新型烟支重量控制系统的研究与应用 |
| 2013-02-08 10:51 作者：吕 伟 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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据《硅谷》杂志2012年第22期刊文称，首先介绍PROTOS70型卷烟机WIN2重量控制系统的组成及原理，其中重点介绍Midas微波重量控制器的检测及和控制原理。其次介绍WIN2重量控制系统的应用效果，提出以目标重量标准偏差SD和长期重量标准偏差（LTSTD）作为评判WIN2重量控制系统是否达标的标准。最后通过实验结果验证WIN2重量控制系统完全符合我厂产品质量工艺要求。
关键词：WIN2重量控制系统；Midas重量控制器；SD；LTSTD
1背景介绍
当今国内烟草企业所面临的一项重要目标就是提高卷烟质量，成为一流的卷烟制造企业。为此，烟草企业一方面在产品工艺、结构上进行技术调整和研发，另一方面在现有卷接设备上引进、研究开发新的产品质量控制及检测装置，从而提高产品质量。
从我厂现状来看，目前我厂卷接设备主要是PROTOS70型卷烟机，该机型是上世纪90年代HAUNI（虹霓）公司研发制造的中速机型，卷烟生产能力为7000支/分钟，它主要采用SRM90重量控制系统（包括核扫描重量控制器）来检测、控制烟支的质量和重量。出于对我厂产品工艺质量的要求和对员工健康两方面的考虑，原先的重量控制系统已经无法满足不断提高的工艺标准和要求，需要采用一种检测精度更加高，控制更加准确，且对人体健康无危害的新的重量控制系统。
在汲取国内外相关成功经验的基础上，结合我厂实际使用情况，综合考虑后我们采用虹霓公司的WIN2重量控制系统。该系统能对PROTOS70型卷烟机的质检和重量控制功能全面升级，能有效提升卷烟生产过程中的工艺质量水平，其内的Midas微波重量控制器的辐射量远远小于GB12638-90和GJB7-84等国家规定，比普通手机的辐射强度小近300倍，因此不会影响操作人员的健康，安全性较高。
2WIN2重量控制系统的组成及微波重量控制器原理
WIN2重量控制系统的总体结构由WIN2屏幕、WIN2机架、平整器电机、温度传感器、MIDAS（微波重量控制器）、轴编码器、剔出阀等组成（如图1）。其中MIDAS即微波重量控制器，是WIN2重量控制系统的重要组成部分，它由高频发生器、测试器、信号处理单元、计算单元、重量控制单元、平整器位置控制单元等构成[1]。它的重量控制原理是：卷烟机运行速度达到设定速度并且烟条监测器检测到烟条时，MIDAS启动并开始工作，当烟条高速经过MIDAS的测量管时，测量管内部的高频发生器发射高频激光信号，激光信号穿透烟条被测试器接收，通过接收激光信号的强弱来获取烟条密度信号传送至信号处理单元，同时安装于卷烟机刀架驱动电机上的轴编码器输出的卷烟机当前车速和电机相位信号也一并传送至信号处理单元，信号处理单元再将处理结果传输至计算单元，以计算单支卷烟的重量和密度分布。
由于受平整器的反应时效和单支卷烟重量测量的准确性（最大误差可达30mg左右）所限，计算单元不可能准确计算出每支卷烟重量，而是计算一定数量（一般设定为100支）烟支的平均重量，用于检测重量不合格烟支、单支烟支重量允差（也称短期偏差，以100支为计算样本）、烟支重量多支允差（也称长期偏差，以1000支分为10组计算样本）以及烟支密度曲线，计算单元将计算结果输出给重量控制单元，重量控制单元通过比较实际烟支平均重量和设定烟支重量（目标重量）得到重量偏差，并转换为位移量输出给平整器位置控制单元，平整器位置控制单元根据位置传感器信号和需要调整的位移量控制平整器电机，实现单回路反馈控制，使平整器到达设定位置，调整平整器后生产的烟支再经测量管测量实现连续反馈控制，最终使烟支平均重量在线可控（如图2所示）。
