ZJ112卷接机组卷烟纸和滤棒计量系统的设计

ZJ112卷接机组卷烟纸和滤棒计量系统的设计
王金晨;马万强;张东生;王正灿;褚洪国;王生飞
【摘要】为降低ZJ112卷接机组生产材料消耗,设计了一种卷烟纸和滤棒计量系统.该系统包括卷烟纸计量和滤棒计数两大模块,采用高速计数、多传感器配合、数据转换等技术实现卷烟纸和滤棒的单班次计量,计量数据由以太网上传至上位机,并通过InTouch写入Historian数据库.以ZJ112卷接机组生产"泰山(红将军)"牌卷烟为研究对象,对系统性能进行了测试,结果表明:①卷烟纸计量值与计算值最大相对误差值为0.059%,滤棒计数值与实际值相对误差为0,均符合设计要求;②通过对系统计量值进行分析,可以得到卷烟纸和滤棒单耗、停机消耗等数据,且卷烟纸单耗、滤棒单耗均与停机次数呈正相关关系.该系统为准确分析卷烟纸和滤棒消耗情况、提高设备作业率提供了技术支持.%In order to reduce the consumption of cigarette paper and filter rods in cigarette manufacturing,a metering system was designed for ZJ112 cigarette maker. The system included a cigarette paper metering module and a filter rod counting module,and adopted high-speed counting,multi-sensor coordination and data conversion technologies to quantify the consumption of cigarette paper and filter rods with in a shift. The quantity data were uploaded to a host computer and written into the Historian database through InTouch. The system was tested on cigarette brand"Mount Tai(Red General)"manufacturing,the results showed that:1)The maximum relative error between the metered value and actual value of cigarette paper consumption was 0.059%,and that of filter rods was 0. 2)The system facilitated to further analysis of the unit consumptions of cigarette paper
and filter rods and their consumption at machine shutdown. It was found that the both unit consumptions were positively correlated to the times of machine shutdown. The system provides technical supports for analyzing cigarette paper and filter rod consumption accurately and promoting machine efficiency.
【期刊名称】《烟草科技》
【年(卷),期】2018(051)003
【总页数】7页(P101-107)
【关键词】ZJ112卷接机组;计量系统;消耗;卷烟纸;滤棒
【作者】王金晨;马万强;张东生;王正灿;褚洪国;王生飞
【作者单位】山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂,济南市高新区科航路2006号 250104;山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂,济南市高新区科航路2006号250104;山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂,济南市高新区科航路2006号250104;山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂,济南市高新区科航路2006号250104;山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂,济南市高新区科航路2006号250104;山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂,济南市高新区科航路2006号250104
【正文语种】中文
【中图分类】TS433
随着烟草行业“降本增效”要求的提出，卷烟生产过程中的材料消耗越来越受到关
注。

ZJ112卷接机组是消化吸收德国HAUNI公司PROTOS 90E卷接机组专有技
术而研制的国产高速机型，该机组自身带有滤棒计数及显示功能，但该数据来自卷烟生产及废品量的综合统计，主要通过统计滤棒发射机的发射数量，间接计算各机组的消耗情况，无法直接准确地计量每台机组的使用数量。

此外，该机组也缺少对卷烟纸使用量的统计功能［1-2］。

为降低卷烟纸消耗，王东等［3］对 PROTOS 70卷接机组卷烟纸补偿差动齿轮箱进行了改进，孙运河［4］研制了一种新型抓
持卷烟纸机械手，丁雪松［5］提出了一种卷烟机卷烟纸节省方法，严雪风［6］
对PASSIM卷接机组的盘纸拼接控制系统进行了改进，段群超［7］研制了一种卷烟纸自动取穿装置。

上述研究和改进在一定程度上提高了卷烟纸的利用率，但均未实现卷烟纸使用量的统计功能。

此外，颜西斌［8］、朱文祥等［9］采用机器视
觉技术检测卷烟纸剩余量，可以间接计算得出生产消耗的卷烟纸使用量，但无法对单班次使用的卷烟纸数量进行计量。

为此，基于ZJ112卷接机组设计了一种卷烟
纸和滤棒计量系统，通过统计和分析每班次卷烟纸和滤棒的消耗量，以期降低材料消耗，提高企业精益化生产水平。

1 系统设计
1.1 系统组成
图1 系统总体结构框图Fig.1 Block diagram of overall structure of the system
卷烟纸和滤棒计量系统包括卷烟纸计量和滤棒计数两大模块，系统的控制核心是西门子S7-200系列CPU222CN控制器，主要采用其高速计数功能［10-12］，见
图1。

