基于ZigBee技術(shù)的煙用絲束計(jì)量系統(tǒng)

趙松斌 馮新軍 劉次剛

（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司洛陽(yáng)卷煙廠 河南洛陽(yáng)）

一、概述

絲束是煙用濾棒加工生產(chǎn)的主要材料，對(duì)卷煙質(zhì)量和生產(chǎn)成本影響較大。在實(shí)際生產(chǎn)中，絲束使用的統(tǒng)計(jì)分析完全依靠人工操作，工作量大、效率低、易出錯(cuò)。同時(shí)，濾棒生產(chǎn)不能進(jìn)行有效地過(guò)程控制，造成絲束原料浪費(fèi)較多。此外，絲束的使用管理沒(méi)有科學(xué)的方法和有效手段，使濾棒的工藝研究與質(zhì)量改進(jìn)缺乏必要支撐。為此，開(kāi)發(fā)1套基于ZigBee技術(shù)的煙用絲束計(jì)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)計(jì)量分析絲束用量、濾棒產(chǎn)量、出棒率及濾棒平均重量等工藝參數(shù)。

二、硬件系統(tǒng)

1.總體結(jié)構(gòu)（圖1）

煙用絲束計(jì)量系統(tǒng)由絲束重量采集模塊、濾棒產(chǎn)量計(jì)數(shù)模塊、現(xiàn)場(chǎng)顯示記錄終端、ZigBee無(wú)線傳輸模塊和車間集控計(jì)算機(jī)等5部分組成。超低臺(tái)面精密電子秤和智能濾棒產(chǎn)量信號(hào)接收器采集絲束重量和濾棒產(chǎn)量信息。現(xiàn)場(chǎng)顯示記錄終端用來(lái)計(jì)算并顯示絲束出棒率、濾棒平均重量等重要工藝參數(shù)。此外，現(xiàn)場(chǎng)顯示記錄終端還可完成生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與統(tǒng)計(jì)、超低臺(tái)面精密電子秤的標(biāo)定、班次及濾棒品種規(guī)格的信息錄入等功能。ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)集中管控計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)顯示記錄終端之間的信息傳遞。集控計(jì)算機(jī)主要完成各機(jī)臺(tái)生產(chǎn)信息的集中采集與存儲(chǔ)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的報(bào)表分析，生產(chǎn)指令的下達(dá)，同時(shí)為廠級(jí)信息化管理提供網(wǎng)絡(luò)接口。

2.超低臺(tái)面精密電子秤

為提高測(cè)量精度，實(shí)時(shí)采集絲束重量，系統(tǒng)采用4只柯力SBP-A型稱重傳感器（額定稱重1 t、分辨率0.2 kg、損壞重量達(dá)2 t），設(shè)計(jì)了1臺(tái)高精度電子秤。考慮到目前絲束原料箱采用人力液壓叉運(yùn)小車搬運(yùn)，舉升高度有限（最大舉升高度為6.5 cm），為此將電子秤的臺(tái)面高度定為10 cm，下沉5 cm安裝，保證原料箱與秤體臺(tái)面有1.5 cm的作業(yè)間距。此外，由于絲束箱的最大寬度約為1.2 m，設(shè)定秤臺(tái)面積為1.5 m×1.5 m。

圖1 煙用絲束計(jì)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由于稱重傳感器輸出信號(hào)為模擬量，故采用數(shù)字式重量變送器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送至現(xiàn)場(chǎng)顯示記錄終端。為保證測(cè)量精度，系統(tǒng)選用CD4052B雙四選一模擬開(kāi)關(guān)和RWST02D型數(shù)字稱重變送器來(lái)完成電子秤的標(biāo)定及信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，其中RW-ST02D型數(shù)字稱重變送器內(nèi)部采用24位Δ-∑AD轉(zhuǎn)換器，分辨率可達(dá)1/16000000，轉(zhuǎn)換速率20次/s，克服了PLC及一般數(shù)據(jù)采集卡因A/D轉(zhuǎn)換精度低造成的分辨率下降問(wèn)題。

3.ZigBee無(wú)線傳輸模塊

車間與集中管控計(jì)算機(jī)（安放于車間辦公室）之間距離相對(duì)較遠(yuǎn)，布線麻煩，為此系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車間顯示記錄終端與辦公室集中管控計(jì)算機(jī)間的信息傳輸。ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定性好、通信可靠、功耗低、成本低等特點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)形態(tài)包括Coordinator（中心協(xié)調(diào)器）、Router（路由器）和End Device（終端節(jié)點(diǎn)）。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用型ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通?？膳渲?個(gè)Coordinator，若干個(gè)Router，不需要End Device。因此該系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置1個(gè)Coordinator，5個(gè)Router（車間共有5個(gè)濾棒成型生產(chǎn)線）。此外，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)置為透明傳輸，工作頻段設(shè)置在2.4 GHz。

