采用多傳感器組網(wǎng)的箱煙輸送質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

李力 李盈 高雪峰

1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽(yáng)卷煙廠卷包部；2.陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司寶雞卷煙廠

箱煙輸送是成品卷煙生產(chǎn)制造過(guò)程的“最后一公里”。受限于物理距離長(zhǎng)，現(xiàn)有輸送系統(tǒng)存在檢測(cè)點(diǎn)位少，信號(hào)衰減干擾現(xiàn)象嚴(yán)重，本次研究通過(guò)采用基于多傳感器混合組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輸送過(guò)程全流程監(jiān)控，可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)輸送過(guò)程的箱煙質(zhì)量問(wèn)題并進(jìn)行問(wèn)題追溯，減少裝箱機(jī)出口到成品庫(kù)傳輸通道意外停機(jī)以及因煙箱卡住后使輸送線上的設(shè)備損壞故障，降低物流輸送停機(jī)時(shí)間。

1 煙箱輸送系統(tǒng)現(xiàn)狀

煙箱從裝箱機(jī)出口至成品庫(kù)的輸送過(guò)程中要經(jīng)歷提升、輸送、下降等多個(gè)環(huán)節(jié)，整個(gè)流程平均距離在400m以上，目前全流程已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化輸送，無(wú)人員質(zhì)檢及檢測(cè)裝置進(jìn)行流程監(jiān)控，僅有出口處分揀識(shí)別裝置?，F(xiàn)流程在提升和下降環(huán)節(jié)經(jīng)常產(chǎn)生煙箱阻塞、擠壓等質(zhì)量、設(shè)備故障，造成輸送線長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法修復(fù)的情況。主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1.1 粘貼不牢導(dǎo)致輸送過(guò)程開(kāi)膠

由于包裝條包煙的紙箱循環(huán)使用，會(huì)造成紙箱變形及硬度降低，封帶端多重粘貼導(dǎo)致膠帶紙粘貼不牢固、不平整，次品率達(dá)2.1%。煙箱會(huì)在輸送過(guò)程中或在碼垛的過(guò)程中開(kāi)膠，會(huì)造成輸送線停止運(yùn)行，嚴(yán)重的造成輸送線器件損壞，造成輸送線長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法修復(fù)的情況。

1.2 前后擠壓導(dǎo)致煙箱翻轉(zhuǎn)

煙箱在進(jìn)入到提升通道及下降通道時(shí)，由于存在慣性速度，在前方擋板的作用下會(huì)使煙箱由水平放置變成垂直放置，從而使煙箱的相對(duì)高度變高，造成煙箱卡住后使輸送線上的器件損壞，發(fā)生頻次2次/日，最低類單箱損耗2500元以上，導(dǎo)致輸送線長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法修復(fù)的情況。

1.3 碰撞導(dǎo)致煙箱位置錯(cuò)位

煙箱在從提升通道和下降通道進(jìn)入和離開(kāi)時(shí)如果煙箱煙箱在通道中不居中會(huì)碰觸導(dǎo)向裝置造成煙箱在通道內(nèi)堵塞，嚴(yán)重的造成輸送線器件損壞，造成輸送線長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法修復(fù)的情況。系統(tǒng)查詢提升托盤單價(jià)5200～24503元/件。重大堵塞故障一次更換8個(gè)，一般堵塞故障更換2個(gè)。

1.4 堵塞故障排查時(shí)間長(zhǎng)

傳送通道較長(zhǎng)，無(wú)人巡視，也無(wú)監(jiān)測(cè)。當(dāng)通道堵塞時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)堵塞情況，需要根據(jù)堵塞提醒進(jìn)行分段檢查巡視，排查過(guò)程需要登高操作處理時(shí)間長(zhǎng)，故障排除后需要遠(yuǎn)端操作人員進(jìn)行復(fù)位啟動(dòng)，人員聯(lián)系溝通容易產(chǎn)生誤操作。重大堵塞故障一次耗時(shí)19h，一般堵塞故障也要耗時(shí)2h。

2 檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)輸送過(guò)程產(chǎn)生的不同質(zhì)量缺陷類型，采用針對(duì)性質(zhì)量監(jiān)控方案。

2.1 膠帶粘貼不牢檢測(cè)技術(shù)

采用基恩士IX-H多點(diǎn)式激光傳感器，通過(guò)識(shí)別封蓋因粘貼不牢引起的高度差檢測(cè)異常。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的單點(diǎn)高度激光傳感器或光電傳感器受檢測(cè)點(diǎn)數(shù)限制，只能在固定點(diǎn)位檢測(cè)，當(dāng)煙箱位置、角度變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致誤檢測(cè)，特別是煙箱運(yùn)動(dòng)過(guò)程位置有一定變動(dòng)，容易造成膠帶對(duì)應(yīng)位置變化，多點(diǎn)檢測(cè)采用直線掃描方式發(fā)出線狀激光，在封蓋表面識(shí)別直線內(nèi)的高度差，將運(yùn)動(dòng)中的煙箱高度值形成測(cè)量面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的高度、位置自動(dòng)跟蹤，在識(shí)別有無(wú)的同時(shí)，準(zhǔn)確檢測(cè)膠帶翹起、開(kāi)膠質(zhì)量缺陷。

