本文介紹了光電式直徑控制系統在纖維濾棒成型機中的應用，對濾棒直徑的控制方案及原理進行了詳細說明。 1 引言 纖維濾棒成型機是制造卷煙過濾嘴必不可少的設備。它生產的濾棒經切割處理后成為符合要求的香煙過濾嘴。煙嘴質量的好壞直接影響到香煙的口感和對煙氣中有害物質的過濾。濾棒的直徑是考核其品質的重要標準，控制產品直徑的波動狀況直接影響到以后生產工藝流程的效果。隨著煙草設備日新月異的發展，煙廠對濾棒質量的要求不斷提高，新型的直徑控制系統的研發逐漸成為成型工藝中重要的課題。 2 氣路式直徑檢測/控制系統的簡介 ZL22D型纖維濾棒成型機是在引進德國的技術的基礎上，自主設計的較新型濾棒成型機組，采用了Lenze公司的伺服控制系統，大幅提升了機組性能。然而，該機組對于濾棒直徑的檢測及控制系統仍然停留在利用可控硅檢測氣壓的檢測方式上。 其工作原理圖如圖1所示:當機組正常生產時，濾棒不斷被送入檢測氣室內，電磁閥打開，由氣源向檢測氣室和直徑控制儀送入穩定流量的壓縮空氣，通過檢測氣室內空氣的氣壓大小就間接反映了濾棒的直徑，氣壓和直徑的值在一定范圍內是呈線性關系的，隨后直徑控制裝置將氣壓信號通過轉換器轉變為電壓信號;電壓信號被送入計算電路進行處理，并通過可控硅決定繼電器K1或K2的輸出與否。以此控制電機M是處于正向運行還是反向運行。該電機抬升或者下壓成型槍來實現對濾棒直徑的調整。 該電機輸出軸上帶有大比例的減速器，電機運行位移計算的分辨率高，能夠高精度的控制行距來調整濾棒直徑。 是使用了這樣的氣壓檢測裝置，在實際使用中就面對不少難以解決的問題: （1）氣路搭建復雜，占空間多，長時間的使用會引起各種氣管老化后，氣路密封性能的降低容易影響控制精度。 （2）隨著長時間的使用，氣壓檢測室中容易出現積灰，從而降低檢測精度，需要經常清潔、保養。 （3）計算電路雖然響應較快，但控制方式卻比較落后。 （4）正常工作時，氣路產生的噪音很大。 （5）氣路受環境因素影響大，環境溫度和濕度會影響氣體的膨脹度和密度，從而影響直徑控制的正常工作。 氣動式控制器存在的不足之處，本次改造決定取消氣路式控制系統的檢測部分的元件，采用光電式直徑控制系統，取消內部運算的電路板，改由PLC控制并計算內部參數，保留氣路式控制的執行部分元件。 3 光電式直徑檢測的器件選擇 采用光電式檢測器作為直徑控制器的檢測元件，確實能彌補氣路式控制的許多不足。光電式檢測器結構簡單，安裝方便，使用壽命長，不容易受環境影響，工作時無任何噪音。最重要的是光電式檢測器可以在犧牲一定可容忍的快速性的基礎上，提供各種形式的電壓信號給PLC，利用PLC強大的計算能力可以對信號進行自動化控制能力較高的控制策略，這樣可以提高系統的快速響應速度和穩定性。 在光電式檢測器的選型方面需要考慮如下因素： 該光電式檢測器必須能夠在暗室內進行工作; 該光電式檢測器的檢測精度不得低于0.01mm; 該光電式檢測器體積有一定限制。 經過反復比較和咨詢，最終選擇了KEYENCE公司的LS-7000系列的傳感器。其檢測的靜態精度為0.2μm ，動態精度為2μm ，采樣速度最高為4096次/s。 4 單向光電式直徑檢測的理論依據 濾棒的圓度實際上是由調整濾棒成型腔的形狀保證的，而濾棒成型后的膨脹或收縮顯然是服從擴張原則的，這種形體的變化應該是在空間各個方向都具有相同的矢量值，即某一截面上各個方向的膨脹或收縮的形變情況是相同。雖然還要考慮到重力影響及爾后刀盤切割所帶來的沖擊形變，但依然可以肯定濾棒的橫截面是圓或近似圓的。由此，單向檢測所得的數據必定就是其直徑數據。 前所采取的控制方式并非是最合適的控制方式。由于濾棒是由絲束壓制而成，而絲束的密度并不恒定，有大小變化，所以直徑也就有變化。這種變化并不是連續的線性變化，而是連續的非線性變化，這就無法以線性函數表示，而是非線性函數。 5 光電式直徑控制的系統設計 在新的光電式直徑控制系統中，整體的設計方案如下： （1）擬采用一組光電傳感器取代目前的檢測單元：用傳感器探測濾棒的直徑（X方向），所得信號以電壓形式輸入PLC。操作人員可以通過人機界面HMI進行參數設定與數據反饋。 （2）直徑控制電機的啟動電路和直徑控制執行單元：直徑控制執行單元保留原來的設計，直徑控制電機輸入控制由PLC的I/O通過原電路進行控制。 （3）直徑控制裝置的機械部件：對大部分機械部件不予更換，但對機組相關防護部件、直徑測量部件必須進行重新設計。 （4）原有氣路部件：全部移除。 5.1 硬件設計 本次改造的硬件設計原理圖如圖2所示。 本次設計的控制系統是在原來氣動式系統的基礎上改造而成的，去除了原來繁雜的直徑控制電路，電磁閥，檢測氣室，氣路元件，增加了一組光電檢測器。 當濾棒成型后通過光電檢測裝置，由光電檢測發射器向光電檢測接收器發射一道光幕，濾棒穿過光幕后阻擋了部分光的接收，光的發射量于接收量之間的差值就反映了濾棒的直徑。 當濾棒的直徑變大時，濾棒遮擋光線量增大，光電檢測接收器的光線的接收量將減少，光電檢測接收器將發射量與接收量的差值轉換成一個模擬量信號傳遞給上位PLC，由PLC進行相關模擬量的控制計算，給出數字量信號控制繼電器K1吸合K2斷開，于是直徑控制電動機正轉下壓成型槍使得濾棒直徑變小。 反之，當濾棒的直徑變小時，濾棒遮擋光線量減小，光電檢測接收器的光線的接收量將增大，光電檢測接收器將發射量與接收量的差值轉換成一個模擬量信號傳遞給上位PLC，由PLC進行相關模擬量的控制計算，給出數字量信號控制繼電器K1斷開K2吸合，于是直徑控制電動機反轉下壓成型槍使得濾棒直徑變大。 5.2 軟件控制的設計過程 由于絲束的密度并不均勻而且呈現出非線性，所以經過成型腔后的濾棒所產生的直徑變化也是非線性的。在此基礎上，所采取的控制方式要針對這種非線性變化而設計。 首先，我們分析一下濾棒直徑的變化情況。 當經過開松的絲束完成濾棒成型工藝之后，在成型腔不變化的前提下，濾棒的直徑在離開成型腔的一剎那，其直徑是相同的。然后，由于濾棒所包裹絲束的密度不同，造成直徑變化。也就是說濾棒雖然在某一截面上膨脹或收縮的空間各方向的矢量相等，但不同截面所對應的矢量之間是不相等的。加上盤紙、膠水等因素的影響，造成了濾棒直徑變化的非線性。其推算公式如下： 公式1 濾棒直徑變化的推算公式 公式中x和t分別代表了成型腔位置值和時間值。D（x, t）是直徑變化公式，f（x）指成型腔位置對直徑變化的線性方程，c（t）指絲束密度對應時間而產生直徑變化的非線性方程，而∑ei（t）表示其它因素對應時間而產生直徑變化的線性及非線性方程組。 其次，我們要明確我們的控制對象。 由于∑ei（t）可以被認為是誤差，所以在控制中可以將此當作一種干擾因素而非控制對象，將公式簡化為： 公式2 濾棒直徑變化的簡化公式 所以，我們的控制對象就是成型腔位置對直徑變化的線性方程和絲束密度對應時間而產生直徑變化的非線性方程。 最后，我們要依據控制對象來設計控制系統。 成型腔位置對直徑變化的線性方程可以被看成是一元一階的比例方程。而對于密度的變化雖然是非線性的，但是可以判斷它是服從概率上的泊松分布。故而絲束密度對應時間而產生直徑變化的非線性方程的結果值也是服從泊松分布。所以，控制程序的設計中就采用自適應控制算法進行整體設計。編寫部分主要程序如圖3所示。 同時，為了使用者更加方便的設置各種直徑控制的相關參數以及即時顯示當前濾棒直徑值和變化情況，需要在原先的人機界面中增加新的頁面，其頁面如圖4所示。 該頁面包含了當前濾棒的直徑顯示，該直徑轉換成圓周值的顯示，直徑的給定值與允許范圍上下限的設置。 同時為了方便操作者使用，該頁面設置了正反轉按鈕允許操作者直接控制電機動作抬升或下壓煙槍控制直徑，這樣可以方便操作者自由的修整偏差。該界面的設計盡可能的保留了氣路式控制的基本功能，能使操作者更方便快捷的學習使用新裝置。 6 調試與總結 在完成裝配和調試后，改進后的設備進入實物試車階段，該裝置運行情況良好，能夠較準確的控制濾棒的直徑并且克服了原裝置的種種不足之處。在試驗中發現，為了能夠保證光電式直徑控制器的運行，必須精確的調整成型槍的形狀來保證濾棒圓度，由此可見該裝置對機組的機械調整提出了新的要求。 7 結束語 電控系統日新月異的發展帶來了各種全新的檢測手段和檢測儀器，全新的控制理念和方法，對于濾棒直徑的光電式檢測/控制系統是對煙草設備的一種全新的設計嘗試：即完全不依據外力而自己獨立分析、設計整個控制系統。 同時，如果將目前所采用的控制電機改為Lenze公司0.25kw的交流伺服電機，將進一步提高機組的控制精度和能力。 第二屆伺服與運動控制論壇論文集第三屆伺服與運動控制論壇論文集