馬 亞，楊白凡，杭建軍

1.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司貴定卷煙廠，貴州省貴定縣慶云路1 號 551300

2.恒森煙草機械有限公司，江蘇省徐州市楊山路99 號 221000

3.南京圖治自動化科技有限公司，南京市秦淮區(qū)倉巷137 號 210004

煙葉中所含的非煙類雜物，在燃燒過程中會產(chǎn)生有害物質(zhì)，對卷煙產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)影響較大［1］。煙草行業(yè)早期采用拋落抽風(fēng)等方式將與片煙懸浮速度差異較大的雜物剔除［2-3］，但設(shè)備運行不穩(wěn)定，且對于懸浮速度與片煙相近的雜物難以剔除。目前基于光電原理的非煙類雜物在線剔除設(shè)備已在打葉復(fù)烤和制絲加工過程中廣泛應(yīng)用，成為卷煙品質(zhì)控制的重要設(shè)備之一。國內(nèi)使用的主流煙草異物剔除系統(tǒng)，以美國KEY 公司TS3 系列光電除雜機和比利時BEST 公司Helius 系列激光除雜機為代表［4-6］，該類光電除雜設(shè)備采用帶式輸送，帶速一般不超過5～6 m/s。由于物料的攤鋪密度較高，雜物不可避免地會被煙葉夾帶，限制了剔除率的進一步提升。而且，該類除雜機采用壓縮空氣噴吹剔除雜物，當(dāng)剔除石塊、金屬等重質(zhì)雜物時，由于被剔除物密度高、表面積小、慣性大，其運動軌跡很難被噴吹氣流所改變，因此重質(zhì)雜物難以被有效剔除。為防止金屬等硬質(zhì)雜物流入到切絲工段，損壞切絲機等生產(chǎn)設(shè)備，很多卷煙廠在配備光電除雜設(shè)備的同時，還配套安裝了風(fēng)選裝置，由此造成設(shè)備占地面積大、能耗高、維護保養(yǎng)工作量大等問題。采用低能X 射線、可見光成像方式檢測青霉煙和雜物的片煙精選系統(tǒng)［7-8］，以及高壓氣體噴吹剔除方式，也無法有效剔除重質(zhì)雜物。光譜分選技術(shù)應(yīng)用于紡織、食品、塑料、礦物等領(lǐng)域，取得了良好除雜和分選效果［9-10］。為此，將風(fēng)選與光譜分選技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種采用緊湊式垂直風(fēng)送結(jié)構(gòu)的片煙異物剔除系統(tǒng)，以實現(xiàn)重質(zhì)雜物與輕質(zhì)雜物的分類分選，提高非煙類雜物的剔除率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

基于風(fēng)選和光譜分選原理設(shè)計的垂直風(fēng)送片煙異物剔除系統(tǒng)，主要由進料振槽、重物風(fēng)分室、垂直風(fēng)送管道、光譜檢測剔除單元、料氣分離裝置等部分組成，見圖1。其中，片煙垂直風(fēng)送管道4采用矩形截面，長1 200 mm，寬160 mm。在重物風(fēng)分室7 中，額定設(shè)計風(fēng)速為5 m/s，采用變頻風(fēng)機使風(fēng)速在4～6 m/s 之間可調(diào)，保證金屬、石塊等重質(zhì)雜物不能懸浮而落入重物風(fēng)分室底部。重物風(fēng)分室上方的垂直風(fēng)送管道中，管道截面收窄至160 mm，風(fēng)速增加至20 m/s，片煙被提速、拉薄后通過光譜檢測剔除單元3。系統(tǒng)設(shè)計流量為6 000 kg/h，拉薄后的片煙攤鋪密度為69.4 g/m2。在通往料氣分離器的拐角彎道中，轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計為800 mm，以盡量減少片煙在通道內(nèi)的造碎。料氣分離裝置6采用切向落料器，配置兩臺離心式風(fēng)機。料氣分離后占總風(fēng)量10%的空氣及灰塵進入除塵房，剩余的90%風(fēng)量經(jīng)管道重新送回重物風(fēng)分室循環(huán)使用。

