（机械电子工程专业论文）kdf2滤棒成型机改进设计研究.pdf

l 【d f 2 滤棒成型机改进设计研究摘要a f 2 k d f 2 h c f 8 0 型滤棒成型机组为我国8 0 年代末从德国h a u n i 公司引进的过滤嘴生产设备。由于受到设计年代技术水平的限制，经过十几年的应用，原有设备逐渐显示出技术上的局限性，电器故障率高，传动系统不稳定，导致滤棒质量不稳定，越来越不适应目前生产要求。本文对当前国内外滤棒成型机情况进行了调研，重点分析了k d f 2 滤棒成型机存在的问题，阐述了k d f 2 滤棒成型机改进设计研究的经济意义和现实意义。同时参照国际上先进的高速滤棒成型设备的设计原理，结合国内市场的设备维修及产品质量需求，根据现役k d f 2 机组的特点，运用伺服传动系统的优良特性及p l c 在工业控制中的优势，设计了全新的电气控制系统，并对动力与传动系统进行了全面改进设计，提出了k d f 2 滤棒成型机主电机的变频改造、a f 2 开松机的两对开松辊、一对输送辊伺服系统独立驱动、增塑剂甘油泵、热熔胶泵独立驱动，冷胶( 内线胶) 供应机构自流式供应、动态换纸系统不降速搭及盘纸拖动辊伺服改造、布带气缸涨紧改造、刹车系统电阻制动方式改造等设计方案和研究思路。通过试验研究验证，改进设计系统地提升了原设备的技术水平。本文提出的改进设计方案和研究举措在现役机器上实施了改造，并做了改进前与改进后数据比较，效果显著。同时，本文对该类型机器的提速改造、直径在线测控系统及上位机通讯做了相关探讨与展望，以便今后进一步改进与技术升级。关键词：k d f 2 滤棒成型机，p l c ，独立驱动，伺服控制，设计研究t h er e s e a r c ho nt h eu p g r a d i n gd e s i g no ft h ef i l t e rr o ds h a p i n gm a c h i n eo fk d f 2a b s t r a c tt h ef i l t e rr o ds h a p i n gm a c h i n eo fa f 2 k d f 2 h c f 8 0 ，w a sp r o d u c e db yh a u n ic o m p a n yi nt h eg e r m a n y b e c a u s eo ft h el i m i t e do fd e s i g nt i m ea n dw o r k e dt e n sy e a r s ，t h ee q u i p m e n th a ss h o w naf e wf a u l t so ft e c h n o l o g i e s ，f o re x a m p l e ，t h eh i g hf a i l u r er a t eo fe l e c t r i ca p p l i a n c e ，t h el a b i a l i z a t i o no ft h eq u a l i t yo ff i l t e rr o d ，w h i c hw a sc a u s e db yt h el a b i a l i z a t i o no ft h ed r i v es y s t e m i th a dn o ts a t i s f i e dw i t ht h er e q u i s i t i o nf o rp r o d u c t i o no ft h ep r e s e n t t h ef i l t e rr o ds h a p i n gm a c h i n e so ft h ew o r l dw e r es u r v e y e d ，a n dt h es i g n i f i c a n c eo fe c o n o m ya n dr e a l i s mw e f er e s e a r c h e di nt h ea r t i c l e a n a l y z e dt h ep r o b l e mo ft h ef i l t e rr o ds h a p i n gm a c h i n eo fk d f 2a n dr e f e r e n c e dt h ec o r r e l a t i o nt e c h n o l o g i e so ft h ek d f 3a n dk d f 4 ，w h i c hw e r en e wg e n e r a t i o no ft h ef i l t e rr o ds h a p i n gm a c h i n e ，t h ed i s s e r t a t i o np u tf o r w a r ds e r i e sd e s i g na n dr e s e a r c ho nt h ea f 2 k d f 2 h c f 8 0 ，s u c ha sr e f o r mo ft h ep l cf o rt h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo ft h ec o m p l e t ea p p l i a n c e ，t h