PROTOS M5卷接機組MAX接裝機上膠系統(tǒng)的改進

王啟兵，蔣景強，王己鋒，高壽泉，張小杭，黃建龍

龍巖煙草工業(yè)有限責任公司，福建省龍巖市新羅區(qū)1299號 364000

PROTOS M5卷接機組是由德國HAUNI公司研制開發(fā)的新一代高速卷接設備，生產(chǎn)能力為12 000支/min，具有效率高、適應性強、易操作等特點。該設備的電氣控制系統(tǒng)以德國倍福自動化有限公司生產(chǎn)的嵌入式CX1020 IPC為控制核心，利用工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術(shù)，構(gòu)造了一個完整、快速、穩(wěn)定的控制網(wǎng)絡［1-2]。其中，MAX接裝機的接裝紙上膠系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)子噴膠方式，PLC根據(jù)車速與設定的膠水壓力曲線，通過控制膠水壓力調(diào)節(jié)器來調(diào)整上膠量大小，并在接裝紙上形成符合工藝要求的膠水圖，有效提升了上膠穩(wěn)定性和控制精度［3]。但生產(chǎn)中當卷接機組停機后，上膠分配器的出膠口容易產(chǎn)生溢膠或膠水回縮現(xiàn)象，進而導致上膠系統(tǒng)發(fā)生故障。近年來為增加控制功能，通過在M5機組上外掛系統(tǒng)對其進行了較多改進。其中，蔡培良等［4]通過加裝西門子S7-200PLC可編程控制器，設計了一套殘煙自動回收分類裝置，實現(xiàn)了殘煙支、跑條煙絲、煙末的自動分類回收；孫斌等［5]針對國產(chǎn)主流高速卷接機組普遍采用的膠輥涂膠方式，設計了一種新型接裝紙上膠裝置，解決了噴涂膠水量控制精度低等問題；程衛(wèi)民等［6]采用XP-E08-T控制器控制高速電磁閥技術(shù)設計了一套接裝紙噴膠系統(tǒng)，解決了ZJ116A卷接機組雙輥上膠裝置中存在的膠水污染煙支、涂膠不均勻等問題。而對于MAX接裝機轉(zhuǎn)子噴膠上膠方式的研究報道則較少。針對此問題，德國HAUNI公司在后期高速機組制造過程中將上膠系統(tǒng)的噴嘴頭工位從11點改為2點，減少了上膠故障的發(fā)生，但前期生產(chǎn)的高速機組通過該方法進行改進，則技術(shù)復雜、改進費用高。M5機組所采用的倍?？刂破骶哂?個獨立運行的Run-Time System實時核，在各實時核中可編寫不同的程序同時進行運行和控制［7]，而M5機組只啟用了一個Run-Time System。為此，基于倍福的實時多核系統(tǒng)對MAX接裝機上膠系統(tǒng)進行了改進，以期提高卷接設備運行效率。

1 存在問題

MAX上膠系統(tǒng)主要由膠水箱（1）、膠水泵（2）、換向閥（3）、過濾器（4）、球形截止閥（5）、壓力傳感器（6）、比例輸入閥（12）、膠水壓力調(diào)節(jié)器（7）和快速連接器（8）等部分組成［2]，見圖1。膠水經(jīng)過膠水泵從膠水箱泵出，經(jīng)過換向閥、過濾器等元件分成前、中、后3條支路，再經(jīng)過膠水壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)壓力大小后進入轉(zhuǎn)子（9）中對應的3個膠區(qū)，并通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在接裝紙（11）上形成前、中、后3條符合工藝要求的膠水圖。模擬量電壓驅(qū)動比例輸入閥Y14M、Y24M、Y34M（12），根據(jù)生產(chǎn)速度與設定的膠水壓力曲線參數(shù)，分別通過膠水壓力調(diào)節(jié)器控制3條上膠管路的壓力。當卷接機組停機時，程序關閉比例輸入閥Y14M、Y24M、Y34M的信號，膠水壓力調(diào)節(jié)器處于初始壓力狀態(tài)，同時轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至關閉位置，轉(zhuǎn)子上的擋板堵住分配器（10）的出膠口，并將出膠口旋轉(zhuǎn)浸泡在水槽中，對出膠口進行清潔。轉(zhuǎn)子的關閉位置與膠水壓力調(diào)節(jié)器的初始壓力相互配合，確保在停機狀態(tài)下，出膠口的膠水處于平衡狀態(tài)。

