ZJ118卷接机组切纸轮负压控制系统的设计

陈荣林，陈杰，朱登科，郑友东，黄苏龙

江苏中烟工业有限责任公司徐州卷烟厂，江苏省徐州市云龙区珠江路88号 221000

ZJ118型卷接机组生产烟支直径≤7.0 mm卷烟时，额定生产速度为6 000支/min，通常采用剪切方式进行接装纸分切［1］。在剪切过程中，切纸轮通过负压风机提供的吸风吸附接装纸，其负压大小需要通过手动调节负压阀，而刀片与切纸轮则采用点接触方式对接装纸进行分切［2］。由于接装纸种类以及批次间材料特性存在差异、吸风通道堵塞等因素的影响，导致生产过程中接装纸在切纸轮上的拉力时大时小，容易发生接装纸断裂、纸边长短不齐、烟支泡皱和漏气等质量问题［3-5］。近年来，针对接装纸切割问题的研究主要集中在横向纠偏改进［6］、刮纸拉磨改进［7］、切纸轮刮刀装置研制［8］、切纸轮负压风道清洁装置设计［9］等方面，对于ZJ118机组切纸轮负压自动控制方式的研究则鲜见报道。为此，采用PLC控制和力传感技术，结合软件算法优化，设计了一种切纸轮负压自动控制系统，以期实现接装纸拉力的实时监测和稳定控制，提升卷烟产品质量和生产效率。

1 问题分析

1.1 接装纸切割原理

如图1所示，接装纸切割系统由切刀辊2、切纸轮3、真空泵4、上胶系统5、供纸辊6、椭圆辊7、从动辊8等部分组成。该系统位于上胶系统与搓接系统之间，主要是将涂胶后接装纸切割成定长尺寸的接装纸片。设备运行时，真空泵提供的负压空气通过切纸轮上的吸风孔将接装纸吸附在切纸轮的圆弧上，接装纸跟随切纸轮做顺时针转动；切刀辊与切纸轮转动方向相反，刀片内高外低，主要完成由内到外的接装纸剪切任务。因供纸辊的线速度略低于切纸轮的线速度，在分切之前接装纸在切纸轮上形成一段距离的滑差［10］。而在分切过程中，通过椭圆辊的补偿作用，接装纸与切纸轮线速度保持一致，保证在接装纸无胶区内完成接装纸切割。因切纸轮线速度较高，分切后接装纸片将分开一定距离，并输送至后续搓接工序。

图1 接装纸切割系统结构示意图Fig.1 Structure of tipping paper cutting system

在此过程中，接装纸分切之前在切纸轮上产生的相对位移称为滑差，计算公式［11］：

式中：ΔL为滑差，mm；d切为切纸轮直径，mm；L为接装纸片长度，mm。

已知d切=150 mm，常规卷烟接装纸片长度L常=27 mm，中支卷烟接装纸片长度L中=22 mm。由公式（1）可知，常规卷烟的滑差ΔL常=12 mm，中支卷烟的滑差ΔL中=17 mm。可见，中支卷烟的滑差比常规卷烟长5 mm，由此影响中支卷烟接装纸在切纸轮上的平稳性。

1.2 存在问题

分析可知，在分切之前接装纸在切纸轮上产生相对位移期间，接装纸与切纸轮之间存在滑动摩擦力f，即f=μ×P×S。其中，μ为接装纸印刷面动摩擦系数（无量纲），P为真空泵产生的负压（Pa），S为接装纸与切纸轮吸风孔的吸附面积（m2）。可知，当动摩擦系数μ较小、真空泵负压设置P较小或切纸轮吸风通道堵塞时，滑动摩擦力f较小，切纸轮上的接装纸拉力变小，造成中支卷烟接装纸在切纸轮上产生的相对位移较大，进而导致接装纸在切纸轮上出现反折错位、切割不齐等现象，甚至在回弹力作用下出现接装纸断裂等问题；当动摩擦系数μ较大、真空泵负压P设置较大时，滑动摩擦力f较大，切纸轮上的接装纸拉力变大，同样容易造成接装纸断裂、切割不齐等问题。可见，中支卷烟接装纸批次间或品牌间的印刷面动摩擦系数存在差异、切纸轮吸风通道堵塞等原因，均会导致切纸轮上接装纸拉力产生波动，进而影响接装纸在切纸轮上的平稳性。因此，保持切纸轮上接装纸拉力稳定，可有效改善接装纸切割效果；通过对接装纸拉力进行实时监控，可及早发现切纸轮吸风通道堵塞等问题。

