淺析電氣自動(dòng)化技術(shù)在煙草在線異物剔除工藝中的應(yīng)用

蔣健

（四川中煙長(zhǎng)城雪茄煙廠，四川 什邡 618400）

在以往傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，煙草異物剔除主要通過(guò)手工方式來(lái)完成，效率較為低下且可靠性難以保障。為了滿足現(xiàn)代化發(fā)展的需求，越來(lái)越多的煙草生產(chǎn)廠家開始引用在線異物剔除技術(shù)，使其在煙草生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。有效的節(jié)省了操作流程和時(shí)間，提升了工作效率和質(zhì)量，使企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力增強(qiáng)。

1 煙草異物的識(shí)別方式

由于煙草與異物在形狀等方面存在較大的不同，因此系統(tǒng)主要通過(guò)色度的方式將二者進(jìn)行區(qū)分。通常采用的方式為：根據(jù)拍攝圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的色度差異，如R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）分量差異，對(duì)該像素點(diǎn)處煙草或者異物進(jìn)行判斷，特別是異物，類型多種多樣，并且在色度方面不可避免的會(huì)與煙草之間產(chǎn)生重疊，這將對(duì)二者的分別帶來(lái)較大的難度。對(duì)此，針對(duì)二者間的區(qū)別提出了一種新型的識(shí)別方式，并且較為簡(jiǎn)單有效。其基本原理為通過(guò)反射光譜測(cè)定儀對(duì)煙草的反射光譜特征進(jìn)行測(cè)定，繪制光譜曲線，從該曲線圖中能夠看出，當(dāng)煙草處于可見光波段時(shí)，其反射峰值與黃色光的波段較為貼近，而麻繩、紙片、橡膠等異物則不具備此種特征。在此種情況下拍攝到的圖片，煙草的顏色相比來(lái)看較暗，使其與煙草之間的差別變得更加明顯。

在增強(qiáng)煙草與大部分異物之間色差的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一定的副作用，當(dāng)煙草顏色或者顏色與煙草相類似的異物的顏色都接近于黃色時(shí)，不但難以根據(jù)像素點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行區(qū)分，而且再加入藍(lán)濾鏡之后，使得紅、綠兩種色度信息丟失，使二者的確切識(shí)別變得更加困難。針對(duì)上述問(wèn)題，可以采用此種方式解決，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用2098×3像素的CCD攝像機(jī)，在三條CDD前分別添加紅、綠、藍(lán)濾色片，以此來(lái)形成彩色圖像。首先利用藍(lán)濾鏡對(duì)煙草異物的色度差進(jìn)行區(qū)別，然后，針對(duì)與黃色較為接近的煙草或者異物，通過(guò)R、G、B三種數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行識(shí)別。

2 煙草異物在線檢測(cè)與剔除的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 激光掃描法

激光掃描方式主要是按照每種物質(zhì)特有光學(xué)特性來(lái)設(shè)計(jì)的，通常情況下，煙草與異物在漫反射中產(chǎn)生的光線具有不同的光譜特征。在此基礎(chǔ)上，能夠?qū)Χ叩膶傩赃M(jìn)行判斷，在此種思想上，德國(guó)HAUNI公司設(shè)計(jì)了TOBACCOSCAN系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括激光掃描單元、機(jī)架裝置、電控單元以及輔助設(shè)備。其中，機(jī)架設(shè)備屬于該系統(tǒng)的機(jī)械框架，由不銹鋼結(jié)構(gòu)組合而成，使產(chǎn)品能夠按照規(guī)定方式通過(guò)檢測(cè)區(qū)域。傳送帶裝置能夠?qū)⑸a(chǎn)線中低速煙葉物料進(jìn)行加速，并且平穩(wěn)剔除，使檢測(cè)物料的平穩(wěn)性提升。在該系統(tǒng)中屬于雙層傳送帶系統(tǒng)，能夠保障煙葉在加速的狀態(tài)下平穩(wěn)移動(dòng)，采用高壓空氣噴射的方式將異物剔除。在接收方面，主要包括煙葉艙和異物艙，能夠?qū)z測(cè)出來(lái)的異物通過(guò)不同的渠道送往后續(xù)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中。

