煙草行業(yè)傳感器應用1

煙草行業(yè)傳感器檢測技術(shù)假設(shè)干創(chuàng)新應用實例山東大學控制學院李現(xiàn)明例6：WL10型近紅外反射式光電傳感器的研制陳裕文湖南郴州卷煙廠)WL10型近紅外反射式光電傳感器，是替代德國SICK公司生產(chǎn)的產(chǎn)品而研制的工程。這種產(chǎn)品應用于卷煙機械自動化生產(chǎn)線上，以每分鐘6000次的速度檢測煙支。WL10型光電傳感器是光學技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合，具有體積小，檢測速度快，分辨率高等特點。WLl0的研制成功，實現(xiàn)了進口產(chǎn)品的國產(chǎn)化，填補了國內(nèi)空白。目前，這種產(chǎn)品市場需求較大，且價格合理，性能指標完全到達進口同類產(chǎn)品的技術(shù)要求，因此前景廣闊。1工作原理WL10型近紅外反射式光電傳感器，是由光學系統(tǒng)和電子系統(tǒng)組成。光學系統(tǒng)是由三個透鏡構(gòu)成的。其中，A為光學玻璃透鏡，B、C為塑料透鏡，見圖1。圖1紅外發(fā)射管L1位置處在A透鏡的焦點上，通過電子線路使其發(fā)射出近紅外光，根據(jù)光學原理可知，經(jīng)過A透鏡之后，將形成平行光并作用在B透鏡上，同理，經(jīng)B透鏡后，在B透鏡焦點上形成一個光點Q，Q點也是C透鏡的焦點，光點被檢測物反射后，經(jīng)過C透鏡形成平行光，并作用在紅外接收管L2上。這樣的光學作用，就可以到達檢測和提高分辨率的目的。電子系統(tǒng)主要由紅外發(fā)射電路、振蕩電路、紅外接收電路、放大電路、檢波整形電路、單穩(wěn)觸發(fā)電路、輸出電路、LED指示電路、極性接反保護電路、輸出短路保護電路、電源電路所組成。見圖2。圖2由振蕩電路形成的8kHz振蕩頻率信號，供給發(fā)射電路，通過紅外發(fā)射管把電信號轉(zhuǎn)換為紅外光脈沖信號。當有物體作用時，光脈沖信號被反射，接收電路中的紅外接收管接收到被反射的光脈沖信號后，把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由于這種信號非常微弱，因此經(jīng)過五級放大電路放大，送給檢波整形電路，并與振蕩電路來的振蕩信號一起輸出觸發(fā)信號，由單穩(wěn)觸發(fā)電路傳輸給輸出電路，從而到達了非接觸檢測。2電路分析2.1振蕩電路、輸出電路振蕩電路，輸出電路同時采用一片CD4047作為核心局部，組成各自的電路。CD4047是單穩(wěn)多諧振蕩器電路，由l4腳封裝。見圖3。用這種集成電種設(shè)計的振蕩器應用元件少，性能可靠。CD4047內(nèi)部框圖見圖4。由內(nèi)部框圖可知，用CD4047作為輸出非常方便。圖5為以本電路為根底設(shè)計的振蕩電路和輸出電路。由R1、C1、D1、R2組成振蕩電路，作為發(fā)射電路的輸人信號。其振蕩頻率為f=l／2.2(R1+R2)C1。通過調(diào)節(jié)R1和Cl可以改變振蕩頻率，調(diào)節(jié)R2可以改變占空比。由Tl、T2組成主輸出電路，只要在12腳有觸發(fā)信號，在l0腳就能有電平信號輸出。2.2放大電路放大電路如圖6，當紅外光脈沖作用在D接收管上時，在e極上產(chǎn)生與發(fā)射頻率相同的電脈沖信號。由于信號徽弱，必須經(jīng)過多級放大，才能作為下級的觸發(fā)信號。本電路所用的放大電路并不是LM741、CD1458及LM358運算放大器，而是采用CD4069反相器門電路作為放大器。用反相器門電路構(gòu)成放大器是新穎的電路設(shè)計。這種放大器放大倍數(shù)大，每一級放大100倍。在實際電路中，用一個非門與電阻并聯(lián)構(gòu)成放大器，對微弱小信號進行放大，可以到達理想效果。CD4069內(nèi)部原理圖及引腳見圖7。