呂思博 趙瑞瑩 李廣 謝楓燃 劉忠發(fā)

收稿日期：2023-10-16

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.010

摘? 要：針對(duì)在潤(rùn)葉加料工序?yàn)椴煌放葡銦熖砑酉闾橇蠒r(shí)存在的一系列問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款制絲線潤(rùn)葉加料工序防差錯(cuò)系統(tǒng)，采用無(wú)線掃碼技術(shù)進(jìn)行罐體信息識(shí)別并在底層生產(chǎn)系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行比對(duì)檢驗(yàn)，通過(guò)運(yùn)用無(wú)線掃碼設(shè)備、PLC、WinCC等方式降低了因人為失誤或控制缺陷等引發(fā)的質(zhì)量事故風(fēng)險(xiǎn)，穩(wěn)定卷煙產(chǎn)品質(zhì)量，避免因質(zhì)量缺陷而造成生產(chǎn)損失。

關(guān)鍵詞：防差錯(cuò)系統(tǒng)；無(wú)線掃碼技術(shù)；PLC控制；潤(rùn)葉加料

中圖分類號(hào)：TP39；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）07-0042-05

Development of Error Prevention System for Leaf Moistening and Feeding Process in Primary Processing Line

LYU Sibo， ZHAO Ruiying， LI Guang， XIE Fengran， LIU Zhongfa

（Yuxi Cigarette Factory of Hongta Group， Yuxi? 653100， China）

Abstract： In response to a series of problems produced in adding sweeteners to different brands of cigarettes during the leaf moistening and feeding process， an error prevention system for leaf moistening and feeding process in primary processing line is designed. Wireless scanning technology is used to identify tank information and compare and verify system information in the underlying production system. By using wireless scanning equipment， PLC， WinCC and other methods， the risk of quality accidents caused by human error or control defects is reduced， and the quality of cigarette products is stabilized to avoid production losses caused by quality defects.

Keywords： error prevention system; wireless scanning technology; PLC control; leaf moistening and feeding

0? 引? 言

在煙草行業(yè)中，潤(rùn)葉加料工序是整個(gè)制絲工序中最為重要的一環(huán)，用于改善煙葉的感官品質(zhì)及物理性能，使其能夠達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)的工序處理奠定基礎(chǔ)。面對(duì)行業(yè)內(nèi)數(shù)量眾多且工藝標(biāo)準(zhǔn)各不相同的品規(guī)牌號(hào)，需要在潤(rùn)葉加料工序調(diào)配添加不同牌號(hào)、不同重量的香糖料。然而，隨著香煙品牌和工作內(nèi)容的日益增多，因工作人員的操作失誤而引發(fā)的生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生。如何避免潤(rùn)葉加料工序進(jìn)行香糖料備料時(shí)發(fā)生香糖料混牌、錯(cuò)牌、缺料等重大質(zhì)量事故，一直都是眾多煙草制品從業(yè)人員的熱門研究課題。

防差錯(cuò)技術(shù)的引用可有效減少出錯(cuò)概率，同時(shí)對(duì)工藝提升與質(zhì)量管理也起著至關(guān)重要的作用。防差錯(cuò)系統(tǒng)在潤(rùn)葉加料工序段所發(fā)揮的作用便是防止這一工序出現(xiàn)差錯(cuò)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，是預(yù)防工藝質(zhì)量事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)葉加料系統(tǒng)“零缺陷”目標(biāo)的最有效途徑[1-4]。

本文設(shè)計(jì)的煙草行業(yè)潤(rùn)葉加料防差錯(cuò)系統(tǒng)可基于生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的生產(chǎn)任務(wù)計(jì)劃，現(xiàn)場(chǎng)采用無(wú)線掃碼、PLC編程等技術(shù)識(shí)別香糖料的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行全方位的比對(duì)，在出現(xiàn)異常情況時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示，幫助現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。在生產(chǎn)過(guò)程中多次進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)，確保潤(rùn)葉加料工序順利進(jìn)行，防止出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的重大事故。

1? 潤(rùn)葉加料防差錯(cuò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

對(duì)潤(rùn)葉加料防差錯(cuò)系統(tǒng)的功能進(jìn)行以下三個(gè)方面的設(shè)計(jì)：

1）設(shè)計(jì)香糖料批次和牌號(hào)的對(duì)比功能，二者必須與生產(chǎn)任務(wù)信息一致才允許加料，否則發(fā)出警報(bào)提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行相應(yīng)處理。