在停機狀態(tài)下，由于轉(zhuǎn)子擋板與出膠口之間存在間隙，轉(zhuǎn)子擋板無法完全堵住出膠口，當膠水壓力調(diào)節(jié)器的初始壓力設置偏大時，容易產(chǎn)生出膠口溢膠現(xiàn)象，污染清潔用水，引起清潔水管道積膠，造成水位檢測器誤檢停機；當膠水壓力調(diào)節(jié)器的初始壓力設置偏小時，上膠管路中的膠水回縮，清水被吸入出膠口，在卷接機組啟動時接裝紙被清水浸濕，導致接裝紙斷裂。隨著設備運行時間的增加，該間隙也逐漸增大，生產(chǎn)中只能通過更換轉(zhuǎn)子來減小間隙，并手動調(diào)節(jié)膠水壓力調(diào)節(jié)器的初始壓力以盡量使膠水處于平衡狀態(tài)，而這種狀態(tài)難以長時間維持，由此導致上膠故障停機現(xiàn)象頻發(fā)。

2 改進方法

根據(jù)MAX上膠系統(tǒng)工作原理，解決該問題主要有兩種方法：一是直接增加單向閥，二是增加氣控直流式截止閥。第一種方法由膠水壓力與單向閥彈簧來控制膠水的通斷，操作簡單，但在實驗運行中存在不足。由于MAX上膠系統(tǒng)的車速與膠水壓力之間存在線性關系，車速0～12 000支/min對應的膠水壓力為0.06～0.15 MPa。普通單向閥采用的彈簧剛度較小，閥的正向開啟壓力僅為0.03～0.05 MPa，而膠水具有一定的黏度，且壓力調(diào)節(jié)器預設有初始壓力，以保持出膠口處的膠水處于平衡狀態(tài)，因此當M5機組停機時容易造成單向閥關閉滯后或無法關閉；如果采用剛度較大的彈簧，使其開啟壓力達到0.2～0.6 MPa，而額定車速下膠水工作壓力為0.12～0.15 MPa，當M5機組啟動時則容易造成單向閥開啟滯后。選用不同規(guī)格單向閥進行實驗，發(fā)現(xiàn)在不同車速下，打開與關閉單向閥均存在一定滯后，無法解決MAX上膠系統(tǒng)存在的問題。

氣控直流式截止閥具有通斷工作行程小、啟閉時間短、對流體阻力小等特性，多應用于黏度較大的流體工作環(huán)境［8]。通過對MAX上膠系統(tǒng)控制原理進行分析，可以采用MAX閥島的備用電磁閥來驅(qū)動氣控直流式截止閥的通斷。當上膠系統(tǒng)運行時，快速打開氣控直流式截止閥，保證膠水供給及時順暢；當上膠系統(tǒng)停止時，迅速關閉氣控直流式截止閥，切斷膠水回路壓力，防止膠水回縮或溢出。但采用該方法需要獲取M5機組比例輸入閥Y14M、Y24M、Y34M的信號，并根據(jù)該信號同步控制氣控直流式截止閥的開啟或關閉。當有比例輸入閥開啟信號時，驅(qū)動氣控直流式截止閥同步打開；當比例輸入閥信號消失時，立即關閉氣控直流式截止閥，進而實現(xiàn)氣控直流式截止閥與上膠系統(tǒng)同步動作。

由于M5機組引進時未包含源程序，無法對MAX倍福控制程序進行讀取與修改，且比例輸入閥屬于模擬量控制類型［9]，其控制信號也無法被外部直接使用。此外，原機程序中對總線上閥島的控制采用字節(jié)傳送方式，該方式占用了整個控制字節(jié)，無法單獨控制閥島上的備用電磁閥。因此，基于倍福的實時多核系統(tǒng)，通過編寫控制程序、修改外部變量鏈接等方法，完成比例輸入閥信號的讀取和閥島上備用電磁閥的單獨控制，實現(xiàn)氣控直流式截止閥與上膠系統(tǒng)同步工作，解決膠水回縮或溢出問題。

