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蔡涵康，周 辰，翟 青
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之一。它所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。近年來，隨著卷煙生產技術的不斷發展，特別是卷煙生產自動化水平和生產管理信息化水平的不斷提高，各煙廠對濾棒質量和濾棒生產設備的性能提出了更新、更高、更嚴格的要求。
2 技術改造
2.1 技術改造方案的提出
按照工藝要求，制造濾棒的原料-纖維絲束在成型以前必須經開松輥開松，并按照質量要求添加增塑劑。機組原型如圖1所示：輥輪A為前張緊輥，輥輪B為后張緊輥。運行時，這組輥輪會產生相對速度差，從而產生不同的張緊效果。機組借此對輸入絲束進行張緊處理，調節它們之間的速比可以生產出不同要求的濾棒。輥輪C為輸出輥，主要用于提供絲束前進的動力；輥輪D為一組變速箱，用于噴灑增塑劑，調節其速比，可以控制單位長度內濾棒內增塑劑的含量。在原先的機組中，這些動作由主電機帶動齒輪組件來實現傳動，依靠無級變速箱進行調速。這套機械傳動存在一定的不足，例如：無級變速箱存在漏油問題，機械傳動系統在工作過程中產生的噪音和震動較大，溫度較高，機械傳動件長期工作易磨損等。
針對上述問題，筆者設計采用伺服系統代替原有機械傳動的方案，用伺服電機直接帶動輥子和增塑劑噴灑裝置, 變原有的鏈傳動和無級變速箱為伺服電子軸和電子齒輪。
2.2 技術改造的硬件部分
本伺服系統的硬件部分選用德國倫茨（Lenze）公司的9300系列交流伺服系統，包括：
(1) 五臺伺服電機 一臺電機取代原來的主電機。三臺電機作為從動電機，分別帶動兩個開松輥和一個輸送輥，依靠電子齒輪與主機實現同步聯動。一臺配備減速機帶動增塑劑泵，其轉速與主機有嚴格比例關系。
(2) 五個伺服控制器 分別對應控制五臺電機。
(3) 一個制動斬波器 對電壓進行斬波處理，實現電機制動控制。
(4) 兩個制動電阻 用于消耗制動過程中產生的能量。
(5) 五個濾波器 用于消除電機輸入電壓的高次諧波，去除電磁干擾，起穩定電壓效果。
(6) PROFIBUS-DP總線及通訊端口一套 用于伺服控制器和上位PLC間的通訊。
(7) 主電機與從動電機的速度同步采用Lenze公司9300交流伺服控制器特有的數頻級聯控制（如圖2所示），速度比例可通過比例系數來調節，簡單可靠，又不會增加PLC的編程量。
2.3 技術改造的軟件部分
本伺服系統采用Lenze公司的Global Drive Control(GDC)控制軟件，通過CAN-BUS總線，對伺服控制器進行讀寫操作，并完成各項參數的設定以及功能塊的連接，同時還可以進行現場監控，使操作者隨時了解電機當前的運轉狀況。
3 信號控制流程
本系統依靠PROFIBUS-DP總線完成伺服控制器之間以及伺服控制器與上位PLC之間的通訊。PLC與伺服控制器之間通過參數通道和過程通道相互傳遞數據信息。參數通道的特點是可以傳送64位的長數據，但其傳送速度比較低，一般在10ms級；而過程通道傳送速度比較快，其速度一般在1ms級，但是只能傳輸16位的數據。
(1) 主電機的信號流程如圖3所示，由于主電機的車速信號需要經常改變，對其傳輸速度有要求，所以該信號由PLC過程通道給出。
該信號由DP總線傳入控制器后，經過一個可定義的斜坡環節，如果輸入速度信號不變，則該函數不起作用；一旦速度信號發生改變，則原速度信號按照這個斜坡爬升或下降到給定轉速，本系統主電機的上下坡時間由PLC給出。由于時間信號比較大，而且是直接寫到控制器的內部參數中，所以該信號通過參數通道傳送。
如果機組在運行中發生故障，PLC收到故障信號，通過過程通道發送急停命令，要求伺服電機緊急停車。由于發生了故障，為了避免損失要求機組能夠以最快的速度停車，PLC原來給出的下坡時間可能過大，所以控制器將選擇較小的下坡時間來停車。當急停信號給出的同時，速度信號將通過選通輸入另一個斜坡（選通信號也由PLC給出），這個斜坡的下降時間是事先設定的0.5秒，專門用于停車。
速度信號經過斜坡函數后，經過反相、上升、限幅等環節的處理后，得到比較穩定準確的信號，然后該信號進入速度控制環節。為了得到較好的調速效果，本伺服系統采用旋轉變壓器的反饋方式進行速度控制。旋轉變壓器信號反饋至控制器后，經過增益等處理后，轉變為轉速信號，這時該信號描述的是當前實際轉速。筆者將它與給定速度信號形成負反饋進行比較，產生的差值經過處理形成加速度信號傳送到下個環節。如果兩者之間差值為零，則說明當前轉速與給定值相同，于是電機輸出轉矩等于當前負載力矩，速度保持不變。如果兩者產生正差值，則說明實際轉速小于給定轉速，控制器將差值轉換為加速度信號，使電機產生正向大于負載力矩的轉矩，使電機逐漸加速，同時繼續比較給定值和實際值之間的差值，直到兩者相等（兩者差值為負，情況相同）。
