新型GD121卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)的研制

新型GD121卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)的研制發(fā)布人：李福南徐雯課題類型：創(chuàng)新型2019奧妙QC小組前言背景GD121高速硬包卷接機組是我廠云煙（紫）生產(chǎn)的主力機型。原機煙支重量控制系統(tǒng)已不能適應(yīng)生產(chǎn)控制需求，此問題亟待解決，并且國內(nèi)尚屬空白。原機放射源系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射存在安全隱患，可能會影響身體健康和污染環(huán)境。本次活動旨在研發(fā)一套能精準(zhǔn)控制GD121卷煙機煙支重量，提高煙支剔除準(zhǔn)確率的控制系統(tǒng)，以此提高設(shè)備效率、減少消耗、向市場提供更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。01小組概況課題名稱新型GD121卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)的研制小組名稱奧妙QC小組小組成立時間2009年6月小組成員9人本課題注冊號HH1QC-18-41-01本課題活動時間2017.07.01-2018.09.30課題類型創(chuàng)新型負責(zé)人趙宇姓名學(xué)歷專業(yè)職務(wù)／職稱組內(nèi)分工趙

宇本科機電一體化工程師組長：活動規(guī)劃、組織協(xié)調(diào)李華文碩士電氣自動化工程師組員：分析論證、方案設(shè)計施中海本科電氣自動化工程師組員：分析論證、方案設(shè)計嚴(yán)

濤本科電氣自動化工程師組員：分析論證、方案設(shè)計李金劍本科電氣自動化工程師組員：技術(shù)實施、數(shù)據(jù)收集楊德志本科電氣自動化助理工程師組員：技術(shù)實施、數(shù)據(jù)收集黨

杰本科電氣自動化助理工程師組員：技術(shù)實施、數(shù)據(jù)收集馬興田本科電氣自動化助理工程師組員：技術(shù)實施、數(shù)據(jù)收集顧興華高中機械工程技師組員：技術(shù)實施、現(xiàn)場安裝槐可強大專機械工程技術(shù)員組員：技術(shù)實施、現(xiàn)場安裝王耀祖本科機電一體化工程師組員：技術(shù)實施、現(xiàn)場安裝徐

雯本科統(tǒng)計學(xué)助理工程師組員：數(shù)據(jù)整理、QC發(fā)布李福南碩士機械電子工程助理工程師組員：數(shù)據(jù)整理、QC發(fā)布張嗣欽本科軟件工程助理工程師組員：資料準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)整理1、小組概況02選擇課題2、選擇課題

在此領(lǐng)域國內(nèi)還沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的成果，且未涉及卷煙機具體機型。選題背景GD121卷煙機為意大利GD公司所生產(chǎn)，原機配備重量控制系統(tǒng)使用年限已超過18年，且配件價格昂貴采購周期較長，有很多應(yīng)有的功能也已失去，已不能滿足如今的生產(chǎn)控制需求。2、選擇課題需求分析一項目/月份取樣次數(shù)（次）剔除煙支中平均不合格煙支數(shù)（支/次）煙支剔除準(zhǔn)確率1月307.525.0%2月307.926.3%3月307.424.6%合計307.625.3%小組活動前調(diào)查了2017年1月至3月8#機生產(chǎn)時的煙支剔除準(zhǔn)確率：結(jié)論2017年1月至3月8#機平均每30支設(shè)備剔除煙支中只有7.6支是真正的不合格煙支，剩余22.4支為誤剔除的質(zhì)量合格煙支，煙支剔除準(zhǔn)確率為25.3%。2、選擇課題需求分析二結(jié)論2017年4月6日，8#機三個生產(chǎn)班平均每30支設(shè)備剔除煙支中只有7.56支是真正的不合格煙支，煙支重量剔除準(zhǔn)確率25.2%，與1月—3月調(diào)查所得的數(shù)據(jù)——25.3%非常接近。8#機煙支重量剔除準(zhǔn)確率25.2%2017年4月6日，在8#機正常生產(chǎn)時，對三個生產(chǎn)班分別取十組設(shè)備剔除煙支的樣品，每組樣品30支，并進行了物理指標(biāo)的測量，結(jié)果如下：2、選擇課題需求分析二

