采用多传感器组网的箱烟输送质量监控系统

李力 李盈 高雪峰

1.河南中烟工业有限责任公司南阳卷烟厂卷包部；2.陕西中烟工业有限责任公司宝鸡卷烟厂

箱烟输送是成品卷烟生产制造过程的“最后一公里”。受限于物理距离长，现有输送系统存在检测点位少，信号衰减干扰现象严重，本次研究通过采用基于多传感器混合组网实现产品输送过程全流程监控，可实时发现输送过程的箱烟质量问题并进行问题追溯，减少装箱机出口到成品库传输通道意外停机以及因烟箱卡住后使输送线上的设备损坏故障，降低物流输送停机时间。

1 烟箱输送系统现状

烟箱从装箱机出口至成品库的输送过程中要经历提升、输送、下降等多个环节，整个流程平均距离在400m以上，目前全流程已实现自动化输送，无人员质检及检测装置进行流程监控，仅有出口处分拣识别装置。现流程在提升和下降环节经常产生烟箱阻塞、挤压等质量、设备故障，造成输送线长时间无法修复的情况。主要体现在以下几方面。

1.1 粘贴不牢导致输送过程开胶

由于包装条包烟的纸箱循环使用，会造成纸箱变形及硬度降低，封带端多重粘贴导致胶带纸粘贴不牢固、不平整，次品率达2.1%。烟箱会在输送过程中或在码垛的过程中开胶，会造成输送线停止运行，严重的造成输送线器件损坏，造成输送线长时间无法修复的情况。

1.2 前后挤压导致烟箱翻转

烟箱在进入到提升通道及下降通道时，由于存在惯性速度，在前方挡板的作用下会使烟箱由水平放置变成垂直放置，从而使烟箱的相对高度变高，造成烟箱卡住后使输送线上的器件损坏，发生频次2次/日，最低类单箱损耗2500元以上，导致输送线长时间无法修复的情况。

1.3 碰撞导致烟箱位置错位

烟箱在从提升通道和下降通道进入和离开时如果烟箱烟箱在通道中不居中会碰触导向装置造成烟箱在通道内堵塞，严重的造成输送线器件损坏，造成输送线长时间无法修复的情况。系统查询提升托盘单价5200～24503元/件。重大堵塞故障一次更换8个，一般堵塞故障更换2个。

1.4 堵塞故障排查时间长

传送通道较长，无人巡视，也无监测。当通道堵塞时无法及时发现堵塞情况，需要根据堵塞提醒进行分段检查巡视，排查过程需要登高操作处理时间长，故障排除后需要远端操作人员进行复位启动，人员联系沟通容易产生误操作。重大堵塞故障一次耗时19h，一般堵塞故障也要耗时2h。

2 检测方案设计

根据输送过程产生的不同质量缺陷类型，采用针对性质量监控方案。

2.1 胶带粘贴不牢检测技术

采用基恩士IX-H多点式激光传感器，通过识别封盖因粘贴不牢引起的高度差检测异常。传统设计采用的单点高度激光传感器或光电传感器受检测点数限制，只能在固定点位检测，当烟箱位置、角度变化时会导致误检测，特别是烟箱运动过程位置有一定变动，容易造成胶带对应位置变化，多点检测采用直线扫描方式发出线状激光，在封盖表面识别直线内的高度差，将运动中的烟箱高度值形成测量面，可实现对目标物的高度、位置自动跟踪，在识别有无的同时，准确检测胶带翘起、开胶质量缺陷。

2.2 烟箱放置方向改变检测

采用线激光轮廓传感器生成3D数据，烟箱通过后自动整合成一张单独的轮廓或点云图用于测量分析，关键的测量数据可同步整合到烟箱质量判定数据中。重点区域（ROI）实现精密特征检测的同时，覆盖外部轮廓的扫描范围，实现烟箱变形的质量检测，以最少的传感器和最低的系统成本实现对烟箱的整体检测。该传感器内置4角度照明，通过将4张图像合并为1张，减少光晕对检测影响。如图1所示。

2.3 烟箱在通道错位检测技术

采用红外线安全光幕对经过的烟箱进行阻塞及位置检测，通过合理设置光栅密度可实现对不同错位距离的精准检测，光幕尺寸可满足长距离检测要求，关键部位可实现独立检测，红外线为不可见光不会对烟箱及检测区域外人体形成安全隐患。当错位烟箱经过或外部物体侵入区域时可自动输出报警信号，满足阻塞及位置检测需求。如图2所示。

