黃雯華

廈門(mén)煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門(mén)市海滄新陽(yáng)工業(yè)區(qū)新陽(yáng)路1號(hào) 361022

目前國(guó)內(nèi)煙草行業(yè)用于濾棒生產(chǎn)的主要有KDF2/AF2、KDF3/AF3、ZL22、KDF4/AF4 等濾棒成型機(jī)組［1］。濾棒圓周控制系統(tǒng)是濾棒成型機(jī)組的重要控制部件，主要有氣壓式和光學(xué)式兩種控制方式。其中，早期設(shè)備（如KDF2/AF2、KDF3/AF3、ZL22）圓周控制系統(tǒng)都采用氣壓式，近年來(lái)從德國(guó)HAUNI公司引進(jìn)的KDF4/AF4濾棒成型機(jī)組的圓周控制系統(tǒng)則采用光學(xué)式控制方式。由于光學(xué)式圓周控制系統(tǒng)使用時(shí)間較短，對(duì)其工作原理、控制方式、控制精度及維護(hù)保養(yǎng)方法等方面缺乏深入了解［2-3］。為此，以KDF2/AF2（氣壓式圓周控制系統(tǒng)）和KDF4/AF4(光學(xué)式圓周控制系統(tǒng)）濾棒成型機(jī)組為研究對(duì)象，分析對(duì)比了兩種圓周控制系統(tǒng)的控制原理、控制方式及維護(hù)保養(yǎng)方法，通過(guò)進(jìn)行濾棒對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)［4］，了解和分析兩種系統(tǒng)的控制精度及過(guò)程能力指數(shù)，以更好地為濾棒生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 控制原理

1.1 氣壓式濾棒圓周控制系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代中期，我國(guó)從德國(guó)HAUNI公司引進(jìn)了KDF2/AF2濾棒成型機(jī)組和相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)，90年代初實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化后成為目前卷煙企業(yè)使用的主要機(jī)型［5］。該機(jī)型的圓周控制系統(tǒng)工作原理［1］見(jiàn)圖1，在設(shè)備開(kāi)始生產(chǎn)時(shí)，B4識(shí)別到濾棒后，濾棒圓周控制器開(kāi)始工作，壓縮空氣經(jīng)過(guò)減壓閥（4）輸送給測(cè)量噴嘴（2），在測(cè)量管內(nèi)形成一個(gè)回滯壓力，壓力大小與濾棒直徑有直接關(guān)系，該壓力在圓周控制器A21中通過(guò)2個(gè)磁性壓力開(kāi)關(guān)S1和S2轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。如果濾棒圓周過(guò)大，磁性壓力開(kāi)關(guān)S2觸點(diǎn)閉合，繼電器K4吸合，信號(hào)燈H21.1亮，信號(hào)通過(guò)繼電器K2接通電機(jī)M21驅(qū)動(dòng)密封室（3）的高度下降，信號(hào)燈H21.1熄滅，H21亮，濾棒圓周重新回到額定范圍；如果濾棒圓周過(guò)小，磁性壓力開(kāi)關(guān)S1觸點(diǎn)閉合，繼電器K3吸合，信號(hào)燈H21.2亮，信號(hào)通過(guò)繼電器K1接通電機(jī)M21驅(qū)動(dòng)密封室（3）的高度提高，信號(hào)燈H21.2熄滅，H21燈亮，濾棒圓周重新回到額定范圍。濾棒圓周也可通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，不管設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程還是停機(jī)狀態(tài)，M21都可以用手動(dòng)操作，操作按鈕S21.1時(shí)，信號(hào)通過(guò)K1傳遞給M21以提高密封室高度；操作按鈕S21.2時(shí)，信號(hào)通過(guò)K2傳遞給電機(jī)M21以降低密封室高度。氣壓式濾棒圓周控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)保養(yǎng)方便，但由于測(cè)量氣壓與濾棒圓周之間的變化呈非線性關(guān)系，無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的量化調(diào)整，也無(wú)法顯示當(dāng)前濾棒圓周值，直觀性較差。

圖1 氣壓式圓周控制器原理示意圖

隨著濾棒成型設(shè)備國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的逐步提高，原有的氣壓式圓周控制器已經(jīng)無(wú)法滿足生產(chǎn)需要。國(guó)內(nèi)廠家先后開(kāi)發(fā)了多種新型氣壓式濾棒圓周控制系統(tǒng)，對(duì)其電控系統(tǒng)和氣路控制都進(jìn)行了較大改進(jìn)，有效提高了控制精度和穩(wěn)定性，見(jiàn)圖2。其中，測(cè)量氣路系統(tǒng)采用精密減壓閥和精密氣體定值系統(tǒng)作為檢測(cè)氣路的恒定輸入，減小了氣壓波動(dòng)對(duì)檢測(cè)精度的影響；電控系統(tǒng)采用微壓傳感器將濾棒圓周值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償電路進(jìn)入精密儀表放大器對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行放大處理，再經(jīng)過(guò)高精度模塊轉(zhuǎn)換，利用單片機(jī)或PLC對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，輸出控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)，同時(shí)采用液晶顯示屏顯示當(dāng)前圓周值［6］。

