新型GD121卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)的研制

/紅云紅河集團2019年紅云紅河集團2019年QC成果發(fā)布會材料材料新型GD121卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)的研制課題類型：創(chuàng)新型紅云紅河集團昆明卷煙廠奧妙QC小組2019年4月目錄前言 4一、小組概況 5二、選擇課題 62.1選題背景 62.2需求分析 72.3課題確定 12三、設(shè)定目標(biāo)及目標(biāo)可行性分析 163.1確定目標(biāo) 163.2目標(biāo)可行性分析 16四、提出方案并確定最佳方案 184.1提出總體方案 184.2方案驗證并確定 194.3分級方案細化 224.4最佳方案的形成 27五、制定對策 28六、對策實施 296.1測量頭 296.2脈沖取樣數(shù) 306.3樣本選取數(shù) 316.4執(zhí)行機構(gòu) 316.5剔除方式 326.6對策實施成果 35七、效果檢查 377.1目標(biāo)完成情況 377.2效益分析 39八、標(biāo)準化 41九、總結(jié)及下一步打算 449.1知識產(chǎn)權(quán) 449.2成果推廣應(yīng)用 459.3總結(jié)及下一步打算 45前言昆明卷煙廠生產(chǎn)三部現(xiàn)有五臺意大利GD公司所生產(chǎn)的GD121高速硬包卷接機組，是我廠云煙（紫）生產(chǎn)的主力機型。原機配件重量控制系統(tǒng)使用年限較長，配件價格昂貴，采購周期較長，很多應(yīng)有的功能也已失去，例如單支煙剔除不準確。原機系統(tǒng)產(chǎn)生的放射源存在安全隱患，會影響身體健康和污染環(huán)境。煙支重量控制系統(tǒng)是保證煙支質(zhì)量的關(guān)鍵，原機煙支重量控制系統(tǒng)已不能適應(yīng)生產(chǎn)控制需求，是行業(yè)內(nèi)的共性問題，此問題亟待解決。國外的GD和HAUNI等公司在雙煙道超高速卷煙機煙支重量控制技術(shù)上已較為成熟，但此領(lǐng)域在國內(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。為推進完成昆明卷煙廠“降本增效、節(jié)能降耗”的重點工作目標(biāo)，昆明卷煙廠生產(chǎn)三部奧妙QC小組決定開拓創(chuàng)新，自主研發(fā)一套能精準控制GD121卷煙機煙支重量，提高煙支剔除準確率的控制系統(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。一、小組概況表1-1小組成員概況表課題名稱新型GD121卷煙機煙支微波重量控制系統(tǒng)的研發(fā)課題類型創(chuàng)新型注冊時間2017年3月課題注冊號HH1QC-18-41-01小組名稱奧妙QC小組組長趙宇成員14人成立時間2009年6月活動時間2017年4月——2018年8月出勤率100%序號姓名學(xué)歷專業(yè)職稱小組分工1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)2李華文碩士電氣自動化工程師組員：分析論證、方案設(shè)計3施中海本科電氣自動化工程師組員：分析論證、方案設(shè)計4嚴濤本科電氣自動化工程師組員：分析論證、方案設(shè)計5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6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7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8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9顧興華高中機械工程技師組員：技術(shù)實施、現(xiàn)場安裝10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11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12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13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14張嗣欽本科軟件工程助理工程師組員：資料準備、數(shù)據(jù)整理小組榮譽小組成果《降低云煙（A牌號）燃燒錐掉落率》榮獲：2016年云南煙草工業(yè)系統(tǒng)第十四次優(yōu)秀QC成果發(fā)布會一等獎；2017年國家局工業(yè)系統(tǒng)QC發(fā)布二等獎；小組還憑借此項目榮獲2017年全國優(yōu)秀質(zhì)量管理小組稱號。制表：李華文時間：2017年4月1日