2.3輸出晶體管短路電流保護電路輸出晶體管短路是指三極管的集電極接到了正電源上，此時如果基極有正電平信號，那么三極管必然被擊穿。為了防止短路擊穿現(xiàn)象，而設(shè)計了短路電流保護電路見圖8。假設(shè)發(fā)生輸出級短路時，T2的集電極為電源電壓，當Tl的基極為高電平時，其導通，發(fā)射極為高電平，由于D1、D2的存在使T3基極電位升高，造時T3導通，從而使T3的集電極被箝位在零伏左右，即T2的基極電壓為零伏，T2就不能導通，實現(xiàn)了短路電流保護。2．4電路特點(1〕近紅外反射式光電傳感器，采用元器件外表封裝焊接技術(shù)。(2)采用近紅外脈沖調(diào)制方式，把電信號轉(zhuǎn)換紅外光信號，進行物體檢測，實現(xiàn)非接觸式物體檢測。(3)本電路具有電源電壓接反和輸出短路電流保護兩種功能。(4)在抗干擾方面，從電路本身設(shè)計和外接導線方式都具有極強的抗干擾能力。如脈沖調(diào)制可以抗光、抗電磁干擾；通過阻容元件與外殼有效地連接，可以抗電場干擾等。用反相器門電路構(gòu)成放大器是新穎的設(shè)計，提高傳感器的靈敏度，據(jù)對十家使用單位使用情況進行的統(tǒng)計，到達精確控制的需要，因而其研制是成功的，不但實現(xiàn)國產(chǎn)化，還為國家節(jié)省了外匯。例7：ZB25包裝機玻璃紙散包檢測裝置設(shè)計及應用祝榮壯；柳州卷煙分廠1研發(fā)背景長期以來，小盒煙玻璃紙散包缺陷一直是困擾卷煙生產(chǎn)企業(yè)的一個質(zhì)量難題，究其原因主要有兩個方面，一是材料帶有靜電使得玻璃紙傳送不暢所致；二是機器部件磨損或調(diào)整不到位使得玻璃紙折疊不規(guī)那么所致。由于設(shè)備的高速運轉(zhuǎn)使得操作人員難以觀察到散包質(zhì)量缺陷的出現(xiàn)，使得帶有玻璃紙散包質(zhì)量問題的煙包頻繁流入消費者市場，對產(chǎn)品信譽度造成不利影響。因此，設(shè)計一種準確可靠的玻璃紙散包檢測裝置具有重要的使用和推廣價值。2設(shè)備簡介ZB25包裝機是中國煙草總公司在20世紀90年代初從意大利GD公司引進全套技術(shù)，通過吸收消化后國產(chǎn)化的卷煙包裝設(shè)備，它采用GD公司開發(fā)的MICRO—11電控系統(tǒng)，系統(tǒng)之間通過G．DLAN網(wǎng)絡(luò)通訊，控制程序通過GD公司自行開發(fā)的G．D語言設(shè)計，控制硬件主要包括數(shù)字輸入板、數(shù)字輸出板、模擬輸入板，編碼器板、步進電機板等，機器額定速度400包／分鐘。3功能需求根據(jù)生產(chǎn)要求，檢測裝置應該具有識別、移位和剔出三大功能，其控制原理圖如下所示。4硬件設(shè)計從控制原理圖可以看出，檢測裝置的硬件設(shè)計包括四個局部，即控制器、散包檢測傳感器、同步器和剔出閥。4．1控制器的選擇依據(jù)控制原理圖，檢查裝置選用西門子S7—200PLC作為控制器，該PLC具有可靠性高，抗干擾能力強、性價比高等特點，其指令豐富，指令功能強，易于掌握，操作方便，內(nèi)置有4個高速計數(shù)器、2個高速脈沖輸出、1個RS485通訊口。其主要配置情況如下：4．2散包檢測傳感器檢測裝置選用KEYENCE公司的FS—V21G型光電開關(guān)作為傳感器，該公司專門針對高速移動檢測目標而設(shè)計，具有精度高和響應快的特點，傳感器配備有一個雙數(shù)字顯示監(jiān)視器，可以實時觀察靈敏度的預置數(shù)值和當前數(shù)值，設(shè)置簡單方便。其主要配置情況如下：4．3同步器的選擇由于同步傳感器用于采集移位信號，其控制精度要求沒有同步散包傳感器高，因此，檢測裝置選用BALLUFF公司的HL—S20型接近開關(guān)作為同步器，其規(guī)格如下所示：4．4剔出閥的選擇剔出閥用于剔出生產(chǎn)線上的缺陷煙包。對其性能要求主要在于速度。本檢測裝置選用MAC公司的111B—5551BAAA型電磁閥作為剔出閥。