2）設(shè)計(jì)控制備料罐加料管道開閉的控制系統(tǒng)，使其能夠根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)自動(dòng)開啟需要進(jìn)料的糖料管，關(guān)閉其他糖料進(jìn)料管道。

3）設(shè)計(jì)重量對(duì)比功能，利用備料罐自帶的電子秤將數(shù)據(jù)導(dǎo)入生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)，數(shù)據(jù)無(wú)誤才可進(jìn)入下一步生產(chǎn)工序，否則發(fā)出警報(bào)提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行相應(yīng)處理。

2? 潤(rùn)葉加料防差錯(cuò)系統(tǒng)的功能原理

根據(jù)防差錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)功能分為三個(gè)部分：

1）現(xiàn)場(chǎng)香糖料液信息防差錯(cuò)功能。

2）備料罐選擇與進(jìn)料防差錯(cuò)功能。

3）備料罐內(nèi)料液重量防差錯(cuò)功能。

2.1? 香糖料信息防差錯(cuò)

采用無(wú)線掃碼設(shè)備可方便快捷地進(jìn)行香糖料信息的識(shí)別[5，6]。采用生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System， MES）進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃的任務(wù)下發(fā)，通過(guò)車間中控室下發(fā)傳遞生產(chǎn)信息至工序電控系統(tǒng)；香糖料調(diào)控系統(tǒng)根據(jù)MES的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行香糖料配送并打印含有二維碼的標(biāo)簽。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，工作人員通過(guò)無(wú)線掃碼設(shè)備進(jìn)行香糖料信息識(shí)別，通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，若掃碼信息與生產(chǎn)計(jì)劃不匹配，信息系統(tǒng)則向設(shè)備發(fā)出報(bào)警提示。

2.2? 香糖料進(jìn)罐防差錯(cuò)

通過(guò)在備料罐輸送管道上安裝料角閥和閥島控制器，生產(chǎn)系統(tǒng)可以對(duì)每一個(gè)備料罐的進(jìn)料管道進(jìn)行單獨(dú)的開合控制，現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)生產(chǎn)信息進(jìn)行確認(rèn)之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟需要進(jìn)料的備料罐進(jìn)料管道，同時(shí)關(guān)閉其他備料罐進(jìn)料通道。

2.3? 香糖料重量防差錯(cuò)

香糖料進(jìn)入備料罐后，電子秤將罐內(nèi)確認(rèn)重量（數(shù)據(jù)量設(shè)為S）的數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)，使用PLC實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前配方的系統(tǒng)設(shè)定重量（數(shù)據(jù)量設(shè)為P）的對(duì)比確認(rèn)，并將對(duì)比結(jié)果輸送給生產(chǎn)系統(tǒng)和人機(jī)交互界面WinCC根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況設(shè)置一個(gè)偏差值（數(shù)據(jù)量設(shè)為X），只有當(dāng)數(shù)據(jù)對(duì)比通過(guò)S ± X＜P時(shí)才允許喂料機(jī)過(guò)料[7，8]。

3? 控制流程

結(jié)合信息化工廠平臺(tái)，計(jì)劃生產(chǎn)科通過(guò)MES系統(tǒng)生成生產(chǎn)信息并進(jìn)行傳輸，經(jīng)車間中控室下發(fā)至底層段控PLC，并在PLC中完成信息比對(duì)，確認(rèn)信息準(zhǔn)確無(wú)誤后才可進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)步驟[9，10]，從而達(dá)到潤(rùn)葉加料防差錯(cuò)的目的。

具體流程如下：

1）生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)計(jì)劃生成工單并通過(guò)MES下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)至車間中控室。

2）車間中控室根據(jù)生產(chǎn)信息執(zhí)行任務(wù)，將所需生產(chǎn)信息與配方下達(dá)到下端控制PLC。

3）現(xiàn)場(chǎng)工作人員根據(jù)生產(chǎn)工單對(duì)收到的生產(chǎn)信息與配方進(jìn)行人工比對(duì)，確認(rèn)生產(chǎn)任務(wù)無(wú)誤后進(jìn)入備料階段。

4）現(xiàn)場(chǎng)工作人員利用無(wú)線掃碼設(shè)備對(duì)香糖料進(jìn)行掃碼比對(duì)，確保香糖料的批次與牌號(hào)正確，若其中任何一個(gè)與生產(chǎn)任務(wù)不匹配則發(fā)出警報(bào)提醒現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員進(jìn)行處理。

