YB415型硬盒包裝機(jī)7號(hào)輪加熱器改進(jìn)

摘 要：YB415型硬盒包裝機(jī)是新型國(guó)產(chǎn)中速ZB415硬盒硬條包裝機(jī)組的主機(jī)設(shè)備。在煙廠實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，主機(jī)7號(hào)輪加熱器溫度控制存在設(shè)計(jì)缺陷，容易造成安全隱患與生產(chǎn)質(zhì)量事故。鑒于此，在YB415型硬盒包裝機(jī)7號(hào)輪原始設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，分別從硬件與軟件兩方面進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)新增熱電偶并優(yōu)化PID溫度控制流程，提高7號(hào)輪加熱器的安全性與穩(wěn)定性，并將軟件優(yōu)化運(yùn)用到整個(gè)ZB415包裝機(jī)組，從而提升整機(jī)運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：YB415；煙草包裝機(jī)；7號(hào)輪

中圖分類號(hào)：TS43" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）04-0066-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.016

0" " 引言

在煙草包裝行業(yè)，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化與智能化的重要性日益凸顯[1]。煙草包裝機(jī)械作為整個(gè)煙草產(chǎn)業(yè)鏈上的重要一環(huán)，其性能直接關(guān)乎最終產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率。ZB415硬盒硬條包裝機(jī)組是新型國(guó)產(chǎn)中速機(jī)組，額定運(yùn)行速度為400包/min[2]。整個(gè)包裝機(jī)組可劃分為YB415型硬盒包裝機(jī)、YB515型盒外透明紙包裝機(jī)、YB615型硬條包裝機(jī)和YB915型條外透明紙包裝機(jī)四個(gè)部分。YB415型硬盒包裝機(jī)是ZB415硬盒硬條包裝機(jī)組中的主機(jī)，其功能是將煙支按特定排列例如7-6-7或7-7-6送入模盒，然后包上鋁箔紙、內(nèi)框紙和商標(biāo)紙，形成硬盒煙包，最后輸送至下游機(jī)進(jìn)行盒外透明紙的包裝[3]。

在硬盒煙包包裝過(guò)程中，共有1號(hào)輪至8號(hào)輪八個(gè)包裝輪。7號(hào)輪是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其主要起到將剛包完商標(biāo)紙的煙包內(nèi)部未干涸的膠水烘干的作用。在YB415型硬盒包裝機(jī)原設(shè)計(jì)方案中，7號(hào)輪分為上下兩個(gè)加熱器。由于整個(gè)上部加熱器或下部加熱器所需面積過(guò)大，故單個(gè)加熱器由兩塊扇形加熱板組成，分別由兩個(gè)固態(tài)繼電器控制，溫度由插在其中一塊扇形加熱板內(nèi)部的熱電偶進(jìn)行控制。在日常生產(chǎn)調(diào)試的過(guò)程中，如出現(xiàn)加熱板或熱電偶損壞的情況，容易出現(xiàn)全功率長(zhǎng)時(shí)間加熱，從而對(duì)煙包造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。在某些特定條件下，甚至?xí)霈F(xiàn)7號(hào)輪過(guò)熱導(dǎo)致冒煙著火的情況，存在嚴(yán)重的安全隱患。

本改進(jìn)方案針對(duì)目前YB415型硬盒包裝機(jī)7號(hào)輪加熱器存在的問(wèn)題，分別從硬件層面和軟件層面加以改進(jìn)優(yōu)化，能更好地降低產(chǎn)品發(fā)生質(zhì)量事故的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高包裝機(jī)的運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性。

1" " 問(wèn)題分析

1.1" " 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZB415硬盒硬條包裝機(jī)組是新型國(guó)產(chǎn)中速機(jī)組，其電控系統(tǒng)采用倍福TwinCAT 3作為核心基礎(chǔ)，應(yīng)用EtherCAT總線系統(tǒng)和E-BUS背板協(xié)議將現(xiàn)場(chǎng)I/O端子、安全控制端子、高精度模擬量轉(zhuǎn)換元器件、位置測(cè)量及運(yùn)動(dòng)控制等部件無(wú)縫連接，具有良好的功能擴(kuò)展柔性，滿足歐盟最新CE安全標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)組使用全新設(shè)計(jì)的具有3D模型的HMI人機(jī)界面，可以更直觀顯示故障點(diǎn)。運(yùn)用施耐德伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并標(biāo)配全狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在保持高可靠性的基礎(chǔ)上，同時(shí)具有智能化與自動(dòng)化的特點(diǎn)。

