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基于IRB120的卷烟智能加料加香实验装置的研制

 胡晓军1,汪建伟1,倪辉1,张倜雄2,高阳1*

 1.浙江中烟工业有限责任公司(杭州310008);2.上海理工大学(上海200093)

摘要加香加料是卷烟生产的重要环节,试验基于IRB120研制了一套实验室智能化加香加料装置,实现烟丝上下料、精确加香加料、管道清洗以及烟丝烘烤等环节的自动化,加液时间小于7 min,使用组合式模糊-PID控制加液误差小于2%,精度0.005 g。

关键词  IRB120;智能化;加香加料

  量产卷烟前,实验室需要对香料参数进行调整并做试验研究,以获得卷烟所需的吸味品质。国内20多家实验室均采用手工方法调配,配方香料精度受人为因素影响较大,一次完整的加香加料试验,要求配料精度0.005 g,单个配料时间小于7 min。目前国内针对加料加香装置有许多研究,但均是针对卷烟厂生产线,没有实验室的智能加料加香装置的研究,试验基于ABB公司的IRB120T业机器人研制一套实验室智能化加香加料装置,用于替换手工调配香料。其工艺流程如下:

1  实验室加料加香系统组成

 图1为实验室卷烟智能加料加香实验装置,系统采用ABB IRB120作为自动化的核心部件。主要部件如表1所示。

  实验室加料加香系统按功能分为上下料模块、加香加料模块、清洗模块以及烘烤模块等,如图2所示。

 1)上下料模块由混料滚筒、步进电机、上料口、下料口及相关气动元件组成,混料滚筒用于存放烟丝,步进电机负责带动滚筒转动实现烟丝与香料充分混合,通过气动元件控制混料滚筒的位置。

 2)精确加香加料模块是该装置的核心,由机械手、物料台、多功能抓手、注射泵、电子天平、工控机、数字I/O板卡以及稀释瓶过渡台等组成,其中多功能抓手安装于机械手上,能够夹取针头、香料瓶盖和稀释瓶等,通过机械手的运动替代人工进行配料加料,同时,机械手上还配备雾化喷头,能将稀释好的配方雾化喷入到烟丝当中,这些控制的实现都是通过工控机和数字I/O板卡。

  3)清洗模块用于避免交叉污染,将管路和针头内外处理干净,通过通入水或酒精对管路和针头进行冲洗,通人压缩空气,通过空气的摩擦进行二次冲洗,同时进行干燥处理。

  4)烘烤模块由滚筒、红外水分仪和热风枪组成,热风枪作为热源对滚筒进行加热,间接地将滚筒内烟丝烘烤,通过红外水分仪的监测,将雾化加液完成的烟丝烘烤至标准水分。

  工控机基于以太网总线和工业机器人通信,使用Socket协议,控制工业机器人运动;使用RS-232协议与电子天平和红外在线水分仪通信,获取香料等质量信息和水份信息;使用RS-485协议与注射泵通信,控制精确配香配料;使用I/O板卡,获取传感器输入信号,控制继电器、电磁阀、电机、指示灯动作。

2实验室加香加料控制算法

2.1加香加料控制策略

  实验装置采用组合式定量加液方式,将一次加液分两个阶段,先利用智能控制算法控制加入大量液体保证速度和一定的准确性,再使用点动式加液控制补偿剩余液体保证精度。

  料液有一定的黏稠度,加料过程出现滞后,将导致在粗加料阶段液体超调,影响下料的准确度,该方法为确保加香加料实验的效率,粗加料阶段以最大速度加料至80%~90%,进入精加料阶段后改用慢速逼近料液设定值。过程如图3所示。

  第二阶段为点动式加料,分为多个步骤,先定容,快速加料,按照黏稠度和密度,加到一定容量后关闭加料门,静置至料液全部加入,然后选择合适加料速度,控制加料门开关,点动加料逼近预期值,保证加料准确度。具体过程如图4所示。

2.2模糊自适应PID加香加料控制算法

 单个样品的加香加料可以采用离散PID方法,如公式(1)所示。

 香料黏度和密度相差大,品种多,单纯的PID控制器无法满足加液控制要求,为了使控制器具有更强的鲁棒性,选用模糊自适应PID控制方法。

 图5为针对实验室智能加香加料在Matlab中Simulink工具箱建立的模糊自适应PID控制器模型,

设置加入香料目标值为1 g,对比模糊自适应PID与传统PID控制器的控制效果曲线图如图6所示(其中虚线为传统PID控制效果图,实线为模糊自适应PID控制效果图),模糊自适应PID比传统PID控制器超调量更少,能更快的达到目标值。

3工业机器人和工控机软件设计

3.1  工业机器人软件设计

 工业机器人采用Rapid编程,机器人通过TCP/IP与工控机连接实现全过程自动化。主要分为以下几个基础功能:回初始位、抓取稀释瓶、取盖、抓针、加香加料、放针、放盖、摇匀、清洗针头、雾化加液和清洗雾化头等,其结构和过程函数如图7所示。

  加香加料采用组合式模糊PID控制策略,第一阶段采用模糊PID控制,第二阶段使用点动式控制,机械手进行碰壁加液,即控制机械手将夹取的针头对稀释瓶进行点触,将针头处因表面张力累积的香料及时加入瓶中。机器人碰壁动作时,机器人通过Socket协议告知工控机暂停称重,机器人返回等待碰壁点再称重,如果质量未达到,继续循环靠壁、称重,循环周期短,加入香料值小于允许误差范围,无超调现象。

3.2工控机软件设计

 工控机采用Lab VIEW软件编程,对电子天平、注射泵、红外在线水分仪、机械手和数个电磁阀进行控制和信号接收,控制加香加料过程。

 人机交互包括当前进行步骤、实际加入香料信息、输入配方信息、机械手运动状态以及运行模式等。图8为初始显示界面。

4加香加料实验

 选取5种不同黏度和密度香料进行加香加料试验,其物理参数见表2。

 实验装置使用Lab VIEW内定时程序测定从吸液到加液完毕的时间,重复6次试验,得到不同香料、不同剂量、加液时间和加液精度如表3所示。

  加入香料较少或者较多时的消耗时间相对来说较长,雷诺数大的液体加液时间比雷诺数小的相对较长,加香加料过程时间均控制小于7 min,结果误差都在0.005 g以内。

5结论

 基于IRB120工业机器人的卷烟智能加料加香实验装置实现了自动化加香加料,替代了传统的手工加香加料,在公司香料中心运行超过半年,加香加料过程时间均控制在7 min内,误差小于0.005 g,雾化效果良好,混料均匀,水分控制满足要求。

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