基于統計過程控制（SPC）的煙草制絲工藝設備自動監測系統

張謀東

（廈門海晟融創信息技術有限公司，廈門 361008）

在科技進步的當下，現代化生產工藝對設備監測和質量控制的要求越來越高。煙草制絲工藝是卷煙生產過程中的重要環節[1]，其主要任務是將煙草原料加工成符合卷煙生產要求的絲束。煙草制絲工藝流程包括多個主要工段，如切片、潤濕、切絲、干燥等。每個工段都涉及多種設備，如切絲機、回潮機、干燥機等。這些設備的運行狀態直接影響到絲束的質量和卷煙的生產效率[2]。因此，煙草制絲工藝設備自動監測系統的設計和實施顯得尤為重要。

針對煙草制絲工藝設備自動監測系統監測精度不佳、煙草制絲質量不佳等問題。已有研究在煙草制絲工藝設備系統自動監測方面開展：文獻[3]設計旋轉設備在線監測系統，以Android 平臺為基礎，對旋轉設備進行實時在線監測，通過在旋轉設備上安裝傳感器，利用Android 智能終端設備接收傳感器數據，實現對旋轉設備的運行狀態、故障預警、安全性能等方面的監測；文獻[4]設計煙草制絲設備停機故障監測系統，利用小波網絡的特性，能夠有效地提取設備運行中的特征信息，并對其進行多尺度分析和異常檢測。但以上系統在進行煙草制絲工藝設備監測時，會出現監測延時情況，無法對煙草制絲工藝設備進行全方位監測，導致其應用效果不佳。

統計過程控制（SPC）作為一種廣泛應用于工業生產的質量控制方法，可以有效識別異常波動，提高生產過程的穩定性和產品質量。本文將介紹一種基于統計過程控制的煙草制絲工藝設備自動監測系統的設計和實現方法，以期為相關領域的研究和實踐提供有益的參考。

1 煙草制絲工藝設備自動監測系統

1.1 系統技術框架設計

依據煙草制絲工藝設備自動監測系統的需求分析，設計煙草制絲工藝設備自動監測系統技術框架，結構如圖1 所示。

圖1 煙草制絲工藝設備自動監測系統技術框架Fig.1 Technical framework of automatic monitoring system for tobacco silk production process equipment

1.2 系統網絡架設

煙草制絲工藝設備自動監測系統運行依托于現代網絡技術[5]，其采集煙草制絲工藝設備現場數據、進行數據分析以及可視化呈現煙草制絲工藝設備運行狀態時均離不開網絡，煙草制絲工藝設備自動監測系統網絡結構如圖2 所示。煙草制絲工藝設備自動監測系統網絡以以太網為基礎，通過以太網連接LED 管理機、網絡打印機、I/O 服務器、監控計算機、調度管理機和綜合維護計算機，通過以上設備獲得煙草制絲工藝設備監測結果并對煙草制絲工藝設備進行調度、維護等管理[6-7]。以太網與廠級網相連后，通過服務器與打葉機、切片機等煙草制絲工藝設備相連，并使用傳感器采集煙草制絲工藝設備實時運行數據后，通過以太網將其傳輸到監控計算機內，實現煙草制絲工藝設備實時數據的采集[8]。

圖2 煙草制絲工藝設備自動監測系統網絡結構Fig.2 Network structure of automatic monitoring system for tobacco silk production process equipment

1.3 基于統計過程控制（SPC）的煙草制絲工藝設備監測

統計過程控制（SPC）的核心是SPC 控制圖，其屬于一種分析工具，通過分析煙草制絲工藝設備過程質量特性，對其進行分析和判斷后[9-10]，以直觀統計圖的方式呈現煙草制絲工藝設備監測結果，統計過程控制圖基本形式如圖3 所示。在統計過程控制圖內分為上控制限、下控制限和中心限，通過分析檢測目標組號與上控制限、下控制限和中心限的位置關系，即可得到組號對應的監測目標設備是否在正常運行。

圖3 統計過程控制圖基本形式Fig.3 Basic form of statistical process control chart

通過統計過程控制圖可直觀呈現煙草制絲工藝設備當前運行狀況。但由于煙草制絲工藝設備類型較多，在煙草制絲時，需要依據產品質量特性進行劃分，其中包括計量值控制圖、計數控制圖等，如煙絲制作過程中的水分、壓力等數據均為連續的變量，其可劃分為計量值。在本文系統中，使用均值-極差控制圖和均值-標準差控制圖來呈現煙草制絲工藝設備監測結果。（-R）表示均值-極差控制圖，其中均值的控制限計算公式為

式中：UCL、CL、LCL 分別表示均值的上、中、下控制限；表示所有均值的平均值；η2表示均值的控制系數；表示煙草制絲工藝設備樣本極差均值。

極差R 的控制限計算公式為

式中：η4、η3分別表示極差R 上、下控制限系數。

式中，η6、η5分別表示極差s 上、下控制限系數。

利用式（2）～式（4）即可生成煙草制絲工藝設備的統計過程控制（SPC）圖，根據控制圖的分析和判斷準則可判斷當前煙草制絲工藝設備運行狀況，得到其監測結果。

1.4 煙草制絲設備監測結果可視化

3ds MAX 是專業的建模軟件，系統利用該軟件建立煙草制絲工藝設備模型，以可視化的方式呈現煙草制絲設備監測結果。3ds MAX 詳細過程如下：

（1）結合autoCAD 軟件建立煙草制絲工藝設備模型和場景模型，先設置3ds MAX 軟件內的單位，更改系統單位設置和顯示單位比例，將3ds MAX軟件和autoCAD 軟件設置成同步狀態，將煙草制絲設備的DWG 文件導入到autoCAD 軟件內，再通過3ds MAX 軟件內TOP 視圖依次捕捉煙草制絲設備和場景輪廓線后，生成煙草制絲工藝設備模型和環境場景。