2 系统设计

基于接装纸拉力设计的切纸轮负压控制系统主要包括拉力测量辊、嵌入式控制器CX1020、模拟量输入模块EL3162、模拟量输出模块EL4002、人机界面、负压旁通比例调节阀（以下简称负压调节阀），见图2。CX1020系列控制器嵌入模拟量输入模块EL3162和模拟量输出模块EL4002［均为德国倍福（BECKHOFF）自动化有限公司产品］。利用拉力测量辊检测接装纸拉力，拉力测量范围为0～100 N，将接装纸拉力转换为电压信号输入至模拟量输入模块EL3162。负压调节阀安装于负压吸风主通道中，通过程序控制，模拟量输出模块EL4002将0～10 V电压信号输出至负压调节阀；当输出电压为10 V时，负压调节阀全开，此时切纸轮上负压吸风最小。

图2 切纸轮负压控制系统原理图Fig.2 Principle of negative pressure control system in tipping paper cutting drum

2.1 拉力测量辊

由于ZJ118机组内部空间尺寸受限，市售传感器无法直接安装使用，故设计了一套接装纸拉力测量辊。该装置由拉力传感器3、检测支架2、底座1、锁紧套4、传递轴8、导纸辊6等组成，见图3。使用拉力测量辊取代图1中的从动辊，沿接装纸运行方向安装于接装纸供纸辊与上胶系统之间；拉力传感器嵌入检测支架内并通过螺钉紧固，检测支架通过底座固定于设备后墙板上；拉力传感器端部测力轴与导纸辊、传递轴通过锁紧套紧固连接。改进后接装纸在输送过程中位于输送辊中间，利用切纸轮负压吸附力对输送的接装纸产生拉力。

图3 拉力测量辊结构示意图Fig.3 Structure of tension measuring roller

2.2 受力分析

接装纸拉力测量辊整体固定在接装机内壁上，该装置可转化为一个悬臂梁受力模型。假设接装纸被切纸轮负压吸附牢固，切纸轮转速恒定，则接装纸所受拉力大小恒定且处处相等。因接装纸拉力可等效为接装纸对测量辊的压力，故压力大小为定值。拉力测量辊分为构件1和构件2两部分，分别对测量辊整体和构件1进行受力分析，见图4和图5。其中，A、B、C为3个受力分析点，假设接装纸拉力沿纸方向均匀分布，且接装纸平直展开，则可将接装纸拉力简化为居于纸中心的一个拉力。

图4 拉力测量辊受力分析Fig.4 Force analysis of tension measuring roller

图5 构件1受力分析Fig.5 Force analysis of Component 1

对拉力测量辊整体进行受力分析，可得：

对构件1进行受力分析，可得：

式中：∑Fx为水平方向受力之和，N；∑Fy为竖直方向受力之和，N；∑MB为B点所受力矩之和，N·m；Fbx为B点水平方向受力，N；Fby为B点竖直方向受力，N；Mb为B点所受力矩，N·m；Fa为A点所受接装纸拉力，N；Fc为连接件对C点的压力，N；L1为接装纸拉力力臂，m；L2为连接件压力力臂，m；Mc为连接件对C点作用力矩，N·m。

通过对拉力测量辊整体和构件1进行受力分析，可以求得C点的受力情况，Fc=Fa，Mc=Fa（L1-L2），即通过传感器检测C点的受力情况即可实时监测接装纸拉力大小。

2.3 滤波采样

在接装纸输送切割过程中，椭圆辊（图1）顺时针转动会造成接装纸拉力瞬时波动。为克服周期性拉力波动以及偶然因素引起的干扰对PID调节控制产生影响，采用移动平均值滤波算法对接装纸拉力采样值进行滤波处理。在Twincat程序中调用“FB_CTRL_MOVING_AVERAGE”功能块，并在变量声明区定义一个数组，按顺序存放N个拉力采样值。每采集一个新样本，就将最早采集的样本删掉，而后求取包括新数据在内的N个数据的算术平均值。以ZJ118机组额定生产速度6 000支/min计算，滤波采样间隔时间T应小于切纸轮输送切割1张接装纸片的时间20 ms。当N取值较小时，采样长度过短会导致滤波平滑效果较差，引起PID调节出现振荡现象；当N取值较大时，采样长度过长会导致控制负压调节阀的输出信号滞后。现场调试结果显示，N取值在35~65范围内较为适宜。

2.4 控制方法

①首先关闭负压调节阀，此时切纸轮上负压最大。在停机状态下由拉力传感器测量接装纸拉力，模拟量输入模块接收拉力传感器测量的数字量整型INT数值Vmax，通过D/A转换公式Xmax1=INT TO REAL（Vmax）×100/32 767，得到拉力最大值Xmax1；利用公式Xmax=INT TO REAL（REAL TO INT（Xmax1×10））/10，将拉力采样值Xmax精确至小数点后一位，即0.1 N。

②设备正常运行时，接装纸拉力设定值为Xpv，Xpv

④当控制方式为手动时，按照人机界面上显示的接装纸拉力实际值Xav手动设定调节开度，负压调节阀按照设定的开度进行动作，设定范围为0～100%。其中，100%为负压调节阀全开，此时切纸轮负压最小。