ea p p l yo fd r i v e ni n d e p e n d e n t l y , t h ed e s i g nf o rc h a n g i n gt h ef r e q u e n c yo ft h em a i ne l e c t r o m o t o r ，f o rt h es e r v om e c h a n i s mo nt h ed y n a m i ce x c h a n g ep a p e ru n d e rt h eh i g hs p e e d ，f o rt h es e r v om e c h a n i s mo nt h ed r u gr o l l e ra n df o rt h et e n s i o nu p d a t eo ft h ec o t t o nt a p ec y l i n d e r t h eu p g r a d i n gs c h e m ep r e s e n t e db yt h ed i s s e r t a t i o nh a sb e e ni m p l e m e n t e do nt h es e r v i n gm a c h i n e s ，a n dt h ed a t ac r e a t e da f t e ru p g r a d i n gr e f o r mw e r ec o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u sd a t a t h e9 0 0 dr e s u l th a sb e e no b t a i n e d m e a n w h i l e ，t h er e l a t e dd i s c u s s i o na n dp r o s p e c ta b o u tt h es p e e di n c r e a s i n gm o d i f i c a t i o no ft h em a c h i n e s ，t h eo n l i n ed i a m e t e rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma n dt h eh o s tc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nh a v eb e e nr e s e a r c h e di nt h ed i s s e r t a t i o n i ti sc o n v e n i e n tf o rt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n ta n dt h et e c h n i c a lu p g r a d i n gi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：t h ef i l t e rr o ds h a p i n gm a c h i n eo fk d f 2 ，p l c ，d r i v ei n d e p e n d e n t l y ，s e r v oc o n t r o l ，d e s i g na n dr e s e a r c hi i i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金月里王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名徐尚军签字日期珈擗帅日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金目里王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金月垦互些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后使用本授权书)学位论文作者签名：徐签字日期：少蹄l1 月导师签名：签字日期：年月日一年勿，吧诈日致谢三年的研究生时光转眼间就要过去，在我学生生涯即将结束时，我要向那些帮助过我的老师和同学表示深深的谢意。在本论文完成之际，我谨向我的导师赵韩教授致以最真挚的感谢和敬意! 从课题方向的选择、开题报告、中期检查报告，到论文工作的理论分析，直至整个论文的撰写、定稿，无一不浸透着赵老师的汗水和心血，在此期间，赵老师给予我的无私帮助、悉心指点和谆谆教诲，不但使我把握了有关课题内容的相关知识，而且有所创新，并在研究生学业中获益匪浅。同时，赵老师严谨的治学态度、渊博的知识、平易近人的作风，都是我学习的榜样。本人是在安徽中烟工业公司作的论文，特别有幸得到很多老师的指导和教诲。感谢他们无私的关怀和帮助。从他们那里我学到了许多知识，拓宽了知识面。此外，在此我还要感谢我的同学和朋友对我的无私的帮助，在他们的帮助下我的课题得以顺利地完成。学习的道路是漫长的。在此，再次向所有帮助过我的人表示衷心的感谢!i v作者：徐尚军2 0 0 8 年1 0 月第一章绪论1 1 国内外情况综述滤棒是指以过滤材料( 如烟用纤维丝束及芯纸等) 为原料加工卷制而成的具有过滤性能并有一定长度( 如1 2 0 m m ) 的圆形棒。