现在我们研制出了一种在瓦楞纸板流水线上操作的“U型胶带自动贴合装置”，解决了人工成本攀升、生产成本提高、质量不稳定、效率低下等诸多问题。生产速度快：传统人工贴合U型胶带每组每小时约可贴合100个瓦楞纸箱，瓦楞纸板流水线加装U型胶带自动贴合装置之后，每小时贴合4000个瓦楞纸箱，效率提高40倍，合格率100%。......
2023-06-27
智能计重系统优化纸板流水线原纸残卷管理
【摘要】：达成包装集团研制出了一种在流水线上，实时计算原纸残卷重量的系统及其装置，对企业的自动化管理，降本提效具有重大意义。
原纸是纸箱厂的首要原材料，在所有生产成本中，原纸占70%～75%。因此原纸的使用管理是重中之重。
目前主要通过两种方式来计算原纸的利用率：
一种是将原纸投入量减去废料所得的差值，与原纸投入量的比值作为原纸的利用率；
另一种是通过生产线的管理系统，获取原纸投入量与生产平方米的数据，得出成品率。
这两种计算方式在生产流程中，都涉及原纸残卷的人工地磅称重，不但工作量大，而且误差也较大。一般二级厂的原纸使用流程见图7-6-1：
图7-6-1 一般二级厂原纸使用及原纸残卷回库流程
目前原纸残卷的回库，主要通过地磅称重管理，流程中必不可少的步骤是：叉抱车将残卷原纸抱到地磅称重，计数员打印更新后的标签贴在残卷上，叉抱车将残卷归位入仓，待下一次生产时再出库使用。
现有流程的缺陷主要在于：
（1）厂区内需要设多处地磅，地磅每年需要定期校验、维护保养；
（2）正常生产的一条流水线的地磅，至少安排1至2名工作人员；
（3）原纸残卷标签需频繁更新打印新的残卷重量；
（4）叉抱车将原纸抱到地磅上，等待称重完毕，再叉抱回库，工作量大。
如果原纸在使用中能够在流水线上自动计算重量，系统自动更新记录对应残卷的信息，就可以省略图7-6-1中虚线部分。不仅可以降低企业的运营成本，节省人工，提高企业资源的利用率，还可以优化企业的原纸残卷管理流程与准确性。
达成包装集团研制出了一种在流水线上，实时计算原纸残卷重量的系统及其装置，对企业的自动化管理，降本提效具有重大意义。
1.系统控制基础
残卷智能计算系统，实时抓取使用中原纸的参数，主要包括：走纸长度米数、原纸厚度、剩余米数、残卷重量。
这4项参数的计算原理如下：
排除原纸中间空心纸管的误差（空心纸管的直径是110mm），整卷原纸从侧面通过虚拟切割线切开，将每一圈原纸平铺叠放，如图7-6-2所示，结合等差数列的公式，计算原纸走纸长度，计算方法见公式（7-1）。
式中：C上为上架原纸外边缘周长，mm；C下为下架原纸外边缘周长，mm；n为原纸使用中走纸的圈数，系统会自动计数获取。
图7-6-2 走纸长度计算原理
不同克重的原纸厚度不同，系统获取原纸厚度的原理见图7-6-3，上架时原纸的外径与下架时原纸外径的差，除以走纸圈数，即公式（7-2）：
式中：t为原纸厚度，μm；R上为上架原纸的半径，mm；R下为下架原纸的半径，mm。
图7-6-3 原纸厚度计算原理
原纸中间空心纸管的直径是110mm，即最里一层纸的直径为110mm（注：最里层纸的周长=3.14×110=345.4）。原纸下架时余纸米数的计算公式（7-3）：
残卷重量的计算，随着原纸的不断使用，原纸侧端的面积越小，残卷重量就越小。为实现精确获取残卷重量，假设原纸的密度均匀，则原纸重量与侧端面积存在如下关系：
式中：S底上为上架原纸的截面积，mm2；W上为上架原纸（正在被使用中）的重量，kg；
S底下为下架原纸的截面积，mm2；W下为下架原纸（残卷）的重量，kg。
根据公式（7-4），原纸侧端半径的变化直接与重量相关，基于这一数值关系，系统计算出原纸剩余的重量，并实时显示在原纸使用架上。如果此时原纸下架，即获得残卷的重量、剩余米数，并在系统中自动更新相关数据，以便下次领用生产。
2.原纸残卷智能计重系统
瓦楞纸板生产线原纸残卷智能计重系统（见图7-6-4），硬件结构主要包括：传感器、PLC控制、PC控制、ERP服务器、LED显示及警示LED显示。
图7-6-4 原纸残卷智能计重系统