其中，卷烟纸计量由SE部分设备静止监测接近开关B42S断纸监测光电开
关B26S控制，滤棒计数由滤棒监测光电开关B4M和停机状态监测器A10S控制。

生产中由CPU222控制器对卷烟纸和滤棒使用数量进行计量，采用模块CP243-1将计量数据通过以太网上传至上位机，并通过InTouch写入Historian数据库。

1.2 电路设计
卷烟纸计量脉冲来自接近开关B42S，见图2。

在SE部分，接近开关B42S和
B43S负责接收来自定时盘的脉冲，通过静止监测器A10S判断设备是否处于静止状态。

图2 静止监测接近开关B42S位置图Fig.2 Position of static detection proximity switch B42SB42S.SE定时脉冲接近开关1 B43S.SE定时脉冲接近开
关2 B60S.过滤器接近开关B133S.编码器
卷烟纸计量脉冲还需要配合断纸监测光电开关B26S，当卷烟纸未断裂时累积计数差值，当卷烟纸断裂时不累积计数差值，见图3。

图3 断纸监测光电开关B26S位置图Fig.3 Position of photoelectric switch
B26S for paper break monitoringB26S.断纸监测光电开关B27S.纸张力检测1 B28S.纸张力检测2 B29S.纸张力检测3 B32S.钢印位移传感器B34S.油墨1最
小量检测开关B35S.油墨2最小量检测开关B41S.喇叭嘴检测开关B41V.烙
铁防护罩检测开关
滤棒计数采用机组设备MAX部分原有滤棒监测光电开关B4M的信号，B4M位于滤嘴切刀之后，在滤棒吹拢之前，B4M检测到的脉冲数即为实际使用的滤棒数，
见图4。

本系统中将滤棒监测光电开关B4M的输出信号、断纸监测光电开关B26S的输出信号、脉冲监测接近开关B42S的输出信号接入CPU222的数字量输入接口，静
止监测器A10S的常开触点通过24 V电源接入数字量输入接口，电路设计见图5。

图4 滤棒监测光电开关B4M位置图Fig.4 Position of photoelectric switch
B4M for filter rod monitoringB1M.缺嘴检测B4M.滤棒监测光电开关B40M.滤棒堵塞接近开关B44M.滤棒离合器检测M8.1M.滤嘴切刀电机S71M.操作开关Y80M.滤嘴离合器电磁阀Y10M.缺嘴烟支吹拢电磁阀A103M-A2-Y18.
错位轮合一轮清洁电磁阀A103M-A4-Y48.滤嘴料斗清洁电磁阀
图5 系统电路设计图Fig.5 Design of electric circuit of the system
1.3 软件设计
1.3.1 输入/输出点定义
卷烟纸计量就是对脉冲监测（B42S）进行计数，并配合断纸监测（B26S）的信号；滤棒计数就是对滤棒监测（B4M）进行计数，并配合静止监测（A10S）信号。

控制器CPU222的输入/输出点定义见表1。

1.3.2 程序流程
（1）卷烟纸计量程序流程见图6。

首先对高速计数器HC0初始化，随后读取高速计数器HC0的计数值，判断卷烟纸是否断裂，若卷烟纸断裂，则卷烟纸的长度值
不变；若卷烟纸未断裂，则将高速计数器的本周期计数值与上周期计数值取差值后累积。

表1 输入/输出点定义Tab.1 Input/output reference list项目代号A109M-
A1 A109M-A1 A109M-A1 A109M-A1 A109M-A1输入/输出地址I0.0 I0.1 I0.4 I0.5 I0.6传感器B42S B4M B26S A10S S7-400输出注释脉冲监测接近开关滤棒
监测光电开关断纸监测光电开关设备静止监测器换班信号
图6 卷烟纸计量程序流程图Fig.6 Flow of cigarette paper metering program
图6中，存储单元VD100存储当前周期计数器HC0的计数值；存储单元VD104存储上一周期计数器HC0的计数值；存储单元VD108存储本周期与上周期的计
数差值；存储单元VD136存储计数器的累积差值，表示卷烟纸未断裂时B42S产生的脉冲数；存储单元VD128、VD132存储卷烟纸长度。

