AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機電控系統改造

陳 磊，朱振宏，高逸蕓，張子衿

（紅塔（煙草）集團有限責任公司玉溪卷煙廠，云南玉溪 653100）

0 引言

AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機為德國HAUNI 公司20 世紀90 年代制造的濾嘴棒生產設備，是當時較為先進自動化生產設備。隨著電控技術的高速發展，HAUNI 公司研制出了KDF4、KDF-5FM、KDF6 等高度自動化、集成化、模塊化的濾嘴棒成型設備。新技術的出現預示著舊技術的淘汰，而KDF3E 濾嘴棒成型機則處于淘汰的邊緣，但國內部分卷煙企業仍然擁有此機型并作為主力生產機型，使用中會出現較多問題。如:電氣元件老化嚴重，已停產的設備專用件難以采購，維護維修成本高且周期長，生產工藝技術落后，缺少有效的濾嘴棒質量在線檢測手段，濾嘴棒質量指標控制難度大等。目前國內在AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機改造方面做了電氣監控系統[1]、甘油施加系統[2]等相關研究，但缺少對機組整體電控系統升級改造的綜合性研究，因此，本文對AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機電控系統、部分工藝系統及質量控制系統現狀進行綜合性分析，并提出相應的技術改造策略，提高濾嘴棒產品質量控制能力，降低企業該機組的使用成本。

1 AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機現狀

1.1 控制器

AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機組主控系統采用西門子S5 系列PLC 與HIP 高精度專用邏輯控制板卡組合作為設備主要邏輯控制器，接收設備產生的溫度和時鐘脈沖等模擬量和數字量用以進行算數運算和邏輯運算，根據運算結果進一步對設備發出控制指令。運動控制方面，此機型采用AMK 公司AZ/AW 系列伺服控制作為設備主要運動控制器，控制開松輥組、膠泵組、主驅動等運動部件按比例進行同步運動控制，控制框圖如圖1所示。

西門子S5 系列控制系統綜和了數字、模擬技術及計算機等學科，具有較高的穩定性和可靠性，但由于其自診斷功能較弱，一旦出現故障，故障不直觀，維修耗時長且難度大，對維修人員的知識水平要求較高，要能夠熟練運用萬用表、示波器甚至計算機等工具，具有一定英語能力及計算機功底。更重要的是，由于目前西門子公司已經停止對西門子S5 系列PLC 的服務支持，因此，備件問題難以解決。

圖1 AF3E-KDF3E 機組控制框圖

AMK 公司AZ/AW 系列伺服驅動器也存在與西門子S5 系列PLC 同樣的問題。另外，AZ/AW 系列伺服驅動器之間采用并行總線進行通信，由于通信線纜較多，存在噪聲串擾，通信頻率難以提升。雖然該系列伺服驅動器具備完善的故障診斷功能，但由于其不提供對外部PC 讀寫數據的通信接口，難以通過其他輔助手段進行驅動器狀態查詢，僅能通過其自帶的控制面板進行數據讀寫，難以直觀了解運動部件的運行狀態。

1.2 上位機

OP20 是KDF3E 濾嘴棒成型機上一套由小型數碼顯示器及配套的薄膜開關面板組合成的、可對設備產品規格、涂膠量、過程參數等重要工藝參數進行調整、校準，并可簡單顯示設備英文故障代碼的上位人機交互系統，結構如圖2 所示。其顯示內容單一、條目可讀性差、操作繁瑣、功能單一等缺點是造成設備調試和維修較為困難的重要因素之一。設備運行過程中對于整機運行狀態監控并實時直觀反饋以及相關數據統計是提高設備質量控制能力、生產及維護維修效率的重要舉措，因此，智能化、簡潔化、人性化的人機交互系統在濾棒成型方面顯得極為重要。

