基于ZL23成型机咀棒缺陷剔除系统的改良

2020-07-13代宽吴疆龙亮

商品与质量 2020年11期

代宽吴疆龙亮

四川三联新材料有限公司四川成都 610000

1 项目背景

在滤棒的生产过程中，由于ZL23滤棒成型机的生产工艺存在一些缺陷，会偶然的生产出一些带有缺陷的滤棒，如纸带进行拼接时造成的棒体变厚，电机运行中出现的微小波动导致的重量变化或者是机械结构变化产生的棒体变形等问题，这些现象都会使得ZL23滤棒成型机生产出少量的带有缺陷的滤棒。对于这类情况的出现，一般会利用滤棒在线检测系统对滤棒进行实时检测，当发现有带有缺陷的滤棒出现时，通过通讯连接主机发送警告，再激活滤棒剔除系统对带有缺陷的滤棒进行剔除动作，以确保最终生产获得的滤棒都是符合标准的成品。

目前烟草行业滤棒生产主要使用的是额定生产能力为400m/min（例如 KDF2、AF2、ZL22）和 600m/min（KDF3、AF3、ZL26）滤棒成型机组[1]。以上所提到的机组所使用的滤棒剔除系统大多使用的是相似的V型槽结构与配套的V槽剔除废棒功能。

同样的，ZL23滤棒成型机的剔除系统也一般都设置在位于机器机头部位的V型槽装置中，通过压缩空气将带有缺陷的滤棒打出V型槽装置以达到剔除缺陷滤棒的目的。但是，在实际的生产过程中，发现当设备车速达到95m/min及以上车速时，滤棒剔除成功率低，剔除不彻底，极易出现滤棒剔除不彻底，堵塞滤棒通道，造成跑条现象。那么，为了改善这种剔除方式所造成的跑条情况，以及避免设备有效作业率下降等问题，本文提出了一种改良的ZL23滤棒成型机的剔除系统。

1.1 项目目的与项目意义

使用V型槽进行剔除的这些机组剔除废棒的功能大多数只能实现在连续高速生产的过程中连续剔除多支废棒。有少部分机型实现了V型槽单支剔除废棒的功能，但是由于其成本较高且调试难度较高，导致普及率不高。同时，由于V型槽的机械结构，使得剔除完全依赖压缩空气，压缩空气的稳定程度不确定且剔除阀的精度问题，可能会导致滤棒剔除动作没有达到剔除要求，使得机器在高速运转时，剔除的压缩空气未能使其冲击的滤棒达到要求的剔除位置，在这种情况下，就会造成废棒卡在V型槽中，最终导致机器出现跑条现象。

为了改进这一缺点，本文提出了一种设置于分烟轮的剔除装置。由于分烟轮的机械结构是带有多个槽位的筒状，这种结构在剔除的过程中就不会出现卡棒的情况。同时，分烟轮的位置独立于主电机，那么即使系统剔除失败也并不会影响到主电机的生产，从而杜绝了主电机跑条的现象。另外，分烟轮根据槽位进行剔除的工艺也可以更加方便的进行单支剔除的改造。

1.2 改良系统简介

本文提出的改良ZL23滤棒成型机剔除系统是由硬件组件与人机交互组件这两部分所组成的。硬件组件的功能主要涵盖了检测装置在检测过程中的信号的输出与采集，PLC控制器的信号输入与输出以及相应的执行元件，如高速固态继电器与高速剔除阀等。而人机交互组件使用的是倍福HMI人机交互界面，经过系统组态的编写之后，改良的系统能够通过HMI来对相应的剔除参数进行设置、对采样的结果进行显示，还可以将生产中产生的废棒统计并绘制相应的曲线。以此更加直观且便捷的对剔除系统进行实时的反馈与调整。

该系统中的执行元件主要作用于ZL23滤棒成型机的分烟轮位置。在机器进行生产时，当滤棒检测装置检测出废棒时，系统接收到具体的信号。通过系统计算每支滤棒所经过的模长与需要剔除的电机位置时，通过位于分烟轮8点钟位置的剔除孔吹出正压的压缩空气，最终剔除单支废品滤棒。

2 设计方法

原有ZL23滤棒成型机剔除系统存在两个主要的缺陷：1.设备存在V型槽位置卡棒的跑条风险。2.原有剔除系统不能对于单支缺陷滤棒进行剔除，只能够多支嘴棒同时剔除的问题。

对于第一个缺陷本文提出了将剔除系统执行机构从原有机器的V型槽位置改变到分烟轮位置，从而杜绝剔除的缺陷滤棒卡在V型槽的问题。对于第二个缺陷，提出的改良剔除系统，使用能够在30-40ms内完成一次打开/闭合动作的高速剔除阀，实现单支缺陷滤棒的剔除功能。

