基于X光檢測的煙絲異物在線剔除系統

韓 明 吳雪芹 韓慧丹 趙淑華 朱建新

(河南省中煙工業有限責任公司安陽卷煙廠,河南 安陽 455004)

煙絲作為影響成品煙支質量的核心，其純凈度將直接影響卷煙質量[1]。為了使制絲線能夠在較低誤剔率的情況下對煙絲中所含異物進行高效可靠的剔除，提高煙絲純凈度，國內外學者開展了較多研究，目前常見的煙草異物識別剔除設備有風分異物剔除設備、光學異物剔除設備、金屬異物剔除設備。風分異物剔除設備利用異物與煙草懸浮速度不同實現剔除重質煙草異物的目的[2]，但對于懸浮速度與煙草相差不大的異物則無法剔除。光學異物剔除設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高速攤薄煙絲后，利用煙草和異物對激光選擇性反射吸收特性的差異實現異物的識別，由信息處理系統發送異物剔除信號至氣動執行機構，并控制氣動執行機構剔除異物[3]，如比利時BEST公司的自由下落式激光分選機等；CCD攝像除雜設備是通過皮帶輸送機高速攤薄煙絲，先由攝像機獲取圖像，再由實時圖像處理系統識別出異物，并發出相應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[6]、云南紫金科貿有限公司的煙草雜物剔除系統、昆明船舶設備集團有限公司的智能煙草異物剔除機等。此類光學煙草異物剔除設備只能檢測煙絲層表面，故均需對煙絲進行攤薄操作，若煙絲層攤薄效果不佳，容易產生異物判斷錯失的情況，而且此類除雜設備價格高昂且維護成本高。金屬除雜設備是基于電磁轉換原理[7]或金屬除雜儀剔除煙草中含有的金屬異物，如切絲機前的金屬除雜儀等，但此類設備對磁性較弱異物的剔除效果不佳。

X光技術的透射功能對物質內部進行無損檢測，已被廣泛應用于醫療、交通運輸、材料、安保等領域[8-10]。X光穿透能力強對物料進行處理時無需攤薄即可進行異物識別，包括金屬及非金屬異物，而且成本低、易于維護、對煙絲品質無影響，但該技術在煙草除雜方面的應用尚未見報道。研究擬將X光檢測技術應用于煙絲異物在線剔除系統中，以期實現煙絲中金屬及非金屬異物的識別、剔除功能。

1 系統設計

基于X光檢測的煙絲異物在線剔除系統直接與制絲生產現場煙絲輸送帶配合使用，X光煙絲異物檢測系統位于煙絲輸送帶的正上方，平行四邊形噴吹異物剔除系統位于煙絲輸送帶的末端[11]。其工作流程如圖1所示，當中控發送輸送帶啟動命令時，煙絲輸送帶2和9運轉，同時輸送帶2上方的震槽經進料口1往輸送帶2入口送料，煙絲隨著輸送帶2往前運行。當煙絲通過X光發射裝置5照射口時，X光透射煙絲，X光探測器點陣3對原煙絲4數據進行采集，并將采集到的原始數據傳送到數據采集卡14。原始數據經數據采集卡14整理后送達主機系統12的圖像處理模塊13進行銳化、剝皮、灰度化等圖像處理形成煙絲圖像[12-14]，同時對整理后的原始數據進行異物判別處理，如發現異物，將含有異物的煙絲圖像存儲至主機系統12的硬盤中，并將發現異物的信息經I/O模塊(即輸入/輸出模塊)11發送給聲光報警器發出警報，同時發送至煙絲異物噴吹系統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與主機系統12通信，輸入模塊可接收設備信號，反饋至主機系統12；輸出模塊將主機系統12提供的信號輸出至被控設備，使被控設備動作。