圖1 垂直風(fēng)送片煙異物剔除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在生產(chǎn)過程中，經(jīng)前級處理后流量均勻的片煙喂入進料振槽2，進一步均勻攤鋪后經(jīng)進料氣鎖拋入重物風(fēng)分室7。其中，較重的雜物、結(jié)團煙塊等因不能懸浮而掉落至重物風(fēng)分室底部，由氣鎖排出到重質(zhì)雜物收集箱8。懸浮的片煙在風(fēng)速帶動下進入垂直風(fēng)送管道，被提速、拉薄后到達光譜檢測剔除裝置的成像區(qū)域，經(jīng)過光源照明、圖像拍攝、光譜圖像處理后辨識出非煙類雜物和不合格成分。當(dāng)片煙運動到光譜檢測剔除裝置的剔除口時，非煙類雜物和其他不合格成分被壓縮空氣噴吹至剔除料斗5 內(nèi)，經(jīng)氣鎖落到輕質(zhì)雜物收集箱9。合格片煙由風(fēng)送管道輸送至料氣分離裝置6，實現(xiàn)片煙和氣流分離，再經(jīng)氣鎖送至出料輸送機10，并進入后續(xù)工段。

1.2 多光譜檢測單元

該單元主要由相機、光源和圖像采集系統(tǒng)組成，實現(xiàn)片煙多光譜圖像的拍攝和采集。采用兩臺基于棱鏡分光的4 CCD 線掃描相機對片煙進行高速掃描成像，掃描頻率為16 700 Hz，CCD 靶面具有1 024 個14 μm 像元。每臺相機覆蓋風(fēng)送通道的寬度為600 mm，水平分辨率為0.6 mm/pixel，垂直分辨率為1.2 mm/pixel。相機采用硬涂層分光棱鏡，將同一鏡頭同一光路入射的光線分割為紅（R）、綠（G）、藍（B）、近紅外（NIR）4 個光譜帶，并同時投射到4 片CCD 傳感器上，分別感應(yīng)可見光和近紅外波段。

采用高功率白光LED 和850 nm 近紅外復(fù)合光源對片煙進行照明，同時獲取片煙的可見光和紅外光譜圖像。在可見光圖像中，主要依據(jù)顏色、紋理、形狀等圖像特征對片煙進行辨識，可以識別出大多數(shù)非煙類雜物和青雜煙。對于與片煙顏色相同或相似的成分，如霉變煙葉、麻繩、黃色卡紙、標簽等，通過增加紅外光譜分量，可以進一步改善系統(tǒng)對不合格成分的檢測效果。

1.3 開放式檢測通道

檢測通道采用氣流平衡的開放式設(shè)計，見圖2a。在光譜成像區(qū)域，管道材料采用透明有機玻璃，光源可以透過有機玻璃照亮片煙。在正對成像光路的有機玻璃通道位置上，開一道寬度為10 mm 的水平狹縫。線掃描相機通過該狹縫，直接對片煙進行掃描成像。調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量可以使狹縫下部管道的風(fēng)壓略大于大氣壓，調(diào)節(jié)氣料分離裝置的抽風(fēng)風(fēng)量可以使狹縫上部管道的風(fēng)壓略小于大氣壓。在正壓和負壓的過渡區(qū)域，即狹縫成像位置，氣流壓力與大氣壓力基本保持平衡。由于狹縫區(qū)域的壓差接近于零，使得該區(qū)域基本無片煙和灰塵溢出，因此提高了片煙成像清晰度，降低了有機玻璃的清潔維護需求。為保證設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，光學(xué)系統(tǒng)采用了二次密封結(jié)構(gòu)（圖2b），每個相機和光學(xué)反光鏡被密封在一個小視頻箱中，兩個視頻箱放置于視頻柜內(nèi)。

