[摘要]通過(guò)對(duì)AEROSORT光電除雜設(shè)備進(jìn)行研究，進(jìn)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(guò)本課題的實(shí)施，尋找AEROSORT在使用過(guò)程中對(duì)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(jī)對(duì)煙葉物理指標(biāo)影響，進(jìn)而有針對(duì)性地調(diào)整上下游工序，保證制品合格率;通過(guò)對(duì)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(xiàng)目的開展對(duì)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(hào)：TS41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guò)查閱相關(guān)技術(shù)資料以及與虹霓現(xiàn)場(chǎng)工程師學(xué)習(xí)交流獲得。

（2）組織項(xiàng)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(cè)試方法，通過(guò)離線試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備實(shí)際使用效率;并且開展在線試驗(yàn)驗(yàn)證AEROSORT對(duì)煙葉物理指標(biāo)影響，主要針對(duì)物料溫度及含水率的變化[2]。

（4）通過(guò)對(duì)設(shè)備參數(shù)不同組合的離線試驗(yàn)，開展AEROSORT光電除雜效率的試驗(yàn)優(yōu)化。分析試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，制定針對(duì)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(jiàn)圖1。該系統(tǒng)由振槽式供料輸送機(jī)、進(jìn)料氣鎖、光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、左右兩個(gè)主工藝風(fēng)機(jī)、重物落料閘板、掃描機(jī)、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(jī)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(guò)進(jìn)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(dòng)煙片向較窄的光學(xué)檢測(cè)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(guò)光學(xué)檢測(cè)剔除通道，煙草物料流將加速到約21m/s，并均勻攤薄于檢測(cè)通道內(nèi)，非煙草物質(zhì)被CCD光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)掃描識(shí)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(jìn)料振槽;2.煙片進(jìn)料氣鎖;3.輔助風(fēng)機(jī);4.工藝氣勻風(fēng)系統(tǒng);5.CCD光學(xué)檢測(cè)柜;6.CCD檢測(cè)光路;7.光學(xué)檢測(cè)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(jī)：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(jī)。

CCD光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)原理示意見(jiàn)圖2，其中1為線陣相機(jī)，2為反光鏡，3為高亮度氙氣光源，4為L(zhǎng)ED背景燈。CCD光學(xué)R-C-IR波長(zhǎng)三鏡頭合成示意見(jiàn)圖3。XT-P光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)采用了CCD相機(jī)掃描光學(xué)技術(shù)，相機(jī)掃描速度為8 000line/s，光譜采用R-C-IR三段連續(xù)波長(zhǎng)模式，波長(zhǎng)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(zhǎng)，增加了紅外光波長(zhǎng)，煙葉可反射紅外光，大部分非煙物質(zhì)吸收紅外光，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，8OOOline/s的R-C-IR線陣相機(jī)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(jiàn)圖4，該結(jié)構(gòu)共64個(gè)空氣噴射閥，響應(yīng)時(shí)間lt;2ms，信號(hào)傳輸時(shí)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(guò)圖像處理可獲取各檢測(cè)樣本的特征信息，與經(jīng)過(guò)預(yù)學(xué)習(xí)的標(biāo)準(zhǔn)樣本庫(kù)進(jìn)行對(duì)比后，即可實(shí)現(xiàn)智能分類，剔除異物。

圖像處理算法流程見(jiàn)圖5。檢測(cè)通道內(nèi)煙草物料、在氙氣強(qiáng)光照明下，由CCD獲取樣本圖像，經(jīng)畸變矯正、亮度均衡、場(chǎng)區(qū)還原等算法校正圖像后，通過(guò)去噪濾波、增強(qiáng)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(duì)圖像中的不完全對(duì)象進(jìn)行拼接，提取相應(yīng)連通域。最后，分析圖像中各對(duì)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(shí)別。

