垂直风送片烟多光谱异物剔除系统的设计

马 亚，杨白凡，杭建军

1.贵州中烟工业有限责任公司贵定卷烟厂，贵州省贵定县庆云路1 号 551300

2.恒森烟草机械有限公司，江苏省徐州市杨山路99 号 221000

3.南京图治自动化科技有限公司，南京市秦淮区仓巷137 号 210004

烟叶中所含的非烟类杂物，在燃烧过程中会产生有害物质，对卷烟产品内在品质影响较大［1］。烟草行业早期采用抛落抽风等方式将与片烟悬浮速度差异较大的杂物剔除［2-3］，但设备运行不稳定，且对于悬浮速度与片烟相近的杂物难以剔除。目前基于光电原理的非烟类杂物在线剔除设备已在打叶复烤和制丝加工过程中广泛应用，成为卷烟品质控制的重要设备之一。国内使用的主流烟草异物剔除系统，以美国KEY 公司TS3 系列光电除杂机和比利时BEST 公司Helius 系列激光除杂机为代表［4-6］，该类光电除杂设备采用带式输送，带速一般不超过5～6 m/s。由于物料的摊铺密度较高，杂物不可避免地会被烟叶夹带，限制了剔除率的进一步提升。而且，该类除杂机采用压缩空气喷吹剔除杂物，当剔除石块、金属等重质杂物时，由于被剔除物密度高、表面积小、惯性大，其运动轨迹很难被喷吹气流所改变，因此重质杂物难以被有效剔除。为防止金属等硬质杂物流入到切丝工段，损坏切丝机等生产设备，很多卷烟厂在配备光电除杂设备的同时，还配套安装了风选装置，由此造成设备占地面积大、能耗高、维护保养工作量大等问题。采用低能X 射线、可见光成像方式检测青霉烟和杂物的片烟精选系统［7-8］，以及高压气体喷吹剔除方式，也无法有效剔除重质杂物。光谱分选技术应用于纺织、食品、塑料、矿物等领域，取得了良好除杂和分选效果［9-10］。为此，将风选与光谱分选技术相结合，设计了一种采用紧凑式垂直风送结构的片烟异物剔除系统，以实现重质杂物与轻质杂物的分类分选，提高非烟类杂物的剔除率。

1 系统设计

1.1 系统组成

基于风选和光谱分选原理设计的垂直风送片烟异物剔除系统，主要由进料振槽、重物风分室、垂直风送管道、光谱检测剔除单元、料气分离装置等部分组成，见图1。其中，片烟垂直风送管道4采用矩形截面，长1 200 mm，宽160 mm。在重物风分室7 中，额定设计风速为5 m/s，采用变频风机使风速在4～6 m/s 之间可调，保证金属、石块等重质杂物不能悬浮而落入重物风分室底部。重物风分室上方的垂直风送管道中，管道截面收窄至160 mm，风速增加至20 m/s，片烟被提速、拉薄后通过光谱检测剔除单元3。系统设计流量为6 000 kg/h，拉薄后的片烟摊铺密度为69.4 g/m2。在通往料气分离器的拐角弯道中，转弯半径设计为800 mm，以尽量减少片烟在通道内的造碎。料气分离装置6采用切向落料器，配置两台离心式风机。料气分离后占总风量10%的空气及灰尘进入除尘房，剩余的90%风量经管道重新送回重物风分室循环使用。

图1 垂直风送片烟异物剔除系统结构图

在生产过程中，经前级处理后流量均匀的片烟喂入进料振槽2，进一步均匀摊铺后经进料气锁抛入重物风分室7。其中，较重的杂物、结团烟块等因不能悬浮而掉落至重物风分室底部，由气锁排出到重质杂物收集箱8。悬浮的片烟在风速带动下进入垂直风送管道，被提速、拉薄后到达光谱检测剔除装置的成像区域，经过光源照明、图像拍摄、光谱图像处理后辨识出非烟类杂物和不合格成分。当片烟运动到光谱检测剔除装置的剔除口时，非烟类杂物和其他不合格成分被压缩空气喷吹至剔除料斗5 内，经气锁落到轻质杂物收集箱9。合格片烟由风送管道输送至料气分离装置6，实现片烟和气流分离，再经气锁送至出料输送机10，并进入后续工段。

1.2 多光谱检测单元

该单元主要由相机、光源和图像采集系统组成，实现片烟多光谱图像的拍摄和采集。采用两台基于棱镜分光的4 CCD 线扫描相机对片烟进行高速扫描成像，扫描频率为16 700 Hz，CCD 靶面具有1 024 个14 μm 像元。每台相机覆盖风送通道的宽度为600 mm，水平分辨率为0.6 mm/pixel，垂直分辨率为1.2 mm/pixel。相机采用硬涂层分光棱镜，将同一镜头同一光路入射的光线分割为红（R）、绿（G）、蓝（B）、近红外（NIR）4 个光谱带，并同时投射到4 片CCD 传感器上，分别感应可见光和近红外波段。

