韓文杰，董健翔，楊 蔚，李亞俊，代國靖

（紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 昆明卷煙廠信息管理部，云南 昆明 650202）

隨著人們生活水平的提高，對香煙的質(zhì)量也提出了更高的要求，而高質(zhì)量煙嘴棒是生產(chǎn)高質(zhì)量香煙不可或缺的一環(huán)。煙嘴棒圓度的優(yōu)劣會直接影響香煙生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，當(dāng)煙嘴棒的圓度誤差超標(biāo)時，口感差，煙氣過濾效果不好，并引起后續(xù)后面卷接階段的失誤率高。導(dǎo)致煙嘴棒圓度出現(xiàn)偏差的主要原因是生產(chǎn)設(shè)備的工況發(fā)生了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)偏差。雖然通過完善制造流程，可以大幅度減少系統(tǒng)誤差，但是隨機(jī)誤差不可避免。因此，為保證質(zhì)量，必須對煙嘴棒的圓度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。由于圓度檢測的復(fù)雜性和隨機(jī)性，所以常規(guī)的手工圓度檢測方法存在很多不足。目前，質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)在許多領(lǐng)域有成熟的應(yīng)用[1]，也不泛在嘴棒生產(chǎn)中的應(yīng)用[2]。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文所研究與運(yùn)用的圖形化煙嘴棒圓度檢測可以有效克服常規(guī)方法的不足，獲得科學(xué)的檢測與報警結(jié)果，有效提高嘴棒質(zhì)量管控水平。

1 現(xiàn)存識別嘴棒生產(chǎn)質(zhì)量的方法及分析

利用統(tǒng)計過程控制（SPC）中計量型控制圖對產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行異常識別，依據(jù)表1中的控制圖判異準(zhǔn)則對2012年7月份嘴棒生產(chǎn)過程中圓周質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行人工異常識別試驗(yàn)，識別率計算公式為：

判定異常依據(jù)GB/T4091-2001的判異標(biāo)準(zhǔn)[3]，包括點(diǎn)出界判異，界內(nèi)排列不隨機(jī)判異等8條判異規(guī)則。

2012年7月對4臺KDF3嘴棒成型機(jī)產(chǎn)品的圓周指標(biāo)進(jìn)行異常識別試驗(yàn)，記錄人工查找出的異常點(diǎn)的數(shù)量；異常點(diǎn)總數(shù)由生產(chǎn)二部的MES系統(tǒng)中的SPC模塊進(jìn)行統(tǒng)計。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 2012年7月圓周指標(biāo)人工異常識別率試驗(yàn)統(tǒng)計表Tab.1 Test result of artificial circular anomaly identification in July 2012

對各條規(guī)則異常識別率做進(jìn)一步分析，由圖1可看出，人工異常識別率隨著規(guī)則的難度加大而減少，其中只有規(guī)則一的異常識別率達(dá)到了車間內(nèi)部規(guī)定異常識別率達(dá)到100%的要求，其余規(guī)則人工識別率均未達(dá)到要求，平均約有18.6%的異常未能被識別。

圖1 各條規(guī)則異常識別率示意Fig.1 The recognition rates of various abnormal rules

2 圖形化煙嘴棒質(zhì)量管理系統(tǒng)設(shè)計

軟件運(yùn)行平臺使用企業(yè)內(nèi)部計算機(jī)普遍采用的Windows系列操作系統(tǒng)，因此配套采用Microsoft公司為程序設(shè)計人員在Windows平臺上開發(fā)軟件而量身打造的Visual Studio 2005開發(fā)環(huán)境和.net運(yùn)行庫。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

目前較常用的3種數(shù)據(jù)采集方式有：通過PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[4]；通過OPCServer進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[5]；以及通過串口、以太網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[6]。方法一從PLC中采集檢測儀器反饋回PLC的數(shù)據(jù)，存在數(shù)據(jù)采集不完整的問題；且生產(chǎn)設(shè)備PLC型號較多，直接與PLC通訊困難，難以在生產(chǎn)部大規(guī)模推廣。方法二通過OPCServer訪問PLC，避免了開發(fā)者直接從PLC中獲取數(shù)據(jù)，降低了開發(fā)難度；但通過OPCServer無法采集到檢測儀器反饋回PLC的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集不完整。方法三從QTM儀器打印口（串口）及生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)訪問接口（以太網(wǎng)口）采集數(shù)據(jù)，是眾多設(shè)備廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪問方式，能完整獲取需要的質(zhì)量數(shù)據(jù)，無需改造設(shè)備，數(shù)據(jù)訪問安全性高，缺點(diǎn)是集成數(shù)據(jù)訪問模塊難度高。結(jié)合煙廠現(xiàn)狀與本次研究目的進(jìn)行分析，選擇通過規(guī)范、詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計采用串口，以太網(wǎng)口接收數(shù)據(jù)的方案。圖2為此方案的數(shù)據(jù)采集示意圖。