2.1 改良剔除系统工艺

改良ZL23滤棒成型机剔除系统工艺结构如下图1所示。

图1 改良剔除系统工艺结构

根据上图所示，整个剔除系统的工艺流程为开环控制。通过检测元件实时检测生产的滤棒状态，经过相应的滤波算法将滤波后的信号输入控制器。当出现缺陷滤棒时，检测元件的输出模拟量出现变化，控制器接收到缺陷滤棒信号。同时根据位于主电机的编码器将主电机的实时位置反馈给控制器，通过HMI上设置的剔除参数，控制器计算出剔除缺陷滤棒的时候主电机应在的位置。当主电机达到相应的剔除位置时，控制器向执行机构输出控制信号，在单支缺陷滤棒到达指定位置时，快速开启剔除阀将单支缺陷滤棒剔除。

2.2 改良剔除系统工艺

主机在刀头将滤棒切割完成之后，通过加速轮将切割完成的滤棒输送至分烟轮槽位中。同时在切割滤棒的过程中，记录滤棒切割位置头与尾的主电机位置，将相关信息传输至控制器中。

改良ZL23滤棒成型机的分烟轮的运动位置如下图2所示。

如上图所示，分烟轮逆时针运动。加速轮将滤棒从分烟轮12点钟方向射入槽内，通过分烟轮槽内的负压气流将滤棒吸到槽底位置且固定。逆时针运动到6点钟方向后，负压吸附效果完全消失，滤棒从分烟轮槽内掉至输送带上。从分烟轮12点方向逆时针运动到6点钟方向的运动位置区间，为剔除位置的选择区间。经过负压吸附力测试，8点钟位置为最佳剔除点。因为该位置上剔除的滤棒不会由于过于靠近传送带而混入良品中，同时，由于分烟轮各个槽位的负压是逐渐减小的，当高于该位置进行剔除动作时，需要短时间内的强负压与强正压交替，整体机械设计难度较高，且效果较差。

3 剔除系统的硬件构成

改良ZL23滤棒成型机的硬件构成主要包含：微波检测装置、PLC控制器及其输入输出模块（数字量与模拟量，其中数字量需要高速脉冲输出模块）、固态继电器、高速剔除阀与主机主电机编码器。同时配备HMI触摸屏实现人机交互功能。

图2 分烟轮运动位置示意图

3.1 微波传感器

微波传感器为检测胶囊滤棒定制的传感器，其输出为0-10V的电压模拟量信号。根据相关的工艺要求与标准，该微波传感器可以对于胶囊的有无，位置与破裂三种情况进行判断与检测。由于微波传感器会根据经过的部分中的水分含量进行检测，水分含量越高则输出的模拟量信号数值越大，而均匀的部分则会输出一根水平直线，则控制器则可以根据所受到的曲线进行相应的算法判断是否完整。

3.2 PLC控制器及其配套模块

PLC控制器选用倍福高性能工业控制器CX2020。该控制器使用InterCoreTMi7dual-coreCPU，同时具有2GB内存。倍福的模拟量输入模块EL3054的最大刷新频率为0.1MHZ，而所选用的微波传感器的最大输出频率为6000smp/s，则其数据处理速度完全符合本剔除系统的要求。能够完整且实时的将传感器接收的滤棒信息输入处理器之中。

当机器在标准生产速度下（大于100m/min的机械速度），单支滤棒从被主电机切开到移动到分烟轮八点钟位置的槽位需要约为30-40ms的时间。这意味着在不考虑微波传感器传输数据到PLC控制器的时间的情况下，剔除阀需要满足在30-40ms内完成一次单独的打开然后闭合的动作，以此来完成单支废品滤棒的剔除。但是对于标准的倍福PLC控制器数字量输出模块EL2008来说，从PLC输出数字量信号到继电器控制剔除阀进行动作的时间需要18-28ms的时间，这远远不能满足单支缺陷滤棒剔除的要求。所以为了满足这一要求，本系统选用了响应时间更加短暂的EL2212模块。该模块能够输出长度为20us的高速脉冲信号，最终通过计算可以得到使用EL2212模块作为数字量，输出模块可以将整个剔除阀开关动作时间缩短到10ms之内。

