（机械工程专业论文）passim12k卷烟机红外式烟支平均重量控制系统的研究.pdf

重庆大学硕士论文 摘要 p a s s i m l 2 k 卷烟机红外式烟支平均重量控制系统的 研究 摘要 重量控制系统是现代卷烟机控制系统的重要组成部分，其技术是烟支重量控 制技术不可缺少的关键技术之一，其控制效果真接影响到产品的质量、产品的精 度和消耗的多少。因此，对烟支平均重量控制系统进行研究具有重要的理论和实 际意义。本文针对p a s s i m l 2 k 卷烟机原来的带有核扫描器的重量控制系统进行分 析和研究，在此基础上，提出将原来的系统改为红外式的烟支平均重量控制系统， 并对新系统进行了初步的设计、分析和研究，力求对重量控制系统在我国卷烟工 业企业尤其是红塔集团中的应用具有一定的参考价值。 本文阐述了p a s s l l l l l 2 k 卷烟机重量控制系统的现状及其组成和原理，分析了 系统的工作原理和主要性能指标，在此基础上指出实际应用中存在的问题。然后， 提出了系统的整改措施，即将原来的带核扫描器的重量控制系统改为红外式的烟 支平均重量控制系统，分析探讨了红外式烟支平均重量控制系统的组成和工作原 理，并对该方案进行了具体的设计。在对系统进行了功能设计之后，用时序技术 建立了系统的数学模型，以该反馈式的模型为基础，对系统进行了具体的结构设 计、电路设计以及软件框图设计。 以p a s s i m 8 t 型卷烟机为例，讨论了红外式烟支平均重量控制系统在该型卷烟 机中的基本要求、实施方法和控制系统的具体配置，为该系统在p a s s i m l 2 k 卷烟 机上的应用提供了理论基础和实际指导。 关键词：重量控制，核扫描器，红外扫描器，数学模型，方案 重j 犬人学硕十泡文 a b s t r a c t s t u d y o ni n f r a r e ds n a o k ei na v e r a g ew e i g h t c o n t r o ls y s t e mo f p a s s i m 1 2 k c i g a r e t t e m a c h i n e a b s t r a c t w e i 2 h tc o n t r 0 1s y s t e mi st h ei m p o r t a n tc o m p o s i t i o np a i to f m o d e r nc i g a r e t t e m a c h i n ec o n t l o ls y s t e m i t st e c h n o l o g yj so n eo f i n d i s p e n s a b l ec r u c i a lt e c h n o l o g i e so f s m o k ew e i g h tc o n t r o lt e c h n o l o g y i t sc o n t r o ie f f e c td i r e c t l ya f f e c t st h ea m o u n to f t h e q u a l i t yo f p r o d u c t ，t h ep r e c i s i o no f p r o d u c ta n dc o n s u m p t i o nt h e r e f o r ef o rs m o k e ，i n a v e r a g ew e i g h tc o n t r 0 1s y s t e ms t u d i e st oh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n da c t u a lm e a n i n g t h i sp a d e ra n a l y s e sa n ds t u d i e sa c c o r d i n gt ot h eo r i g i n a lw e j g h tc o n t r o ls y s t e mw i t h n u c l e a rs c a n n e ro f p a s s i m l 2 kc i g a r e r t em a c h i n e ，s u g g e s t so nt h i sf o u n d a t i o nt h a tt h e s y s t e mo f b eo r i g i n a la l t e r sf o rt h es m o k eo fi n f r a r e dt y p ep a y si na v e r a g ew e i g h t c o n t r o ls y s t e m ，a n da sn e ws y s t e mh a sc a r r i e do u tp r e l i m i n a r yd e s i g n ，a n a l y s i sa n d r e s e a r c h ，m a k eg r e a te f f o r tt oc o n t r o js y s t e mf o rw e i 2 h ti nl b ec i g a r e t t ei n d u s t r i a l e n t e r p r i s eo f o u rc o u n t r ye s p e c i a l l yh o n g t at o b a c c og r o u ph a v ec e r t a i nr e f e 。