二、選擇課題2.1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)使用年限較長，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，例如單支煙剔除不準確，已不能滿足如今的生產(chǎn)控制需求。原機系統(tǒng)產(chǎn)生的放射源存在安全隱患，會影響身體健康和污染環(huán)境。國外的意大利GD、德國HAUNI等公司在雙煙道超高速卷煙機煙支重量控制技術(shù)已較為成熟，但此領(lǐng)域在國內(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。圖2-1GD121卷接機組制圖：李福南時間：2017年4月1日2.2需求分析2.2.1煙支剔除準確率較低如今設(shè)備生產(chǎn)時，煙支重量剔除所造成的浪費主要在于剔除煙支中尚存有合格的煙支，會造成誤剔，致使不必要的物耗增加。表2-11月至3月8#煙支剔除準確率調(diào)查表統(tǒng)計目的調(diào)查2017年1月至3月煙支重量剔除準確情況2017年1月至3月8#煙支剔除準確率統(tǒng)計表項目月份取樣次數(shù)平均不合格煙支數(shù)（支）煙支剔除準確率1月307.525.0%2月307.926.3%3月307.424.6%平均7.625.3%分析小組在活動前，調(diào)查發(fā)現(xiàn)2017年1月至3月8#機煙支剔除準確率為25.3%，表示平均每30支剔除煙支中，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。結(jié)論1月至3月8#機煙支剔除準確率為25.3%。制表：趙宇時間：2017年4月5日2.2.2GD121與GD121P和M5情況對比小組在活動初期，對煙支剔除準確率進行了調(diào)查。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。并于2017年4月7日對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)的煙支重量剔除準確率，進行對比。表2-2GD121與GD121P及M5機型之間的煙支重量剔除準確情況對比統(tǒng)計目的對比GD121與GD121P及M5機型之間的煙支重量剔除準確情況2017年4月6日8#煙支剔除準確率統(tǒng)計表生產(chǎn)班樣品號剔除煙支中不合格煙支數(shù)（支/次）煙支剔除準確率生產(chǎn)一班1-18.0026.7%1-26.0020.0%1-38.0026.7%1-49.0030.0%1-56.0020.0%1-67.0023.3%1-710.0033.3%1-88.0026.7%1-99.0030.0%1-105.0016.7%平均值7.6025.3%生產(chǎn)二班2-17.0023.3%2-210.0033.3%2-38.0026.7%2-49.0030.0%2-56.0020.0%2-67.0023.3%2-76.0020.0%2-88.0026.7%2-99.0030.0%2-106.0020.0%平均值7.6025.3%生產(chǎn)三班3-110.0033.3%3-26.0020.0%3-38.0026.7%3-49.0030.0%3-56.0020.0%3-66.0020.0%3-710.0033.3%3-88.0026.7%3-97.0023.3%3-105.0016.7%平均值7.5025.0%平均值7.5625.2%8#煙支重量剔除準確率柱狀圖不同機型煙支重量剔除準確率統(tǒng)計表組別不同機型煙支重量剔除準確率（%）GD121GD121PM5126.7%94.8%95

23%220.0%95.5%95.33%326.7%94.8%95.24%430.0%94.3%95.38%520.0%94.5%95.60%623.3%95.2%95.80%733.3%94.4%95.79%826.7%95.2%95.24%930.0%95.6%95.76%1016.7%94.8%95.73%1123.3%94.8%95.74%1233.3%94.1%95.14%1326.7%94.6%95.09%1430.0%94.1%95.17%1520.0%95.1%95.17%1623.3%94.5%95.57%1720.0%94.0%95.63%1826.7%94.9%95.31%1930.0%95.4%95.22%2020.0%95.8%95.66%2133.3%95.4%95.66%2220