3.3 主电机编码器与剔除阀

本文提出的改良ZL23滤棒成型机的剔除系统中的剔除算法是基于主机的主电机位置来计算所需要剔除的废品滤棒的位置，所以采用绝对值编码器来对主电机的位置进行检测。

剔除阀采用市面常见的高速电磁阀，电磁阀额定电压为12V，额定功率为6W。

3.4 HMI人机交互界面

为了能够实时的观测到微波传感器的检测结果，同时能够对于缺陷滤棒的剔除位置与其他参数进行设置与调试，则使用了HMI屏幕作为人机交互的中枢。

HMI触摸屏使用倍福的12寸电容触摸屏，通过ADS通信线缆与PLC控制器CX2020进行连接，同时HMI屏幕与PLC通过通信协议ADS进行通讯。

4 剔除系统的软件算法

4.1 微波传感器滤波

由于生产现场存在着许多干扰条件，如主机中的电机造成的机器颤动，厂区电压不稳定产生的微小电压波动以及机器内部的电气产生的电磁干扰，会造成微波传感器所传输的实时滤棒的检测信号出现噪声。由于这些客观情况下出现的干扰，微波传感器所反馈的滤棒实时状态会出现判断不准确，从而造成误剔，或者漏剔的情况，影响剔除系统的精确性与滤棒生产的作业效率。

为了解决这一问题，首先需要对这些干扰所造成的噪声进行处理。一般用于去除噪声的算法有很多，例如赋值滤波法与中位值滤波法等方式。通过对于采集带有干扰的信号进行分析，分析得出存在的噪声含有高斯噪声。

高斯滤波是广泛用于图像噪声的滤波，使用卷积运算减少噪声。因此，本文采用该滤波方式对微波传感器输出的采样信号进行信号预处理。

4.2 剔除算法思路

本文提出的改良剔除系统在原有剔除算法的基础上也进行了一些变化。原有剔除系统的剔除算法是通过编码器的旋转圈数进行计算的。当检测元件检测到存在废品滤棒的存在后，开始累加编码器所传输的主电机圈数。当主电机的旋转圈数达到测试或者HMI屏幕设置的剔除位置时，开启剔除阀从而完成废品滤棒的剔除。

这种原有系统的剔除算法存在着一定的缺陷。首先原有系统使用的是旋转编码器，这种编码器由于只能计算圈数，导致原有剔除算法存在着一定的误差。而原有系统为了消除这个误差的影响，则选择提前在达到位置的时候就开启剔除阀，然后在经过剔除位置之后再稍微延迟一定的时间进行剔除阀的关闭动作。虽然这种方式在一定程度上解决了编码器存在固有误差的问题，但是也造成了原有剔除系统不能够进行精确的单支废品滤棒剔除的功能。

为了解决这一问题，本文提出的改良剔除系统采用了能够判断电机位置的位置编码器。采用位置编码器可以对需要剔除的滤棒从检测出存在缺陷，到主电机切割出废棒成品，最后到剔除废棒进行实时跟踪。通过编码器的位置累加可以将废品滤棒的位置精确到具体的电机模长，配合快速剔除阀能够准确的剔除单支需要剔除的滤棒，避免了原系统为了系统误差而连续剔除多支滤棒的情况。进而较少了生产过程中的生产损耗，提升了生产效率与生产收益。

4.3 剔除算法设计

为了达到单支废品滤棒的实时跟踪的目的，首先需要计算从主机主电机切割位置到分烟轮剔除位置的长度。但这里提到的长度并不是具体的物理长度，而是主电机所转动的位置。经过测试实验，低速或点动运行机器，记录刀头完成切割滤棒尾部的主电机位置，继续运行设备，直到滤棒进入分烟轮且旋转到剔除孔方向，记录此时的刀头主电机位置。那么滤棒从刀头完成切割后输送到分烟轮旋转到剔除孔主电机所走过的位置即为第二次记录的位置减去第一次记录的位，记为E计。这里需要注意的是，由于编码器有计数溢出后复位的特性，则当第二次记录的位置小于第一次记录的位置时，需要加上编码器旋转一周的脉冲数264-1。同时，由于分烟轮的运动是与虚轴耦合的，且主电机的运动亦然。那么不管机器生产的机械速度如何，该位置是不变的。另外，E计可以在HMI人机交互界面上进行微调，以确保单支废品滤棒剔除的准确性。

通过测试得到数据之后，那么在ZL23滤棒成型机实际运转的过程中，每当微波传感器检测到出现缺陷滤棒时，该滤棒经过刀头进行切割且刀盘旋转到滤棒尾部的切割点时，PLC控制器将记录由编码器记录的当前主电机位置信息en尾。此时EL5151模块开始计数，当记录E剔的脉冲数达到废品滤棒尾部切割点的主电机位置en尾加上测试时得到的E计时，PLC输出高速脉冲数字量信号，快速开关剔除阀，从而实现单支废品滤棒的剔除。同样的，这里也需要注意编码器计数溢出后复位的特性，如果编码器旋转一圈的脉冲数264-1减去记录的主电机位置en尾小于测试时得出的主电机到剔除阀位置E计时，则E剔需要加上编码器旋转一周的脉冲数264-1进行补偿。