滤嘴是指滤棒分切后接装在卷烟烟支的抽吸端，对卷烟烟气中某些物质( 如焦油、烟碱等) 起过滤作用的圆柱体，是滤嘴卷烟的一个组成部分。卷烟滤嘴的主要作用有：滤嘴可以减少烟气中的有害物质，从而缓解吸烟与健康的矛盾；滤嘴避免了烟末粘在嘴唇上所引起的不适感；对于卷烟企业，可以通过接装滤嘴减少单箱烟叶消耗，提高产品质量档次和价值，从而获得较大的经济效益( 5 元盒以上的卷烟，其烟丝成本高于滤嘴丝束成本) 。目前世界上生产的中高档卷烟滤棒主要采用醋酸纤维丝束施加增塑剂成型后用纸卷制而成。世界上最早出现的滤嘴醋酸纤维滤嘴出现于二十世纪5 0 年代，1 9 5 1 年美国b r o w n w i1 1 i a m s o n 生产的“总督 ( v i c e r o y ) 牌卷烟最先使用了以醋酸纤维为滤材的滤嘴。1 9 5 4 年英国皇家医学会发表了“吸烟与健康”报告以后，世界性吸烟与健康的争论不断升级，加速了滤嘴卷烟的发展。1 9 7 6年滤嘴卷烟已达世界总产量的4 0 左右，二十世纪8 0 年代末，主要卷烟生产国的滤嘴卷烟平均已达8 5 左右。其中日本、英国为9 8 ，美国、原联邦德国9 5 ，韩国、埃及、阿根廷等国家已达1 0 0 。我国滤嘴卷烟生产起步较晚，1 9 7 3 年青岛卷烟厂生产的“大前门牌卷烟最早接装了纸质滤嘴。到二十世纪8 0 年代初期，滤嘴卷烟只占我国总产量的3 ，随着我国烟草行业的崛起，1 9 8 5 年以后，滤嘴卷烟急速发展，1 9 9 0 年上升到5 0 ，1 9 9 6 年末卷烟接嘴率达到了9 3 ，1 9 9 8年已达9 7 3 ，至今无嘴卷烟的生产已基本消亡。目前，国内生产的滤棒有普通的醋酸纤维滤棒、复合滤棒及具有低侧流等各种特殊性能的滤棒，采用聚丙烯纤维( p p ) 生产的普通滤棒、聚丙烯纤维加胶棒等。二十世纪5 0 年代初，醋酸纤维滤嘴刚出现的时候，所使用的滤棒成型机是卷烟机的改良机，成型速度为6 0 m m i n ，增塑剂添加是通过改造的油漆喷涂机进行的，成型时所使用的粘合剂为水解淀粉。国际上最早的醋酸纤维滤棒成型机为美国伊士曼公司发明。之后，成型速度被提高到1 0 0 m m i n 。二十世纪6 0年代初，成型速度提高到2 0 0 2 5 0 m m i n 。同时，美国塞拉尼斯公司发明了螺纹辊丝束开松工艺，开松辊从以往的平滑辊改造为细沟槽辊，提高了开松效果，使成型机得到进一步的发展。另外，增塑剂的添加出现了辊筒涂布方式。二十世纪6 0 年代后期，开始使用刷辊式增塑剂添加装置和热熔胶，此时已呈现目前成型机的基本雏形。二十世纪7 0 年代，国际上开发出了成型速度为4 0 0 m m i n的成型机，并在世界范围内被广泛使用。二十世纪8 0 年代后期开发出了成型速度为6 0 0 m m i n 的先进机型，提高了成型速度，产品质量更趋稳定，具有在成型中自动测定滤棒的重量或吸阻，并将其数据通过计算机反馈控制运转条件的功能。2 0 0 3 年，由德国h a u n i 公司生产的目前最先进的滤棒成型机k d f 4 在国际烟草博览会上展现。新型的滤棒成型机电控系统大量应用了新技术，大大提高了设备的稳定性及滤棒成型质量，方便维修，设备有效作业率也明显提高。目前国外制造的滤棒成型设备主要有德国豪尼公司的a f 2 k d f 2 h c f 8 0 滤棒成型机组，英国莫林斯公司( m o l i n s ) 的t 0 5 + p m s + t f 3 n 滤棒成型机组，日本三条机械制造所的f t 4 + f r 4 + f f 3 0 滤棒成型机组，生产能力均为4 0 0 m m i n ，滤棒直径耷6 9 m m ，滤棒长度6 0 - - 15 0 m m 。我国为适应滤嘴烟发展的需要，8 0 年代初，上海烟草工业机械厂为发展国产滤棒，试制y l l l 开松上胶机，y l l 2 滤棒成型机，每分钟1 4 0 m ，并批量生产。浙江宁波轻工机械厂仿制英国莫林斯公司p m 4 滤棒成型机组，生产制造y l l l y l 2 1 型滤棒成型机，其生产能力( 丙纤滤棒) 为8 0 m m i n 。浙江临海机械厂制造的6 l z 一9 成型机，生产能力为8 0 0 支m i n 。该机采用三级空气开松器和直线开松辊来进行丝束开松，增塑剂通过两个等速反向转动的喷胶辊来施加，使用喷胶辊具有喷量少，浪费小、丝束两面都可受胶的特点，但是由于涂胶均匀度不够，造成成型后的滤棒重量不均，所以一般不采用这种方法。浙江镇海机械厂制造的y l 一3 3 成型机，是以f m 成型机前身为基础结合国内外先进设备特点设计而成，是比较先进的国产成型机，生产能力为1 0 0 0 支m i n ，该机只有切割系统，与g l z 一9 成型机有区别。1 9 8 6 年和1 9 8 8 年，中国烟草总公司从德国c o m p a s 集团h a u n i 公司先后引进a f 2 k d f 2 滤棒成型机组和h c f 8 0 装盘机( 国内型号为y l l 2 y l 2 2 和y j 3 5 ) 的全套制造技术，由上海烟草工业机械厂及沈阳飞机制造公司开发制造。