【技术进步】过程质量视觉系统(PQV)在机外涂布纸机上的应用

 

许霞 女士

自动化工程师；

主要负责蓝天铜版纸公司自动化仪器仪表的维护和运行。

山东华泰纸业股份有限公司年产70万吨机外涂布纸机（以下简称华泰PM8）主要由纸机、再卷机、涂布机组成，可生产双胶纸、铜版纸、轻涂纸等多个品种。华泰PM8采用Valmet第一代PQV（ProcessQuality Vision）过程质量视觉系统，将断纸监控WBA和纸病检测WIS功能整合在一个系统里。

断纸监控WBA的概念：检测、记录断纸原因、追踪记录纸页边部形成纸病的原因。纸病检测WIS的概念：检测尘埃、斑点、条痕、褶皱、孔洞、破边、漏涂、刮线、背辊印等外观纸病。由于纸机生产的原纸需经过再卷机补洞、修边处理，通过飞接装置用于涂布纸的生产。对于断纸监控、纸病检测系统的稳定性和准确性要求非常高。生产过程中出现假纸病、漏拍等问题会造成涂布机断纸，直接影响车间的运行效率。因此PQV系统是生产过程中的一个重要环节，相当于操作人员的眼睛，在生产过程中起到了重要作用。

 

1 PQV系统的组成

如图1所示，PQV系统由纸机和涂布机两套系统组成：一部分为纸机PQV系统，由PM断纸监控WBA、PM纸病检测WIS、标识器、再卷机CodeReader读码器、控制柜、DS服务器和CS服务器、操作站组成；另一部分为涂布机PQV系统，由OMC断纸监控WBA、OMC纸病检测WIS、控制柜、上位机DS服务器和CS服务器、操作站组成。                    

 

2  硬件配置

2.1PM&OMC断纸监控WBA

如图2所示，断纸监控摄像头在纸机PM安装22台，在涂布机OMC安装13台。

纸机PM:网部2台、压榨部4台、前烘6台、施胶4台、后烘2台、压光1台、卷取前切边2台、卷取1台。涂布机OMC:放卷前2台、放卷后2台、四个涂布头8台、卷取1台。

硬件组成如下：

(1）相机&镜头：黑白、高速、高分辨率逐行扫描技术。

(2）LED灯板：采用LED光源，发热量小、寿命长、亮度高。

(3）前置玻璃、雨刷、冲洗水喷嘴：高透光度、定时喷水冲洗保证光洁度。

(4）水源、气源：冲洗前置玻璃，摄像机内保持正压。

(5）I/O卡：调节相机亮度Iris、聚焦Focus、变焦Zoom。

(6）视频转化卡：连接相机视频信号转化为光纤信号去机柜室IAP卡，并通过光纤接受来自系统的命令，并将这些命令传输给摄像机。

(7）电磁阀：冲洗水电磁阀、雨刷摆动电磁阀。

2.2PM纸病检测（WIS）

如图3所示，PM纸病检测摄像头共24台，位于纸机卷取前、扫描架后。采用穿透式灯梁，用于检测原纸孔洞、褶子、半透明、尘埃、异物、破边等纸病。其硬件组成分为相机梁、灯梁、光纤箱、控制箱、操作箱。

