基于激光測(cè)距技術(shù)的濾棒成型機(jī)絲束余量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 超，周易文，喻 濤，彭國事，李 超

紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠，云南省曲靖市麒麟?yún)^(qū)麒麟北路499 號(hào) 655001

醋酸纖維絲束（以下簡(jiǎn)稱絲束）是卷煙濾棒生產(chǎn)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(chǎn)時(shí)由人工將新絲束包配送至成型機(jī)。為確保絲束包配送準(zhǔn)時(shí)，在交班前需要統(tǒng)計(jì)車間內(nèi)各成型機(jī)絲束包剩余高度并估算交班余絲量，從而為預(yù)測(cè)絲束包配送時(shí)間提供依據(jù)。由于交班余絲量估算誤差大且絲束包配送時(shí)間容易受成型設(shè)備保養(yǎng)時(shí)間的影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)絲束包配送超前或滯后等問題，導(dǎo)致配送人員在機(jī)臺(tái)處長(zhǎng)時(shí)間等待或設(shè)備停機(jī)等待，影響設(shè)備生產(chǎn)效率。近年來，針對(duì)絲束和濾棒生產(chǎn)過程中的工藝優(yōu)化和設(shè)備改進(jìn)已有較多研究。柴可梁［1］通過加裝吸阻穩(wěn)定裝置，消除了絲束包打包壓痕、絲束帶高度降低等因素對(duì)濾棒吸阻穩(wěn)定性的影響；廖偉宏等［2］通過改進(jìn)KDF3成型機(jī)開松裝置的氣路部分，為捕絲器提供壓力穩(wěn)定的壓縮空氣，提高絲束線速度穩(wěn)定性，減少設(shè)備故障停機(jī)次數(shù)；黃建新等［3］通過實(shí)驗(yàn)表明，在濾棒生產(chǎn)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(xiàn)象；朱唯等［4］采用正交試驗(yàn)對(duì)KDFM成型機(jī)3個(gè)開松輥的轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化，降低了濾棒生產(chǎn)中的絲束消耗；宋慶慶等［5］設(shè)計(jì)了一種絲束生產(chǎn)線自控系統(tǒng)，提高了絲束生產(chǎn)效率和質(zhì)量；趙松斌等［6］通過加裝超低臺(tái)面精密電子秤實(shí)時(shí)采集絲束質(zhì)量，并基于ZigBee無線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)了一種煙用絲束計(jì)量系統(tǒng)，但為保證電子秤臺(tái)面與地面平齊，需要在車間內(nèi)設(shè)置下沉式安裝槽，該方法不適用于高層廠房。激光測(cè)距傳感器具有測(cè)量精度高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，不需要改變車間內(nèi)設(shè)備布局即可實(shí)現(xiàn)對(duì)絲束包剩余高度的測(cè)量。為此，基于激光測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)一種絲束余量監(jiān)控系統(tǒng)，以期提高濾棒成型機(jī)絲束配送時(shí)效性，提升設(shè)備生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

絲束余量監(jiān)控系統(tǒng)主要由激光測(cè)距傳感器、無線傳輸模塊、服務(wù)器和PC端組成，見圖1。激光測(cè)距傳感器安裝于絲束包防塵罩（圖2）上，以實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器到絲束包頂部平面的距離（即傳感器檢測(cè)距離）；無線傳輸模塊將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器后轉(zhuǎn)換為絲束包高度并存儲(chǔ)于服務(wù)器中；PC端讀取絲束包高度并計(jì)算絲束包余量信息（以百分比表示），可實(shí)時(shí)顯示車間內(nèi)所有濾棒成型機(jī)的絲束包余量，從而合理安排新絲束包的配送時(shí)間。無線傳輸模塊與數(shù)據(jù)庫之間通過LoRa 協(xié)議［7］連接，并接入卷煙廠內(nèi)部視頻監(jiān)控局域網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)器由中繼服務(wù)器和Sql Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成，中繼服務(wù)器用于串口創(chuàng)建和程序配置，Sql Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；通信部分包括傳輸和接收，兩部分均采用相同模塊并以網(wǎng)絡(luò)廣播的形式進(jìn)行通信。