⑤当控制方式为自动时，系统比较接装纸拉力设定值Xpv与实际值Xav之间的差值X（t），利用PID调节控制负压调节阀输出信号，传递函数G（t）=其中，Y为PID控制输出值，调节区间为0～100。经现场调试，设比例系数Kp=2，积分时间Tn=50 ms，阻尼时间Td=100 ms，导数时间Tv=10 ms，控制效果最佳。

⑥按照模拟量输出电压量程，通过转换公式YA=REAL TO INT（（100-Y）×32 767/100），将PID输出控制值Y进行转换，得到最终输出量YA，与模拟量输出模块输出电压相对应。

2.5 人机界面

采用Visualization可视化界面技术，设计切纸轮负压控制系统实时监控画面，可显示接装纸拉力实际值、设定值，手动、自动控制模式以及负压调节阀开度等内容，见图6。在自动模式下，控制系统比较接装纸拉力设定值与实际值，通过负压调节阀自动调节切纸轮负压大小。当接装纸拉力实际值过小时，表明切纸轮负压偏小，此时可能存在吸风通道堵塞等问题。

图6 人机界面示意图Fig.6 Schematic diagram of human machine interface

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“苏烟（彩中）”牌卷烟，圆周20 mm，长度88 mm（江苏中烟工业有限责任公司徐州卷烟厂提供）；接装纸宽度74 mm（徐州红杉树纸业有限公司）。

设备：ZJ118型卷接机组（常德烟草机械有限责任公司）。

方法：生产环境温度20～30℃，相对湿度50%～65%，将切纸轮负压控制系统应用于ZJ118机组，机组运行速度6 000支/min。①将接装纸拉力设定值依次设为9、8、7、6和10 N，监测接装纸拉力变化曲线，验证负压控制系统调节稳定性。②将接装纸拉力设定值依次设为12 N（调节极限+1 N）、11 N，监测接装纸拉力变化曲线，验证接装纸在切纸轮上的输送效果。③分别统计改进前后接装纸断裂次数、手动调节负压次数，每隔1 h对烟支质量进行一次抽检，抽检数量200支/次，每班次抽检8次，依据《卷烟工艺规范》［12］对烟支卷制质量进行评价。统计周期为10班次，取平均值。

3.2 数据分析

3.2.1 切纸轮负压调节控制结果

由图7可见，左侧部分为接装纸拉力变化曲线。红色虚线为接装纸拉力设定值，对应于右侧“SETPOINT”数值显示框；绿色实线为当前值，对应于右侧“Actual value”数值显示框。当接装纸拉力从9 N变化到6 N再突然增加到10 N时，系统输出的动态响应迅速，超调量和振荡次数较少，通过实时调节负压调节阀，接装纸拉力能够快速达到设定值并保持拉力曲线稳定。表明系统PID调节参数设定正确，负压控制系统运行稳定可靠。

图7 切纸轮负压调节控制曲线的显示界面Fig.7 Display interface of negative pressure adjustment curve of tipping paper cutting drum

3.2.2 接装纸拉力变化结果

当接装纸拉力设定超出调整范围时，负压调节阀全关，负压控制系统未发生作用，等同于手动状态。由图8可知，未启用切纸轮负压控制系统时，接装纸拉力曲线多次出现波动，这可能与接装纸材料特性存在差异以及内部吸风通道堵塞有关；当使用切纸轮负压控制系统时，接装纸拉力曲线平稳未出现波动，表明负压控制系统可以提升接装纸在切纸轮上的输送稳定性。

图8 接装纸拉力变化的显示界面Fig.8 Display interface of tipping paper tension variation

3.2.3 烟支卷制质量对比

由表1可见，应用切纸轮负压控制系统后，ZJ118机组接装纸断裂次数由2.1次/班次减少至0.1次/班次，手动调节负压次数由0.5次/班次降低为0，接装纸搭口翘边、纸边不齐、烟支泡皱现象明显改善，烟支卷制质量得分由98.7分提升至99.4分。

表1 切纸轮负压控制系统应用前后烟支卷制质量对比①Tab.1 Comparison of cigarette manufacturing quality before and after application of negative pressure control system in tipping paper cutting drum

4 结论

基于力传感原理和力传导受力分析研制了接装纸拉力测量辊，将BECKHOFF控制系统、PID调节技术和移动平均滤波算法相结合设计了基于接装纸拉力的切纸轮负压控制系统，实现了对接装纸切纸轮负压的自动调节和精确控制。以徐州卷烟厂使用的ZJ118卷接机组为对象进行测试，结果表明：①切纸轮负压调节控制PID参数设定正确，系统输出动态响应迅速，运行稳定可靠；②应用切纸轮负压自动控制后，接装纸拉力曲线变化平稳，有效提升了接装纸在切纸轮上的输送稳定性；③应用后ZJ118机组接装纸断裂次数由2.1次/班次减少至0.1次/班次，手动调节负压次数由0.5次/班次降低为0，烟支卷制得分由98.7分提升至99.4分，提升了设备运行有效作业率和卷烟产品质量。