卷煙生產(chǎn)質(zhì)量全過(guò)程信息化管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牛燕麗， 王樂(lè)軍， 趙德華， 錢(qián)傳林， 王林枝

(湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠， 湖北，武漢 430000)

0 引言

煙草作為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，其發(fā)展直接影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體發(fā)展，為了生產(chǎn)更多高質(zhì)量、高品質(zhì)的卷煙，陳得麗等[1]將AHP-模糊算法應(yīng)用到卷煙制絲工作之中，利用算法在不同工段和工序等方面構(gòu)建評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)，根據(jù)各層級(jí)間指標(biāo)權(quán)重建立表征函數(shù)，使用綜合得分Sbatch模型評(píng)估卷煙煙絲質(zhì)量，通過(guò)過(guò)程控制加強(qiáng)質(zhì)量控制結(jié)果。袁海霞等[2]提出設(shè)計(jì)了一個(gè)柔性風(fēng)選系統(tǒng)，在三級(jí)風(fēng)選箱體的控制下，通過(guò)不同等級(jí)的風(fēng)篩選煙葉、煙梗和煙絲，剔除煙絲中的雜質(zhì)，提升煙絲質(zhì)量。

但隨著人們對(duì)煙絲質(zhì)量和包裝質(zhì)量要求的不斷提高，這些技術(shù)操作很難有效控制卷煙的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。當(dāng)煙絲質(zhì)量不合格，且沒(méi)有及時(shí)反饋不合格信息時(shí)，會(huì)影響卷煙包裝質(zhì)量。此次研究結(jié)合上述現(xiàn)有技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)卷煙生產(chǎn)質(zhì)量信息化管控系統(tǒng)，通過(guò)全過(guò)程的質(zhì)量管控提高卷煙包裝質(zhì)量。

1 設(shè)計(jì)卷煙生產(chǎn)質(zhì)量全過(guò)程信息化管控系統(tǒng)硬件

1.1 設(shè)計(jì)電壓輸出電路控制電平

為了排除外界干擾對(duì)信息化管控系統(tǒng)的影響，控制系統(tǒng)大多采用電池供電，但當(dāng)輸入信號(hào)為交流時(shí)，由于后期運(yùn)算放大器反向偏置截止的影響，正負(fù)半波輸出波形存在嚴(yán)重的失真問(wèn)題。此外，A/D轉(zhuǎn)換器不能有效地提取負(fù)半周信號(hào)，系統(tǒng)在工作過(guò)程中存在負(fù)峰值失真現(xiàn)象。對(duì)此，本次設(shè)計(jì)確定了零基線信號(hào)的電平，并通過(guò)施加直流偏置來(lái)重新設(shè)置電平范圍[3],選擇單片機(jī)STM32F103C8T6，設(shè)置A/D采集范圍為0～3.3 V，交流信號(hào)零基線調(diào)整至1.5 V，參考電壓輸出電路如圖1所示。

圖1 參考電壓輸出電路

圖1中，使用可控精密穩(wěn)壓源芯片TL431，已知其動(dòng)態(tài)阻抗為0.2 Ω，適用于運(yùn)放電路。當(dāng)圖2中的電阻R2與R4能夠確定數(shù)值時(shí)，根據(jù)二者對(duì)3.3 V電壓的反饋，控制電平。

1.2 完善濾波電路處理前端干擾

管控系統(tǒng)以信號(hào)采集為基礎(chǔ)，此項(xiàng)工作是影響系統(tǒng)管控效果的重要環(huán)節(jié)之一。已知信號(hào)采集過(guò)程中出現(xiàn)的前級(jí)運(yùn)放漂移會(huì)造成一定程度的偏差，影響有效信號(hào)的采集效率，因此在高通濾波能夠穩(wěn)定工作的前提下，設(shè)計(jì)低通濾波電路完善整體濾波電路，如圖2所示。

圖2 二階低通濾波電路

圖2中，當(dāng)濾波器各個(gè)電容、各個(gè)電阻完全相等時(shí)，能夠?qū)⒔刂诡l率控制在400 Hz，同時(shí)將增益擴(kuò)大到2倍。該電路通過(guò)過(guò)濾的方式控制低頻信號(hào)工作，經(jīng)信號(hào)放大處理后，向其他端口傳輸信息[4]，強(qiáng)化系統(tǒng)處理信號(hào)的能力。

