基于X光檢測(cè)的煙絲異物在線剔除系統(tǒng)

韓 明 吳雪芹 韓慧丹 趙淑華 朱建新

(河南省中煙工業(yè)有限責(zé)任公司安陽卷煙廠,河南 安陽 455004)

煙絲作為影響成品煙支質(zhì)量的核心，其純凈度將直接影響卷煙質(zhì)量[1]。為了使制絲線能夠在較低誤剔率的情況下對(duì)煙絲中所含異物進(jìn)行高效可靠的剔除，提高煙絲純凈度，國內(nèi)外學(xué)者開展了較多研究，目前常見的煙草異物識(shí)別剔除設(shè)備有風(fēng)分異物剔除設(shè)備、光學(xué)異物剔除設(shè)備、金屬異物剔除設(shè)備。風(fēng)分異物剔除設(shè)備利用異物與煙草懸浮速度不同實(shí)現(xiàn)剔除重質(zhì)煙草異物的目的[2]，但對(duì)于懸浮速度與煙草相差不大的異物則無法剔除。光學(xué)異物剔除設(shè)備主要采用激光除雜和CCD攝像除雜兩種方式剔除煙草中的非金屬異物，激光除雜是通過皮帶輸送機(jī)高速攤薄煙絲后，利用煙草和異物對(duì)激光選擇性反射吸收特性的差異實(shí)現(xiàn)異物的識(shí)別，由信息處理系統(tǒng)發(fā)送異物剔除信號(hào)至氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)剔除異物[3]，如比利時(shí)BEST公司的自由下落式激光分選機(jī)等；CCD攝像除雜設(shè)備是通過皮帶輸送機(jī)高速攤薄煙絲，先由攝像機(jī)獲取圖像，再由實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)識(shí)別出異物，并發(fā)出相應(yīng)的異物剔除指令給剔除模塊的電磁閥，控制高壓氣流剔除異物[4-5]，如南京大樹科技股份有限公司的煙草異物智能剔除系統(tǒng)[6]、云南紫金科貿(mào)有限公司的煙草雜物剔除系統(tǒng)、昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司的智能煙草異物剔除機(jī)等。此類光學(xué)煙草異物剔除設(shè)備只能檢測(cè)煙絲層表面，故均需對(duì)煙絲進(jìn)行攤薄操作，若煙絲層攤薄效果不佳，容易產(chǎn)生異物判斷錯(cuò)失的情況，而且此類除雜設(shè)備價(jià)格高昂且維護(hù)成本高。金屬除雜設(shè)備是基于電磁轉(zhuǎn)換原理[7]或金屬除雜儀剔除煙草中含有的金屬異物，如切絲機(jī)前的金屬除雜儀等，但此類設(shè)備對(duì)磁性較弱異物的剔除效果不佳。

X光技術(shù)的透射功能對(duì)物質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行無損檢測(cè)，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通運(yùn)輸、材料、安保等領(lǐng)域[8-10]。X光穿透能力強(qiáng)對(duì)物料進(jìn)行處理時(shí)無需攤薄即可進(jìn)行異物識(shí)別，包括金屬及非金屬異物，而且成本低、易于維護(hù)、對(duì)煙絲品質(zhì)無影響，但該技術(shù)在煙草除雜方面的應(yīng)用尚未見報(bào)道。研究擬將X光檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于煙絲異物在線剔除系統(tǒng)中，以期實(shí)現(xiàn)煙絲中金屬及非金屬異物的識(shí)別、剔除功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于X光檢測(cè)的煙絲異物在線剔除系統(tǒng)直接與制絲生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)煙絲輸送帶配合使用，X光煙絲異物檢測(cè)系統(tǒng)位于煙絲輸送帶的正上方，平行四邊形噴吹異物剔除系統(tǒng)位于煙絲輸送帶的末端[11]。其工作流程如圖1所示，當(dāng)中控發(fā)送輸送帶啟動(dòng)命令時(shí)，煙絲輸送帶2和9運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)輸送帶2上方的震槽經(jīng)進(jìn)料口1往輸送帶2入口送料，煙絲隨著輸送帶2往前運(yùn)行。當(dāng)煙絲通過X光發(fā)射裝置5照射口時(shí)，X光透射煙絲，X光探測(cè)器點(diǎn)陣3對(duì)原煙絲4數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的原始數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集卡14。原始數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡14整理后送達(dá)主機(jī)系統(tǒng)12的圖像處理模塊13進(jìn)行銳化、剝皮、灰度化等圖像處理形成煙絲圖像[12-14]，同時(shí)對(duì)整理后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行異物判別處理，如發(fā)現(xiàn)異物，將含有異物的煙絲圖像存儲(chǔ)至主機(jī)系統(tǒng)12的硬盤中，并將發(fā)現(xiàn)異物的信息經(jīng)I/O模塊(即輸入/輸出模塊)11發(fā)送給聲光報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)發(fā)送至煙絲異物噴吹系統(tǒng)7，將異物噴吹至雜物盒6中。其中I/O模塊11通過串行口RS232與主機(jī)系統(tǒng)12通信，輸入模塊可接收設(shè)備信號(hào)，反饋至主機(jī)系統(tǒng)12；輸出模塊將主機(jī)系統(tǒng)12提供的信號(hào)輸出至被控設(shè)備，使被控設(shè)備動(dòng)作。