YB415型硬盒包裝機(jī)主要由煙庫(kù)部件、鋁箔紙部件、內(nèi)框紙部件、商標(biāo)紙部件和包裝線部件組成。7號(hào)輪是包裝線部件中的重要組成部分，由上下兩個(gè)扇形加熱器與中間可旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的整體模盒組成，如圖1所示。其中單塊扇形加熱器由兩塊扇形加熱板構(gòu)成。包裝機(jī)運(yùn)行時(shí)，7號(hào)輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)做間歇運(yùn)動(dòng)，煙包在7號(hào)輪模盒內(nèi)側(cè)立，依靠7號(hào)輪間歇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)停頓時(shí)刻上下加熱器合攏對(duì)煙包側(cè)面進(jìn)行加熱，烘干商標(biāo)紙膠水。7號(hào)輪在煙包需要隨內(nèi)部模盒旋轉(zhuǎn)移動(dòng)時(shí)分開(kāi)，煙包在7號(hào)輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)270°后送入8號(hào)輪[4]。

1.2" " 存在問(wèn)題

在YB415型硬盒包裝機(jī)原設(shè)計(jì)方案中，7號(hào)輪上部加熱器由兩塊扇形加熱板組成，只有其中一塊扇形加熱板內(nèi)部插有熱電偶，另一塊加熱板內(nèi)部無(wú)熱電偶，兩塊加熱板靠一根熱電偶控制，由兩個(gè)固態(tài)繼電器并聯(lián)輸出。7號(hào)輪下部加熱器設(shè)計(jì)與上部加熱器相同，同樣是由一根熱電偶控制兩塊扇形加熱板。

這種設(shè)計(jì)在某些情況下會(huì)出現(xiàn)安全與產(chǎn)品質(zhì)量隱患。例如當(dāng)機(jī)器維保過(guò)程中熱電偶被拔出扇形加熱板，或插有熱電偶的扇形加熱板損壞時(shí)，則熱電偶溫度始終無(wú)法達(dá)到設(shè)定溫度，故PLC認(rèn)為此時(shí)7號(hào)輪加熱器實(shí)際溫度與設(shè)定值偏差較大，PLC控制固態(tài)繼電器以全功率輸出，使扇形加熱板在等效于無(wú)控制的條件下持續(xù)加熱，導(dǎo)致溫度超出正常工作的上限，極端條件下會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱著火的危險(xiǎn)后果。在另一種情況下，當(dāng)未插有熱電偶即不受熱電偶直接控制的扇形加熱板發(fā)生損壞時(shí)，插有熱電偶的另一路扇形加熱板正常工作，溫度顯示正常，但實(shí)際7號(hào)輪加熱器內(nèi)部有一半加熱板由于損壞溫度未達(dá)到設(shè)定要求，此時(shí)生產(chǎn)出來(lái)的煙包因?yàn)榧訜釙r(shí)間與溫度沒(méi)有達(dá)標(biāo)，不符合生產(chǎn)工藝要求，容易出現(xiàn)粘膠不牢導(dǎo)致小盒開(kāi)口等問(wèn)題，最終形成生產(chǎn)質(zhì)量事故。

2" " 改進(jìn)方法

2.1" " 硬件優(yōu)化

YB415型硬盒包裝機(jī)原7號(hào)輪設(shè)計(jì)方案中，使用兩根熱電偶控制四塊扇形加熱板，其中兩塊扇形加熱板不受熱電偶直接控制。本方案中硬件改進(jìn)針對(duì)YB415現(xiàn)今存在的問(wèn)題，在7號(hào)輪加熱器原上下兩根熱電偶的基礎(chǔ)上，在前部額外新增兩根熱電偶，即每塊扇形加熱板溫度分別由一根熱電偶實(shí)現(xiàn)直接控制。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，7號(hào)輪加熱器共有四塊扇形加熱板與四根熱電偶，每塊扇形加熱板都可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)溫度控制。7號(hào)輪前部新增的兩根熱電偶如圖1框內(nèi)所示。

7號(hào)輪扇形加熱板及熱電偶元器件需要安裝到位并檢測(cè)功能正常，修改后熱電偶連接點(diǎn)位如表1所示。

同時(shí)，HMI人機(jī)界面內(nèi)7號(hào)輪加熱器溫度調(diào)節(jié)選項(xiàng)由原“7號(hào)輪上部加熱器”變更為“7號(hào)輪前部上側(cè)加熱器”與“7號(hào)輪前部下側(cè)加熱器”，“7號(hào)輪下部加熱器”變更為“7號(hào)輪后部上側(cè)加熱器”與“7號(hào)輪后部下側(cè)加熱器”，如此可實(shí)現(xiàn)7號(hào)輪四塊加熱板溫度分別精確控制。圖2所示為經(jīng)過(guò)修改后的HMI人機(jī)界面。

