[摘要]通過對AEROSORT光電除雜設(shè)備進行研究，進一步掌握設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，以提高設(shè)備的使用效率。通過本課題的實施，尋找AEROSORT在使用過程中對其剔除效率的影響因素，以提高工序在制品的煙絲純凈度，保證產(chǎn)品質(zhì)量安全;掌握AEROSORT光電除雜機對煙葉物理指標(biāo)影響，進而有針對性地調(diào)整上下游工序，保證制品合格率;通過對高檔卷煙中青雜煙及較差煙葉的處理，有利于高檔卷煙的感官質(zhì)量穩(wěn)定性控制;項目的開展對提高工藝技術(shù)人員素質(zhì)、提高企業(yè)工藝技術(shù)水平均具有積極的意義。

[關(guān)鍵詞]AEROSORT;異物剔除;感官質(zhì)量;物理指標(biāo)

中圖分類號：TS41

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20181226

1 主要技術(shù)方案

（1）AEROSORT光電除雜設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理通過查閱相關(guān)技術(shù)資料以及與虹霓現(xiàn)場工程師學(xué)習(xí)交流獲得。

（2）組織項目組成員與虹霓T程師開展討論，從設(shè)備方面分析影響其-作效率的相關(guān)因素。

（3）結(jié)合行業(yè)頒布的YC/T 489-2014[1]與虹霓給出的測試方法，通過離線試驗，驗證設(shè)備實際使用效率;并且開展在線試驗驗證AEROSORT對煙葉物理指標(biāo)影響，主要針對物料溫度及含水率的變化[2]。

（4）通過對設(shè)備參數(shù)不同組合的離線試驗，開展AEROSORT光電除雜效率的試驗優(yōu)化。分析試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，制定針對高低端煙的加工參數(shù)。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

XT-P氣流式煙草異物光學(xué)除雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。該系統(tǒng)由振槽式供料輸送機、進料氣鎖、光學(xué)檢測系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、左右兩個主工藝風(fēng)機、重物落料閘板、掃描機、切向氣流煙絲分離器、除塵系統(tǒng)等組成。

2.2 系統(tǒng)工作原理

XT-P氣流式光譜除雜機集光學(xué)異物剔除與重物風(fēng)選功能于一體，利用密閉的循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)煙片流通過進料氣鎖后，在工藝風(fēng)勻風(fēng)通道中形成6～8m/s的低風(fēng)速，帶動煙片向較窄的光學(xué)檢測通道均速輸送，其中較重的未松散煙塊和其他重雜物在重力作用下落人重物風(fēng)分排出氣閘內(nèi)。被工藝氣流向上輸送的煙片和較輕雜物，通過光學(xué)檢測剔除通道，煙草物料流將加速到約21m/s，并均勻攤薄于檢測通道內(nèi)，非煙草物質(zhì)被CCD光學(xué)檢測系統(tǒng)掃描識別，利用壓空噴吹剔除系統(tǒng)將煙草異物吹出。1.煙片勻料進料振槽;2.煙片進料氣鎖;3.輔助風(fēng)機;4.工藝氣勻風(fēng)系統(tǒng);5.CCD光學(xué)檢測柜;6.CCD檢測光路;7.光學(xué)檢測通道;8.異物壓空噴吹排管;9.工藝風(fēng)管道;10.煙草與氣流分離系統(tǒng);11.煙片出料氣鎖;12.工藝風(fēng)平衡除塵管;13.煙片出料輸送機：14.左右主工藝風(fēng)循環(huán)風(fēng)管;15.剔除異物排出管道;16.重物風(fēng)分排出氣閘;17.重物排出輸送機。