.0%94.0%95.01%2326.7%95.6%95.14%2430.0%95.6%95.29%2520.0%94.4%95.02%2620.0%94.6%95.08%2733.3%94.2%95.44%2826.7%94.5%95.55%2923.3%94.7%95.68%3016.7%95.9%95.46%平均值25.2%94.8%95.2%GD121與GD121P和M5之間的煙支重量剔除準確率對比圖分析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，煙支重量剔除準確率為25.2%，與1月至3月調(diào)查所得的數(shù)據(jù)——25.3%非常接近。三種機型統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，GD121平均煙支重量剔除準確率為25.2%，GD121P平均煙支重量剔除準確率為94.8%，M5平均煙支重量剔除準確率為95.2%。結(jié)論GD121卷煙機重量剔除準確率低的問題十分突出，且GD121的煙支剔除準確率遠低于GD121P和M5。制表：李福南時間：2017年4月6日2.2.3標(biāo)準偏差值的確認表2-38#煙支重量標(biāo)準偏差統(tǒng)計目的調(diào)查8#煙支重量標(biāo)準偏差2017年4月7日8#煙支重量標(biāo)準偏差統(tǒng)計表組別標(biāo)準偏差（mg）組別標(biāo)準偏差（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)準偏差20.1分析根據(jù)《卷煙工藝規(guī)范》，煙支重量標(biāo)準偏差應(yīng)控制在21mg以內(nèi)。下表是2017年4月7日，小組在8#采集了30組數(shù)據(jù)得到標(biāo)準偏差，平均值為20.1mg，在標(biāo)準范圍內(nèi)。結(jié)論經(jīng)過試驗，8#多組樣本標(biāo)準偏差的平均值為20.1mg，小于21mg。制表：趙宇時間：2017年4月7日由于合格煙支被錯誤的剔除，導(dǎo)致物耗和成本的增加。這里的生產(chǎn)成本增加包括物耗增加造成的原材料損失和間接的人力、物力消耗投入，比如每班生產(chǎn)過程中篩選剔除煙支所需要的人力及時間。此外，當(dāng)煙支剔除重量準確率低時還會影響設(shè)備效率，導(dǎo)致整套機組設(shè)備效率低下，從而進一步影響機組各項考評，造成各種不必要的資源浪費。2.3課題確定經(jīng)過需求分析，GD121原機重量控制系統(tǒng)的煙支重量剔除準確率達不到部門要求，以及隨機自帶7000系統(tǒng)存在的相關(guān)設(shè)計、運行缺陷等問題，同時兼顧原機自帶的FMCP、FSI等昂貴板件，原機系統(tǒng)難維護等問題，并從車間降本增效的原則出發(fā)，最終，本小組討論決定重新研發(fā)一套控制系統(tǒng)，以提高GD121卷煙機煙支重量剔除準確率。2.3.1借鑒查新小組成員進行了深入的交流與探討，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)局等數(shù)據(jù)庫中對煙支重量控制系統(tǒng)等關(guān)鍵字進行查新，調(diào)查情況如下：表2-4課題查新結(jié)果查新內(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制表：施中海時間：2017年4月9日小組成員針對查新借鑒結(jié)果，分別進行分析：1、《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》表2-5基于微波檢測技術(shù)的卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)設(shè)計查詢網(wǎng)站中國知網(wǎng)（）DOI10.13652/j.issn.1003-5788.2015.06.026發(fā)表刊物《FOOD&MACHINERY（食品與機械）》作者汪功明發(fā)表日期2015年11月第31卷第6期作者簡介安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授查新時間2017年4月9日查新人王耀祖摘要目前國內(nèi)外高速卷煙機的煙支重量控制系統(tǒng)主要基于核掃描頭進行煙支重量檢測與反饋。由于掃描頭采用的是放射性材料，因而在實際運行過程中系統(tǒng)對操作人員始終存在輻射危險；此外，控制系統(tǒng)還可能存在隱性不穩(wěn)定性。采用微波檢測技術(shù)，利用不同煙支在微波電磁場引起的能量參數(shù)變化來檢測腔體中的煙條密度及水分含量，最終通過檢測煙絲條的重量及含水量，實現(xiàn)對煙支重量的有效控制。