r e n c e v a l u e t h i sp a p e rh a se l a b o r a t e dt h ep a s s i ml2 kp r e s e n ts i t u a t i o na n di t sc o m p o s i t i o n a n dp r i n c i p l eo f c i g a r e t t em a c h i n ew e i g h tc o n t r o ls y s t e m h a sa n a l y s e ds y s t e m a t i c w o r k i n gp r i n c i p l ea n dm a j o rp e r f o r m a n c ei n d e x ，p o i n t so u tt h ee x i s t e n tp r o b l e mi 1 1 a c t u a la p p l i c a t i o no nt h i sf o u n d a t i o n t h e nh a v ep u tf o r w a r ds y s t e mr e c t i f ya n dr e f o r n q m e a s u r e ，a l t e rt h ew e i g h tc o n t r o ls y s t e mo f o r i g i n a lt a p en u c l e a rs c a n n e rf o rt h es m o k e o f i n f r a r e dt y p ep a y si na v e r a g ew e i g h tc o n t r o ls y s t e m a n a l y z e da n dh a v ed i s c u s s e dt h e i n f r a r e dt y p es m o k ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l et h a tp a y si na v e r a g ew e i g h t c o n t r o ls y s t e m ，a n da st h i ss c h e m eh a sg o n eo n ，s p e c i f i cd e s i g n a t i e rh a v i n gc a r r i e d o u tf u n o t i o nd e s i g nf o rs y s t e r n i ti sf o u n d a t i o nt oh a v ee s t a b l i s h e ds y s t e m a t i c m a t h e m a t i c sm o d e lw i t hs e q u e n t i a lt e c h n o l o g yi no r d e rt of e e d b a c kt h em o d e lo f t y p e a ss y s t e mh a sc a r r i e do u ts p e c i f i cs t r u c t u r a ld e s i g n 、c i r c u i td e s i g na sw e l la ss o f t w a r e b l o c kd i a g r a m ，d e s i g n s w i t ht h ec i g a r e t t em a c h i n eo f p a s s l m 8 tm o d e la se x a m p l e 。h a v ed i s c u s s e dt h e i n f r a r e dt y p es m o k es p e c i t i cd i s p o s i t i o nt h a tp a y st h ei na v e r a g ew e i g h tc o n t r 0 1 s y s t e m a t i cb a s i cr e q u i r e m e n t 、a n f o r c e m e n tm e t h o da n dc o n t r 0 1s y s t e mi nt h i st y p e c i g a r e t t em a c h i n e 、h a v eo f r e r e dt h e o r yb a s i ca n da c t u a lg u i d a n c ef o rt h i ss y s t e m a t i c a p p l i c a t i o no np a s s 蹦1 2 