1.3 操作面板

圖2 OP20 結構

操作面板采用物理旋鈕、按鍵、數碼顯示屏、急停按鈕、指示燈、電位計和人機系統鎖定鑰匙開關組成，如圖3 所示，其指示燈繁多，操作繁瑣，設備狀態顯示不直觀，誤操作概率大，參數調整精確度低，經常會發生參數超調或滯調。

圖3 操作面板

1.4 電機

設備使用的電機包括主驅動、開松輥組和膠泵使用的三相交流伺服電機，AF 負壓和HK 負壓使用的三相交流異步電機，成型紙加速和直徑控制使用的直流電機等均為專機專用，與其他型號濾嘴棒生產設備互不通用，使用方需要單獨進行專門采購和備貨，如遇電機停產還需專門定制，增加了配件的備貨成本。

1.5 甘油施加系統

AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機主要使用雙毛刷施加方式對絲束施加甘油（圖4），甘油從甘油箱內由計量泵加壓分別輸送到上噴涂室和下噴涂室（圖5），再由上下毛刷（圖6）通過高速旋轉將積累在噴涂室內的甘油拋灑到絲束面上，完成整個甘油施加過程。

該種施加方式中，附著到絲束表面的甘油顆粒大小不均，會在濾嘴棒中形成溶洞，產生質量不合格的濾嘴棒，造成原輔料的浪費。同時，當成型機速度變化時，由于毛刷電機速度不可調，雙毛刷不能及時跟隨設備速度進行甘油施加量的調節，施加量精度過低，對濾嘴棒重量及吸阻指標控制極為不利。

1.6 成型紙拼接系統

圖4 雙毛刷上膠結構

成型紙拼接機構如圖7 所示，設備采用專用電子板卡及MCU 直流電機驅動單元進行開環控制，由于直流電機響應速度慢，運行不穩定，不能滿足成型紙高速拼接的響應需求，會導致成型紙加速紙帶過長，輔料消耗較大。同時，該種拼接方式的成功率極其依賴于操作人員對雙面膠放置位置的準確度，操作要求較高，因此，該種拼接系統運行穩定性差，失敗率高，會帶來廢品率增加、設備有效作業率降低等一系列問題。

圖5 噴灑室

圖6 噴灑毛刷

1.7 直徑檢測系統

圖7 拼接機結構示意

此機型采用氣動直徑控制系統對濾嘴棒直徑進行實時檢測及調整，該控制系統通過將壓縮空氣輸送至有濾條通過的檢測器，當直徑發生變化時，檢測器內氣壓會發生變化，檢測器將氣壓變化差值反饋至直徑控制機構，直徑控制機構不斷調整濾棒直徑使得檢測器內的氣壓能夠保持一個恒定的值，以此來糾正濾棒直徑誤差。但該種檢測器由于經常受到絲束飛花、粉塵、殘膠的污染，導致其檢測精度較差，可靠性低，直徑調整不準確，濾棒廢品率極高。

1.8 水冷卻系統

設備水冷系統設3 條冷卻回路，分別是油冷回路、煙槍底板回路和封口器回路，其他部位均無冷卻功能設計。

冷卻水從集中制冷房送出，到達設備后經分水器分為3路，分別帶走煙槍底板、封口器和油—水熱交換器產生的熱量，最后經總回水管送入制冷房。該水冷系統雖然已經能夠滿足濾嘴棒的生產冷卻需求，但由于冷卻對象設計較少，而機組整機均采用風冷式電機和伺服控制器，機柜空間緊湊，不利于電機和控制器散熱，機柜內高溫影響相關元氣部件的使用壽命，尤其主電機經常出現電機軸承因溫度過高損壞，導致電機轉子、定子摩擦燒壞。

2 AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機升級改造方案

2.1 控制器改造

選用西門子S7-300 或S7-1500 系列PLC 與AMK 公司KZ/KW 系列伺服驅動器作為設備主控系統替代原機已經淘汰的S5系列PLC 與AZ/AW 系列伺服驅動器，新電控系統通過PROFIBUS-DP 總線技術[3]，將西門子PLC、AMK 伺服驅動器[4]、工業計算機、I/O 子站、閥島組成一個工業控制網絡，實現系統與系統，系統與外圍設備間的數據通信。結構框圖如圖8 所示。