其主要性能如下所示：例8：ZN9煙支在線檢測裝置的改進晁紅杰，鄭州卷煙廠超九卷接機組中的ZN9煙支在線檢測裝置在剔除空頭煙支、漏氣煙支時，存在一些問題：漏氣煙支有效剔除率低，檢測帽易損壞，為此進行了改進。1原因分析1.1檢測帽易損壞①檢測帽彈性、耐磨性差；②檢測氣壓調(diào)整過高，增加了檢測帽的磨損，如果檢測氣壓調(diào)低，漏氣傳感器輸出的P／U值不穩(wěn)定，那么會剔除過多好煙；③設(shè)備在停車狀態(tài)下，檢測氣壓不能自動關(guān)閉，尤其是檢修設(shè)備時，檢測氣壓在外排檢測帽出氣口長時間地產(chǎn)生很大的撕拉力，容易將檢測帽撕拉開。1.2漏氣煙支有效剔除率低①檢測帽磨損嚴重，或個別檢測帽已破裂，造成剔除較多好煙，這時只能將檢測氣壓調(diào)大，但又會引起漏氣煙支不剔除，也加大了對檢測帽的損壞；②為了防止剔除過多好煙，將漏氣檢測靈敏度調(diào)得太低。2解決方法(1)確保在停機狀態(tài)下或設(shè)備空轉(zhuǎn)時檢測氣壓關(guān)閉。利用濾棒供料的輸出信號，通過增加延時繼電器控制電磁閥，實現(xiàn)檢測空氣的適時關(guān)閉。如圖1所示。(2)根據(jù)漏氣檢測壓力傳感器的電壓信號VP=7.5V+KuKP，適當降低檢測氣壓，通過電位器調(diào)整，提高放大倍數(shù)K，確保VP電壓值相對穩(wěn)定。(3)選購彈性好、耐磨性強的檢測帽，并定期檢查、更換內(nèi)排和外排檢測帽。(4)定期清理檢測管內(nèi)的雜物以及檢測鼓上的碳塵等，確保檢測孔透氣良好。碳刷也要定期更換。3使用效果由于確保了設(shè)備停機或空轉(zhuǎn)時檢測氣壓的關(guān)閉氣流對檢測帽出氣口的撕拉力大大減小，檢測帽的使用周期由原來的2個月提高到5個月。通過適當降低檢測氣壓，提高了傳感器的電壓放大倍數(shù)，提高了漏氣檢測的靈敏度，確保了漏氣煙的有效剔除，并防止了好煙的誤剔，進一步提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了產(chǎn)品消耗，減少了工人的工作量，具有較高的實用價值。例9：采用邏輯電路增加GDX1煙支檢測監(jiān)控功能張建軍；貴州省根本建設(shè)投資公司1前言GDX1—8000型卷煙包裝機是意大利GD公司生產(chǎn)的具有國際先進水平的卷煙包裝設(shè)備，機速高、質(zhì)量好，在國內(nèi)煙草行業(yè)得到普遍采用并已引進生產(chǎn)，很受好評，但也還有不盡人意之處，較突出的問題是它包裝的煙支存在空頭等質(zhì)量缺陷，在總的包裝質(zhì)量缺陷中所占比例最高。紿分析，除煙支本身的因素外，煙支檢測器失靈是最主要的原因。由于工作環(huán)境粉塵較大，動作頻率較高(400包/min)，易造成檢測器內(nèi)觸點接觸不良，安裝位置走位，再加上一些意外原因，使煙支檢測器的可靠性沒有得到應有保證，時有漏檢情況。檢測器工作狀態(tài)的好壞單純從外觀難以判別，從電路上查，如檢測器處于臨界狀態(tài)，由于信號變化太快，也難以判別。作者針對這一情況設(shè)計了一個監(jiān)控電路，通過檢查煙支檢測器在無效相位時的狀態(tài)對其進行監(jiān)控，可快速方便地判別檢測器的工作狀態(tài)，從而保證檢測器的有效性。2煙支檢測器的工作原理及失靈原因分析2.1工作原理GDX1包裝機組在包裝過程中是通過安裝在煙支通道兩邊的三個檢測器2S24，2S22，2S23分別對煙支進行缺支、空頭、掉嘴檢測的，這三個檢測器均采用排列成7—6—7形式的20支機械探針與20支煙支一一對應的方法加以檢測。正常情況下，在有效相位時(300度—400度)，探針與煙支相接觸，發(fā)生輕微位移，使探針與觸板脫離接觸，觸點斷開，說明煙支正常；如煙支有缺支、空頭、掉嘴等情況，至少有一支探針接觸不到煙支，與觸板保持接觸，觸點閉合，說明煙支異常，那么根據(jù)情況分別加以剔除、停機、不下商標紙和封簽等處理。