基于ZigBee技術的煙用絲束計量系統

趙松斌 馮新軍 劉次剛

（河南中煙工業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的主要材料，對卷煙質量和生產成本影響較大。在實際生產中，絲束使用的統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量改進缺乏必要支撐。為此，開發1套基于ZigBee技術的煙用絲束計量系統，實時計量分析絲束用量、濾棒產量、出棒率及濾棒平均重量等工藝參數。

二、硬件系統

1.總體結構（圖1）

煙用絲束計量系統由絲束重量采集模塊、濾棒產量計數模塊、現場顯示記錄終端、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量信號接收器采集絲束重量和濾棒產量信息。現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。此外，現場顯示記錄終端還可完成生產信息的實時存儲與統計、超低臺面精密電子秤的標定、班次及濾棒品種規格的信息錄入等功能。ZigBee無線收發模塊實現集中管控計算機與現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信息的集中采集與存儲，生產數據的報表分析，生產指令的下達，同時為廠級信息化管理提供網絡接口。

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。考慮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 煙用絲束計量系統總體結構

由于稱重傳感器輸出信號為模擬量，故采用數字式重量變送器將模擬信號轉換為數字信號傳送至現場顯示記錄終端。為保證測量精度，系統選用CD4052B雙四選一模擬開關和RWST02D型數字稱重變送器來完成電子秤的標定及信號的A/D轉換，其中RW-ST02D型數字稱重變送器內部采用24位Δ-∑AD轉換器，分辨率可達1/16000000，轉換速率20次/s，克服了PLC及一般數據采集卡因A/D轉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，為此系統采用ZigBee無線傳感器網絡實現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無線傳感器網絡具有穩定性好、通信可靠、功耗低、成本低等特點，其節點形態包括Coordinator（中心協調器）、Router（路由器）和End Device（終端節點）。對于數據傳輸應用型ZigBee網絡，通常可配置1個Coordinator，若干個Router，不需要End Device。因此該系統的ZigBee網絡配置1個Coordinator，5個Router（車間共有5個濾棒成型生產線）。此外，ZigBee網絡的數據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）

煙用絲束計量系統軟件平臺作為與用戶直接對話的交互窗口，既要實現對車間生產的實時監控，還要為用戶的生產管理提供一系列幫助。其功能主要有：①實時動態掌握濾棒生產中絲束消耗、出棒率及濾棒產量等情況。②記錄每個班、每個機臺生產濾棒的規格、數量及生產這些濾棒使用的絲束屬于哪個廠家，何種規格。③及時準確地生成相應生產報表。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等。

圖2 煙用絲束計量系統功能模塊

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，這都會給系統可靠性及穩定性帶來較大影響。系統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。由于受環境、電源波動等多種因素的影響，精密電子秤會產生零漂而影響絲束重量的測量精度。系統采用軟硬件結合的方法進行零點自動跟蹤設計，原理見圖4。

當開關與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轉換器的轉換系數，A為前置放大器增益，Uz為前置放大器和A/D轉換器折算到放大器輸入端的等效漂移電壓。當開關與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

目前，煙用絲束計量系統已在河南中煙工業有限責任公司洛陽卷煙廠投用（圖6）。濾棒生產車間其中一條生產線的現場測試結果見圖7，檢測結果表明，該系統實現了濾棒分規格、分產量和絲束分班次、分機臺、分規格消耗統計及報表生成的生產過程實時監控，穩定性強，可靠性高。此外，系統提高了工作效率，降低了生產成本，并為濾棒工藝研究和質量改進提供了必要支撐。

a）系統主界面

圖7 現場檢測界面

煙用絲束計量系統填補了濾棒生產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濾棒生產中存在的弊端和不足。

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

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