2 設(shè)計(jì)卷煙生產(chǎn)質(zhì)量全過(guò)程信息化管控系統(tǒng)軟件

全過(guò)程質(zhì)量控制涵蓋卷煙的生產(chǎn)、形成和完成等過(guò)程穩(wěn)態(tài)監(jiān)控。通過(guò)對(duì)工藝標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)的有效控制，規(guī)范設(shè)備的生產(chǎn)。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)月的生產(chǎn)計(jì)劃選擇卷煙生產(chǎn)車(chē)間和部門(mén)，然后將來(lái)自制絲車(chē)間、卷車(chē)室、質(zhì)量技術(shù)部的數(shù)據(jù)發(fā)送到生產(chǎn)部。根據(jù)生成計(jì)劃的內(nèi)容，建立生產(chǎn)調(diào)度指令，控制設(shè)備對(duì)卷煙的生產(chǎn)。結(jié)合卷煙生產(chǎn)全過(guò)程，提出了卷煙生產(chǎn)線內(nèi)外工藝要求。生產(chǎn)過(guò)程需要與制絲控制單元和線圈、連接、保證控制單元配合實(shí)現(xiàn)。控制體系要求質(zhì)量管理單位對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃、工藝標(biāo)準(zhǔn)、工藝類(lèi)型等進(jìn)行調(diào)整，對(duì)已發(fā)布但未實(shí)施的工藝要求可動(dòng)態(tài)回收,對(duì)于生產(chǎn)階段的工藝標(biāo)準(zhǔn)，可以不斷更新，通過(guò)2個(gè)單位的協(xié)調(diào)，保證卷煙生產(chǎn)全過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化。

在卷煙生產(chǎn)的全過(guò)程中，每批加料的批次、牌號(hào)等相關(guān)操作保持不變，如當(dāng)天的加料序號(hào)為1、2、3、4、5，批次為年/月/日，配方號(hào)為19、33，日常生產(chǎn)計(jì)劃需要多次調(diào)整，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線跟蹤。本研究將生產(chǎn)批次重新定義,次數(shù)為1、2、3等,批次為月/日,品牌為配方編號(hào)P1、P2、P3等，設(shè)置工藝標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)，包括總量增加、數(shù)據(jù)變更、動(dòng)態(tài)發(fā)布。在數(shù)量增加方面，直接增加新配方、新標(biāo)準(zhǔn)；在數(shù)據(jù)變更方面，將現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為無(wú)效后，增加新的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù),過(guò)期標(biāo)準(zhǔn)直接刪除。根據(jù)以上內(nèi)容，在系統(tǒng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)表中，增加“次數(shù)”字段，輸入更完整的工藝標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，將“Times”的值設(shè)置為1，并且每天早上更新標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 建立數(shù)據(jù)在線采集與顯示模塊

數(shù)據(jù)在線采集模塊采用DAQmx VI函數(shù)，通過(guò)在LabVIEW中調(diào)用實(shí)現(xiàn),因此該功能安裝在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇數(shù)據(jù)采集，再點(diǎn)擊DAQ助手添加到程序框圖中。DAQ助手初始化運(yùn)行，根據(jù)設(shè)置的批次參數(shù)，生成任務(wù)對(duì)話(huà)框，選擇采集信號(hào)后，點(diǎn)擊模擬輸入和生成電流，點(diǎn)擊通信硬件的物理通道按鍵，設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)。已知接口產(chǎn)生的信號(hào)輸入范圍、采集方式、讀取采樣和采樣率等參數(shù)選項(xiàng)，因此需要合理設(shè)置這些參數(shù)來(lái)控制數(shù)據(jù)采集結(jié)果。默認(rèn)采集方式包括按需采樣、定時(shí)采樣、N次采樣和連續(xù)采樣。為了控制香煙的質(zhì)量，需要更精確的數(shù)據(jù)，因此設(shè)置了連續(xù)采樣模式，并通過(guò)操作面板上的“采樣”鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)采樣。系統(tǒng)執(zhí)行信號(hào)采樣工作時(shí)，利用傅里葉變換公式，采集連續(xù)信號(hào)：

(1)