1.1 X光煙絲異物檢測(cè)系統(tǒng)

1.1.1 結(jié)構(gòu)組成 如圖2所示，X光煙絲異物檢測(cè)系統(tǒng)主要由支撐架1、歸一推桿2、冷卻系統(tǒng)3、調(diào)平裝置4、X光源5、X光機(jī)6、PD點(diǎn)陣8、通訊裝置7等組成。其中支撐架1在X光煙絲異物檢測(cè)系統(tǒng)中起支撐作用；X光源5是系統(tǒng)的核心部件，以設(shè)定的強(qiáng)度發(fā)射出X光扇形束，透射煙絲；X光機(jī)6是X光源5的控制器，用來給X光源5提供電源以及設(shè)定工作電壓及電流等；X光源5發(fā)射過程中需要散熱，冷卻系統(tǒng)3是以水作為熱交換介質(zhì)使X光煙絲異物檢測(cè)系統(tǒng)保持良好的散熱功能；PD點(diǎn)陣8是由7塊X光探測(cè)器板構(gòu)成，一共包含448個(gè)探測(cè)器，完成輻射測(cè)量、信號(hào)變送、放大，A/D轉(zhuǎn)換等功能，接收X光透射煙絲后的原始數(shù)據(jù)；通訊裝置7是X光煙絲異物檢測(cè)系統(tǒng)與主機(jī)通訊的連接，它內(nèi)含數(shù)據(jù)采集卡，將PD點(diǎn)陣8接收到的煙絲原始信號(hào)數(shù)據(jù)以以太網(wǎng)協(xié)議的方式傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行處理；調(diào)平裝置4能夠在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)調(diào)整X光的發(fā)射方向，使X光透射煙絲后準(zhǔn)確被X光探測(cè)器點(diǎn)陣所接收；歸一推桿2是系統(tǒng)標(biāo)定的功能部件，由于X光探測(cè)器離X光光源位置距離、角度不同，故需要對(duì)X光進(jìn)行歸一標(biāo)定，消除由距離不同造成的差別。

1.進(jìn)料口 2、9.輸送帶 3.X光探測(cè)器點(diǎn)陣 4.原煙絲 5.X光發(fā)射裝置 6.雜物盒 7.異物噴吹系統(tǒng) 8.除雜后煙絲 10.聲光報(bào)警器 11.I/O模塊 12.主機(jī)系統(tǒng) 13.圖像處理模塊 14.數(shù)據(jù)采集卡圖1 工作流程圖Figure 1 Work flow diagram

1.1.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn) 物質(zhì)吸收X光的能力與X光的能量及被穿透的物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，利用物質(zhì)吸收X光的差別可以將不同的物質(zhì)區(qū)分開來[15]。煙絲與異物的物質(zhì)性質(zhì)區(qū)別在于密度值不同。主機(jī)系統(tǒng)對(duì)接收到的原始煙絲數(shù)據(jù)進(jìn)行銳化、剝皮、灰度化等形成煙絲圖像，如圖3和圖4所示。

