超聲檢測(cè)技術(shù)在爆珠細(xì)支濾棒成型中線膠流量監(jiān)控中的運(yùn)用

鄒 強(qiáng)，王 浩，王 芃，胡 炯，彭麗莉

（貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司遵義卷煙廠，貴州 遵義 563000）

1 存在問題

目 前， 我 國 成 型 機(jī) 主 要 有ZL26B，ZL22D，ZL29B 等機(jī)型。這些標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型沒有中線膠在線檢測(cè)系統(tǒng)。為保障中線膠供應(yīng)的穩(wěn)定性，一般會(huì)在成型機(jī)上增加輔助設(shè)備，以達(dá)到對(duì)中線膠供應(yīng)實(shí)時(shí)情況的掌握。

近年來，細(xì)支卷煙逐漸成為熱門產(chǎn)品。爆珠卷煙更是成為各大卷煙企業(yè)爭相角逐的重點(diǎn)產(chǎn)品。爆珠細(xì)支濾棒的質(zhì)量管控也成為各卷煙企業(yè)的管控重點(diǎn)。爆珠細(xì)支以它獨(dú)特的物理特性，成為質(zhì)量管控上的難題。

由于細(xì)支成形紙寬度為19 mm，只有一個(gè)中線膠噴嘴，較常規(guī)濾棒而言，減少了一根中線膠噴嘴，就增加了中線膠上膠不良的風(fēng)險(xiǎn)。由于原機(jī)型沒有中線膠檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)中線膠出現(xiàn)膠垢堵塞、膠內(nèi)氣泡、膠面過窄等情況時(shí)，與絲束粘貼不牢，生產(chǎn)過程中不易察覺。尤其是中線膠噴涂不連續(xù)時(shí)，加大了發(fā)現(xiàn)該缺陷的難度，為質(zhì)量缺陷埋下隱患。當(dāng)該缺陷被發(fā)現(xiàn)時(shí)，早已生產(chǎn)了大范圍的缺陷濾棒，造成了一定的損失。因此及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)中線上膠過程中存在的質(zhì)量問題，是減少原材料浪費(fèi)、規(guī)避質(zhì)量事故的重要手段。

為了研究成型機(jī)同一生產(chǎn)速度不同中線膠施加量濾棒絲束與成型紙粘貼的程度和成型機(jī)不同生產(chǎn)速度對(duì)中線膠施加量的需求，利用梯度測(cè)試對(duì)成型機(jī)進(jìn)行研究測(cè)試。

由于爆珠細(xì)支成型安裝有爆珠微波檢測(cè)裝置，以檢測(cè)濾棒內(nèi)爆珠是否正常。中線膠施加量，又會(huì)影響微波檢測(cè)對(duì)爆珠濾棒質(zhì)量的檢驗(yàn)精度。所以，中線膠的施加量必須控制在合理的范圍內(nèi)。保證其既能準(zhǔn)確控制中線膠施加量，又不影響微波檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

綜上所述，濾棒成型中線膠流量監(jiān)控是保障爆珠細(xì)支濾棒質(zhì)量的必要手段。故而成型機(jī)中線膠在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用就顯得格外重要。

2 改進(jìn)方法

目前，國內(nèi)濾棒成型機(jī)中線膠檢測(cè)技術(shù)種類較多，基于各種工作原理，都起到了一定的作用，也有各自的弊端。文章首先對(duì)幾種常見的方法進(jìn)行分析。

2.1 當(dāng)前在線監(jiān)控技術(shù)分析

激光傳感器和電容傳感器方式、閥門式流量計(jì)；其中閥門式流量計(jì)由于需要改造中線膠管道、存在堵塞隱患，施工成本高、加劇潛在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，故不在文中進(jìn)行贅述。

CCD 攝像頭：

工作原理是在成型機(jī)盤紙尾引輥附近安裝CCD攝像頭和輔助光源，完成盤紙涂膠面的實(shí)時(shí)成像；然后利用圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)涂膠區(qū)域分辨，在圖像控制器中根據(jù)顏色和濃淡狀態(tài)、邊緣的明暗變化方向、邊緣敏感度、邊緣檢測(cè)范圍、邊緣缺陷檢測(cè)等檢測(cè)工具檢測(cè)分析紙帶是否有中線膠。由于該技術(shù)直觀、簡便，得到廣泛應(yīng)用，但其固有的檢測(cè)缺陷和弊端也很多，包括：①無法檢測(cè)中線膠施加量；②檢測(cè)性能受到中線膠和成型紙顏色、光密度的嚴(yán)重影響；③輔助光源壽命有限，且對(duì)檢測(cè)性能有嚴(yán)重影響；④檢測(cè)速度有限，在機(jī)臺(tái)高速運(yùn)行時(shí)容易造成漏檢；⑤檢測(cè)性能受環(huán)境光線、粉塵等嚴(yán)重影響。

