纤棒的光电式直径检测/控制系统设计

HEATS

电控系统日新月异的发展带来了各种全新的检测手段和检测仪器，全新的控制理念和方法，对于滤棒直径的光电式检测/控制系统是对烟草设备的一种全新的设计尝试：即完全不依据外力而自己独立分析、设计整个控制系统。

8 s6 @; N- Y/ ]/ C8 H

纤维滤棒成型机是制造卷烟过滤嘴必不可少的设备。它生产的滤棒经切割处理后成为符合要求的香烟过滤嘴。烟嘴质量的好坏直接影响到香烟的口感和对烟气中有害物质的过滤。滤棒的直径是考核其品质的重要标准，控制产品直径的波动状况直接影响到以后生产工艺流程的效果。随着烟草设备日新月异的发展，烟厂对滤棒质量的要求不断提高，新型的直径控制系统的研发逐渐成为成型工艺中重要的课题。

气路式直径检测/控制系统

: k. U9 s# B( f% I0 C2 e P: N

ZL22D型纤维滤棒成型机是在引进德国技术的基础上，自主设计的较新型滤棒成型机组，采用了Lenze公司的伺服控制系统，大幅提升了机组性能。然而，该机组对于滤棒直径的检测及控制系统仍然停留在利用可控硅检测气压的检测方式上。

其工作原理：当机组正常生产时，滤棒不断被送入检测气室内，电磁阀打开，由气源向检测气室和直径控制仪送入稳定流量的压缩空气，通过检测气室内空气的气压大小就间接反映了滤棒的直径、气压和直径的值在一定范围内是呈线性关系的，随后直径控制装置将气压信号通过转换器转变为电压信号；电压信号被送入计算电路进行处理，并通过可控硅决定继电器K1或K2的输出与否。以此控制电机M是处于正向运行还是反向运行。该电机抬升或者下压成型枪来实现对滤棒直径的调整。

3 O% ?. }8 k+ u: t6 u

该电机输出轴上带有大比例的减速器，电机运行位移计算的分辨率高，能够高精度地控制行距来调整滤棒直径。

! P/ g5 Y D: [% T, C( `

然而，正是使用了这样的气压检测装置，在实际使用中就面对不少如下述难以解决的问题：

6 H2 H8 z) b F- ^: {- U. `" E# [1 X

－ 搭建复杂，占空间多，长时间的使用会引起各种气管老化后，气路密封性能的降低容易影响控制精度；

+ r2 C" p7 I$ T7 w

－ 随着长时间的使用，气压检测室中容易出现积灰，从而降低检测精度，需要经常清洁、保养；

! u0 _ @4 o" v A% o. u- @8 F

－ 计算电路虽然响应较快，但控制方式却比较落后；

$ K$ \ h3 x( ?- d: n) ^' l

－ 正常工作时，气路产生的噪声很大；

－ 气路受环境因素影响大，环境温度和湿度会影响气体的膨胀度和密度，从而影响直径控制的正常工作。

( Q8 I |* M/ c8 @5 K5 n1 q

针对上述气动式控制器存在的不足之处，本次改造决定取消气路式控制系统的检测部分的元件，采用光电式直径控制系统，取消内部运算的电路板，改由PLC控制并计算内部参数，保留气路式控制的执行部分元件。

- g d( _; K; f

光电式直径检测的器件选择

采用光电式检测器作为直径控制器的检测元件，确实能弥补气路式控制的许多不足。光电式检测器结构简单，安装方便，使用寿命长，不容易受环境影响，工作时无任何噪声。最重要的是光电式检测器可以在牺牲一定可容忍的快速性的基础上，提供各种形式的电压信号给PLC，利用PLC强大的计算能力可以对信号进行自动化控制能力较高的控制策略，这样可以提高系统的快速响应速度和稳定性。

, L4 D2 c4 t/ h2 T* f

在光电式检测器的选型方面需要考虑如下因素：

－ 该光电式检测器必须能够在暗室内进行工作；

－ 该光电式检测器的检测精度不得低于0.01mm；

+ C U0 G4 }8 R* f

－ 该光电式检测器体积有一定限制。

经过反复比较和咨询，最终选择了KEYENCE公司的LS-7000系列的传感器。其检测的静态精度为0.2μm，动态精度为2μm，采样速度最高为4096次/s。

! m& a6 ]- Y: w: u' a7 ^2 C$ Z! O

光电式直径检测的理论依据

7 \& `, E5 T& B1 w. R

滤棒的圆度实际上是由调整滤棒成型腔的形状保证的，而滤棒成型后的膨胀或收缩显然是服从扩张原则的，这种形体的变化应该是在空间各个方向都具有相同的矢量值，即某一截面上各个方向的膨胀或收缩的形变情况相同。虽然还要考虑到重力影响及以后刀盘切割所带来的冲击形变，但依然可以肯定滤棒的横截面是圆或近似圆的。由此，单向检测所得的数据必定就是其直径数据。

