趙松斌 馮新軍 劉次剛

（河南中煙工業(yè)有限責任公司洛陽卷煙廠 河南洛陽）

一、概述

絲束是煙用濾棒加工生產(chǎn)的主要材料，對卷煙質(zhì)量和生產(chǎn)成本影響較大。在實際生產(chǎn)中，絲束使用的統(tǒng)計分析完全依靠人工操作，工作量大、效率低、易出錯。同時，濾棒生產(chǎn)不能進行有效地過程控制，造成絲束原料浪費較多。此外，絲束的使用管理沒有科學的方法和有效手段，使濾棒的工藝研究與質(zhì)量改進缺乏必要支撐。為此，開發(fā)1套基于ZigBee技術(shù)的煙用絲束計量系統(tǒng)，實時計量分析絲束用量、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）

煙用絲束計量系統(tǒng)由絲束重量采集模塊、濾棒產(chǎn)量計數(shù)模塊、現(xiàn)場顯示記錄終端、ZigBee無線傳輸模塊和車間集控計算機等5部分組成。超低臺面精密電子秤和智能濾棒產(chǎn)量信號接收器采集絲束重量和濾棒產(chǎn)量信息。現(xiàn)場顯示記錄終端用來計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)場顯示記錄終端還可完成生產(chǎn)信息的實時存儲與統(tǒng)計、超低臺面精密電子秤的標定、班次及濾棒品種規(guī)格的信息錄入等功能。ZigBee無線收發(fā)模塊實現(xiàn)集中管控計算機與現(xiàn)場顯示記錄終端之間的信息傳遞。集控計算機主要完成各機臺生產(chǎn)信息的集中采集與存儲，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的報表分析，生產(chǎn)指令的下達，同時為廠級信息化管理提供網(wǎng)絡接口。

2.超低臺面精密電子秤

為提高測量精度，實時采集絲束重量，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2 t），設計了1臺高精度電子秤?？紤]到目前絲束原料箱采用人力液壓叉運小車搬運，舉升高度有限（最大舉升高度為6.5 cm），為此將電子秤的臺面高度定為10 cm，下沉5 cm安裝，保證原料箱與秤體臺面有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，設定秤臺面積為1.5 m×1.5 m。

圖1 煙用絲束計量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由于稱重傳感器輸出信號為模擬量，故采用數(shù)字式重量變送器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送至現(xiàn)場顯示記錄終端。為保證測量精度，系統(tǒng)選用CD4052B雙四選一模擬開關(guān)和RWST02D型數(shù)字稱重變送器來完成電子秤的標定及信號的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題。

3.ZigBee無線傳輸模塊

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

三、軟件設計

1.總體功能模塊（圖2）

煙用絲束計量系統(tǒng)軟件平臺作為與用戶直接對話的交互窗口，既要實現(xiàn)對車間生產(chǎn)的實時監(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實時動態(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記錄每個班、每個機臺生產(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廠家，何種規(guī)格。③及時準確地生成相應生產(chǎn)報表。④車間顯示記錄終端與辦公室管控計算機之間的信息傳輸?shù)取?/p>

圖2 煙用絲束計量系統(tǒng)功能模塊

2.電子秤的標定設計

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

（2）自動零點跟蹤設計。由于受環(huán)境、電源波動等多種因素的影響，精密電子秤會產(chǎn)生零漂而影響絲束重量的測量精度。系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的方法進行零點自動跟蹤設計，原理見圖4。

當開關(guān)與c點連通，c點為地電平，稱重傳感器測量值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。當開關(guān)與b點連通，基準電壓Ur連入電路，進行增益校正，測量值Nb=kA（Ur+Uz）。當開關(guān)與a點連通，測量值Ua為包含零點漂移的值，Na=kA（Uout+Uz），Uout為絲束的真實值。

圖3 濾波器軟件流程

圖4 零點自動跟蹤原理

圖5 零點自動跟蹤軟件設計流程

四、應用效果

圖6 煙用絲束計量系統(tǒng)

目前，煙用絲束計量系統(tǒng)已在河南中煙工業(yè)有限責任公司洛陽卷煙廠投用（圖6）。濾棒生產(chǎn)車間其中一條生產(chǎn)線的現(xiàn)場測試結(jié)果見圖7，檢測結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了濾棒分規(guī)格、分產(chǎn)量和絲束分班次、分機臺、分規(guī)格消耗統(tǒng)計及報表生成的生產(chǎn)過程實時監(jiān)控，穩(wěn)定性強，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)量改進提供了必要支撐。

a）系統(tǒng)主界面

圖7 現(xiàn)場檢測界面

煙用絲束計量系統(tǒng)填補了濾棒生產(chǎn)過程中對絲束使用無自動化管理的空白，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計[J].中國儀器儀表，2005（5）

2 周怡窹等.ZigBee無線通信技術(shù)及其應用探討[J].自動化儀表，2005，26（6）

3 包長春等.基于ZigBee技術(shù)的糧庫監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2009，09

4 吳逸賢等.精彩C++Builder 6程序設計[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計[D].蘭州：蘭州大學，2012