基于微波檢測的M5卷接機煙支重量自動化控制系統設計

毛芳芳

（阜陽職業技術學院 安徽阜陽 236031）

國家經濟飛速發展、科技水平日新月異，人民的生活水平和消費觀念，也發生了重大轉變。煙草也被越來越多的人們所接受，與此同時，煙草行業面臨著巨大的競爭壓力，煙草本身的質量是影響消費者消費偏好的重要因素。為滿足市場對煙草制品的需求，不僅需要提高口感、減少焦油量、保護消費者健康，還需要提高煙草質量，M5卷接機的自動化控制系統性能在保證煙草產品質量中發揮著十分關鍵的作用。

我國楊旭、郭銳等學者針對舊式的PASSIM卷接機組煙支重量控制及質量檢測系統故障率高,而不易檢修維護和備件組織等問題，提出了基于BeckhoffXFC極速控制技術的新型控制系統，保證了控制系統的實時性，但未對煙支重量自動化控制系統的控制精度不高，獨立的檢測程序等進行相關研究。借鑒國外微波檢測技術被應用到煙支重量檢測控制系統，如：德國HAUNI公司的MIDAS系統、德國TEWS公司的LIBRA系統，在此基礎上，本文基于微波檢測對M5卷接機煙支重量自動化控制系統進行研究。

針對傳統的M5卷接機煙支重量自動化控制系統的問題，設計全新的自動化控制系統[1]。該系統以傳統系統為設計依據，替換其功能性較差的硬件設備，同時引入微波檢測技術，對煙支進行重量檢測，保證每只煙的規格與配比符合煙支制備標準，當生產結果不符合要求時，及時給出與制備標準之間的差異量，實現對煙支制備質量的提升。此次設計的煙支重量自動化控制系統，不僅解決了傳統設計控制系統程序單一的問題，還通過完善自動加料過程，提升了煙支的生產質量，為煙草行業的發展，提供更先進的生產技術[2]。

一、M5卷接機煙支重量自動化控制系統硬件設計

根據此次提出的設計理念，對M5卷接機的煙支重量自動化控制系統硬件展開設計，通過替換原有的控制器和驅動器，增強系統硬件的運行功能，加強硬件與軟件之間的兼容性。

控制系統中的控制器采用第二代雙核處理器，該控制器有2個獨立的前兆以太網口，4個USB接口以及2.0接口和DVI-I接口，充分替代原有控制器的功能，增強系統的控制能力。而選取的伺服驅動器，需要具有更強的電流控制功能，令系統在長時間的運行下，實現控制器快速、準確、精準控制的功能，表1是兩種不同型號的伺服驅動器功能比較[3]。

表1 伺服驅動器功能比較

根據上表中的基本信息可知，運用新型伺服驅動器替換原有驅動器，可以加強硬件與軟件之間的匹配度，保證自動化控制系統運行順暢，增強系統對M5卷接機對煙支重量制備的控制效果[4]。

二、基于微波檢測的煙支重量自動化控制系統軟件設計

（一）控制計量誤差改進系統自動化加料過程。計量煙支制備過程中，煙支原材料存在動態誤差，根據該誤差控制材料計量誤差，通過加強控制精度，改進系統的自動化加料過程。設置物料計量模塊的初始值為0，然后調節物料量，保證物料可以均勻通過計量段。計量模塊對所有物料統計完畢后，根據動態累計誤差方程，得出物料計量值與投放前物料值的差異，如下列公式所示：

公式中：δI表示動態累計誤差，單位為%；Z1、Z2分別表示系統計量模塊顯示結果和計量前的物料重量，單位為kg。當δI值不為零時，證明計量模塊存在計量誤差，因此通過精度控制公式，調整計量模塊的計量結果，保證系統制備煙支重量的精確度[5]。下列公式為計量模塊精度控制公式：

式中：δJ表示控制精度；Dc表示設定用料量為c時的重量理論標準；S表示可控偏差。根據控制后的結果，改進系統自動加料過程[6]。

加料過程是煙支重量自動化控制系統的執行環節，加料的多少，直接決定了煙支的重量和吸味，因此根據調整后的物料計量模塊，加強系統加料精度，同時設置物料配比，根據煙卷的尺寸大小，設置配比系數。點開路徑列表，通過控制模塊執行加料指令，實現對M5卷接機煙支重量自動化控制系統加料過程的改進[7]。

（二）基于重量控制算法建立煙支制備程序。在煙支加料過程改進的基礎上，利用重量控制算法建立煙支制備程序。已知煙絲密度信號經過電路轉換后，會變成高頻脈沖信號，此信號與定位脈沖、增量脈沖結合，通過放射源模型計算方法，得到煙支的制備標準重量。

M5卷接機所生產的煙支，經過密度掃描檢查后，產生對應的電流I，依據放射源同位素掃描的工作原理，煙支吸收后的β射線進入離子室，并隨之生成電流值，此時該電流值經過采樣后，所生成的信號與煙草密度之間的關系，可用下列公式描述：

公式中：I表示β射線衰減后，在離子室內生成的電離電流；I0表示無損耗條件下，β射線在離子室內生成的電流；x表示線性吸收系數；ρ表示制備煙支的材料密度；xm=x/ρ，表示煙草質量為m時的吸收系數；d表示煙支直徑。利用公式（3）可以換算出成品煙的密度，根據該結果再換算出成品重量，該過程可以描述為：M5卷接機的轉換器，在兩個定位脈沖區間內，對煙條進行采樣，經過n次采樣后，從單個成品中提取i個抽樣值，每根卷煙半成品的采樣，可看做是一次模型轉換。因此建立微分數學模型，將數學建模下的微分化密度值，用采樣值表示，此時的煙支密度值，即其微分段，可依據表2的查詢內容，帶入數學模型中。

