李卫国
河南中烟工业有限责任公司黄金叶生产制造中心 河南郑州450000
摘要：烟支重量控制系统是卷烟机的重要控制系统之一，其主要任务是对在线烟支重量进行检测，在采样数据并进行处理后，通过控制执行机构来改变烟丝的消减量，以实现烟支的重量调节和剔除缺陷烟支;因此，其控制性能的优劣直接影响到烟支的成品率和原材料的消耗量。基于此，本文主要对卷烟机烟支重量控制系统进行分析探讨。
关键词：卷烟机；烟支重量；控制系统
1前言
烟支在生产过程中,由于多种因素的影响,吸附在吸丝带上的烟丝往往堆积不均匀,出现高低不平的凸凹状,这样的烟丝束如果直接进入烟枪进行卷制,成品烟就会出现重量偏差,烟丝填充不均匀,造成竹节烟,直接影响烟支质量。为解决这一问题,卷烟机中设置了烟支重量控制装置,通过平准器的动作达到控制烟支重量的目的。本研究拟在烟支重量控制系统中引入微波检测技术，充分利用不同烟支之间密度和水分含量差异容易引起检测腔体中微波电磁场能量参数变化的特点，建立烟支密度和含水率与微波电磁场能量参数之间的数学关系，计算获得待检测烟支的密度和含水率等参数值。最终实现对烟支重量的有效控制，并提高烟支的品质。
2总体结构
烟支平均重量控制系统由微波测量单元、削减盘电机、削减盘位移传感器、下位单片机、上位工作站、相位电机、相位传感器、刀头测速装置及编码器等组件构成。其结构框图见图１。
.png)
图１ 烟支平均重量控制系统总体结构框图
其中系统采用的１１０ＶＡＣ，＋２４ＶＤＣ及＋１５ＶＤＣ电源通过接嘴器引入，而对于削减盘电机部分的１１Ｖ０ＣＡ电源，则采用卷烟机的单独供电单元进行供电。此外，系统的平均重量控制系统的使能信号采用原机滤嘴离合器信号。在系统运行过程中，当烟支以小于设定检测速度运行时，系统将仅启动重量控制及显示单元，当烟支运行速度大于或等于设定参数值时系统的重量及平准器控制单元才启动工作。当烟支以高速通过检测腔时，密度测量探头将实时检测烟支的密度信息，并连续发送给计算单元及控制单元，实时计算该烟支的重量及密度。
在实际使用过程中，由于上述控制系统中的平准器控制单元不可避免地存在一定控制延迟及控制误差。因此，在控制过程中，选择一定数量的烟支，通过检测烟支重量的平均值完成对单个烟支重量的控制，即通过计算单元获得检测过的烟支平均值信息值，然后将该信息值反馈给重量控制单元，重量控制单元根据该测量信息值与系统对单个烟支重量的设定值建立误差控制方程，结算出平准器需要移动的位置信息，反馈给平准器控制单元，最后通过平准器控制电机实现烟支重量的有效控制。
因此，在启动烟支重量控制系统前，需要对其参数进行标定，确定单个烟支理想重量值。一般在标定过程中，通过系统人机交互界面设定和调整平准器与位置传感器的电压值，最终使得二者之间形成平衡。如此即可保证平准器标定位置为最佳重量计算位置。在测量过程中，系统将根据实际测量值对设定参数值进行适当修正，从而最大程度地提高系统的控制精准性。
采用微波对烟支密度进行检测，系统是通过烟支密度测量信号的电压信息或频率信息与实际密度进行比较，建立二者之间的数学关系。在系统实际运行过程中，由于理论重量与实测值之间在一定程度上存在线性关系，因此，通过标定二者的截距和斜率等参数，即可获得实际烟支的密度信息。在烟支理论重量标定时，一般以目标额定重量值为基准值，通过轻烟和重量再对该值的斜率进行重标定，或根据随机样本的测量，计算获得标准差与理论计算标准差，再根据二者的比例情况，对斜率进行重标定，如此当获得的烟支重量在系统可接受误差范围内时可有效反馈烟支的密度信息。
此外，在微波检测过程中不可避免存在信号噪声，这对系统的密度测量与重量测量均存在一定的误差。为了最大程度减小该测量误差，系统在运行前需首先对烟支的切割位置与探测头检测烟支的起始位置进行标校，确保烟支重量测量与计算出的烟支切割位置不存在错位等情况。在烟支重量控制过程中，由于卷烟机的凹形劈刀的旋转动作产生紧头。为有效实现对烟支同步跟踪，实现烟支的等相位、等分双长控制，系统需实时检测烟支的紧头位置，同时，加装刀头测速装置及旋转编码器。本系统中采用机械同步操作来有效实现对紧头的位置控制。