由于高速计数值的累积差值是脉冲数，需要转换为卷烟纸长度。

根据设备静止监测原理，设备主轴每旋转一周，B42S产生3个脉冲，而刀盘旋转2周，即切割4支
双倍长烟条段，对应8支单倍长烟条段。

因此，卷烟纸长度与累积脉冲数的对应
关系为：
式中：VD128表示存储单元VD128中存储的卷烟纸长度，m；VD136表示存储单元VD136中卷烟纸未断裂时B42S产生的脉冲数；59表示烟条段长度，mm。

（2）滤棒计数程序流程见图7。

首先对高速计数器HC3初始化，随后读取高速计数器HC3的计数值，判断设备是否处于静止状态，若处于静止状态，即使B4M
检测到脉冲，也是干扰脉冲，滤棒计数不累积；若设备不处于静止状态，则将高速计数器的本周期计数值与上周期计数值取差值后累积，作为滤棒数量的最终计数值。

图7中，存储单元VD200存储当前周期计数器HC3的计数值；存储单元VD204存储上一周期计数器HC3的计数值；存储单元VD208存储本周期与上周期的计
数差值；存储单元VD212存储计数器的累积差值，表示设备在运转过程中B4M
产生的脉冲数；存储单元VD216存储滤棒支数。

为确保卷烟纸长度值与滤棒计数值在设备断电时不丢失，将VD136和VD216两个存储单元设置为断电保持寄存器。

图7 滤棒计数程序流程图Fig.7 Flow of filter rod counting program
1.3.3 换班流程
ZJ112卷接机组设备主控制器为S7-400 PLC，通过修改主PLC程序，在换班时
由其数字量输出模块输出脉冲信号，由计量系统控制器CPU222的数字量输入接
口接收信号。

在CPU中共存储20班次卷烟纸和滤棒计量数据，当换班信号出现时，依次更新存储的卷烟纸和滤棒历史计数值，并将当前计数值清零。

2 应用效果
2.1 试验设计
材料：“泰山（红将军）”牌卷烟原辅材料（山东中烟工业有限责任公司济南卷烟
厂提供）。

设备：ZJ112卷接机组（常德烟草机械有限责任公司）。

测试方法：
①将ZJ112机组生产速度设定为9 500支/min，开启设备运行10 min后，测量“跑条”的卷烟纸长度，记录系统计量的卷烟纸长度以及生产的合格烟支数量和废品烟支数量，共试验5次。

根据合格烟支数量和废品烟支数量以及“跑条”的卷
烟纸长度，计算得到使用的卷烟纸长度，并将计算值与系统计量值进行比较，验证卷烟纸计量的准确性。

②关闭滤棒接收机，采用人工上料方式供应滤棒，并采用人工方式对每盘滤棒进行计数；开启设备运行5 min后，分别记录每盘滤棒数量以
及设备停机时剩余的滤棒数量，同时记录系统计量的滤棒数量，共试验5次。

将
人工计数与系统计数相比较，验证滤棒计数的准确性。

③设备正常运行10班次，分别统计每班次生产的烟支数量、废品烟支数量、停机次数等数据，同时记录系统计量的每班次卷烟纸长度和滤棒数量。

2.2 数据分析
将计算所得的卷烟纸长度与系统计量的卷烟纸长度进行比较，结果见表2。

可见，计量值与计算值的最大相对误差为0.059%，平均相对误差为0.031%，满足系统
相对误差0.1%的设计要求。

每次试验共消耗3盘滤棒，以人工计数方式对生产消耗滤棒和盘中剩余滤棒进行
统计，每盘滤棒总数与剩余滤棒数量的差值即为实际值，将系统计数值与实际值进行对比，结果见表3。

可见，系统计数值与实际使用滤棒数量完全一致，误差为0，符合系统设计要求。

由表4可以看出，卷烟纸平均单耗为593.32 m/万支，单班次最低单耗为591.79 m/万支，当班停机次数为5次，停机次数最少；单班次最高单耗为594.77 m/万支，当班停机次数为19次，停机次数最多，可见卷烟纸单耗与停机次数呈正相关关系，每次停机平均耗用卷烟纸40.62 m。

滤棒单耗为2 510.13支/万支，与停
机次数和剔除率呈正相关关系。

表2 卷烟纸计量值与计算值对比Tab.2 Comparison between metered value and calculated value of cigarette paper注：①烟支总数为合格烟支数量与废品烟支数量之和；②卷烟纸计算值为生产消耗卷烟纸与“跑条”卷烟纸长度之和，生产消耗卷烟纸为烟支总数与单支烟条段的乘积（单支烟条段长度为59 mm）。