5）掃碼對(duì)比無(wú)誤后開始進(jìn)行料泵抽料，系統(tǒng)自動(dòng)開啟所需備料罐的進(jìn)料管路，鎖死其他進(jìn)料管路，并通過(guò)電子秤將備料罐內(nèi)的香糖料重量實(shí)時(shí)傳輸至生產(chǎn)系統(tǒng)。

6）系統(tǒng)對(duì)備料罐內(nèi)香糖料確認(rèn)重量S與任務(wù)配方中的設(shè)定重量P進(jìn)行比對(duì)，若不滿足比對(duì)條件，則禁止喂料機(jī)過(guò)料并發(fā)出警報(bào)。

7）以上所有流程都已完成且未出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)，備料工序結(jié)束，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)允許喂料機(jī)進(jìn)料，進(jìn)入準(zhǔn)備生產(chǎn)狀態(tài)，等待生產(chǎn)。

潤(rùn)葉加料段信息控制流程如圖1所示。

4? 設(shè)備安裝

考慮到車間整體生產(chǎn)環(huán)境與數(shù)字化建設(shè)，采用背夾式無(wú)線掃碼設(shè)備進(jìn)行料管掃碼確認(rèn)，其優(yōu)點(diǎn)為：通過(guò)藍(lán)牙與智能手機(jī)連接可以直接將掃碼得到的料液信息傳入生產(chǎn)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)核對(duì)。若信息與當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)不符，設(shè)備將持續(xù)震動(dòng)并發(fā)出“滴滴”聲提醒工作人員進(jìn)行確認(rèn)。以上功能減少了信息輸送與對(duì)比的延遲，大幅降低了生產(chǎn)香糖料批次與牌號(hào)錯(cuò)誤添加的可能性，提高了整體工作效率。此外，模塊化的設(shè)計(jì)使我們能夠輕而易舉地對(duì)故障部分進(jìn)行更換，使得整個(gè)防差錯(cuò)系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定可靠。設(shè)備外觀如圖2所示。

在抽料泵進(jìn)料管路上加裝進(jìn)料角閥，加裝閥島控制器并與PLC控制系統(tǒng)的I/O接口連接，通過(guò)信號(hào)線將所需控制的閥島內(nèi)電磁閥與PLC的O接口進(jìn)行妥善連接。安裝過(guò)程中注意進(jìn)料角閥的上下連接處需要纏繞生料帶進(jìn)行縫隙填充，防止安裝后連接處出現(xiàn)漏液漏氣等故障；進(jìn)料角閥因后續(xù)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間解除壓縮空氣與香糖料液，安裝過(guò)程中需要對(duì)整體進(jìn)料管道進(jìn)行密封性處理與測(cè)試，以此保證系統(tǒng)的安全性和有效性。角閥的安裝位置如圖3所示。

香糖料液重量對(duì)比通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)中的PLC控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)WinCC人機(jī)交互面板顯示對(duì)比結(jié)果。對(duì)PLC進(jìn)行約束條件模塊的編程與編輯WinCC的顯示界面即可實(shí)現(xiàn)功能，因此無(wú)須再次進(jìn)行設(shè)備的安裝。

5? 控制實(shí)現(xiàn)

為避免人為因素導(dǎo)致出錯(cuò)率較高且結(jié)果不可逆的問(wèn)題，盡可能減少工作人員參與數(shù)據(jù)處理工作。得益于PLC的高可靠性和高容錯(cuò)能力，借助PLC對(duì)生產(chǎn)信息進(jìn)行處理與比對(duì)可大大提高系統(tǒng)的防差錯(cuò)能力。

對(duì)WinCC界面進(jìn)行編輯，加入備料確認(rèn)功能，工作人員對(duì)備料信息確認(rèn)無(wú)誤后，選擇需要進(jìn)料的備料罐并點(diǎn)擊備料按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入備料狀態(tài)。PLC控制器自動(dòng)向閥島控制器對(duì)應(yīng)的電磁閥門輸出信號(hào)，打開所選備料罐進(jìn)料管道的角閥允許進(jìn)料；同時(shí)將其他電磁閥鎖死，關(guān)閉剩余的進(jìn)料管道角閥，防止料液進(jìn)入錯(cuò)誤的備料罐。備料階段的WinCC操作界面如圖4所示。

圖4? WinCC備料階段操作畫面

使用博圖軟件自主編寫所需的控制程序，通過(guò)結(jié)構(gòu)化編程方式將約束條件做成一個(gè)獨(dú)立的功能塊，方便主程序調(diào)用。編程需要實(shí)現(xiàn)的功能為備料罐內(nèi)確認(rèn)重量與生產(chǎn)配方設(shè)定重量的對(duì)比與報(bào)警。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況與生產(chǎn)工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，最終將每一個(gè)模塊的允許偏差值X定為0.5 kg，并以此數(shù)據(jù)開始程序編寫。

