采用多傳感器組網的箱煙輸送質量監控系統

李力 李盈 高雪峰

1.河南中煙工業有限責任公司南陽卷煙廠卷包部；2.陜西中煙工業有限責任公司寶雞卷煙廠

箱煙輸送是成品卷煙生產制造過程的“最后一公里”。受限于物理距離長，現有輸送系統存在檢測點位少，信號衰減干擾現象嚴重，本次研究通過采用基于多傳感器混合組網實現產品輸送過程全流程監控，可實時發現輸送過程的箱煙質量問題并進行問題追溯，減少裝箱機出口到成品庫傳輸通道意外停機以及因煙箱卡住后使輸送線上的設備損壞故障，降低物流輸送停機時間。

1 煙箱輸送系統現狀

煙箱從裝箱機出口至成品庫的輸送過程中要經歷提升、輸送、下降等多個環節，整個流程平均距離在400m以上，目前全流程已實現自動化輸送，無人員質檢及檢測裝置進行流程監控，僅有出口處分揀識別裝置。現流程在提升和下降環節經常產生煙箱阻塞、擠壓等質量、設備故障，造成輸送線長時間無法修復的情況。主要體現在以下幾方面。

1.1 粘貼不牢導致輸送過程開膠

由于包裝條包煙的紙箱循環使用，會造成紙箱變形及硬度降低，封帶端多重粘貼導致膠帶紙粘貼不牢固、不平整，次品率達2.1%。煙箱會在輸送過程中或在碼垛的過程中開膠，會造成輸送線停止運行，嚴重的造成輸送線器件損壞，造成輸送線長時間無法修復的情況。

1.2 前后擠壓導致煙箱翻轉

煙箱在進入到提升通道及下降通道時，由于存在慣性速度，在前方擋板的作用下會使煙箱由水平放置變成垂直放置，從而使煙箱的相對高度變高，造成煙箱卡住后使輸送線上的器件損壞，發生頻次2次/日，最低類單箱損耗2500元以上，導致輸送線長時間無法修復的情況。

1.3 碰撞導致煙箱位置錯位

煙箱在從提升通道和下降通道進入和離開時如果煙箱煙箱在通道中不居中會碰觸導向裝置造成煙箱在通道內堵塞，嚴重的造成輸送線器件損壞，造成輸送線長時間無法修復的情況。系統查詢提升托盤單價5200～24503元/件。重大堵塞故障一次更換8個，一般堵塞故障更換2個。

1.4 堵塞故障排查時間長

傳送通道較長，無人巡視，也無監測。當通道堵塞時無法及時發現堵塞情況，需要根據堵塞提醒進行分段檢查巡視，排查過程需要登高操作處理時間長，故障排除后需要遠端操作人員進行復位啟動，人員聯系溝通容易產生誤操作。重大堵塞故障一次耗時19h，一般堵塞故障也要耗時2h。

2 檢測方案設計

根據輸送過程產生的不同質量缺陷類型，采用針對性質量監控方案。

2.1 膠帶粘貼不牢檢測技術

采用基恩士IX-H多點式激光傳感器，通過識別封蓋因粘貼不牢引起的高度差檢測異常。傳統設計采用的單點高度激光傳感器或光電傳感器受檢測點數限制，只能在固定點位檢測，當煙箱位置、角度變化時會導致誤檢測，特別是煙箱運動過程位置有一定變動，容易造成膠帶對應位置變化，多點檢測采用直線掃描方式發出線狀激光，在封蓋表面識別直線內的高度差，將運動中的煙箱高度值形成測量面，可實現對目標物的高度、位置自動跟蹤，在識別有無的同時，準確檢測膠帶翹起、開膠質量缺陷。

2.2 煙箱放置方向改變檢測

采用線激光輪廓傳感器生成3D數據，煙箱通過后自動整合成一張單獨的輪廓或點云圖用于測量分析，關鍵的測量數據可同步整合到煙箱質量判定數據中。重點區域（ROI）實現精密特征檢測的同時，覆蓋外部輪廓的掃描范圍，實現煙箱變形的質量檢測，以最少的傳感器和最低的系統成本實現對煙箱的整體檢測。該傳感器內置4角度照明，通過將4張圖像合并為1張，減少光暈對檢測影響。如圖1所示。

2.3 煙箱在通道錯位檢測技術

采用紅外線安全光幕對經過的煙箱進行阻塞及位置檢測，通過合理設置光柵密度可實現對不同錯位距離的精準檢測，光幕尺寸可滿足長距離檢測要求，關鍵部位可實現獨立檢測，紅外線為不可見光不會對煙箱及檢測區域外人體形成安全隱患。當錯位煙箱經過或外部物體侵入區域時可自動輸出報警信號，滿足阻塞及位置檢測需求。如圖2所示。