CCD光學(xué)檢測系統(tǒng)原理示意見圖2，其中1為線陣相機，2為反光鏡，3為高亮度氙氣光源，4為LED背景燈。CCD光學(xué)R-C-IR波長三鏡頭合成示意見圖3。XT-P光學(xué)檢測系統(tǒng)采用了CCD相機掃描光學(xué)技術(shù)，相機掃描速度為8 000line/s，光譜采用R-C-IR三段連續(xù)波長模式，波長分別為紅色光譜（R）560～ 700nm、紅外光譜（IR）700～1 000nm、灰色（藍(lán)綠C）光譜400～ 560nm。相比于傳統(tǒng)的RGB光譜波長，增加了紅外光波長，煙葉可反射紅外光，大部分非煙物質(zhì)吸收紅外光，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，8OOOline/s的R-C-IR線陣相機配合24m/s風(fēng)速的攤鋪能力，分辨能力已遠(yuǎn)高于雜物尺寸的要求。壓縮空氣噴吹噴嘴結(jié)構(gòu)見圖4，該結(jié)構(gòu)共64個空氣噴射閥，響應(yīng)時間lt;2ms，信號傳輸時間lt;4ms。

2.3 智能分類算法

由于煙葉與異物的光學(xué)特性不同，通過圖像處理可獲取各檢測樣本的特征信息，與經(jīng)過預(yù)學(xué)習(xí)的標(biāo)準(zhǔn)樣本庫進行對比后，即可實現(xiàn)智能分類，剔除異物。

圖像處理算法流程見圖5。檢測通道內(nèi)煙草物料、在氙氣強光照明下，由CCD獲取樣本圖像，經(jīng)畸變矯正、亮度均衡、場區(qū)還原等算法校正圖像后，通過去噪濾波、增強等預(yù)處理方法優(yōu)化圖像信息，然后基于閾值或區(qū)域法分割圖像，標(biāo)記各煙葉、異物輪廓區(qū)域，并對圖像中的不完全對象進行拼接，提取相應(yīng)連通域。最后，分析圖像中各對象的特征信息，數(shù)字化表征顏色、形狀和紋理特性參數(shù)，用于分類前的模式識別。

模式識別[3]是指對表征事物或現(xiàn)象的各種形式的信息進行處理和分析，以對事物或現(xiàn)象進行描述、辨認(rèn)、分類和解釋的過程。煙草異物剔除即二類模式分類，上述顏色等特征信息為相應(yīng)模式，訓(xùn)練后由分類器判決類別，達到識別目的。對已知類別的煙葉與異物進行訓(xùn)練，以顏色、形狀和紋理構(gòu)成特征向量，白定義決策規(guī)則，確定判別函數(shù)，完成學(xué)習(xí)建模過程。實際應(yīng)用中，未知模式對象輸入后，提取特征，經(jīng)設(shè)計分類器決策，并給出識別結(jié)果，模式識別原理見圖6。

3 XT-P光譜除雜效率影響因素分析

3.1 剔除效率影響因素

光譜除雜影響因素關(guān)聯(lián)見圖7。其中主要分為兩大因素，分別為通道內(nèi)物料的運輸狀況以及CCD相機檢測效果，上端為下端結(jié)果的影響因素。具體包括檢測通道風(fēng)速分布均勻與穩(wěn)定。進料氣鎖與出料氣鎖密閉狀況、風(fēng)量平衡、光學(xué)檢測系統(tǒng)（光源強度、燈光初始化頻率、CCD檢測光路清潔度、光學(xué)檢測通道清潔度）、風(fēng)分腔沖孔板清潔程度、噴吹延遲、噴吹持續(xù)的時間與打擊寬度設(shè)定合理性。

為保證通道內(nèi)風(fēng)速的穩(wěn)定及風(fēng)量的平衡，在進出料氣鎖翻板與通道壁的連接處采用軟性材料，一方面保證翻板與通道壁的充分接觸，另一方面避免由于剛性材料長期與通道壁的運動接觸，而造成設(shè)備壁端的磨損，同時也達到了降低設(shè)備噪音的效果。

在制絲的生產(chǎn)期間發(fā)現(xiàn)由于車間平面揚塵較高，隨著生產(chǎn)時間的推移，會在CCD光學(xué)檢測的背景燈上粘連較多粉塵，影響光源的光強，進而導(dǎo)致相片清晰度降低，為此在背景燈幕處添加一路壓縮空氣管道，通過間斷性壓縮空氣噴吹，減少表面粉塵附著，以保證檢測光路的清潔。