圖8 改造后總線結構

新控制系統可以通過人機界面按不同牌號規格濾棒要求設定參數，設定值被傳輸至PLC，運算處理后通過PROFIBUS-DP總線傳輸至伺服驅動器，驅動器根據所設定的參數要求按轉速比要求控制電機運行。整個過程相比設備原控制系統，在操作便利性、狀態直觀性、響應快速性、控制精準性均可提升較高一個層次。

2.2 上位機改造

上位機采用OPC 觸摸屏與工業計算機作為人機交互系統取代原機功能較弱的OP20 人機系統，通過編程讓工業計算機與PLC 進行數據通信，實現設備參數設置和更改、狀態查詢、故障診斷、維修幫助、數據統計等功能，并以中文和圖形的形式顯示在觸摸屏上（圖9）。

在新人機交互系統中，得益于上位機軟件的強大功能，使得所呈現的內容豐富，可讀性高，操作簡便、智能，可以大大降低設備維修難度，提高濾嘴棒產品質量控制能力。

2.3 操作面板改造

重新設計操作面板的按鍵結構和布局，將原機物理按鍵及旋鈕更換為帶指示燈的薄膜開關，開關及數顯單元通過PROFIBUS-DP 接口與主控系統連接，并受其管理，PROFIBUSDP 接口將其下串行總線上的設備映射為上位PLC 系統的I/O，上位PLC 系統以字節和字的方式透明訪問顯示和按鍵單元。

通過重新設計操作面板結構布局，可以讓各類開關功能更加直觀，降低誤操作概率的同時，提高設備參數的顯示精確度（圖10）。

圖10 改造后控制面板

2.4 電機選型改進

除直徑控制電機與成型紙轉換盤電機外，其余電機全部選用AMK 公司最新的DT/DW 系列交流伺服電機，加上與之匹配的KZ/KW 系列伺服驅動器，可以實現高精度、高響應速度、高可靠性的運動控制。

2.5 甘油施加系統改造

圖11 改造后噴灑室

圖12 噴灑噴嘴

將原機雙毛刷甘油施加系統改造為甘油霧化施加系統，新系統將甘油在小油箱內加熱后，通過計量泵電機以恒定壓力將甘油輸送至噴灑室（圖11）分流器，分流器通過7 個一字排布的霧化噴頭（圖12）將甘油以小顆粒霧狀形式噴送至上方高速移動的絲束面。霧化噴頭上方設有一個由伺服電機帶動，可進行往復移動的活門機構，甘油施加量由活門的開度控制，伺服系統根據機器運行的速度同步開大或關小活門、以改變噴灑面積，使濾嘴棒的甘油含量達到工藝要求。該施加工藝使用PLC 模塊作為整個控制系統的核心，采用觸摸控制屏代替了原先的液晶數顯，通過其實現人機界面交互，完成相關數據、信息、狀態顯示和參數設置，系統穩定可靠，操作、監控更加便捷，關鍵控制點可及時監視、控制，可提升濾嘴棒的質量過程控制能力。

2.6 成型紙拼接系統改造

將原成型紙有膠帶拼接系統改造為新型無膠帶拼接系統，新系統由安裝面板、拼接機構、加速機構、氣動系統及電控系統組成（圖13），采用兩組伺服驅動器分別控制成型紙加速電機和拼接軸凹凸機構壓紙動作，當成型紙加速到拼接速度時，伺服拼接軸與切斷機構相互配合完成拼接過程。整個拼接系統采用伺服控制可以精準控制成型紙拼接速度和壓紙機構動作時間，大大提高成型紙拼接成功率。