kc i g a r e t t em a c h i n e k e y w o r d ：w e i g h tc o n t r o l ，n u c l e a rs c a n n e r ，i n f r a r e ds c a n n e r ，m a t h e m a t i c s m o d e l ，s c h e m e 表2 1 表2 2 图2 一l 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 5 图4 1 幽4 2 图4 ，3 图4 - 4 豳4 5 图4 6 图4 7 图4 8 阁4 9 图4 1 0 图4 11 附表 烟条故障 检测极限偏差 附图 重量控制系统 重量控制系统流程图 附表与附图 m a i d - n 重量控制基本原理 正态分布曲线的性质 重量分布与标准偏差 不同标准偏差下的质量分布状况 核扫描重量控制职能方块图 红外烟支平均重量控制系统原理框图 系统结构框图 红外扫描器原理框图 烟支紧头的形成 烟支重量反馈控制函数方块图 扫描器的组成 烟支测量和计算原理 重量控制示意图 红外扫描装置示意图 r 乜磁放射检测原理 p l c 结构图 系统选择画面图 m w c 主菜单 平均重量主菜币 一 半均重量辛菜单 页号 1 4 1 5 馏 加 弘 耶 邶 笛 拍 蕊 引 埘 苈 粥 m m 甜 舢 郇 重庆大学硕十论文 1 绪论 1 1 课题的提出及意义 1 1 1 烟草行业的地位 1 绪论 自1 4 8 2 年1 1 月6 日西班牙人发现美洲有人使用烟草而后又把烟草种子带到 欧洲后，烟草行业已经历了5 0 0 多年的风雨发展历程并取得了巨大的发展。 目前烟草行业在世界各国的经济中都占有非常重要的地位，其税收是各国政 府财政收入的重要来源之，烟草行业已成为一个非常庞大的产业：生产烟叶的 国家超过了1 2 0 个：生产卷烟的国家达1 3 4 个；所有国家都有卷烟销售，烟草制 品的消费者超过了1 1 5 亿人。1 9 9 9 年世界卷烟总产量已达1 1 0 亿箱( 1 箱= 5 0 0 0 0 支) 左右( 我国的卷烟产量占3 0 左右) 。1 9 9 7 年烟草制品的年销售额为3 4 0 0 亿美 元( 约合2 7 8 8 0 亿人民币汇率以l 美元= 8 ，2 元人民币计) 。全世界有1 7 5 亿人 的生活费收入直接来源于烟草。1 9 9 7 年烟草行业向各国政府上缴的税收仅烟草制 品消费税一项就高达1 2 5 0 亿美元。许多国家烟草行业上缴的税收占政府财政收入 的3 以a z ( 全世界平均约为3 ) ，一些国家则高达6 以上，在少数国家烟草税收 己成为政府的第一大税源( 如巴西、中国等) 。 1 1 2 卷烟产品发展概况 卷烟是人们同常生活中的一种特殊消费品，自t 7 9 9 年问世以来，已经历了 2 0 0 多年的发展历程，无论是卷烟的结构形态还是其内在质量都得到了巨大的发 展。 从卷烟的结构形态上看，卷烟自问世以柬已经历了3 个历史发展阶段：一是 用纸包卷碎烟叶制成喇叭筒状的自卷烟，供自己吸用( 始于1 7 9 9 年的土耳其) ：二 是卷烟机出现并生产出机制卷烟( 1 8 6 7 年古巴入制造出第一台卷烟机) ：三是在卷烟 烟支上接装过滤嘴，生产出滤嘴卷烟( 最早开始于1 9 3 1 年的美国) ，但在5 0 年代出 现大规模的反吸烟运动后，滤嘴卷烟才开始广泛推广。 正是在卷烟机出现后，才推动了卷烟加工工艺技术、卷烟产品和烟草机械等 的快速发展，进而又推动了烟草科技水平的极大提高和整个烟草行业的飞速发展。 近几年来，国际烟草界在卷烟卷按和滤棒成型技术及设备的研究开发方面也 取得了一些重要进展，世界一些著名的大型烟草机械生产企业，纷纷投入巨资， 相继开发出了一些新一代机型并应用到了卷烟生产上。 在卷烟制造设备和滤嘴接装设备豹研制和生产方蘑，已研制、推广了卷烟生 产能力超过1 0 0 0 0 支分钟的超高速卷接机组，如：德国高勃股份公司( 豪尼) 开发 重庆大学硕士论文 1 绪论 出了生产能力高达1 4 0 0 0 1 6 0 0 0 支分钟的p r o t o s2 型超高速卷接机组。该卷 接机组采用双路结构，可同时生产2 根烟条。该机组在世界上首次采用了红外线 烟支重量控制系统( 代替了原先高速卷接机组广泛采用的同位素重量控制系统) 。英 国莫林斯公司也开发出了生产能力为1 0 0 0 0 支分和1 2 0 0 0 支分的p a s s i m1 0 k 和 p a s s i m1 2 k 型卷接机组。这2 种机组在世界上首次采用了多项新技术：采用倾 斜式吸丝道和气流喷射式烟丝转向技术，使卷烟中的烟丝配方完整均一且烟丝造 碎量最少；采用双层式吸丝带，即吸丝带由一层尼龙带和一层钥带组成，由钢 带进行驱动，大大增加了使用寿命：使用循环冷却水对烟枪进行冷却，保证了 烟支质量，增加了布带的使用寿命：用旋转式喇叭嘴代替原来的往复运动式喇 叭嘴。意大利g d 公司开发出了g d1 2 1 型卷接机组，其生产能力为1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 支分钟。