一种用于细支烟卷烟机的重量控制系统

一种用于细支烟卷烟机的重量控制系统
Abstract：In this paper，a weight control system is developed Based on Beckhoff PLC for a ZJ19 cigarette machine which is changed for slender cigarette production，and the control principle of system is also introduced.The system uses microwave to measure cigarette weight，uses digital PID control algorithm to achieve weight control. The system hardware structure is simple，stable and reliable performance，quick response，and set aside the upgrade space. It could completely replace the original machine control system to meet the requirements of slender cigarette production precision，ensure the production efficiency and product quality.
Key words：slender cigarette; micro wave measure; weight control; PID
烟支重量是衡量香烟质量的一个重要指标，随着人们对香烟质量要求不断提高，烟支重量控制就显得越来越重要;同时严格控制香烟平均重量，并保证烟支的重量标准差，能够有效地控制烟草用量，有利于烟厂生产管理，降低成本，因此烟支重量控制引起了各烟草企业的高度重视。

相比于普通香烟，细支烟烟支细长，烟丝量少，燃烧产生的尼古丁、焦油等有害物质少，既能满足吸烟需求，又能减少对人体的损害，受到了许多吸烟者的青睐。

由于细支烟在国内尚处于起步发展阶段，烟草企业出于成本考虑，多采用对卷烟机进行改造的方法进行生产。

由于改造过程中对卷烟机进行了较大调整，后身供丝量有较大变化，同时细支烟对平均重量和标准偏差的要求比普通香烟更高，因此，必须开发高效可靠的重量控制系统来保证香烟质量。

某品牌细支烟的单支烟重量为0.55g，20支烟重量为11g±0.15g，标准差小于0.014g，要求精度较高。

卷烟机由标准烟卷烟机改造而成，
原机重量控制系统采用DSP电路板，已经难以满足烟支重量和标准差的要求。

本控制系统采用倍福PLC作为主控制器，相对于DSP控制电路，PLC工作稳定，性能可靠，并且易于扩展，便于后期系統升级改造。

本系统采用倍福高速超采样模块，能够满足卷烟机高速生产时的测量任务。

并通过PLC模拟PID控制器实现烟支重量控制，系统响应迅速，动作平稳，能够很好地满足卷烟机重量控制要求。

1 控制系统结构
控制系统通过测量烟丝密度，计算得到烟支重量，根据烟支重量情况调节平准盘高度实现对烟丝量的控制，并调节平准盘相位实现对紧头位置的调整，同时对超轻、超重、空松、结块等不合格烟支进行剔除，从而将烟支重量平均值和标准偏差控制在要求范围内。

本文重量控制系统由重量测量单元、控制单元、执行单元以及位置测量单元等部分组成。

控制系统结构如图1所示。

重量测量单元采用SIA-MW10-12K微波检测源测量烟丝密度，当烟条经过微波谐振腔时，微波穿过烟丝产生衰减，衰减量同烟丝密度之间存在对应关系，根据这个关系可以计算出烟支重量。

为了提高烟支重量测量的准确性，必须保证在一支烟上有足够的采样点，才能计算得到烟支的总重量以及烟支重量分布情况，控制系统使用编码器获取同步信号，准确计算烟支重量。

控制单元采用倍福PLC和上位机，PLC完成数据采集和输出控制，上位机提供友好的人机交互界面，并存储PLC运行参数。

（1）PLC选用倍福CX2020，性能优良，运算速度快，可实现毫秒级以下的快速控制（即极速控制技术），电源模块选用CX2100，IO模块分别为：
1）EL1262带超采样功能的数字量输入模块用于采集编码器同步脉冲，采样速度快，能够满足卷烟机生产速度要求;
2）EL3702带超采样功能的模拟量输入模块用于获取微波检测源输出的烟丝密度信号和平准盘高度传感器输出的位置信号，并进行
AD转换;
3）EL2008数字量输出模块可提供八个点位的输出信号，用于调节平准盘高度和相位、控制剔除阀动作。