圖2 新型氣壓式濾棒圓周控制系統(tǒng)工作流程圖

1.2 光學(xué)式濾棒圓周控制系統(tǒng)

從德國(guó)HAUNI公司引進(jìn)的KDF4/AF4濾棒成型機(jī)組的圓周控制系統(tǒng)采用的是ODM-F型光學(xué)測(cè)量裝置。該測(cè)量裝置主要由測(cè)量轉(zhuǎn)換器ODM、煙槍調(diào)整部件、圖文顯示系統(tǒng)、組件支架和計(jì)算機(jī)輔助的統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程處理系統(tǒng)SPS（Statistical Process System）組成，見(jiàn)圖3。在生產(chǎn)過(guò)程中，ODM實(shí)時(shí)的將濾棒圓周測(cè)量值傳遞給SPS系統(tǒng)，SPS將測(cè)量平均值與額定值進(jìn)行比較，生成驅(qū)動(dòng)指令發(fā)送給煙槍調(diào)整部件，同時(shí)通過(guò)圖文顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量平均值。由圖3可見(jiàn)，ODM測(cè)量轉(zhuǎn)換器由發(fā)光二極管（2）發(fā)出光束，光束通過(guò)透鏡（3）到達(dá)濾棒（1），光敏傳感器（4）記錄濾棒投下的陰影。ODM測(cè)量轉(zhuǎn)換器每秒鐘繞濾棒旋轉(zhuǎn) 180°并對(duì)濾棒圓周進(jìn)行 1000次測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)處理器加工處理后，將數(shù)據(jù)通過(guò)總線輸送至控制系統(tǒng)（PLC），控制系統(tǒng)發(fā)出指令給煙槍調(diào)整部件對(duì)濾棒圓周進(jìn)行調(diào)節(jié)，見(jiàn)圖4。

圖3 ODM-F型光學(xué)測(cè)量裝置示意圖

圖4 煙槍調(diào)整部件結(jié)構(gòu)示意圖

2 兩種控制方式比較

氣壓式和光學(xué)式兩種控制方式的精度均能滿足濾棒生產(chǎn)工藝要求，但兩者在響應(yīng)速度、控制精度、抗干擾能力等方面有所區(qū)別。

2.1 響應(yīng)速度

氣壓式控制方式通過(guò)壓力傳感器將檢測(cè)到的測(cè)量噴嘴內(nèi)的壓力變化值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由電信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)；光學(xué)式控制方式是通過(guò)光敏傳感器記錄濾棒投下的陰影，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)，再由電信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，所以氣壓式控制方式對(duì)濾棒圓周變化的響應(yīng)速度沒(méi)有光學(xué)式快。

2.2 控制精度

氣壓式控制方式測(cè)量到的噴嘴內(nèi)濾棒圓周變化所引起的氣壓變化值非常微弱，檢測(cè)信號(hào)易受干擾，氣壓與圓周變化關(guān)系為非線性，再加上現(xiàn)場(chǎng)所提供的氣體壓力波動(dòng)的影響，檢測(cè)精度較低，穩(wěn)定性較差；光學(xué)式控制方式是ODM測(cè)量轉(zhuǎn)換器每秒鐘繞濾棒旋轉(zhuǎn)180°，并對(duì)濾棒圓周進(jìn)行1000次測(cè)量，得到其平均值，因此測(cè)量精度比氣壓式高。

從使用相同規(guī)格絲束、生產(chǎn)同一規(guī)格濾棒的設(shè)備中隨機(jī)各選取一臺(tái)KDF2和KDF4濾棒成型機(jī)組進(jìn)行濾棒圓周取樣測(cè)試實(shí)驗(yàn)［7-8］。每小時(shí)取1次濾棒，每次取30支，連續(xù)取7次，在同一臺(tái)離線測(cè)試臺(tái)上測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，生產(chǎn)相同規(guī)格和工藝要求的濾棒，在同一生產(chǎn)班次抽取相同的樣本量進(jìn)行檢測(cè)，光學(xué)式和氣壓式濾棒圓周檢測(cè)樣本均值分別是24.1019和24.0962，樣本標(biāo)準(zhǔn)差分別是0.0310和0.0504，短期過(guò)程能力指數(shù)CP（Process Capability index）分別是3.22和1.99，長(zhǎng)期過(guò)程能力指數(shù)CPK（Complex Process Capability index）分別是3.20和1.96。從上述數(shù)據(jù)可以看出，光學(xué)式濾棒圓周控制器的控制能力比氣壓式強(qiáng)，控制精度和控制效果也更好。