3.2剔除效率檢測方法

測試程序為：標(biāo)準(zhǔn)異物準(zhǔn)備一制作測試用樣品一系統(tǒng)校驗一布料一測試一核算異物剔除率。

3.2.1標(biāo)準(zhǔn)異物準(zhǔn)備

測試前應(yīng)準(zhǔn)備好測試用標(biāo)準(zhǔn)異物、雜物包括：非煙物質(zhì)（Ntrm）、細(xì)長型非煙物質(zhì)（Thin Ntrm）、一般雜物（Other）、細(xì)長型一般雜物（Thin Other）、黑色雜物（Black）、塑料泡沫（Barn Foam）。

3.2.2制作測試用樣品

煙葉與標(biāo)準(zhǔn)異物按比例進行混合，煙葉總質(zhì)量保證為50+0.5kg，雜物總量保證為100個，即每lkg煙葉2個雜物，且保證雜物在物料中均勻分布。各類雜物可按常見雜物在生產(chǎn)線上出現(xiàn)頻率進行梯度設(shè)置，原則上每類雜物最低測試量不得少于5個。

3.2.3系統(tǒng)校驗

啟動系統(tǒng)，取用與測試用樣品同批次的適量物料通過設(shè)備（異物剔除裝置），對設(shè)備進行校驗，使系統(tǒng)建立相應(yīng)的顏色分選表。

3.2.4布料

按照額定的流量要求，將測試用樣品在振動輸送機前端合適的輸送帶上均勻布料。

3.2.5測試

使系統(tǒng)進入異物檢測剔除狀態(tài)，使測試用樣品在額定時間內(nèi)全部通過異物檢測剔除系統(tǒng)（50kg樣品在工藝流量5000kg/h時，額定時間為36s，其他按相同方式計算）。重復(fù)測試要求最低3次，作為核算異物剔除率的依據(jù)，每次測試后，應(yīng)仔細(xì)檢查，將未被剔除的標(biāo)準(zhǔn)異物從標(biāo)準(zhǔn)異物總數(shù)量中扣除，并記錄各類異物的剔除與漏剔個數(shù)。投入的標(biāo)準(zhǔn)異物與測試后收集的標(biāo)準(zhǔn)異物數(shù)量應(yīng)一致，如不一致，應(yīng)重新測試，再次測試需再對設(shè)備進行校驗、檢查和調(diào)整相應(yīng)的顏色分選表。

3.2.6異物剔除率計算

異物剔除率：

Ze=N1/N×100% （1）

式中，Z為異物剔除率，單位為%;N1為被剔除標(biāo)準(zhǔn)異物數(shù)量，單位為個;N為摻入標(biāo)準(zhǔn)異物總數(shù)量，單位為個。

在進行剔除率測試同時，對被剔除物料進行分揀，稱重分揀后異物收集裝置中合格物料重量，誤剔率：

δW=G1/G×100%（2）

式中，δW為誤剔率，單位為%;G1為被剔除的合格物料重量，單位為kg;G為物料總重量，即50kg。

3.3 XT-P光譜除雜機對煙葉物理指標(biāo)影響

由于XT-P光譜除雜機是應(yīng)用風(fēng)分系統(tǒng)的變徑處理，對煙片在不同階段的運行速度進行改變，其運輸載體為空氣，所以較高溫度的物料在其中不可避免地將與氣流進行熱交換，并且由于氣流的高速運動，所以相對皮帶輸送對葉片的水分的影響更為劇烈。為此有必要針對光譜除雜機工序?qū)熑~溫度及水分進行相應(yīng)測試，以適應(yīng)前后工序間工藝參數(shù)的調(diào)整。表1為在5000kg/h流量XT-P左右主風(fēng)機為48Hz條件下，隨著生產(chǎn)時長變化測得的首批生產(chǎn)XX卷煙試驗數(shù)據(jù)。