1.4 圖像處理算法

圖2 開放式檢測通道及光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖像處理過程分為兩個階段，第一階段進行片煙光譜特征分類建模［10-11］，第二階段為實時圖像辨識和剔除控制。對片煙光譜特征分類建模是一個逐漸收斂的反復(fù)循環(huán)過程，見圖3a。首先連續(xù)采集多幅片煙多光譜圖像，依據(jù)背景顏色和灰度范圍進行分割，將片煙與背景區(qū)分開。然后將每個片煙像素的R、G、B、NIR 數(shù)據(jù)及圖像紋理統(tǒng)計值作為提取特征樣本［12］，以高維向量的形式存入片煙特征樣本庫。當(dāng)樣本庫積累到一定規(guī)模后，合格片煙的光譜特征數(shù)據(jù)具有一定的連續(xù)性和相似性，分布相對集中。由于雜質(zhì)數(shù)量較少，種類繁多，分布較離散，因此光譜特征在樣本庫中出現(xiàn)的概率較小。在制絲生產(chǎn)過程中，雜物含量一般在十萬分之一數(shù)量級，由此估算并確定一個先驗概率閾值，將所有特征樣本劃分為片煙特征樣本和雜物特征樣本。依據(jù)這一概率分類樣本，采用支持向量機（Support Vector Machine，SVM）進行分類訓(xùn)練［13-14］，獲得具有良好推廣能力和泛化能力的分類器。使用該分類器對片煙圖像進行實時辨識嘗試，統(tǒng)計辨識后的雜物出現(xiàn)頻率。如果雜物出現(xiàn)頻率過高，說明特征樣本庫的規(guī)模不夠，建模程序繼續(xù)進行特征提取以豐富特征樣本庫。反復(fù)這一過程，使得最后的雜物出現(xiàn)頻率逐漸降低到可接受范圍，至此完成片煙光譜特征分類建模。

圖3 煙葉光譜特征分類建模和圖像辨識

片煙光譜特征分類建模完成后，系統(tǒng)即可進行雜物檢測和剔除，見圖3b。采集的圖像首先依據(jù)背景顏色及灰度范圍進行分割，分割后的片煙像素采用上述分類器進一步劃分為合格像素和雜物像素。根據(jù)雜物像素的分布形狀和尺寸大小確定其是否需要被剔除。如果需要剔除，則將雜物位置進行定位，并向剔除閥發(fā)出剔除請求指令。

1.5 剔除控制和剔除保護

在垂直風(fēng)送管道中，由片煙和空氣組成了兩相流。由于管道采用1 200 mm×160 mm 矩形截面，風(fēng)速在20 m/s 左右，雷諾數(shù)較高，管道內(nèi)氣流呈湍流狀態(tài)［15］。片煙除具有垂直向上的速度外，還具有水平風(fēng)向的速度分量。在輸送過程中片煙姿態(tài)會發(fā)生變化，片煙速度與風(fēng)速相比也有一定的滯后性，因此這些不確定性會影響剔除的準確度。在實驗設(shè)備中，成像區(qū)域到剔除區(qū)域的距離為400 mm，片煙從成像到剔除的延時約為20 ms。實驗中發(fā)現(xiàn)，在不同氣料比下，剔除準確率存在差異。在較小片煙流量下，特別是低于10%的額定流量下，剔除準確率較低，只有60%，隨著片煙流量的增加，剔除準確率逐漸增加。當(dāng)達到額定流量時，剔除準確率在90%以上，這說明管道內(nèi)的湍流狀態(tài)在低流量時對片煙的輸送速度影響較大。

剔除裝置通過噴吹壓縮空氣的方式實現(xiàn)雜物剔除。如果剔除頻率過高或噴吹時間過長，向管道內(nèi)補充的氣量就會過多，進而對管道內(nèi)的風(fēng)場產(chǎn)生影響，甚至造成堵料。為此采用令牌桶算法對剔除動作進行限制，見圖4。采用一個固定容量的令牌桶存放若干令牌，將令牌作為雜物剔除請求的許可標志。系統(tǒng)以固定速率（如每秒鐘一次）向桶內(nèi)注入令牌直至令牌桶存滿。當(dāng)接收到圖像處理單元的一次雜物剔除請求時，首先從桶底取出一個令牌，以使剔除請求獲得許可，只有獲得許可的剔除指令才能操作剔除電磁閥進行噴吹剔除。如果接收到剔除請求時令牌桶是空的，因為無令牌可取，則當(dāng)前剔除請求被忽略。因此，通過調(diào)節(jié)令牌桶內(nèi)令牌的產(chǎn)生速率，可以實現(xiàn)對平均剔除率的限制；調(diào)節(jié)令牌桶的深度，即令牌的存儲容量，可以滿足多個雜物瞬時突發(fā)剔除的需求。

