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(yè)有限責(zé)任公司（杭州310008）；2．上海理工大學(xué)（上海200093）

摘要加香加料是卷煙生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，試驗基于IRB120研制了一套實(shí)驗室智能化加香加料裝置，實(shí)現(xiàn)煙絲上下料、精確加香加料、管道清洗以及煙絲烘烤等環(huán)節(jié)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(guān)鍵詞  IRB120;智能化；加香加料

  量產(chǎn)卷煙前，實(shí)驗室需要對香料參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并做試驗研究，以獲得卷煙所需的吸味品質(zhì)。國內(nèi)20多家實(shí)驗室均采用手工方法調(diào)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(nèi)針對加料加香裝置有許多研究，但均是針對卷煙廠生產(chǎn)線，沒有實(shí)驗室的智能加料加香裝置的研究，試驗基于ABB公司的IRB120T業(yè)機(jī)器人研制一套實(shí)驗室智能化加香加料裝置，用于替換手工調(diào)配香料。其工藝流程如下：

1  實(shí)驗室加料加香系統(tǒng)組成

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

  實(shí)驗室加料加香系統(tǒng)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(jìn)電機(jī)、上料口、下料口及相關(guān)氣動元件組成，混料滾筒用于存放煙絲，步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)帶動滾筒轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)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(jī)械手、物料臺、多功能抓手、注射泵、電子天平、工控機(jī)、數(shù)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(jī)械手上，能夠夾取針頭、香料瓶蓋和稀釋瓶等，通過機(jī)械手的運(yùn)動替代人工進(jìn)行配料加料，同時，機(jī)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(dāng)中，這些控制的實(shí)現(xiàn)都是通過工控機(jī)和數(shù)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(nèi)外處理干凈，通過通入水或酒精對管路和針頭進(jìn)行沖洗，通人壓縮空氣，通過空氣的摩擦進(jìn)行二次沖洗，同時進(jìn)行干燥處理。

  4)烘烤模塊由滾筒、紅外水分儀和熱風(fēng)槍組成，熱風(fēng)槍作為熱源對滾筒進(jìn)行加熱，間接地將滾筒內(nèi)煙絲烘烤，通過紅外水分儀的監(jiān)測，將霧化加液完成的煙絲烘烤至標(biāo)準(zhǔn)水分。

  工控機(jī)基于以太網(wǎng)總線和工業(yè)機(jī)器人通信，使用Socket協(xié)議，控制工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動；使用RS-232協(xié)議與電子天平和紅外在線水分儀通信，獲取香料等質(zhì)量信息和水份信息；使用RS-485協(xié)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(jī)、指示燈動作。

2實(shí)驗室加香加料控制算法

2.1加香加料控制策略

  實(shí)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(zhǔn)確性，再使用點(diǎn)動式加液控制補(bǔ)償剩余液體保證精度。

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

  第二階段為點(diǎn)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(guān)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(guān)，點(diǎn)動加料逼近預(yù)期值，保證加料準(zhǔn)確度。具體過程如圖4所示。

2.2模糊自適應(yīng)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(qiáng)的魯棒性，選用模糊自適應(yīng)PID控制方法。

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

設(shè)置加入香料目標(biāo)值為1 g，對比模糊自適應(yīng)PID與傳統(tǒng)PID控制器的控制效果曲線圖如圖6所示（其中虛線為傳統(tǒng)PID控制效果圖，實(shí)線為模糊自適應(yīng)PID控制效果圖），模糊自適應(yīng)PID比傳統(tǒng)PID控制器超調(diào)量更少，能更快的達(dá)到目標(biāo)值。

3工業(yè)機(jī)器人和工控機(jī)軟件設(shè)計

3.1  工業(yè)機(jī)器人軟件設(shè)計

 工業(yè)機(jī)器人采用Rapid編程，機(jī)器人通過TCP/IP與工控機(jī)連接實(shí)現(xiàn)全過程自動化。主要分為以下幾個基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)和過程函數(shù)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(diǎn)動式控制，機(jī)械手進(jìn)行碰壁加液，即控制機(jī)械手將夾取的針頭對稀釋瓶進(jìn)行點(diǎn)觸，將針頭處因表面張力累積的香料及時加入瓶中。機(jī)器人碰壁動作時，機(jī)器人通過Socket協(xié)議告知工控機(jī)暫停稱重，機(jī)器人返回等待碰壁點(diǎn)再稱重，如果質(zhì)量未達(dá)到，繼續(xù)循環(huán)靠壁、稱重，循環(huán)周期短，加入香料值小于允許誤差范圍，無超調(diào)現(xiàn)象。

3.2工控機(jī)軟件設(shè)計

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

 人機(jī)交互包括當(dāng)前進(jìn)行步驟、實(shí)際加入香料信息、輸入配方信息、機(jī)械手運(yùn)動狀態(tài)以及運(yùn)行模式等。圖8為初始顯示界面。

4加香加料實(shí)驗

 選取5種不同黏度和密度香料進(jìn)行加香加料試驗，其物理參數(shù)見表2。

 實(shí)驗裝置使用Lab VIEW內(nèi)定時程序測定從吸液到加液完畢的時間，重復(fù)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(shù)大的液體加液時間比雷諾數(shù)小的相對較長，加香加料過程時間均控制小于7 min，結(jié)果誤差都在0.005 g以內(nèi)。

5結(jié)論

 基于IRB120工業(yè)機(jī)器人的卷煙智能加料加香實(shí)驗裝置實(shí)現(xiàn)了自動化加香加料，替代了傳統(tǒng)的手工加香加料，在公司香料中心運(yùn)行超過半年，加香加料過程時間均控制在7 min內(nèi)，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。