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

牛燕麗， 王樂軍， 趙德華， 錢傳林， 王林枝

(湖北中煙工業(yè)有限責任公司武漢卷煙廠， 湖北，武漢 430000)

0 引言

煙草作為我國重要的經(jīng)濟作物，其發(fā)展直接影響國民經(jīng)濟整體發(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)建評價結(jié)構(gòu)，根據(jù)各層級間指標權(quán)重建立表征函數(shù)，使用綜合得分Sbatch模型評估卷煙煙絲質(zhì)量，通過過程控制加強質(zhì)量控制結(jié)果。袁海霞等[2]提出設(shè)計了一個柔性風選系統(tǒng)，在三級風選箱體的控制下，通過不同等級的風篩選煙葉、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生產(chǎn)過程。當煙絲質(zhì)量不合格，且沒有及時反饋不合格信息時，會影響卷煙包裝質(zhì)量。此次研究結(jié)合上述現(xiàn)有技術(shù)，設(shè)計了一個卷煙生產(chǎn)質(zhì)量信息化管控系統(tǒng)，通過全過程的質(zhì)量管控提高卷煙包裝質(zhì)量。

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

1.1 設(shè)計電壓輸出電路控制電平

為了排除外界干擾對信息化管控系統(tǒng)的影響，控制系統(tǒng)大多采用電池供電，但當輸入信號為交流時，由于后期運算放大器反向偏置截止的影響，正負半波輸出波形存在嚴重的失真問題。此外，A/D轉(zhuǎn)換器不能有效地提取負半周信號，系統(tǒng)在工作過程中存在負峰值失真現(xiàn)象。對此，本次設(shè)計確定了零基線信號的電平，并通過施加直流偏置來重新設(shè)置電平范圍[3],選擇單片機STM32F103C8T6，設(shè)置A/D采集范圍為0～3.3 V，交流信號零基線調(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，已知其動態(tài)阻抗為0.2 Ω，適用于運放電路。當圖2中的電阻R2與R4能夠確定數(shù)值時，根據(jù)二者對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)以信號采集為基礎(chǔ)，此項工作是影響系統(tǒng)管控效果的重要環(huán)節(jié)之一。已知信號采集過程中出現(xiàn)的前級運放漂移會造成一定程度的偏差，影響有效信號的采集效率，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，當濾波器各個電容、各個電阻完全相等時，能夠?qū)⒔刂诡l率控制在400 Hz，同時將增益擴大到2倍。該電路通過過濾的方式控制低頻信號工作，經(jīng)信號放大處理后，向其他端口傳輸信息[4]，強化系統(tǒng)處理信號的能力。

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

全過程質(zhì)量控制涵蓋卷煙的生產(chǎn)、形成和完成等過程穩(wěn)態(tài)監(jiān)控。通過對工藝標準化參數(shù)的有效控制，規(guī)范設(shè)備的生產(chǎn)。系統(tǒng)根據(jù)當月的生產(chǎn)計劃選擇卷煙生產(chǎn)車間和部門，然后將來自制絲車間、卷車室、質(zhì)量技術(shù)部的數(shù)據(jù)發(fā)送到生產(chǎn)部。根據(jù)生成計劃的內(nèi)容，建立生產(chǎn)調(diào)度指令，控制設(shè)備對卷煙的生產(chǎn)。結(jié)合卷煙生產(chǎn)全過程，提出了卷煙生產(chǎn)線內(nèi)外工藝要求。生產(chǎn)過程需要與制絲控制單元和線圈、連接、保證控制單元配合實現(xiàn)?？刂企w系要求質(zhì)量管理單位對生產(chǎn)進度計劃、工藝標準、工藝類型等進行調(diào)整，對已發(fā)布但未實施的工藝要求可動態(tài)回收,對于生產(chǎn)階段的工藝標準，可以不斷更新，通過2個單位的協(xié)調(diào)，保證卷煙生產(chǎn)全過程的標準化。

