摘要：醋酸纤维丝束在经开松机开松过程中，由于丝束偏移、展幅宽度不足、丝束扭转等导致甘油喷洒不均、滤棒吸阻波动大，从而影响滤棒产品质量稳定性。为此设计了一套丝束展幅宽度检测及开松不良滤棒剔除装置。该装置监测部分安装在三级空气开松器处，确保三级空气开松器处的丝束宽度不低于180 mm。装置使用了两个光电传感器对丝束展幅宽度进行监控，采用西门子高速计数模块对滤棒切割脉冲SCP进行计数，实现展幅宽度状态的识别及开松不良滤棒的跟踪，确保开松不良时所生产出来的滤棒在剔除阀处被准确剔除。在生产速度为590 m／min时进行测试，使用step7软件对光电传感器及剔除信号进行跟踪检测，记录其动作时间，并统计废料箱中剔除的滤棒支数。结果表明：该装置能在丝束展幅宽度低于设定的180 mm宽度时，有效识别、跟踪并准确剔除相应滤棒，完全消除因丝束展幅过窄导致的不合格滤棒流入下道工序。

　　关键词：开松机；丝束；展幅；检测；剔除

　　Abstract：In view of the problem that the quality stability of filter rod products is affected by the uneven spraying of glycerin and the large fluctuation of filter rod suction resistance caused by the deviation of the tow，insufficient spread width and twist of the tow during the opening process of the acetate fiber tow by the opening machine，a set of device for detecting the spread width of the tow and removing the filter rod with bad opening is designed．The monitoring part of the device is installed at the three－stage air opener to ensure that the width of the filament bundle at the three－stage air opener is not less than 180 mm．The device uses two photoelectric sensors to monitor the spread width of the tow，and uses the Siemens high－speed counting module to count the filter rod cutting pulse SCP，so as to realize the recognition of the spread width state and the tracking of the filter rod with bad opening，and ensure that the filter rod produced with poor opening is accurately removed at the removal valve．The test is carried out at a production speed of 590 m／min．The step7 software is used to track the photoelectric sensor and rejection signal，record its action time，and count the number of filter bars rejected in the waste bin．The results show that the device can effectively identify，track and accurately remove the corresponding filter rod when the width of the tow spread is lower than the set width of 180mm，and completely eliminate the unqualified filter rod flowing into the next process due to the narrow tow spread．

　　Key words：opener；tow；spread；testing；eliminate

　　0引言

　　纤维开松上胶机(简称开松机)将丝束从丝束包中抽出，利用一、二级空气开松器将纤维丝束强制吹松、吹散后，经制动辊组平衡，再经过输入辊组与伸展辊组进一步横向及纵向开松，使其分离、错开并达到良好的开松效果。最后经第三级空气开松器进一步展开到所设定的开松宽度后喷洒增塑剂，经由楔形槽辊预收拢后送入滤棒成型机[1]。丝束的开松效果直接影响滤棒的吸阻稳定性和吸阻的大小[2－3]，丝束的展幅影响三醋酸甘油酯的施加及滤棒吸阻、硬度。由此在丝束开松工艺过程中，应当保证合适的开松宽度，否则影响滤棒质量[4]。

　　但在实际生产中会出现丝束偏移、丝束展幅不足、丝束翻转等情况，导致生产出有质量隐患的滤棒。由于原机、无法自动检测丝束开松后的宽度和剔除丝束开松不良滤棒，只能通过人工发现并在出口通道处凭经验快速隔离该段时间内滤棒，存在隔离不彻底的情况，不可避免地会造成开松不良滤棒流入下游工序。近年来针对开松机丝束开松已有较多研究，张小杭等[5]设计了一种丝束拼接头检测剔除装置，实现了丝束拼接段的检测及丝束拼接时产生的不合格滤棒的剔除；余宝意等[6]针对螺纹辊与橡胶辊不平行引起的丝束偏移、开松不均匀、部分丝卷曲没有得到消除等问题，对开松辊进行了改造设计；吴树清[7]采用闭环伺服控制原理，设计了丝束恒张力控制系统，改善了滤棒吸阻及圆周指标的稳定性。但对于开松机丝束偏移、展幅过窄、丝束翻转等问题的检测和识别的研究则鲜见报道。为此，本文采用光电传感器、高速计数模块及PLC技术设计了丝束展幅在线检测及开松不良滤棒剔除系统，通过光电传感器识别丝束偏移、展幅过窄、丝束翻转等情况，高速计数模块进行跟踪，在设定的时间段内自动剔除不合格滤棒，避免不合格滤棒流入下到工序。