交班定檢：

在生產(chǎn)過程中交班定檢方式，即：每次交班開機(jī)時(shí)手動(dòng)取樣一分鐘的出膠量并稱重，進(jìn)而判斷整個(gè)機(jī)臺(tái)工作期間的平均施加量，如果達(dá)標(biāo)則整個(gè)班次均不再調(diào)整。該方法由于只檢測(cè)少量樣本，無法實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中因?yàn)榱悴考p、出膠口堵塞等因素導(dǎo)致的中線膠施加量波動(dòng)，存在少膠、漏膠、膠珠、出膠不均勻等潛在批次性質(zhì)量問題。

激光傳感器：

在成型機(jī)盤紙尾引輥附近安裝激光傳感器，通過向盤紙涂膠面發(fā)射激光束并接收散射光束，進(jìn)而判斷中線膠有無和斷續(xù)。其主要缺點(diǎn)在于：①無法檢測(cè)中線膠施加量；②檢測(cè)性能受到中線膠和成型紙顏色、光密度的嚴(yán)重影響，當(dāng)成形紙透氣度較高、光密度較低時(shí)，檢測(cè)效果不明顯；③輔助光源壽命有限，且對(duì)檢測(cè)性能有嚴(yán)重影響；④激光束光斑較小，無法完全覆蓋涂覆區(qū)域。

電容傳感器：

在成型機(jī)盤紙尾引輥附近安裝電容傳感器，通過電容感應(yīng)來檢查盤紙密度，從而判斷中線膠有無、斷續(xù)和施加量。其主要缺點(diǎn)在于：①性能受中線膠密度和成型紙密度的嚴(yán)重影響，當(dāng)上述任一物質(zhì)密度發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)，極易造成誤判；②性能受成型紙抖動(dòng)的嚴(yán)重影響，工程穩(wěn)定性較差；③性能受成型紙含水量的嚴(yán)重影響；④性能受環(huán)境濕度、溫度的嚴(yán)重影響。

綜上所述，以上方法均存在一定程度的局限性，與當(dāng)前的高質(zhì)量高效率的質(zhì)量要求不相符合。爆珠細(xì)支成型濾棒的中線膠在線監(jiān)控系統(tǒng)亟需更高效、更精準(zhǔn)的方法來保證生產(chǎn)過程中的中線膠施加監(jiān)控技術(shù)。

2.2 超聲監(jiān)測(cè)技術(shù)在濾棒成型中線膠上運(yùn)用的優(yōu)勢(shì)

超聲檢測(cè)技術(shù)是繼聲、光檢測(cè)技術(shù)后發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，近年來由于器件水平的發(fā)展，檢測(cè)優(yōu)越性不斷得到體現(xiàn)，檢測(cè)精度也逐步提高；其檢測(cè)原理是：向液體流動(dòng)方向發(fā)送同向和反向超聲波，液體流速越快、同向到達(dá)時(shí)間越短、反向到達(dá)時(shí)間越長，通過計(jì)算兩者時(shí)間之差，即可實(shí)現(xiàn)流量的精確測(cè)量；并且，超聲可穿透非金屬材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)管道外無接觸測(cè)量，不存在管道改造要求和堵塞隱患，施工成本低、安全方便。與上述技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：①精確檢測(cè)中線膠流量；②檢測(cè)速度快，最快響應(yīng)時(shí)間50 ms；③夾鉗式無損安裝方式，無壓損、無管道改造要求、無接觸、無堵塞風(fēng)險(xiǎn)；④檢測(cè)性能不受中線膠密度、顏色的影響；⑤檢測(cè)性能不受環(huán)境溫度、光線、粉塵、濕度的影響。

基于此，超聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可在不破壞原有管線的基礎(chǔ)上開展中線膠流量在線檢測(cè)方法的深入研究，包括：微小流量的無接觸檢測(cè)、膠性液體的穿透性檢測(cè)、隨機(jī)干擾抑制、流量異常預(yù)警等，從而實(shí)現(xiàn)中線膠施加量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示和超門限報(bào)警，減少批次性質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)；在此基礎(chǔ)上，文章還將研究高梯度流量與實(shí)際出膠量的二維數(shù)學(xué)模型、原始數(shù)據(jù)記錄及管理等技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)分析來精細(xì)化工藝管理，達(dá)到濾棒中線膠上膠檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)上的創(chuàng)新。

2.3 超聲監(jiān)測(cè)技術(shù)在中線膠施加上的監(jiān)控驗(yàn)證

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選擇車間現(xiàn)有數(shù)量最多的ZL26 成型機(jī)，運(yùn)用FD-XA1 型流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，以及電子天平輔助驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選用日常生產(chǎn)中涉及頻率最高的流量數(shù)據(jù)，以此作為流量梯度開展驗(yàn)證工作。

首先將流量計(jì)以及數(shù)據(jù)控制采集裝置安裝到位，開啟成型機(jī)進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。

梯度出膠量試驗(yàn)：①按照梯度參數(shù)，修改成型機(jī)出膠量參數(shù)；②分別在上述出膠量下，采用 DAM-3000M 測(cè)試軟件，以“次/100ms”的采樣率持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（期間保證出膠持續(xù)時(shí)間≥1 min）；③重復(fù)①②步驟，連續(xù)采集63 組數(shù)據(jù)；④數(shù)據(jù)分析及建模評(píng)價(jià)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

