基于激光掃描堆積表面重構的煙絲布料調控技術及應用

王 樂，趙美麗，李華杰，陳 風，楊雨要，林苗俏，鄧國棟，丁 偉，鄭松錦，魯端峰*，李 斌

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號 450001

2.福建中煙工業有限責任公司，福建省廈門市集美區濱水路298號 361021

3.浙江中煙工業有限責任公司，杭州市西湖區科海路118號 310024

4.河北中煙工業有限責任公司，石家莊市維明南大街1號 050051

貯絲柜是制絲生產線中的煙絲緩存設備，其作用是使煙絲各組分充分混合均勻，平衡煙絲含水率和溫度，滿足卷煙工藝要求［1］。目前貯絲柜主要采用固定分配車步進距離的方式布料，在布料過程中存在波谷與波峰不均勻等現象，影響煙絲出柜流量穩定性，造成煙絲堆積密度、填充值、含水率波動，進而導致煙絲整絲率降低而碎絲率增加等現象［2-5］。針對此，劉亦堅等［6］采用柔性出料裝置代替撥絲輥，對貯絲柜出料方式進行改進；鄭玉忠等［7］通過調整撥料輥耙釘數量和位置，以及優化底帶運行速度和撥料輥轉速等措施，提高了煙絲整絲率。近年來，激光傳感技術因具有高精度、高效率、實時性、結構簡單、低成本等特點，被廣泛應用于測量散狀堆積物料的動態流量、表面輪廓等專業領域［8］。趙其杰等［9］基于結構化參數提出一種用于激光三維測量系統的在線標定方法，具有較高準確性和適應性；吉華等［10］利用激光測距儀對沙石表面掃描測量，并采用機械、測控、軟件技術建立車載沙石體積測量系統，有效解決了車載沙石的體積測量問題；邵晴等［11］基于三維激光掃描技術建立的糧食儲量監測系統，可準確獲取儲糧堆的外輪廓表面信息以及儲糧體積。但將激光傳感技術應用于貯絲柜煙絲布料過程的研究則鮮見報道。為此，基于激光掃描表面重構技術設計了貯絲柜煙絲布料控制系統，通過測量煙絲堆積表面高度，調整分配車的步進距離以調控煙絲堆積表面狀態，旨在提高煙絲質量均勻性與穩定性，為提升數字化煙草加工水平提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

“七匹狼”品牌卷煙配方煙絲（福建中煙工業有限責任公司提供）。

1.2 儀器與設備

貯絲柜長28.9 m，寬3.0 m，柜體內部高度1.1 m，貯料量7 700 kg/批次，出料流量10 204～10 239 kg/h；貯絲柜煙絲布料控制系統（鄭州煙草研究院研制）；二維激光掃描儀（分辨率1 mm，頻率60 Hz，掃描范圍160°，德國西克公司）。

1.2.1 貯絲柜煙絲布料控制系統

煙絲布料控制系統主要包括二維激光掃描儀和主控計算機。如圖1所示，布料車前后各安裝一臺激光掃描儀，隨布料車在掃描范圍的垂直方向上做往復運動。激光掃描儀在一定掃描頻率下產生單線扇形激光脈沖信號，根據激光脈沖發出與接收的時間差，利用飛行時間法（ToF）［12］可精確得到被測物體表面特定測量點與激光傳感器的距離。激光掃描儀經交換機與PC端連接并通過TCP協議進行通信，經上位機處理后得到被測物體截面輪廓信息，由此獲取貯絲柜煙絲堆積表面狀態。

圖1 貯絲柜煙絲布料控制系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of control system for cut tobacco spreading in silo

控制系統包含3大功能模塊：①煙絲堆積表面高度測量模塊，用于測量貯絲柜煙絲堆積高度；②煙絲堆積曲面繪制模塊，可根據煙絲堆積高度繪制煙絲堆積表面狀態；③反饋控制模塊，可實時計算布料后煙絲堆積高度差、波峰與波谷面積、鋪料增量等參數，通過閾值設定判斷進行反饋控制。

1.2.2 控制流程

在布料過程中實時檢測單程鋪料后的煙絲堆積表面狀態，計算鋪料后煙絲堆積截面積增量S以及煙絲堆積截面的波谷面積M，根據煙絲堆積表面狀態確定波峰與波谷之間的高度差閾值H0。在煙絲布料過程中，當波峰與波谷之間的高度差H＞H0且波谷面積M≥λS（λ為面積比例系數，取值范圍為0.4～0.8）時，調整煙絲分配車移動至當前波谷位置進行布料，從而減小波峰與波谷之間的高度差；否則，不調整分配車的移動規則。系統控制流程見圖2。

圖2 系統控制流程圖Fig.2 Control flow of the system

1.3 檢測方法

為避免環境溫濕度對煙絲質量產生影響，布料后5 min 內在貯絲柜煙絲上中下3 層（取貯絲柜寬度-1.0 ～1.0 m），每層隨機選取5個位置進行取樣并完成煙絲含水率、填充值、整絲率和碎絲率檢測，重復3次得到一個數據點。此外，在貯絲柜出料口輸送皮帶上，每間隔5 min 取樣1 次，共取3 次，對上述指標進行檢測。按照YC/T 31—1996檢測煙絲含水率［3］；按照YC/T 152—2001檢測煙絲填充值［4］；按照YC/T 178—2003檢測整絲率和碎絲率［5］。