試驗結(jié)果有效驗證了算法的有效性和可行性。關(guān)鍵詞控制系統(tǒng)；卷煙機；微波技術(shù)；重量檢測論文內(nèi)容節(jié)選基于微波的煙支重量控制系統(tǒng)是通過采用微波探測頭發(fā)射無線電頻譜信號進行煙支重量及密度檢測。該無線電頻率可為300kHz（波長1m）到300GHz。在實際應(yīng)用過程中，該無線電信號具有波長短、定向性強等特性，且具有在線、實時、快速、無損、無危害等特點。圖2-3-1文刊摘圖借鑒點利用不同煙支在微波電磁場引起的能量參數(shù)變化來檢測腔體中的煙條密度及水分含量，實現(xiàn)對煙支重量的有效控制。且相對于傳統(tǒng)基于核探測頭的煙支重量控制系統(tǒng)，基于微波探測頭的煙支重量控制系統(tǒng)的控制精準度更高，系統(tǒng)性能更可靠，在運行過程中不會對環(huán)境和操作人員造成潛在威脅，運用前景更好。制表：王耀祖時間：2017年4月10日2、《煙支重量微波檢測系統(tǒng)的分析與設(shè)計》表2-6煙支重量微波檢測系統(tǒng)的分析與設(shè)計查詢網(wǎng)站中國知網(wǎng)（）DOI10.3969/j.issn.1009-0134.2010.07.01發(fā)表刊物《制造業(yè)自動化》作者高宏亮發(fā)表日期2010年7月第32卷第7期作者簡介副教授，博士研究方向為連鑄參數(shù)檢測技術(shù)和紅外輻射測溫技術(shù)、微弱信號檢測與分析，嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用。查新時間2017年4月9日查新人徐雯摘要目前我國高速卷煙機中的煙支重量檢測系統(tǒng)多采用放射源型檢測系統(tǒng)，此類系統(tǒng)對操作人員和煙支都會產(chǎn)生潛在危害。而基于微波諧振原理的煙支重量檢測技術(shù)，因其無污染特性受到普遍歡迎。本文介紹了微波型煙支重量系統(tǒng)的檢測原理、基本結(jié)構(gòu)和工作過程，并給出一種基于DSP和FPGA為控制器的微波型煙支重量系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，并通過實驗驗證了微波檢測系統(tǒng)的有效性。關(guān)鍵詞煙支密度檢測；微波；微繞法論文內(nèi)容節(jié)選1、本文介紹的微波重量檢測系統(tǒng)中微波發(fā)生器和微波檢波器采用軍品級線性壓控振蕩器VCO和快速檢波器實現(xiàn)?？刂破鞑捎肨I公司5000系列DSP處理器和Altera公司的CycloneII系列FPGA芯片構(gòu)成的雙控制器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。2、其中FPGA負責(zé)速度要求較高，數(shù)據(jù)計算量較小的任務(wù)，包括生成微波發(fā)生器(VCO)所需控制電壓，對檢波器輸出信號進行AD采集和對諧振腔幅頻特性曲線特征量提取等工作。3、DSP負責(zé)速度要求不高，數(shù)據(jù)計算量大，邏輯分析的任務(wù)。包括對FPGA提取出的特征量進行從諧振腔微擾量到煙支密度的映射換算工作和對諧振腔的恒溫控制工作。圖2-3-3文刊摘圖借鑒點本文介紹了一種基于FPGA和DSP雙控制器結(jié)構(gòu)的煙支密度微波檢測系統(tǒng)，并通過實際試驗驗證了本系統(tǒng)的有效性。相比于傳統(tǒng)放射源型檢測系統(tǒng)，微波檢測系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：1）微波發(fā)射功率小，對環(huán)境和煙支產(chǎn)品無污染；2）煙支重量控制性能與傳統(tǒng)放射源系統(tǒng)相當(dāng)，完全可滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。3）采用高集成度控制芯片，系統(tǒng)體積小巧，維護方便。制表：徐雯時間：2017年4月10日通過查新，給小組成員帶來借鑒：基于微波探測頭的煙支重量系統(tǒng)控制精準度高，安全性好，更加環(huán)保。2.3.2確定課題GD121原配煙支重量控制系統(tǒng)失效，煙支剔除準確率遠低于其它高速機，通過查新和參考現(xiàn)有技術(shù)后，小組成員擬提供一種具有重量控制功能及單支煙剔除準確的裝置，使得煙支剔除準確率提升。因此小組將此次活動的課題確定為：新型GD121卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)的研制。