【技術進步】過程質量視覺系統(PQV)在機外涂布紙機上的應用

 

許霞 女士

自動化工程師；

主要負責藍天銅版紙公司自動化儀器儀表的維護和運行。

山東華泰紙業股份有限公司年產70萬噸機外涂布紙機（以下簡稱華泰PM8）主要由紙機、再卷機、涂布機組成，可生產雙膠紙、銅版紙、輕涂紙等多個品種。華泰PM8采用Valmet第一代PQV（ProcessQuality Vision）過程質量視覺系統，將斷紙監控WBA和紙病檢測WIS功能整合在一個系統里。

斷紙監控WBA的概念：檢測、記錄斷紙原因、追蹤記錄紙頁邊部形成紙病的原因。紙病檢測WIS的概念：檢測塵埃、斑點、條痕、褶皺、孔洞、破邊、漏涂、刮線、背輥印等外觀紙病。由于紙機生產的原紙需經過再卷機補洞、修邊處理，通過飛接裝置用于涂布紙的生產。對于斷紙監控、紙病檢測系統的穩定性和準確性要求非常高。生產過程中出現假紙病、漏拍等問題會造成涂布機斷紙，直接影響車間的運行效率。因此PQV系統是生產過程中的一個重要環節，相當于操作人員的眼睛，在生產過程中起到了重要作用。

 

1 PQV系統的組成

如圖1所示，PQV系統由紙機和涂布機兩套系統組成：一部分為紙機PQV系統，由PM斷紙監控WBA、PM紙病檢測WIS、標識器、再卷機CodeReader讀碼器、控制柜、DS服務器和CS服務器、操作站組成；另一部分為涂布機PQV系統，由OMC斷紙監控WBA、OMC紙病檢測WIS、控制柜、上位機DS服務器和CS服務器、操作站組成。                    

 

2  硬件配置

2.1PM&OMC斷紙監控WBA

如圖2所示，斷紙監控攝像頭在紙機PM安裝22臺，在涂布機OMC安裝13臺。

紙機PM:網部2臺、壓榨部4臺、前烘6臺、施膠4臺、后烘2臺、壓光1臺、卷取前切邊2臺、卷取1臺。涂布機OMC:放卷前2臺、放卷后2臺、四個涂布頭8臺、卷取1臺。

硬件組成如下：

(1）相機&鏡頭：黑白、高速、高分辨率逐行掃描技術。

(2）LED燈板：采用LED光源，發熱量小、壽命長、亮度高。

(3）前置玻璃、雨刷、沖洗水噴嘴：高透光度、定時噴水沖洗保證光潔度。

(4）水源、氣源：沖洗前置玻璃，攝像機內保持正壓。

(5）I/O卡：調節相機亮度Iris、聚焦Focus、變焦Zoom。

(6）視頻轉化卡：連接相機視頻信號轉化為光纖信號去機柜室IAP卡，并通過光纖接受來自系統的命令，并將這些命令傳輸給攝像機。

(7）電磁閥：沖洗水電磁閥、雨刷擺動電磁閥。

2.2PM紙病檢測（WIS）

如圖3所示，PM紙病檢測攝像頭共24臺，位于紙機卷取前、掃描架后。采用穿透式燈梁，用于檢測原紙孔洞、褶子、半透明、塵埃、異物、破邊等紙病。其硬件組成分為相機梁、燈梁、光纖箱、控制箱、操作箱。

