卷接機(jī)煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

余 祎 ，錢志國 ，張 勇

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010；2.安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司蚌埠卷煙廠，安徽 蚌埠 233000）

一、引言

質(zhì)量就是生命[1]，企業(yè)為保證產(chǎn)品質(zhì)量，贏得市場，在產(chǎn)品生產(chǎn)線上，廣泛采用各種技術(shù)手段進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制。煙支的松頭、缺嘴、翹邊質(zhì)量缺陷會(huì)引起消費(fèi)者抱怨，嚴(yán)重影響產(chǎn)品在消費(fèi)者心目中的形象。香煙的煙支質(zhì)量檢測方式有機(jī)械檢測[2]、電容檢測[3]、光電檢測[4-6]、視覺檢測[7-8]等方式，機(jī)械檢測容易因彈簧疲勞應(yīng)力下降導(dǎo)致誤檢，且機(jī)械接觸容易對煙支造成二次損傷。電容檢測因煙絲量變化引起的電容值變化較微弱，使得信號(hào)的環(huán)境穩(wěn)定性差且信噪比差，檢測準(zhǔn)確度低。光電檢測具有反應(yīng)快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，本系統(tǒng)也將采用光電檢測方案進(jìn)行煙支質(zhì)量檢測，檢測穩(wěn)定性好且準(zhǔn)確度高。

二、系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由檢測裝置、控制組件和上位機(jī)三部分組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，檢測裝置主要有平行光源產(chǎn)生電路、光電檢測頭、光電傳感器、信號(hào)電纜等組成，控制組件由傳感器信號(hào)處理電路，機(jī)器脈沖信號(hào)處理電路、CAN通訊電路、DSP及其外圍電路組成，上位機(jī)由工控機(jī)和觸摸屏顯示器組成。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

當(dāng)煙支在檢測鼓輪上依次通過檢測位置時(shí)，檢測裝置產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)入控制組件的信號(hào)處理電路。DSP采集卷接機(jī)MAX時(shí)鐘脈沖信號(hào)并在正確的時(shí)鐘相位上完成對傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)采集并計(jì)算信號(hào)的峰谷差值，判斷煙支是否存在質(zhì)量缺陷，向卷接機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)送剔廢信號(hào)，并通過CAN總線將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。剔廢執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收剔廢信號(hào)并在正確的時(shí)鐘相位上將廢煙剔除。上位機(jī)通過CAN通信將門坎參數(shù)、剔廢測點(diǎn)距離參數(shù)下發(fā)至DSP，并接收DSP上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，生成信號(hào)實(shí)時(shí)曲線并形成廢品報(bào)告。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）檢測裝置

煙支在檢測鼓輪上依次通過，檢測組件檢測頭安裝在檢測鼓輪旁邊合適位置上，采用光電傳感器檢測煙支是否缺嘴、采用紅外光電方式檢測點(diǎn)燃端是否空松、采用平行光檢測煙支是否存在翹邊變形。

缺嘴檢測采用收發(fā)一體的光電傳感器實(shí)現(xiàn)。松頭檢測采用四合一光纖檢測頭進(jìn)行紅外光的檢測接收，微弱光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、電流電壓轉(zhuǎn)換，電壓調(diào)理放大電路并最終輸出。翹邊檢測采用電流可調(diào)的恒壓源給發(fā)光二極管供電，二極管發(fā)出的光經(jīng)涂有勻化材料的透鏡組處理后轉(zhuǎn)化為平行光，照射在待檢煙支上，在檢測端形成煙支外形的投影。在檢測接收端選擇精密光敏管進(jìn)行檢測，并經(jīng)精密運(yùn)放進(jìn)行光電流I/V變換。煙支的翹邊程度及點(diǎn)燃端空松程度轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)表征，缺嘴與否轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)表征。檢測組件的電源輸入與檢測信號(hào)輸出通過信號(hào)電纜與控制組件連接。信號(hào)電纜由6芯電纜和連接器組成，6芯電纜的定義為 1：+15V電源，2：GND，3:-15V電源，4：缺嘴信號(hào)，5：松頭信號(hào)，6：翹邊信號(hào)。

（二）控制組件

控制組件外部輸入信號(hào)主要來自MAX碼盤脈沖，檢測組件缺嘴、松頭、翹邊信號(hào)、上位機(jī)下傳的門坎、測點(diǎn)距離等參數(shù)?？刂平M件向外部輸出信號(hào)主要是指示信號(hào)、剔廢信號(hào)及向上位機(jī)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)及廢品信息。