圖1 絲束余量監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of leftover tow monitoring system

圖2 激光測(cè)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(shù)設(shè)置

綜合考慮每臺(tái)濾棒成型機(jī)中激光測(cè)距傳感器的安裝高度和檢測(cè)精度要求，選用了LDM2002RWGC型激光測(cè)距傳感器（德國JENOPTIK 公司），測(cè)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(wǎng)絡(luò)［8］。受生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)噪聲及振動(dòng)等環(huán)境因素影響，采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器組合方式，并使用抗共模干擾能力強(qiáng)的屏蔽雙絞線進(jìn)行傳輸。此外，還采用了靈敏度高、功耗低、可靠性強(qiáng)的LoRa 無線傳輸技術(shù)，通過終端模塊與網(wǎng)關(guān)模塊配對(duì)使用，將傳感器數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。傳感器總線接口為RS485/TTL；波特率為9 600 Bd，配有1 個(gè)起始位，8 位數(shù)據(jù)位，2 個(gè)停止位；功能碼為1～127；數(shù)據(jù)格式為RTU；校驗(yàn)方式為循環(huán)冗余CRC校驗(yàn)。

1.3 絲束余量計(jì)算方法

1.3.1 絲束包狀態(tài)分類

在服務(wù)器中創(chuàng)建、配置OPC 程序［9］并編寫觸發(fā)器程序［10］，對(duì)實(shí)時(shí)傳入數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理并用數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)來表征當(dāng)前絲束包狀態(tài)。如圖3 所示，將傳感器采樣頻率設(shè)置為500 Hz，正常生產(chǎn)過程中絲束包平面每消耗一層絲束用時(shí)25 s 左右，取每25 s 合計(jì)12 500個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)的絲束包高度。為方便數(shù)據(jù)分析，將生產(chǎn)中傳感器檢測(cè)值分為4種狀態(tài)：①當(dāng)檢測(cè)值（即傳感器到絲束包頂部平面的距離）達(dá)到最大值時(shí)，將數(shù)據(jù)狀態(tài)FStaus設(shè)置為10，表示當(dāng)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(tài)；②當(dāng)檢測(cè)值達(dá)到次大值時(shí)，將數(shù)據(jù)狀態(tài)FStaus設(shè)置為20，表示絲束用盡但托盤未移動(dòng)狀態(tài)；③當(dāng)檢測(cè)值達(dá)到最小值時(shí)，將數(shù)據(jù)狀態(tài)FStaus設(shè)置為30，表示新絲束包到位并開始生產(chǎn)狀態(tài)；④當(dāng)檢測(cè)值處于次大值與最小值之間時(shí)，將數(shù)據(jù)狀態(tài)FStaus設(shè)置為40，表示正常生產(chǎn)狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)狀態(tài)FStaus 為10、20 和30 時(shí)，系統(tǒng)程序直接輸出測(cè)量值；當(dāng)數(shù)據(jù)狀態(tài)FStaus為40時(shí)，系統(tǒng)程序調(diào)用絲束包高度計(jì)算公式，輸出計(jì)算結(jié)果作為絲束余量計(jì)算程序的輸入值。

圖3 絲束包狀態(tài)分類Fig.3 Classification of tow bale statuses

1.3.2 絲束包高度計(jì)算

傳感器安裝角度及高度會(huì)對(duì)絲束包高度計(jì)算結(jié)果產(chǎn)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(dāng)傳感器檢測(cè)距離為a（mm）時(shí)，可根據(jù)余弦三角函數(shù)計(jì)算當(dāng)前絲束包高度h（mm）：