3基于微波的烟支重量控制分析
在烟支重量控制系统中，基于微波的烟支密度及含水率信息的检测是系统运行的核心，在电磁场中检测的电磁波谐振频率值实部表示其谐振角频率信息，其谐振频率值虚部则表示谐振曲线的半功率宽度值。因而，在检测过程中可通过传感器对电磁波在自由震荡过程中的衰落时间以及强迫震荡时的反射、传输及其反应频率响应特性等参数的检测，计算获得电磁波的外特性参数信息。在不同的检测环境条件下，可采用调节电磁波激励源的振荡频率值，使得检测金属腔中激励源信号与电磁波之间形成谐振，再通过检测激励源信号即可获取所需检测对象的物理特性值，如对象的温度、湿度、密度等参数。
在烟支重量控制系统中，系统测量单元主要包括检测烟支的金属腔体、微波信号发生器、微波信号检测单元、信号输出单元、数据采集与处理单元及祸合器。在烟支重量控制过程中，调节外部微波激励源信号，当该激励源信号与谐振腔的谐振频率一致时，金属腔将存于电磁谐振状态。在调节微波激励源信号过程中，金属腔中谐振频率信号幅度值将随调节的频度不断变化，当微波激励源信号能量与腔体损耗能量形成平衡时，再将待检测的试验烟支样品置于金属腔中。此时，试验烟支样品将作为金属腔的一部分，通过传感器采集此时金属腔中电磁波的谐振频率和半功率带宽变化量，即ΔＷ与ΔＱ；通过介质微扰法建立介质密度与湿度函数关系，即可获得试验烟支样品的密度与湿度参数值。
由于不同试验烟支样品的密度及含水量不同，当该烟支样品通过谐振腔时，微波探测头将向金属腔发射微波信号，此时，微波电磁场中谐振参数与幅度参数均发生明显变化，检测该参数变化量，并通过分析与处理，即可获得烟支样品的密度及重量信息。然后，系统将该计算值反馈给烟支重量计算单元，采用平均值控制法实现烟支重量控制系统的有效控制。
4验证实验结果与分析
为了有效验证本研究中基于微波的某型烟支重量控制系统的控制精确性及性能可靠性，试验选择１台传统的基于核扫描探头的烟机与安装有本研究设计的微波烟支重量控制系统的烟机进行对比试验。在试验过程中，由于单只烟支重量控制存在一定的随机测量误差，因而实际测量值较难与理论计算值等同。为了有效验证本研究设计系统的性能，选择５０支试验烟支样品为首批测量组，通过对该组烟支的测量，计算出烟支平均值，再通过该平均值实现对１００支烟的重量控制。具体测量结果见表１。
表１ 试验样机与传统核扫描卷烟机控制系统部分试验结果对比
.png)
由表１可知，基于微波探测头的烟支的标准测量误差介于６～７ｍｇ，其平均值为６．２４ｍｇ，而基于传统核探测头的烟机重量控制系统其测量标准差为７．０～８．５ｍｇ，其平均值为７．６８ｍｇ，因此，基于本研究设计的微波烟支重量控制系统，其控制平均值的效果明显优于传统烟机。
通过反复试验可以发现，虽然传统烟机重量控制系统在测试初期其标准误差仅５～６ｍｇ，但随着运行时间的不断增加，该标准误差值也将不断增加，最大可达１０ｍｇ，此时，该系统核探测头将需要进行标校调整或直接进行报废处理。而基于微波的烟支重量控制系统，在经过出事时刻的标校后，系统测量标准误差值始终控制在８ｍｇ以下，可有效满足系统的使用需求。
相对于传统基于核探测头的烟支重量控制系统，基于微波探测头的烟支重量控制系统的控制精准度更高，系统性能更可靠，且在运行过程中不会对环境和操作人员造成潜在威胁，运用前景更好。
参考文献：
［1］许录平，李沃恒，张华．基于微波源的烟条重量控制方法及装置［P］．中国:201110226377．5，2011－12－21．
［2］郭锐，吴小娥，杨旭．极速控制技术在烟支重量控制及质量检测系统中的应用［J］．自动化仪表，2016，37(2):30－32．