胡曉軍1，汪建偉1，倪輝1，張倜雄2，高陽1*

 1．浙江中煙工業有限責任公司（杭州310008）；2．上海理工大學（上海200093）

摘要加香加料是卷煙生產的重要環節，試驗基于IRB120研制了一套實驗室智能化加香加料裝置，實現煙絲上下料、精確加香加料、管道清洗以及煙絲烘烤等環節的自動化，加液時間小于7 min，使用組合式模糊-PID控制加液誤差小于2%，精度0.005 g。

關鍵詞  IRB120;智能化；加香加料

  量產卷煙前，實驗室需要對香料參數進行調整并做試驗研究，以獲得卷煙所需的吸味品質。國內20多家實驗室均采用手工方法調配，配方香料精度受人為因素影響較大，一次完整的加香加料試驗，要求配料精度0.005 g，單個配料時間小于7 min。目前國內針對加料加香裝置有許多研究，但均是針對卷煙廠生產線，沒有實驗室的智能加料加香裝置的研究，試驗基于ABB公司的IRB120T業機器人研制一套實驗室智能化加香加料裝置，用于替換手工調配香料。其工藝流程如下：

1  實驗室加料加香系統組成

 圖1為實驗室卷煙智能加料加香實驗裝置，系統采用ABB IRB120作為自動化的核心部件。主要部件如表1所示。

  實驗室加料加香系統按功能分為上下料模塊、加香加料模塊、清洗模塊以及烘烤模塊等，如圖2所示。

 1)上下料模塊由混料滾筒、步進電機、上料口、下料口及相關氣動元件組成，混料滾筒用于存放煙絲，步進電機負責帶動滾筒轉動實現煙絲與香料充分混合，通過氣動元件控制混料滾筒的位置。

 2)精確加香加料模塊是該裝置的核心，由機械手、物料臺、多功能抓手、注射泵、電子天平、工控機、數字I/O板卡以及稀釋瓶過渡臺等組成，其中多功能抓手安裝于機械手上，能夠夾取針頭、香料瓶蓋和稀釋瓶等，通過機械手的運動替代人工進行配料加料，同時，機械手上還配備霧化噴頭，能將稀釋好的配方霧化噴入到煙絲當中，這些控制的實現都是通過工控機和數字I/O板卡。

  3)清洗模塊用于避免交叉污染，將管路和針頭內外處理干凈，通過通入水或酒精對管路和針頭進行沖洗，通人壓縮空氣，通過空氣的摩擦進行二次沖洗，同時進行干燥處理。

  4)烘烤模塊由滾筒、紅外水分儀和熱風槍組成，熱風槍作為熱源對滾筒進行加熱，間接地將滾筒內煙絲烘烤，通過紅外水分儀的監測，將霧化加液完成的煙絲烘烤至標準水分。

  工控機基于以太網總線和工業機器人通信，使用Socket協議，控制工業機器人運動；使用RS-232協議與電子天平和紅外在線水分儀通信，獲取香料等質量信息和水份信息；使用RS-485協議與注射泵通信，控制精確配香配料；使用I/O板卡，獲取傳感器輸入信號，控制繼電器、電磁閥、電機、指示燈動作。

2實驗室加香加料控制算法

2.1加香加料控制策略

  實驗裝置采用組合式定量加液方式，將一次加液分兩個階段，先利用智能控制算法控制加入大量液體保證速度和一定的準確性，再使用點動式加液控制補償剩余液體保證精度。

  料液有一定的黏稠度，加料過程出現滯后，將導致在粗加料階段液體超調，影響下料的準確度，該方法為確保加香加料實驗的效率，粗加料階段以最大速度加料至80%～90%，進入精加料階段后改用慢速逼近料液設定值。過程如圖3所示。

  第二階段為點動式加料，分為多個步驟，先定容，快速加料，按照黏稠度和密度，加到一定容量后關閉加料門，靜置至料液全部加入，然后選擇合適加料速度，控制加料門開關，點動加料逼近預期值，保證加料準確度。具體過程如圖4所示。

2.2模糊自適應PID加香加料控制算法

 單個樣品的加香加料可以采用離散PID方法，如公式(1)所示。

 香料黏度和密度相差大，品種多，單純的PID控制器無法滿足加液控制要求，為了使控制器具有更強的魯棒性，選用模糊自適應PID控制方法。

 圖5為針對實驗室智能加香加料在Matlab中Simulink工具箱建立的模糊自適應PID控制器模型，

設置加入香料目標值為1 g，對比模糊自適應PID與傳統PID控制器的控制效果曲線圖如圖6所示（其中虛線為傳統PID控制效果圖，實線為模糊自適應PID控制效果圖），模糊自適應PID比傳統PID控制器超調量更少，能更快的達到目標值。

3工業機器人和工控機軟件設計

3.1  工業機器人軟件設計

 工業機器人采用Rapid編程，機器人通過TCP/IP與工控機連接實現全過程自動化。主要分為以下幾個基礎功能：回初始位、抓取稀釋瓶、取蓋、抓針、加香加料、放針、放蓋、搖勻、清洗針頭、霧化加液和清洗霧化頭等，其結構和過程函數如圖7所示。

  加香加料采用組合式模糊PID控制策略，第一階段采用模糊PID控制，第二階段使用點動式控制，機械手進行碰壁加液，即控制機械手將夾取的針頭對稀釋瓶進行點觸，將針頭處因表面張力累積的香料及時加入瓶中。機器人碰壁動作時，機器人通過Socket協議告知工控機暫停稱重，機器人返回等待碰壁點再稱重，如果質量未達到，繼續循環靠壁、稱重，循環周期短，加入香料值小于允許誤差范圍，無超調現象。

3.2工控機軟件設計

 工控機采用Lab VIEW軟件編程，對電子天平、注射泵、紅外在線水分儀、機械手和數個電磁閥進行控制和信號接收，控制加香加料過程。

 人機交互包括當前進行步驟、實際加入香料信息、輸入配方信息、機械手運動狀態以及運行模式等。圖8為初始顯示界面。

4加香加料實驗

 選取5種不同黏度和密度香料進行加香加料試驗，其物理參數見表2。

 實驗裝置使用Lab VIEW內定時程序測定從吸液到加液完畢的時間，重復6次試驗，得到不同香料、不同劑量、加液時間和加液精度如表3所示。

  加入香料較少或者較多時的消耗時間相對來說較長，雷諾數大的液體加液時間比雷諾數小的相對較長，加香加料過程時間均控制小于7 min，結果誤差都在0.005 g以內。

5結論

 基于IRB120工業機器人的卷煙智能加料加香實驗裝置實現了自動化加香加料，替代了傳統的手工加香加料，在公司香料中心運行超過半年，加香加料過程時間均控制在7 min內，誤差小于0.005 g，霧化效果良好，混料均勻，水分控制滿足要求。