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

張民

江蘇中煙南京卷煙廠 江蘇南京 210000

煙草在線異物剔除技術(shù)應(yīng)用于煙草生產(chǎn)線上，煙草在線異物剔除系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)其性能，主要由以下兩個(gè)因素決定：首先是系統(tǒng)能否在所攝的圖像當(dāng)中準(zhǔn)確地識(shí)別出煙草和異物；其次是系統(tǒng)的檢測(cè)速度能否滿足生產(chǎn)線上對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

1 煙草異物的識(shí)別方式

通常我們采用辨別異物形狀，色度的方式：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。

在增強(qiáng)煙草和大多數(shù)異物色度差的同時(shí)，上述方法的一個(gè)副作用是：用這種方法，對(duì)煙草和顏色接近煙草的黃色異物，不僅難以直接從像素點(diǎn)的色度值上區(qū)分，而且由于加了藍(lán)色濾色片進(jìn)行攝像，會(huì)使紅、綠兩個(gè)色度分量的信息基本丟失，使兩者的識(shí)別更加困難。這一問題可用以下的方法來解決。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所采用的攝像機(jī)是2098×3像素的彩色CCD攝像機(jī)，包含3條2098×1的線陣CCD，3條CCD前分別加了紅、綠、藍(lán)3種顏色的濾色片以形成彩色圖像。這樣，若首先只采用藍(lán)色通道的數(shù)據(jù)來構(gòu)成圖像，就相當(dāng)于等價(jià)地實(shí)現(xiàn)了上述的增強(qiáng)煙草異物色度差的作用，這樣就可以識(shí)別出煙草和色度不偏黃的異物。對(duì)用以上方法沒有識(shí)別出來的煙草和色度偏黃的異物，再用R、G、B3個(gè)通道的數(shù)據(jù)構(gòu)成圖像來對(duì)兩者進(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)出來的異物通過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。

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)的工作過程有以下幾個(gè)方面。第一，圖像拍攝。將煙葉通過生產(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。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。

3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)

檢測(cè)速度是自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。安裝在煙草生產(chǎn)線上的煙草在線異物剔除系統(tǒng)，其檢測(cè)和對(duì)異物的剔除速度必須超過生產(chǎn)線其他環(huán)節(jié)的處理速度，否則將成為整條生產(chǎn)線的“瓶頸”。檢測(cè)系統(tǒng)在煙葉流懸空期間，在 15-20cm 的距離上完成從圖像攝取、傳輸、識(shí)別處理直至異物剔除的整個(gè)工作過程，大致為3點(diǎn)，分別為：1）內(nèi)存的直接操作技術(shù)；在Windw os 2000操作系統(tǒng)中，通過虛擬地址來得到物理內(nèi)存的方法不能完成對(duì)物理內(nèi)存的直接訪問操作。為解決這個(gè)問題，筆者基于圖像采集卡的開發(fā)庫(kù)提出了一種直接訪問物理內(nèi)存的方法具體實(shí)現(xiàn)過程為：先通過庫(kù)函數(shù)bufAllocate 完成對(duì)連續(xù)物理內(nèi)存的分配，然后使用庫(kù)函數(shù)MbufIn2quire 獲得所分配物理內(nèi)存的經(jīng)過分頁(yè)分段處理后得到的線性地址或虛擬地址。由物理內(nèi)存得到的線性地址或虛擬地址是相對(duì)固定的，可以直接使用。這樣就可通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)物理內(nèi)存的訪問操作；2）雙緩存技術(shù)：具體方法為：首先在系統(tǒng)中分配兩塊屬性一樣的內(nèi)存區(qū)A、B，當(dāng)A在接收采集卡的數(shù)據(jù)的同時(shí)，圖像處理與識(shí)別系統(tǒng)以異步的方式處理內(nèi)存塊B的數(shù)據(jù)。只要處理速度足夠快，能夠保證處理完一內(nèi)存塊的時(shí)間 （Tp） 總是比采集滿一內(nèi)存塊的時(shí)間 （Tg） 少，即始終滿足關(guān)系式Tp ＜ Tg，那么就可以通過軟件實(shí)現(xiàn)處理與采集的切換工作，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的采集與處理同時(shí)工作；3）雙面檢測(cè)技術(shù)：CCD光路處煙葉可能不是單層，為了避免漏檢異物，采用雙面檢測(cè)技術(shù)在煙草流的上下兩面進(jìn)行攝像，然后綜合起來進(jìn)行判斷是否有異物，減小誤判率。

4 結(jié)語

采用的這些電氣自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)煙草在線異物剔除系統(tǒng)樣機(jī)的開發(fā)成功會(huì)有非常大的作用，無疑會(huì)對(duì)煙草工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化做出貢獻(xiàn)。當(dāng)然它在煙草的整個(gè)生產(chǎn)線上只是一個(gè)環(huán)節(jié)，要徹底解決實(shí)際問題，還要不斷發(fā)現(xiàn)問題，完善功能。