采用高功率白光LED 和850 nm 近红外复合光源对片烟进行照明，同时获取片烟的可见光和红外光谱图像。在可见光图像中，主要依据颜色、纹理、形状等图像特征对片烟进行辨识，可以识别出大多数非烟类杂物和青杂烟。对于与片烟颜色相同或相似的成分，如霉变烟叶、麻绳、黄色卡纸、标签等，通过增加红外光谱分量，可以进一步改善系统对不合格成分的检测效果。

1.3 开放式检测通道

检测通道采用气流平衡的开放式设计，见图2a。在光谱成像区域，管道材料采用透明有机玻璃，光源可以透过有机玻璃照亮片烟。在正对成像光路的有机玻璃通道位置上，开一道宽度为10 mm 的水平狭缝。线扫描相机通过该狭缝，直接对片烟进行扫描成像。调节风机风量可以使狭缝下部管道的风压略大于大气压，调节气料分离装置的抽风风量可以使狭缝上部管道的风压略小于大气压。在正压和负压的过渡区域，即狭缝成像位置，气流压力与大气压力基本保持平衡。由于狭缝区域的压差接近于零，使得该区域基本无片烟和灰尘溢出，因此提高了片烟成像清晰度，降低了有机玻璃的清洁维护需求。为保证设备工作稳定可靠，光学系统采用了二次密封结构（图2b），每个相机和光学反光镜被密封在一个小视频箱中，两个视频箱放置于视频柜内。

1.4 图像处理算法

图2 开放式检测通道及光路系统结构图

图像处理过程分为两个阶段，第一阶段进行片烟光谱特征分类建模［10-11］，第二阶段为实时图像辨识和剔除控制。对片烟光谱特征分类建模是一个逐渐收敛的反复循环过程，见图3a。首先连续采集多幅片烟多光谱图像，依据背景颜色和灰度范围进行分割，将片烟与背景区分开。然后将每个片烟像素的R、G、B、NIR 数据及图像纹理统计值作为提取特征样本［12］，以高维向量的形式存入片烟特征样本库。当样本库积累到一定规模后，合格片烟的光谱特征数据具有一定的连续性和相似性，分布相对集中。由于杂质数量较少，种类繁多，分布较离散，因此光谱特征在样本库中出现的概率较小。在制丝生产过程中，杂物含量一般在十万分之一数量级，由此估算并确定一个先验概率阈值，将所有特征样本划分为片烟特征样本和杂物特征样本。依据这一概率分类样本，采用支持向量机（Support Vector Machine，SVM）进行分类训练［13-14］，获得具有良好推广能力和泛化能力的分类器。使用该分类器对片烟图像进行实时辨识尝试，统计辨识后的杂物出现频率。如果杂物出现频率过高，说明特征样本库的规模不够，建模程序继续进行特征提取以丰富特征样本库。反复这一过程，使得最后的杂物出现频率逐渐降低到可接受范围，至此完成片烟光谱特征分类建模。

图3 烟叶光谱特征分类建模和图像辨识

片烟光谱特征分类建模完成后，系统即可进行杂物检测和剔除，见图3b。采集的图像首先依据背景颜色及灰度范围进行分割，分割后的片烟像素采用上述分类器进一步划分为合格像素和杂物像素。根据杂物像素的分布形状和尺寸大小确定其是否需要被剔除。如果需要剔除，则将杂物位置进行定位，并向剔除阀发出剔除请求指令。

1.5 剔除控制和剔除保护

在垂直风送管道中，由片烟和空气组成了两相流。由于管道采用1 200 mm×160 mm 矩形截面，风速在20 m/s 左右，雷诺数较高，管道内气流呈湍流状态［15］。片烟除具有垂直向上的速度外，还具有水平风向的速度分量。在输送过程中片烟姿态会发生变化，片烟速度与风速相比也有一定的滞后性，因此这些不确定性会影响剔除的准确度。在实验设备中，成像区域到剔除区域的距离为400 mm，片烟从成像到剔除的延时约为20 ms。实验中发现，在不同气料比下，剔除准确率存在差异。在较小片烟流量下，特别是低于10%的额定流量下，剔除准确率较低，只有60%，随着片烟流量的增加，剔除准确率逐渐增加。当达到额定流量时，剔除准确率在90%以上，这说明管道内的湍流状态在低流量时对片烟的输送速度影响较大。