2.4 傳感器組網技術

由于多型傳感器各自輸出信號不同，需要統一進行信號格式處理。部分檢測需要多個同型傳感器進行同時檢測，信號后期整合，在以上信號處理過程中因數據量大因此需合理進行區域分組，通過信號分組預處理降低后端處理數據量，提升反應速度。對現場層位置及執行等單一傳感器采用IO-LINK總線[1]，該總線可實現供電線路與信號線路共線傳輸，有效降低了線路鋪設難度，提升了維護便利性，該總線傳輸距離為小于20m，因此將臨近的多個傳感器合并傳輸至中繼控制站，控制站選型為西門子S7-1200，控制站之間采用PROFINET總線傳輸至總機。對多點激光傳感器及線激光輪廓傳感器因數據分析量高，采用獨立組站方式，在完成結果判定后通過PRORINET總線傳輸至總站。通過合理增加中繼整套系統可在滿足信號時效及準確性要求的情況下，完成5km以內長距離信號傳輸。

3 系統安裝設計

將整個煙箱輸送過程分為：裝箱機出口部分、提升機部分、輸送通道部分、下降機部分、出口部分（下降機出口）五部分進行改進及監控。如圖3所示，本系統為機電結合系統。

3.1 裝箱機出口部分（如圖4所示）

該部位安裝煙箱粘貼質量檢測。主要解決循環箱皮因多次使用，粘貼部位經常粘貼不牢固，輸送過程中容易出現開膠問題。同時在封箱機出口至提升通道之間加裝膠帶加固裝置。裝置內通過熱風對膠帶紙進行加熱處理，之后通過滾輪對膠帶粘合部位進行加固滾搓。作為封箱機包裝質量的把關措施，完成了膠帶紙二次加固，減少了可能產生的膠帶開膠質量問題。

3.2 提升機部分

該部位安裝箱煙形狀檢測保證煙箱進入提升機前的完好性，當發生故障時觸發停機信號。

提升平臺定位：安裝位置：提升機。使用定位傳感器（編碼器、無線射頻或其他種類檢測等）判斷每個提升平臺位置。

煙箱位置檢測：安裝位置：提升機入口。配合提升平臺定位判斷煙箱是否在正確位置，以免煙箱進入提升臺后發生擠壓和阻塞。

3.3 輸送通道部分

箱煙阻塞檢測：安裝位置：輸送通道、提升機的入口、出口、下降機的入口、出口。檢測數量：不少于6個。采用光電或成像檢測判斷通道上煙箱是否發生阻塞。故障處理方法：報警、停機。

通道防跑偏裝置：安裝位置：通道各轉彎處。保證煙箱處于通道中央位置，防止煙箱發生卡碰。

通道煙箱監控：安裝位置：輸送通道提升機出口處、近下降機入口處，共二處通道煙箱監控。采用成像技術檢測判斷煙箱是否發生破損、形變等。數量：2個。2個檢測相互配合。故障處理方法：報警、停機。即第一個為NG時報警，第二個也為NG時停機。

3.4 下降機部分

箱煙形狀檢測：安裝位置：下降機入口。采用測量光幕或輪廓檢測器檢測煙箱錯位、傾倒、破損、粘貼不良的質量缺陷,保證煙箱進入下降機前的完好性。故障處理方法：立即停機。

下降平臺定位：安裝位置：下降機。使用定位傳感器（編碼器、無線射頻或其他種類檢測等）判斷每個下降平臺位置。

煙箱位置檢測：安裝位置：下降機入口。配合下降平臺定位檢測判斷煙箱是否在正確位置，以免煙箱進入提升臺后發生擠壓和阻塞。

3.5 出口部分

出口煙箱監控：安裝位置：下降機出口。采用成像技術對每個煙箱的生產情況進行圖像留存。時間：大于30天。

煙箱數量統計：根據品牌進行數量統計。

3.6 電氣控制

控制核心采用可編程控制器（帶IO-LINK接口）+工控機，安裝在原系統電控柜內與原系統進行數據交換，控制輸送過程實時監控，故障報警。輸送過程中的五個部分分別檢測和輸出部件。分布在整個輸送過程中的各檢測部件和輸出部件，通過IO-LINK站點或無線傳輸等方式將信號與工控機及可編程控制器（帶IO-LINK接口）進行數據交換傳輸，完成控制過程。同時對通道中容易產生煙箱擁堵、變形的位置進行合理的優化處理。在煙箱輸送的整個過程中安裝無死角視頻監控，保證在檢測到通道發生故障或報警時，可以在監控畫面上實時查看故障發生原因及部位。

4 使用效果

本方案采用機器學習等人工智能檢測技術，實現檢測過程的自學習調校，與傳統人工檢測相比，可做到少維護和免維護。應用范圍廣。內容覆蓋物聯網相關的無線傳感器、射頻識別、智能傳感器等多類相關學科知識，在行業應用上有大量成熟案例；可移植性好。采用外部獨立檢測設計，技術自主可控，與原系統接口可采用通用總線技術，方便后期卷包技改升級移植；組網方式靈活。通過傳感器自組網、無線傳感器、NB-IOT窄帶通訊等多種方式可以滿足目前各種實際工業生產環境需求。

（1）保證煙箱輸送過程中能安全、順暢，檢測效率＞99.5%；

（2）提高循環煙箱使用質量和次數，檢測部位≥10個；

（3）減少停機，保證生產效率，報警停機響應時間＜500ms；

（4）減少監視通道，疏通通道的人工成本。