2.2 煙箱放置方向改變檢測(cè)

采用線激光輪廓傳感器生成3D數(shù)據(jù)，煙箱通過(guò)后自動(dòng)整合成一張單獨(dú)的輪廓或點(diǎn)云圖用于測(cè)量分析，關(guān)鍵的測(cè)量數(shù)據(jù)可同步整合到煙箱質(zhì)量判定數(shù)據(jù)中。重點(diǎn)區(qū)域（ROI）實(shí)現(xiàn)精密特征檢測(cè)的同時(shí)，覆蓋外部輪廓的掃描范圍，實(shí)現(xiàn)煙箱變形的質(zhì)量檢測(cè)，以最少的傳感器和最低的系統(tǒng)成本實(shí)現(xiàn)對(duì)煙箱的整體檢測(cè)。該傳感器內(nèi)置4角度照明，通過(guò)將4張圖像合并為1張，減少光暈對(duì)檢測(cè)影響。如圖1所示。

2.3 煙箱在通道錯(cuò)位檢測(cè)技術(shù)

采用紅外線安全光幕對(duì)經(jīng)過(guò)的煙箱進(jìn)行阻塞及位置檢測(cè)，通過(guò)合理設(shè)置光柵密度可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同錯(cuò)位距離的精準(zhǔn)檢測(cè)，光幕尺寸可滿足長(zhǎng)距離檢測(cè)要求，關(guān)鍵部位可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立檢測(cè)，紅外線為不可見(jiàn)光不會(huì)對(duì)煙箱及檢測(cè)區(qū)域外人體形成安全隱患。當(dāng)錯(cuò)位煙箱經(jīng)過(guò)或外部物體侵入?yún)^(qū)域時(shí)可自動(dòng)輸出報(bào)警信號(hào)，滿足阻塞及位置檢測(cè)需求。如圖2所示。

2.4 傳感器組網(wǎng)技術(shù)

由于多型傳感器各自輸出信號(hào)不同，需要統(tǒng)一進(jìn)行信號(hào)格式處理。部分檢測(cè)需要多個(gè)同型傳感器進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，信號(hào)后期整合，在以上信號(hào)處理過(guò)程中因數(shù)據(jù)量大因此需合理進(jìn)行區(qū)域分組，通過(guò)信號(hào)分組預(yù)處理降低后端處理數(shù)據(jù)量，提升反應(yīng)速度。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層位置及執(zhí)行等單一傳感器采用IO-LINK總線[1]，該總線可實(shí)現(xiàn)供電線路與信號(hào)線路共線傳輸，有效降低了線路鋪設(shè)難度，提升了維護(hù)便利性，該總線傳輸距離為小于20m，因此將臨近的多個(gè)傳感器合并傳輸至中繼控制站，控制站選型為西門子S7-1200，控制站之間采用PROFINET總線傳輸至總機(jī)。對(duì)多點(diǎn)激光傳感器及線激光輪廓傳感器因數(shù)據(jù)分析量高，采用獨(dú)立組站方式，在完成結(jié)果判定后通過(guò)PRORINET總線傳輸至總站。通過(guò)合理增加中繼整套系統(tǒng)可在滿足信號(hào)時(shí)效及準(zhǔn)確性要求的情況下，完成5km以內(nèi)長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸。

3 系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)

將整個(gè)煙箱輸送過(guò)程分為：裝箱機(jī)出口部分、提升機(jī)部分、輸送通道部分、下降機(jī)部分、出口部分（下降機(jī)出口）五部分進(jìn)行改進(jìn)及監(jiān)控。如圖3所示，本系統(tǒng)為機(jī)電結(jié)合系統(tǒng)。

3.1 裝箱機(jī)出口部分（如圖4所示）

該部位安裝煙箱粘貼質(zhì)量檢測(cè)。主要解決循環(huán)箱皮因多次使用，粘貼部位經(jīng)常粘貼不牢固，輸送過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)膠問(wèn)題。同時(shí)在封箱機(jī)出口至提升通道之間加裝膠帶加固裝置。裝置內(nèi)通過(guò)熱風(fēng)對(duì)膠帶紙進(jìn)行加熱處理，之后通過(guò)滾輪對(duì)膠帶粘合部位進(jìn)行加固滾搓。作為封箱機(jī)包裝質(zhì)量的把關(guān)措施，完成了膠帶紙二次加固，減少了可能產(chǎn)生的膠帶開(kāi)膠質(zhì)量問(wèn)題。

3.2 提升機(jī)部分

該部位安裝箱煙形狀檢測(cè)保證煙箱進(jìn)入提升機(jī)前的完好性，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)觸發(fā)停機(jī)信號(hào)。