2.1 技術(shù)原理

倍?？刂破鞯膶崟r多核系統(tǒng)包括IO服務器、PLC服務器（即Run-Time System）和NC服務器等，每個實時核之間通過ADS（Automation Device Specification）通信，每個倍?？刂破骺梢蕴摂M出4個Run-Time System。4個Run-Time System均可以獨立運行，但只有1個IO服務器，因此4個Run-Time System通過現(xiàn)場總線共享輸入輸出點位。而各實時核程序中定義的輸入輸出外部變量可以通過TwinCAT System Manager組態(tài)軟件相連接，實現(xiàn)Run-Time System之間的通信［7]，同時使用鏈接的方法與硬件上的輸入輸出模塊進行映射關聯(lián)，進而實現(xiàn)輸入模塊信號讀取和輸出模塊驅(qū)動控制，見圖2。

雖然無法對MAX控制程序進行讀取與修改，但是通過TwinCAT System Manager組態(tài)軟件，可以獲取程序中的輸入輸出外部變量，并對輸入輸出外部變量與硬件上的輸入輸出模塊之間的關聯(lián)關系進行修改。由于MAX控制程序只在Run-Time System 1中運行，其他3個實時核均未被使用，故改進后利用空置的實時核編寫邏輯控制程序，通過改變相關外部變量與輸入輸出模塊的鏈接方法，增加系統(tǒng)控制功能。

2.2 編寫控制程序

打開TwinCAT PLC Control程序開發(fā)環(huán)境，在MAX倍福控制器的Run-Time System 2中編寫新增程序［10-11]，見圖3。程序中定義UINT類型的輸入外部變量Y14M、Y24M、Y34M，分別用于接收Run-Time System 1程序中控制3個比例輸入閥的輸出外部變量Q_w_A140M_A5_Y14M、Q_w_A140M_A5_Y24M、Q_w_A140M_A6_Y34M的數(shù)值；定義字節(jié)型輸入外部變量A132M_A4_i，用于接收原機程序中控制閥島A132M-A4動作的輸出外部變量A132M_A4的數(shù)值；定義字節(jié)型輸出外部變量A132M_A4_o，用于最終控制閥島A132M-A4的動作。

改進后上膠系統(tǒng)控制邏輯（圖4）為：當3個比例輸入閥的控制信號Y14M、Y24M、Y34M數(shù)值相加大于0時，認為MAX開啟涂膠，此時將變量A132M_A4_i的第4位賦值為1；若數(shù)值相加等于0，則將變量A132M_A4_i的第4位賦值為0。然后將該字節(jié)傳送給輸出外部變量A132M_A4_o，其中第4位對應的是閥島所用的備用電磁閥的控制信號。當信號為1時，打開備用電磁閥；當信號為0時，備用電磁閥關閉，由此實現(xiàn)了備用電磁閥與上膠系統(tǒng)動作同步。由于變量A132M_A4_i接收到的是原機程序中控制閥島A132M-A4動作的輸出外部變量A132M_A4的數(shù)值，通過新增程序改變該字節(jié)型數(shù)值的第4位狀態(tài)后，重新利用輸出外部變量A132M_A4_o的輸出信號控制閥島動作，實現(xiàn)了對閥島上單個電磁閥的控制。

2.3 輸入輸出外部變量的鏈接

控制程序編寫完成后，打開TwinCAT System Manager組態(tài)軟件，對相關輸入輸出外部變量與硬件模塊進行鏈接。首先，原機Run-Time System 1程序中的輸出外部變量Q_w_A140M_A5_Y14M、Q_w_A140M_A5_Y24M、Q_w_A140M_A6_Y34M與硬件輸出模塊A140M-A5與A140M-A6關聯(lián)，分別用于驅(qū)動比例輸入閥Y14M、Y24M、Y34M。為了獲取這3個變量數(shù)值，在組態(tài)軟件中將其分別與Run-Time System 2新增程序中的輸入外部變量Y14M、Y24M和Y34M進行鏈接，新增程序即可獲取MAX比例輸入閥的模擬量控制數(shù)值，見圖5。