　　1问题分析

　　如图1所示，正常状态下，丝束在第三开松器处被完全吹松吹散，展幅达到最大，随即进入喷雾室吸取三乙酸甘油酯。实际生产中存在以下问题：(1)空气流量或辊速比调整不当，丝束开松过窄，展幅过小，导致上胶面积小，滤棒硬度不符合工艺标准；(2)开松器缝隙或丝束输送通道存在异物、橡胶辊磨损等导致丝束偏移；(3)由于丝束粘连，抽提不连续，造成丝束喂入不稳定，引其丝束折叠翻转。上述问题导致丝束开松不良、展幅过窄、展幅波动，影响吸阻稳定性和吸阻的大小。另外，在三乙酸甘油酯施加参数不变的情况下，丝束展开幅度直接影响雾化甘油与丝束带的接触面积，与滤棒硬度的变化呈正相关系[8－10]。因此，当丝束开松展幅过窄时，影响滤棒硬度稳定性。由于原机无法自动检测丝束开松后的宽度和剔除展幅过低时生产的滤棒，只能通过人工发现并在出口通道处凭经验快速捧出滤棒，不可避免地会造成开松不良滤棒流入下游工序。

　　2系统设计

　　2．1总体设计思路

　　正常情况下，丝束在第三开松器处被完全吹松吹散，展幅达到最大，此处展幅的大小直接决定了三乙酸甘油酯施加量，因此在第三开松器与甘油喷雾室之间安装2个光电传感器(如图2所示)，对丝束展幅进行检测，若其中任意一个光电传感器未检测到丝束，则PLC启动剔除程序，由于检测点距离剔除点存在一定的距离，为准确剔除和减少不必要的浪费，采用高速计数模块FM350采集成型机切割脉冲，对开松不良滤棒进行跟踪，在设定的脉冲值时，系统给出剔除信号，开松不良滤棒在带槽鼓轮处被剔除到废料箱。

　　2．2系统组成

　　该系统主要包括西门子S7－300 CPU、I／O模块、FM350_2高速计数模块等，系统控制框图如图3所示。KDF4成型机运行时，主机每转1周产生1000个主机脉冲，1个切割脉冲，1个切割脉冲(SCP)对应1支滤棒，在剔图3系统控制框图除过程中，阀对每个滤棒的控制都是根据SCP切割脉冲进行的。本系统采用FM350高速计数模块对SCP脉冲进行计数，以实现滤棒的准确剔除。2个光电传感器安装在两侧对丝束进行检测，剔除信号控制原机的剔除阀。

　　2．3 FM350高速计数模块FM350－2功能模块是具有计量功能的8通道计数器模块，可用于S7－300自动化系统，主要在需要信号计数、频率测量或速度测量应用中使用。可以实现周期计数、单次计数、连续计数和频率、转速、周期等的测量，可通过软件门或通过硬件门和软件门启动或停止计数过程[11－12]。计数器信号的最大输入频率可达每计数通道20 kHz。使用FM350－2组态软件进行模块的参数配置，根据功能需要，选择操作模式为单次计数模式，主计数方向选择“UP”，接入脉冲信号类型为24 V脉冲；选择软件门控制，通过置位输入参数SW_ GATE1，SW_ GATE2打开通道1和通道2的软件门开始测量。计数器将从零开始计数，然后增加计数，直至达到结束值。当计数器达到“结束值－1”，并且又收到一个计数脉冲时，计数器将返回0并冻结，停止计数；FM350－2为通道1和通道2分别设定比较值(CMP_VAL1，CMP_VAL2)并通过T_CMP_V1，T_ CMP_V2的置位传送到FM350－2。选择输出模式为“On if Count＞＝Comparison Value”，当计数值大于或等于比较值时输出。