小組于2017年4月7日對GD121、GD121P和M5三種卷煙機設(shè)備剔除的煙支進行采樣，以30支為一組進行測量，分別對30組數(shù)據(jù)進行測量，得出每組數(shù)據(jù)的煙支重量剔除準(zhǔn)確率，并進行了對比，結(jié)果如下所示：25.2%94.8%95.2%25.2%GD121平均煙支重量剔除準(zhǔn)確率為25.2%，GD121P平均煙支重量剔除準(zhǔn)確率為94.8%，M5平均煙支重量剔除準(zhǔn)確率為95.2%，GD121的煙支剔除準(zhǔn)確率遠低于GD121P和M5。結(jié)論2、選擇課題需求分析三結(jié)論

根據(jù)《卷煙工藝規(guī)范》，煙支重量標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)控制在21mg以內(nèi)。該表是2017年4月7日，小組在8#采集了30組數(shù)據(jù)得到標(biāo)準(zhǔn)偏差。經(jīng)過試驗，8#多組樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值為20.1mg，小于21mg。組別標(biāo)準(zhǔn)偏差（mg）組別標(biāo)準(zhǔn)偏差（mg）121.01621.0219.01721.0319.01821.0420.01920.0519.02021.0618.02119.0719.02221.0820.02321.0921.02419.01022.02519.01119.02621.01221.02721.01317.02822.01420.02921.01519.03021.0平均標(biāo)準(zhǔn)偏差20.12、選擇課題需求分析

由于GD121原機重量控制系統(tǒng)失效，導(dǎo)致煙支剔除準(zhǔn)確率較低，且原機產(chǎn)生的放射源有安全隱患，小組成員決定重新研發(fā)一套重量控制系統(tǒng)，以提高GD.121卷煙機煙支重量剔除準(zhǔn)確率。2、選擇課題查新借鑒

小組成員通過同行業(yè)咨詢，在中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫、中國煙草科教網(wǎng)及國家知識產(chǎn)權(quán)局等文獻庫中進行查新借鑒，調(diào)查情況如下：結(jié)論

通過查新，給小組成員帶來借鑒：基于微波探測頭的煙支重量系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度高，安全性好，更加環(huán)保查新內(nèi)容重量控制、煙支重量控制、GD121煙支重量控制查詢網(wǎng)站查新項目作者專利號（或申請?zhí)?、DOI等）中國知網(wǎng)《基于微波檢測技術(shù)的卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)設(shè)計》汪功明10.13652/j.issn.1003-5788.2015.06.026中國知網(wǎng)《煙支重量微波檢測系統(tǒng)的分析與設(shè)計》高宏亮10.3969/j.issn.1009-0134.2010.07.01確定課題：新型GD121卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)的研制！?。?3目標(biāo)分析3、目標(biāo)分析確定目標(biāo)

通過需求分析，小組成員發(fā)現(xiàn)GD121卷煙機煙支重量剔除準(zhǔn)確率僅為25.2%，遠低于GD121P和M5設(shè)備的平均值——95%目標(biāo)

將GD121卷煙機煙支剔除準(zhǔn)確率提高至95%。3、目標(biāo)分析可行性分析—實驗對比及理論分析

機型編號煙支剔除準(zhǔn)確率GD121PM5194.8%95.23%295.5%95.33%394.8%95.24%494.3%95.38%594.5%95.60%695.2%95.80%794.4%95.79%895.2%95.24%995.6%95.76%1094.8%95.73%1194.8%95.74%1294.1%95.14%1394.6%95.09%1494.1%95.17%1595.1%95.17%1694.5%95.57%1794.0%95.63%1894.9%95.31%1995.4%95.22%2095.8%95.66%2195.4%95.66%2294.0%95.01%2395.6%95.14%2495.6%95.29%2594.4%95.02%2694.6%95.08%2794.2%95.44%2894.5%95.55%2994.7%95.68%3095.9%95.46%平均值94.1%95.9%

小組于2017年4月11日再次對GD121P和M5的煙支剔除準(zhǔn)確率進行調(diào)查，同樣對設(shè)備剔除煙支進行采集，取30份樣品，每份樣品30支，結(jié)果如表所示：結(jié)論

對比發(fā)現(xiàn)，GD121P的煙支剔除準(zhǔn)確率均值為94.1%，M5的煙支剔除準(zhǔn)確率均值為95.9%，兩種機型綜合所得煙支剔除準(zhǔn)確率均值為95%，與目標(biāo)一致。查新結(jié)果給了小組成員很多啟示，參考文獻《煙支重量微波檢測系統(tǒng)的分析與設(shè)計》，小組成員認(rèn)為若能重新研制一套煙支重量控制系統(tǒng)，那么95%的目標(biāo)是可以實現(xiàn)的。3、目標(biāo)分析可行性分析—技術(shù)保障