该机组在结构上也是采用双路结构，是世界上第一个采用双路结构的卷 接机组。 1 1 3 技术改造和技术创新 技术改造是指在坚持技术进步的前提下，把科学技术成果应用于企业生产的 各个领域，用先进的技术改造企业现有的落后技术，用先进的工艺和设备代替已 落后的工艺和设备，在符合国家产业政策的前提下，实现以内涵为主的扩大再生 产，达到优化品种、提高产品质量、扩大生产能力、降低生产成本、提高经济效 益的目的。回顾行业技术改造工作历程，我们不难看出烟草行业的技术改造大致 可分为三个阶段，一是“六五”、“七五”的生产结构转型阶段，在这个阶段，行 业通过设备改造，完成了由平烟到嘴烟的过渡，同时，通过有限的制丝工艺改造， 完成了提高和稳定产品质量的目标：二是“八五”、“九五”的生产规模的提升阶 段，在这个阶段，国家已经开始由计划经济向市场经济的转型，很多企业在前期 改造的基础上，进一步加大了技术改造力度，通过厂房改造、引进和消化吸收国 外先进的设备和技术，特别是高速卷接包设备，使得企业的生产规模得以提升， 极大的提高了企业的综合实力和竞争水平，涌现出一批效益好后劲十足的企业； 三是，已经展开的“十五”计划。各种信息表明，在知识经济已经来临的大潮下， 行业在大企业、大集团运作方针的指引下，生产模式逐步与国际接轨，各企业在 技术改造的资金流向上明显的走向高新技术的产业化运用和高自动物流的计算机 网络管理等方面，这意味着我国的烟草行业在今后几年其主业及多种经营方面必 将产生重大突破。 近年来，全国成千上万的企业都认识到技术进步对企业的作用，也都在实施 技术改造，但也有相当一部分企业出现了“不搞技改是等死，搞了技改是找死” 的不正常现象，有的企业技术改造不仅没有给企业带来好的效益，反而使企业背 上了沉重的包袱，这在我们烟草行业也是屡见不鲜的。因此，作为企业来讲，如 何根据自身特点抓住市场、实事求是、量力而行、注重效果搞技术改造，最终实 现生产技改再生产再技改的良性循环，是一个值得研究的课题。 技术创新是指为满足用户和消费者不断变化的要求，提高企业竞争优势而从 事的产品极其生产经营过程为中心的包括构思、开发、商业化等环节的一系列创 新活动，其中包括产品创新和过程创新。有的人认为企业技术改造项目在实施过 程中为达到体现竞争优势目的需不断引入创新机制，并应用于技术改造的各个环 节，我们认为这是十分片面的，在有些方面也是不切实际的，甚至是有害的。首 重庆大学硕士论文1 绪论 先，企业技术创新具有不确定性、高风险性、超前性及复杂性等特点，而技术改 造必须是效益型的，不是科研型的，同时企业技术改造也伴有一定风险性，为此， 企业在搞技改的过程中一定要注重经济效益，要坚持有投入必须要有产出，并且 产出必须要大于投入，即使是要应用技术创新成果，也要运用一段时间内定型的、 成熟的成果，而在技术改造实施过程中不应轻易改变实施内容，加入未经时间验 证的技术创新方案，否则一旦失败，不仅加长了技改投入产出周期，也会大大削 弱企业的竞争能力。其次，企业技术改造过程中在选择方案时要考虑企业的消化 吸收能力，不能片面的追求技术先进，而忽视企业的实际情况。这样说并不代表 我们在技术改造过程中不注意技术创新，相反，我们应从把握技术创新的关键性 环节入手，在技术改造初期拟定项目实施阶段，通过广泛的调查研究，来确定如 何使用技术创新成果。 因此，在技术改造过程中，我们应正确处理技术创新与技改项目的关系，做 到有的放矢，使技术创新成果有效的运用于技术改造之中。 随着我国的加入w t o ，我国的经济开放程度将进一步提高，烟草行业内部 竞争必然加剧，面临国外同行业的竞争也必将越来越激烈，这一全面竞争过程充 满了艰难。我国烟草行业内各企业必须充分发挥自己的优势，通过不断技术改造 和技术创新来强化自己，来迎接我国经济发展和经济体制改革进程中的这次重大 考验。 1 1 4 课题的提出和意义 云南玉溪红塔集团是专门从事卷烟生产和销售的大型企业，目前年产量2 0 0 万大箱，为国家年创利税2 0 0 亿元左右，为国家和地区的经济建设作出了重大贡 献。随着玉溪红塔集团的发展和崛起，玉溪红塔集团成为人们关注的焦点，许多 专家开始研究“红塔山现象”，“红塔”究竟如何在短短的数年中发展成为中国民 族工业的一面旗帜。红塔集团成为国内众多企业学习的榜样。 玉溪红塔集团的前身是玉溪卷烟厂，7 0 年代中期，玉溪卷烟厂还是一个不知 名的中小型企业，在3 0 年代技术水平的设备上苦干、奋战，年产卷烟仅有3 0 万 箱，还有6 万箱销不出去，仓库爆满，工厂缺钱，人心不定。1 9 8 1 年玉溪卷 烟厂领导班子根据厂情提出了“全面改造，积极引进，择优选型，逐年实施，配 套成龙，消化吸收”的科技发展方案，共投资5 0 0 0 多万美元，先后从英国、意大 利、西德、日本、荷兰等5 个国家引进具有8 0 年代国际先进水平的设备9 8 台( 套) ， 终使技术装备跃入国内一流水平，科技设备的迅速发展，终使玉溪卷烟厂经济效 益得以大幅度提高，人们尝到了科技发展带来的甜头。1 9 9 5 年关索坝新生产车间 建成后，随着红塔集团的成立，又大规模地引进了更加先进水平的设各，如德国 高勃股份公司( 豪尼) 开发出的生产能力高达1 0 0 0 0 支分钟的p r o t o s9 0 型超高 速卷接机组，和英国莫林斯公司开发出的生产能力为1 2 0 0 0 支分钟的p a s s m 1 2 k 型卷接机组。