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

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

1.3.3 絲束余量計(jì)算

通過PC端讀取絲束包高度h后，根據(jù)公式（2）計(jì)算得到絲束余量：

式中：μ為絲束包的質(zhì)量高度系數(shù)，與絲束牌號(hào)相關(guān)且可通過計(jì)算得到，kg/m；m0為絲束包原始質(zhì)量，kg。

1.4 系統(tǒng)監(jiān)控界面

1.4.1 絲束消耗信息查詢界面

通過PC 端可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前班次的絲束消耗數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存儲(chǔ)近6 個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)。如圖5所示，絲束消耗信息查詢界面的上部為基礎(chǔ)信息欄，選擇日期、班次和機(jī)臺(tái)號(hào)后，可以查詢相應(yīng)的絲束消耗數(shù)據(jù)。其中，接班余絲高度、第一包新絲束質(zhì)量、第二包新絲束質(zhì)量、交班余絲高度以及該班次絲束用量均由系統(tǒng)測(cè)算后自動(dòng)填寫和保存，計(jì)算系數(shù)（即質(zhì)量高度系數(shù)μ）由機(jī)臺(tái)操作人員查詢前期統(tǒng)計(jì)結(jié)果后錄入。界面下部顯示生產(chǎn)過程中絲束包高度隨時(shí)間變化曲線，通過識(shí)別換絲（即新絲束包配送時(shí)間）、機(jī)器保養(yǎng)等時(shí)間段可以查詢各班次設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)。

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(jiān)控界面

如圖6所示，絲束余量監(jiān)控界面可以實(shí)時(shí)顯示車間內(nèi)所有處于運(yùn)行狀態(tài)的濾棒成型機(jī)的絲束余量信息。當(dāng)絲束余量＞10%時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行；當(dāng)絲束余量＜10%時(shí)，系統(tǒng)預(yù)警并提醒工作人員配送絲束。

圖6 濾棒成型機(jī)絲束余量監(jiān)控界面Fig.6 Interfaces for monitoring leftover tow in filter rod maker

2 應(yīng)用效果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(shè)備：12 臺(tái)KDF4 濾棒成型機(jī)（德國HAUNI 公司）。

方法：絲束余量監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用前，通過人工在交班前測(cè)量各成型機(jī)剩余絲束高度并計(jì)算絲束余量，配送人員根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)估新絲束包的配送時(shí)間；系統(tǒng)應(yīng)用后，配送人員根據(jù)絲束余量監(jiān)控界面的提示為成型機(jī)配送新絲束包。記錄監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用前后12臺(tái)濾棒成型機(jī)的絲束包配送超前（配送人員在成型機(jī)處等待時(shí)間超過2 min）次數(shù)和因絲束包配送不及時(shí)而導(dǎo)致的停機(jī)等待時(shí)間，取5 個(gè)班次的平均值。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見，絲束余量監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用后，未出現(xiàn)絲束配送超前情況，因新絲束包配送不及時(shí)而導(dǎo)致的濾棒成型機(jī)停機(jī)等待時(shí)間減少7.79 min/班次，表明監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用有效減少了配送人員工作量，實(shí)現(xiàn)了新絲束包準(zhǔn)時(shí)配送，提高了設(shè)備生產(chǎn)效率。

表1 絲束余量監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用前后濾棒成型機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比①Tab.1 Comparison of operating data of filter rod maker before and after application of leftover tow monitoring system

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種濾棒成型機(jī)絲束余量監(jiān)控系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)獲取絲束包高度并計(jì)算絲束包余量信息，實(shí)時(shí)顯示濾棒成型機(jī)的絲束余量，并提示配送人員為成型機(jī)及時(shí)配送絲束。以曲靖卷煙廠濾棒生產(chǎn)車間的12 臺(tái)KDF4 濾棒成型機(jī)為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：絲束余量監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用后，無需在交班前由人工統(tǒng)計(jì)各成型機(jī)絲束余量且未再出現(xiàn)絲束超前配送情況，成型機(jī)因絲束配送不及時(shí)而導(dǎo)致的停機(jī)等待時(shí)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(jī)生產(chǎn)效率。