圖3 煙絲圖像Figure 3 Image of cut tobacco

圖4 含有異物的煙絲圖像Figure 4 Image of cut tobacco with foreign body

同時(shí)利用煙絲與異物密度值區(qū)別實(shí)現(xiàn)異物判別。先對(duì)全部原始密度值從第1個(gè)到第N個(gè)進(jìn)行相鄰比值計(jì)算與初步過濾，其方法：

(1)

1.支撐架 2.歸一推桿 3.冷卻系統(tǒng) 4.調(diào)平裝置 5.X光源 6.X光機(jī) 7.通訊裝置 8.PD點(diǎn)陣圖2 X光煙絲異物檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 2 Structure of X-ray foreign materials detection system in cut tobacco

式中：

Xi原1、Xi原2、…、Xi原N——第1、第2、…、第N個(gè)X光探測(cè)器接收到的經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡處理后的煙絲原始密度值；

R1、R2、…、RN-1——第1、第2、…、第N-1個(gè)相鄰比值。

經(jīng)計(jì)算得到N-1個(gè)相鄰比值。N-1個(gè)相鄰比值要通過閾值預(yù)處理計(jì)算模型F進(jìn)行初步的異物特征過濾[16]，即：

R濾出=F(R全部,XTi1)，

(2)

式中：

R全部——全部相鄰比值(包含N-1個(gè)相鄰比值)；

XTi1——原始密度閾值；

R濾出——濾出的全部相鄰比值。

將濾出的相鄰比值作為自動(dòng)判斷異物的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過二次密度閾值進(jìn)行二次過濾去除誤判因素。采取的計(jì)算模型為：

S=F(R濾出,XTi2)，

(3)

式中：

R濾出——所有濾出的相鄰比值；

XTi2——二次密度閾值；

S——判斷出的異物個(gè)數(shù)(其值>0則認(rèn)為有異物存在)。

當(dāng)煙絲中有多個(gè)不同密度異物存在時(shí)，通過上述方法均可識(shí)別。

1.1.3 歸一標(biāo)定方法 當(dāng)X光透射同等密度值煙絲時(shí)，由于X光到達(dá)X光探測(cè)器的距離不同會(huì)造成X光探測(cè)器接收到的X光原始數(shù)據(jù)不一致，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理使X光探測(cè)器接收到原始數(shù)據(jù)一致[17]。通過設(shè)置歸一化系數(shù)進(jìn)行歸一標(biāo)定。采用同一標(biāo)準(zhǔn)重量負(fù)荷，標(biāo)定N個(gè)X光探測(cè)器，使其各探測(cè)器測(cè)量的同一物質(zhì)原始密度值相一致。

原始密度計(jì)算數(shù)學(xué)模型為：

(4)

式中：

XNi——測(cè)量負(fù)荷原始密度；

UNi——有負(fù)荷時(shí)探測(cè)器輸出的信號(hào)；

UN0——無負(fù)荷時(shí)探測(cè)器輸出的信號(hào)；

G——?dú)w一化系數(shù)。

(5)

式中：

G——?dú)w一化系數(shù)；

F標(biāo)——標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷板面密度值；

UNi——有負(fù)荷時(shí)探測(cè)器輸出的信號(hào)；

UN0——無負(fù)荷時(shí)探測(cè)器輸出的信號(hào)。

1.2 噴吹煙絲異物剔除系統(tǒng)