三、設(shè)定目標(biāo)及目標(biāo)可行性分析3.1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確率僅為25.2%，遠低于GD121P和M5設(shè)備的平均值95.0%，因此我們將目標(biāo)設(shè)定為：將GD121卷煙機煙支剔除準確率提高至95.0%。圖3-1設(shè)定目標(biāo)制圖：徐雯時間：2017年4月10日3.2目標(biāo)可行性分析小組成員對目標(biāo)可行性進行了分析，從理論分析，人員保障等角度分析了目標(biāo)實現(xiàn)的可行性。理論分析及實驗對比小組于2017年4月11日再次對GD121P和M5的煙支剔除準確率進行調(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。表3-2-1煙支剔除準確率調(diào)查表機型編號煙支剔除準確率GD121PM5194.8%95.2%295.5%95.3%394.8%95.2%494.3%95.4%594.5%95.6%695.2%94.8%794.4%95.8%895.2%95.2%995.6%95.0%1094.8%95.7%1194.8%95.2%1294.1%95.1%1394.6%95.1%1494.1%95.2%1595.1%95.2%1694.5%95.2%1794.0%95.6%1894.9%95.3%1995.4%95.0%2095.8%95.3%2195.4%95.4%2294.0%95.0%2395.6%95.1%2495.6%95.3%2594.4%95.0%2694.6%95.1%2794.2%95.4%2894.5%95.1%2994.7%95.0%3095.9%95.1%平均值94.1%95.9%制表：馬興田時間：2017年4月12日對比發(fā)現(xiàn)，GD121P的煙支剔除準確率均值為94.8%，M5的煙支剔除準確率均值為95.2%，兩種機型綜合所得煙支剔除準確率均值為95%，與目標(biāo)一致。在煙支重量控制系統(tǒng)運行正常的情況下，GD121P和M5能實現(xiàn)95%的剔除準確率，根據(jù)《煙支重量微波檢測系統(tǒng)的分析與設(shè)計》的結(jié)論，假如對GD121機型重新研制一套煙支重量控制系統(tǒng)，那么本小組制定的剔除準確率95%的目標(biāo)是可以實現(xiàn)的。技術(shù)保障奧妙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；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)，有各方各面的人才，有著強大的技術(shù)保障；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，成果《降低云煙（A牌號）燃燒錐掉落率》曾獲得國家局二等獎，我們有信心能實現(xiàn)目標(biāo)。四、提出方案并確定最佳方案4.1提出總體方案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確的問題，本課題提出了3種解決方案，如下圖所示，并分別對3種方案進行論證和比對，給出方案選擇標(biāo)準和工作原理。圖4-1GD121卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)初選方案圖制圖：李華文時間：2017年4月13日小組討論得出的3種方案均需要根據(jù)GD121卷煙機的實際情況進行創(chuàng)新設(shè)計與研發(fā)。4.2方案驗證并確定小組成員進過頭腦風(fēng)暴，從可操作性、安全性和成本等方面對設(shè)備作出分析，結(jié)合查新借鑒，提出了三種創(chuàng)新設(shè)計與研發(fā)方案，結(jié)合價值工程發(fā)選出最佳方案。4.2.1矩陣表分析通過矩陣表分析3個維度相對的重要程度。表4-13個維度矩陣分析表序號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，確定分數(shù)評分標(biāo)準0分標(biāo)準同項目對比的地方為0分正分標(biāo)準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)準列比行重要，正分的倒數(shù)即為倒數(shù)分制表：徐雯時間：2017年4月15日4.2.2制定評分標(biāo)準表4-2評分標(biāo)準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)境造成嚴重污染成本為30萬以上制表：徐雯時間：2017年4月16日4.2.3選定最佳方案表4-3方案對比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成本高于30萬2.315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，安全可靠成本高于30萬5.019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，安全可靠成本高于30萬7.481采用551制表：李福南時間：2017年5月12日通過價值工程法，小組成員對以上三種初選的方案進行了比選，從可操作性、安全性和成本三個方面綜合考慮，最終選擇得分最高的方案三——基于單片機處理的重量控制系統(tǒng)，單片機型號為：C8051F121。