1.1 X光煙絲異物檢測系統

1.1.1 結構組成 如圖2所示，X光煙絲異物檢測系統主要由支撐架1、歸一推桿2、冷卻系統3、調平裝置4、X光源5、X光機6、PD點陣8、通訊裝置7等組成。其中支撐架1在X光煙絲異物檢測系統中起支撐作用；X光源5是系統的核心部件，以設定的強度發射出X光扇形束，透射煙絲；X光機6是X光源5的控制器，用來給X光源5提供電源以及設定工作電壓及電流等；X光源5發射過程中需要散熱，冷卻系統3是以水作為熱交換介質使X光煙絲異物檢測系統保持良好的散熱功能；PD點陣8是由7塊X光探測器板構成，一共包含448個探測器，完成輻射測量、信號變送、放大，A/D轉換等功能，接收X光透射煙絲后的原始數據；通訊裝置7是X光煙絲異物檢測系統與主機通訊的連接，它內含數據采集卡，將PD點陣8接收到的煙絲原始信號數據以以太網協議的方式傳輸到PC機進行處理；調平裝置4能夠在設計范圍內調整X光的發射方向，使X光透射煙絲后準確被X光探測器點陣所接收；歸一推桿2是系統標定的功能部件，由于X光探測器離X光光源位置距離、角度不同，故需要對X光進行歸一標定，消除由距離不同造成的差別。

1.進料口 2、9.輸送帶 3.X光探測器點陣 4.原煙絲 5.X光發射裝置 6.雜物盒 7.異物噴吹系統 8.除雜后煙絲 10.聲光報警器 11.I/O模塊 12.主機系統 13.圖像處理模塊 14.數據采集卡圖1 工作流程圖Figure 1 Work flow diagram

1.1.2 技術實現 物質吸收X光的能力與X光的能量及被穿透的物質性質有關，利用物質吸收X光的差別可以將不同的物質區分開來[15]。煙絲與異物的物質性質區別在于密度值不同。主機系統對接收到的原始煙絲數據進行銳化、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

同時利用煙絲與異物密度值區別實現異物判別。先對全部原始密度值從第1個到第N個進行相鄰比值計算與初步過濾，其方法：

(1)

1.支撐架 2.歸一推桿 3.冷卻系統 4.調平裝置 5.X光源 6.X光機 7.通訊裝置 8.PD點陣圖2 X光煙絲異物檢測系統結構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X光探測器接收到的經數據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個相鄰比值。

經計算得到N-1個相鄰比值。N-1個相鄰比值要通過閾值預處理計算模型F進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判斷異物的基礎數據。通過二次密度閾值進行二次過濾去除誤判因素。采取的計算模型為：

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——判斷出的異物個數(其值>0則認為有異物存在)。

當煙絲中有多個不同密度異物存在時，通過上述方法均可識別。

1.1.3 歸一標定方法 當X光透射同等密度值煙絲時，由于X光到達X光探測器的距離不同會造成X光探測器接收到的X光原始數據不一致，因此對數據進行歸一化處理使X光探測器接收到原始數據一致[17]。通過設置歸一化系數進行歸一標定。采用同一標準重量負荷，標定N個X光探測器，使其各探測器測量的同一物質原始密度值相一致。

原始密度計算數學模型為：

(4)

式中：

XNi——測量負荷原始密度；

UNi——有負荷時探測器輸出的信號；

UN0——無負荷時探測器輸出的信號；

G——歸一化系數。

(5)

式中：

G——歸一化系數；

F標——標準負荷板面密度值；

UNi——有負荷時探測器輸出的信號；

UN0——無負荷時探測器輸出的信號。

1.2 噴吹煙絲異物剔除系統

1.2.1 結構組成 如圖5所示，平行四邊形噴吹煙絲異物剔除系統主要由噴吹系統3、料筒1、密封板4和雜物盒2組成。該系統具有自主研發的噴吹控制器，在噴吹控制器接收到噴吹信號時啟動噴吹系統，異物被驅動并在料筒的引導下落入雜物盒2中。其中，噴吹系統3是煙絲異物剔除的核心，由上、下兩排共59個噴管組成，噴管連接高壓氣源，根據異物的位置由噴吹控制器控制接通相應的噴管噴出高壓氣流噴吹異物，完成異物剔除動作，為保證噴管順利將煙絲中可能存在的所有異物噴吹出，應以噴吹異物時煙絲低帶出比、異物和煙絲高速分離為原則，以煙絲中可能出現的最大異物為上限，根據計算流體力學(CFD)和Realizablek—ε模型進行計算分析[18]，最終確定噴吹系統參數為：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，噴吹系統對煙絲中異物進行無差別噴吹剔除，故經上述設計后，噴吹系統產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的作用是引導被剔除出的異物進入雜物盒，并封閉防塵；落料口的大小調整后，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，經挑選后煙絲可回收利用。

1.料筒 2.雜物盒 3.噴吹系統 4.密封板圖5 異物剔除系統結構圖Figure 5 Structure diagram of foreign materials blowing system