+ \/ p/ q, j% V6 q% M

另外，目前所采取的控制方式并非是最合适的控制方式。由于滤棒是由丝束压制而成，而丝束的密度并不恒定，有大小变化，所以直径也就有变化。这种变化并不是连续的线性变化，而是连续的非线性变化，这就无法以线性函数表示，而是非线性函数。

/ j, }- n- d. M& n" {3 j; ~

光电式直径控制的系统设计

9 p, B+ r; o3 l% H! C3 S

在新的光电式直径控制系统中，整体的设计方案如下：

, E2 U8 ?, \3 ?" B, }: k

－ 拟采用一组光电传感器取代目前的检测单元：用传感器探测滤棒的直径（X方向），所得信号以电压形式输入，PLC操作人员可以通过人机界面HMI进行参数设定与数据反馈；

0 _2 S2 ]5 m6 |

－ 直径控制电机的启动电路和直径控制执行单元：直径控制执行单元保留原来的设计，直径控制电机输入控制由PLC的I/O通过原电路进行控制；

－ 直径控制装置的机械部件：对大部分机械部件不予更换，但对机组相关防护部件、直径测量部件必须进行重新设计；

- f% D: W b* L# V$ d7 ~( X- p

－ 原有气路部件：全部移除。

1.硬件设计

# F p' L/ O6 B8 U$ T& I

本次改造的硬件设计原理。

控制系统是在原来气动式系统的基础上改造而成的，去除了原来繁杂的直径控制电路，电磁阀，检测气室，气路元件，增加了一组光电检测器。

当滤棒成型后通过光电检测装置，由光电检测发射器向光电检测接收器发射一道光幕，滤棒穿过光幕后阻挡了部分光的接收，光的发射量于接收量之间的差值就反映了滤棒的直径。

当滤棒的直径变大时，滤棒遮挡光线量增大，光电检测接收器的光线的接收量将减少，光电检测接收器将发射量与接收量的差值转换成一个模拟量信号传递给上位PLC，由PLC进行相关模拟量的控制计算，给出数字量信号控制继电器K1吸合K2断开，于是直径控制电动机正转下压成型枪使得滤棒直径变小。

# h1 W1 {6 V0 D8 s- r) I. P

反之，当滤棒的直径变小时，滤棒遮挡光线量减小，光电检测接收器的光线的接收量将增大，光电检测接收器将发射量与接收量的差值转换成一个模拟量信号传递给上位PLC，由PLC进行相关模拟量的控制计算，给出数字量信号控制继电器K1断开K2吸合，于是直径控制电动机反转下压成型枪使得滤棒直径变大。

2.软件控制的设计过程

, D2 z6 |. A6 J& y

由于丝束的密度并不均匀而且呈现出非线性，所以经过成型腔后的滤棒所产生的直径变化也是非线性的。在此基础上，所采取的控制方式要针对这种非线性变化而设计。

首先，我们分析一下滤棒直径的变化情况。当经过开松的丝束完成滤棒成型工艺之后，在成型腔不变化的前提下，滤棒的直径在离开成型腔的一刹那，其直径是相同的。然后，由于滤棒所包裹丝束的密度不同，造成直径变化。也就是说滤棒虽然在某一截面上膨胀或收缩的空间各方向的矢量相等，但不同截面所对应的矢量之间是不相等的。加上盘纸、胶水等因素的影响，造成了滤棒直径变化的非线性。其推算公式如下：

D(x,t)=f(x)×[1+c(t)+∑ei(t)]  (1)

( B! M8 q/ }" G: O" i' \7 w

公式1为滤棒直径变化的推算公式。公式中x和t分别代表了成型腔位置值和时间值。D(x, t)是直径变化公式，f(x)指成型腔位置对直径变化的线性方程，c(t)指丝束密度对应时间而产生直径变化的非线性方程，而∑ei(t)表示其他因素对应时间而产生直径变化的线性及非线性方程组。

/ ^4 b, _4 ~- h6 J

其次，要明确我们的控制对象。由于∑ei(t)可以被认为是误差，所以在控制中可以将此当作一种干扰因素而非控制对象，将公式简化为：

D(x, t)=f(x)×[1+c(t)] (2)

公式2为滤棒直径变化的简化公式。所以，我们的控制对象就是成型腔位置对直径变化的线性方程和丝束密度对应时间而产生直径变化的非线性方程。

最后，我们要依据控制对象来设计控制系统。成型腔位置对直径变化的线性方程可以被看成是一元一阶的比例方程。而对于密度的变化虽然是非线性的，但是可以判断它是服从概率上的泊松分布。故而丝束密度对应时间而产生直径变化的非线性方程的结果值也是服从泊松分布。所以，控制程序的设计中就采用自适应控制算法进行整体设计。编写部分主要程序如下图所示。

0 Q4 G2 t+ v/ r. N

6 X1 a' Q' V0 Q$ T

直径控制部分主要程序

0 v7 C8 \. R* Z' w3 P$ p

调试与总结

在完成装配和调试后，改进后的设备进入实物试车阶段，该装置运行情况良好，能够较准确地控制滤棒的直径并且克服了原装置的种种不足之处。【MechNet】