剔除装置通过喷吹压缩空气的方式实现杂物剔除。如果剔除频率过高或喷吹时间过长，向管道内补充的气量就会过多，进而对管道内的风场产生影响，甚至造成堵料。为此采用令牌桶算法对剔除动作进行限制，见图4。采用一个固定容量的令牌桶存放若干令牌，将令牌作为杂物剔除请求的许可标志。系统以固定速率（如每秒钟一次）向桶内注入令牌直至令牌桶存满。当接收到图像处理单元的一次杂物剔除请求时，首先从桶底取出一个令牌，以使剔除请求获得许可，只有获得许可的剔除指令才能操作剔除电磁阀进行喷吹剔除。如果接收到剔除请求时令牌桶是空的，因为无令牌可取，则当前剔除请求被忽略。因此，通过调节令牌桶内令牌的产生速率，可以实现对平均剔除率的限制；调节令牌桶的深度，即令牌的存储容量，可以满足多个杂物瞬时突发剔除的需求。

图4 基于令牌桶算法的剔除控制

2 测试实验

2.1 实验设计

材料:贵州中烟贵定卷烟厂“黄果树（软02）”配方片烟，每批次4 000 kg。仪器:YQ-2 型烟丝振动分选筛（郑州烟草研究院），SECURA213-1CN 型电子天平（感量0.01 g，德国赛多利斯公司），EO240 烘箱（德国宾得公司），XK3190-A1 型电子秤（精度III 级，上海耀华称重系统有限公司）及杂物标靶（自制，分为轻质和重质两种）。轻质杂物标靶根据片烟中实际典型杂物，并参照KEY 公司和BEST 公司除杂机测试所用杂物标样进行制作，共10 种样本，每种10 个，共计100 个样本，见表1。采用螺丝、石块、铝片、橡胶、铁丝共5 种材质模拟重质杂物标靶，每种10 个，共计50 个样本。

在正常生产过料过程中分3 次对设备入口和出口片烟进行采样，测定片烟含水率和片烟结构，并于过料结束后收集该批次所剔除杂物进行定性评价。从分选后的物料中分3 批各取100 kg 片烟，均匀掺入上述轻质和重质杂物标靶共计150 个，在异物剔除设备前按6 000 kg/h 流量人工均匀装料。计算公式为［7］:

表1 轻质杂物标靶

剔除率=（实际剔除的杂物数/投入的总杂物数）×100%

重质杂物风分片烟带出率=（重质杂物收集箱中的片烟质量/投料片烟总质量）×100%

轻质杂物剔除片烟带出率=（轻质杂物收集箱中的片烟质量/投料片烟总质量）×100%

相同测试重复3 次，取3 次的平均值作为综合评测数据。

2.2 测试结果

（1）系统风力输送对片烟含水率的影响见表2。可见，由于风送通道采用循环风方式，只有总风量的10%（约1 300 m3/h）由补风风机进入风送通道，对片烟含水率基本没有影响。

（2）系统风力输送对片烟造碎的影响见表3。可见，分选前后片烟的大中片率基本无变化，碎片率和碎末率无明显增加。与烟丝风力输送相比，片烟含水率高，且具有一定的结构强度，因此不容易产生造碎。

表2 风力输送前后片烟含水率变化

（3）重质和轻质杂物的分选测试结果见表4。可见，重质杂物平均剔除率为98.0%，轻质杂物平均剔除率为85.6%，总杂物剔除率为89.8%；重质杂物平均风分片烟带出率为0.34%，轻质杂物平均剔除片烟带出率为0.61%，总片烟带出率为0.95%。经测试，4 000 kg/批次片烟分选后，轻质杂物收集箱中收集到片烟14.5 kg，人工从中挑选出非烟类杂物59.7 g，轻质杂物剔除带出率为0.36%。

表3 风力输送前后片烟结构对比 （%）

表4 重质杂物和轻质杂物的分选效果 （%）

3 结语

采用垂直风送片烟异物剔除系统，有效解决了片烟中重质杂物与轻质杂物的分离和剔除问题。在光谱除杂段，片烟输送速度达20 m/s，而传统带式除杂机的最高片烟输送速度仅为5～6 m/s。与相同流量（6 000 kg/h）和输送宽度（1 200 mm）的TS3 480 型带式除杂机相比，片烟摊铺密度仅为后者的1/4，避免了杂物的夹带裹挟，提高了杂物的识别率。采用气流平衡开放式检测通道设计，基本杜绝了灰尘和烟末对成像清晰度的影响，降低了清洁维护的频率和要求，提高了设备的工作效率。但是，受管道风速变化、湍流以及不同密度物料输送速度的影响，垂直风送片烟异物剔除系统的剔除准确性仍有待提高。通过实时测量管道内片烟速度，开展杂物识别和跟踪算法研究等可进一步提高杂物的有效剔除率。

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