圖3 數(shù)據(jù)處理模塊面板

圖3中，深色曲線表示正常信號(hào),淺色曲線表示異常信號(hào)。點(diǎn)擊“選擇文件”按鈕獲取采集到的信號(hào)，選擇要生成相應(yīng)卷煙生產(chǎn)信息的文件批,選擇文件后，點(diǎn)擊生成按鈕，得到生產(chǎn)信息曲線。曲線對(duì)應(yīng)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際時(shí)間點(diǎn)。根據(jù)上述界面顯示實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù),曲線波動(dòng)范圍小時(shí)，該階段產(chǎn)品質(zhì)量在標(biāo)準(zhǔn)化范圍內(nèi)；當(dāng)曲線波動(dòng)幅度較大時(shí)，說(shuō)明現(xiàn)階段生產(chǎn)存在問(wèn)題，需要進(jìn)行系統(tǒng)管理和控制[6]。

2.2 設(shè)計(jì)生產(chǎn)質(zhì)量動(dòng)態(tài)評(píng)估過(guò)程

顯示模塊生成的曲線可以直接反映卷煙生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量，但不能給出實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)描述質(zhì)量水平，因此結(jié)合有序加權(quán)算子C-OWA設(shè)計(jì)了卷煙生產(chǎn)質(zhì)量的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)過(guò)程。假設(shè)生產(chǎn)質(zhì)量A的決策數(shù)據(jù)集為(a1,a2,…,an)，數(shù)據(jù)集合中的各個(gè)參數(shù)按照從小到大的順序排列，對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果用(k1,k2,…,kn)表示。加權(quán)決策數(shù)據(jù)，根據(jù)組合數(shù)的性質(zhì)計(jì)算加權(quán)向量ωm+1，得到：

(2)

(3)

(4)

式中,i表示若干個(gè)數(shù)據(jù)。通過(guò)以上過(guò)程，設(shè)計(jì)了產(chǎn)品質(zhì)量動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖3所示數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果確定產(chǎn)品質(zhì)量，為系統(tǒng)的全過(guò)程信息管理和控制提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 構(gòu)建自動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警融合模型管控生產(chǎn)過(guò)程

基于動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，建立自動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警融合模型，實(shí)現(xiàn)了卷煙生產(chǎn)質(zhì)量的全過(guò)程信息管理與控制[7-8]。

在建立模型之前，首先建立模型的基本結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警融合模型基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖4可知，該模型按照“輸入-處理-輸出”過(guò)程對(duì)卷煙生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行控制,同時(shí)在這一過(guò)程中發(fā)揮著數(shù)據(jù)識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和決策功能的作用。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)輸入的產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行處理，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果的級(jí)別反饋不同類(lèi)型的報(bào)警內(nèi)容，為各個(gè)環(huán)節(jié)提供有效的管理和控制數(shù)據(jù)。其中，利用數(shù)據(jù)識(shí)別技術(shù)快速提取存在質(zhì)量問(wèn)題的信號(hào)，依靠下列式(5)獲得識(shí)別結(jié)果：

H=h(T,b,f)+r

(5)

式中,H表示識(shí)別結(jié)果,h(T,b,f)表示在時(shí)間T、誤差b以及評(píng)價(jià)f影響下識(shí)別函數(shù),r表示異變指標(biāo)。利用式(5)控制模型的數(shù)據(jù)識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)卷煙實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)[9]。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)依賴(lài)式(6)的聚類(lèi)準(zhǔn)則，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為生成預(yù)警內(nèi)容提供依據(jù)：

(6)

式中,W表示聚類(lèi)準(zhǔn)則,m表示數(shù)據(jù)簇的個(gè)數(shù),i表示數(shù)量,λ表示數(shù)據(jù)集合中的點(diǎn),qi表示數(shù)據(jù)簇的平均值。根據(jù)生產(chǎn)中存在質(zhì)量問(wèn)題的環(huán)節(jié)，為產(chǎn)出提供異常數(shù)據(jù)定位數(shù)據(jù)[10]。決策功能根據(jù)前兩層獲取的信息直接生成報(bào)警界面，統(tǒng)計(jì)車(chē)間、生產(chǎn)時(shí)間、工藝進(jìn)度、準(zhǔn)備階段、問(wèn)題數(shù)量和類(lèi)型。在該模型的操作支持下，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了卷煙生產(chǎn)質(zhì)量全過(guò)程的信息管理和控制。