（2）紋理貼圖處理。為使建立的煙草制絲設備模型和場景更加逼真，以煙草制絲設備和場景的紋理照片為基礎，對煙草制絲設備模型和場景進行紋理貼圖，其過程如圖4 所示。煙草制絲設備和場景紋理貼圖前，需要對紋理照片進行修剪、旋轉、扭曲以及透視等操作，使紋理照片角度、大小等與建立的煙草制絲設備和場景模型吻合，再對環境進行補光和數據調整處理后，將紋理照片貼到建立的煙草制絲設備和場景模型上，即可得到逼真的煙草制絲設備模型和場景，利用其呈現煙草工藝制絲設備監測可視化結果。

圖4 紋理貼圖過程Fig.4 Texture mapping process

2 實驗結果與分析

以某煙草生產銷售企業作為實驗對象，該煙草生產企業成立于2006 年，年生產量位居全國前幾位，但由于該煙草生產企業成立時間較長，煙草制絲工藝設備眾多，雖然在后續設備更新過程中引入了新型設備，但較多的設備無法實現自動監測。應用本文系統對該煙草生產企業煙草制絲工藝設備進行自動監測，驗證本文系統實際應用效果。

煙草制絲工藝設備自動監測系統穩定運行是最基礎的性能，以系統在給定時間內能夠正常提供服務的能力，也就是可用性作為衡量指標，驗證本文系統在不同測試次數下，其可用性數值變化情況，測試結果如表1 所示。根據表1，系統可用性指標的最低值達到了98.84%，這個數值表明本文所討論的系統在運行穩定性方面具有良好表現。

表1 系統可用性指標值Tab.1 System availability index values

煙草制絲工藝設備自動監測系統依托網絡運行，因此網絡傳輸能力也是衡量該系統的重要指標之一，利用本文系統傳輸網絡編碼數據包，并生成本文系統傳輸網絡編碼數據包的時域波形，分析本文方系統的通信傳輸能力，測試結果如圖5 所示。根據對圖5 的分析可得，在傳輸網絡編碼數據包的過程中，時域波形呈現規律性的變化趨勢。當傳輸時間超過0.04 s 后，網絡編碼數據包的時域波形變為0 dB，這表明數據包已經成功傳輸完成。整個傳輸過程所耗費的時間大約僅為0.04 s 左右。這一結果說明了本文所描述的系統具有較好的網絡傳輸能力。由于網絡編碼數據包的傳輸是高效和準確的，因此該系統能夠實現在較短時間內完成大量數據的傳輸。這不僅有助于提升網絡傳輸的效率，還能夠更好地滿足實際應用中的需求。

圖5 網絡編碼數據包傳輸時域波形Fig.5 Time domain waveform of network encoded data packet transmission

以煙草制絲工藝設備中的包裝設備和烘絲設備作為實驗對象，使用本文系統對其進行監測，監測結果如圖6 所示。分析圖6（a），可以了解到煙草制絲工藝設備中的包裝設備壓力呈現出無序波動狀態，但整體上始終在中心限左右波動，沒有超出上控制限和下控制限，這一結果表明，當前的包裝設備處于正常運行狀態。此外，從圖6（b）可以看出，烘絲設備的溫度呈現出有序的波動變化趨勢，然而在設備運行約60 min 時，溫度點超出下控制限，這說明此時烘絲設備可能出現了異常狀態。綜上所述，利用本文所介紹的監測系統可以有效監測煙草制絲工藝設備的運行狀態，應用效果較為顯著。這一監測結果可以為相關人員提供參考信息，幫助他們及時發現設備的問題，并采取相應的措施來確保生產過程的順利進行。

圖6 煙草制絲工藝設備自動監測結果Fig.6 Automatic monitoring results of tobacco silk production process equipment

驗證本文系統對煙草制絲工藝設備自動監測結果可視化呈現能力，以煙草制絲工藝設備中的包裝設備作為實驗對象，使用本文方法建立其可視化模型，效果如圖7 所示。由圖7 可得，使用本文監測系統可以有效建立煙草制絲工藝設備的模型。這一結果表明本文系統的可視化效果較為優秀，能夠為相關人員提供準確、清晰的可視化界面和數據分析結果，幫助他們更好地理解設備運行狀態和性能變化趨勢。這對于煙草制絲工藝設備的維護和管理具有重要的意義。

圖7 包裝設備三維模型Fig.7 3D model of packaging equipment

進一步驗證本文系統可視化監測能力，以該煙草企業某個煙草生產車間作為實驗對象，使用本文系統對該車間內煙草制絲工藝設備進行自動監測，監測結果可視化呈現如圖8 所示。由圖8 可知，本文系統可清楚標注該煙草生產車間E 組內煙草制絲工藝設備出現異常，說明本文系統在實際應用中具備較好的應用效果。

圖8 煙草制絲工藝設備自動監測結果Fig.8 Automatic monitoring results of tobacco silk production process equipment

3 結語

煙草制絲工藝設備自動監測系統在煙草生產中具有重要意義。通過實時監控制絲設備的運行狀態，該系統能夠提高生產效率，降低故障率，減少停機時間，從而增加煙草生產的整體效益。同時，自動監測系統能夠減少人工干預，降低工人的勞動強度，提高生產過程的自動化程度。此外，利用SPC 理論對制絲過程進行統計分析，可以更好地控制生產過程，提高產品質量及其穩定性。綜上所述，煙草制絲工藝設備自動監測系統的應用對煙草行業的發展具有積極的推動作用。