2.2.1相机梁

(1）相机&镜头：先进的高速逐行扫描技术，完全可编程，高分辨率，渐进式扫描CCD黑白相机。

(2）相机快门：采用FESTO单作用气缸，用于推动相机梁挡板，相机工作时打开，保持相机梁内卫生，保持镜头的清晰度。

(3）供电电源、电缆槽：内有12VDC相机电源、5VDC视频转化卡电源。

(4）冷却气：保证正压通风，由单独风机供风，相机具有温度检测报警功能。

(5）同步卡：控制相机频率，保证相机与LED灯同频率。

(6）视频转化卡：连接相机视频信号转化为光纤信号，通过光纤箱去机柜室IAP卡，并通过光纤接受来自系统的命令，并将这些命令转发给摄像机。

2.2.2灯梁

(1）防护玻璃：位于LED灯板上方，用于密封。定期清理表面灰尘、纸末。

(2）LED灯板：采用LED光源，发热量小、寿命长、亮度高、衰减慢、可调整。

(3）供电电源、电缆槽：内有LED灯板电源、驱动模块电源。

(4）驱动模块：接收同步卡的同步频率信号，输出多路频率信号控制灯梁板LED灯频率，保证相机与LED灯同频率。

2.2.3操作箱

位于操作侧，可进行手动/自动转化。处于手动状态时，可进行手动操作打开/关闭相机快门、灯梁上升、下降操作和急停操作。

2.2.4控制箱

(1）西门子CPU：用于控制灯梁上升、下降；与PQV系统I/O卡和MCS系统I/O卡采用硬连线信号。

(2）电源：向灯梁、相机梁提供5VDC、12VDC、24VDC、48VDC、220VAC电源。

(3）气动阀组：快门电磁阀、梁移动电磁阀。

(4）同步卡：此卡用于控制灯梁板LED灯、相机的频率，保证两者同步。

2.2.5光纤箱

来自控制室多芯单股光缆，经光纤盒转化为2SC多模光纤连接至相机的VicoTech卡。

2.3OMC纸病检测WIS

如图4，OMC纸病检测共安装2套，每套31台摄像头，位于涂布机卷取前。采用低角度反射式灯梁，分别检测底涂和面涂的涂布纸病。检测背辊印、刮线、气泡、漏涂等纸病。硬件组成分为相机梁、灯梁、光纤箱组成（同2.2，此处只介绍与PM不同的镜头、灯板）。

2.3.1相机梁

相机&镜头：黑白、高速、高分辨率、逐行扫描技术。

2.3.2灯梁

LED灯板：采用LED光源，顶部有透镜、48VDC，发热量小、寿命长、亮度高、衰减慢、可调整。

2.4控制柜

纸机PQV系统与涂布机PQV系统的控制柜布置和结构是一致的，分别位于干部、涂布控制室。与现场断纸监控、纸病检测、MCS、传动、标识器、再卷机CodeReader读码器等采用不同的方式连接和通讯。柜门前后开门分为前后两部分，具体如下：

(1）机架：采用24VDC、5VDC、3.3VDC供电。

(2）IAP卡：是这个系统的核心，通过光纤电缆接收来自现场相机的视频信号，对视频进行处理、分析、识别、分类、存储，也可向相机发送命令和参数。通过内部计算将分析的数据通过网口通讯到24口交换机，另有2路视频四通道输出50帧/秒流视频经同轴电缆到操作室用于视频显示。每块卡有4路输入接4台相机。

 

(3）开关电源：220V 9.5A可提供24VDC、5VDC、3.3VDC。

(4）24口交换机：连接CS、DS服务器、操作站、IAP卡、MCS通讯。

(5）Date ServerDS服务器：数据服务器采用HP服务器Windows 2003 server，运行SQL数据库、I/O卡件、通讯协议等多个组件，用于存储断纸记录。

(6）Camera serverCS服务器：相机服务器采用HP服务器Windows 2003server，运行Server Manager、Autolight等多个组件，用于存储纸辊纸病记录。

(7）操作站OPS：湿部、干部、再卷机、涂布机各有一台操作站。

(8）I/O卡：来自MCS、标识器、控制箱等多处的信号交换，如换卷、断纸、全幅、车速、引纸板位置、灯梁位置、远程、纸边等均采用硬连线；与DS服务器采用RJ45网线通讯；与ABB传动采用Profibus通讯。

(9）西门子DP-DP Coupler & OZD：与ABB传动采用profibus通讯、信号转换和传输。

2.5标识器

如图5，标识器将纸页长度通过喷码的形式将代码标记在纸张上，由再卷机CodeReader读码器进行识别。其由三部分组成：Marker站、操作站、墨水站。

2.5.1Marker站

由纸边检测、喷嘴、喷枪电磁阀、喷气电磁阀、φ6mm墨水管路、φ6mm气管路、φ6mm水管路、信号线、行程限位、按钮箱等组成。

2.5.2操作站

由CPU、接线端子、继电器、电源、与PQV系统的信号交换、显示面板等组成。

2.5.3墨水站

由墨水桶、液位开关、压力开关、气源、水源、电磁阀、调压阀、过滤器等组成。

其工作原理为：当收到纸页全幅信号，处于自动状态时，marker站自动进入纸页，当检测到纸边光眼时停止运行，纸辊临落辊前1000m线长每200m喷码一次，其余线长每1000m喷码一次。断纸时自动退回，检测到后退行程限位时停止。根据车速、线长对纸辊进行喷码便于再卷机读取标识，从而确定准确位置进行纸病处理。手动状态下可以通过按钮箱进行操作，前进、后退、喷码的功能。

