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，