圖5 氣壓式和光學(xué)式兩種圓周控制器的過(guò)程能力對(duì)比

為進(jìn)一步了解和分析兩種不同控制方式對(duì)濾棒圓周的影響，對(duì)不同班次生產(chǎn)的濾棒也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)［9］。KDF2和KDF4機(jī)臺(tái)每班次各取30支濾棒，連續(xù)7個(gè)班次，各取210支樣本量進(jìn)行圓周檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖6。可見(jiàn)，在相同牌號(hào)、規(guī)格和工藝要求下，采用光學(xué)式控制方式比氣壓式生產(chǎn)的濾棒圓周波動(dòng)范圍小，基本在（設(shè)定值±0.10 mm）范圍內(nèi)波動(dòng)，控制效果較好。

2.3 抗干擾能力

氣壓式控制方式容易受氣壓壓力波動(dòng)、成型紙透氣度及污垢的影響；光學(xué)式控制方式則容易受成型紙表面的粗糙度、粉塵和膠垢的影響。在生產(chǎn)高透氣度成型紙濾棒時(shí)，測(cè)量噴嘴內(nèi)的氣壓壓力比較容易波動(dòng)，此時(shí)光學(xué)式比氣壓式的抗干擾能力強(qiáng)。

圖6 氣壓式和光學(xué)式兩種圓周控制器的濾棒圓周箱線圖

3 兩種控制系統(tǒng)的維護(hù)比較

由以上分析可以看出，氣壓式和光學(xué)式圓周控制方式有共性也有區(qū)別，因此在生產(chǎn)過(guò)程和維護(hù)保養(yǎng)方面也有一定差別。

（1）由于在生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)量管內(nèi)部容易產(chǎn)生膠垢和粉塵，所以設(shè)備每運(yùn)行2 h左右，需要用軟毛刷或較小壓力的壓縮空氣對(duì)測(cè)量管進(jìn)行清潔。特別是光學(xué)式控制系統(tǒng)，其測(cè)量管內(nèi)有光學(xué)鏡片，清潔時(shí)要特別小心，以免損傷鏡片表面，影響測(cè)量精度。清潔后的效果可以通過(guò)ODM-F的自動(dòng)清潔結(jié)果CCD曲線反映，見(jiàn)圖7。圖7右上角為標(biāo)準(zhǔn)圖像，清潔后的結(jié)果圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像對(duì)比看是否正常，曲線波動(dòng)范圍不得超出水平的虛線。如果曲線波動(dòng)范圍較大，說(shuō)明測(cè)量管內(nèi)粉塵、膠垢或其他異物沒(méi)有被清潔干凈，必須重新清潔直到CCD的圖像曲線波動(dòng)較小，與標(biāo)準(zhǔn)圖像基本一致為止。而氣壓式圓周控制器的清潔結(jié)果無(wú)法通過(guò)圖像進(jìn)行展示，只能通過(guò)濾棒圓周在線檢測(cè)圖形或人工檢查以判斷濾棒圓周變化情況。

圖7 自動(dòng)清潔結(jié)果CCD曲線圖

（2）兩種控制裝置均可設(shè)為手動(dòng)或自動(dòng)狀態(tài)。設(shè)手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該裝置不參與控制，只作為濾棒在線測(cè)量值顯示。隨著生產(chǎn)過(guò)程的進(jìn)行，測(cè)量管內(nèi)部粉塵逐漸增多，濾棒圓周將越來(lái)越小，操作人員通過(guò)定期自檢可發(fā)現(xiàn)濾棒圓周的變化情況，并及時(shí)調(diào)整和清潔測(cè)量管；設(shè)為自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，控制裝置將根據(jù)在線測(cè)量數(shù)值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，波動(dòng)較小，操作人員也應(yīng)定期清潔測(cè)量管，并根據(jù)測(cè)量值的變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（3）在生產(chǎn)過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)濾棒圓周波動(dòng)較大，無(wú)法判斷故障原因時(shí)，可先將濾棒控制裝置設(shè)為手動(dòng)狀態(tài)，觀察此時(shí)濾棒圓周變化情況，如果濾棒圓周波動(dòng)過(guò)大現(xiàn)象消除，則可能是測(cè)量管內(nèi)有粉塵、異物或控制裝置出現(xiàn)問(wèn)題；如果波動(dòng)仍然較大，則可能是濾棒成型過(guò)程有問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)KDF2/AF2的氣壓式圓周控制系統(tǒng)和KDF4/AF4的光學(xué)式圓周控制系統(tǒng)的工作原理、控制方式及維護(hù)保養(yǎng)方法對(duì)比分析可見(jiàn)，兩種控制系統(tǒng)都能滿足濾棒生產(chǎn)工藝要求，但從控制精度、響應(yīng)速度和抗干擾等方面看，光學(xué)式比氣壓式圓周控制系統(tǒng)功能更強(qiáng)大，人機(jī)交換界面更方便、快捷。在實(shí)際生產(chǎn)中，從兩種控制系統(tǒng)的機(jī)組所生產(chǎn)濾棒測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，光學(xué)式圓周控制系統(tǒng)對(duì)濾棒圓周的控制精度、控制效果和過(guò)程能力等方面均比氣壓式要好。

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