基于统计过程控制（SPC）的烟草制丝工艺设备自动监测系统

张谋东

（厦门海晟融创信息技术有限公司，厦门 361008）

在科技进步的当下，现代化生产工艺对设备监测和质量控制的要求越来越高。烟草制丝工艺是卷烟生产过程中的重要环节[1]，其主要任务是将烟草原料加工成符合卷烟生产要求的丝束。烟草制丝工艺流程包括多个主要工段，如切片、润湿、切丝、干燥等。每个工段都涉及多种设备，如切丝机、回潮机、干燥机等。这些设备的运行状态直接影响到丝束的质量和卷烟的生产效率[2]。因此，烟草制丝工艺设备自动监测系统的设计和实施显得尤为重要。

针对烟草制丝工艺设备自动监测系统监测精度不佳、烟草制丝质量不佳等问题。已有研究在烟草制丝工艺设备系统自动监测方面开展：文献[3]设计旋转设备在线监测系统，以Android 平台为基础，对旋转设备进行实时在线监测，通过在旋转设备上安装传感器，利用Android 智能终端设备接收传感器数据，实现对旋转设备的运行状态、故障预警、安全性能等方面的监测；文献[4]设计烟草制丝设备停机故障监测系统，利用小波网络的特性，能够有效地提取设备运行中的特征信息，并对其进行多尺度分析和异常检测。但以上系统在进行烟草制丝工艺设备监测时，会出现监测延时情况，无法对烟草制丝工艺设备进行全方位监测，导致其应用效果不佳。

统计过程控制（SPC）作为一种广泛应用于工业生产的质量控制方法，可以有效识别异常波动，提高生产过程的稳定性和产品质量。本文将介绍一种基于统计过程控制的烟草制丝工艺设备自动监测系统的设计和实现方法，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考。

1 烟草制丝工艺设备自动监测系统

1.1 系统技术框架设计

依据烟草制丝工艺设备自动监测系统的需求分析，设计烟草制丝工艺设备自动监测系统技术框架，结构如图1 所示。

图1 烟草制丝工艺设备自动监测系统技术框架Fig.1 Technical framework of automatic monitoring system for tobacco silk production process equipment

1.2 系统网络架设

烟草制丝工艺设备自动监测系统运行依托于现代网络技术[5]，其采集烟草制丝工艺设备现场数据、进行数据分析以及可视化呈现烟草制丝工艺设备运行状态时均离不开网络，烟草制丝工艺设备自动监测系统网络结构如图2 所示。烟草制丝工艺设备自动监测系统网络以以太网为基础，通过以太网连接LED 管理机、网络打印机、I/O 服务器、监控计算机、调度管理机和综合维护计算机，通过以上设备获得烟草制丝工艺设备监测结果并对烟草制丝工艺设备进行调度、维护等管理[6-7]。以太网与厂级网相连后，通过服务器与打叶机、切片机等烟草制丝工艺设备相连，并使用传感器采集烟草制丝工艺设备实时运行数据后，通过以太网将其传输到监控计算机内，实现烟草制丝工艺设备实时数据的采集[8]。

图2 烟草制丝工艺设备自动监测系统网络结构Fig.2 Network structure of automatic monitoring system for tobacco silk production process equipment

1.3 基于统计过程控制（SPC）的烟草制丝工艺设备监测

统计过程控制（SPC）的核心是SPC 控制图，其属于一种分析工具，通过分析烟草制丝工艺设备过程质量特性，对其进行分析和判断后[9-10]，以直观统计图的方式呈现烟草制丝工艺设备监测结果，统计过程控制图基本形式如图3 所示。在统计过程控制图内分为上控制限、下控制限和中心限，通过分析检测目标组号与上控制限、下控制限和中心限的位置关系，即可得到组号对应的监测目标设备是否在正常运行。

图3 统计过程控制图基本形式Fig.3 Basic form of statistical process control chart

通过统计过程控制图可直观呈现烟草制丝工艺设备当前运行状况。但由于烟草制丝工艺设备类型较多，在烟草制丝时，需要依据产品质量特性进行划分，其中包括计量值控制图、计数控制图等，如烟丝制作过程中的水分、压力等数据均为连续的变量，其可划分为计量值。在本文系统中，使用均值-极差控制图和均值-标准差控制图来呈现烟草制丝工艺设备监测结果。（-R）表示均值-极差控制图，其中均值的控制限计算公式为

式中：UCL、CL、LCL 分别表示均值的上、中、下控制限；表示所有均值的平均值；η2表示均值的控制系数；表示烟草制丝工艺设备样本极差均值。

极差R 的控制限计算公式为

式中：η4、η3分别表示极差R 上、下控制限系数。

式中，η6、η5分别表示极差s 上、下控制限系数。

利用式（2）～式（4）即可生成烟草制丝工艺设备的统计过程控制（SPC）图，根据控制图的分析和判断准则可判断当前烟草制丝工艺设备运行状况，得到其监测结果。

1.4 烟草制丝设备监测结果可视化

3ds MAX 是专业的建模软件，系统利用该软件建立烟草制丝工艺设备模型，以可视化的方式呈现烟草制丝设备监测结果。3ds MAX 详细过程如下：

（1）结合autoCAD 软件建立烟草制丝工艺设备模型和场景模型，先设置3ds MAX 软件内的单位，更改系统单位设置和显示单位比例，将3ds MAX软件和autoCAD 软件设置成同步状态，将烟草制丝设备的DWG 文件导入到autoCAD 软件内，再通过3ds MAX 软件内TOP 视图依次捕捉烟草制丝设备和场景轮廓线后，生成烟草制丝工艺设备模型和环境场景。