整個(gè)系統(tǒng)的核心部分為激光掃描單元，擔(dān)任系統(tǒng)“眼睛”的角色。掃描光源使用的是紅、綠、藍(lán)三種顏色的光束，并且將其匯集到多棱鏡中，多棱鏡共具備10個(gè)面，并且以1200rpm的速度旋轉(zhuǎn)，使激光被擴(kuò)展成一個(gè)“光簾”，掃描頻率為2000Hz。對(duì)于不同物質(zhì)來(lái)說(shuō)，都具備自身的光學(xué)特性，煙葉與異物所反射出的光線也具有一定的差別，產(chǎn)生的電信號(hào)強(qiáng)度也不盡相同。當(dāng)光線發(fā)生漫反射時(shí)，部分光線通過(guò)多棱鏡將光路射回，并且反射到光接收器當(dāng)中，最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳輸?shù)诫娍貑卧M(jìn)行判斷，進(jìn)而對(duì)煙葉與異物進(jìn)行分辨。

2.2 CCD攝像法

此種方式主要采用CDD攝像機(jī)，對(duì)煙葉以及異物的顏色進(jìn)行獲取，并且對(duì)圖像進(jìn)行的加工和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙葉和異物的識(shí)別，進(jìn)而將異物剔除。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)SRC VISION公司研制出一款系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作過(guò)程有以下幾個(gè)方面。第一，圖像拍攝。將煙葉通過(guò)生產(chǎn)線輸送到輸出端中，在風(fēng)壓裝置的影響下，以高速拋射，當(dāng)煙葉屬于懸空狀態(tài)時(shí)，利用CDD攝像機(jī)進(jìn)行連續(xù)的拍攝，獲取煙葉與異物相混合的圖像。第二，圖像采集，通過(guò)采集卡將圖像以數(shù)字的形式存儲(chǔ)到內(nèi)存當(dāng)中。第三，圖像識(shí)別，這屬于系統(tǒng)中較為核心的部分，處理器將根據(jù)二者之間在參數(shù)方面區(qū)別，對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。由于在拍攝過(guò)程中存在煙草與異物重疊的現(xiàn)象，因此，在顏色識(shí)別的基礎(chǔ)上，還應(yīng)對(duì)二者的其他特性進(jìn)行進(jìn)一步的識(shí)別。第四，信號(hào)傳輸。當(dāng)對(duì)二者進(jìn)行徹底的識(shí)別和判斷之后，將異物位置信號(hào)傳輸?shù)綒鈩?dòng)噴嘴中。第五，異物剔除。當(dāng)噴嘴在接收到信號(hào)之后，將開啟相應(yīng)的電磁閥，進(jìn)而噴射出高壓空氣將異物剔除，如此反復(fù)直至異物被全部分離出來(lái)。

3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)

3.1 內(nèi)存的直接操作技術(shù)