1 9 8 9 年1 1 月，由中国烟草总公司和德国科伯公司组成的检查验收团，对上海烟草工业机械厂生产制造的3 套样机，按照德国科伯公司的验收程序和检查标准，进行全面的检查验收，确认该机性能良好，己达到德国科伯公司生产的同类产品的质量，双方代表签署合格证书，同意批量生产k d f 2 滤棒成型机组。国内定名为z l 2 2 纤维滤棒成型机组。它是国内现役生产醋纤滤棒的高速成型主流设备，国内除四川成都、湖南长沙、湖北武汉等厂家还有少量的英国p m 5及日本三条机型，不久都将基本淘汰。k d f 2 滤棒成型机组各工序的控制机构和功能比较齐全，进口机并配置有在线质量控制系统，如圆度( 直径) 在线测控与警示，单支滤棒增塑剂含量的显示等；滤棒产品质量好，使用比较方便，有效作业率高，因而成为我国烟草行业辅料生产中滤棒成型的主要机型，并且至今仍具有很强的生命力。a f 2 k d f 2 h c f 8 0 型滤棒成型机组由开松机a f 2 、成型机k d f 2 和装盘机h c f 一8 0 三个单元组成。该滤棒成型机通过二次开松、增塑剂添加、卷制成形、刀盘切断和排列装盘的过程生产滤棒。21 2 课题的来源作为我国现役生产醋纤滤棒的高速成型主流设备，无论是直接从国外进口的a f 2 k d f 2 h c f 8 0 型滤棒成型机组，还是我国早期自行生产的同类型设备，均已使用了十几年。经过长时间的使用，部份零部件、电气元器件己磨损老化，国内有近3 0 0 台设备己进入全面的整修和更换期。虽然该机型十分成熟，深受用户好评，但是受设计年代技术水平的限制，机组显示出许多技术上的局限性，使用和维修方面均存在着一系列的不足，随着时间的推移，问题逐渐显露，主要有：1 ) 机械结构复杂；电控系统相对落后；生产环境比较差，噪音大；维修难度高，能源利用率低等。因此，原有机组越来越不适应现代生产要求。2 ) 主驱动电机为直流电机，由专用的控制板驱动，日常维护量大，备件供应周期长，价格昂贵。3 ) 开松机a f 2 和成型机k d f 2 的电控系统采用继电器控制线路，大量使用接触器、中间继电器、时间继电器、加热器温度开关、调节器等，随着时间的推移，故障率逐渐提高，故障判断困难，备件较多，有些专用器件的供货必须进口。开松机的两对开松辊和一对输送辊的传动均从主机通过机械无级变速器传递速度，一般3 至6 个月需要全面维护一次，维护工作量大；而更换必须选用进口产品，费用昂贵。4 ) 热熔胶和增塑剂的供给通过一套复杂速度变换系统，来控制单支滤棒供给量；其中热熔胶的供给，虽然泵速与机速同步，但其流量不可控，有时不得不改变传动关系来解决，操作不便。5 ) 动态换盘纸机构过于简陋，必须采取降速换纸的方式，由于机器工艺方面的特点，机器升、降速会引起滤棒质量指标的波动。盘纸放纸架机械结构刚性差，张力控纸系统在盘纸由大变小过程中，张力变化不均匀、波动大，造成盘纸供纸稳定性不够，直接影响盘纸搭接等问题。6 ) 主机刹车系统采用复杂的机械刹车机构，刹车动力源为油压，长期使用后密封圈磨损，易出现漏油等老大难问题。7 ) 滤棒直径在线测控系统不稳定、可信度差。上述问题成为制约产品质量保证和设备效率提升的主要因素，急需通过设计和研究消除，降低设备运行成本，提升设备效能，延长设备生命周期。1 3 本课题研究的意义从生产对设备发展的要求来看，十五期间烟草行业进行的技术改造主要集中在制丝线、物流、以及厂房建设、厂区环境优化等方面，滤棒成型设备的更新和完善相对弱化，滤棒成型设备的引进只是满足不断增长的生产计划需求。原有k d f 2 滤棒成型设备经过长年使用后，总体设备新度系数下降，缺少系统性的维护。这些设备已经进入剧烈磨损期，设备效率呈下降趋势。同时，随着新型高速滤棒成型机的问世，用户对k d f 2 机组进行升级技术改造的要求日益强烈。从技术角度来看，受设计年代的限制，k d f 2 滤棒成型机传动系统主要靠齿轮机构传递动力，经过长时间的运转，机械磨损严重，导致传递不精确，从而出现丝束开松质量不稳定。另外，电气部分故障率大大提高，设备有效作业率大大下滑，且相关配件采购困难。后身部分机械刹车系统结构复杂，长期负荷导致漏油现象十分严重。因此，设备升级改造势在必行。从经济角度来看，k d f 2 作为目前国内滤棒成型设备主力机型，保有量大，重新对其进行升级改造设计，提升设备技术性能、延长其使用寿命，要优于淘汰现有设备、购置新设备。同时，从国家装备政策看，固定资产保值增值的要求越来越受到重视。k d f 2 型滤棒成型机组作为主流机型近年来不允许报废，仍然需要使用相当长时间，必须通过进一步的完善进行使用。这些内在的压力和外部的要求都决定了k d f 2 型滤棒成型机组设备升级完善存在着巨大的需求。目前亟需加强设计和研究，解决现有在线使用k d f 2 型滤棒成型机组存在的问题，以维持和提升其固有生产能力和性能，保证生产任务的顺利实现。根据国家局、烟机公司最新要求，k d f 2 滤棒成型设备大修周期为6 年，目前全国现有在线生产的k d f 2 滤棒成型设备中，使用年限8 10 年的设备有5 4台，1 0 1 5 年的2 4 2 台，合计2 9 6 台，占所有在线设备3 3 8 台的大半以上。针对k d f 2 滤棒成型机的使用情况及借鉴新的应用技术，进行改进设计研究，使存量设备重新焕发出生命力，避免了进一步更新购置设备的投入，节约了资源，具有很大的社会效益。