其中p a s s i m1 2 k 卷烟机数量最多，仅生产一部就有2 l 台，然 而，由于设备本身设计时存在的缺陷，致使设备利用率不高，生产力水平低下。 重庆人学硕士论文1 绪论 因而提高设备利用率成为企业急需解决的主要问题。 当然，生产力水平低下的原因是多种多样的，有设备性能不稳定而造成产品 质量不稳定，设备的故障率高等原因。质量不稳定表现为在设备运行过程中出现 毛口烟，漏气烟，斜面烟，空松烟，竹节烟等等，竹节烟的出现主要是由于设备 的重量控制系统不稳定，使烟丝过道吸丝不均匀而造成的。空松烟的形成是因为 卷烟机刀头的切刀正好切在烟丝较少的烟条处而造成的，因而空松烟和竹节烟的 产生都可归结为吸丝不均匀而造成的。据统计，这两种烟支出现的机率在7 0 以上， 而且，这两种烟支对质量影响最大。 按照国家卷烟质量标准和我厂的质量标准，在2 0 支烟支里有2 支空松烟或 竹节烟即认为不合格，在当天所生产的烟支( 约3 6 0 万，按生产6 小时，1 万支 分钟计算) 中超过2 0 支即认为该批不合格，这批烟将进行返工或报废，这将造成 大量人力、物力和财力的浪费，如果全部报费则将造成1 0 8 力i 元( 按6 0 元条) 人民币的浪费，这将是一笔巨大的损失。而这仅是一机台出现的情况，如果一天 在2 1 台机器中有几台出现这种情况，损失之大就更是可想而知了。因而研究并改 进p a s s i m l 2 k 卷烟机的重量控制系统，使烟丝过道的烟丝尽可能均匀，是工程技 术人员迫切需要解决的问题，是提高产品质量至关重要的环节，对提高产品质量， 避免造成大量人力、物力和财力的浪费具有重大的意义。 1 2国内外烟机重量控制系统发展现状及发展趋势 烟草机械是生产烟草产品的专用生产设备、工具、仪器仪表的总称。随着烟 草产品的品种的增加，加工工艺方法的改进，烟草机械也随之在更新、增加和扩 展，并向自动化控制和机电一体化方向发展。烟草机械技术的先进程度，在很大 程度上决定藿烟草加工业的生产组织、生产规模、生产方式、能源和原材料消耗 等，因丽影响烟草工业的产品水平、质量、品种、效益以及更新换代周期，对烟 草工业的发展起促进作用，是烟草工业生产的基础工业，它的技术水平是衡量烟 草工业生产现代化程度的重要标志之。 烟草机械产业本身具有两重性：一方面服务于烟草加工业，随烟草加工业的 技术发展和需要而变化；另一方面烟草机械产业又是机械制造工业的分支，其产 品是机电产品中的专用设备。企业的生产和管理具有机械制造工业的特征，其技 术和管理水平也随机械制造工业的科技进步而提高。因此，国家在制定烟草机械 产业技术政策时，既考虑了烟草机械技术的现状和发展趋势，也考虑了机械制造 技术的现状和发展趋势。 目前，随着提高产品质量的呼声越来越高，国内外烟机生产产家和卷烟生产 重庆大学硕士论文1 绪论 产家都非常重视对烟机技术的研究，尤其是对产品质量影响较大的部分系统的研 究。法国d e c o u f l e 公司和英国m o i n s 公司是最早从事卷接技术和装备研究的公 司，但现在已落后。现在技术领先的是德国h a u n i 公司和意大利g d 公司。尤其是 德国h a u n i 公司已于9 3 年研制出1 4 0 0 0 支分1 6 0 0 0 支分的p r o t o s2 型卷接机 组。该杌组采用了多项先进技术，使卷烟机的速度、效率，烟支的质量以及减少 原辅材料消耗等方面达到了更高的水平。 现代卷接技术和装备的发展趋势： 1 、高速度：高速度意味着高的生产能力即高的生产效率，能使制造商在同 样的人力、占地面积下在更短的时间里生产出更多的产品。 2 、高度自动化：综合运用机械制造技术、电子技术、控制技术、计算机技 术和通讯技术，使自动化水平得到很大提高。 3 、高质量：主要表现在追求卷烟成品的质量稳定和良好的在线质量保证。 4 、高可靠性：主要表现在机器有效作业率高，m t b f 长，并采用模块化设计 技术和白诊断技术，使之排除故障快，维修时间短。 自8 4 年以来，我国采取引进、消化、吸收、创新的战略，在烟支卷接技术 和装备技术方面极大地缩短了与国外先进水平的差距，水平突飞猛进。针对卷烟 机空头烟、竹节烟出现机率较高的情况，国内外各产家都加强了对卷烟机平均重 量控制系统的研究。据了解，国外著名的卷烟机生产产家如英国m o l i n s 公司和德 国h u a n i 公司都非常重视研究重量控制系统。m o l i n s 公司生产的p a s s i m 卷烟机主 要是采用m a i d n 系统( m o l i n s 组合式自动检测和数据系统) ，它装有一个核扫描 器，是个以微处理器为基体的重量控制和采集系统，既可做为个单独装置与 现有卷烟机配合，又可作为卷烟机控制系统的一个组成部分。p a s s i m l 2 k 卷烟机代 表着m o l i n s 公司卷烟机生产的最高水平，他们虽然很重视这方面的研究，但仍不 能脱离核扫描器。