（2）上位机选用西门子工业PC，并开发了人机交互程序，用于数据监控，参数修改以及其他辅助功能。

执行单元为直流伺服电机和剔除阀，位置测量单元为电阻式传感器。

2 重量控制原理
2.1 重量信号采集
微波检测电路根据微波发射端和接收端的信号偏差，将其装换为电压信号，根据微波检测源的输出电压可以计算出烟支重量。

计算公式为：
式中，F为输出电压V所对应烟支重量，V为检测源中有烟支时的输出电压，V0为无烟支时检测源的输出电压，K为比例系数。

数据在采集和传输过程中会产生一些干扰，因此有必要对采集的数据进行预处理。

如果采集值处于上下限之间，则作为正常数据处理，如果超出正常的分布范围，则表明信号受到干扰，此时应将其限定在合理的范围内。

具体公式如下：
其中，[mR]为采集的原始数据，[m0]为重量平均值，d为允许波动范围，m为最终的有效数据。

2.2 烟支重量计算
上述测量值为烟支上某一点的重量值，所以需要在一支烟上取足够数量的采样点进行测量，计算得到整支烟的总重量以及烟支重量分布情况。

为了提高测量精度并兼顾数据处理计算量，在每支双倍长烟上取256个点进行测量，即单支烟128个点。

控制系统使用增量式编码器来获取同步信号，编码器和切刀盘连接，编码器旋转一周，切刀切割一支双倍长烟，选择256线编码器。

控制系统采集A向脉冲和Z向脉冲，A相脉冲用于采集点同步和计数，Z向脉冲用于确定采集点在烟支上的位置。

每收到一个Z向脉冲，
就将A相脉冲值清零。

PLC通过EL1262模块和EL3702模块完成重量信号的采集和处理。

在一个PLC运行周期内，两个模块完成相同次数的采集任务，每次采集的时科保持一致。

首先查询EL1262在一个周期内有没有接收到脉冲跳变，如果检测到跳变，则记录本次采集任务的时刻，查找同一时刻EL3702采集的重量信号，作为本次采集的重量值。

通过标定得到烟支端部对应的编码器A向脉冲数值，可以将这些采集点对应到烟支的具体位置上。

计算烟支总重量以及烟支重量分布情况，判断紧头位置和有无空松、结块烟支。

2.3 重量控制算法
单支烟重量主要取决于卷入烟条的烟丝量和紧头位置偏差。

所以重量控制系统应该确保卷入烟条烟丝量的稳定，可通过调节平准盘高度实现;同时应该有效控制紧头位置偏差，可通过调节平准盘相位实现。

重量控制系统基本原理是根据烟支实时重量，对平准盘高度进行调节来控制烟支重量，是一种典型的滞后控制系统。

系统采用PID控制算法进行控制。

根据本系统特点，通过PLC模拟PID控制器，即数字PID，这就需要将PID公式进行离散化处理。

常用的数字PID可分为位置式和增量式两种，卷烟机通过计算烟支重量偏差量来调节平准盘高度，可选用增量式PID进行控制。

其计算公式为：
其中，[ek]为第k次采样得到的偏差，[ek-1]为第k-1次采样得到的偏差，[ek-2]为第k-2次采样得到的偏差。

如果采样周期T恒定，只要确定A、B、C，使用前后三次测量的偏差值，就可求出控制量，计算量小，适合本系统使用。

为了提高控制精度，需要对采集的重量数据进行相应的滤波处理。

根据本系统特点，选用滑动平均滤波的方式进行数据处理。

基本原理是首先连续采集18支烟（控制粒度）的重量值并保存，去掉最大值和最小值，以剩余16支烟的平均重量来计算本次偏差。

再连续采集
9支烟（滑动采样数量）的重量值，将上次的18支烟重量值中的前9个数据去掉，并与9个新数据重新组成18个数据，去除最值后求平均值，计算新的偏差值，一直重复这个过程，为PID控制提供反馈数据。

通过调整控制粒度和滑动采样数量来调整控制的灵敏度以及速度，提高系统的可靠性和稳定性。

为了避免平准盘高度频繁调整引起系统不稳定，在计算得到平准盘高度调整量后，如果调整量在误差允许范围内，系统将不进行调整。

同时PLC引入平准盘高度传感器信号，实时判断平准盘高度，防止平准盘到达极限位置后继续调整，避免电机过载，保护电机。

当烟支重量持续较长时间过重而平准盘到达极限位置无法调节时，控制系统将发出警报。

紧头位置偏差会影响单支烟的重量，如果紧头位置偏差超过允许范围，会导致同一支双倍长烟切下的两支单支烟一支偏重、一支偏轻，影响烟支标准偏差。

由于平准盘和切刀盘同步情况较好，所以紧头位置一般变动较小，故无须频繁调节。

其基本原理为检测紧头位置偏差，只有紧头连续多次向同一方向偏移，并且偏移量超出允许范围后才进行调节。

事先标定出PLC输出和平准盘相位之间的对应关系，然后进行定量调节。

由于重量系统是滞后控制，故不能完全消除质量不合格烟支，所以需要实时计算每支烟的重量，并判断是否在重量允许范围内，对不合格烟支进行剔除，可有效控制平均重量和标准偏差。

同时根据烟支重量分布情况，可判断出烟支是否存在空松、结块等故障，并将其剔除以提高成品烟品质。

3 实验数据及分析
为验证本重量控制系统的综合性能，将系统集成到经过改造的卷烟机机组中进行安装与调试，经过一段时间运行，控制效果良好。

通过在现场取样进行测量，各项指标均能满足设计要求。

按照烟厂测量要求，每次取样30支烟进行测量，测出30支烟的
平均重量、标准差以及变异系数。

共测量10组数据，测量仪器为北京欧美利华科技有限公司的OM-VL型综合测试台。

设定重量为550mg，平均重量允许范围是550mg±0.075mg，具体数据如下表所示：
通过表1中数据可以看出，30支烟平均值优于设计要求，标准偏差小于0.014g，符合要求，变异系数较小。

表明本系统工作稳定可靠，控制精度高，完全满足正常生产的需求。

4 结论
本文基于倍福PLC设计开发的用于细支烟生产的卷烟机重量控制系统，能够完全取代原卷烟机的专用电路板控制系统。

本系统采用通用的PLC模块，结构简单，开发周期短，稳定性好，可升级扩展，同时降低了设备的维护成本，提高了数据采集和控制精度。

控制算法采用PID算法，準确性和实时性较好，满足了细支烟生产过程中重量控制要求。

本系统对提高卷烟机生产效率和可靠性，提升产品质量和控制成本具有显著意义。