试验序号1 2 3 4 5 合计合格烟支数量/支93 254 94 215 93 872 94 214 92 784 468 339废品烟支数量/支187 138 214 188 247 974烟支总数④/支93 441 94 353 94 086 94 402 93 031 469 313“跑条”卷烟纸长度/m 22.9 23.6 22.6 24.5 23.7 117.3卷烟纸计算值④/m 5 535.9 5 590.4 5 573.7 5 594.2 5 512.5 27 806.8卷烟纸计量值/m 5 537.1 5 591.5 5 576.2 5 597.5 5 513.4 27 815.7误差/m 1.2 1.1 2.5 3.3 0.9 8.9相对误差/%0.021 0.019 0.045 0.059 0.016 0.032
表3 滤棒计数值与实际值对比Tab.3 Comparison between counted value and actual value of filter rods试验序号滤棒人工计数/支误差/第1盘第2盘第3盘剩余数量实际使用数量滤棒计数值/支相对误差/支%3 987 4 003 4 125 4 032 4 016 20 163 4 017 4 105 4 006 3 998 4 028 20 154 4 127 4 087 4 056 4 105 4 028 20 403 227 318 347 286 458 1 636 11 904 11 877 11 840 11 849 11 614 59 084 11 904 11 877 11 840 11 849 11 614 59 084 1 2 3 4 5 合计0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
表4 卷烟纸和滤棒计量系统实际应用数据Tab.4 Application data of cigarette paper and filter rod metering system生产数据卷烟纸序号班时1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0白班中班夜班白班中班夜班白班中班夜班白班合计产量/万支392.30 415.20 413.10 364.50 402.30 422.00 374.90 423.60 415.00 402.80 4 025.70剔除量/支8 124 17 113 16 481 15 915 11 692 12 206 8 368 15 512 14 750 16 907 137 068停机次数/次5 15 13 15 17 15 9 14 8 19 130卷烟纸长
度/m 232 159 246 458 245 194 216 461 238 719 250 129 222 231 251 570 246 038 239 572 2 388 531单耗④/（支·万支-1）591.79 593.59 593.55 593.86 593.39 592.72 592.77 593.89 592.86 594.77 593.32烟支耗用④/m
231 936.32 245 977.67 244 701.38 215 993.99 238 046.83 249 700.15 221 684.71 250 839.21 245 720.25 238 649.51 2 383 250.01停机耗用④/（m·次-1）44.54 32.02 37.89 31.13 39.54 28.59 60.70 52.20 39.72 48.55 40.62滤棒
滤棒/支983 174 1 042 421 1 037 518 915 975 1 009 578 1 058 536 940 127 1 063 987 1 041 555 1 012 157 10 105 028单耗④/（支·万支-1）2 506.18 2 510.65 2 511.54 2 512.96 2 509.52 2 508.38 2 507.67 2 511.77 2 509.77 2 512.80 2 510.13
注：①卷烟纸单耗为每万支合格烟支耗用的卷烟纸，即卷烟纸长度除以产量；②卷烟纸烟支耗用为生产合格烟支（产量）和废品烟支（剔除量）消耗的卷烟纸；③卷烟纸停机耗用为系统计量的卷烟纸长度减去烟支耗用卷烟纸长度，再除以停机次数；
④滤棒单耗为系统计量的滤棒数量除以产量。

3 结论
ZJ112卷接机组卷烟纸和滤棒计量系统采用高速计数、多传感器配合、数据转换
等技术实现对卷烟纸和滤棒的单班次计量，经以太网将计量数据上传至上位机，并通过Intouch写入Historian数据库。

以ZJ112卷接机组生产的“泰山（红将军）”牌卷烟为对象，对系统计量的准确性进行测试，结果表明：①卷烟纸计量值与计算值最大相对误差为0.059%，平均相对误差为0.031%，满足系统相对误差0.1%的设计要求；②滤棒计数值与实际值相对误差为0%，符合设计要求；③通
过对系统计量值进行分析，可以得到卷烟纸和滤棒单耗、单次停机耗用等数据，且卷烟纸单耗、滤棒单耗均与停机次数呈正相关关系。

利用该系统可有效分析卷烟纸和滤棒的消耗情况，进一步提高精益化生产水平，系统所采集的卷烟纸和滤棒使用
数据也可为今后进行复杂数学模型构建、工艺指标分析、设备大数据分析等提供技术支持。

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