圖2 控制組件原理框圖

如圖2所示，控制組件主要由供電、DSP控制、外部定時(shí)模塊、數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等功能電路組成。其中供電電路由三路DC-DC模塊組成，負(fù)責(zé)供電、電源隔離、電源指示功能。DSP控制電路主要由32位DSP處理器TMS320F2812構(gòu)成，利用其內(nèi)部ADC、EVB、定時(shí)器T0等資源，對輸入的MAX碼盤信號(hào)、煙支缺嘴信號(hào)、松頭信號(hào)、翹邊信號(hào)進(jìn)行測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，判斷待檢煙支是否為缺陷煙支，實(shí)現(xiàn)煙支質(zhì)量檢測，同時(shí)完成CAN總線數(shù)據(jù)通信。外部定時(shí)模塊主要由3路定時(shí)器組成，分別由DSP控制發(fā)出缺嘴剔廢信號(hào)、松頭剔廢信號(hào)、翹邊剔廢信號(hào)，實(shí)現(xiàn)煙支剔廢功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路主要由非易失性存儲(chǔ)器組成，實(shí)現(xiàn)程序、內(nèi)部參數(shù)的掉電保存。數(shù)據(jù)通信電路主要由CAN收發(fā)器組成，與DSP內(nèi)部的CAN控制器一起實(shí)現(xiàn)可靠的CAN總線數(shù)據(jù)通信。

（三）上位機(jī)

上位機(jī)由工控機(jī)和顯示器組成，選擇西門子工控機(jī)IPC627和14.1英寸彩色液晶屏G121XN01，另外選用AMT9542觸摸屏使現(xiàn)場參數(shù)設(shè)置及檢測實(shí)時(shí)曲線查看更便捷。工控機(jī)內(nèi)置CAN通訊卡，通過CAN通信電纜與控制組件相連。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）控制組件軟件設(shè)計(jì)

控制組件首先采集卷接機(jī)MAX碼盤MCP脈沖時(shí)鐘信號(hào)。單支煙的生產(chǎn)檢測需經(jīng)過10個(gè)MCP脈沖周期，每個(gè)MCP脈沖周期內(nèi)采樣8次，則單支煙檢測周期內(nèi)共采集80組數(shù)據(jù)。將采集的數(shù)據(jù)送入CAN發(fā)送緩沖區(qū)，通過比較得到該檢測周期內(nèi)的信號(hào)峰值與信號(hào)谷值，計(jì)算出當(dāng)前信號(hào)的峰谷差值OTn。采用滑動(dòng)平均算法計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的峰谷差值平均值A(chǔ)VGn?；瑒?dòng)平均算法實(shí)現(xiàn)如下，記錄512個(gè)合格煙支的峰谷差值數(shù)據(jù)，累加和值和平均值根據(jù)這組數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

其中n為大于512的自然數(shù)，i為在區(qū)間[n-511,n]內(nèi)的自然數(shù)。根據(jù)當(dāng)前信號(hào)的峰谷差值OTn及計(jì)算的峰谷差值平均值A(chǔ)VGn結(jié)合上位機(jī)設(shè)置下發(fā)的絕對門坎、相對門坎參數(shù)判定當(dāng)前煙支是否為正常煙支。如果為正常煙支，舍棄最早的一個(gè)峰谷差值數(shù)據(jù)，將當(dāng)前峰谷差值數(shù)據(jù)保存并參與下次差值平均值計(jì)算。如果為缺陷煙支，控制組件根據(jù)MAX時(shí)鐘脈沖和上位機(jī)設(shè)置的剔廢測點(diǎn)距離參數(shù)，在正確的時(shí)鐘相位上發(fā)出剔廢脈沖及剔廢指示信號(hào)。如圖3所示為控制組件的軟件流程圖。

（二）上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

如圖4所示為上位機(jī)軟件流程圖，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，當(dāng)松頭門坎、松頭相對門坎、翹邊門坎、翹邊相對門坎、缺嘴剔廢測點(diǎn)距離、松頭剔廢測點(diǎn)距離、翹邊剔廢測點(diǎn)距離等參數(shù)人為改變時(shí)，觸發(fā)產(chǎn)生中斷，通過CAN通信將參數(shù)下發(fā)至控制組件；上位機(jī)還需要通過CAN通信接收檢測信號(hào)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及廢煙信息，根據(jù)檢測信號(hào)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪制實(shí)時(shí)曲線，根據(jù)廢煙信息形成廢品報(bào)告。

圖3 控制組件軟件流程圖

圖4 上位機(jī)軟件流程圖

五、結(jié)論

本文闡述了卷接機(jī)煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)組成及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，該煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確性高，避免了不合格煙支流入下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)，具有較好的實(shí)用價(jià)值和市場推廣價(jià)值。