風度和外觀等缺陷煙支檢測。

圖6 煙支質量檢測系統流程圖

2 結語

采用YJ27 接裝機技術進行獨立電控系統設計，用于四元復合加熱不燃燒卷煙的水松紙接裝，在國內國際上尚無四元復合成型加熱不燃燒卷煙卷制、超短雙倍長煙支水松紙搓接和切割、調頭、輸出的整線解決方案的前提下，克服了在YJ27 接裝機煙支下料和排列鼓輪的倍數級轉速、無切割煙支的錯位、匯合和靠攏、短支煙調頭輸出等技術難點，完成了四元復合加熱不燃燒卷煙YJ27 接裝機獨立控制系統的研發和改造，成功運用于某工廠實現加熱不燃燒卷煙的規?；慨a，設備運行穩定，控制系統可靠，可為新型煙草的規?；a提供設備解決方案和為短支煙生產提供設計思路。