2.6再卷机CodeReader读码器

安装于再卷机传动侧，用于检测纸机原纸的Marker标识线，通过CodeReader相机进行逐行扫描，并实时将所捕获图像转化为电信号通过光纤传输至IAP卡。运用图像处理算法对Marker标识线进行识别，从而确定线长。在再卷机操作站上将PM纸病检测记录的纸病进行选择，将可能会造成涂布机断纸的孔洞、破边、褶子、裂纹进行选择，纸病选择后可精确到具体的CD、MD位置。通过CodeReader相机读码同步后，控制传动电机速度和停止位置。传动电机的控制由板卡最后一个卡件ProfibussDP经西门子DP-DP Coupler和Profibus OZD信号转化后进行通讯的。可将纸页停止的位置精确到2m，运行状态良好。

 

3  工作原理

断纸监控WBA与纸病检测WIS的工作原理基本一致。

3.1断纸监控WBA

如图6所示，断纸监控系统采用高分辨率线CCD相机，同步控制LED灯脉冲，经Cameralink线连接到VicoTech卡，实时将所捕获图像视频信号转化为数字光纤信号，传输IAP卡，运用图像处理算法对纸幅图像进行处理并储存。当接收到MCS发来的断纸信号时，将断纸前8秒（可设置项）图像视频进行存储记录，用于查看断纸原因和断纸位置，从而分析断纸原因，图像为完整的原始图像。

 

路径：WBA相机Camera→经CameraLink电缆→Vicotech→光纤→IAP→以太网→Switch→Server→以太网→Switch→操作站OPS

3.2纸病检测WIS

如图7所示，纸病检测系统其基本原理是：运用多台与车速同步的高分辨率线CCD相机，对经光源反射（OMC）或透射(PM)的纸幅进行逐行扫描，并实时将所捕获图像视频信号转化为数字10字节光纤信号传输至IAP卡。对视频进行处理、分析、识别、分类、存储，也可向相机发送命令和参数。通过内部计算将分析的数据通过24口交换机与服务器、操作站进行数据交换。将纸幅各种纸病图像进行处理并储存，并在操作界面上实时显示和记录。可查看纸病类型、大小、数量等，能精确到CD/MD位置，找到关键的质量问题点，并追踪其在过程中形成的原因。纸病为裁剪的有缺陷的图像。

路径：WIS相机Camera→经CameraLink电缆→Vicotech→光纤→IAP→以太网→Switch→Server→以太网→Switch→操作站OPS

 

 

4  服务器运行组件

DS服务器和CS服务器运行各种组件，其中DS服务器的组件为：（1）服务器管理器，负责所有组件的运行，系统启动时自动启动，某些组件关闭时，将自动重启该组件；（2）与数据库SQL的通讯；（3）处理本地和远程操作员站数据应用；（4）管理I/O以及其他外部接口；（5）负责与IAP卡的通讯；（6）负责将影像（纸病、序列）存储到磁盘并进行磁盘清理；（7）管理WBA、WIS录制；（8）用于同步地向摄像机发送/接收信息；（9）管理与纸辊有关的信息，如换卷、线长、速度等信息；（10）与I/O模块一起生成喷涂所需的信号，出现周期性纸病时标记和报警。

CS服务器的组件组成：（1）服务器管理器，负责所有组件的运行，系统启动时自动启动，某些组件关闭时，将自动重启该组件；（2）负责纸病的处理，如合并、剪切帧；（3）通讯管理；（4）磁盘管理；（5）相机管理；（6）分类器将每种纸病最终分类和命名，与磁盘管理器组件合作，将影像存储到硬盘；（7）根据参考相机的GrayLevel自动调整灯光；（8）计算纸页宽度，跟踪相机的边缘位置等。

 