2 結果與討論

2.1 調控前后煙絲堆積表面狀態比較

2.1.1 調控前后煙絲堆積表面重構

調控前布料時貯絲柜煙絲堆積表面重構結果見圖3。可見，利用激光掃描儀可以清晰地重構煙絲堆積表面狀態。在固定區域的不同布料階段，煙絲堆積高度存在明顯的波谷與波峰，說明煙絲布料均勻性較差。因布料車運動范圍受限，貯絲柜靠近柜體側面的煙絲堆積高度較低，沿貯絲柜長度方向中間截面區域布料也較少。此外，由于貯絲柜柜體為不銹鋼材質，會對激光掃描儀測量結果產生一定影響，因此靠近柜體側面的煙絲堆積測量值存在較大誤差。

圖3 調控前布料時煙絲堆積表面重構結果Fig.3 Reconstruction of cut tobacco bulk profile during spreading before regulation

調控后布料時煙絲堆積表面重構結果見圖4。可見，在固定區域的不同布料階段，波谷與波峰之間的高度差顯著降低，煙絲布料均勻性得到提升。受布料車運動范圍限制，貯絲柜靠近柜體側面的煙絲堆積高度依然較低，沿貯絲柜長度方向中間截面區域的布料仍較少。

圖4 調控后布料時煙絲堆積表面重構結果Fig.4 Reconstruction of cut tobacco bulk profile during spreading after regulation

2.1.2 調控前后煙絲堆積表面狀態

調控前后布料5個周期后煙絲堆積表面初始狀態見圖5。可見，調控前煙絲堆積表面狀態存在明顯的波谷與波峰，而調控后煙絲布料均勻性得到顯著提升。波峰與波谷之間的高度差由調控前的330 mm降低到150 mm，標準偏差由49 mm降低到15 mm。

圖5 調控前后煙絲堆積表面初始狀態Fig.5 Initial status of cut tobacco bulk profile before and after regulation

調控前后煙絲堆積表面最終狀態見圖6。可見，調控后煙絲堆積表面更加平整，波峰與波谷之間的高度差由調控前的139 mm降低到67 mm，標準偏差由79 mm降低到50 mm，變異系數由10%降低到5%。

圖6 調控前后煙絲堆積表面最終狀態Fig.6 Final status of cut tobacco bulk profile before and after regulation

2.2 調控前后工藝質量變化比較

2.2.1 調控前后含水率

調控前后煙絲含水率對比見圖7。由圖7a 可見，調控后貯絲柜上中下3層煙絲含水率穩定性較調控前均有所改善。由圖7b可見，煙絲出口含水率平均值從調控前的12.75%降低到12.67%，減少0.08百分點，說明調控前后出口含水率變化不大；標準偏差從調控前的0.19%降低到0.12%，說明調控后出口含水率穩定性較調控前有較大改善。

圖7 調控前后煙絲含水率對比Fig.7 Comparison of moisture content in cut tobacco before and after regulation

2.2.2 調控前后煙絲填充值

調控前后煙絲填充值對比見圖8。由圖8a可見，調控后貯絲柜上中下3層煙絲填充值均高于調控前水平，增加約0.1 cm3/g。由圖8b可見，煙絲出口填充值平均值從調控前的4.65 cm3/g提高到4.77 cm3/g，填充值的穩定性略低于調控前，但總體變化不大。

圖8 調控前后煙絲填充值對比Fig.8 Comparison of filling power of cut tobacco before and after regulation

2.2.3 調控前后煙絲整絲率

調控前后煙絲整絲率對比見圖9。由圖9a 可見，調控后貯絲柜上中下3層煙絲整絲率均高于調控前水平，增加約2百分點。由圖9b可見，煙絲出口整絲率平均值從調控前的79.4%提高到79.9%，標準偏差從1.34%降低到0.85%，說明調控后整絲率的穩定性高于調控前水平。

圖9 調控前后煙絲整絲率對比Fig.9 Comparison of proportion of integral tobacco strand before and after regulation

2.2.4 調控前后煙絲碎絲率

調控前后煙絲碎絲率對比見圖10。由圖10a 可見，調控后貯絲柜上中下3層煙絲碎絲率均低于調控前水平，減少約0.3百分點。由圖10b可見，煙絲出口碎絲率平均值從調控前的1.74%降低到1.44%，標準偏差從調控前的0.25%降低到0.15%，說明調控后碎絲率的穩定性高于調控前水平。

圖10 調控前后煙絲碎絲率對比Fig.10 Comparison of proportion of short tobacco strand before and after regulation

3 結論

基于激光掃描堆積表面重構技術建立了貯絲柜煙絲布料控制系統，通過實時獲取貯絲柜煙絲堆積表面狀態，調整分配車的步進距離，進而提高煙絲布料均勻性。利用該系統對煙絲布料狀態進行調控，結果表明：①調控后煙絲布料均勻性得到明顯改善，煙絲堆積高度差從139 mm降低到67 mm，標準偏差由79 mm 降低到50 mm，變異系數由10%降低到5%；②調控后煙絲含水率、填充值、整絲率和碎絲率變化量分別為0.08百分點、0.1 cm3/g、2百分點和0.3百分點，均優于調控前水平；③煙絲含水率、整絲率、碎絲率標準偏差從0.19%、1.34%、0.25%分別降低到0.12%、0.85%、0.15%，煙絲工藝質量穩定性得到顯著提升。