基于激光測距技術的濾棒成型機絲束余量監控系統設計

何 超，周易文，喻 濤，彭國事，李 超

紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠，云南省曲靖市麒麟區麒麟北路499 號 655001

醋酸纖維絲束（以下簡稱絲束）是卷煙濾棒生產的主要原輔材料，一般以包（500 kg/包）為單位存放于原輔料室中，生產時由人工將新絲束包配送至成型機。為確保絲束包配送準時，在交班前需要統計車間內各成型機絲束包剩余高度并估算交班余絲量，從而為預測絲束包配送時間提供依據。由于交班余絲量估算誤差大且絲束包配送時間容易受成型設備保養時間的影響，經常會出現絲束包配送超前或滯后等問題，導致配送人員在機臺處長時間等待或設備停機等待，影響設備生產效率。近年來，針對絲束和濾棒生產過程中的工藝優化和設備改進已有較多研究。柴可梁［1］通過加裝吸阻穩定裝置，消除了絲束包打包壓痕、絲束帶高度降低等因素對濾棒吸阻穩定性的影響；廖偉宏等［2］通過改進KDF3成型機開松裝置的氣路部分，為捕絲器提供壓力穩定的壓縮空氣，提高絲束線速度穩定性，減少設備故障停機次數；黃建新等［3］通過實驗表明，在濾棒生產過程中采取降低絲束張力和提高絲束上油均勻性等措施能夠減少飛花現象；朱唯等［4］采用正交試驗對KDFM成型機3個開松輥的轉速進行優化，降低了濾棒生產中的絲束消耗；宋慶慶等［5］設計了一種絲束生產線自控系統，提高了絲束生產效率和質量；趙松斌等［6］通過加裝超低臺面精密電子秤實時采集絲束質量，并基于ZigBee無線傳輸技術設計了一種煙用絲束計量系統，但為保證電子秤臺面與地面平齊，需要在車間內設置下沉式安裝槽，該方法不適用于高層廠房。激光測距傳感器具有測量精度高、安裝方便等優點，不需要改變車間內設備布局即可實現對絲束包剩余高度的測量。為此，基于激光測距技術設計一種絲束余量監控系統，以期提高濾棒成型機絲束配送時效性，提升設備生產效率。

1 系統設計

1.1 系統結構

絲束余量監控系統主要由激光測距傳感器、無線傳輸模塊、服務器和PC端組成，見圖1。激光測距傳感器安裝于絲束包防塵罩（圖2）上，以實時測量傳感器到絲束包頂部平面的距離（即傳感器檢測距離）；無線傳輸模塊將傳感器采集的數據傳輸至服務器后轉換為絲束包高度并存儲于服務器中；PC端讀取絲束包高度并計算絲束包余量信息（以百分比表示），可實時顯示車間內所有濾棒成型機的絲束包余量，從而合理安排新絲束包的配送時間。無線傳輸模塊與數據庫之間通過LoRa 協議［7］連接，并接入卷煙廠內部視頻監控局域網絡。服務器由中繼服務器和Sql Server數據庫服務器組成，中繼服務器用于串口創建和程序配置，Sql Server數據庫服務器用于數據存儲；通信部分包括傳輸和接收，兩部分均采用相同模塊并以網絡廣播的形式進行通信。

圖1 絲束余量監控系統結構示意圖Fig.1 Structure of leftover tow monitoring system

圖2 激光測距傳感器安裝位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of installation position of laser distance sensor

1.2 傳感器選型和參數設置

綜合考慮每臺濾棒成型機中激光測距傳感器的安裝高度和檢測精度要求，選用了LDM2002RWGC型激光測距傳感器（德國JENOPTIK 公司），測量精度為0.1 mm，采樣頻率為500 Hz，串口為RS485 接口組成半雙工網絡［8］。受生產現場噪聲及振動等環境因素影響，采用平衡驅動器和差分接收器組合方式，并使用抗共模干擾能力強的屏蔽雙絞線進行傳輸。此外，還采用了靈敏度高、功耗低、可靠性強的LoRa 無線傳輸技術，通過終端模塊與網關模塊配對使用，將傳感器數據通過無線網絡進行傳輸。傳感器總線接口為RS485/TTL；波特率為9 600 Bd，配有1 個起始位，8 位數據位，2 個停止位；功能碼為1～127；數據格式為RTU；校驗方式為循環冗余CRC校驗。