據(jù)表1可知，實測溫度散失情況5℃～ 7℃，實測水分散失情況為0.4%～0.6%。

此處數(shù)據(jù)僅針對合肥卷煙廠牌名及設(shè)備工況開展，各卷煙加工企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身設(shè)備內(nèi)風(fēng)速、物料流量及環(huán)境溫濕度等條件開展相應(yīng)試驗，以得到針對性試驗數(shù)據(jù)。

3.4 XT-P光譜除雜效率試驗優(yōu)化

3.4.1通道氣流分布穩(wěn)定性檢測

使用風(fēng)速儀對相機檢測通道內(nèi)風(fēng)速進行測量，通道內(nèi)風(fēng)速應(yīng)保證為23±1m/s。重復(fù)測量次數(shù)最低要求8次，取測量平均值，以A線左右主風(fēng)機頻率49Hz為例，測量情況見表2。

在確保風(fēng)速在設(shè)定值范圍內(nèi)前提下，分布穩(wěn)定性以測試數(shù)據(jù)極值與風(fēng)速均值的差值和風(fēng)速極差為判定標(biāo)準(zhǔn)，差值與極差越小，判定效果越好，風(fēng)速差值應(yīng)確保在Im/s以內(nèi)，極差應(yīng)確保在1.5m/s以內(nèi)。以B線左右主風(fēng)機頻率48Hz為例，測量情況見表3。據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，差值為0.6m/s，極差為1.1m/s，測試數(shù)據(jù)與風(fēng)速均值差值0.8m/s，極差1.2m/s。

3.4.2 光學(xué)檢測系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

不同剔除能力與剔除尺寸的配合直接影響剔除率、誤剔率等，考慮煙葉的剔除量對實際生產(chǎn)中員工的工作量的影響，優(yōu)化參數(shù)的合理性，在保證不影響卷煙產(chǎn)品感官的前提下，減少煙葉的剔除量，降低員工的工作量。

兩部相機拍照寬度均為600mm，相機像素為1024pix，即每個像素覆蓋寬度0.5859mm，面積為0.3433mm2，參數(shù)設(shè)置的大小為雜物反應(yīng)在相機上所占的像素值。表4為本次測試試驗結(jié)果。

通過數(shù)據(jù)對比分析可知，一個合理參數(shù)的選擇不僅對除雜率有影響，同時也影響了煙葉的剔除量，間接影響煙葉的消耗既操作工的工作量，隨著雜物剔除率的上升，提出煙葉量也在上升。綜合分析4號參數(shù)組在既能滿足除雜率92%以上的同時又能剔除較少的煙葉，既保證了煙葉質(zhì)量又消耗少量煙葉，可適用丁一般卷煙生產(chǎn)的要求;8號參數(shù)組在能提供96.7%除雜率時剔除較少量煙葉，可使用與高檔卷煙的生產(chǎn)精益化要求。同樣剔除精度的條件下，煙葉的誤剔量極差可達0.15kg/lOOkg。

3.4.3 噴吹延時優(yōu)化

噴吹延時[4]設(shè)置的合理性直接影響剔除率與誤剔率，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置噴吹延遲為150個相機單位（1相機單位=1/8000s），噴吹持續(xù)為300相機單位，打擊寬度為180 pix，其中34pix對應(yīng)為1個噴嘴（lpix對應(yīng)0.3433mm2）。為此需要掌握在實際生產(chǎn)中不同異物在AEROSORT中從“光學(xué)檢測系統(tǒng)”至“噴吹系統(tǒng)”的物料滯留時間或較為準(zhǔn)確的運行速度。