　　2．4传感器选择

　　丝束规格一般用“单丝线密度／丝束截面形状／丝束线密度”表示，单位为分特(dtex)／千特(ktex)。特(tex)是丝束线密度的单位，表示1000 m长的丝束的质量[12－13]。以规格为昆明醋酸纤维公司生产的3．33Y3．89(dtex／ktex)的丝束为例，其中3．33 dtex表示10 000 m长的单根丝的质量是3．33 g，3．89 ktex表示1000 m长的丝束质量是3．56 kg，因此一束丝由很多根单丝组成。通过开松，丝束带被纵向和横行拉伸，理想情况下丝束带中单丝分离达95％~100％。丝束宽度由最初的约50 mm，被拉宽到200 mm左右。因此传感器的选择十分重要，若选择不当，光线会透过丝束，无法检测出丝束的状态变化。经分析对比，选择倍加福ML100－8－H型漫反射光电开关，该型光电开关带可调距离背景抑制功能，响应时间1 ms，光源为红外光，对外界环境光不敏感，光斑明亮，在350 mm检测距离处光斑可达20 mm。

　　2．5支架设计

　　如图4所示，支架材质为不锈钢，通过两颗螺钉固定在开松机架上，两个光电传感器与丝束垂直安装，分别固定在两个腰型孔中，可根据需要调节间距。

　　2．6电气控制系统

　　改进后工作流程如图5所示。具体工作流程：在成型机正常生产时，第三开松器处的丝束展幅应到达180 mm以上，若任意一个光电传感器未检测到丝束的存在，高速计数模块FM350采集成型机切割脉冲，对开松不良滤棒进行跟踪。为确保开松不良滤棒被完全剔除，在开松不良滤棒到达剔除点之前，PLC输出模块给出剔除信号，滤棒在带槽鼓轮处被剔除到废料箱。同时，计数器开始计时，时间设定为3s，若丝束展幅在3 s内未恢复正常宽度，为避免浪费，系统给出停机信号，成型机停机。在剔除过程中，若丝束展幅恢复正常，高速计数模块采集成型机切割脉冲，在计数值达到设定值时，剔除信号复位，停止剔除。

　　为准确剔除滤棒，采用FM350_2对SCP脉冲进行计数。需要知道从检测点到剔除点间隔的嘴棒数量[14]，若光电传感器到滤棒剔除点的距离为L1，滤棒长度为a，因为一个SCP脉冲对应一支滤棒，那么开松不良滤棒从检测点到成型机剔除阀的滤棒数量为b＝L1／a，即产生b个SCP脉冲信号。为确保不合格滤棒完成被剔除，在设置剔除滤棒位置和数量时，除计算从检测点到剔除点脉冲数以外，一般要增加一定的余量[15]，若多剔除的滤棒支数为c，则FM350－2的两个比较值CMP_VAL1，CMP_VAL2计数公式分别如式(1)~(2)所示。

　　CCMP_VAL1＝L1／a－c／2(1)

　　CCMP_VAL2＝L1／a＋c／2(2)

　　式中：CCMP_VAL1，CCMP_VAL2为比较值，支；L1为盘纸机打纸装置到成型机剔除阀的距离，mm；a为单支滤棒长度，mm；c为多剔除滤棒的支数，支。

　　当检测器检测到丝束展幅过窄时，高速计数模块FM350的通道1采集成型机切割脉冲，当计数器累计达到(L1／a－c／2)时，剔除信号置位，剔除电磁阀动作，开始剔除。为减少浪费，若丝束展幅在3s内未恢复正常宽度，系统给出停机信号，成型机停机。若丝束展幅恢复正常，高速计数模块FM350的通道2采集成型机切割脉冲，当计数器累计达到(L1／a＋c／2)时，剔除信号复位，停止剔除。若丝束展幅过窄段长度为L2，则共剔除的滤棒支数如下：

　　n＝L2／a＋c(3)

　　式中：n为剔除滤棒支数，支；L2为丝束展幅过窄段长度，mm；a为单支滤棒长度，mm；c为多剔除滤棒的支数，支。

　　3应用效果

　　3．1材料与方法

　　材料：云烟(软珍品)滤棒(曲靖卷烟厂)。

　　设备和仪器：S7－315 PLC(西门子公司)；KDF4滤棒成型机组(德国HAUNI公司)；step7软件(西门子公司)。

　　方法：采用KDF4成型机组生产长度为100 mm滤棒，生产速度590 m／min，多剔除的滤棒支数设定为40支。使用step7软件对光电传感器及剔除信号进行跟踪检测，记录其动作时间，并统计废料箱中剔除的滤棒支数。