（1）奧妙QC小組核心成員由電工及機修工組成，對GD121機型擁有豐富的維修改造經(jīng)驗。（2）小組成員所學(xué)專業(yè)包括機械、電氣、軟件工程和統(tǒng)計學(xué)，有個專業(yè)的人才，有著強大的技術(shù)保障。（3）且小組從事QC活動多年，經(jīng)驗豐富，曾多次獲得全國優(yōu)秀質(zhì)量管理小組的稱號。04確定方案4、確定方案總體方案確定

針對目前昆明卷煙廠生產(chǎn)三部五臺GD121高速硬包卷接機組出現(xiàn)的誤剔等煙支重量剔除不準(zhǔn)確的問題，本課題提出了3種解決方案，如下所示：4、確定方案總體方案確定通過矩陣表分析從可操作性、安全性和成本3個維度相對的重要程度，如下所示：序號ABCDEF1

可操作性安全性成本得分權(quán)重2可操作性023560%3安全性0.5022.530%4成本0.330.500.8510%5總分8.33100%評分方法以行為基礎(chǔ)，逐個和列比較，確定分?jǐn)?shù)評分標(biāo)準(zhǔn)0分標(biāo)準(zhǔn)同項目對比的地方為0分正分標(biāo)準(zhǔn)行比列重要的為正分，按重要程度依次取1-3分倒數(shù)分標(biāo)準(zhǔn)列比行重要，正分的倒數(shù)即為倒數(shù)分4、確定方案總體方案確定制定評分標(biāo)準(zhǔn)：評分可操作性安全性成本5分技術(shù)非常成熟，改動性較強，可進行復(fù)雜編程設(shè)計無放射源，安全性極高成本小于5萬4分技術(shù)成熟，可進行一般難度編程設(shè)計無放射源，安全性較高成本介于10萬—15萬之間3分技術(shù)相對成熟，程序修改難度較大有放射源，可能對人體造成傷害成本介于15萬—20萬之間2分技術(shù)不成熟，程序修改難度較大有放射源，對人體存在輻射傷害成本介于20萬—30萬之間1分技術(shù)不成熟，內(nèi)部程序無法修改有放射源，對人體存在輻射傷害，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染成本為30萬以上4、確定方案總體方案確定序號備選方案方案評估可操作性安全性成本加權(quán)后綜合是否選用權(quán)重系數(shù)=60%權(quán)重系數(shù)=30%權(quán)重系數(shù)=10%得分1基于原機7000系統(tǒng)重量控制系統(tǒng)內(nèi)部程序無法修改，可操作性極差，不滿足功能要求有放射源，可能對人體存在輻射傷害512.315不采用1212基于PLC處理的重量控制系統(tǒng)技術(shù)成熟，但可操作性較小，滿足不了復(fù)雜設(shè)計無放射源，安全可靠315.019不采用3413基于單片機處理的重量控制系統(tǒng)技術(shù)成熟，方便設(shè)計處理，編程方便靈活，可操作性較強無放射源，安全可靠417.481采用551本課題最終采用方案三——基于單片機處理的重量控制系統(tǒng)。結(jié)論4、確定方案總體方案確定基于單片機處理的重量控制系統(tǒng)：C8051F121（1）高運行速度（2）高性能模擬（3）開發(fā)的靈活性（4）具有數(shù)字外圍設(shè)備（5）高度集成，結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)論4、確定方案分級方案細化對于基于單片機處理的重量控制系統(tǒng)，按照功能實現(xiàn)的方向可分為以下2種功能：（1）煙支重量控制功能研究開發(fā)（2）重量缺陷煙支剔除功能研究開發(fā)4、確定方案分級方案細化目的設(shè)計選擇測量頭來檢測煙支密度比選標(biāo)準(zhǔn)1、安全性：沒有對人體有傷害的輻射2、可操作性：可實現(xiàn)