該單片機具有以下的優(yōu)點：（1）高達100MHz的運行速度，可以對高速運行的煙條密度進行快速采樣和每支煙重量進行計算。（2）高性能模擬，可對位移傳感器進行實時精確采樣，當(dāng)調(diào)整到達機械限位時及時禁止電機運動以保護裝置。（3）具有交叉開關(guān)技術(shù)，能實現(xiàn)開發(fā)最大的靈活性和前所未有的簡單程度，可讓設(shè)計人員選擇任何無引腳輸出或無PCB布局沖突的外圍設(shè)備。（4）擁有有效的數(shù)字外圍設(shè)備，可以降低處理器的費用，并且系統(tǒng)同時使用多種方式的通訊總線，大大增加了通訊的帶寬。（5）高度集成，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊，嵌入原機電柜，減少額外的安裝機柜。單片機示意圖如下圖所示。圖4-2單片機示意圖制圖：李福南時間：2017年6月12日4.3分級方案細化對于基于單片機處理的重量控制系統(tǒng)而言，本課題從以下兩個方面對整個重量控制系統(tǒng)進行細化：圖4-3方案細化圖制圖：李福南時間：2017年6月17日對于基于單片機處理的重量控制按照功能實現(xiàn)的方向可分為以下2種功能：煙支重量控制功能研究開發(fā)；重量缺陷煙支剔除功能研究開發(fā)；下文便分別對這2個功能進行細化選擇。4.3.1測量頭的選擇煙支重量控制功能可從測量頭和控制算法三個方面進行細化。首先對測量頭進行細化選擇，如下表所示。表4-4測量頭選擇方案目的設(shè)計選擇測量頭來檢測煙支密度評判標(biāo)準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，方便可操作性較差有輻射，不安全不采用方案二紅外線測量頭安全性高具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，成本略高采用制表：徐雯時間：2017年6月18日通過上述的對比，最終選擇方案二：微波測量頭。4.3.2脈沖取樣數(shù)選擇對于煙支重量控制功能的控制算法而言，可從脈沖取樣數(shù)和樣本選取數(shù)兩個方面去細化。首先對脈沖取樣數(shù)進行細化選擇，如下表所示。表4-5脈沖取樣數(shù)方案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)精確度差不采用制表：周明時間：2017年7月3日通過上述的對比，最終選擇方案一：250個脈沖。4.3.3樣本選取數(shù)選擇對樣本選取數(shù)進行細化選擇，如下表所示。表4-6樣本選取數(shù)方案目的選擇合適的檢測周期進行雙倍煙密度數(shù)據(jù)采集評判標(biāo)準采集周期合理化，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個雙倍煙以間隔256個雙倍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個雙倍煙以間隔16個雙倍煙樣本采集煙支密度數(shù)據(jù)檢測周期合適，精確較高，運算可實現(xiàn)采用制表：嚴濤時間：2017年7月10日通過上述的對比，最終選擇方案二：16個雙倍煙。4.3.4執(zhí)行機構(gòu)選擇對執(zhí)行機構(gòu)進行細化選擇，如下表所示。表4-7執(zhí)行機構(gòu)方案目的選擇合適的煙絲控制的執(zhí)行機構(gòu)評判標(biāo)準煙絲控制的可實現(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)煙絲控制不采用制表：王耀祖時間：2017年7月21日通過上述的對比，最終選擇方案一，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。4.3.5剔除方式選擇對于重量缺陷煙支剔除功能研究開發(fā)而言，可從剔除方式和執(zhí)行機構(gòu)去細化，如下表所示。