自动控制系统网络的研究与开发
章俊杰 吴健 李钰靓
摘 要：针对ZJ112型国产高速卷烟机烟支圆周控制系统的烟支圆周达标率低和烟支圆周控制稳定型差等问题，研究开发了一种基于光学技术的新型烟支圆周自动控制系统，详细介绍了新型圆周控制系统所包括的光电圆周检测系统，PLC控制系统和圆周控制调节系统的结构组成及工作原理。通过实验测试结果表明：所设计的新型烟支圆周控制系统具有更高的控制精度、更小的烟支标准偏差和变异系数，能够有效控制生产过程中烟支的圆周，提高产品优质率。
关键词：ZJ112型卷烟机；烟支圆周自动控制系统；光学技术
中图分类号：TS43 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0027-02
在卷烟的生产过程中，卷烟卷制质量一直是烟草行业重点关注的内容[1]。烟支圆周是衡量卷接工序质量的重要指标，如果卷烟的圆周误差超标，一方面影响滤嘴接装质量及卷烟的吸阻和口感，另一方面反映精细化加工水平。由于卷烟是一种弹性体，在测量过程中可能产生形变，很难得到精确的结果。因此，卷烟圆周控制是卷烟机控制系统的重点和难点，其控制性能的优劣直接影响卷烟的生产质量[2][3]。
ZJ112型卷接机作为新一代国产高速卷接机，是国内卷烟制造企业中广泛应用的机型之一，生产速度达到10000支/分钟[4]。但是在该型卷烟机的生产使用过程中，其烟支圆周控制暴露出以下问题：（1）现有的烟支圆周控制系统主要是采用微波检测技术[4]，存在运算速度低、检测精度不高，檢测结果可靠性差，无法满足生产速度的要求，容易出现不合格烟支，降低了烟支圆周达标率。（2）系统没有引入闭环的控制，圆周只能通过人工调节大压板部件来进行，不能很好的对烟支圆周及时的控制和调整，使得检测结果与圆周控制相对脱节，无法保证烟支圆周的稳定性。
针对以上问题，本文设计一种基于光学技术为核心的烟支圆周自动控制系统，以适应于ZJ112卷烟设备在高速生产运行中对烟支圆周进行及时检测、控制和调整，提高烟支圆周的自动控制精度，保证烟支圆周质量的稳定性，提高检测智能化程度，为实现生产精益管理提供良好的技术支持。
1 烟支圆周自动控制系统结构组成和工作原理
基于光学技术新型烟支圆周自动控制系统的原理框架图如图1所示，其主要由光电圆周检测系统，PLC控制系统和圆周控制调节系统组成。其工作原理是光电圆周检测系统通过连续扫描测量SE上烟条的直径，并将测量结果以模拟型号的方式通过DP总线将数据送至控制系统（PLC），PLC控制系统通过运算处理后将模拟信号通过DP方式输送给烟支圆周控制调节系统，烟支圆周控制调节系统根据需要实时修正，最终实现烟支圆周的在线检测和闭环控制。
1.1 光电圆周检测系统
光电圆周检测系统作为烟支圆周控制的核心具有高精度、性能稳定、实时在线等优势，本系统采用了卷接机组光电式圆周检测系统，其包括了检测装置、旋转机构、数据处理模块。
（1）检测装置。检测装置由其内部的激光式传感器通过发射器发出激光光束，光束经过烟支后通过CCD接收器接收烟支产生的投影，CCD是线性排列的受光组件，可以精确测量出烟支直径变化形成的阴影面积的大小，从而得到烟支的直径，并计算出烟支的圆周[5]。检测装置特别设计的CCD（电荷耦合元件）测量的圆周精度可达50微米，分辨率达到0.01mm。图2是烟支检测装置的原理示意图。（2）旋转机构。依据激光传感器的特性，为了测量不同方向上的直径，采用步进电机带动激光传感器围绕烟支不断做来回180°扫描的工作模式，接收器在读取直径数据的同时，同步控制步进电机运动，实现对烟支多方位的直径检测，如图3所示。旋转机构可使激光传感器在1秒内围绕烟支条旋转180°的同时进行大约1000次测量，每支烟条段至少测量5次，以此消除烟支“不圆度”对圆周测量结果的影响。（3）数据处理模块。数据处理模块集成与接受器上，数据处理模块接收接收器的测量信号，实时对大量原始数据进行测量、计算、平均、校正异常值消除，并得到最终的圆周数据。对数据处理模块而言，可以选择一定的测量样本计算出平均值，如果希望平衡测量值的波动从而获得稳定的结果，则选择一个相对较大的数值。