　　3．2结果分析

　　滤棒单支长度为100 mm，生产速度为590 m／min，每生产1支滤棒的时间约为10．17 ms，生产40支滤棒约需要407 ms。从图6变量DB7．DBD16－DB7．DBD44可以看出，系统在09：54：24.823时检测到丝束宽度低于设定值，恢复正常的时间为09：54：25.645，共计持续822 ms，为确保开松不良滤棒被全部剔除，理论上剔除阀应该工作407＋822＝1 229 ms，剔除121支滤棒。

　　剔除阀实际开始剔除时间为25 s 304 ms，停止剔除时间为26 s 540 ms，共计剔除了1236 ms，大于1229 ms，符合设计要求。检测传感器距离剔除阀的距离为6．8 m，因为提前剔除了20支滤棒，通过计算，剔除阀应在系统检测到开松不良之后的489 ms开始动作，其实际动作时间为481 ms，废料箱中实际剔除的滤棒支数为122支，符合设计要求。

　　4结束语

　　为解决丝束开松过程中存在的丝束偏移、展幅过窄、丝束翻转等问题，使用西门子PLC、高速计数模块、倍加福光电传感器设计一套丝束展幅检测及开松不良滤棒剔除装置。对丝束展幅进行监控，通过高速计数模块对成型机切割脉冲的准确计数，从而实现高速生产中对开松不良滤棒的跟踪和剔除，确保开松不良滤棒在剔除阀处按照设定的时刻被剔除。使用step7软件对光电传感器及剔除信号进行跟踪检测，结果表明，该装置能在丝束展幅低于设定宽度时，有效识别并对开松不良滤棒进行剔除，完全避免因丝束展幅过窄导致的不合格滤棒流入下道工序。

　参考文献：

　　[1]金风凯，AF－KDF 4滤棒成型机组引进技术消化吸收国产化[Z]．上海市，中烟机械技术中心有限责任公司，2015．

　　[2]黄晓飞，刘会杰，莫自柳，等．KDF2滤棒成型机组开松速比对吸阻的影响[J]．河南科技，2012(17)：77．

　　[3]喻涛．KDF2滤棒成型机预张力辊气路改进[J]．机电工程技术，2020，49(10)：251－253．

　　[4]600 m／min纤维滤棒成型设备编写组．600 m／min纤维滤棒成型设备[M]．郑州：河南科学技术出版社，2019．

　　[5]张小杭，王己锋，钟凌．KDF4滤棒成型机组丝束拼接头检测剔除装置的设计[J]．烟草科技，2020，53(1)：103－106．

　　[6]余宝意，毛思睿．基于滤棒质量的KDF2成型机开松辊改造设计[J]．设备管理与维修，2019(19)：107－109．

　　[7]吴树清．滤棒成型机丝束恒张力控制系统的设计[J]．烟草科技，2020，53(9)：100－103．

　　[8]曹毅，金绍平，王斌，等．KDF4成型机组滤棒吸阻影响因素及控制方法研究[J]．中国新技术新产品，2021(23)：42－45．

　　[9]李斌．KDF4滤棒成型机甘油雾化量控制研究分析[J]．机械研究与应用，2021，34(03)：51－54．

　　[10]赵常彦，曾卓，邹强．KDF4滤棒成型机甘油施加量、丝束开松宽度和滤棒固化时间对滤棒硬度的影响[J]．轻工科技，2020，36(7)：121－122．

　　[11]Siemens AG．西门子S7－300计数器模块FM350－2设备手册[M]．Siemens AG Industry Sector，2011．

　　[12]Siemens AG．FM350－2调试简要说明[M]．Siemens AG Industry Sector，2007．

　　[13]YC／T 26－2017，烟用丝束[S]．

　　[14]许惠儿，张祖尧，陈和榜，张青山．线密度及其量和单位的规范使用[J]．纺织学报，2009，30(8)：69－72．

　　[15]李英华，周奇峰．在卷烟成型设备上实现高速任务处理[J]．湖南文理学院学报(自然科学版)，2009，21(1)：73－75．

　　[16]倪敏，陈卫东，唐伟．滤棒成型机组纸接头剔除检测装置的研制[J]．烟草科技，2014(9)：27－29．