表2 相關參數查詢表

將表2中的所有參數，帶入煙支采樣值數學模型中，該模型為：

公式中：Segi表示第i個抽樣值的計算結果；ref=Line(Ksi)?v。假設完成i次采樣操作，累加全過程中的煙支微分段，則根據公式（4），得到整體煙草密度為：

公式中：ρi表示整體煙草密度函數；t表示采樣時間。整個過程進行了n次采樣，相當于每支標準長度的煙，有m個采樣點，且m=n/2。則完整煙條的平均密度為：

通過上式可知，在n次采樣條件下，存在。已知煙條平均密度i以us作為單位，利用下列公式將該單位轉換為毫克，即：

公式中：w表示卷煙半成品重量；R代表比例系數。通過上述換算過程，建立煙支制備程序。

（三）微波檢測技術設計煙支重量鑒別程序。利用微波檢測技術設計煙支重量鑒別程序，檢查M5卷接機在自動化控制下，每支煙的重量是否滿足制備標準。已知微波波長短、頻率高，因此可將微波按照其波長，進行波段劃分，表3為微波主要波段劃分結果。

表3 微波主要波段劃分（單位：cm）

根據微波的特征量，基于微波檢測技術，設計煙支重量鑒別程序。該程序主要由微波信號源單元、微波傳輸單元、微波檢測單元、信號釆集單元和數據分析單元連接組成。微波信號通過端口、同軸線輸出到探頭，再入射到煙支成品托盤中，同時接收反射信號到微波矢量網絡，判斷煙支重量是否符合制備標準。利用微波檢測技術設計的煙支重量鑒別程序，通過微波矢量網絡設定該程序的檢測頻率。

該程序設置兩道檢測，第一道為0～8.5GHz的檢測，屬于初步檢測階段；第二道為8.5～18.5GHz的檢測，屬于規律查詢檢測階段。當檢測波值在8.5～18.5GHz內波動時，若微波值沒有波動，證明煙支重量符合制備標準；當微波值出現波動時，則證明煙支重量的制備效果不好，存在極大的加料誤差，導致煙支重量不一致。圖1為正常微波和異常微波的曲線走勢。

圖1 微波檢測曲線示意圖

根據圖中曲線可知，當微波異常時，該程序會彈出一個搜索界面，單擊確定后此程序執行異常檢測，通過定位技術獲取整條煙中，存在差異性指標的獨立小包裝，并計算出制備煙支重量與預期煙支重量之間的差值，實現對煙支重量的檢測，至此基于微波檢測的M5卷接機煙支重量自動化控制系統設計完畢。

三、測試與分析

提出對比實驗，將此次基于微波檢測設計的自動化控制系統，與傳統設計下的自動化控制系統進行對比，分析兩個系統之間的功能差異。此次測試將所設計的系統作為實驗組，將傳統方法設計的系統作為對照組，根據實驗測試結果，得出具體結論。

（一）實驗準備。搭建實驗測試平臺，將M5卷煙機工作組與實驗測試設備相連接，其中選取的M5卷接機，如圖2所示。

圖2 卷煙機組件實物圖

圖中的兩個組件分別為卷接機的控制硬件和檢測硬件。設置實驗對象基本參數，如下表4所示，根據表4中的參數生產煙草制品。

表4 實驗參數（單位：mm）

載入此次設計的系統和傳統自動化控制系統，測試實驗平臺與控制系統之間的運行是否協同，測試30min后若無軟硬件異常，可以開始實驗。

（二）結果分析。打開M5卷接機，分別運行兩個自動化控制系統進行制煙，圖3中的兩組圖片，分別是此次設計系統和傳統設計下的控制系統制成的煙支樣本。

圖3 不同控制系統制成的煙支

根據兩個系統的測試結果可知，可以明顯看到對照組中的煙支明顯粗細不一，可知傳統設計下，自動化控制系統對于煙支重量的控制并不穩定，因此測試不同設計方法下，兩組M5卷接機煙支重量自動化控制系統對煙支重量的控制效果。圖4即為系統控制能力對比結果。

圖4 系統控制能力對比結果

圖中曲線3為標準曲線，曲線2代表傳統設計方法，曲線1代表本文設計方法。根據上圖中曲線1的走勢可知，所設計的基于微波檢測技術的自動化控制系統，對制備的煙支添加了一道檢測工序，對制備樣本煙支進行重量檢測，保證所有成品煙均符合制備規格。而傳統設計方法下的自動化控制系統，由于少了一道檢測工序，雖然在制備過程中進行了精準計量，但難保在加料過程中出現程序故障或機器故障，導致煙絲比重過大，影響自動化控制結果。根據曲線2的走勢可知，煙支總量的控制曲線不斷上下波動，可見該系統可控制下，煙支重量忽大忽小，不符合制作標準。綜合上述實驗測試結果，可判定此次設計的自動化控制系統，對煙支重量的控制效果更好。

四、結語

此次設計的自動化控制系統，在傳統控制系統的基礎上，通過替換原有設備硬件，加強軟件之間的兼容效果，再通過微波檢測技術，設置一道獨立的煙支重量鑒別程序，加強對煙支重量的檢測力度，保證成品煙支均符合生產標準。此次設計的卷接機煙支重量自動化控制系統，可以在保證產品質量的基礎上，加快生產效率，但由于該系統具有針對性，可能不適用在其他型號的卷接機中。