2.4.1 原始采樣數(shù)據(jù)分析

圖 1、圖 2 分別為不同出膠量梯度下的采樣數(shù)據(jù)，圖中上升平緩段為出膠期間的采樣值，持續(xù)時(shí)間為1 min，數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)為600。圖 1 中平緩段出現(xiàn)較大的波動(dòng)，表明在相同度下，流量計(jì)傳感器響應(yīng)值波動(dòng)較大，從側(cè)面反映出膠量可能存在不穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著出膠量梯度增加，采樣值標(biāo)準(zhǔn)偏差呈增大趨勢(shì)。

圖1 采集數(shù)據(jù)

圖2 采集數(shù)據(jù)

2.4.2 數(shù)學(xué)建模及評(píng)價(jià)

將上述采樣數(shù)據(jù)整理，采用K-S 分類方法按照7 ∶3 比例將數(shù)據(jù)樣本劃分校正集和預(yù)測(cè)集，分別進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和模型預(yù)測(cè)。其中，校正集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為48，預(yù)測(cè)集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為24。圖 3、圖 4 分別為校正集和預(yù)測(cè)集交叉驗(yàn)證圖。由圖可知，模型預(yù)測(cè)得到的出膠量與實(shí)測(cè)出膠量相關(guān)性較好，其R2 達(dá)到0.99。預(yù)測(cè)集出膠量最大偏差為0.44 g/min，最小為0.02 g/min，平均偏差為0.18 g/min。圖3 為20211013-2采樣數(shù)據(jù)，圖4 為20211015-4 采樣數(shù)據(jù)。

圖3 校正集交叉驗(yàn)證圖

圖4 校正集交叉驗(yàn)證圖

另外，將采樣率降低為“次/500ms”，采用上述模型進(jìn)行驗(yàn)證，得到圖5 所示的誤差分布曲線，共計(jì)2 批次12 個(gè)樣品，分別為15、18、20、22、25、28、30（g/600m）梯度下的樣品。由圖可知，其平均誤差為0.35 g/min，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.34 g/min，表明該模型預(yù)測(cè)結(jié)果較好。但在高梯度下（30g/600m），模型表現(xiàn)較差，預(yù)測(cè)偏差出現(xiàn)0.92 g/min。

圖5 低采樣率預(yù)測(cè)值偏差分布

通過上述數(shù)據(jù)分析及模型評(píng)價(jià)可知，采用流量計(jì)檢測(cè)成型機(jī)中線膠出膠量的方式對(duì)于濾棒成型中線膠的在線監(jiān)測(cè)是有效的。另外，通過持續(xù)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，同一梯度下的出膠量具有一定的波動(dòng)性，表明該方式可以反映出膠量的均勻性。能有效規(guī)避膠垢堵塞、膠中氣泡、供膠不連續(xù)等問題。及時(shí)發(fā)現(xiàn)中線膠供膠異常，同時(shí)為中線膠異常追溯提供數(shù)據(jù)支撐。

另一方面，對(duì)設(shè)備運(yùn)行中的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以直觀看出中線膠的施加量與爆珠微波檢測(cè)是否有影響，當(dāng)中線膠施加量達(dá)到某個(gè)值時(shí)，爆珠微波檢測(cè)剔除量增大，說明中線膠施加量過大，爆珠濾棒水分含量超出工藝標(biāo)準(zhǔn)。在杜絕成形紙與絲束粘連不良而引起的濾棒縮頭，和爆珠檢測(cè)精準(zhǔn)度兩個(gè)方面達(dá)到平衡。

3 改進(jìn)效果

通過對(duì)改進(jìn)后的成型機(jī)進(jìn)行持續(xù)3 個(gè)月的跟蹤，每天對(duì)成型機(jī)生產(chǎn)的濾棒抽樣200 支進(jìn)行檢查，均符合質(zhì)量要求，未發(fā)現(xiàn)絲束與成型紙粘貼不良缺陷。同時(shí)跟蹤卷煙機(jī)使用改造后的成型機(jī)生產(chǎn)的濾棒，連續(xù)3 個(gè)月，均未發(fā)現(xiàn)絲束與成型紙粘貼不良質(zhì)量缺陷。在跟蹤的3 個(gè)月中，該系統(tǒng)累計(jì)報(bào)警12 次，及時(shí)提醒操作工中線膠施加量偏大，通過及時(shí)調(diào)整，減少了濾棒剔除數(shù)量，同時(shí)也保障了濾棒產(chǎn)品質(zhì)量。

在細(xì)支爆珠卷煙大受歡迎的市場(chǎng)環(huán)境下，細(xì)支爆珠濾棒的工藝管控是保證細(xì)支爆珠卷煙的產(chǎn)品質(zhì)量的重中之重。超聲監(jiān)測(cè)技術(shù)在中線膠施加過程監(jiān)控上的優(yōu)勢(shì)有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量，大大降低了因中線膠上膠不良而引起的質(zhì)量問題。且該檢測(cè)系統(tǒng)安裝簡便，不存在管道改造，施工成本低，有利于在各種機(jī)型上使用。