然后，將信號值送到PWM環節中，由控制器調節施加在電機上的電壓頻率值來達到調速的目的。同時讀取旋轉變壓器的信號，經過轉換后通過過程通道傳回給PLC。
(2) 從動電機的信號流程如圖3所示，主電機的給定速度信號通過Lenze的雙絞式屏蔽電纜（數頻線）差分傳送到從動電機的控制器中。該電纜傳送數據有如下特點：9針D型插座，輸出頻率0～500kHz，每路電流負載最大20mA，具有極性相反的5V雙路信號及零位信號。
隨后該信號進入一個比例計算環節，在該環節中，伺服控制器把該信號乘以速比因子，得出從動電機的轉速。從動電機的轉速也需要經常調節，所以筆者依靠調節該比例因子來改變轉速。該比例因子的分母為事先設定的10 000，而分子由上位PLC利用過程通道給出。
根據伺服控制器的功能，電機控制過程中可以選擇不同的控制環節來達到不同的工藝要求，如：速度控制環，相位控制環，轉矩控制環等。通常伺服系統中都會應用到速度控制環，該環節就是前面提到的利用速度的實際值與給定值做比較，得出的差值做反饋補償。如圖4所示，圖中1為給定轉速信號，2為使用速度控制的實際轉速信號，這種控制能夠使實際速度較穩定的在給定值附近漂移，由于這類波動是非常微小的，所以認為速度控制環節能夠使電機達到給定轉速。
考慮到工藝要求，筆者發現僅僅使用速度控制環節是不能達到精確同步的。雖然速度環節能夠使電機按給定值旋轉，但是將速度信號經過積分后，發現電機轉過的相位與給定值的差隨時間逐漸增大。這樣會導致開松輥走過的位移逐漸大于機組位移，生產出開松程度不均勻的濾棒。于是筆者考慮在使用速度環的同時，加入相位控制環節，將實際相位與給定值比較后得出差值來反饋。
然后將信號值送到PWM環節中，由伺服控制器調節施加在電機上的電壓值來達到調速的目的。同時讀取旋轉變壓器的信號，經過轉換后通過過程通道傳回給PLC。同時使用了速度控制和相位控制后，電機的速度和位移能夠時刻跟隨給定值，由此可以達到工藝要求。
4 剔除量的計算
盤紙是指生產濾棒的原材料之一的紙帶。它是以盤卷的形式安裝到機組相應進料口，由于紙帶被卷成盤裝，所以被稱之為盤紙或紙圈。
接紙是指在濾棒的生產過程中，要對兩卷的盤紙進行相互之間的拼接。當一卷使用中的盤紙直徑縮小到250mm時，機組會提示人員安裝新紙圈并將原紙圈旋轉到拼接位置。當舊紙圈再次縮小到拼接直徑時，加速系統開始繞轉新紙圈，使其達到與設定速度一樣的速度。當新、舊紙圈繞轉速度相同時，接紙部件動作，將新紙圈拼接到舊紙圈上。
按照工藝要求，新舊紙帶交接處的濾棒為不合格濾棒，應該于剔除口剔除，為了確保剔除成功，機組將與拼接處前后剔除6支濾棒，而從拼接口前3支處到剔除口有一定的位移（現定為31支），為了提高計算精度，本次設計依靠Lenze伺服系統內部的運算功能直接計算剔除的位移和剔除量。
其具體算法如圖5所示，PHI1功能塊是一個可定義的積分器，將輸入端IN的速度信號積分后轉化為位移信號輸出，RESET置1則輸出端清零，當PLC接收到接紙信號，通過過程通道發送位控信號1到RESET處，于是輸出端開始計算位移。而PHICMP1將實際位移和預設位移（就是剔除口到拼接口前3支位移）做比較，當輸入值大于設定值，則輸出1到FLIP模塊CLK口。再由FLIP送1到PLC，PLC接收此信號后開始剔除動作。而另外設定一路相同的流程，將實際位移和預設位移（就是剔除位移加剔除口到拼接口前3支位移）比較，當前者大于后者，送1到FLIP的CLR，再由FLIP送0到PLC，PLC接收此信號后結束剔除動作。
5 機組運轉
在完成了所有裝配工作后，進行了機組空車試運轉。在去除原來繁雜的機械部件后，車面變得簡潔寬敞、運轉過程中噪音和震動大大降低、機組的平穩性有了大大的改善、電機能夠嚴格按照工藝要求運轉。在調速過程中，伺服電機能夠很快的響應上位信號做出相應動作，較硬的機械特性和平滑柔順的變速大大提高了機組的性能。在收到故障停車信號后，電機在帶負載情況下能夠按要求短時間停車，不僅很大程度減少了原材料的浪費，而且大大提高了安全性。接紙拼接后的剔除位移計算相當精準，能夠確保廢濾棒被剔除。
6 結語
從調試結果看，本次設計是比較成功的。伺服系統的應用保留了原先機組的優點，改進了其不足之處，提高了機組的性能。本次改進后的機組不僅可以作為新產品打開市場，也為以后的同類機組升級改造打下了基礎，提供參考。
本機組上還有些電機和機械動作直接依靠PLC控制，希望不久的將來能夠將此類部件納入伺服系統的控制中，使整個機組達到高度同步運轉，以便更好的提高機組性能。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號