其次，斷開原機程序中輸出外部變量A132M_A4與閥島A132M-A4的鏈接，并將閥島A132M-A4與Run-Time System 2新增程序中的輸入外部變量A132M_A4_i關聯(lián)鏈接，新增程序即可獲取原機程序中控制閥島A132M-A4的字節(jié)型變量數(shù)值，見圖6。最后，將Run-Time System 2新增程序中的輸出外部變量A132M_A4_o與閥島A132M-A4鏈接，新增程序即可獲取原機程序中控制閥島A132M-A4的字節(jié)型變量數(shù)值，通過新增程序控制其第4位狀態(tài)后，重新輸出信號以控制閥島A132M-A4工作，在不改變原機功能的情況下，最終實現(xiàn)閥島備用電磁閥驅(qū)動氣控直流式截止閥與上膠系統(tǒng)的同步動作。

3 應用效果

3.1 實驗設計

材料：“七匹狼（紅狼）”牌卷煙煙絲（龍巖煙草工業(yè)有限責任公司）；濾棒長度108 mm，圓周24.10 mm，吸阻2 750 Pa（龍巖煙草工業(yè)有限責任公司）；卷煙紙定量26.5 g/m2，寬度53 mm，長度5 000 m（牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司）；接裝紙定量36.0 g/m2，寬度64 mm，長度2 500 m（福建省石獅市富興包裝材料有限公司）；T5051S和潤接裝膠和S3033和潤搭口膠（20 kg/桶，北京長潤化工有限公司）。

設備：PROTOS M5卷接機組（德國HAUNI公司）。

方法：PROTOS M5卷接機組以正常生產(chǎn)速度運行，按每天甲乙丙3班次，每天18 h，5個工作日計算，對改進前后MAX接裝機因出膠口溢膠或膠水回縮導致的故障停機次數(shù)進行統(tǒng)計，取平均值；依據(jù)龍巖煙草工業(yè)有限責任公司卷包成品質(zhì)量指數(shù)表征方法［12]，對煙支質(zhì)量QI（Quality Index）得分進行統(tǒng)計，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1和表2可見，改進后MAX接裝機能夠滿足氣控直流式截止閥與上膠系統(tǒng)同步動作，有效解決了機組停機時出膠口溢膠或膠水回縮問題，上膠故障次數(shù)由7.5次/班次降低到0.2次/班次，減少了維保工作量，提高了設備運行效率；改進后機組運行穩(wěn)定，煙支質(zhì)量QI得分由95.46分提升到95.90分。

表1 改進前后MAX接裝機上膠系統(tǒng)故障次數(shù)①Tab.1 Frequency of gluing failures of glue application system in MAX filter assemble before and after modification （次·班次-1）

表2 改進前后煙支質(zhì)量QI得分Tab.2 QI of cigarettes before and after modification（分）

4 結(jié)論

在不增加外部控制器的情況下，基于倍福的實時多核系統(tǒng)，分別運行原機程序與新增程序，并修改輸入輸出外部變量鏈接的方法，實現(xiàn)了對MAX接裝機閥島上單個電磁閥的控制，滿足了氣控直流式截止閥與上膠系統(tǒng)的同步動作，有效解決了機組停機時出膠口溢膠或膠水回縮問題。以PROTOS M5卷接機組生產(chǎn)的“七匹狼（紅狼）”牌卷煙為對象進行測試，結(jié)果表明：改進后MAX上膠系統(tǒng)故障次數(shù)由7.5次/班次降低到0.2次/班次，減少97.3%；煙支質(zhì)量QI得分由95.46分提升到95.90分，有效提高了設備運行效率和煙支質(zhì)量。該方法可在PROTOS系列高速卷接機組上推廣應用，為解決同類問題提供借鑒。