在其余相位時．檢測器與煙支脫離接觸，并由相位信號封鎖檢測信號。2.2失靈原因分析如果檢測器存在斷線、安裝位置不當、探針生銹、因煙沫或油污造成接觸不良，因意外原因造成接插頭松脫等情況，那么可使觸點處于不能閉合或臨界半閉合狀態(tài)，從而造成漏檢、誤檢，影響出廠產(chǎn)品質(zhì)量。3采用邏輯電路對檢測器狀態(tài)進行監(jiān)控3.l解決問題的要求(1)不影響設(shè)備生產(chǎn)率；(2)不影響檢測器的正常使用；(3)應有相應的指示功能，便于快速維修；(4)本錢低廉，采用通用器件。3.2采用邏輯電路對檢測器狀態(tài)進行監(jiān)控作者所采用的方法是新增加一塊邏輯板2N39，因設(shè)備邏輯系統(tǒng)大量采用邏輯門電路，故本電路采用與非門和RS觸發(fā)器構(gòu)成邏輯關(guān)系，并采用與設(shè)備邏輯板相同的元器件，采用邏輯板電源作電源，使電路的各種指標與原電路相匹配。具體的板件圖和外圍電路如圖l所示。其原理為：利用煙支檢測器與煙支脫開到最大距離(相位為l50度)，檢測器處于無效工作相位時，檢查檢測器的狀態(tài)。具體為：機器處于運行狀態(tài)，圖l中45A14為高電平時，啟用此監(jiān)控功能，反之，那么封鎖此功能。如機器運行，在45A13引進l50度相位信號(低電平有效)；在其余相位時，相位信號經(jīng)反相后為低，封鎖檢測器的信號，不影響檢測器的正常工作。在相位為150度時，相位信號反相后為高，取消檢測器信號封鎖，此時，如檢測器的信號3A20、3A21、3A22都為高電平，RS觸發(fā)器保持原狀，邏輯電路向31A26輸出高電平，判斷檢測器正常；當出現(xiàn)異常情況造成探針不能與觸板保持良好接觸，即3A20、3A21、3A22至少有一個為低電平時，相應的RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)并保持狀態(tài)，由VD1、VD2、VD3三個發(fā)光二極管分別指出是哪個檢測器發(fā)出的低電平信號，并由此判斷此檢測器狀態(tài)不好，發(fā)出故障信號。在輸出的處理上，為利用面板上的2H47小燈做顯示，從45B32引進2H47的驅(qū)動信號，即連續(xù)缺支停機信號，該信號與檢測器故障信號經(jīng)過兩次與非后向31A26輸出停機信號，低電平有效；向23AI6輸出2H47小燈的驅(qū)動信號。這樣處理既不影響連續(xù)缺支停機信號的傳遞和顯示，又使檢測器故障信號產(chǎn)生停機并顯示，待故障排除后，由來自45B24的復位信號進行復位，可重新開機。一包煙通過這個檢測器的檢測過程如圖2所示。4應用效果及討論4.1應用實例貴陽煙廠GD6，因煙支空頭長期影響其優(yōu)質(zhì)品率。加裝此監(jiān)控電路后，機器不能啟動，面板2H47燈亮，2N39板VD2一直發(fā)亮顯示空頭檢測器2S22線路不通，經(jīng)檢查，其輸出信號線在2X52端子排511號端子松脫。新接好開機后，檢測功能恢復，空頭煙支破被剔除，優(yōu)質(zhì)品率上升。貴陽煙廠GD7號，平時運行正常，某天突然時有停機現(xiàn)象，2H47燈亮，復位后可運行，但過一段時間有出現(xiàn)此現(xiàn)象。經(jīng)查，2N39板VD3指示缺支檢測器2S24工作不良。維修時發(fā)現(xiàn)檢測器封裝不嚴，里面煙沫較多，造成觸點接觸不良，處于臨界工作狀態(tài)。清理后正常。4.2對質(zhì)量的影響裝前一個月與裝后一個月相比，煙支缺陷占質(zhì)量缺陷的比率由23.5％下降到9.4％，包裝的優(yōu)質(zhì)率提高了3.3％，取得良好的效果。4.3討論成功之處在于不影響檢測器正常使用的前提下，利用檢測器在無效相位時的狀態(tài)進行監(jiān)控。視角獨特、方法巧妙、簡便實用。待改進之處在于對檢測器的監(jiān)控只是對檢測器的嫠個運行概況進行監(jiān)控，沒有落實到每支探針的具體情況。