編寫出備料罐重量對(duì)比防差錯(cuò)約束條件功能塊，其工作邏輯為：在批次生產(chǎn)的運(yùn)行狀態(tài)下開始數(shù)據(jù)對(duì)比，備料罐通過(guò)電子秤將罐內(nèi)香糖料液的確認(rèn)重量傳輸給PLC控制系統(tǒng)，PLC自動(dòng)將數(shù)據(jù)與配方數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。若A、B、C三個(gè)模塊的備料罐內(nèi)料液確認(rèn)重量與系統(tǒng)配方參數(shù)的設(shè)定重量偏差都小于0.5 kg，才能消除系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，進(jìn)入允許生產(chǎn)的狀態(tài)；只要有任何一個(gè)模塊的重量對(duì)比數(shù)據(jù)偏差大于0.5 kg，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉生產(chǎn)準(zhǔn)備狀態(tài)并發(fā)出警報(bào)，同時(shí)將A、B、C三個(gè)模塊的報(bào)警狀態(tài)編寫為三個(gè)信號(hào)輸出，以便我們可以清晰分辨出是哪一個(gè)料罐引發(fā)的報(bào)警。程序塊的功能編寫如圖5所示。

在主控制程序梯形圖中調(diào)用約束條件功能塊，只有在功能塊信號(hào)無(wú)報(bào)警的情況下才能達(dá)成喂料機(jī)允許出料的啟動(dòng)條件，從而進(jìn)入準(zhǔn)備生產(chǎn)狀態(tài)。主程序部分梯形圖如圖6所示。

對(duì)WinCC的顯示界面進(jìn)行處理，加入香糖料對(duì)比的數(shù)據(jù)信息，編輯人機(jī)交互顯示界面的報(bào)警畫面與提示功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)后，工作人員能夠直觀地了解是否存在因香糖料重量不符合要求而引起禁止出料，若是重量不符合要求也能看到具體是由哪個(gè)模塊引發(fā)的報(bào)警，極大地降低了排障時(shí)間，故障處理效率得以顯著提升。WinCC操作界面報(bào)警如圖7所示。

6? 應(yīng)用效果

為驗(yàn)證系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，決定人為設(shè)置一些異常狀況，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

根據(jù)表1可以得出結(jié)論：當(dāng)發(fā)生批次錯(cuò)誤、牌號(hào)錯(cuò)誤、非本工序點(diǎn)糖料、備料罐重量不足等異常狀況時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員。這一情況下禁止進(jìn)入下一步操作，以避免事故的發(fā)生。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了潤(rùn)葉加料防差錯(cuò)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性。

系統(tǒng)正式運(yùn)行后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，成功發(fā)現(xiàn)并阻止差錯(cuò)30余次，每一次的差錯(cuò)都成功發(fā)出了警報(bào)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員根據(jù)報(bào)警信息快速處理，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)工作效率，同時(shí)也證明了潤(rùn)葉加料防差錯(cuò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。潤(rùn)葉加料防差錯(cuò)系統(tǒng)從源頭上避免了潤(rùn)葉加料工序因香糖料出錯(cuò)而引發(fā)一系列問(wèn)題，達(dá)到煙草行業(yè)先進(jìn)水平，充分保證卷煙產(chǎn)品的工藝質(zhì)量。

7? 結(jié)? 論

該文設(shè)計(jì)的潤(rùn)葉加料防差錯(cuò)系統(tǒng)基于智能信息網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，采用便攜式掃碼設(shè)備進(jìn)行潤(rùn)葉加料料罐掃碼對(duì)比，保證牌號(hào)與批次號(hào)正確，確保料液被正確使用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)PLC與閥島控制器的組合進(jìn)行進(jìn)料管道的開合控制，保證不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)罐加料。運(yùn)用嚴(yán)格的底層邏輯控制，在底層PLC中完成備料罐內(nèi)確認(rèn)重量與設(shè)定重量的比對(duì)確認(rèn)，防止出現(xiàn)料液重量所引發(fā)的一系列質(zhì)量問(wèn)題。系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，提高了潤(rùn)葉加料的備料準(zhǔn)確率，同時(shí)也對(duì)提升煙絲質(zhì)量、防止質(zhì)量事故的發(fā)生有著重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介：呂思博（1997.06—），男，漢族，云南曲

靖人，助理工程師，本科，研究方向：煙草制絲。