為此開展以下試驗：首先需掌握基礎(chǔ)的設(shè)備參數(shù)，即“光學(xué)檢測系統(tǒng)”與“噴吹系統(tǒng)”之間的距離，以合肥卷煙廠為例，兩者間距為347mm。其次進行空機狀態(tài)下各類物質(zhì)的在線檢測試驗，具體步驟如下：（1）建立空白配方庫（即只學(xué)習(xí)背景光顏色）。（2）設(shè)定各類起始參數(shù)，根據(jù)試驗結(jié)果依次調(diào)整設(shè)備參數(shù)（起始參數(shù)為設(shè)備噴吹延時150相機單位，噴吹持續(xù)40相機單位，打擊寬度180pix，主風(fēng)機頻率49Hz）。（3）將每類待測物質(zhì)10個間歇式放至入口振槽，記錄對應(yīng)參數(shù)下的該物質(zhì)剔除數(shù)量及漏剔數(shù)量，剔除數(shù)量與漏剔數(shù)量之和應(yīng)為待測數(shù)目總和（即10個）。檢測數(shù)據(jù)見表5。

由表中數(shù)據(jù)可以看出蟲卵的滯留時間約為75～115相機單位，棉繩滯留時間約為90～ 130相機單位，薄片煙葉50～ 100相機單位，而煙葉由于各產(chǎn)地、等級的不同在各梯度試驗中分布較為均勻，在50～130均有較低的剔除率，不易確定統(tǒng)一的適用標(biāo)準(zhǔn)。

在計算物質(zhì)運行速度時，應(yīng)在原有設(shè)定延遲的基礎(chǔ)上增加20相機單位（該20相機單位為光學(xué)檢測系統(tǒng)在拍攝圖片后數(shù)據(jù)傳輸耗時）。按上表計算結(jié)果V蟲卵=24.14m/s，V棉繩=21.35m/s，V薄片=27.76m/s，V煙草=21.35～ 30.84m/s。其中蟲卵、薄片與煙葉均存在物料速度高于實測風(fēng)速的情況。分析可能存在以下兩種情況：（1）在風(fēng)速的帶動下物料的實際運行速度的確出現(xiàn)高于實際風(fēng)速的情況（這在常規(guī)條件下是不可能實現(xiàn)的，但在帆船動力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)已形成完全僅依靠風(fēng)力作動力，船速高于風(fēng)速2.5倍的實例）。（2）蟲卵、薄片、煙葉與棉繩的外形存在差異，棉繩表面積較小、受力較均勻，在其中被拉直運行，不易產(chǎn)生非徑向位移。而蟲卵、薄片、煙葉由于表面積較大，煙片由于品種的不同、幾何形狀的不規(guī)則、運動過程中姿態(tài)的變化等原因，物體的懸浮速度具有一定的差別，且由于管道內(nèi)的風(fēng)速一般處在23m/s左右，管道內(nèi)雷諾數(shù)較高，氣流呈紊流狀態(tài)，因此產(chǎn)生非徑向的位移，導(dǎo)致其實際運行距離的加大，影響對其徑向速度的計算。

4 結(jié)論

本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)工作原理、智能分類算法、剔除效率因素分析、剔除效率檢測方法、煙葉物理指標(biāo)變化等方面開展研究，確定了除雜效果檢測、提升剔除準(zhǔn)確率、參數(shù)優(yōu)化的方向，同時通過設(shè)置合理化參數(shù)，提高雜物擊打的準(zhǔn)確性。但在提高雜物剔除效率的同時，不可避免地會略微提高良好煙葉的剔除，因為物料的單位面積覆蓋率與剔除噴吹的延時與寬度并未改變，較高的精準(zhǔn)度必定是以較高頻次的剔除為代價。有必要進一步學(xué)習(xí)理清煙葉及雜物在風(fēng)道內(nèi)的運行姿態(tài)，以便進一步優(yōu)化，降低誤剔煙葉重量。

參考文獻

[1] YC/T 489-2014.片煙異物剔除裝置異物剔除率的測定方法[S].

[2]國家煙草專賣局，卷煙工藝規(guī)范M]，北京：中央文獻出版社，2003.

[3]王軍，李建勛，王興，等.效能評估可信度的客觀度量方法[J]西安交通大學(xué)學(xué)報，2018（2）：37-44.

[4]邵一波，張黎，王歡煙草光學(xué)除雜噴吹延時優(yōu)化分析[J]南方農(nóng)機.2018（5）：121+123.