表4-8剔除方式方案目的實現(xiàn)新系統(tǒng)的剔煙功能評判標(biāo)準成本與功能可實現(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、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、通用性好采用制表：李金劍時間：2017年7月23日通過上述的對比，最終選擇方案二，而固態(tài)繼電器則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。4.4最佳方案的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：圖4-4最佳方案綜合樹圖制圖：張嗣欽時間：2017年7月29日五、制定對策表5-1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日楊德志制表：顧興華時間：2017年8月23日六、對策實施6.1測量頭為了實現(xiàn)微波測量頭精確測量的目的，本項目設(shè)計了一種可防止微波泄漏又不相互干擾的雙煙道高速卷煙機微波諧振腔。為了使泄漏小于30dB（即從截止波導(dǎo)泄漏的微波功率小于腔體內(nèi)微波功率的千分之一），解決微波信號互相干擾的問題，本項目在兩條煙道諧振腔的進煙端和出煙端，做了技術(shù)處理，做到在煙條通過時，既不影響煙條的外觀，也不影響煙條的正常通過，同時減小微波的泄漏，隔斷兩個諧振腔檢測窗口之間的相互干擾。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖6-1諧振腔微波信號防干擾結(jié)構(gòu)示意圖制圖：楊德志時間：2017年9月25日結(jié)構(gòu)有以下特點：兩路諧振腔分別安裝在檢測裝置的兩頭，中間設(shè)置一個隔離塊，隔斷兩路諧振腔的檢測窗口，使得兩路諧振腔的檢測窗口發(fā)出的微波信號大部分被隔離開來不互相影響；在兩路諧振腔的另一端，分別設(shè)計安裝了一個微波信號隔離環(huán)。這個微波信號隔離環(huán)把剩下的少量的微波泄漏再次隔離。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。微波測量頭現(xiàn)場圖如下所示。圖6-2微波測量頭制圖：李福南時間：2017年10月25日6.2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，提高了切口零點定位精度。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，平均每毫米上2.1個脈沖，數(shù)據(jù)精確度高。6.3樣本選取數(shù)本項目采用兩套獨立的微波分別對前、后煙道的煙支進行在線檢測。相比之前256支煙作為一個樣本周期，現(xiàn)每個煙道每次計算按連續(xù)8支煙的平均重量為一個樣本周期，也即16個單支煙換算出每個樣本的平均單支煙重量，計算出的重量與當(dāng)前生產(chǎn)品牌煙支理論重量相比較，其差值如果小于設(shè)定范圍，則不需要進行重量調(diào)整。如果差值超過設(shè)定范圍，需要控制劈刀電機的升降，對當(dāng)前生產(chǎn)煙支的重量進行調(diào)節(jié)，確保平均煙支重量在理論設(shè)定值之間小幅度波動。采用16個單只煙可以使得數(shù)據(jù)更加精確，運算也具有可實現(xiàn)性。6.4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，控制圖和劈刀盤執(zhí)行機構(gòu)如下所示。圖6-3執(zhí)行機構(gòu)原理圖制圖：槐可強時間：2018年3月4日圖6-4劈刀盤執(zhí)行機構(gòu)制圖：徐雯時間：2018年3月4日6.5剔除方式采用固態(tài)繼電器，型號為G3NA-210B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，實現(xiàn)煙支精確剔除。固態(tài)繼電器如下圖所示。圖6-5固態(tài)繼電器制圖：李福南時間：2018年4月5日除移位剔除移位是指從微波探頭檢測點到重量剔除閥吹氣孔之間煙支周期數(shù)。121煙條成型通道分為前雙倍煙條、后雙倍煙條，即前道有1#、2#短煙支，后道有3#、4#短煙支，但AF12接裝機最終剔除鼓，即18#鼓分為“深、淺”剔除通道，即奇偶剔除口。精確計算剔除移位及順序，實現(xiàn)準確剔除。除增量剔除增量時間指小于一支煙周期數(shù)的等分數(shù)(把生產(chǎn)一支煙的時間分為125等分)；隨煙支規(guī)格的變化，該時間也隨之發(fā)生變化。③剔除運行時間剔除運行時間是指需要剔除一支煙時電磁閥的加電時間，以等分數(shù)表示。