較大的改動性3、精確性：控制精度要高項目方案優(yōu)點方案缺點結(jié)論方案一放射源測量頭無需多余設(shè)計，方便可操作性差有輻射，不安全不采用方案二紅外線測量頭安全性高有一定的可操作性容易受到卷煙機其它熱源的干擾，對檢測精度產(chǎn)生一定的影響不采用方案三微波測量頭安全性高可精確實現(xiàn)控制要求國內(nèi)外主流技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計相對復(fù)雜，成本略高采用從安全性、可操作性和精確性三方面綜合考慮，本課題最終采用方案三——微波測量頭結(jié)論4、確定方案分級方案細化從精確性方面綜合考慮，本課題最終采用方案二——250個脈沖。結(jié)論目的選擇合適的脈沖數(shù)對雙倍煙（118mm）進行密度數(shù)據(jù)采集評判標(biāo)準(zhǔn)精確性：控制精度要高項目方案分析分析結(jié)果結(jié)論方案一48個脈沖采用48個脈沖對雙倍煙進行密度數(shù)據(jù)采集平均每毫米上0.4個脈沖，數(shù)據(jù)精確度差不采用方案二250個脈沖采用250個脈沖對雙倍煙進行密度數(shù)據(jù)采集平均每毫米上2.1個脈沖，數(shù)據(jù)精確度高采用4、確定方案分級方案細化從采集周期合理化、檢測精度和運算可實現(xiàn)性考慮，本課題采用方案二——16個單支煙。結(jié)論目的選擇合適的檢測周期進行單支煙密度數(shù)據(jù)采集評判標(biāo)準(zhǔn)采集周期合理化，保證檢測精度和運算可實現(xiàn)性項目方案分析分析結(jié)果結(jié)論方案一256個單只煙以間隔256個單支煙樣本采集煙支密度數(shù)據(jù)檢測周期過大，精確較低，不能實時反映煙支重量信息不采用方案二16個單只煙以間隔16個單支煙樣本采集煙支密度數(shù)據(jù)檢測周期合適，精確度較高，運算可實現(xiàn)采用4、確定方案分級方案細化從煙絲控制的可實現(xiàn)性、系統(tǒng)簡單易行方面考慮，本課題最終采用方案一——繼續(xù)沿用原機所帶的步進電機，美國太平洋科技PacificScientific的步進電機，型號為：E22NSFB-LNF-02。結(jié)論目的選擇合適的控制煙絲的執(zhí)行機構(gòu)評判標(biāo)準(zhǔn)煙絲控制的可實現(xiàn)性系統(tǒng)簡單易行項目方案分析分析結(jié)果結(jié)論方案一步進電機采用原機自帶的步進電機作為新系統(tǒng)的煙絲控制的執(zhí)行機構(gòu)1、無需進行多余設(shè)計，簡單方便運行2、按照指令步數(shù)工作，可實現(xiàn)煙絲控制采用方案二伺服電機重新設(shè)計的伺服電機作為新系統(tǒng)的煙絲控制的執(zhí)行機構(gòu)1、需要重新進行設(shè)計選擇，相對麻煩2、無需利用閉環(huán)反饋來實現(xiàn)煙絲控制不采用4、確定方案分級方案細化從成本與功能方面考慮，本課題最終采用方案二——固態(tài)繼電器，選用了市面上常用的型號為G3NA-210B（輸入端5-200VDC，輸出端5-24VDC）的繼電器。結(jié)論目的實現(xiàn)新系統(tǒng)的剔煙功能評判標(biāo)準(zhǔn)成本與功能可實現(xiàn)性項目方案分析分析結(jié)果結(jié)論方案一剔除模塊采用剔除模塊作為新系統(tǒng)剔煙功能的實現(xiàn)裝置1、由于內(nèi)部程序封閉，可操作性較差，剔煙功能難以實現(xiàn)2、成本高，通用性差不采用方案二固態(tài)繼電器采用固態(tài)繼電器作為新系統(tǒng)剔煙功能的實現(xiàn)裝置1、可操作性較好，可實現(xiàn)剔煙功能2、成本低，通用性好采用4、確定方案最佳方案形成