2.2.1相機梁

(1）相機&鏡頭：先進的高速逐行掃描技術，完全可編程，高分辨率，漸進式掃描CCD黑白相機。

(2）相機快門：采用FESTO單作用氣缸，用于推動相機梁擋板，相機工作時打開，保持相機梁內衛生，保持鏡頭的清晰度。

(3）供電電源、電纜槽：內有12VDC相機電源、5VDC視頻轉化卡電源。

(4）冷卻氣：保證正壓通風，由單獨風機供風，相機具有溫度檢測報警功能。

(5）同步卡：控制相機頻率，保證相機與LED燈同頻率。

(6）視頻轉化卡：連接相機視頻信號轉化為光纖信號，通過光纖箱去機柜室IAP卡，并通過光纖接受來自系統的命令，并將這些命令轉發給攝像機。

2.2.2燈梁

(1）防護玻璃：位于LED燈板上方，用于密封。定期清理表面灰塵、紙末。

(2）LED燈板：采用LED光源，發熱量小、壽命長、亮度高、衰減慢、可調整。

(3）供電電源、電纜槽：內有LED燈板電源、驅動模塊電源。

(4）驅動模塊：接收同步卡的同步頻率信號，輸出多路頻率信號控制燈梁板LED燈頻率，保證相機與LED燈同頻率。

2.2.3操作箱

位于操作側，可進行手動/自動轉化。處于手動狀態時，可進行手動操作打開/關閉相機快門、燈梁上升、下降操作和急停操作。

2.2.4控制箱

(1）西門子CPU：用于控制燈梁上升、下降；與PQV系統I/O卡和MCS系統I/O卡采用硬連線信號。

(2）電源：向燈梁、相機梁提供5VDC、12VDC、24VDC、48VDC、220VAC電源。

(3）氣動閥組：快門電磁閥、梁移動電磁閥。

(4）同步卡：此卡用于控制燈梁板LED燈、相機的頻率，保證兩者同步。

2.2.5光纖箱

來自控制室多芯單股光纜，經光纖盒轉化為2SC多模光纖連接至相機的VicoTech卡。

2.3OMC紙病檢測WIS

如圖4，OMC紙病檢測共安裝2套，每套31臺攝像頭，位于涂布機卷取前。采用低角度反射式燈梁，分別檢測底涂和面涂的涂布紙病。檢測背輥印、刮線、氣泡、漏涂等紙病。硬件組成分為相機梁、燈梁、光纖箱組成（同2.2，此處只介紹與PM不同的鏡頭、燈板）。

2.3.1相機梁

相機&鏡頭：黑白、高速、高分辨率、逐行掃描技術。

2.3.2燈梁

LED燈板：采用LED光源，頂部有透鏡、48VDC，發熱量小、壽命長、亮度高、衰減慢、可調整。

2.4控制柜

紙機PQV系統與涂布機PQV系統的控制柜布置和結構是一致的，分別位于干部、涂布控制室。與現場斷紙監控、紙病檢測、MCS、傳動、標識器、再卷機CodeReader讀碼器等采用不同的方式連接和通訊。柜門前后開門分為前后兩部分，具體如下：

(1）機架：采用24VDC、5VDC、3.3VDC供電。

(2）IAP卡：是這個系統的核心，通過光纖電纜接收來自現場相機的視頻信號，對視頻進行處理、分析、識別、分類、存儲，也可向相機發送命令和參數。通過內部計算將分析的數據通過網口通訊到24口交換機，另有2路視頻四通道輸出50幀/秒流視頻經同軸電纜到操作室用于視頻顯示。每塊卡有4路輸入接4臺相機。

 

(3）開關電源：220V 9.5A可提供24VDC、5VDC、3.3VDC。

(4）24口交換機：連接CS、DS服務器、操作站、IAP卡、MCS通訊。

(5）Date ServerDS服務器：數據服務器采用HP服務器Windows 2003 server，運行SQL數據庫、I/O卡件、通訊協議等多個組件，用于存儲斷紙記錄。

(6）Camera serverCS服務器：相機服務器采用HP服務器Windows 2003server，運行Server Manager、Autolight等多個組件，用于存儲紙輥紙病記錄。

(7）操作站OPS：濕部、干部、再卷機、涂布機各有一臺操作站。

(8）I/O卡：來自MCS、標識器、控制箱等多處的信號交換，如換卷、斷紙、全幅、車速、引紙板位置、燈梁位置、遠程、紙邊等均采用硬連線；與DS服務器采用RJ45網線通訊；與ABB傳動采用Profibus通訊。

(9）西門子DP-DP Coupler & OZD：與ABB傳動采用profibus通訊、信號轉換和傳輸。

2.5標識器

如圖5，標識器將紙頁長度通過噴碼的形式將代碼標記在紙張上，由再卷機CodeReader讀碼器進行識別。其由三部分組成：Marker站、操作站、墨水站。

2.5.1Marker站

由紙邊檢測、噴嘴、噴槍電磁閥、噴氣電磁閥、φ6mm墨水管路、φ6mm氣管路、φ6mm水管路、信號線、行程限位、按鈕箱等組成。

2.5.2操作站

由CPU、接線端子、繼電器、電源、與PQV系統的信號交換、顯示面板等組成。

2.5.3墨水站

由墨水桶、液位開關、壓力開關、氣源、水源、電磁閥、調壓閥、過濾器等組成。

其工作原理為：當收到紙頁全幅信號，處于自動狀態時，marker站自動進入紙頁，當檢測到紙邊光眼時停止運行，紙輥臨落輥前1000m線長每200m噴碼一次，其余線長每1000m噴碼一次。斷紙時自動退回，檢測到后退行程限位時停止。根據車速、線長對紙輥進行噴碼便于再卷機讀取標識，從而確定準確位置進行紙病處理。手動狀態下可以通過按鈕箱進行操作，前進、后退、噴碼的功能。