h u a n i 公司生产的p r o t o s 卷烟机主要是采用s r m 红外烟条检测 控制系统，它不但可以控制烟支重量，还可识别不合格的烟支，计算烟条重量偏 差，计算长期的和短期的标准偏差，计算端头压实的平均增加量和位置，它用i r i s 传感器代替了核扫描器，根据烟条透光性来测量烟条的密度，利用i r i s 传感器极 大的分辨力使得有可能更精确地查明烟条的密度分布，在烟条的密度分布中的空 洞和凹陷即所谓的软点处可得到更好的控制。 国内对重量控制系统的研究主要集中在红外测量法，如云南紫金科贸有限公 司研究的z j m w c 型红外平均重量控制系统，它是采用脉冲式红外发射、接收方式， 通过对经烟条衰减后的红外信号的检测、达到检测烟条密度和重量的目的。 经过了解分析，为顺应历史的发展和环保呼声的增强，带核扫描器的控制系 统将被逐渐陶汰出局，取而代之的将是红外测量法。 重庆大学硕士论文1 绪论 红外测量法与核方法相比较有如下特点： 1 ) 在烟丝有较小的水份和混合配比波动时，对成组重量间无明显区别。 2 ) 在烟丝有较大的混合配比波动时，成组重量的标准偏差值有点增加，对 吸阻，硬度和圆周值也当然有小的波动。 3 ) 在无故障生产状态水份增加很大时，核方法测试测出烟支硬度下降的问 题，在红外线测量法则由重量增加得到补偿。 4 ) 如果烟丝配方变动需要做一次新的校准，因为烟丝颜色的差别会影响透 光性。 红外测量法与核方法比较有下列优点： 1 ) 不要官方麻烦的批准。 2 ) 不需要专门培训的操作人员。 3 ) 没有操作人员不接收的问题。 4 ) 不需要辐射保护用房。 5 ) 没有运输问题。 6 ) 没有核辐射废料的清理闯题。 7 ) 不需要安全检查。 8 ) 可提前识别吸带的磨损。 9 ) 可以进行短时精确调节，因为是在修整盘后直接测量。 l o ) 使用附加的i r i s 红外传感器可更精确地测量密度分布，因为它的分辫率 增加大约l o 倍。 1 3 本文主要研究内容 目前，卷烟机重量控制系统所使用的有核方法和红外测量法，由于它们各有 利弊，对它们的评价说法不一，因而两种方法都仍在使用，但是，核方法毕竞对人 体有害。近年来，随着计算机技术的发展以及传感器检测技术的发展，人们越来 越重视红外测量法的研究，或在现有设备的硬件和软件的环境下进行不断的技术 改造，或进行技术创新。 在国内，随着工业生产自动化的发展，市场竞争的进一步加剧，引入先进的 的设备、先进的管理无疑是致胜的法宝。 备进行改造，将使陈旧的设备重焕青春， 而引入先进的控制系统对老化的生产设 从而必将提高生产质量，降低产品生产 成本，使企业增强竞争力：但是英国m o l i n s 公司在这方面还未取得任何的进展， 而德国h a u n i 公司在机型设计上与p a s s i m1 2 k 卷烟机有很大的区别而不适于引用。 本文将针对p a s s i m1 2 k 卷烟机重量控制系统作细致深入的研究并对其改进 重庆大学硕士论文 1 绪论 作详细的探讨。 本文主要作了以下工作： ( 1 ) 本文对p a s s i m l 2 k 卷烟机原来的带有核扫描器的重量控制系统进行分 析和研究，仔细分析了该系统的基本组成与功能，以及工作原理和性能指标，并 在此基础上，指出该系统所存在的主要问题。 ( 2 ) 提出将原来的系统改为红外式的烟支平均重量控制系统，并对两种系 统进行了分析对比，详细阐述了新系统的组成和工作原理以及新系统对烟支平均 重量的测控原理。 ( 3 ) 对新系统进行了功能设计，并建立了反馈控制的数学模型，然后进行 了结构设计、控制设计，还提出了新系统的软件设计框图。 通过以上所作的工作，力求对红外式重量控制系统在我国卷烟工业企业尤其 是红塔集团中的应用与推广具有一定的参考价值。 重庆大学硕士论文 2 p a s s i m l 2 k 卷烟机核扫描重量控制系统的组成及原理 2 p a s s i m l 2 k 卷烟机核扫描重量控制系统的组成及原理 2 。1 系统基本组成 p a s s i m1 2 k 卷烟机所使用的重量控制系统是m a i d n 即莫林斯组合式自动检 测和数据系统，它是一个以微处理器为基体的重量控制和数据采集系统，它既可 做为一个单独装置与现有卷烟机配合，又可做为卷烟机控制系统的一个组成部份。 卷烟机上的重量控制系统包括3 个主要装置：扫描装置，重量控制装置，平准器 电机。如图2 - 1 所示。 图2 一l 重量控制系统 1 莫林斯m i d n 重量控制装黄2 削减圆盘3 平准器高度调节电机和齿轮 箱4 烟条5 ，扫描装置 重庆大学硕士论文2 p a s s i m l 2 k 卷烟机核扫描重量控制系统的组成及原理 t 扫描装置 扫描装置( 5 ) 安装在刀头箱内的烟条通道上，内有烟条导轨和屏蔽管，烟 条可以从中自由通过。装置还包括密封的锶9 0 放射源，能产生b 射线。这些射线 穿透烟条后能量衰减，再进入测量装置。所测射线的量可以提供个与烟条密度 和烟支重量相关的信号，测量装置是一个电离室。放射源被屏蔽后可以阻止各个 方向的射线，射线只能向所需方向发射，即穿过烟条。当不生产烟的时候，一个 弹簧复位的钢闸门可以关闭放射源。 卷制成形的烟条进入带放射源的扫描装置，由扫描装置对烟条的密度进行检 测，把实际测得的烟条重量信号与要求的重量信号作比较，通过比较后的误差信 号来控制平准器电机，从丽带动平准器蹰盘上升或下降，削减吸丝带上多余的烟 丝，从而控制输入烟条成形器的烟丝重量。 