三、軟件設(shè)計(jì)

1.總體功能模塊（圖2）

煙用絲束計(jì)量系統(tǒng)軟件平臺(tái)作為與用戶直接對(duì)話的交互窗口，既要實(shí)現(xiàn)對(duì)車間生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還要為用戶的生產(chǎn)管理提供一系列幫助。其功能主要有：①實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握濾棒生產(chǎn)中絲束消耗、出棒率及濾棒產(chǎn)量等情況。②記錄每個(gè)班、每個(gè)機(jī)臺(tái)生產(chǎn)濾棒的規(guī)格、數(shù)量及生產(chǎn)這些濾棒使用的絲束屬于哪個(gè)廠家，何種規(guī)格。③及時(shí)準(zhǔn)確地生成相應(yīng)生產(chǎn)報(bào)表。④車間顯示記錄終端與辦公室管控計(jì)算機(jī)之間的信息傳輸?shù)取?/p>

圖2 煙用絲束計(jì)量系統(tǒng)功能模塊

2.電子秤的標(biāo)定設(shè)計(jì)

（1）軟件濾波器設(shè)計(jì)。在濾棒生產(chǎn)過(guò)程中，絲束包難免會(huì)受到外界干擾。如為便于絲束往成型設(shè)備中輸送，工人向上抬虛絲束包使絲束包重量突然減小，工人無(wú)意碰到或按壓絲束包使絲束包重量突然增大，這都會(huì)給系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性帶來(lái)較大影響。系統(tǒng)采用軟件編寫(xiě)濾波器來(lái)消除這種干擾，流程見(jiàn)圖3。

（2）自動(dòng)零點(diǎn)跟蹤設(shè)計(jì)。由于受環(huán)境、電源波動(dòng)等多種因素的影響，精密電子秤會(huì)產(chǎn)生零漂而影響絲束重量的測(cè)量精度。系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的方法進(jìn)行零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤設(shè)計(jì)，原理見(jiàn)圖4。

當(dāng)開(kāi)關(guān)與c點(diǎn)連通，c點(diǎn)為地電平，稱重傳感器測(cè)量值Nc=kAUz，其中k為A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換系數(shù)，A為前置放大器增益，Uz為前置放大器和A/D轉(zhuǎn)換器折算到放大器輸入端的等效漂移電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)與b點(diǎn)連通，基準(zhǔn)電壓Ur連入電路，進(jìn)行增益校正，測(cè)量值Nb=kA（Ur+Uz）。當(dāng)開(kāi)關(guān)與a點(diǎn)連通，測(cè)量值Ua為包含零點(diǎn)漂移的值，Na=kA（Uout+Uz），Uout為絲束的真實(shí)值。

圖3 濾波器軟件流程

圖4 零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤原理

圖5 零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤軟件設(shè)計(jì)流程

四、應(yīng)用效果

圖6 煙用絲束計(jì)量系統(tǒng)

目前，煙用絲束計(jì)量系統(tǒng)已在河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司洛陽(yáng)卷煙廠投用（圖6）。濾棒生產(chǎn)車間其中一條生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7，檢測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了濾棒分規(guī)格、分產(chǎn)量和絲束分班次、分機(jī)臺(tái)、分規(guī)格消耗統(tǒng)計(jì)及報(bào)表生成的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，穩(wěn)定性強(qiáng)，可靠性高。此外，系統(tǒng)提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本，并為濾棒工藝研究和質(zhì)量改進(jìn)提供了必要支撐。

a）系統(tǒng)主界面

圖7 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)界面

煙用絲束計(jì)量系統(tǒng)填補(bǔ)了濾棒生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)絲束使用無(wú)自動(dòng)化管理的空白，有效解決了目前卷煙行業(yè)濾棒生產(chǎn)中存在的弊端和不足。

1 陳 昌等.高精度稱重變送器設(shè)計(jì)[J].中國(guó)儀器儀表，2005（5）

2 周怡窹等.ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動(dòng)化儀表，2005，26（6）

3 包長(zhǎng)春等.基于ZigBee技術(shù)的糧庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，09

4 吳逸賢等.精彩C++Builder 6程序設(shè)計(jì)[M].北京:科技出版社，2003.8

5 王 金.基于C++Builder的系統(tǒng)可靠性信息采集處理軟件設(shè)計(jì)[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2012