為驗證該型號的固態(tài)繼電器的剔除率是否達到100%，本項目對該固態(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：表6-1固態(tài)繼電器剔除率驗證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剔除制圖：李福南時間：2018年4月14日經(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，說明固態(tài)繼電器的剔除率達到了100%。剔除閥現(xiàn)場圖如下所示。圖6-6剔除閥示意圖制圖：李華文時間：2018年4月25日6.6對策實施成果微波檢測系統(tǒng)把采集到的煙支密度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后以總線通訊方式傳送到重量控制模塊，重量控制模塊再依據(jù)煙條同步脈沖信號就可以計算出單支煙的重量和分段密度值。然后重量控制模塊依據(jù)優(yōu)化控制理論進行重量調(diào)整，另外重量控制模塊也同時把每支煙重量的數(shù)據(jù)以總線通訊方式傳送剔除模塊進行不合格煙支的重量剔除。微波檢測系統(tǒng)的電路圖和示意圖如下圖所示。圖6-7微波檢測系統(tǒng)電路圖制圖：李福南時間：2018年6月5日圖6-8微波檢測系統(tǒng)示意圖制圖：張嗣欽時間：2018年6月9日七、效果檢查7.1目標(biāo)完成情況新型GD121卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)在8#投入使用后，小組成員對煙支標(biāo)準偏差進行了統(tǒng)計，標(biāo)準偏差的均值為19.9mg，仍然小于21mg的行業(yè)標(biāo)準，且比活動前的20.1mg有所降低。表7-1標(biāo)準偏差統(tǒng)計表組別標(biāo)準偏差（mg）組別標(biāo)準偏差（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)準偏差19.9制圖：李華文時間：2017年6月11日表7-2目標(biāo)值檢驗表檢驗?zāi)康臋z驗使用新型GD121卷煙機微波重量控制系統(tǒng)后，煙支重量剔除準確率檢查過程煙支剔除準確率活動前目標(biāo)值活動后25.2%95．0%96.5%圖7-1-1活動前后8#煙支剔除準確率對比制圖：徐雯時間：2018年6月15日目標(biāo)值對比圖7-1-2活動前后8#煙支剔除準確率與目標(biāo)值對比制圖：李福南時間：2018年6月15日檢驗結(jié)果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，煙支重量提出準確率從25.2%提升至96.5%，高于95%的目標(biāo)，目標(biāo)值實現(xiàn)。制表：徐雯時間：2018年6月16日7.2效益分析7.2.1節(jié)約備件成本開展GD121卷煙機煙支微波重量控制系統(tǒng)國產(chǎn)化研究與應(yīng)用后，將原重量控制系統(tǒng)替換下來后備件，均可用于其它未進行技術(shù)改造的相同機型，相當(dāng)于節(jié)省下來的直接經(jīng)濟效益。其主要部件的相關(guān)價格和數(shù)量統(tǒng)計如下表，共計127.11萬元。表7-3備件成本代號中文名稱英文名稱件號數(shù)量單價總價7N1ACCURAY系統(tǒng)輸入插件板ACCURAYINPUTBOARD15AB61A1115,985.9115,985.917N11ACCURAY系統(tǒng)輸出插件板ACCURAYOUTPUTBOARD15AB62A134,493.3034,493.307N31ACCURAY"FMPC"插件板"FMCP"ACCURAYBOARD25499080201146,143.33146,143.337N32ACCURAY"FSI"插件板"FSI"ACCURAYBOARD25499080211158,992.09158,992.097N105ACCURAY測量頭發(fā)光二極管插件板S．B．ULED'SDISPLAYBOARD15AB69A12,348.982,348.987N131ACCURAY"IOB"插件板"IOB"ACCURAYBOARD2549908022170,880.0370,880.037A17A2退耦裝置DE-COUPLER25494030142183.35366.77A50穩(wěn)定電源REGULATEDPOWERSUPPLY2534907010119,336.1719,336.177A51電源POWERSUPPLY2534907013122,566.7122,566.717A1057A106ACCURAY系統(tǒng)前、后測量頭SOURCEDETECTORUNITACCURAY25499080012400000.00800000.00