传感器有两种：一种是接近开关负责记录原纸使用中走纸圈数，另一种是增量编码器负责记录每走一圈原纸的长度，即获得该圈原纸的周长，主要原理是通过脉冲计数，再转换成长度，0.23mm/脉冲。
PLC控制基础运算，主要包括：计算上架、下架原纸周长的平均值（自动剔除异常值）；按公式（7-1）～（7-4）将计算好的上架、下架周长数值传递给PC，用于其他计算；左车、右车的判断，以便换卷时将上一卷的数据传递给PC。
PC控制主要负责追踪原纸的走纸圈数、走纸长度、原纸厚度、剩余长度、残卷重量等参数，并不断更新记录系统中的相关数据，形成原纸使用数据库，ERP系统或其他软件均可利用这些生产数据生成相关报表。
LED显示有两种，一种是原纸的基本信息的显示，即厂家、编号、实时剩余重量等信息；另一种是警示显示，因为瓦楞纸板流水线复合时一般都是3层纸及以上，如果每层纸的上纸架都安排人员待命换纸，势必会造成人员的浪费，这种警示LED显示在某卷原纸剩余1000m开始提示，设置10格，每格代表100米，从余纸300米时开始显示实际米数的数字提醒，现场机长根据显示情况，及时安排换纸人员，使人工安排更加合理，换纸时间更加缩短。
3.实际应用
瓦楞纸板生产线原纸残卷智能计重系统，目前在达成集团的下属各厂内已投入正常使用，效果显著。残卷系统安装在瓦楞纸板自动流水线BHS各个上纸架上，详细结构示意见图7-6-5。
图7-6-5 原纸残卷智能计重系统的结构示意图
A—原纸上纸架；B—计圈传感器；P—PLC控制部分；C—PC控制部分；D—增量编码器；E—LED显示；F—警示LED显示
应用中，现场操作人员主要关注两处的LED显示，图7-6-6为原纸架右纸架显示的原纸编号、剩余米数，每卷原纸使用前通过扫码，原纸的编号、剩余米数就会在LED屏上显示，在该卷原纸准备下架时会显示残卷重量，与ERP管理系统对接，原纸使用完下架或残卷下架的信息在不断地更新保存。
图7-6-6 原纸架上使用中原纸的信息显示
图7-6-7为生产5层纸板的各层纸的余纸警示显示，满格为10格，说明该层纸的残卷剩余长度不小于1000米。小于900米时，9格亮，实际剩余长度每少100米，就熄灭一格。当小于300米时，开始有详细数字显示。LED警示显示，放在流水线侧面距离地面约3.5米处，目的是警示班组长提前安排人员，做好接纸或换纸的准备。图7-6-7中显示的是BA楞，里纸余271米，其他四层纸的剩余量都大于1000m，所以现场工作人员此时只需备好新的里纸，做好接纸工作准备。
图7-6-7 五层瓦楞纸板的余纸警示屏
系统会自动感应走纸纸架，并分别记录各纸架参数。原纸使用中PC会实时更新每个编码对应的原纸卷，如该卷原纸使用完，系统中对应编码的原纸剩余米数为0，并归到已用完档，便于后期产品的材质溯源、成本分析等。如果该卷原纸未用完，系统会统计同编号对应的残卷的相关参数，如走纸长度、原纸厚度、剩余长度，见图7-6-8。
图7-6-8 PC后台瞬时显示数据
残卷系统按公式（7-1）～（7-4）的原理计算任意一卷原纸，计算其瞬时参数与系统后台显示数据的差异，结果见表7-6-1。
原先的15吨地磅称重，一般误差在5～10kg，随机统计一个月的生产历史数据（残卷回库数量及重量），计算出地磅称重的平均误差值在1.67%左右，而表7-6-1采用智能计重系统后，最大误差仅为0.714%，远小于实际残卷地磅称重的方法。而且残卷系统更利于与智能化、信息化的管理软件对接，更便于原纸利用率、库存的管理。
表7-6-1 系统后台数据与设计公式计算的误差分析
4.结语
原纸残卷称重回库入仓，是瓦楞纸板流水线中的常规工序，结合生产实际需求，借鉴工业4.0思维，运用自动化控制原理，成功研制出原纸残卷智能计算系统。该系统与原先地磅称重回库的方法相比，不仅可以降低企业的运营成本，节省人工，提高企业资源的利用率，还可以优化企业的原纸残卷管理流程与准确性，对纸箱厂的自动化管理，降本提效具有显著作用。
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