YB415型硬盒包裝機7號輪加熱器改進

摘 要：YB415型硬盒包裝機是新型國產中速ZB415硬盒硬條包裝機組的主機設備。在煙廠實際生產運行過程中發現，主機7號輪加熱器溫度控制存在設計缺陷，容易造成安全隱患與生產質量事故。鑒于此，在YB415型硬盒包裝機7號輪原始設計方案的基礎上，分別從硬件與軟件兩方面進行優化，通過新增熱電偶并優化PID溫度控制流程，提高7號輪加熱器的安全性與穩定性，并將軟件優化運用到整個ZB415包裝機組，從而提升整機運行效率。

關鍵詞：YB415；煙草包裝機；7號輪

中圖分類號：TS43" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）04-0066-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.016

0" " 引言

在煙草包裝行業，隨著現代工業技術的不斷發展，自動化與智能化的重要性日益凸顯[1]。煙草包裝機械作為整個煙草產業鏈上的重要一環，其性能直接關乎最終產品的質量與生產效率。ZB415硬盒硬條包裝機組是新型國產中速機組，額定運行速度為400包/min[2]。整個包裝機組可劃分為YB415型硬盒包裝機、YB515型盒外透明紙包裝機、YB615型硬條包裝機和YB915型條外透明紙包裝機四個部分。YB415型硬盒包裝機是ZB415硬盒硬條包裝機組中的主機，其功能是將煙支按特定排列例如7-6-7或7-7-6送入模盒，然后包上鋁箔紙、內框紙和商標紙，形成硬盒煙包，最后輸送至下游機進行盒外透明紙的包裝[3]。

在硬盒煙包包裝過程中，共有1號輪至8號輪八個包裝輪。7號輪是其中一個重要環節，其主要起到將剛包完商標紙的煙包內部未干涸的膠水烘干的作用。在YB415型硬盒包裝機原設計方案中，7號輪分為上下兩個加熱器。由于整個上部加熱器或下部加熱器所需面積過大，故單個加熱器由兩塊扇形加熱板組成，分別由兩個固態繼電器控制，溫度由插在其中一塊扇形加熱板內部的熱電偶進行控制。在日常生產調試的過程中，如出現加熱板或熱電偶損壞的情況，容易出現全功率長時間加熱，從而對煙包造成不可逆轉的損壞。在某些特定條件下，甚至會出現7號輪過熱導致冒煙著火的情況，存在嚴重的安全隱患。

本改進方案針對目前YB415型硬盒包裝機7號輪加熱器存在的問題，分別從硬件層面和軟件層面加以改進優化，能更好地降低產品發生質量事故的風險，從而提高包裝機的運行安全性與穩定性。

1" " 問題分析

1.1" " 系統結構

ZB415硬盒硬條包裝機組是新型國產中速機組，其電控系統采用倍福TwinCAT 3作為核心基礎，應用EtherCAT總線系統和E-BUS背板協議將現場I/O端子、安全控制端子、高精度模擬量轉換元器件、位置測量及運動控制等部件無縫連接，具有良好的功能擴展柔性，滿足歐盟最新CE安全標準。機組使用全新設計的具有3D模型的HMI人機界面，可以更直觀顯示故障點。運用施耐德伺服驅動系統，并標配全狀態監測系統，在保持高可靠性的基礎上，同時具有智能化與自動化的特點。

YB415型硬盒包裝機主要由煙庫部件、鋁箔紙部件、內框紙部件、商標紙部件和包裝線部件組成。7號輪是包裝線部件中的重要組成部分，由上下兩個扇形加熱器與中間可旋轉運動的整體模盒組成，如圖1所示。其中單塊扇形加熱器由兩塊扇形加熱板構成。包裝機運行時，7號輪順時針旋轉做間歇運動，煙包在7號輪模盒內側立，依靠7號輪間歇旋轉運動停頓時刻上下加熱器合攏對煙包側面進行加熱，烘干商標紙膠水。7號輪在煙包需要隨內部模盒旋轉移動時分開，煙包在7號輪內旋轉，經過270°后送入8號輪[4]。

1.2" " 存在問題

在YB415型硬盒包裝機原設計方案中，7號輪上部加熱器由兩塊扇形加熱板組成，只有其中一塊扇形加熱板內部插有熱電偶，另一塊加熱板內部無熱電偶，兩塊加熱板靠一根熱電偶控制，由兩個固態繼電器并聯輸出。7號輪下部加熱器設計與上部加熱器相同，同樣是由一根熱電偶控制兩塊扇形加熱板。

這種設計在某些情況下會出現安全與產品質量隱患。例如當機器維保過程中熱電偶被拔出扇形加熱板，或插有熱電偶的扇形加熱板損壞時，則熱電偶溫度始終無法達到設定溫度，故PLC認為此時7號輪加熱器實際溫度與設定值偏差較大，PLC控制固態繼電器以全功率輸出，使扇形加熱板在等效于無控制的條件下持續加熱，導致溫度超出正常工作的上限，極端條件下會出現過熱著火的危險后果。在另一種情況下，當未插有熱電偶即不受熱電偶直接控制的扇形加熱板發生損壞時，插有熱電偶的另一路扇形加熱板正常工作，溫度顯示正常，但實際7號輪加熱器內部有一半加熱板由于損壞溫度未達到設定要求，此時生產出來的煙包因為加熱時間與溫度沒有達標，不符合生產工藝要求，容易出現粘膠不牢導致小盒開口等問題，最終形成生產質量事故。