模式識(shí)別[3]是指對(duì)表征事物或現(xiàn)象的各種形式的信息進(jìn)行處理和分析，以對(duì)事物或現(xiàn)象進(jìn)行描述、辨認(rèn)、分類和解釋的過(guò)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(dá)到識(shí)別目的。對(duì)已知類別的煙葉與異物進(jìn)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(guò)程。實(shí)際應(yīng)用中，未知模式對(duì)象輸入后，提取特征，經(jīng)設(shè)計(jì)分類器決策，并給出識(shí)別結(jié)果，模式識(shí)別原理見(jiàn)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(jiàn)圖7。其中主要分為兩大因素，分別為通道內(nèi)物料的運(yùn)輸狀況以及CCD相機(jī)檢測(cè)效果，上端為下端結(jié)果的影響因素。具體包括檢測(cè)通道風(fēng)速分布均勻與穩(wěn)定。進(jìn)料氣鎖與出料氣鎖密閉狀況、風(fēng)量平衡、光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)（光源強(qiáng)度、燈光初始化頻率、CCD檢測(cè)光路清潔度、光學(xué)檢測(cè)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(shí)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(jìn)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(zhǎng)期與通道壁的運(yùn)動(dòng)接觸，而造成設(shè)備壁端的磨損，同時(shí)也達(dá)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(yáng)塵較高，隨著生產(chǎn)時(shí)間的推移，會(huì)在CCD光學(xué)檢測(cè)的背景燈上粘連較多粉塵，影響光源的光強(qiáng)，進(jìn)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(guò)間斷性壓縮空氣噴吹，減少表面粉塵附著，以保證檢測(cè)光路的清潔。

3.2剔除效率檢測(cè)方法

測(cè)試程序?yàn)椋簶?biāo)準(zhǔn)異物準(zhǔn)備一制作測(cè)試用樣品一系統(tǒng)校驗(yàn)一布料一測(cè)試一核算異物剔除率。

3.2.1標(biāo)準(zhǔn)異物準(zhǔn)備

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

3.2.2制作測(cè)試用樣品

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

3.2.3系統(tǒng)校驗(yàn)

啟動(dòng)系統(tǒng)，取用與測(cè)試用樣品同批次的適量物料通過(guò)設(shè)備（異物剔除裝置），對(duì)設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，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(cè)試用樣品在振動(dòng)輸送機(jī)前端合適的輸送帶上均勻布料。

3.2.5測(cè)試

使系統(tǒng)進(jìn)入異物檢測(cè)剔除狀態(tài)，使測(cè)試用樣品在額定時(shí)間內(nèi)全部通過(guò)異物檢測(cè)剔除系統(tǒng)（50kg樣品在工藝流量5000kg/h時(shí)，額定時(shí)間為36s，其他按相同方式計(jì)算）。重復(fù)測(cè)試要求最低3次，作為核算異物剔除率的依據(jù)，每次測(cè)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(gè)數(shù)。投入的標(biāo)準(zhǔn)異物與測(cè)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(cè)試，再次測(cè)試需再對(duì)設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)、檢查和調(diào)整相應(yīng)的顏色分選表。

3.2.6異物剔除率計(jì)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(gè);N為摻入標(biāo)準(zhǔn)異物總數(shù)量，單位為個(gè)。

在進(jìn)行剔除率測(cè)試同時(shí)，對(duì)被剔除物料進(jìn)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(jī)對(duì)煙葉物理指標(biāo)影響

由于XT-P光譜除雜機(jī)是應(yīng)用風(fēng)分系統(tǒng)的變徑處理，對(duì)煙片在不同階段的運(yùn)行速度進(jìn)行改變，其運(yùn)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(jìn)行熱交換，并且由于氣流的高速運(yùn)動(dòng)，所以相對(duì)皮帶輸送對(duì)葉片的水分的影響更為劇烈。為此有必要針對(duì)光譜除雜機(jī)工序?qū)熑~溫度及水分進(jìn)行相應(yīng)測(cè)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(jī)為48Hz條件下，隨著生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)變化測(cè)得的首批生產(chǎn)XX卷煙試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

據(jù)表1可知，實(shí)測(cè)溫度散失情況5℃～ 7℃，實(shí)測(cè)水分散失情況為0.4%～0.6%。

此處數(shù)據(jù)僅針對(duì)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(yàn)，以得到針對(duì)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.4 XT-P光譜除雜效率試驗(yàn)優(yōu)化

