基于PLC的平均值和标准偏差计算在烟草制丝线上的运用

朱华福

【摘 要】目前烟草制丝线上对于主机设备关键点工艺指标的平均值和标准偏差计算均是基于上位机完成。由于数采规则是根据主机设备状态来制定，而上位系统对主机设备状态无法进行准确判断，从而影响所采集数据的有效性和准确性。本文提出一种由PLC来完成主机设备关键点工艺指标平均值和标准偏差计算的方法，由于设备由PLC来完成控制，PLC对主机设备状态可以进行很好的判断，从而保证采集数据的有效性和准确性，对提高烟草制丝加工工艺质量指标能起到很好的作用。

【关键词】平均值 标准偏差 烟草制丝 PLC

【中图分类号】 F224-39【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0171-02

1 引言

平均值和标准偏差作为产品加工过程中工艺指标稳定性的量化条件运用于各工业生产行业。目前在烟草制丝线加工工艺过程中，对于主机设备关键点工艺指标如温度、水分、加料和加香精度等的平均值和标准偏差数据采集以及计算均基于上位机系统来完成，这些工艺指标都是先采集，最后才计算，因此具有滞后性，且数据采集规则也比较粗糙。随着烟草制丝线加工工艺水平的提高，特别是近年来提出的精细化加工模式，这些都对传统的数据采集规则提出挑战。为了更好的实现卷烟制造过程中产品质量的稳定性，且要求对生产过程中的工艺参数进行有效控制，实现由控制指标向控制参数转变；由结果控制向过程控制转变等的需求[1]，我们提出一种由PLC来实现主机设备关键点工艺指标中平均值和标准偏差计算的方法。

2 系统实现

2.1 平均值和标准偏差介绍

平均值是指一组数据的和除以这组数据的个数所得的结果，也称为算数平均值。在统计中算术平均数常用于表示统计对象的一般水平，它是描述数据集中程度的一个统计量。我们既可以用它来反映一组数据的一般情况，也可以用它进行不同组数据的比较，以看出不同数据组之间的差别。用平均数表示一组数据的情况，有直观、简明的特点，因此被广泛运用于烟草制丝线上主机设备关键点工艺指标的考核。平均值计算公式如下：

为所有采样数据的平均值。

2.2 数据采集规则定义

由于烟草制丝线从生产开始到正常，以及从正常到结束都需要一个过程，加上生产中有可能出现故障、断料等情况，因此在计算过程工艺指标的过程中，需要剔除掉生产开始时不稳定状态、断料时不稳定状态以及结束时不稳定状态的实时数据，剩下数据全部为有效数据。

在日常使用中分别定义其为干头、正常、断料、干尾四个状态，其中每个状态分述如下：

干头：批开始之后生产开始到生产进入正常稳定这个不稳定阶段定义为干头。

干尾：批结束之前从生产的正常稳定状态到生产结束的不稳定阶段定义为干尾。

断料：生产过程中从正常状态下忽然停止开始到生产重新恢复正常这个不稳定状态定义为断料。

正常：生产过程中除干头、断料、干尾状态之外的整个生产过程定义为正常。

各主机设备关键点工艺指标的平均值和标准偏差计算均以生产过程中正常状态下采集的数据为准，当主机设备处于其余3个状态时，不进行工艺指标计算的数据采集。

具体的干头、干尾和断料状态定义则由每个烟厂根据实际需要制定。

2.3 均值和标准偏差计算方法实现原理

利用PLC来实现平均值和标准偏差计算的方法是基于整个制丝线生产过程中数采规则的定义。其工作原理为把事先定义好的各主机设备关键点工艺指标数采规则在PLC控制程序里以数采开始和数采停止两种条件的方式实现。当数采开始条件满足时，PLC开始采集数据，其采集的周期由数采规则决定，每采集到一个数据之后先进行数据有效性判断，再依次进行平均值和标准偏差的计算；当数采停止条件满足时，PLC停止采集数据，同时数据判断和计算工作相应停止。由于PLC的主要工作还是用于设备动作和各种工艺指标的控制，在均值和标准偏差计算的同时不能影响到整个生产工况，因此我们在程序设计上均值和标准偏差计算功能采用事件触发或子程序调用形式，只有数采开始条件满足时，才进行数据采集以及相应的判断和计算；当数采停止条件满足时，跳过此功能，以减少PLC循环扫描时间。

2.4 具体程序实现

均值和标准偏差计算方法实现由两个步骤组成，第一步是产生数采标志，第二步是进行数采并进行相关的判断和计算工作。

2.4.1 数采标志

数采标志采用开关量控制模式，为1时数采开始，为0时数采停止。数采标志根据数采规则来编程实现。

2.4.2 均值和标准偏差计算

为便于PLC实现均值和标准偏差计算，我们对均值和标偏计算公式进行变换。

均值公式可变成如下公式：

两个公式中的A和B均是采用叠加方式进行计算，批结束之后清零A和B，保证下一批次数据的准确性。

3 总结

利用PLC实现烟草制丝线主机设备关键点工艺指标的平均值和标准偏差计算既有实时性和准确性等优点，PLC中用程序实现容易且占用内存小，对PLC循环扫描时间没多大影响，不影响PLC对设备动作和工艺指标的控制，还能实现产品加工过程的实时性监控，在标偏计算的基础上还可以实现Cpk指标的计算。在使用过程中可把所采集到的数据和计算结果在上位机上以趋势图的形式显示出来，同时便于操作人员实时查看，操作人员可根据显示结果进行相应调整，以满足整个生产过程中工艺指标的稳定性。

参考文献

[1] 卷烟工艺/《卷烟工艺》（第二版）编写组编，北京：北京出版社，2000.6

[2] 张宝生 蒋鸿章等.质量管理中常用的统计工具工序能力指数（JB T 3736.7-94）中华人民共和国机械工业部，1995-10-1实施