通過以上的方案細化，可以得到基于單片機處理的重量控制系統(tǒng)的最佳方案綜合樹圖：05制定對策5、制定對策制定對策表方案對策目標(biāo)措施完成地點完成時間負責(zé)人基于單片機處理的重量控制系統(tǒng)煙支重量控制功能研究開發(fā)測量頭微波測量頭微波泄漏小于30dB在兩條煙道諧振腔的進煙端和出煙端安裝了隔離塊和隔離環(huán)設(shè)備現(xiàn)場2017年8月24日至10月31日楊德志脈沖取樣數(shù)GD121新系統(tǒng)250脈沖刀盤安裝檢測，將兩個高電平之間的時間細分為250等分電工組2017年11月1日至30日李華文樣本取樣數(shù)GD121新系統(tǒng)16個雙倍煙采集16個雙倍煙樣本的密度值來實際控制煙支密度電工組2017年12月1日至31日李華文執(zhí)行機構(gòu)步進電機實現(xiàn)煙絲的控制利用現(xiàn)有原機的步進電機設(shè)備現(xiàn)場2018年3月4日周

明重量缺陷煙支剔除功能研究開發(fā)剔除方式GD121新系統(tǒng)實現(xiàn)100%剔除準(zhǔn)確率采用固態(tài)繼電器來實現(xiàn)剔除功能電工組2018年4月1日至31日楊德志06對策實施6、對策實施測量頭

本項目在兩條煙道諧振腔的進煙端和出煙端安裝了隔離塊和隔離環(huán)。這樣經(jīng)過雙重微波泄漏隔離后，就可以保證兩煙道的微波檢測系統(tǒng)能夠獨立地相互間不干擾的正常工作。對策方法——雙道防干擾防泄漏微波測量頭6、對策實施脈沖取樣數(shù)GD121卷煙機煙支微波重量控制系統(tǒng)分辨率增加至一個雙倍煙250等分，相比原GD121的7000重量控制系統(tǒng)采用一個雙倍煙48等分的分辨率，現(xiàn)提高5倍分辨率，極大提高了雙倍煙支數(shù)據(jù)采集精度。對策方法——250個脈沖樣本選取數(shù)

相比之前256支煙作為一個樣本周期，現(xiàn)以16個單支煙為樣本采集平均單支煙重量，并與理論重量相比較，如果差值超過設(shè)定范圍，需要控制劈刀盤電機的升降，對煙支重量進行調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)更加精確，運算也具有可實現(xiàn)性。對策方法——16個單支煙6、對策實施執(zhí)行機構(gòu)

采用原機的步進電機驅(qū)動劈刀盤運動，經(jīng)前、后重量控制板分別輸出控制信號到步進驅(qū)動板，分別控制前、后煙條劈刀盤的上下運動，實現(xiàn)煙絲量控制。對策方法——利用原機的步進電機6、對策實施剔除方式

采用固態(tài)繼電器對剔除煙支的三個參數(shù)：剔除移位、剔除增量時間、剔除運行時間進行控制，把重量控制模塊傳送過來的煙支重量、煙段密度值反饋到剔除閥，實現(xiàn)煙支精確剔除。對策方法——采用固態(tài)繼電器（型號G3NA-210B）6、對策實施剔除方式編號輸入信號輸出信號1921剔除2920剔除3919剔除4918剔除5917剔除6916剔除7915不剔除8914不剔除9913不剔除10912不剔除11911不剔除12910不剔除13900不剔除14890不剔除15880不剔除16870不剔除17860不剔除18850不剔除19840不剔除20839不剔除21838不剔除22837不剔除23836不剔除24835不剔除25834剔除26833剔除27832剔除28831剔除29830剔除30829剔除

為驗證該型號的固態(tài)繼電器的剔除率是否達到100%，本小組對該固態(tài)繼電器輸入煙支重量信號，然后觀察其輸出的信號是否正常，驗證結(jié)果如下表所示：

經(jīng)驗證，輸入信號在煙支重量范圍835mg—915mg之間，固態(tài)繼電器都沒做出剔除動作，而超過這個范圍，固態(tài)繼電器均做出了剔除動作，所以剔除準(zhǔn)確率達到了100%。結(jié)論6、對策實施對策實施成果微波測量頭把采集到的煙支密度信號傳送到重量控制模塊，重量控制模塊就可以計算出單支煙的重量和分段密度值。然后重量控制模塊進行優(yōu)化后反饋給劈刀盤進行重量調(diào)整，并同時把煙支重量的數(shù)據(jù)傳送到剔除模塊進行不合格煙支的重量剔除。07效果檢查7、效果檢查目標(biāo)完成情況組別標(biāo)準(zhǔn)偏差（mg）組別標(biāo)準(zhǔn)偏差（mg）120.01619.0220.01721.0320.01821.0420.01920.0519.02018.0618.02121.0721.02219.0819.02320.0918.02419.01019.02521.01121.02620.01221.02718.01321.02821.01419.02921.01521.03020.0平均標(biāo)準(zhǔn)偏差19.9

小組成員在6月11號對煙支標(biāo)準(zhǔn)偏差進行了統(tǒng)計，標(biāo)準(zhǔn)偏差的均值為19.9mg，仍小于21mg的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且比活動前的20.1mg有所降低。結(jié)論7、效果檢查目標(biāo)完成情況平均值：96.5%25.2%

在完成新型煙支微波重量控制系統(tǒng)的研制，并應(yīng)用到8#機后，煙支重量剔除準(zhǔn)確率從25.2%提升至96.5%，高于95%的目標(biāo)，目標(biāo)值實現(xiàn)。7、效果