在卷煙生產(chǎn)的全過程中，每批加料的批次、牌號等相關(guān)操作保持不變，如當天的加料序號為1、2、3、4、5，批次為年/月/日，配方號為19、33，日常生產(chǎn)計劃需要多次調(diào)整，需要對系統(tǒng)進行在線跟蹤。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P1、P2、P3等，設(shè)置工藝標準化參數(shù)，包括總量增加、數(shù)據(jù)變更、動態(tài)發(fā)布。在數(shù)量增加方面，直接增加新配方、新標準；在數(shù)據(jù)變更方面，將現(xiàn)行標準設(shè)置為無效后，增加新的標準化參數(shù),過期標準直接刪除。根據(jù)以上內(nèi)容，在系統(tǒng)的質(zhì)量標準表中，增加“次數(shù)”字段，輸入更完整的工藝標準化參數(shù)。在這個設(shè)計中，將“Times”的值設(shè)置為1，并且每天早上更新標準。

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)，通過在LabVIEW中調(diào)用實現(xiàn),因此該功能安裝在設(shè)計的系統(tǒng)中，點擊鼠標右鍵選擇數(shù)據(jù)采集，再點擊DAQ助手添加到程序框圖中。DAQ助手初始化運行，根據(jù)設(shè)置的批次參數(shù)，生成任務(wù)對話框，選擇采集信號后，點擊模擬輸入和生成電流，點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)生的信號輸入范圍、采集方式、讀取采樣和采樣率等參數(shù)選項，因此需要合理設(shè)置這些參數(shù)來控制數(shù)據(jù)采集結(jié)果。默認采集方式包括按需采樣、定時采樣、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，并通過操作面板上的“采樣”鍵實現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)采樣。系統(tǒng)執(zhí)行信號采樣工作時，利用傅里葉變換公式，采集連續(xù)信號：

(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,淺色曲線表示異常信號。點擊“選擇文件”按鈕獲取采集到的信號，選擇要生成相應(yīng)卷煙生產(chǎn)信息的文件批,選擇文件后，點擊生成按鈕，得到生產(chǎn)信息曲線。曲線對應(yīng)整個生產(chǎn)過程的實際時間點。根據(jù)上述界面顯示實時生產(chǎn)數(shù)據(jù),曲線波動范圍小時，該階段產(chǎn)品質(zhì)量在標準化范圍內(nèi)；當曲線波動幅度較大時，說明現(xiàn)階段生產(chǎn)存在問題，需要進行系統(tǒng)管理和控制[6]。

2.2 設(shè)計生產(chǎn)質(zhì)量動態(tài)評估過程

顯示模塊生成的曲線可以直接反映卷煙生產(chǎn)過程的質(zhì)量，但不能給出實際數(shù)據(jù)來描述質(zhì)量水平，因此結(jié)合有序加權(quán)算子C-OWA設(shè)計了卷煙生產(chǎn)質(zhì)量的動態(tài)評價過程。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)集合中的各個參數(shù)按照從小到大的順序排列，對應(yīng)的評價結(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)計算加權(quán)向量ωm+1，得到：

(2)

(3)

(4)

式中,i表示若干個數(shù)據(jù)。通過以上過程，設(shè)計了產(chǎn)品質(zhì)量動態(tài)評價過程，實現(xiàn)了對圖3所示數(shù)據(jù)的評價，根據(jù)評價結(jié)果確定產(chǎn)品質(zhì)量，為系統(tǒng)的全過程信息管理和控制提供了參考標準。

2.3 構(gòu)建自動監(jiān)測與報警融合模型管控生產(chǎn)過程

基于動態(tài)評價結(jié)果，建立自動監(jiān)測與報警融合模型，實現(xiàn)了卷煙生產(chǎn)質(zhì)量的全過程信息管理與控制[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 自動監(jiān)測與報警融合模型基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖4可知，該模型按照“輸入-處理-輸出”過程對卷煙生產(chǎn)質(zhì)量進行控制,同時在這一過程中發(fā)揮著數(shù)據(jù)識別技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和決策功能的作用。系統(tǒng)通過對輸入的產(chǎn)品質(zhì)量評價結(jié)果進行處理，根據(jù)評價結(jié)果的級別反饋不同類型的報警內(nèi)容，為各個環(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)識別技術(shù)快速提取存在質(zhì)量問題的信號，依靠下列式(5)獲得識別結(jié)果：