3.4.1通道氣流分布穩(wěn)定性檢測(cè)

使用風(fēng)速儀對(duì)相機(jī)檢測(cè)通道內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，通道內(nèi)風(fēng)速應(yīng)保證為23±1m/s。重復(fù)測(cè)量次數(shù)最低要求8次，取測(cè)量平均值，以A線左右主風(fēng)機(jī)頻率49Hz為例，測(cè)量情況見(jiàn)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(cè)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(jī)頻率48Hz為例，測(cè)量情況見(jiàn)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(cè)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(cè)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(duì)實(shí)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(jī)拍照寬度均為600mm，相機(jī)像素為1024pix，即每個(gè)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(jī)上所占的像素值。表4為本次測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，一個(gè)合理參數(shù)的選擇不僅對(duì)除雜率有影響，同時(shí)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(hào)參數(shù)組在既能滿足除雜率92%以上的同時(shí)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(hào)參數(shù)組在能提供96.7%除雜率時(shí)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(dá)0.15kg/lOOkg。

3.4.3 噴吹延時(shí)優(yōu)化

噴吹延時(shí)[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(gè)相機(jī)單位（1相機(jī)單位=1/8000s），噴吹持續(xù)為300相機(jī)單位，打擊寬度為180 pix，其中34pix對(duì)應(yīng)為1個(gè)噴嘴（lpix對(duì)應(yīng)0.3433mm2）。為此需要掌握在實(shí)際生產(chǎn)中不同異物在AEROSORT中從“光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)”至“噴吹系統(tǒng)”的物料滯留時(shí)間或較為準(zhǔn)確的運(yùn)行速度。

為此開展以下試驗(yàn)：首先需掌握基礎(chǔ)的設(shè)備參數(shù)，即“光學(xué)檢測(cè)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(jìn)行空機(jī)狀態(tài)下各類物質(zhì)的在線檢測(cè)試驗(yàn)，具體步驟如下：（1）建立空白配方庫(kù)（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(yàn)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(shí)150相機(jī)單位，噴吹持續(xù)40相機(jī)單位，打擊寬度180pix，主風(fēng)機(jī)頻率49Hz）。（3）將每類待測(cè)物質(zhì)10個(gè)間歇式放至入口振槽，記錄對(duì)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(cè)數(shù)目總和（即10個(gè)）。檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

由表中數(shù)據(jù)可以看出蟲卵的滯留時(shí)間約為75～115相機(jī)單位，棉繩滯留時(shí)間約為90～ 130相機(jī)單位，薄片煙葉50～ 100相機(jī)單位，而煙葉由于各產(chǎn)地、等級(jí)的不同在各梯度試驗(yàn)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(jì)算物質(zhì)運(yùn)行速度時(shí)，應(yīng)在原有設(shè)定延遲的基礎(chǔ)上增加20相機(jī)單位（該20相機(jī)單位為光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)在拍攝圖片后數(shù)據(jù)傳輸耗時(shí)）。按上表計(jì)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(shí)測(cè)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(dòng)下物料的實(shí)際運(yùn)行速度的確出現(xiàn)高于實(shí)際風(fēng)速的情況（這在常規(guī)條件下是不可能實(shí)現(xiàn)的，但在帆船動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)已形成完全僅依靠風(fēng)力作動(dòng)力，船速高于風(fēng)速2.5倍的實(shí)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(yùn)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(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)際運(yùn)行距離的加大，影響對(duì)其徑向速度的計(jì)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(cè)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(cè)、提升剔除準(zhǔn)確率、參數(shù)優(yōu)化的方向，同時(shí)通過(guò)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(shí)，不可避免地會(huì)略微提高良好煙葉的剔除，因?yàn)槲锪系膯挝幻娣e覆蓋率與剔除噴吹的延時(shí)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(jià)。有必要進(jìn)一步學(xué)習(xí)理清煙葉及雜物在風(fēng)道內(nèi)的運(yùn)行姿態(tài)，以便進(jìn)一步優(yōu)化，降低誤剔煙葉重量。

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