图1WIN2重量控制系统总体结构图
图2微波重量控制器原理
烟支重量检测系统通常以目标重量为基点，通过取样称重确定实测重量，由于每支卷烟机的重量是变化的，两者会产生误差，这个误差就称为偏移重量（如图3所示），所以需要烟支重量控制单元进行调整，在调整之前需要先校准，烟条切割位置与测量管信号开始计算烟支重量的起始位置须同步，否则会造成烟支重量的计算区与烟支切割区错位。调整后的重量控制单元可以在以目标重量为中心的范围内实现烟支重量的准确测量。
图3烟支的偏移重量
由于烟条每段的紧密度和含水量等参数都不相同，当经过测量管时，由于烟条介质物理参数不同，使微波场参数发生变化，通过微波场信号变化与烟条密度及含水率之间的关系进行数学建模。由于所产生的Midas信号都不相同，所以在Midas里设置了剔除极限，那些与标准信号显著不同的烟支将被作为废烟剔除。
3微波重量控制器的工作过程
图4微波控制器组成
如图4所示，微波烟支重量控制系统主要由以DSP为中心的数据采集与处理器、信号输出单元、微波信号发生器、微波信号检测器、金属谐振腔体、耦合器等组成。当腔体内没有烟支介质通过（窄腔）时，DSP控制微波信号发生器以扫频方式工作，并将其输出信号经耦合器反馈谐振腔体。微波信号经耦合器送入微波信号检测器，提取空腔谐振时的谐振曲线参数。微波信号经微波信号检测器中的幅度检波器、带通滤波器、相敏检波器和低通滤波器，产生直流信号控制微波信号发生器中的VCO工作在金属空腔的谐振频率点上，此时可检测出空腔的谐振频率W0和峰值功率P0，当腔体内有烟支介质通过时，由于烟支介质与腔体中的电磁场发生相互作用，使腔体的谐振频率W0和腔体的Q值（与谐振峰值功率P0相对应）发生变化，此时微波信号发生器中的频率自动跟踪系统使微波信号锁定在新的谐振频率上，形成新的谐振峰值功率P0和谐振频率W’0（图5）。检测设备采集P0、P’0、W0、W’0，根据介质密度／湿度经验公式，可实时计算出烟支密度和湿度参量，进而得出烟支重量，并以模拟或数字信号形式输出。
图5谐振峰值功率和谐振频率关系
4WIN2重量控制系统的应用效果
首先通过对WIN2重量控制系统的研究得知，可以利用短支烟支标准偏差（简称SD）来评价烟支重量控制的准确性。在生产过程中，重量控制系统通过MAX的逻辑控制板将移位寄存信号转化为目标重量信号，将目标重量短支在取样口剔出，由于目标重量与实测重量存在偏移，因此要通过多次取样数据的平均值对短支目标重量进行修正。
接下来将验证WIN2重量控制系统的应用效果。测试的卷烟牌号为雄狮硬，目标重量设定为675mg，测试内容为目标重量的标准偏差（SD），采用以10支短支为一次取样数据，共取样3次求平均的方法对目标重量进行修正。测试结果表明，目标重量SD值保持在8mg以内（见图6）。在对WIN2重量控制系统Midas内部标定的参数进行优化校准后，对长期重量标准偏差（LTSTD）进行测试，采用100支短支为一次取样数据，共随机取样10次，测试结果表明，长期标准偏差（LTSTD）在5mg以内（因数据量太大，篇幅有限，所以没有在论文中体现）。
图63次实测烟支目标重量比较图
5总结
从以上实验结果可知，采用目标重量取样（SD）和长期重量标准偏差（LTSTD）来验证WIN2重量控制系统的控制精度和性能结果是可行和准确的。WIN2重量控制系统能够完全取代SRM90重量控制系统，并能很好的兼容原接口和总线，能保持并提高PROTOS70型卷烟机的质检功能，从而能够满足不断提高的产品质量工艺要求。 |
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