對(duì)于煙草在線異物剔除系統(tǒng)中進(jìn)行的圖像采集以及軟件處理，是在windows 2000系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)的，利用以往磁盤交換的方式已經(jīng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前海量數(shù)據(jù)的采集和處理，傳統(tǒng)的方式為：首先通過(guò)采集卡將數(shù)據(jù)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，將其作為臨時(shí)文件保存到系統(tǒng)硬盤當(dāng)中，然后，以文件的形式將其讀入內(nèi)存并進(jìn)行處理。由于內(nèi)存讀取的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CPU的讀取速度，使得磁盤交換的過(guò)程中浪費(fèi)了大量時(shí)間，因此，需要采用內(nèi)存直接操作技術(shù)，即將收集到的數(shù)據(jù)投入到系統(tǒng)內(nèi)存當(dāng)中后，不將其存在硬盤當(dāng)中，而是在內(nèi)存處進(jìn)行直接的處理。在用戶模式下，程序員的編程工作只能使用虛擬地址空間，而采集數(shù)據(jù)向PC機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)存利用的是物理地址，要想實(shí)現(xiàn)虛擬地址向物理地址的轉(zhuǎn)變，需要通過(guò)CPU分段分頁(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)此，首先應(yīng)將虛擬地址進(jìn)行分段，為其提交實(shí)際物理內(nèi)存，獲得當(dāng)前與虛擬地址相對(duì)的線性地址，然后通過(guò)轉(zhuǎn)化分頁(yè)部件的方式，得到真正的物理地址。在windows 2000系統(tǒng)下，采用上述方式難以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理內(nèi)存的直接訪問(wèn)。對(duì)此，可以在采集卡開發(fā)庫(kù)的基礎(chǔ)上，提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)直接訪問(wèn)的方式。首先，利用函數(shù)bufAllocate實(shí)現(xiàn)對(duì)物理內(nèi)存的分配，然后利用MbufIn2quire得到分配后的物理內(nèi)存，對(duì)其進(jìn)行分頁(yè)分段處理之后，獲得線性或者虛擬地址。同時(shí)，由此獲得的線性或者虛擬地址具有相對(duì)固定性，能夠直接投入使用，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理內(nèi)存的直接訪問(wèn)操作。

3.2 雙緩存技術(shù)

由于該系統(tǒng)中不具備磁盤交換環(huán)節(jié)，難以在相同內(nèi)存中實(shí)現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)采集與處理，為實(shí)際工作帶來(lái)了諸多不便。對(duì)此，可以使用雙緩存技術(shù)的方式來(lái)克服這一弊端。主要實(shí)施方式為：首先，在系統(tǒng)中建立兩個(gè)具有相同屬性的內(nèi)存區(qū)A和B，當(dāng)A在接受采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，B可以通過(guò)異步方式實(shí)施圖像處理與識(shí)別，只要處理的速度能夠得到保障，則處理的時(shí)間將始終小于采集的時(shí)間，即TP＜Tg，其中，TP為信息處理的時(shí)間，Tg為采集的時(shí)間。因此，通過(guò)軟件便可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)處理與采集的切換工作。另外，在CCD光路處的煙葉可能會(huì)與異物相重疊，導(dǎo)致異物漏檢問(wèn)題發(fā)生，為了有效解決此類問(wèn)題，可以采用雙面檢測(cè)的方式。對(duì)煙草流的上下兩個(gè)角度進(jìn)行攝像，然后對(duì)攝像結(jié)果進(jìn)行綜合分析和判斷，以此來(lái)有效減少判斷的失誤。

4 結(jié)語(yǔ)

電氣自動(dòng)化技術(shù)在煙草異物剔除方面的應(yīng)用，將對(duì)整個(gè)煙草工業(yè)的國(guó)產(chǎn)化起到極大的促進(jìn)作用。另外，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，使得煙葉與異物的識(shí)別方式發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變，工作效率和質(zhì)量得到顯著提升。在日后的發(fā)展中，要繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究，使其不單純的是生產(chǎn)線中的一個(gè)環(huán)節(jié)，而要積極提升其功能和優(yōu)勢(shì)，使其獲得更加廣闊的發(fā)展空間。

[1]孟瑾,蔡保國(guó)．電氣自動(dòng)化技術(shù)在煙草在線異物剔除工藝中的應(yīng)用[J]．科技風(fēng),2015,(04):181．

[2]劉斌,朱文魁,席建平等．在線片煙精選系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J]．煙草科技,2014,(06):21-25．

[3]馬亞,楊白凡,杭建軍．垂直風(fēng)送片煙多光譜異物剔除系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．煙草科技,2015,48(08):76-81．

[4]許成,付航,李果等．基于自動(dòng)除塵系統(tǒng)的煙草異物智能剔除系統(tǒng)的研究[J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2016,13(09):6-7．