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

(5)

式中,H表示識別結(jié)果,h(T,b,f)表示在時間T、誤差b以及評價f影響下識別函數(shù),r表示異變指標。利用式(5)控制模型的數(shù)據(jù)識別功能，實現(xiàn)對卷煙實時生產(chǎn)狀態(tài)的自動監(jiān)測[9]。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)依賴式(6)的聚類準則，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，為生成預(yù)警內(nèi)容提供依據(jù)：

(6)

式中,W表示聚類準則,m表示數(shù)據(jù)簇的個數(shù),i表示數(shù)量,λ表示數(shù)據(jù)集合中的點,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警界面，統(tǒng)計車間、生產(chǎn)時間、工藝進度、準備階段、問題數(shù)量和類型。在該模型的操作支持下，系統(tǒng)實現(xiàn)了卷煙生產(chǎn)質(zhì)量全過程的信息管理和控制。

3 實例應(yīng)用與分析

3.1 測試準備

為了進一步驗證所設(shè)計系統(tǒng)的管控效果，將其設(shè)為實驗組，將文獻[1]方法和文獻[2]方法的管控系統(tǒng)分別作為對照組A和對照組B，通過實際應(yīng)用測試的方式比較不同系統(tǒng)應(yīng)用下的卷煙生產(chǎn)質(zhì)量。

選擇某個卷煙生產(chǎn)質(zhì)量未達到預(yù)期標準的車間，分別利用3種不同的系統(tǒng)管控卷煙生產(chǎn)全過程,該生產(chǎn)車間中已經(jīng)存在能正常運作的卷煙生產(chǎn)設(shè)備，無需準備生產(chǎn)工具。選擇一級分離腔體和真空離心分離腔體，用于分離卷煙標簽與煙絲,選擇電子秤稱重單只卷煙的煙絲重量。實例測試共設(shè)置2個測試階段，通過多組比較的方式，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)用到管控工作當中，圖5為生產(chǎn)結(jié)束后，隨機抽取的3組卷煙成品。

(a) 實驗組

根據(jù)圖5顯示的實際結(jié)果可知，2個對照組的香煙標簽煙絲壓緊不良，且起皺，煙絲未填充均勻，堆積在標簽頂部，而實驗組的香煙標簽完好，在整體包裝上，所設(shè)計系統(tǒng)的控制效果較好。

3.3 稱取卷煙重量

拆除不同測試組的卷煙標簽，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個測試組的卷煙煙絲稱重結(jié)果。

表1 單支卷煙的煙絲重量稱取結(jié)果 單位:g

利用表1整理電子秤的3組煙絲稱重結(jié)果，實驗組的單支卷煙煙絲重量，在廠家規(guī)定的1.05～1.15 g之間，而對照組A的單支卷煙煙絲重量大多數(shù)超過了1.15 g，對照組B則大部分不足1.05 g。根據(jù)圖6顯示的結(jié)果可知，實驗組的煙梗盡管不夠纖細，但成絲細膩，而2個對照組的煙梗過大、過長，說明其在煙絲制作過程中的管控效果不佳，所以圖5中的(b)露出大量煙絲、(c)則缺少煙絲導致標簽未被填滿，影響了整個卷煙的包裝質(zhì)量。

(a) 實驗組

4 總結(jié)

本文通過數(shù)據(jù)在線采集與顯示模塊實時獲取生產(chǎn)全過程信息，引入有序加權(quán)算子評價卷煙生產(chǎn)質(zhì)量，聯(lián)合自動監(jiān)測與報警融合模型，將監(jiān)測與預(yù)警融合，實現(xiàn)對各個生產(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)計的系統(tǒng)，沒有對其耗能情況進行測試，所以應(yīng)用該系統(tǒng)可能會增加能耗，從而增加生產(chǎn)成本。今后可以利用評估函數(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合理的范圍內(nèi)，節(jié)省生產(chǎn)成本。