圖2 串口、以太網(wǎng)口數(shù)據(jù)采集示意Fig.2 An illustration of serial port，Ethernet front-end ports data acquisition

2.2 數(shù)據(jù)分析模塊

主要用于判斷數(shù)據(jù)的有效性，系統(tǒng)進(jìn)行控制圖異常報警、生成質(zhì)量圖表時，將丟棄添加標(biāo)記的無效數(shù)據(jù)，確保集成數(shù)據(jù)采集模塊后的數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確性、完整性。嘴棒質(zhì)量的無效數(shù)據(jù)可歸納為4種，如表2所示。

無效數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

表2 原始數(shù)據(jù)采集無效類型表Tab.2 Invalid types in original data acquisition

圖3 無效數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 An illustration of invalid data processing

2.3 報警模塊

目前在生產(chǎn)中主要采用的報警形式有燈光報警、聲音報警及圖形報警。燈光與聲音報警中，報警燈與報警喇叭價格便宜，并且能提示工作人員注意，但不能提供發(fā)生報警的異常值、發(fā)生報警的準(zhǔn)則、報警時間記錄等信息。通過結(jié)合以上三種方案，圖形報警能記錄質(zhì)量數(shù)據(jù)趨勢、向操作人員提供詳細(xì)的報警信息，燈光與聲音報警能提醒工作人員注意，達(dá)到對異常數(shù)據(jù)的全方位監(jiān)控與報警。由于此文側(cè)重對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)質(zhì)量控制過程，此處著重闡述圖形報警方式。

圖形報警模塊的核心思想是利用SPC中計量型控制圖對產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行異常識別。具體流程為：先對質(zhì)量數(shù)據(jù)分項(xiàng)目、分機(jī)型進(jìn)行控制圖分析；然后對質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，計算控制界限，利用Teechart組件作出控制圖，判斷取樣過程是否處于統(tǒng)計穩(wěn)態(tài)，判斷過程能力是否處于技術(shù)穩(wěn)態(tài)；完成上述的控制圖分析過程后，將分析用控制圖轉(zhuǎn)化為控制用控制圖實(shí)施日常質(zhì)量控制。

調(diào)用Teechart組件繪制控制圖，利用控制圖理論判異規(guī)則進(jìn)行判異，在圖中使用數(shù)字“1”標(biāo)識異常點(diǎn)，處理過的異常點(diǎn)變?yōu)閿?shù)字“2”顯示，繪制出的控制圖示例如圖4所示。

操作人員根據(jù)提供的參考方法對報警點(diǎn)進(jìn)行處理，并登記異常信息。對于新問題，生產(chǎn)部門可組織相關(guān)人員利用頭腦風(fēng)暴法找出最優(yōu)化解決方案，錄入問題和相應(yīng)解決辦法，并存入數(shù)據(jù)庫，以供操作人員參考，作為知識積累，如圖5所示。

可見，圖形報警模塊在嘴棒質(zhì)量管理中，起到重要的支持作用，主要有：報警樣式明顯、直觀；能提供異常點(diǎn)的詳細(xì)信息供操作人員查看；在異常處理完畢后，能形成經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，供以后應(yīng)對異常參考。

2.4 圖表直觀展示功能模塊

本模塊設(shè)計主要包括分析圖表，周報月報兩大功能。通過生成散布回歸分析、排列圖、直方圖以及周報、月報等質(zhì)量分析用圖表，供生產(chǎn)部門使用。

圖5 異常處理經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的界面示例Fig.5 An illustration of importing exception-handling experience into database

目前普遍采用的圖表生成技術(shù)有：GDI+繪圖、Excel圖表組件、Teechart圖表組件[4]。調(diào)用GDI+函數(shù)生成圖行可繪制任意圖形，但開發(fā)繁瑣，不利于對其他圖表功能的擴(kuò)展；Excel圖表組件圖形功能簡單、圖表生成效率低，不利于擴(kuò)展開發(fā)多種質(zhì)量圖表，在繪制出的圖表中開發(fā)用戶交互較困難；Teechart組件功能強(qiáng)大，可開發(fā)多種圖表樣式，運(yùn)行效率高；雖開發(fā)時調(diào)用Teechart組件較復(fù)雜，但開發(fā)人員經(jīng)過短期學(xué)習(xí)可掌握。通過對以上三種技術(shù)進(jìn)行綜合分析，本系統(tǒng)中采用Teechart組件作為圖表生成工具。