提升平臺(tái)定位：安裝位置：提升機(jī)。使用定位傳感器（編碼器、無(wú)線射頻或其他種類檢測(cè)等）判斷每個(gè)提升平臺(tái)位置。

煙箱位置檢測(cè)：安裝位置：提升機(jī)入口。配合提升平臺(tái)定位判斷煙箱是否在正確位置，以免煙箱進(jìn)入提升臺(tái)后發(fā)生擠壓和阻塞。

3.3 輸送通道部分

箱煙阻塞檢測(cè)：安裝位置：輸送通道、提升機(jī)的入口、出口、下降機(jī)的入口、出口。檢測(cè)數(shù)量：不少于6個(gè)。采用光電或成像檢測(cè)判斷通道上煙箱是否發(fā)生阻塞。故障處理方法：報(bào)警、停機(jī)。

通道防跑偏裝置：安裝位置：通道各轉(zhuǎn)彎處。保證煙箱處于通道中央位置，防止煙箱發(fā)生卡碰。

通道煙箱監(jiān)控：安裝位置：輸送通道提升機(jī)出口處、近下降機(jī)入口處，共二處通道煙箱監(jiān)控。采用成像技術(shù)檢測(cè)判斷煙箱是否發(fā)生破損、形變等。數(shù)量：2個(gè)。2個(gè)檢測(cè)相互配合。故障處理方法：報(bào)警、停機(jī)。即第一個(gè)為NG時(shí)報(bào)警，第二個(gè)也為NG時(shí)停機(jī)。

3.4 下降機(jī)部分

箱煙形狀檢測(cè)：安裝位置：下降機(jī)入口。采用測(cè)量光幕或輪廓檢測(cè)器檢測(cè)煙箱錯(cuò)位、傾倒、破損、粘貼不良的質(zhì)量缺陷,保證煙箱進(jìn)入下降機(jī)前的完好性。故障處理方法：立即停機(jī)。

下降平臺(tái)定位：安裝位置：下降機(jī)。使用定位傳感器（編碼器、無(wú)線射頻或其他種類檢測(cè)等）判斷每個(gè)下降平臺(tái)位置。

煙箱位置檢測(cè)：安裝位置：下降機(jī)入口。配合下降平臺(tái)定位檢測(cè)判斷煙箱是否在正確位置，以免煙箱進(jìn)入提升臺(tái)后發(fā)生擠壓和阻塞。

3.5 出口部分

出口煙箱監(jiān)控：安裝位置：下降機(jī)出口。采用成像技術(shù)對(duì)每個(gè)煙箱的生產(chǎn)情況進(jìn)行圖像留存。時(shí)間：大于30天。

煙箱數(shù)量統(tǒng)計(jì)：根據(jù)品牌進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

3.6 電氣控制

控制核心采用可編程控制器（帶IO-LINK接口）+工控機(jī)，安裝在原系統(tǒng)電控柜內(nèi)與原系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，控制輸送過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，故障報(bào)警。輸送過(guò)程中的五個(gè)部分分別檢測(cè)和輸出部件。分布在整個(gè)輸送過(guò)程中的各檢測(cè)部件和輸出部件，通過(guò)IO-LINK站點(diǎn)或無(wú)線傳輸?shù)确绞綄⑿盘?hào)與工控機(jī)及可編程控制器（帶IO-LINK接口）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換傳輸，完成控制過(guò)程。同時(shí)對(duì)通道中容易產(chǎn)生煙箱擁堵、變形的位置進(jìn)行合理的優(yōu)化處理。在煙箱輸送的整個(gè)過(guò)程中安裝無(wú)死角視頻監(jiān)控，保證在檢測(cè)到通道發(fā)生故障或報(bào)警時(shí)，可以在監(jiān)控畫(huà)面上實(shí)時(shí)查看故障發(fā)生原因及部位。

4 使用效果

本方案采用機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程的自學(xué)習(xí)調(diào)校，與傳統(tǒng)人工檢測(cè)相比，可做到少維護(hù)和免維護(hù)。應(yīng)用范圍廣。內(nèi)容覆蓋物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的無(wú)線傳感器、射頻識(shí)別、智能傳感器等多類相關(guān)學(xué)科知識(shí)，在行業(yè)應(yīng)用上有大量成熟案例；可移植性好。采用外部獨(dú)立檢測(cè)設(shè)計(jì)，技術(shù)自主可控，與原系統(tǒng)接口可采用通用總線技術(shù)，方便后期卷包技改升級(jí)移植；組網(wǎng)方式靈活。通過(guò)傳感器自組網(wǎng)、無(wú)線傳感器、NB-IOT窄帶通訊等多種方式可以滿足目前各種實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境需求。

（1）保證煙箱輸送過(guò)程中能安全、順暢，檢測(cè)效率＞99.5%；

（2）提高循環(huán)煙箱使用質(zhì)量和次數(shù)，檢測(cè)部位≥10個(gè)；

（3）減少停機(jī)，保證生產(chǎn)效率，報(bào)警停機(jī)響應(yīng)時(shí)間＜500ms；

（4）減少監(jiān)視通道，疏通通道的人工成本。