1.2.1 結(jié)構(gòu)組成 如圖5所示，平行四邊形噴吹煙絲異物剔除系統(tǒng)主要由噴吹系統(tǒng)3、料筒1、密封板4和雜物盒2組成。該系統(tǒng)具有自主研發(fā)的噴吹控制器，在噴吹控制器接收到噴吹信號(hào)時(shí)啟動(dòng)噴吹系統(tǒng)，異物被驅(qū)動(dòng)并在料筒的引導(dǎo)下落入雜物盒2中。其中，噴吹系統(tǒng)3是煙絲異物剔除的核心，由上、下兩排共59個(gè)噴管組成，噴管連接高壓氣源，根據(jù)異物的位置由噴吹控制器控制接通相應(yīng)的噴管噴出高壓氣流噴吹異物，完成異物剔除動(dòng)作，為保證噴管順利將煙絲中可能存在的所有異物噴吹出，應(yīng)以噴吹異物時(shí)煙絲低帶出比、異物和煙絲高速分離為原則，以煙絲中可能出現(xiàn)的最大異物為上限，根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和Realizablek—ε模型進(jìn)行計(jì)算分析[18]，最終確定噴吹系統(tǒng)參數(shù)為：噴管左右間距22.4 mm，上下間距11.2 mm，噴管直徑5 mm，噴管氣源壓力0.5 MPa，噴吹系統(tǒng)對(duì)煙絲中異物進(jìn)行無差別噴吹剔除，故經(jīng)上述設(shè)計(jì)后，噴吹系統(tǒng)產(chǎn)生的噴吹力可將煙絲中可能存在的最大異物噴吹出，則此噴吹力可將煙絲中可能含有的所有異物噴吹出去；料筒1的作用是引導(dǎo)被剔除出的異物進(jìn)入雜物盒，并封閉防塵；落料口的大小調(diào)整后，由密封板4將落料口旁邊的敞開部分封閉，防止飛塵散出落料出口外；雜物盒2是收納被剔除的異物及不可避免伴隨異物一同被吹出的煙絲，經(jīng)挑選后煙絲可回收利用。

1.料筒 2.雜物盒 3.噴吹系統(tǒng) 4.密封板圖5 異物剔除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 5 Structure diagram of foreign materials blowing system

1.2.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn) 噴吹系統(tǒng)由59個(gè)噴管組成，其噴管排列方式如圖6所示，噴管分為上、下兩排，其中上排30個(gè)噴管，下排29個(gè)噴管。系統(tǒng)噴吹采用平行四邊形噴吹方式，選取相鄰4個(gè)噴管以左偏斜或右偏斜平行四邊形排列方式進(jìn)行噴吹，使異物應(yīng)處于平行四邊形中心點(diǎn)的位置，能提高煙絲異物剔除的有效性。

圖6 噴管排列示意圖Figure 6 Nozzle arrangement diagram

進(jìn)行噴吹的4個(gè)噴管的位置采用以下計(jì)算模型：

iBP(iBP1,iBP2,iBP3，iBP4)=CBP(ZiRP1[30],ZiRP2[29],X2)，

(7)

式中：

iBP(iBP1,iBP2,iBP3，iBP4)——經(jīng)計(jì)算平行四邊形噴吹方式4個(gè)噴管的位置；

ZiRP1[30]——第一排30個(gè)噴管的各自位置；

ZiRP2[29]——第二排29個(gè)噴管的各自位置；

X2——異物所處的位置。

不管是左偏斜或右偏斜平行四邊形噴管排列方式，當(dāng)煙絲中僅有一個(gè)異物被檢測(cè)出來需要剔除時(shí)，均先啟動(dòng)上排2個(gè)噴管，隔50 ms后啟動(dòng)下排2個(gè)噴管。整個(gè)噴吹過程時(shí)間為550 ms，每一個(gè)噴管單獨(dú)噴吹的時(shí)間為500 ms，為防止剔除異物的遺漏，提高異物剔除的成功率，采用交錯(cuò)的噴吹時(shí)序。若煙絲中同時(shí)有兩個(gè)異物(異物A和B)被檢測(cè)出來需要剔除時(shí)，噴吹動(dòng)作交叉進(jìn)行。當(dāng)啟動(dòng)第一排噴管噴吹異物A后，間隔50 ms再啟動(dòng)第一排噴管噴吹異物B，再間隔50 ms啟動(dòng)第二排噴管噴吹異物A，間隔50 ms后啟動(dòng)第二排噴管噴吹異物B。從而保證煙絲中同時(shí)出現(xiàn)異物時(shí)剔除的成功率。

