快速诊断频闪系统在烟草行业中的应用

2014-07-01曾清袁利强颜西斌

机械工程师 2014年5期

曾清，袁利强，颜西斌

（1.广东中烟工业有限责任公司梅州卷烟厂，广东梅州514011；2广西中烟工业有限公司，南宁530001；3.广西中烟工业有限责任公司柳州卷烟厂，广西柳州545000）

快速诊断频闪系统在烟草行业中的应用

曾清1，袁利强2，颜西斌3

随着我国烟草设备自动化程度的不断提高，对于卷烟产品质量提出了更高的要求，同时也给操作、维修人员快速准确判断产品缺陷产生的原因及部位提出了挑战。基于频闪的摄像、高速成像以及视频技术，借鉴频闪技术已在军工、航天、印刷包装、船舶制造等行业领域广泛应用实例和先进理念，研制快速诊断频闪系统，应用于烟草工业企业制丝线及卷接包设备上（该装置具有频率自动跟踪特性，具备静态、低速柔和照明及高速静像照明、轨迹跟随状态等功能）。它可以辅助操作、维修人员以一种“静止”的状态观察到快速“重复”运动物体的状态，快速准确判断产品缺陷产生的原因及部位，极大地提高工作效率。

快速诊断频闪系统；烟草设备；质量缺陷；轨迹跟随；静止

0 引言

卷烟生产企业对卷烟质量都有非常严格的要求，国家标准对制丝、卷接、包装及嘴棒成型等生产过程中产品的质量缺陷都有严格和明确的要求［1］。由于目前国内使用的烟草设备运行速度都很高，很难在线观察到生产过程中的产品质量缺陷。为了保证卷烟生产质量，生产过程中，往往靠人工抽检取样检测。将快速诊断频闪系统应用于烟草设备，安装到合适的位置，人工可以直接清楚地看到高速运转的烟草设备的运行状况，有利于烟草设备质量监测和控制。

1 存在问题

烟草行业卷烟生产制造过程中，机械运转速度非常快。在卷烟生产设备正常运行状态下，操作工、质检员、维修工等很难直接用肉眼观察到卷烟制品的质量缺陷，同时也很难发现高速运转机械设备的故障，只能采取在人工抽检或机器停止运行时观察。由于机械设备运行速度很快，当发现卷烟制品有缺陷时，有可能已经产生了大量不合格的卷烟制品，并且可能已经流入后续工位，既影响了生产质量，又造成了时间和材料浪费。同时，由于卷烟设备高速运行，机电维修人员在设备维修过程中，也很难直接观察到高速运转的刀头、鼓轮等机械装置的状态。

2 快速诊断频闪系统的工作原理

2.1 系统的视觉原理

人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”。

快速诊断频闪系统工作时可以发出短暂、高频的闪光，若适当调节闪光频率，使其等于构件运动频率的倍数或因数，则可以得到两个或多个位置的静止图像；稍微改变闪光频率，还可以使运动构件作“慢动作”。

利用同步闪光技术与人眼视觉暂留效应，当物体每次运动到某一位置时频闪灯都发出闪光，这样人眼就能够始终看清楚这一位置的图像，而忽略其它图像。当调节频闪灯的闪动频率，使其与被测物体的转动频率或运动速度相同或接近时，被测物体虽然高速运动着，但是看上去却是缓慢运动或相对静止。这种视觉暂留现象使得人通过目测就能轻易观测到高速运动物体的表面质量与运行状况。

快速诊断频闪系统有内触发自动闪光和外触发自动跟踪两种工作模式。内触发工作模式以固定频率闪光或常亮，适合于运动物体速度稳定的场合，或仅用于照明；当物体速度不断变化时，采用外触发模式，通过外接同步信号实现闪光频率对运动物体的自动跟踪。

2.2 系统的电路原理

快速诊断频闪系统是一种特殊的光源设备，它和一般的LED照明产品有很大的不同，最重要的是它可以工作在闪烁状态下，而照明灯要尽量避免闪烁，这使其电路原理和其他LED产品有很大差别。

快速诊断频闪系统由电源、传感器、控制模块、驱动模块、光源等部分组成，如图1所示。

图1

2.2.1 电源模块

电源是设备的重要组成部分，根据卷烟机的安全规范，光源的电源电压不能太高，容易取得又能提供足够的功率，24V标准电压能满足设计需求。

控制模块是低电压工作（一般为5 V），需要将24 V降压处理，可以使用DC-DC降压IC，例如LM2575、MC34063等等；本例选用的是LM2575，只需要很少的外部器件就能稳定工作，原理如图2所示。

图2

传感器和驱动模块一般不需要降压处理，标准的24V电源就可以驱动。

2.2.2 传感器

传感器的选择是很关键的步骤，因为卷烟机的速度比较快，工作环境干扰大，所以最好是选用光电式传感器，例如：倍加福的RL（K）28，它抗干扰强，工作频率高，参数如表1所示。

表1 RL（K）28参数

2.2.3 控制模块

控制模块要完成电路切换、状态监控、频率输出等功能。频闪的功能好坏一定程度上取决于控制模块的好坏，功能较多，使用单片机可以简化电路设计，同时电路的灵活性也更高。能够应用的单片机很多，选用 8位Microchip的PIC系列单片机PIC18F2580。PIC单片机抗干扰能力强，驱动能力强，片上资源丰富，完全胜任频闪灯的任务。选择SOIC28的封装节省PCB板空间，如图3所示。