2" " 改進方法

2.1" " 硬件優化

YB415型硬盒包裝機原7號輪設計方案中，使用兩根熱電偶控制四塊扇形加熱板，其中兩塊扇形加熱板不受熱電偶直接控制。本方案中硬件改進針對YB415現今存在的問題，在7號輪加熱器原上下兩根熱電偶的基礎上，在前部額外新增兩根熱電偶，即每塊扇形加熱板溫度分別由一根熱電偶實現直接控制。經過改進后，7號輪加熱器共有四塊扇形加熱板與四根熱電偶，每塊扇形加熱板都可以單獨實現溫度控制。7號輪前部新增的兩根熱電偶如圖1框內所示。

7號輪扇形加熱板及熱電偶元器件需要安裝到位并檢測功能正常，修改后熱電偶連接點位如表1所示。

同時，HMI人機界面內7號輪加熱器溫度調節選項由原“7號輪上部加熱器”變更為“7號輪前部上側加熱器”與“7號輪前部下側加熱器”，“7號輪下部加熱器”變更為“7號輪后部上側加熱器”與“7號輪后部下側加熱器”，如此可實現7號輪四塊加熱板溫度分別精確控制。圖2所示為經過修改后的HMI人機界面。

2.2" " 軟件優化

在YB415型硬盒包裝機電控系統中，加熱器溫度控制程序是一個重要環節。在煙包包裝過程中，加熱器溫控程序直接影響包裝質量，其穩定性與精確性決定了商標紙能否粘牢，同時也要避免溫度過高影響煙支質量。由于包裝機在運行過程中會根據工藝需求與機械設計結果的要求進行降速，在20包/min至400包/min區間內快速變化，并且工藝流程對加熱器的快速響應、準確控制和恒溫等要求較高，故采用PID模擬量閉環溫度控制。

PID模擬量閉環溫度控制通過精確調整比例、積分和微分系數，可以實現高精度的溫度控制，這對于煙草包裝機這種需要嚴格控制溫度波動的應用場景顯得尤為重要。同時PID溫度控制系統具有優秀的穩定性，能夠顯著減少外部干擾和參數變化的影響，使得系統在各種工況下都能保持穩定的溫度輸出[5]。另外，PID溫度控制系統可以根據實際需求靈活調整，例如改變設定溫度和調整控制參數等，方便各家卷煙廠針對其工藝需求進行修改。在YB415型硬盒包裝機HMI人機界面上，可對比例參數P、積分參數I和微分參數D直接進行調節，使得加熱器溫度控制更為精確和穩定。目前，YB415型硬盒包裝機7號輪加熱器溫度控制通過函數“FB_TempRegulator_V2”實現，加熱器溫度控制流程如圖3所示。

如圖4所示，PID控制器可調節回路輸出，使系統達到最終穩定狀態。

式中：u（n）為離散化后的控制器輸出；e（n）為離散化后的輸入信號與反饋信號間偏差信號；T為采樣時間；n為離散后的各個時間點。

在包裝機實際運行過程中，加熱器溫度受到機器運行速度的影響。當包裝機運行速度較高時，溫度反饋的偏移量較大，在PID溫度控制調節下，通過固態繼電器輸出的PWM占空比變大，加熱器通電時間變長，加熱變快。當熱電偶檢測到的實際溫度接近設計溫度時，PWM占空比降低，加熱器通電時間縮短，加熱變慢，從而減少了超調量，保證了加熱器溫度的穩定。

在PID溫度控制的基礎上，新增長時間100%占空比PWM輸出報警功能。根據每個加熱器加熱到設定溫度的時間，放寬一定閾值后設置為該加熱器最長加熱時間。根據實際測量，目前7號輪加熱器由室溫加熱到90 ℃所需時間約為360 s，故將7號輪100%占空比PWM輸出最長加熱時間設定為420 s。在包裝機正常運行情況下，HMI人機界面加熱器頁面中，各個加熱器狀態顯示為“無故障”綠色信息。當100%占空比加熱時間超過設定時間后，顯示“高溫時間過長”紅色信息，并切斷加熱器使能，關閉PWM輸出，人工復位后才能繼續加熱，防止加熱器長時間以全功率運行后出現安全隱患。圖5所示為加熱器控制選項頁面，下方為“無故障”綠色信息和“高溫時間過長”紅色信息。

3" " 結論

本改進針對YB415型硬盒包裝機7號輪加熱器存在的問題，在硬件方面新增兩根熱電偶，對四塊扇形加熱板實現分別精確控制；在軟件方面通過PID模擬量閉環溫度控制，新增長時間100%占空比PWM輸出加熱報警切斷功能，提高了加熱器溫度控制與設備運行的穩定性，使得整個包裝機組運行效率有顯著提升。

[參考文獻]

[1] 侯惠林.YB95包裝機條包美容器的改進設計[J].河北農機，2018（11）：56-57.

[2] 施忠兵，吳建軍，陸宇楨.ZB45異型硬盒硬條包裝機組的設計[J].煙草科技，2020，53（11）：97-102.

[3] 聶磊，李昆，彭楊.YB45型卷煙包裝機七號輪除膠裝置研制[J].輕工科技，2022，38（2）：81-83.

[4] 上海煙草機械有限責任公司.ZB45型硬盒硬條包裝機組培訓教材[R].2004.

[5] 陳玉強，王青林，劉鳳舉，等.基于模糊PID的單片機溫度控制仿真研究[J].科學技術創新，2023（26）：64-67.

收稿日期：2024-10-21

作者簡介：薛天放（1997—），男，江蘇高郵人，助理工程師，研究方向：煙草行業包裝機組電氣設計。