1 4 主要研究内容根据以上存在的问题，本文通过详细剖析该机型现有特点，根据烟草机械对传动系统的特殊要求( 1 技术前沿，大量采用最新的技术；2 产品可靠性高；3 操作简便；4 产品网络功能强：5 产品结构紧凑；6 分布式结构；7 服务快速；8 备件充分，供应神速) ，同时参考新型控制技术、独立驱动和伺服控制相关技术，提出了对卷烟企业现役的k d f 2 型滤棒成型机组进行一系列改进设计研究。主要研究内容如下：1 ) 对整机的电控系统进行重新设计，采用新型p l c 电控系统及p r o f i b u s 总线通讯方式，去除大量逻辑继电器线路，更换相关传感器，使开松、成型及装盘三个部分的电控系统一体化，实现控制系统的全面更新；增设触摸式人机界面，直接显示各工艺参数，人机对话良好，方便操作，便于根据原料的工艺要求直接设定工艺参数；实现底层数据采集并留有扩展接口，为车间信息化管理铺平道路，并为机器增添新的功能( 如在线测控) 创造条4件。提高了滤棒质量和设备运行的可靠性，便于操作维护，降低设备的故障率。2 ) 对整机的动力及传动系统进行全面升级改造，主要有：a ) 主电机的变频改造：主电机采用交流开环调速系统取代原先的直流调速系统，克服原直流电机运行中的波动，便于维护。b ) 采用伺服系统实现a f 2 开松机的两对开松辊、一对输送辊、增塑剂甘油泵等的独立驱动，废弃原先的机械无级变速器，使传动系统简练化；通过电气控制实现增塑剂单支含量的可控，克服原机械传动的误差及速度的波动。c ) 热熔胶泵的独立驱动：热熔胶泵采用独立驱动，方便地调整热熔胶流量，参数设定和显示由p l c 和触摸屏实现。d ) 冷胶( 内线胶) 供应机构采用自流形式，结构简单、维护方便。e ) 动态换纸系统全速搭接及盘纸拖动辊伺服改造：改进动态换纸机构，采用伺服电机驱动，以实现高速动态换纸；拖纸辊采用伺服电机驱动，取消原机辅助传动箱部件，克服原来换纸、引纸时速度的变化造成的滤棒质量波动，参照k d f 3 回转纸盘架结构，保证导纸辊供纸稳定、张力控制均匀。f ) 布带气缸涨紧改造：成型机布带机构采用汽缸张紧，取代原机重锤张紧的办法，减少因打滑而造成的滤棒长短偏差过大( 对生产高透滤棒效果尤其明显) 。g ) 刹车系统采用电阻制动的方式，能量快速通过制动单元由制动电阻吸收，主传动为l e n z e 矢量型变频器，l e n z e 制动单元和制动电阻，构成了电器刹车制动系统，解决机器刹车系统漏油问题。第二章k d f 2 滤棒成型机组设备及工艺要求21k d f 2 滤棒成型设备简介k 肼2 ( 儿2 2 ) j i _ ! 纤维滤棒成型机纽是德田科们公i j 设生，“的具有2 0 世纪8 0 年代束期l 廿界先进水、f 的滤棒成型机纽，其彳r l 每乍，“能山、如可靠性能的特点。是集蝗柬开松、滤棒成型和装椎1 ：体的滤棒自动，l 产线，设计能力为4 0 0 米分。其实物图和、卜不意图如图2l 、22 所求。目21k n ? 2 滤棒成型机目f 宴物罔z l 2 2 机组的平面图l “22 k i l l ? 2rz i2 2 ) 滤体成机卦【小n h62 1 1 设备组成结构k d f 2 ( z l 2 2 ) 型纤维滤棒成型机组由a f 2 ( y l l 2 ) 开松机、k d f 2 ( y l 2 2 ) 成型机和h c f s o ( y j 3 5 ) 装盘机三部分组成。开松机a f 2 ( y l l 2 ) 主要由丝束导向装置、三个独立的开松器、两对开松辊对、上胶箱、传动系统、风力系统、气动系统和控制系统等组成。其功能是把醋酸纤维丝束带展开、开松、消除卷曲、重新组合，然后在均匀展开的丝束带上涂洒增塑剂( 常用三醋酸甘油酯) ，输送到成型机。成型机k d f 2 ( y l 2 2 ) 主要由高压或低压喷嘴、烟枪( 成型枪) 、供胶系统、自动换纸盘及拼接装置、断条器、刀盘、磨刀装置、滤棒直径控制系统、传动系统、风力系统、液压系统、气动系统和控制系统等组成。其功能是将经过开松机处理过的醋酸纤维丝束带包上滤纸，按规定的要求进行成型、切断，通过分烟轮等输送n h c f 8 0 ( y j 3 5 ) 装盘机装盘，完成整个由丝束带到滤棒的生产成型工艺。y j 3 5 装盘机主要由进料机构、填充机构、装盘装置、提升装置、烟盘输出装置、传动系统和控制系统等组成。其主要功能是将生产出的滤棒装盘输出。2 1 2 主要技术性能机组的基本参数：1 ) 额定生产能力：4 0 0 m m i n ：2 ) 滤棒规格：圆周1 8 8 4 m m - - 一2 8 2 6 m m ( 常用2 4 1 8 m m - 一2 4 4 6 m m ) ；长度6 0 m m - 、, 1 5 0 m m ( 常用1 0 0 m m 、1 2 0 m m 、1 3 2 m m ) ；3 ) 电气系统额定功率：2 2 k w ：4 ) 机组外形尺寸( 长宽高) ( 8 0 6 0 m m 2 3 7 0 m m x3 0 0 0 m m ) ；5 ) 净重：约4 4 5 0 k g 。机组的工作条件：1 ) 环境温度：2 0 3 0 ；2 ) 相对湿度：5 5 - 6 5 ；3 ) 海拔高度：不高于2 0 0 0 m ；4 ) 电源：3 n 5 0 h z t n s ，3 8 0 v 3 8 v ，5 0 h z l h z ；5 ) 压缩空气：工作压力不小于0 6 m p a ，流量不少于3 m 3 h ( 采用低压喷嘴) ，3 0 m 3 h ( 采用高压喷嘴) ，应经过干燥和过滤，含油量不大于0 1 ，含水量不大于2 5 ) ：6 ) 生产现场含尘量应低于3 m g m 3 ；7 ) 所用原辅材料应符合有关规定。