1.2 PLC控制系统和圆周控制调节系统
PLC控制系统接收来自数据处理模块的模拟信号，经过转换形成对应的烟支圆周数值后，与人机界面设定的参数“烟支圆周”和“可接受的最大偏差”进行比较，如果测得的平均值超出此范围出现一定的偏差时，即产生超上限（OVER）或超下限（UNDER）信号。根据偏差的大小，主控PLC通过DP总线发出命令到圆周控制调节系统，圆周控制调节系统相应的圆周调整电机通过正反转驱动圆周调节装置实现对烟支圆周大小的调整，使生产的烟支圆周与设定的圆周偏差更小。检测结果还可以通过人机界面实时显示。由于数据处理模块的信号输出频率非常高，通过设定PLC的数据输出时间间隔可以调节系统的灵敏度。
2 测量实验与结果
2.1 实验仪器
ZJ112卷烟设备，圆周自动控制系统，C2综合测试仪。
2.2 实验方案
将安装有新型烟支圆周控制系统的ZJ112卷烟机进行84mm长度烟支的生产，根据烟支卷烟工艺要求，设定单支烟的目标圆周为24.5mm；同时，为了进行比较，分别对使用原有烟支圆周控制系统的ZJ112卷烟机和新型烟支圆周控制系统的卷烟机所生产的烟支通过C2综合测试仪以10支为一组的顺序对正常生产的烟支进行分时段各抽取5组进行圆周取样检测，然后进行数据统计对比分析。
2.3 过程与结果结果分析
烟支圆周取样数据如表1所示。其中，第1、2、3、4、5组为原有烟支圆周控制系统所生产的烟支；第6、7、8、9、10组为新型烟支圆周控制系统所生产的烟支。
在表2中，每组烟支圆周的标准偏差SD的计算公式为：
（i=1，2，...，n）
式中，为采样烟支的圆周，形为每组n支烟的平均圆周，本实验测试n取10。
每组烟支圆周的变异系数CV为：
其中长度84mm烟支圆周的内部检验控制值为（24.5±0.20）mm，由表1数据可知：
（1）原有烟支圆周控制系统所生产的5组烟支出现了2支圆周缺陷烟支，烟支圆周标准偏差SD的变化范围为0.0759mm ～0.0829mm，烟支圆周变异系数CV的变化范围为0.31%～0.34mm%；（2）新型烟支圆周控制系统所生产的5组烟支未出现圆周缺陷烟支，烟支圆周标准偏差SD的变化范围为0.0260mm ～0.0566mm，烟支圆周变异系数CV的变化范围为0.11%～0.23%。
实验对比结果表明，该新型烟支圆周控制系统具有更高的烟支圆周控制精度，更小的烟支圆周标准偏差SD和烟支圆周变异系数CV，能更有效地减少烟支圆周的波动和缺陷烟支的产生。
3 结语
本文研究开发了一种基于光学技术的新型烟支圆周自动控制系统，实现烟支圆周的在线检测和闭环控制。实验测试结果表明：所设计的新型烟支圆周控制系统具有更高的控制精度、更小的烟支标准偏差和变异系数，能够有效控制生产过程中烟支的圆周，提高产品圆周优质率。
参考文献
[1]洪杰.基于激光传感器的在线烟支圆周检测系统研究[J].湖南文理学院学报（自然科学版），2012，24（3）：60-62.
[2]黄幼斌，谢忱.卷烟机主要设备参数对卷烟圆周稳定性的影响[J].设备管理与维修，2014，（12）：55-57.
[3]刘勇，程霄，张龙，等.基于DSP的卷烟圆周检测系统的设计[J].测控技术，2008，27（7）：38-40.
[4]常德烟草机械有限责任公司.ZJ112卷接机组操作工培训教材.
[5]王庆有.CCD应用技术[M].天津大学出版社，2000.