2.2" " 軟件優(yōu)化

在YB415型硬盒包裝機(jī)電控系統(tǒng)中，加熱器溫度控制程序是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在煙包包裝過(guò)程中，加熱器溫控程序直接影響包裝質(zhì)量，其穩(wěn)定性與精確性決定了商標(biāo)紙能否粘牢，同時(shí)也要避免溫度過(guò)高影響煙支質(zhì)量。由于包裝機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)根據(jù)工藝需求與機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)果的要求進(jìn)行降速，在20包/min至400包/min區(qū)間內(nèi)快速變化，并且工藝流程對(duì)加熱器的快速響應(yīng)、準(zhǔn)確控制和恒溫等要求較高，故采用PID模擬量閉環(huán)溫度控制。

PID模擬量閉環(huán)溫度控制通過(guò)精確調(diào)整比例、積分和微分系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，這對(duì)于煙草包裝機(jī)這種需要嚴(yán)格控制溫度波動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景顯得尤為重要。同時(shí)PID溫度控制系統(tǒng)具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性，能夠顯著減少外部干擾和參數(shù)變化的影響，使得系統(tǒng)在各種工況下都能保持穩(wěn)定的溫度輸出[5]。另外，PID溫度控制系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整，例如改變?cè)O(shè)定溫度和調(diào)整控制參數(shù)等，方便各家卷煙廠針對(duì)其工藝需求進(jìn)行修改。在YB415型硬盒包裝機(jī)HMI人機(jī)界面上，可對(duì)比例參數(shù)P、積分參數(shù)I和微分參數(shù)D直接進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得加熱器溫度控制更為精確和穩(wěn)定。目前，YB415型硬盒包裝機(jī)7號(hào)輪加熱器溫度控制通過(guò)函數(shù)“FB_TempRegulator_V2”實(shí)現(xiàn)，加熱器溫度控制流程如圖3所示。

如圖4所示，PID控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)。

式中：u（n）為離散化后的控制器輸出；e（n）為離散化后的輸入信號(hào)與反饋信號(hào)間偏差信號(hào)；T為采樣時(shí)間；n為離散后的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

在包裝機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，加熱器溫度受到機(jī)器運(yùn)行速度的影響。當(dāng)包裝機(jī)運(yùn)行速度較高時(shí)，溫度反饋的偏移量較大，在PID溫度控制調(diào)節(jié)下，通過(guò)固態(tài)繼電器輸出的PWM占空比變大，加熱器通電時(shí)間變長(zhǎng)，加熱變快。當(dāng)熱電偶檢測(cè)到的實(shí)際溫度接近設(shè)計(jì)溫度時(shí)，PWM占空比降低，加熱器通電時(shí)間縮短，加熱變慢，從而減少了超調(diào)量，保證了加熱器溫度的穩(wěn)定。

在PID溫度控制的基礎(chǔ)上，新增長(zhǎng)時(shí)間100%占空比PWM輸出報(bào)警功能。根據(jù)每個(gè)加熱器加熱到設(shè)定溫度的時(shí)間，放寬一定閾值后設(shè)置為該加熱器最長(zhǎng)加熱時(shí)間。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，目前7號(hào)輪加熱器由室溫加熱到90 ℃所需時(shí)間約為360 s，故將7號(hào)輪100%占空比PWM輸出最長(zhǎng)加熱時(shí)間設(shè)定為420 s。在包裝機(jī)正常運(yùn)行情況下，HMI人機(jī)界面加熱器頁(yè)面中，各個(gè)加熱器狀態(tài)顯示為“無(wú)故障”綠色信息。當(dāng)100%占空比加熱時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間后，顯示“高溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)”紅色信息，并切斷加熱器使能，關(guān)閉PWM輸出，人工復(fù)位后才能繼續(xù)加熱，防止加熱器長(zhǎng)時(shí)間以全功率運(yùn)行后出現(xiàn)安全隱患。圖5所示為加熱器控制選項(xiàng)頁(yè)面，下方為“無(wú)故障”綠色信息和“高溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)”紅色信息。

3" " 結(jié)論

本改進(jìn)針對(duì)YB415型硬盒包裝機(jī)7號(hào)輪加熱器存在的問(wèn)題，在硬件方面新增兩根熱電偶，對(duì)四塊扇形加熱板實(shí)現(xiàn)分別精確控制；在軟件方面通過(guò)PID模擬量閉環(huán)溫度控制，新增長(zhǎng)時(shí)間100%占空比PWM輸出加熱報(bào)警切斷功能，提高了加熱器溫度控制與設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，使得整個(gè)包裝機(jī)組運(yùn)行效率有顯著提升。

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收稿日期：2024-10-21

作者簡(jiǎn)介：薛天放（1997—），男，江蘇高郵人，助理工程師，研究方向：煙草行業(yè)包裝機(jī)組電氣設(shè)計(jì)。