2 應(yīng)用效果

目前該系統(tǒng)已在制絲生產(chǎn)線貯絲柜出口處安裝并聯(lián)機(jī)使用，此處煙絲額定流量為1 000 kg/h，煙絲輸送帶電機(jī)頻率為35 Hz，為測(cè)試系統(tǒng)對(duì)金屬及非金屬異物識(shí)別及剔除功能，根據(jù)YC/T 489—2014《片煙異物剔除裝置異物剔除率的測(cè)定方法》，在實(shí)際工況下，收集500 kg的不含異物純凈煙絲，在其中分別混入金屬異物和非金屬異物(見表1)，每種異物40個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)。按額定煙絲流量將混入異物的純凈煙絲在基于X光檢測(cè)的煙絲異物在線剔除系統(tǒng)輸送帶前端合適位置均勻布料，使系統(tǒng)進(jìn)入異物檢測(cè)剔除狀態(tài)，將含有異物煙絲全部通過異物檢測(cè)剔除系統(tǒng)，試驗(yàn)重復(fù)測(cè)試3次，消除因樣本異物混合不均等特殊因素造成的影響，計(jì)算該系統(tǒng)的異物識(shí)別率、剔除率以及誤剔率[19]。其中，異物識(shí)別率為被識(shí)別異物數(shù)量占摻入異物總數(shù)量的百分比；異物剔除率為被剔除異物數(shù)量占摻入異物總數(shù)量的百分比；誤剔率為異物誤剔除次數(shù)占異物總剔除次數(shù)的百分?jǐn)?shù)。

表1 異物樣本規(guī)格Table 1 Foreign material sample specification

由表2可知，該系統(tǒng)對(duì)螺母、鋁片等金屬異物以及石頭、橡膠、繩頭等非金屬異物的平均識(shí)別率達(dá)到99.5%以上，平均剔除率達(dá)到95.8%以上，誤剔除率<0.52%。對(duì)比目前多種除雜設(shè)備，激光除雜設(shè)備、CCD除雜設(shè)備只能對(duì)非金屬異物進(jìn)行識(shí)別剔除，剔除率分別可達(dá)到95%和85%以上[20]，金屬除雜設(shè)備只能對(duì)金屬異物進(jìn)行剔除，剔除率可達(dá)到97%以上[21]?；赬光檢測(cè)的煙絲異物在線剔除系統(tǒng)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬及非金屬異物的剔除，且剔除率相比現(xiàn)有除雜設(shè)備也毫不遜色。通過上述煙絲異物剔除試驗(yàn)及與多種除雜設(shè)備比對(duì)，可以看出，對(duì)于多種類別異物，基于X光檢測(cè)的煙絲異物在線實(shí)時(shí)剔除系統(tǒng)都具有良好的異物檢測(cè)識(shí)別性和剔除性，且對(duì)煙絲異物的誤剔除率較低。該設(shè)備相比現(xiàn)有激光、CCD等煙草除雜設(shè)備成本及人工日常維護(hù)成本都較低，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

表2 煙絲異物識(shí)別、剔除及誤剔除結(jié)果Table 2 Result for identification and elimination of foreign matter in cut tobacco

3 結(jié)論

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的剔除系統(tǒng)基于物質(zhì)對(duì)X光吸收特性的不同，利用X光透射煙絲后形成原始數(shù)據(jù)進(jìn)行煙絲圖像處理并基于物質(zhì)密度不同判別異物，通過獨(dú)特的平行四邊形噴吹異物剔除方式實(shí)現(xiàn)煙絲中異物的高效剔除。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在1 000 kg/h的生產(chǎn)物料情況下，該系統(tǒng)對(duì)各類金屬、非金屬異物識(shí)別和剔除均有效，其中平均識(shí)別率達(dá)99.5%以上，平均剔除率達(dá)95.8%以上。同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了X光輻射強(qiáng)度檢測(cè)，儀器表面(1.0 m處X光當(dāng)量率)達(dá)到天然本底水平，輻射安全指標(biāo)符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)。但該系統(tǒng)針對(duì)與煙絲密度接近的異物識(shí)別效果較差，下一步將嘗試基于X光增加顏色等分析因素，完善識(shí)別算法，提高與煙絲密度接近異物的識(shí)別剔除率。