扫描装置为重量控制和诊断提供烟条信息数据的是一个精密的核子式传感 器。 2 重量控制装置 帕西姆卷烟机上安装的重量控制装置( 1 ) 燕莫抟斯的姒i d - n 。先进的系统可以记录和 分析检测数据。重量控制是通过对削减盘高度的伺服调节来实现的。从扫描装置接收到的信 号与要求值作比较后送到重量控制装置，装置对烟支排放或取样的重量进行故障诊断和分类 ( 包括：重量轻、重量重、空白、总数、范围之内等几种) ，不同的信号提供给平准器装置后， 确定平准器电机的旋转方向。 3 平准器电机 平准器装置得到来自于重量控制装置的通过比较后的不同信号，如果被测的 重量偏高，平准器电机( 3 ) 带动削减盘( 2 ) 升高，削减较多的烟丝。如果被测的 重量偏低，削减圆盘降低，允许较多的烟丝进入烟枪成为烟条。操作系统几乎都 能将烟丝带上的烟丝控制在预定的范围内。如果被测的重量偏差太大( 与预定数 值比较) ，将产生一个信号使机器停止运行。 2 2 系统功能简介 p a s s i m1 2 k 卷烟机重量控制系统由放射源、安全闸门、电离室、放大器、电 压频率转换器、重量分析处理器、重量控制处理器、数据收集处理器以及操作者 通信和存贮接口组成，它们组成一个有机的整体，共同协作完成重量控制的一系 列复杂过程，控制系统各部分间的关系及系统流程如图2 2 。 重庆人学硕士论文 2 p a s s i m l 2 k 卷烟机核扫描重量控制系统的组成及原堡 图2 2 重量控制系统流程图 f i g2 - 2w e i g h tc o n t r o ls y s t e m a t i cf l o wc h a r t l - 放射源 放射源发射出高速粒子束( 1 3 射线) ，在扫描装置内穿过烟条。 1 1 放射源采用锶9 0 元素，被密闭。 2 1 强度为9 2 5 兆贝可( m b q ) ，半衰期为2 8 年。 3 1 锶9 0 通常是一种可以接收的最安全的放射性材料之一。因为经过b 射线 对产品照射后留下的残余射线尽管非常小，可以忽略不计，但毕竟对人体有害。 2 安全闸门 1 ) 安全闸门是一个由电磁线圈控制的机械闸门。当发生电力故障时，它将自 动关闭，阻止放射源发出射线。 2 ) 闸门在下列两种情况下打开： a ，机器选择了全速运行，有重量控制使能信号。 b ) 校准和自动检查屏蔽管和烟条导轨。 重庆大学硕士论文2 p a s s i m l 2 k 卷烟机核扫描重量控制系统的组成及原理 3 电离室 在扫描装置内烟条对外面的位置上是电离室。电离室接收射线，使其中的氪 气体成为离子。通过在电离室的外壳上施加高电压，电离后的气体可以形成屯子 流，穿过中心电极并发射出一股小电流。烟条密度的变化，会引起电离室内粒子 束的能量衰减量变化，将产生一个与烟条密度成反比的非常小的电流。 1 ) 电离室有个充满了氪气体的容器，它的一端由钛箔盖注，与屏蔽管内的 窗孔是对齐的。 2 ) 必须保持4 5o c 的温度，才能使射线分离气体成为离子，并转换为小的负 电荷。 3 ) 负电压施加在外部壳体上( 1 k v ) ，得到一个小的电流，经放大后变为正 电压。 4 放大器 扫描装置内的放大器将电流转变成模拟电压，通过模数转换器将信号送入主 电气机架内。 】) 精密的放大器通过对电离室产生的微小电流进行放大，输出一个模拟电压。 2 ) 放大器有两个预设的参数值： a ) i o ：当烟条导轨是清洁和畅通时，从电离室给出的最大输出量。 b 1i s ：放一个8 吼的钢条在烟条导轨内，它将产生一个约为i o 的1 3 的电压 值( 1 3 v ) 。这是对通过钢条周围的射线进行测量，称为“滑移射线”。 c ) 在生产中如果烟支直径变化，将引起滑移射线总量产生轻微变化。但这一 变化对重量控制系统的操作影响很小，因此在对系统进行初始校准时，仍按上述 的两个参考值调整。 5 电压、频率转换器 1 ) 转换模拟输出电压为数字频率。 2 ) 频率比较的时间间隔相当于一支烟的长度，也即发生烟支端部脉冲( e c p ) 的点上。 3 ) 烟支重量增加，频率减少。乎均烟支重量的频率约为5 0 0 k h z 。 4 ) 烟支紧头通过测量点时，频率将进一步降低。系统将给出一个紧头位置相 对于烟支切割点的精确显示。 6 重量分析处理器 重量分析处理器将数字信号和机器主传动产生的定时脉冲( e c p ) 汇总后，产 生一个与重量相关的信号。 1 ) 对模数转换器和轴编码器的输出信号作出响应，进行运算并缛出结果。然 后把结果送至重量控制处理器。 重庆大学硕士论文2 p a s s i m l 2 k 卷烟机核扫描重量控制系统的组成及原理 2 ) 进行基本的重量检测并分故障进行剔除。 7 。重量控制处理器 在重量控制处理器内的信号与对装置校准时所贮存的参数作比较，如果烟条 密度超过软件确定的死区( 通常是8 ) ，固态继电器接通平准器电机，升高或降 低削减圆盘以骖正重量误差。 1 ) 操作和控制平准器电机的方向。 2 ) 驱动仪表和显示板上的指示灯。 3 ) 将分类剔除直接送至数据收集处理器。 