机组的使用性能：机组在符合规定的工作条件下，应能达到的要求：1 ) 额定生产能力：4 0 0 m m i n ( 4 0 0 0 支分) ；72 ) 机组有效运行率应不小于8 5 ；3 ) 手动自动机器运行速度选择；4 ) 机组运行状态显示；5 ) 生产数据统计；6 ) 机器运行参数显示更改功能；7 ) 滤棒质量应符合g b t 5 6 0 5 的规定。8 ) 机组噪声应不大于8 5 d b ( a )当出现下列情况之一时，机组应能停机或自动停机并以指示灯显示：1 ) 机组中任何整机按下急停开关，电气联锁功能正常；2 ) 三醋酸甘油脂在贮存桶内液面低于最低标志，或在上胶箱内液面过高，或在输送泵中流量过小；3 ) 高压压缩空气压力低于0 2 m p a ；4 ) 润滑油循环系统压力低于0 0 2 m p a ；5 ) 滤条进入喇叭嘴受阻；6 ) 装盘机烟库中的滤棒至饱和状态或未达到一定容量，即供应不足；7 ) 电机过载保护开关断开；8 ) 安全防护罩打开。2 2 滤棒成型工艺要求及设备保证2 2 1 滤棒成型的工艺任务卷烟在抽吸过程中，通过滤嘴的过滤作用，可部分地滤去烟气中的有害物质，减少燃烧烟气中的焦油、尼古丁等物质含量。滤棒成型的工艺任务是将符合质量要求的丝束加工成为能满足卷烟及生产要求的滤棒，该工艺流程如下：1 ) 备料：将丝束包打开并放置在指定位置，将丝包放在丝束行进的中心线上，且铺丝方向与成型机方向一致。同时将成型纸、热熔胶、内粘接线胶、增塑剂准备到位。2 ) 丝束开松：通过开松辊及开松器的作用，将一束丝束完全展开。3 ) 施加增塑剂：通过增塑剂施加系统向完全展开的丝束均匀施加增塑剂。4 ) 卷制成型：将施加过增塑剂的丝束收拢，通过烟枪部分时被成型纸包裹，形成圆筒状滤条。5 ) 切断：滤条在刀头部分被分切为一定长度的滤棒。6 ) 装盒：滤棒通过装盘机收集整理，分装入小盒。7 ) 贮存固化：装盒后的滤棒放置若干小时自然固化，以达到最佳硬度。8 ) 装箱：装盒后的滤棒小盒分装入外包装大盒，运往卷接工序( 注：在部分烟厂中由于采用集中风送，不存在装箱这道工序，而是直接投产使用) 。2 2 2 滤棒成型的来料标准滤棒的原料包括丝束、成型纸、粘合剂和其它辅助材料。1 ) 丝束：丝束是指将纤维按一定规定集合成束，卷曲成皱形伸缩的连续带状物。目前，卷烟使用的主要过滤材料是二醋酸纤维丝束，同时，聚丙烯纤维丝束也在一定范围使用。2 ) 滤棒成型纸：滤棒成型纸是制造滤棒时卷包滤材的一种薄纸。由于卷制的滤材富有弹性，因此，会对滤棒成型纸施加一个外向的力。滤棒成型纸必须有足够大的抗张强度才能约束丝束且保持应有的尺寸。成型纸为卷盘形式，按强度分为l b z 一1 和l b z 一2 两种型号。根据滤嘴的设计需要，成型纸可分为普通成型纸和高透成型纸，高透成型纸通常与打孔水松纸配合使用，生产通气滤棒。3 ) 增塑剂：增塑剂是一种能使聚合材料更加柔软或更具可塑性的一种化合物，目的是滤嘴与卷烟能在加工时适当配接，同时也防止滤嘴在抽吸时被压扁。因此在滤棒制造工艺中，有必要添加增塑剂，使丝束固化并增加一定的硬度。目前常用的增塑剂为三醋酸甘油酯。4 ) 内粘接线用胶( 冷胶) ：内粘接线用胶用来粘接丝束纤维和成型纸，以防止丝束在成型纸中滑动，提高滤嘴接装率。一般用一条或两条内粘接线。5 ) 热熔胶：热熔胶通常作为高速滤棒成型机的搭口用粘合剂。这是因为高速机速度很快，要求胶在室温下为固态，使用时加热成为液体，通过热熔胶施加装置涂在成型纸边上，成型纸通过烟枪卷制，两纸边重叠，再通过冷却系统冷却，使热熔胶迅速固化，从而形成稳固搭口。2 2 3 滤棒质量标准对滤棒的基本要求： 无毒、无臭、无味，对卷烟品质无不良影响。 外观洁白，圆度均匀，切口平齐。 具有适宜的硬度，能满足卷烟接装工艺要求。 具有适当的吸阻，对卷烟烟气有害成分有一定的过滤性能。滤棒的质量指标：主要为物理指标和外观，相关要求如表2 1 所示。表2 1 滤棒成型工艺技术指标要求醋酸纤维滤棒技术指酥要求( g b r r5 6 0 5 - - - 2 0 0 2 )项目雄毹指扔i 耍求允惹艮度n l l n按设讨“要求0 ，5煳躅n 1 1 n按设计要求o 2 0压降p a按设计要求( 以1 0 p a 为域小单位)2 9 4缆度按没谴要求3 0水分8 o绷度l 姗0 3 59外观要求： 滤棒应无异味、无霉变。 滤棒端面的切口应平齐，不应有毛茬、胶孔，不应有面积大于横截面三分之一、深度大于0 5 m m 的缩头。 滤棒表面应洁净。不应有长度大于2 m m 的不洁点( 油渍、黄斑、污点) ，或长度虽不大于2 m m ，但不应多于三点。 滤棒表面应光滑，不应有破损、皱折。 滤棒搭口应匀贴牢固整齐，不应翘边，不应有拱高大于i m m 的轴向弯曲。 爆口：滤棒经9 0 。扭转，搭口一次爆开长度不应大于支长的六分之一。 内粘接线：滤棒的丝束棒与成型纸之间应有内粘接线。2 2 4 滤棒成型工艺对设备的要求丝束从供丝开始至滤棒成型，要经过如下工艺过程：1 级至3 级开松，通过风泵产生的压缩空气，使之横向开松( 展开) ，开松效果可通过调节压缩空气压力大小解决，不需要其他控制：供丝辊、拉伸辊、传送辊对丝束作纵向开松( 拉伸) ，开松效果需控制3 对辊速与主传动的同步关系。