2.4.1 分析圖表功能

通過散點(diǎn)圖顯示兩個變量之間的關(guān)系，從而可反映嘴棒質(zhì)量的特征因素。

圖6 散布圖應(yīng)用于嘴棒重量與吸阻的相關(guān)性分析示例Fig.6 An example of using scatter diagram to illustrate the correlation analysis of rods'weight and theresistance to suction

通過排列圖按最主要到最次要的順序排列出影響嘴棒質(zhì)量的項(xiàng)目指標(biāo)，從而找出影響嘴棒質(zhì)量的主要因素，識別質(zhì)量改進(jìn)的機(jī)會。

2.4.2 生成周報、月報功能

系統(tǒng)生成的周報，月報按照生產(chǎn)部門使用的紙質(zhì)報表定制，以適應(yīng)察看習(xí)慣，周報的顯示界面如圖8所示。

圖7 不合格項(xiàng)目排列圖示例Fig.7 The Pareto Diagram of defective item

圖8 周報界面示意圖Fig.8 The interface of weekly reports

3 系統(tǒng)實(shí)施效果

2013年5月至8月，經(jīng)4個月的系統(tǒng)運(yùn)行測試，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示?？梢姡到y(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了控制圖自動報警，并且使得數(shù)據(jù)采集完整、準(zhǔn)確。經(jīng)檢驗(yàn)，異常的報警率從之前的81.4%上升到系統(tǒng)實(shí)施后的100%，證實(shí)了系統(tǒng)實(shí)施的有效性。

4 結(jié) 論

實(shí)踐證明圖形化煙草質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效支持煙草行業(yè)中的嘴棒QC問題，通過自動化的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、異常報警等應(yīng)用，提高煙草質(zhì)量控制的效率與準(zhǔn)確性，同時能節(jié)約人力成本，值得推廣與二次研究利用。

表3 系統(tǒng)實(shí)施后的異常識別率Tab.3 Recognition rate of anomaly after system implementation

[1]馮玉如.網(wǎng)絡(luò)化QC管理與協(xié)同優(yōu)化技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2011，19（11）:12-15.FENG Yu-ru.Networked quality control management and collaborative optimization technology and its application[J].Electronic Design Engineering，2011，19（11）:12-15.

[2]楊帆，華一錦，楊光真，等.質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)在濾棒生產(chǎn)中的應(yīng)用[C].中國煙草學(xué)會2011年會議論文集，2011:208-214.

[3]上海計算機(jī)軟件技術(shù)開發(fā)中心，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，華東理工大學(xué).GB/T 18491.2-2010.信息技術(shù) 軟件測量 功能規(guī)模測量 第2部分：軟件規(guī)模測量方法與GB/T 18491.1-2001的符合性評價 [S].中國:國家質(zhì)檢總局（CN-GB）， 2010.

[4]梁新平.基于PLC的自動線機(jī)械手位置控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014，22（7）:86-91.LIANG Xin-ping.Automatic production line manipulator position control system design based on PLC[J].Electronic Design Engineering，2014，22（7）:86-91.

[5]王杰，高昆侖，朱曉東.OPC通訊技術(shù)在可視化界面監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].計算機(jī)測量與控制，2012，20（1）:86-91.WANG Jie，GAO Kun-lun，ZHU Xiao-dong.Study of OPC communication technology used in visual interface monitoring system[J].Computer Measurement&Control，2012，20（1）:86-91.

[6]周超.串口/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器在煤炭數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2012，29（4）:174-176.ZHOU Chao.Application of embedded serial Ethernet converter to coal data acquisition[J].Coal Technology，2012，29（4）:174-176.

[7]文治洪，胡文東，李曉京，等.使用Chart控件實(shí)現(xiàn)生理信號的實(shí)時顯示[J].電子設(shè)計工程，2011，19（5）:63-66.WEN Zhi-hong，HU Wen-dong，LI Xiao-jing，et al.Development of showing vivid physiology signal system based on TeeChart controls[J].Electronic Design Engineering，2011，19（5）:63-66.