图3

1）电路切换。因为快速诊断频闪系统不只是工作在频闪状态，它还需要像照明灯一样的常亮功能，频闪电路和常亮电路通常需要隔离供电，所以电路必须切换。切换电路的方法很多，常用的是使用晶闸管、继电器。本方案中使用继电器来实现，继电器在这里比晶闸管有更多的优势，电路简单，控制方便，使用寿命也很长，欧姆龙的继电器如果使用恰当，机械寿命能够达到1000万次，电气寿命10万次以上。继电器的工作原理十分简单，需要注意的是在线圈两端反向并联一个二极管，用来吸收线圈复位时的瞬间高压，1N4148即可，如图4所示。

图4

2）状态监控和频率输出。控制模块需要跟据传感器或电位器的输出信号来计算闪烁频率和方式。传感器的信号输入最好通过隔离再输入到单片机，可以选择光电耦合器来实现，6N137这种高速光耦就很适合。此外频闪灯的手动调节方式需要根据电位器产生精确频率的脉冲信号，可以使用V/F转换IC来实现。LM331就是非常理想的精密V/F转换器，它线性度高，温漂小，可用于制作简洁、可靠的线性频率调制器，LM331工作原理如图5所示。

图5

输出频率fOUT＝（Vin/20.9V）×（Rs/Rl）×1/RtCt。

在图5所示的电路中，外部运算放大器积分过程是通过普通运算放大器和反馈电容CF实现的，当积分器的输出达到LM331第6脚预定的阀值电平时，预定周期被初始化。

2.2.4 驱动模块

LED的驱动方式主要有恒压和恒流，跟据LED的特性曲线和温度曲线，恒流方式更适合用来驱动LED。市场上有很多种驱动LED的恒流IC，国内的品牌价格便宜，但是性能较差，国外品牌价格较高，性能较好，本例选用TEXAS INSTRUMENTS的LM3401驱动IC，LM3401驱动电流大，工作稳定可靠，它的工作原理如图6所示。

图6

LM3401工作原理是控制Q1的开关占空比输出想要得到的负载电压，负载电流由反馈电阻R1反馈的电压经过内部基准源比较控制。在VIN端接一个MOS管到地，可以控制驱动器的工作或关闭。关闭时驱动器有一个关闭电流，大小在微微安以下。

3 卷烟设备上快速诊断频闪系统的设计

卷烟机快速诊断频闪系统的设计主要有2种方式：从卷烟机上取信号方式和手动调节方式。

3.1 从卷烟机上取信号的方式

在PROTOS70卷接机组的刀头和鼓轮区的保护罩或支架上安装将4个频闪灯，安装位置见图7和图8，取消原位置的照明灯，在刀头保护罩上开孔安装有机玻璃观察窗。取卷接机组时钟脉冲（双倍烟支DCP脉冲）作为频闪灯的外触发信号；CPU对DCP和MCP脉冲进行计算，并通过驱动模块控制各个频闪灯的闪亮频率与所照射区域的烟支或齿轮的运动频率同步（表2）。

图7 PROTOS70刀头频闪灯位置图

图8 PROTOS70接装机频闪灯位置图（1、2、3、4为频闪灯）

表2 频闪灯照射区域及物料运动频率

根据各个频闪灯工作频率的不同，电路控制上将4个频闪灯分为3组（图9）。系统工作流程如图10所示，CPU对DCP脉冲信号进行计算并控制系统的工作模式。当DCP频率小于15 Hz时，卷接机组速度很低，为避免频闪灯对眼睛的刺激，频闪系统未正常启动，频闪灯工作于内部触发模式，所有LED灯常亮，作为一般光源照明。当DCP频率不低于15Hz时，这时卷接机的速度已经提高，频闪灯对眼睛的刺激已经很小，频闪系统启动，控制3组LED频闪灯以各自的给定频率闪亮，由于给定频率由卷接机组DCP和MCP信号计算而得，所以很好地实现了各LED频闪灯与所照射烟支或齿轮运动频率的自动同步，视觉就会产生静止或慢动作。

图9 PROTOS70卷接机组频闪灯系统电路图

图10 取DCP方式工作流程图

3.2 手动调节方式

快速诊断频闪系统的机械安装方法、位置和第1种方式完全一致，只是不用从卷烟机取DCP信号，没有外部触发模式，这种方式的频闪灯安装更为方便，系统改动更小。

首先通过快速诊断频闪系统的外接控制盒把该系统设置在“频闪”模式，旋转调频的电位器，使闪烁频率接近卷烟机转速的整数倍时，就会看见烟支的静止或慢动作效果。为了使观察效果明显，可以在要观察的鼓轮或齿轮上贴一个醒目的小标签，通过观察标签的静止或慢动作状况来指示频闪灯和卷烟机的运动关系。

由于快速诊断频闪系统自带记忆功能，所以设置一次频率，下次相同转速的时候就不用再调节频率。

4 应用效果

改进后，PROTOS70卷接机组高速旋转的刀头和鼓轮看起来运动缓慢，频闪灯照射部位高速运动的烟支或滤嘴看起来相对静止。通过人的肉眼观察，可以清晰地看到刀头切割烟条的动作和烟支在鼓轮上传送和鼓轮间传递的状态，极大地方便了操作工在线监控烟支质量和维修工查找、解决设备故障。减小了产生大量不合格烟支的可能性，提高了产品质量，降低了物耗，缩短了设备维修时间，提高了设备效率。

不仅是PROTOS70卷烟机可以使用快速诊断频闪系统，它的频率可以达到1 kHz甚至更高，相当于卷烟机的120 000支/min，目前速度最快的卷烟机速度为20 000支/ min，所以频闪灯可以用在PROTOS80、PROTOS90E或者其它型号的各种卷烟机上。同时可以用在KDF2、KDF3等嘴棒成型机上，观察嘴棒生产情况，以及制丝线上，观察制丝生产情况及设备使用情况。