1.3 絲束余量計算方法

1.3.1 絲束包狀態分類

在服務器中創建、配置OPC 程序［9］并編寫觸發器程序［10］，對實時傳入數據進行平滑處理并用數據標識來表征當前絲束包狀態。如圖3 所示，將傳感器采樣頻率設置為500 Hz，正常生產過程中絲束包平面每消耗一層絲束用時25 s 左右，取每25 s 合計12 500個數據的平均值作為當前時間節點的絲束包高度。為方便數據分析，將生產中傳感器檢測值分為4種狀態：①當檢測值（即傳感器到絲束包頂部平面的距離）達到最大值時，將數據狀態FStaus設置為10，表示當前處于絲束包用盡且托盤（位于絲束包下方，便于叉車配送絲束，見圖2）移走狀態；②當檢測值達到次大值時，將數據狀態FStaus設置為20，表示絲束用盡但托盤未移動狀態；③當檢測值達到最小值時，將數據狀態FStaus設置為30，表示新絲束包到位并開始生產狀態；④當檢測值處于次大值與最小值之間時，將數據狀態FStaus設置為40，表示正常生產狀態。當數據狀態FStaus 為10、20 和30 時，系統程序直接輸出測量值；當數據狀態FStaus為40時，系統程序調用絲束包高度計算公式，輸出計算結果作為絲束余量計算程序的輸入值。

圖3 絲束包狀態分類Fig.3 Classification of tow bale statuses

1.3.2 絲束包高度計算

傳感器安裝角度及高度會對絲束包高度計算結果產生影響。如圖4所示，傳感器激光照射方向（AE方向）與垂直方向的夾角為α（°），光線出口距離地面的垂直距離為AD（mm），托盤高度為CD（mm）。當傳感器檢測距離為a（mm）時，可根據余弦三角函數計算當前絲束包高度h（mm）：

圖4 絲束包高度計算原理圖Fig.4 Schematic diagram of tow bale’s height calculation

當h＞0時，表示絲束包未用完，成型機組處于正常生產狀態；當h=0時，表示絲束包已用完而托盤未移走；當h<0時，表示絲束包已用完且托盤被移走。

1.3.3 絲束余量計算

通過PC端讀取絲束包高度h后，根據公式（2）計算得到絲束余量：

式中：μ為絲束包的質量高度系數，與絲束牌號相關且可通過計算得到，kg/m；m0為絲束包原始質量，kg。

1.4 系統監控界面

1.4.1 絲束消耗信息查詢界面

通過PC 端可以實時顯示當前班次的絲束消耗數據，并在數據庫服務器中存儲近6 個月的歷史數據。如圖5所示，絲束消耗信息查詢界面的上部為基礎信息欄，選擇日期、班次和機臺號后，可以查詢相應的絲束消耗數據。其中，接班余絲高度、第一包新絲束質量、第二包新絲束質量、交班余絲高度以及該班次絲束用量均由系統測算后自動填寫和保存，計算系數（即質量高度系數μ）由機臺操作人員查詢前期統計結果后錄入。界面下部顯示生產過程中絲束包高度隨時間變化曲線，通過識別換絲（即新絲束包配送時間）、機器保養等時間段可以查詢各班次設備生產狀態。

圖5 絲束消耗信息查詢界面Fig.5 Interface for retrieving tow consumption

1.4.2 絲束余量監控界面

如圖6所示，絲束余量監控界面可以實時顯示車間內所有處于運行狀態的濾棒成型機的絲束余量信息。當絲束余量＞10%時，系統正常運行；當絲束余量＜10%時，系統預警并提醒工作人員配送絲束。

圖6 濾棒成型機絲束余量監控界面Fig.6 Interfaces for monitoring leftover tow in filter rod maker

2 應用效果

2.1 實驗設計

材料：醋酸纖維絲束3.0Y35000d、2.4Y34000d（昆明醋酸纖維有限公司）；醋酸纖維絲束3.0Y35000d（南通醋酸纖維有限公司）。

設備：12 臺KDF4 濾棒成型機（德國HAUNI 公司）。

方法：絲束余量監控系統應用前，通過人工在交班前測量各成型機剩余絲束高度并計算絲束余量，配送人員根據測量數據預估新絲束包的配送時間；系統應用后，配送人員根據絲束余量監控界面的提示為成型機配送新絲束包。記錄監控系統應用前后12臺濾棒成型機的絲束包配送超前（配送人員在成型機處等待時間超過2 min）次數和因絲束包配送不及時而導致的停機等待時間，取5 個班次的平均值。

2.2 數據分析

由表1 可見，絲束余量監控系統應用后，未出現絲束配送超前情況，因新絲束包配送不及時而導致的濾棒成型機停機等待時間減少7.79 min/班次，表明監控系統的應用有效減少了配送人員工作量，實現了新絲束包準時配送，提高了設備生產效率。

表1 絲束余量監控系統應用前后濾棒成型機運行數據對比①Tab.1 Comparison of operating data of filter rod maker before and after application of leftover tow monitoring system

3 結論

設計了一種濾棒成型機絲束余量監控系統，通過實時獲取絲束包高度并計算絲束包余量信息，實時顯示濾棒成型機的絲束余量，并提示配送人員為成型機及時配送絲束。以曲靖卷煙廠濾棒生產車間的12 臺KDF4 濾棒成型機為對象進行測試，結果表明：絲束余量監控系統應用后，無需在交班前由人工統計各成型機絲束余量且未再出現絲束超前配送情況，成型機因絲束配送不及時而導致的停機等待時間減少7.79 min/班次，有效減少了配送人員工作量，提高了濾棒成型機生產效率。