k d f 2 滤棒成型机组除风机、风泵外，丝束的纵向开松和传送，甘油量的给定，封口胶( 热熔胶)和内线胶( 冷胶) 量的控制，都需要与主传动同步。进口机型k d f 2 和国产机型z l 2 2 滤棒成型机组，都是通过机械传动方式与主传动联接，速比不可调。2 3 本章小结本章较为详细地介绍了滤棒成型工艺标准、滤棒质量要求以及对原料的要求，同时介绍了目前的主要滤棒成型设备的基本参数、工作条件、使用性能，为后面提出的设计和研究方案提供依据。1 0第三章k d f 2 整机新型p l c 电控系统设计31 系统概述k d f 2 整机原有电控系统采川继电器找、制线路，大啦使j j 接触器、r j l 问继电器、时问继电器、加热秣温度外戈、调节器等，随着时f l i i 的推移敞障苹逐渐提高维护：r 作量大，故障判断困难，器件较彰，有些引玎器件的供货必须进几，维持费用人。整机p l c 改造前的主控板及线路阁如图11 所示。q ：、l 祭 l c 段遗阿帕i 柠咖垭段地辟悔水文参j i ! 国防、上先进的高速滤棒成型设备的设计原理，结合国内市场的设备维修及产品厩量需求，运用现场总线技术及p l c 在r 业抟! 制中的优势，设计了此宴控制系统，取代r 原柬的继电器等逻辑控制扳控制方式。该电控系统选d 了西门fs 73 0 0 系列p i 。c 作为系统控制器；以西门了触摸屏作为人机界面，完成荐种j 艺参数的设置、运行参数的显示、故障信息提h i 等功能。采用洲( 1 | 1 lb u sd r 总线结构实现p l c 与伺服系统的通讯、从而减少接线，提高系统稳定性，降低故障发生概率。p ic 控制点数约10 0 点，硬件组态包括：数字量输入输出模块、模拟最模块、j 速训数模块。系统带有1 1 个总线适配器。取消所肯时间继电器、中问继电器、转述显示器等，其功能由p i f 和触艇解取代。保持整机控制功能不变，保持摹本操作程序小变。p l c 保留各种选择件以及拟议中的冉线直径、重世、吸阻测控系统和牛产数据集中采集系统的接 】，为机器今后的改进和工r 的集- ，管理铺m f 道路。整机p l c 改造后的e 控面板及线路图如图32 所示囤32 整机p l c 改造后的l 控面板及线龉阻32 控制簧略( 1 ) 对增塑剂添加的控制策略原系统对增塑剂添加的控制策略采川过阻尼响应曲线的控制疔式。在实际使用过程中，发现该控制方式存在定的缺陷，具体表现为：每天第一次r 电开机时，增塑剂存储器中增塑剂积累时间过长，造成段时间内滤棒增塑剂含量过低。为保证滤棒质量往往会剔除第一盒滤棒，产生较大的浪费。发生这种情况是因为烟厂每天工作结束时或者e p e 重启前机纽都会停机并排卒存储器中的增塑剂。由于过阻尼响应到达设定值时日j 过长，造成丌始阶段滤棒增塑剂含量过低。日常生产班次中，每次停机不排守增塑荆，丽是在存储器巾保有一定储存量。根据自动控制原理，车速斜坡响应可以分为过阻尼响应、临界阻尼响应和欠阻尼响应。理论说，临界阻尼响应是最习，想的控制方式，这种响应方式既实现r 控制的快速性又实现了控制的稳定陛：过阻尼响应是为了稳定| ! ! = 牺牲快速性：欠阻尼响应则是为了快速性牺牲稳定性。然，临界阻尼由于条件过。r苛刻，在实际控制中是无法实现的。根据剩余的两种响应曲线的特性，本文认为c 盹启动时最好使州父阻尼响应曲线，其理由是：c p u 启动状态f ，对增蠼剂积累快速性的要求优先于增塑剂含情的稳定陀；而其他状态下使过阻尼响应| f 1 线，此时列含量的稳定要求优先于机累的快速性。因此，利川s 73 0 0 启动时的组织块0 b lo o 在c 凡启动巾只执行玖的特性，对增塑剂电机的控制方式依据机组不同的启动状态采取了不同响应曲线的控制方法。具体来说，在c p u 启动时( 此时增塑剂存储量必定为零) ，通过启动组织块o b l 0 0 中送出高速运转命令至增塑剂电机，使控制曲线成为欠阻尼响应状态以实现对存储器中增塑剂的快速积累。而在非c p u 启动的正常运行状态，控制增塑剂电机的f c 功能块将送出普通速度命令，使控制曲线成为比较接近临界阻尼的过阻尼响应状态。新的设计完全避免了c p u 重启时带来的增塑剂积累过慢的问题、减少了废品数量，也不会影响正常生产状况时增塑剂含量的稳定性。( 2 ) 对滤棒剔除支数的计算策略在纤维滤棒成型机的生产中，为保证滤棒质量，每当速度低于一定的设定值时，机组就会剔除此时的滤棒。此时机组的速度是不断变化的非线性曲线。按通常方式无法计算出具体的剔除支数。这条反馈曲线是不断波动和变化的。对于非线性曲线，数学上只能够采用面积积分求解的计算方法。就是要求给出一定时间内主电机的圆周行程，即机组一段时间内所生产的滤棒长度。从这一角度出发，本文考虑采用了对车速进行模拟积分的计算方法，即从积分的基本定义出发，求出剔除时间内的滤棒生产长度l = ( v 木at ) ，再除以单个滤棒长度得剔除支数的计算方法。按照积分的定义要求，积分求解是在一定条件下才能够成立。这个条件就是at 要足够的小即t 一0 。在实际过程中，近似认为at = 2 0 m s 时可以满足条件。此时，计算得出的滤棒支数与实际滤棒支数的误差在3 支以内。