2.4 传感器组网技术

由于多型传感器各自输出信号不同，需要统一进行信号格式处理。部分检测需要多个同型传感器进行同时检测，信号后期整合，在以上信号处理过程中因数据量大因此需合理进行区域分组，通过信号分组预处理降低后端处理数据量，提升反应速度。对现场层位置及执行等单一传感器采用IO-LINK总线[1]，该总线可实现供电线路与信号线路共线传输，有效降低了线路铺设难度，提升了维护便利性，该总线传输距离为小于20m，因此将临近的多个传感器合并传输至中继控制站，控制站选型为西门子S7-1200，控制站之间采用PROFINET总线传输至总机。对多点激光传感器及线激光轮廓传感器因数据分析量高，采用独立组站方式，在完成结果判定后通过PRORINET总线传输至总站。通过合理增加中继整套系统可在满足信号时效及准确性要求的情况下，完成5km以内长距离信号传输。

3 系统安装设计

将整个烟箱输送过程分为：装箱机出口部分、提升机部分、输送通道部分、下降机部分、出口部分（下降机出口）五部分进行改进及监控。如图3所示，本系统为机电结合系统。

3.1 装箱机出口部分（如图4所示）

该部位安装烟箱粘贴质量检测。主要解决循环箱皮因多次使用，粘贴部位经常粘贴不牢固，输送过程中容易出现开胶问题。同时在封箱机出口至提升通道之间加装胶带加固装置。装置内通过热风对胶带纸进行加热处理，之后通过滚轮对胶带粘合部位进行加固滚搓。作为封箱机包装质量的把关措施，完成了胶带纸二次加固，减少了可能产生的胶带开胶质量问题。

3.2 提升机部分

该部位安装箱烟形状检测保证烟箱进入提升机前的完好性，当发生故障时触发停机信号。

提升平台定位：安装位置：提升机。使用定位传感器（编码器、无线射频或其他种类检测等）判断每个提升平台位置。

烟箱位置检测：安装位置：提升机入口。配合提升平台定位判断烟箱是否在正确位置，以免烟箱进入提升台后发生挤压和阻塞。

3.3 输送通道部分

箱烟阻塞检测：安装位置：输送通道、提升机的入口、出口、下降机的入口、出口。检测数量：不少于6个。采用光电或成像检测判断通道上烟箱是否发生阻塞。故障处理方法：报警、停机。

通道防跑偏装置：安装位置：通道各转弯处。保证烟箱处于通道中央位置，防止烟箱发生卡碰。

通道烟箱监控：安装位置：输送通道提升机出口处、近下降机入口处，共二处通道烟箱监控。采用成像技术检测判断烟箱是否发生破损、形变等。数量：2个。2个检测相互配合。故障处理方法：报警、停机。即第一个为NG时报警，第二个也为NG时停机。

3.4 下降机部分

箱烟形状检测：安装位置：下降机入口。采用测量光幕或轮廓检测器检测烟箱错位、倾倒、破损、粘贴不良的质量缺陷,保证烟箱进入下降机前的完好性。故障处理方法：立即停机。

下降平台定位：安装位置：下降机。使用定位传感器（编码器、无线射频或其他种类检测等）判断每个下降平台位置。

烟箱位置检测：安装位置：下降机入口。配合下降平台定位检测判断烟箱是否在正确位置，以免烟箱进入提升台后发生挤压和阻塞。

3.5 出口部分

出口烟箱监控：安装位置：下降机出口。采用成像技术对每个烟箱的生产情况进行图像留存。时间：大于30天。

烟箱数量统计：根据品牌进行数量统计。

3.6 电气控制

控制核心采用可编程控制器（带IO-LINK接口）+工控机，安装在原系统电控柜内与原系统进行数据交换，控制输送过程实时监控，故障报警。输送过程中的五个部分分别检测和输出部件。分布在整个输送过程中的各检测部件和输出部件，通过IO-LINK站点或无线传输等方式将信号与工控机及可编程控制器（带IO-LINK接口）进行数据交换传输，完成控制过程。同时对通道中容易产生烟箱拥堵、变形的位置进行合理的优化处理。在烟箱输送的整个过程中安装无死角视频监控，保证在检测到通道发生故障或报警时，可以在监控画面上实时查看故障发生原因及部位。

4 使用效果

本方案采用机器学习等人工智能检测技术，实现检测过程的自学习调校，与传统人工检测相比，可做到少维护和免维护。应用范围广。内容覆盖物联网相关的无线传感器、射频识别、智能传感器等多类相关学科知识，在行业应用上有大量成熟案例；可移植性好。采用外部独立检测设计，技术自主可控，与原系统接口可采用通用总线技术，方便后期卷包技改升级移植；组网方式灵活。通过传感器自组网、无线传感器、NB-IOT窄带通讯等多种方式可以满足目前各种实际工业生产环境需求。

（1）保证烟箱输送过程中能安全、顺畅，检测效率＞99.5%；

（2）提高循环烟箱使用质量和次数，检测部位≥10个；

（3）减少停机，保证生产效率，报警停机响应时间＜500ms；

（4）减少监视通道，疏通通道的人工成本。