圖4 基于令牌桶算法的剔除控制

2 測試實驗

2.1 實驗設(shè)計

材料:貴州中煙貴定卷煙廠“黃果樹（軟02）”配方片煙，每批次4 000 kg。儀器:YQ-2 型煙絲振動分選篩（鄭州煙草研究院），SECURA213-1CN 型電子天平（感量0.01 g，德國賽多利斯公司），EO240 烘箱（德國賓得公司），XK3190-A1 型電子秤（精度III 級，上海耀華稱重系統(tǒng)有限公司）及雜物標靶（自制，分為輕質(zhì)和重質(zhì)兩種）。輕質(zhì)雜物標靶根據(jù)片煙中實際典型雜物，并參照KEY 公司和BEST 公司除雜機測試所用雜物標樣進行制作，共10 種樣本，每種10 個，共計100 個樣本，見表1。采用螺絲、石塊、鋁片、橡膠、鐵絲共5 種材質(zhì)模擬重質(zhì)雜物標靶，每種10 個，共計50 個樣本。

在正常生產(chǎn)過料過程中分3 次對設(shè)備入口和出口片煙進行采樣，測定片煙含水率和片煙結(jié)構(gòu)，并于過料結(jié)束后收集該批次所剔除雜物進行定性評價。從分選后的物料中分3 批各取100 kg 片煙，均勻摻入上述輕質(zhì)和重質(zhì)雜物標靶共計150 個，在異物剔除設(shè)備前按6 000 kg/h 流量人工均勻裝料。計算公式為［7］:

表1 輕質(zhì)雜物標靶

剔除率=（實際剔除的雜物數(shù)/投入的總雜物數(shù)）×100%

重質(zhì)雜物風(fēng)分片煙帶出率=（重質(zhì)雜物收集箱中的片煙質(zhì)量/投料片煙總質(zhì)量）×100%

輕質(zhì)雜物剔除片煙帶出率=（輕質(zhì)雜物收集箱中的片煙質(zhì)量/投料片煙總質(zhì)量）×100%

相同測試重復(fù)3 次，取3 次的平均值作為綜合評測數(shù)據(jù)。

2.2 測試結(jié)果

（1）系統(tǒng)風(fēng)力輸送對片煙含水率的影響見表2。可見，由于風(fēng)送通道采用循環(huán)風(fēng)方式，只有總風(fēng)量的10%（約1 300 m3/h）由補風(fēng)風(fēng)機進入風(fēng)送通道，對片煙含水率基本沒有影響。

（2）系統(tǒng)風(fēng)力輸送對片煙造碎的影響見表3?？梢姡诌x前后片煙的大中片率基本無變化，碎片率和碎末率無明顯增加。與煙絲風(fēng)力輸送相比，片煙含水率高，且具有一定的結(jié)構(gòu)強度，因此不容易產(chǎn)生造碎。

表2 風(fēng)力輸送前后片煙含水率變化

（3）重質(zhì)和輕質(zhì)雜物的分選測試結(jié)果見表4。可見，重質(zhì)雜物平均剔除率為98.0%，輕質(zhì)雜物平均剔除率為85.6%，總雜物剔除率為89.8%；重質(zhì)雜物平均風(fēng)分片煙帶出率為0.34%，輕質(zhì)雜物平均剔除片煙帶出率為0.61%，總片煙帶出率為0.95%。經(jīng)測試，4 000 kg/批次片煙分選后，輕質(zhì)雜物收集箱中收集到片煙14.5 kg，人工從中挑選出非煙類雜物59.7 g，輕質(zhì)雜物剔除帶出率為0.36%。

表3 風(fēng)力輸送前后片煙結(jié)構(gòu)對比 （%）

表4 重質(zhì)雜物和輕質(zhì)雜物的分選效果 （%）

3 結(jié)語

采用垂直風(fēng)送片煙異物剔除系統(tǒng)，有效解決了片煙中重質(zhì)雜物與輕質(zhì)雜物的分離和剔除問題。在光譜除雜段，片煙輸送速度達20 m/s，而傳統(tǒng)帶式除雜機的最高片煙輸送速度僅為5～6 m/s。與相同流量（6 000 kg/h）和輸送寬度（1 200 mm）的TS3 480 型帶式除雜機相比，片煙攤鋪密度僅為后者的1/4，避免了雜物的夾帶裹挾，提高了雜物的識別率。采用氣流平衡開放式檢測通道設(shè)計，基本杜絕了灰塵和煙末對成像清晰度的影響，降低了清潔維護的頻率和要求，提高了設(shè)備的工作效率。但是，受管道風(fēng)速變化、湍流以及不同密度物料輸送速度的影響，垂直風(fēng)送片煙異物剔除系統(tǒng)的剔除準確性仍有待提高。通過實時測量管道內(nèi)片煙速度，開展雜物識別和跟蹤算法研究等可進一步提高雜物的有效剔除率。

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