在精度上，以最高生产速度3 3 0 0 支分钟计( 此时滤棒长度为1 2 0 m m ) ，3 支的精度完全可以满足精度要求。所以本文认为只要将t 控制在2 0 m s 时就可以满足积分求解的条件。原系统的p l c 扫描一周的时间高达几十毫秒，显然不满足要求。而本次改进设计采用的s 7 - 3 1 5 - 2 d p ，其单指令扫描周期为1 0l ls 级、整个扫描周期被缩短为7 - 8 m s ，这样就满足了积分计算的要求。( 3 ) 对拼接纸圈的控制策略改造之前，纤维滤棒成型机执行的是降低运行再进行换纸拼接。这种降速接纸方式对实际生产是不利的：每次降速都会造成车速的大幅度变化，影响了滤棒的质量。为了消除这种影响，本文提出了不降速拼接的设计方法。不降速拼接和降速拼接并没有本质的区别：两者采用的接纸动作一样，两者只是在机械结构和电气控制元件上有区别。接纸速度的提高势必使纸圈的静摩擦力同等上升。如果转速斜坡率过高会产生很大的静摩擦力，该力会撕裂纸圈。如果转速斜坡率过低，拼接时的纸圈浪费量将增加。为避免烦琐，放弃了变频器对接纸电机转速的分段控制。为求出静摩擦力和纸圈长度两者之间的最优控制，本文对接纸电机上升时间采取最优筛选法。通过最优筛选法得到的电机上升时间大约为3 4 s 。考虑到生产情况及电磁阀等器件的时滞效应，将这一时间进一步放宽为3 5 s 。3 3 程序设计程序设计采用了结构化设计，将所需实现的各主要功能编制成为$ 7 - 3 0 0 中的用户功能块( f c 块) ，在主程序循环模块( 组织块o b l ) 中调用这些已经编制好的子程序。程序设计分成硬件设计和软件设计两方面。在硬件方面针对系统要求进行设计，在软件方面则按需要编制了速度计算模块、报警和故障模块、伺服电机执行模块、增塑剂执行模块、生产统计计算模块等f c 块和预设、保持系统及生产数据的数据块d b 块。3 3 1 硬件设计与组态本系统在$ 7 - 3 0 0 的硬件方面采用了l 块p s 3 0 75 a 电源模块，1 块c p u 一3 1 5 2 d p ，4 块2 4 v o vs m 3 2 1 数字量输入模块，3 块2 4 v 0 5 as m 3 2 2 数字量输出模块，1 块f m 3 5 2 2 高速计数模块，2 块s m 3 3 1 模拟量输入模块，1 块s m 3 3 2模拟量输出模块以及用于d p 总线通讯的i m l 5 3 1 通讯模块1 块。s 7 3 0 0 外围设备为伺服电机的d p 通讯端。对上述硬件按要求进行组态，分别占据p r o f i b u s d p 通讯端的2 、3 7 和9号站，具体硬件组态如3 3 硬件组态图所示。3 3 2 现场总线p r o f i b u s 应用1 ) 概述p r o f i b u s 是目前国际上通用的现场总线标准之一，它以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已被纳入现场总线的国际标准i e c 6 11 5 8 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ，并于2 0 0 1 年被定为我国的国家标准j b t 1 0 3 0 8 3 - 2 0 0 1p r o f i b u s 是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可以通过同样的接口交换信息。p r o f i b u s 用于分布式i o 设备、传动装置、p l c 和基于p c 的自动化系统。2 ) p r o f i b u s 的组成p r o f i b u s 由3 部分组成，即p r o f i b u s d p ( 分布式外围设备) ，p r o f i b u s - p a( 过程自动化) 和p r o f i b u s - f m s ( 现场总线报文规范) 。p r o f i b u s f m s ：p r o f i b u s - f m s 主要用于系统级和车间级的不同供应商的自动化系统之间传输数据，处理单元级( p l c 和p c ) 的多主站数据通讯，为解决复杂的通讯任务提供了很大的灵活性。p r o f i b u s d p ：1 4p r 0j ? i i i u s d p 用于自动化系统中单元级控制设备与分布式1 o 的通讯可以取代42 0 m a 模拟信弓传输。p r o ：i b e sd p 使h | 第1 层、第2 层和_ f j 户接l i 层，第37 层未使用，这种简 占的结构确保r 商速数据传输。p r o i - i b u s d i ，特别适合于p l c 与现场分布式i o 设备之问的通信。土站之间的通信为令牌方式，主战与从站之间为_ 丰从方式，以及这两种方式的混台。p r o f i b u sp a ：p r o fr b u sp a 用于过程自动化现场传感器和执行器的低速数据传输。3 ) 硬件组态到堕l 墨二_ 里酗剑堕幽劐劐鱼里| 型塑j剑!叫啪“-瘟_ 嗽1：3sb 铡33 m 1 | _ l 态、邑【q333 软件设计由于编制的_ i 户功能模块很多，限于篇幅，在这里不能一做m 介绍。以下介绍几个比较重要的用户功能模块。数据块组( g r o u p 。fd al ab 1 0 c