2.6再卷機CodeReader讀碼器

安裝于再卷機傳動側，用于檢測紙機原紙的Marker標識線，通過CodeReader相機進行逐行掃描，并實時將所捕獲圖像轉化為電信號通過光纖傳輸至IAP卡。運用圖像處理算法對Marker標識線進行識別，從而確定線長。在再卷機操作站上將PM紙病檢測記錄的紙病進行選擇，將可能會造成涂布機斷紙的孔洞、破邊、褶子、裂紋進行選擇，紙病選擇后可精確到具體的CD、MD位置。通過CodeReader相機讀碼同步后，控制傳動電機速度和停止位置。傳動電機的控制由板卡最后一個卡件ProfibussDP經西門子DP-DP Coupler和Profibus OZD信號轉化后進行通訊的�？蓪⒓堩撏Ｖ沟奈恢镁�確到2m，運行狀態良好。

 

3  工作原理

斷紙監控WBA與紙病檢測WIS的工作原理基本一致。

3.1斷紙監控WBA

如圖6所示，斷紙監控系統采用高分辨率線CCD相機，同步控制LED燈脈沖，經Cameralink線連接到VicoTech卡，實時將所捕獲圖像視頻信號轉化為數字光纖信號，傳輸IAP卡，運用圖像處理算法對紙幅圖像進行處理并儲存。當接收到MCS發來的斷紙信號時，將斷紙前8秒（可設置項）圖像視頻進行存儲記錄，用于查看斷紙原因和斷紙位置，從而分析斷紙原因，圖像為完整的原始圖像。

 

路徑：WBA相機Camera→經CameraLink電纜→Vicotech→光纖→IAP→以太網→Switch→Server→以太網→Switch→操作站OPS

3.2紙病檢測WIS

如圖7所示，紙病檢測系統其基本原理是：運用多臺與車速同步的高分辨率線CCD相機，對經光源反射（OMC）或透射(PM)的紙幅進行逐行掃描，并實時將所捕獲圖像視頻信號轉化為數字10字節光纖信號傳輸至IAP卡。對視頻進行處理、分析、識別、分類、存儲，也可向相機發送命令和參數。通過內部計算將分析的數據通過24口交換機與服務器、操作站進行數據交換。將紙幅各種紙病圖像進行處理并儲存，并在操作界面上實時顯示和記錄�？刹榭醇埐☆愋�、大小、數量等，能精確到CD/MD位置，找到關鍵的質量問題點，并追蹤其在過程中形成的原因。紙病為裁剪的有缺陷的圖像。

路徑：WIS相機Camera→經CameraLink電纜→Vicotech→光纖→IAP→以太網→Switch→Server→以太網→Switch→操作站OPS

 

 

4  服務器運行組件

DS服務器和CS服務器運行各種組件，其中DS服務器的組件為：（1）服務器管理器，負責所有組件的運行，系統啟動時自動啟動，某些組件關閉時，將自動重啟該組件；（2）與數據庫SQL的通訊；（3）處理本地和遠程操作員站數據應用；（4）管理I/O以及其他外部接口；（5）負責與IAP卡的通訊；（6）負責將影像（紙病、序列）存儲到磁盤并進行磁盤清理；（7）管理WBA、WIS錄制；（8）用于同步地向攝像機發送/接收信息；（9）管理與紙輥有關的信息，如換卷、線長、速度等信息；（10）與I/O模塊一起生成噴涂所需的信號，出現周期性紙病時標記和報警。

CS服務器的組件組成：（1）服務器管理器，負責所有組件的運行，系統啟動時自動啟動，某些組件關閉時，將自動重啟該組件；（2）負責紙病的處理，如合并、剪切幀；（3）通訊管理；（4）磁盤管理；（5）相機管理；（6）分類器將每種紙病最終分類和命名，與磁盤管理器組件合作，將影像存儲到硬盤；（7）根據參考相機的GrayLevel自動調整燈光；（8）計算紙頁寬度，跟蹤相機的邊緣位置等。

 