1.2.2 技術實現 噴吹系統由59個噴管組成，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個噴管，下排29個噴管。系統噴吹采用平行四邊形噴吹方式，選取相鄰4個噴管以左偏斜或右偏斜平行四邊形排列方式進行噴吹，使異物應處于平行四邊形中心點的位置，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

進行噴吹的4個噴管的位置采用以下計算模型：

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

(7)

式中：

iBP(iBP1,iBP2,iBP3，iBP4)——經計算平行四邊形噴吹方式4個噴管的位置；

ZiRP1[30]——第一排30個噴管的各自位置；

ZiRP2[29]——第二排29個噴管的各自位置；

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，當煙絲中僅有一個異物被檢測出來需要剔除時，均先啟動上排2個噴管，隔50 ms后啟動下排2個噴管。整個噴吹過程時間為550 ms，每一個噴管單獨噴吹的時間為500 ms，為防止剔除異物的遺漏，提高異物剔除的成功率，采用交錯的噴吹時序。若煙絲中同時有兩個異物(異物A和B)被檢測出來需要剔除時，噴吹動作交叉進行。當啟動第一排噴管噴吹異物A后，間隔50 ms再啟動第一排噴管噴吹異物B，再間隔50 ms啟動第二排噴管噴吹異物A，間隔50 ms后啟動第二排噴管噴吹異物B。從而保證煙絲中同時出現異物時剔除的成功率。

2 應用效果

目前該系統已在制絲生產線貯絲柜出口處安裝并聯機使用，此處煙絲額定流量為1 000 kg/h，煙絲輸送帶電機頻率為35 Hz，為測試系統對金屬及非金屬異物識別及剔除功能，根據YC/T 489—2014《片煙異物剔除裝置異物剔除率的測定方法》，在實際工況下，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個進行試驗。按額定煙絲流量將混入異物的純凈煙絲在基于X光檢測的煙絲異物在線剔除系統輸送帶前端合適位置均勻布料，使系統進入異物檢測剔除狀態，將含有異物煙絲全部通過異物檢測剔除系統，試驗重復測試3次，消除因樣本異物混合不均等特殊因素造成的影響，計算該系統的異物識別率、剔除率以及誤剔率[19]。其中，異物識別率為被識別異物數量占摻入異物總數量的百分比；異物剔除率為被剔除異物數量占摻入異物總數量的百分比；誤剔率為異物誤剔除次數占異物總剔除次數的百分數。

表1 異物樣本規格Table 1 Foreign material sample specification

由表2可知，該系統對螺母、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別率達到99.5%以上，平均剔除率達到95.8%以上，誤剔除率<0.52%。對比目前多種除雜設備，激光除雜設備、CCD除雜設備只能對非金屬異物進行識別剔除，剔除率分別可達到95%和85%以上[20]，金屬除雜設備只能對金屬異物進行剔除，剔除率可達到97%以上[21]。基于X光檢測的煙絲異物在線剔除系統能同時實現對金屬及非金屬異物的剔除，且剔除率相比現有除雜設備也毫不遜色。通過上述煙絲異物剔除試驗及與多種除雜設備比對，可以看出，對于多種類別異物，基于X光檢測的煙絲異物在線實時剔除系統都具有良好的異物檢測識別性和剔除性，且對煙絲異物的誤剔除率較低。該設備相比現有激光、CCD等煙草除雜設備成本及人工日常維護成本都較低，具有較大的推廣應用價值。

表2 煙絲異物識別、剔除及誤剔除結果Table 2 Result for identification and elimination of foreign matter in cut tobacco

3 結論

試驗設計的剔除系統基于物質對X光吸收特性的不同，利用X光透射煙絲后形成原始數據進行煙絲圖像處理并基于物質密度不同判別異物，通過獨特的平行四邊形噴吹異物剔除方式實現煙絲中異物的高效剔除。經實驗驗證，在1 000 kg/h的生產物料情況下，該系統對各類金屬、非金屬異物識別和剔除均有效，其中平均識別率達99.5%以上，平均剔除率達95.8%以上。同時對設備進行了X光輻射強度檢測，儀器表面(1.0 m處X光當量率)達到天然本底水平，輻射安全指標符合國家安全標準。但該系統針對與煙絲密度接近的異物識別效果較差，下一步將嘗試基于X光增加顏色等分析因素，完善識別算法，提高與煙絲密度接近異物的識別剔除率。