5  生产中的应用

操作室内显示器实时显示当前的断纸监控摄像机的实时画面，出现断纸信号时，会将断纸信号前几秒的视频进行存储，形成一次断纸记录（在管理员权限可以自行修改存储时间和长度），自动检测出断纸原因并标识出断纸位置，各个断纸相机记录断纸瞬间的录像，从而查找出断纸具体原因，是裂口、破边、压榨部真空波动、毛布赶褶等多种原因，从而有利于改善生产状况和提供指导性建议。

纸病检测界面实时显示纸病相机拍摄的全幅纸病图片，图片信息包括：大小、面积、CD/MD位置、纸病类型、时间等信息。对周期性纸病进行提醒和报警。当发生边部纸病裂口、褶子时，会自动发出断纸记录存储，从而查找形成纸病的原因，生产人员可及时进行解决。

通过SNS软件可对断纸相机照射的关注区域进行调整，可读取和修改相机Zoom、Focus、Iris、ROI等参数并根据现场的工况进行调整。通过TESTCLENT软件对IAP卡进行状况、参数和版本的修改。通过CalibrationTool软件对相机温度、Gray Level、Gain、camera、Windows等参数进行监控和修改（图8）。

纸病检测界面实时显示纸病相机拍摄的全幅纸病图片，图片信息包括：大小、面积、CD/MD位置、纸病类型、时间等信息，对周期性纸病进行提醒和报警。当发生边部纸病裂口、褶子时，会自动发出断纸记录存储，从而查找形成纸病的原因，生产人员可及时进行解决。纸页中的尘埃、油污、黑异物、透明点等任一纸病可以精确到0.5mm，根据数量的多少和分布情况为生产提供良好的视觉界面（图9）。

再卷机通过查看纸病记录选择需要修补的纸病，将其选中，通过codereader摄像机读取标识器的打码线来确定当前线长具体位置，通过ABB传动控制将设备停止在精确位置，进行纸病修补（图10）。

6  日常维护

相机、镜头属于高精度的测量装置，其使用寿命、出现问题的频率、测量的准确性，与日常的维护和保养是密切相关的。做好日常巡检、卫生清理、周期性维护记录是工作重点。

(1）每天巡检断纸监控、纸病检测相机温度，保证温度低于50℃。

(2）每周清理供风风机滤网一次，保证滤网完整和清洁；定期更换滤网。

(3）定期检查断纸摄像机水源、气源质量，定期更换过滤器滤芯。

(4）每十天清理一次marker标识器喷嘴卫生，保证喷嘴周围干净，防止溅料。

(5）每次停机，清理灯梁玻璃卫生。

(6）每半年清洁一次相机镜头。

 

7  故障处理

PQV系统运行比较稳定，做好日常维护可大大降低故障频率。

7.1断纸监控未录像

(1）检查断纸信号是否正常。

(2）检查相机状态是否正常。

(3）手动录像一次是否正常。

(4）检查系统时间是否同步。

7.2纸病检测无纸病显示

(1）检查现场灯梁、相机梁供电是否正常。

(2）与I/O通讯是否已连接，车速信号是否正常。

(3）CS、DS服务器组件是否已正常启动。

(4）全幅信号、卷取换卷信号是否为1。

(5）参考相机和同步相机信号是否正常。

(6）重启CS、DS服务器组件。

7.3纸病检测某一相机无纸病

(1）通过Calibration Tool软件查看该相机对应的IAP卡状态，如显示蓝色为IAP卡故障，需更换IAP卡。如果显示No signal表示此通道不正常。

(2）将该相机与其他通道相机对调光纤，再次确认故障原因来自现场还是IAP卡；若来自IAP卡需要将此卡更换。

(3）对调现场视频转化卡。

(4）对调现场光纤。

(5）对调现场相机。

 

8 结束语

随着社会的发展和进步，对纸张的要求越来越高，在生产过程中，造成的一些外观纸病，如：尘埃、斑点、褶皱、破边、背辊印等会严重影响纸张的质量，极易造成纸张的成品率下降和客户投诉。纸病检测是生产过程中的一个重要环节，PQV过程质量视觉系统在华泰PM8得到了良好的应用。相当于设备的眼睛，将问题发现并记录下来。实践运行证明这套纸病检测系统具有较高的准确率和稳定性，为稳定产品质量提供了很好的帮助。