5  生產中的應用

操作室內顯示器實時顯示當前的斷紙監控攝像機的實時畫面，出現斷紙信號時，會將斷紙信號前幾秒的視頻進行存儲，形成一次斷紙記錄（在管理員權限可以自行修改存儲時間和長度），自動檢測出斷紙原因并標識出斷紙位置，各個斷紙相機記錄斷紙瞬間的錄像，從而查找出斷紙具體原因，是裂口、破邊、壓榨部真空波動、毛布趕褶等多種原因，從而有利于改善生產狀況和提供指導性建議。

紙病檢測界面實時顯示紙病相機拍攝的全幅紙病圖片，圖片信息包括：大小、面積、CD/MD位置、紙病類型、時間等信息。對周期性紙病進行提醒和報警。當發生邊部紙病裂口、褶子時，會自動發出斷紙記錄存儲，從而查找形成紙病的原因，生產人員可及時進行解決。

通過SNS軟件可對斷紙相機照射的關注區域進行調整，可讀取和修改相機Zoom、Focus、Iris、ROI等參數并根據現場的工況進行調整。通過TESTCLENT軟件對IAP卡進行狀況、參數和版本的修改。通過CalibrationTool軟件對相機溫度、Gray Level、Gain、camera、Windows等參數進行監控和修改（圖8）。

紙病檢測界面實時顯示紙病相機拍攝的全幅紙病圖片，圖片信息包括：大小、面積、CD/MD位置、紙病類型、時間等信息，對周期性紙病進行提醒和報警。當發生邊部紙病裂口、褶子時，會自動發出斷紙記錄存儲，從而查找形成紙病的原因，生產人員可及時進行解決。紙頁中的塵埃、油污、黑異物、透明點等任一紙病可以精確到0.5mm，根據數量的多少和分布情況為生產提供良好的視覺界面（圖9）。

再卷機通過查看紙病記錄選擇需要修補的紙病，將其選中，通過codereader攝像機讀取標識器的打碼線來確定當前線長具體位置，通過ABB傳動控制將設備停止在精確位置，進行紙病修補（圖10）。

6  日常維護

相機、鏡頭屬于高精度的測量裝置，其使用壽命、出現問題的頻率、測量的準確性，與日常的維護和保養是密切相關的。做好日常巡檢、衛生清理、周期性維護記錄是工作重點。

(1）每天巡檢斷紙監控、紙病檢測相機溫度，保證溫度低于50℃。

(2）每周清理供風風機濾網一次，保證濾網完整和清潔；定期更換濾網。

(3）定期檢查斷紙攝像機水源、氣源質量，定期更換過濾器濾芯。

(4）每十天清理一次marker標識器噴嘴衛生，保證噴嘴周圍干凈，防止濺料。

(5）每次停機，清理燈梁玻璃衛生。

(6）每半年清潔一次相機鏡頭。

 

7  故障處理

PQV系統運行比較穩定，做好日常維護可大大降低故障頻率。

7.1斷紙監控未錄像

(1）檢查斷紙信號是否正常。

(2）檢查相機狀態是否正常。

(3）手動錄像一次是否正常。

(4）檢查系統時間是否同步。

7.2紙病檢測無紙病顯示

(1）檢查現場燈梁、相機梁供電是否正常。

(2）與I/O通訊是否已連接，車速信號是否正常。

(3）CS、DS服務器組件是否已正常啟動。

(4）全幅信號、卷取換卷信號是否為1。

(5）參考相機和同步相機信號是否正常。

(6）重啟CS、DS服務器組件。

7.3紙病檢測某一相機無紙病

(1）通過Calibration Tool軟件查看該相機對應的IAP卡狀態，如顯示藍色為IAP卡故障，需更換IAP卡。如果顯示No signal表示此通道不正常。

(2）將該相機與其他通道相機對調光纖，再次確認故障原因來自現場還是IAP卡；若來自IAP卡需要將此卡更換。

(3）對調現場視頻轉化卡。

(4）對調現場光纖。

(5）對調現場相機。

 

8 結束語

隨著社會的發展和進步，對紙張的要求越來越高，在生產過程中，造成的一些外觀紙病，如：塵埃、斑點、褶皺、破邊、背輥印等會嚴重影響紙張的質量，極易造成紙張的成品率下降和客戶投訴。紙病檢測是生產過程中的一個重要環節，PQV過程質量視覺系統在華泰PM8得到了良好的應用。相當于設備的眼睛，將問題發現并記錄下來。實踐運行證明這套紙病檢測系統具有較高的準確率和穩定性，為穩定產品質量提供了很好的幫助。