3 實(shí)例應(yīng)用與分析

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的管控效果，將其設(shè)為實(shí)驗(yàn)組，將文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的管控系統(tǒng)分別作為對(duì)照組A和對(duì)照組B，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試的方式比較不同系統(tǒng)應(yīng)用下的卷煙生產(chǎn)質(zhì)量。

選擇某個(gè)卷煙生產(chǎn)質(zhì)量未達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)間，分別利用3種不同的系統(tǒng)管控卷煙生產(chǎn)全過(guò)程,該生產(chǎn)車(chē)間中已經(jīng)存在能正常運(yùn)作的卷煙生產(chǎn)設(shè)備，無(wú)需準(zhǔn)備生產(chǎn)工具。選擇一級(jí)分離腔體和真空離心分離腔體，用于分離卷煙標(biāo)簽與煙絲,選擇電子秤稱(chēng)重單只卷煙的煙絲重量。實(shí)例測(cè)試共設(shè)置2個(gè)測(cè)試階段，通過(guò)多組比較的方式，分析系統(tǒng)的管控效果。

3.2 卷煙包裝質(zhì)量

讓車(chē)間執(zhí)行卷煙生產(chǎn)任務(wù)，分別將不同的系統(tǒng)應(yīng)用到管控工作當(dāng)中，圖5為生產(chǎn)結(jié)束后，隨機(jī)抽取的3組卷煙成品。

(a) 實(shí)驗(yàn)組

根據(jù)圖5顯示的實(shí)際結(jié)果可知，2個(gè)對(duì)照組的香煙標(biāo)簽煙絲壓緊不良，且起皺，煙絲未填充均勻，堆積在標(biāo)簽頂部，而實(shí)驗(yàn)組的香煙標(biāo)簽完好，在整體包裝上，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制效果較好。

3.3 稱(chēng)取卷煙重量

拆除不同測(cè)試組的卷煙標(biāo)簽，獲得3組煙絲。挑選3組煙絲中未成絲的煙梗，如圖6所示。利用電子秤稱(chēng)重每一支卷煙的煙絲重量，已知該廠家生產(chǎn)的卷煙，要求單支重量在1.05～1.15 g之間，表1為3個(gè)測(cè)試組的卷煙煙絲稱(chēng)重結(jié)果。

表1 單支卷煙的煙絲重量稱(chēng)取結(jié)果 單位:g

利用表1整理電子秤的3組煙絲稱(chēng)重結(jié)果，實(shí)驗(yàn)組的單支卷煙煙絲重量，在廠家規(guī)定的1.05～1.15 g之間，而對(duì)照組A的單支卷煙煙絲重量大多數(shù)超過(guò)了1.15 g，對(duì)照組B則大部分不足1.05 g。根據(jù)圖6顯示的結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)組的煙梗盡管不夠纖細(xì)，但成絲細(xì)膩，而2個(gè)對(duì)照組的煙梗過(guò)大、過(guò)長(zhǎng)，說(shuō)明其在煙絲制作過(guò)程中的管控效果不佳，所以圖5中的(b)露出大量煙絲、(c)則缺少煙絲導(dǎo)致標(biāo)簽未被填滿(mǎn)，影響了整個(gè)卷煙的包裝質(zhì)量。

(a) 實(shí)驗(yàn)組

4 總結(jié)

本文通過(guò)數(shù)據(jù)在線采集與顯示模塊實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)全過(guò)程信息，引入有序加權(quán)算子評(píng)價(jià)卷煙生產(chǎn)質(zhì)量，聯(lián)合自動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警融合模型，將監(jiān)測(cè)與預(yù)警融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控，為卷煙生產(chǎn)質(zhì)量的提升提供了更加可靠的技術(shù)。

但此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，沒(méi)有對(duì)其耗能情況進(jìn)行測(cè)試，所以應(yīng)用該系統(tǒng)可能會(huì)增加能耗，從而增加生產(chǎn)成本。今后可以利用評(píng)估函數(shù)分析系統(tǒng)使用能耗，并調(diào)整部分系統(tǒng)硬件，將整體能耗控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，節(jié)省生產(chǎn)成本。