8 数据收集处理器 1 1 对所有用户的数字输入进行监测和数据收集，并确定“自动中断”的原因。 2 ) 确保按各种故障分类的烟支能够准确地剔除。 9 操作者通信和存贮接口 从所有处理器上收集和核对数据，在数据收集和重量控制微处理器之间提供 通讯线路。 2 3 系统工作原理及主要性能指标 2 3 1 系统工作原理 烟条运行通过一个1 3 粒子源与一个电离室之间。当闸门( 放射线隔离板) 打 开，放射线穿过烟条径向截面荠进入电离室。些1 3 粒子被烟条中的烟丝等吸收， 吸收量可以被探测出来，这就是当闸门打开并有烟条时，放射对电离室中电流的 影响和无烟条时放射对电离室中电流的影响是不同的原因，这种差别与一定长度 烟条中烟丝数量( 密度) 直接有关。吸收量的不同将影响电离室中的电流，使之 波动。 在一个特定长度的烟条中，烟丝密度将直接影响放射线的吸收量。当烟条直 线运行经过放射源和电离室之间时，沿烟长长度方向其密度的不同被确定下来。 重庆大学硕士论文2 p a s s i m l 2 k 卷烟机核扫描重量控制系统的组成及原理 电压输入 v o l t si n 电离室 i o n i s a y 【o nc 【a 船e r 电f = ! i 输 出 c u r r e n t o l a f 电流电压转换和放大 c l 喂r n 丁v o l t a g e c o n v e r s i o na n d 衄l i f i c a t l 0 n l 操作者i p o p e r a t o r1 p 微处理器 m i c r op r o c e s s o r s 卷姻机同步 m a k e rt i m i n g 图2 3m a i d n 重量控制的基本原理 显示 d i s p l a y 削减盘 e c r e t u r d i s c s 从电离室出来的“电流输出”经过屯流，电压转换装置转换然后放大，再经光隔离器，到 达控制柜中的微处理器，在该处对烟条的平均重量和密度进行计算。微处理器的输出信号一 方面显示给用户操作者，另一方面控制削减盘位置( 平均重量调节) 。如图2 - 3 表示出了 m a i d n 重量控制工作的基本原理。 重量控制系统的安装主要目的是检测和跟踪烟支的质量，并将检测结果送报 给烟支检测系统，最终由烟支检测系统将重量偏轻或偏重的烟支和烟条内烟丝分 布不均匀的烟支所产生的空头或空松烟支剔除。当烟支运行通过扫描单元时，被 探测出的不合格烟支必须被剔除。剔除动作不是在扫描部份进行，而是在此后的 某一环节完成。故障烟支需要准确辨认以保证剔除。跟踪的方法是计算每一个指 定( 抽样或故障剔除) 的间距与间距的运动( 或偏移) 一旦间距长度被正确建立， 被指定的烟支就是将被剔除的烟支。 2 3 2 主要性能指标 m a i d - n 是自动检测模件及数据系统，它提供包括重量分析、重量控制、数据 重庆大学硕士论文2 p a s s i m l 2 k 卷烟机核扫描重量控制系统的组成及原理 收集、数据显示及故障分柝功能。m a i d n 系统的记录和显示单元是由联结起来的 四个微处理器做为整个控制体系的一个部份组成的。三个微处理器执行独立的功 能，第四个微处理器协调一些采集机能并在电路板间传递。每一个微处理器由一 些分系统组成，分系统由i n t e l8 0 8 5 系列微处理器单元构成，这些单元组装在一 个单独的电路板上，该电路板包含有特殊微处理器需要的所有单元，其中包括贮 存和输入输出站。 对卷烟机、对机器操作者以及对卷烟质量而言，最关心、最重要的莫过于重 量控制。从扫描头出来的模拟信号作用于一个电压频率转换器( v f c ) 上。v f c 输出用一个通过扫描头烟支导管“平均”烟支来计算，产生一个大约5 0 0 k h z 的频 率。在正常运行期间，频率的变化与经过扫描头的烟支烟丝密度成反比。计算在 每一个“烟支周期”发生的脉冲数( 计数与特指烟支的平均重量成反比) 并且计 数由重量分析处理器处理并转换成个别烟支的重量数据( 重量为毫克) ，这个重量 数据传到重量控制处理器，在这里，单个烟支重量以一个固定的烟支常数汇集起 来。该累计常数正常地是6 0 支烟( 软件可选) 。平均值与期望的理论重量相比较 来描述，“o ”也称为标准偏 差。通过标准偏差的变化，可以分析重量分布情况，检查产品质量。标准偏差可 以表示为： o 瓣 其中：x 烟支重量 i 烟支平均重量( 分散范围中心) 夏：杰 n 烟支总数 由于烟支的重量可视为按正态曲线分布，则重量分布将体现正态分布曲线的 特点，如图2 4 所示： 1 ) 蓝线成钟形，中间高，两边低。这表明重量靠近分散中心的烟支占大部 份，而重量远离分散中心的烟支是极少数。 2 ) 烟支重量大于x 和小于x 的频率是相等的。 3 ) 表示正态分布曲线形状的参数是o 。如图2 - 4 所示，o 越大，曲线越平 坦。重量越分散，也即重量精度低；o 越小，曲线越陡峭，重量越集中，也就是 重量精度越高。 4 ) 当x 一夏= 3 0 时，图中箍积f = 4 9 8 6 5 ，2 f = 9 9 7 3 ，即烟文重量在3 o 以外的频率只占02 7 ，可忽略不计。 y ( a ) 矗 名 、口= d