（2）纹理贴图处理。为使建立的烟草制丝设备模型和场景更加逼真，以烟草制丝设备和场景的纹理照片为基础，对烟草制丝设备模型和场景进行纹理贴图，其过程如图4 所示。烟草制丝设备和场景纹理贴图前，需要对纹理照片进行修剪、旋转、扭曲以及透视等操作，使纹理照片角度、大小等与建立的烟草制丝设备和场景模型吻合，再对环境进行补光和数据调整处理后，将纹理照片贴到建立的烟草制丝设备和场景模型上，即可得到逼真的烟草制丝设备模型和场景，利用其呈现烟草工艺制丝设备监测可视化结果。

图4 纹理贴图过程Fig.4 Texture mapping process

2 实验结果与分析

以某烟草生产销售企业作为实验对象，该烟草生产企业成立于2006 年，年生产量位居全国前几位，但由于该烟草生产企业成立时间较长，烟草制丝工艺设备众多，虽然在后续设备更新过程中引入了新型设备，但较多的设备无法实现自动监测。应用本文系统对该烟草生产企业烟草制丝工艺设备进行自动监测，验证本文系统实际应用效果。

烟草制丝工艺设备自动监测系统稳定运行是最基础的性能，以系统在给定时间内能够正常提供服务的能力，也就是可用性作为衡量指标，验证本文系统在不同测试次数下，其可用性数值变化情况，测试结果如表1 所示。根据表1，系统可用性指标的最低值达到了98.84%，这个数值表明本文所讨论的系统在运行稳定性方面具有良好表现。

表1 系统可用性指标值Tab.1 System availability index values

烟草制丝工艺设备自动监测系统依托网络运行，因此网络传输能力也是衡量该系统的重要指标之一，利用本文系统传输网络编码数据包，并生成本文系统传输网络编码数据包的时域波形，分析本文方系统的通信传输能力，测试结果如图5 所示。根据对图5 的分析可得，在传输网络编码数据包的过程中，时域波形呈现规律性的变化趋势。当传输时间超过0.04 s 后，网络编码数据包的时域波形变为0 dB，这表明数据包已经成功传输完成。整个传输过程所耗费的时间大约仅为0.04 s 左右。这一结果说明了本文所描述的系统具有较好的网络传输能力。由于网络编码数据包的传输是高效和准确的，因此该系统能够实现在较短时间内完成大量数据的传输。这不仅有助于提升网络传输的效率，还能够更好地满足实际应用中的需求。

图5 网络编码数据包传输时域波形Fig.5 Time domain waveform of network encoded data packet transmission

以烟草制丝工艺设备中的包装设备和烘丝设备作为实验对象，使用本文系统对其进行监测，监测结果如图6 所示。分析图6（a），可以了解到烟草制丝工艺设备中的包装设备压力呈现出无序波动状态，但整体上始终在中心限左右波动，没有超出上控制限和下控制限，这一结果表明，当前的包装设备处于正常运行状态。此外，从图6（b）可以看出，烘丝设备的温度呈现出有序的波动变化趋势，然而在设备运行约60 min 时，温度点超出下控制限，这说明此时烘丝设备可能出现了异常状态。综上所述，利用本文所介绍的监测系统可以有效监测烟草制丝工艺设备的运行状态，应用效果较为显著。这一监测结果可以为相关人员提供参考信息，帮助他们及时发现设备的问题，并采取相应的措施来确保生产过程的顺利进行。

图6 烟草制丝工艺设备自动监测结果Fig.6 Automatic monitoring results of tobacco silk production process equipment

验证本文系统对烟草制丝工艺设备自动监测结果可视化呈现能力，以烟草制丝工艺设备中的包装设备作为实验对象，使用本文方法建立其可视化模型，效果如图7 所示。由图7 可得，使用本文监测系统可以有效建立烟草制丝工艺设备的模型。这一结果表明本文系统的可视化效果较为优秀，能够为相关人员提供准确、清晰的可视化界面和数据分析结果，帮助他们更好地理解设备运行状态和性能变化趋势。这对于烟草制丝工艺设备的维护和管理具有重要的意义。

图7 包装设备三维模型Fig.7 3D model of packaging equipment

进一步验证本文系统可视化监测能力，以该烟草企业某个烟草生产车间作为实验对象，使用本文系统对该车间内烟草制丝工艺设备进行自动监测，监测结果可视化呈现如图8 所示。由图8 可知，本文系统可清楚标注该烟草生产车间E 组内烟草制丝工艺设备出现异常，说明本文系统在实际应用中具备较好的应用效果。

图8 烟草制丝工艺设备自动监测结果Fig.8 Automatic monitoring results of tobacco silk production process equipment

3 结语

烟草制丝工艺设备自动监测系统在烟草生产中具有重要意义。通过实时监控制丝设备的运行状态，该系统能够提高生产效率，降低故障率，减少停机时间，从而增加烟草生产的整体效益。同时，自动监测系统能够减少人工干预，降低工人的劳动强度，提高生产过程的自动化程度。此外，利用SPC 理论对制丝过程进行统计分析，可以更好地控制生产过程，提高产品质量及其稳定性。综上所述，烟草制丝工艺设备自动监测系统的应用对烟草行业的发展具有积极的推动作用。