雖然比改裝前是個提高，但還不能百分之百的保證檢測器的有效性。如需改進，可以在檢測器上進一步努力，板件可考慮批量制作，可考慮添加選擇功能以適應生產(chǎn)具體情況的需要。此方法可類推應用于別的檢測系統(tǒng)。例10測量儀器的允許誤差限在卷煙儀器比對中的應用蔣海玲：河北中煙工業(yè)公司在卷煙物理檢測時，儀器誤差是造成測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差的主要因素。如何及時發(fā)現(xiàn)儀器誤差查找其原因并將其解決，提高檢測結(jié)果的準確度，是儀器計量工作者必須要解決的問題。日常工作中除了對儀器進行周期性檢定和校準外，還定期與同級別實驗室的儀器進行直接或間接的比對，以便及時發(fā)現(xiàn)測試過程中的儀器誤差。本文主要介紹如何制定測量儀器的允許誤差限，用其對儀器比照差值進行判斷，驗證儀器及其測量結(jié)果的有效性，并依據(jù)比對結(jié)果查找產(chǎn)生測量誤差的原因。一、確定測量儀器的允許誤差限對給定的測量儀器,標準、規(guī)程等所允許的誤差極限值，稱為測量儀器的最大允許誤差，有時也稱為測量儀器的允許誤差限，是一個判定測量儀器合格與否的規(guī)定的要求。換言之，最大允許誤差是指技術(shù)標準(如標準、檢定規(guī)程、校準標準等)所規(guī)定的允許誤差極限值。將測量儀器的允許誤差限運用于同類儀器相關(guān)工程、參數(shù)的比照測試中，來判斷測量儀器比照結(jié)果合格與否，以此間接驗證儀器的一致性和準確性。在卷煙企業(yè)首先應確定物理檢測儀器最大允許誤差范圍。卷煙物理檢測工程包括：單支克重、圓周、長度、吸阻、硬度、含水率等。主要用到的檢測儀器包括：電子天平、圓周儀、吸阻儀、長度儀、硬度儀或多功能測試臺等。在選擇測量儀器的最大允許誤差時，通常應為測量對象所要求誤差的1／3—1／5，假設(shè)條件不允許也可為1／2。但此時測量結(jié)果的置信水平就相應下降了。卷煙物理檢測工程在卷煙國標(GB5606.3—2005)中有明確的指標范圍要求，一般是根據(jù)卷煙物理檢測結(jié)果中超出標準允許范圍數(shù)據(jù)的支數(shù)來判斷該批卷煙合格與否。因此在選擇測量儀器的允許誤差限時，為防止造成煙支測試結(jié)果的誤判，應選擇卷煙國標中所要求各項物理指標允差的1／5，作為卷煙各物理檢測儀器最大允許誤差范圍，按公式1計算允許誤差限。為滿足測量儀器的最大允許誤差限，必須要求卷煙各檢測儀器的精度滿足表1。表1中列出了不同儀器的精度要求及按照公式1計算出的允許誤差限。二、允許誤差限在儀器比照測試中的驗證及應用采用測試結(jié)果比對的方式驗證儀器可靠性。首先要確立一臺儀器作為基準儀器，這臺儀器必須是經(jīng)過量值的溯源、校準和檢定的。且其準確性相對較高，將其與其它同類儀器檢測同一被測量的測量結(jié)果進行比對，從而驗證其它儀器的準確性和一致性。為驗證表1中測量儀器的允許誤差限的可行性，在某卷煙企業(yè)每隔10個工作日對其檢測站儀器與生產(chǎn)車間相應檢測儀器做比照測試，以檢測站的儀器(綜合測試臺)作為基準儀器。由于卷煙生產(chǎn)車間的日常質(zhì)量檢查是生產(chǎn)與檢測同時進行，再以測量結(jié)果調(diào)整卷煙設(shè)備，因此，測試用煙支不按國標要求進行樣品調(diào)節(jié)，但應盡量減少煙支放置時間。測試要求如下：1．確立基準儀器。這臺儀器必須經(jīng)過量值的溯源、校準和檢定，且其準確性相對較高；2．測試人員必須經(jīng)過統(tǒng)一培訓：3．比照儀器須同功能，儀器精度按表1要求；4．測試前須對所用儀器按操作規(guī)程進行校準；5．取樣要求在生產(chǎn)現(xiàn)場找卷包穩(wěn)定的機型，取一條煙檢查，確保其卷煙無外觀質(zhì)量缺陷；6．將所取樣品20支煙為一組分別在