圖13 改造后拼接機構示意

2.7 改進直徑檢測系統

將原機氣動直徑控制系統改造為CCD 光學濾棒檢測系統[5-6]，該系統采用光學組件和CCD 傳感器作為主要測量元件，利用微處理器對測量信號進行運算處理，最后將信號圖像和測量值通過通信接口反饋至人機界面，實現濾棒直徑實時在線檢測，并可根據現場環境清潔程度考慮將檢測系統反饋值接入設備控制系統，達到閉環控制的目的。

2.8 水冷卻系統改造

在原機冷卻系統基礎上，另外增加一獨立冷水循環回路，將電機、AMK 伺服系統引入冷卻回路，使電機、AMK 伺服系統和機柜溫度均可得到有效控制。同時，該循環水路不再設有壓縮機，而是采用板式熱交換器的方式，利用原機冷卻水對另外獨立冷卻循環水進行降溫，再利用PID 控制方式，調節比例閥開度控制原機冷卻水進入熱交換器的流量，以此精確控制獨立水冷系統水溫。

2.9 中線膠檢測系統

中線膠檢測功能屬于增設功能，由于原機不設中間膠檢測，因此，中線膠膠線質量依賴肉眼觀察，高速運轉的設備使得中線膠質斷點無法觀察，僅能判斷膠線寬度是否滿足要求而不能判斷是否有斷膠情況發生，引入該系統可以通過實時檢測膠線寬度和連續性來嚴格控制涂膠質量。

該系統由CCD 圖像處理單元、LED 光源控制單元、PLC、觸摸屏、相機及光源檢測執行元件等組成，通過圖像采集系統對高透成型紙上2 條中線膠進行圖像采集，嵌入式工控機和圖像處理模塊對所采集的圖像進行處理，測量出膠線的長度和寬度，根據圖像缺陷來判斷兩條膠線的缺失與中斷，再由上位控制系統控制設備的工作狀態，以此完成整個中線膠檢測過程。用該系統替代肉眼識別缺陷，可以杜絕中線膠有缺陷的濾嘴棒產品流入下一道工序，保證濾嘴棒的質量穩定。

3 存在問題

文中涉及的改造方案已經在部分生產企業得到有效實施，但仍存在3 個問題。

（1）在CCD 直徑檢測系統中，其運行對于環境清潔度要求極高，而在濾棒生產中不可避免的會產生一定的絲束飛花和成型紙粉塵等雜質。此時，如果CCD 檢測機構算法不理想，環境因素會使其檢測精度下降，有效運行時間可能會減少。

（2）在中線膠檢測系統中，檢測元件采用高頻率拍照方式獲取檢測部位信息并處理，由于算法優化不好，數據處理速度不快，也做不到缺陷濾棒精準剔除，需要增加剔除范圍，浪費掉一部分合格濾棒且可能發生缺陷點漏拍，檢測系統需要進一步改進。

（3）目前濾棒甘油含量檢測仍然處于人工稱量計算階段，檢測效率極低、誤差極高，無有效實時檢測手段。

4 總結

AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機組經過電控系統升級改造后，其生產能力和控制能力已經能夠達到較高的水平，方案使用了成熟的PLC 控制技術、電機驅動伺服控制技術、總線技術及計算機運用和工業控制技術，改造后設備的可靠性和可維護性得到有效提高，設備故障率和故障頻次有效降低。改造使用的配件較容易采購，原機專用件均變為通用件，可靠性和耐用性均比原機高，工藝水平也提升到了較高的層次，改造推廣應用價值較高。

目前，濾嘴棒成型機技術最難以突破的是生產速度，最先進的濾嘴棒生產設備生產速度最高為600 m/min，而早在二十多年前的AF3E-KDF3E 濾嘴棒成型機已經能夠達到此速度，生產能力極強，因此，就目前來說，將其電控系統進行升級是最節省成本的做法，可以用最少的投入達到更好的效果。