电气自动化技术在烟草在线异物剔除工艺中的应用

张民

江苏中烟南京卷烟厂 江苏南京 210000

烟草在线异物剔除技术应用于烟草生产线上，烟草在线异物剔除系统能否实现其性能，主要由以下两个因素决定：首先是系统能否在所摄的图像当中准确地识别出烟草和异物；其次是系统的检测速度能否满足生产线上对实时性的要求。

1 烟草异物的识别方式

通常我们采用辨别异物形状，色度的方式：根据拍摄图像中各个像素点的色度差异，如 R（红）、G（绿）、B（蓝）分量差异，对该像素点处烟草或者异物进行判断，特别是异物，类型多种多样，并且在色度方面不可避免的会与烟草之间产生重叠，这将对二者的分别带来较大的难度。对此，针对二者间的区别提出了一种新型的识别方式，并且较为简单有效。其基本原理为通过反射光谱测定仪对烟草的反射光谱特征进行测定，绘制光谱曲线，从该曲线图中能够看出，当烟草处于可见光波段时，其反射峰值与黄色光的波段较为贴近，而麻绳、纸片、橡胶等异物则不具备此种特征。

在增强烟草和大多数异物色度差的同时，上述方法的一个副作用是：用这种方法，对烟草和颜色接近烟草的黄色异物，不仅难以直接从像素点的色度值上区分，而且由于加了蓝色滤色片进行摄像，会使红、绿两个色度分量的信息基本丢失，使两者的识别更加困难。这一问题可用以下的方法来解决。系统设计中所采用的摄像机是2098×3像素的彩色CCD摄像机，包含3条2098×1的线阵CCD，3条CCD前分别加了红、绿、蓝3种颜色的滤色片以形成彩色图像。这样，若首先只采用蓝色通道的数据来构成图像，就相当于等价地实现了上述的增强烟草异物色度差的作用，这样就可以识别出烟草和色度不偏黄的异物。对用以上方法没有识别出来的烟草和色度偏黄的异物，再用R、G、B3个通道的数据构成图像来对两者进行识别。

2 烟草异物在线检测与剔除的系统设计

2.1 激光扫描法

激光扫描方式主要是按照每种物质特有光学特性来设计的，通常情况下，烟草与异物在漫反射中产生的光线具有不同的光谱特征。在此基础上，能够对二者的属性进行判断，在此种思想上，德国 HAUNI 公司设计了 TOBACCOSCAN 系统，该系统主要包括激光扫描单元、机架装置、电控单元以及辅助设备。其中，机架设备属于该系统的机械框架，由不锈钢结构组合而成，使产品能够按照规定方式通过检测区域。传送带装置能够将生产线中低速烟叶物料进行加速，并且平稳剔除，使检测物料的平稳性提升。在该系统中属于双层传送带系统，能够保障烟叶在加速的状态下平稳移动，采用高压空气喷射的方式将异物剔除。在接收方面，主要包括烟叶舱和异物舱，能够将检测出来的异物通过不同的渠道送往后续的生产环节当中。

整个系统的核心部分为激光扫描单元，担任系统：“眼睛”的角色。扫描光源使用的是红、绿、蓝三种颜色的光束，并且将其汇集到多棱镜中，多棱镜共具备10个面，并且以 1200rpm 的速度旋转，使激光被扩展成一个“光帘”，扫描频率为 2000Hz。

2.2 CCD摄像法

此种方式主要采用 CDD 摄像机，对烟叶以及异物的颜色进行获取，并且对图像进行的加工和处理，实现对烟叶和异物的识别，进而将异物剔除。在此基础上，美国 SRC VISION 公司研制出一款系统，该系统的工作过程有以下几个方面。第一，图像拍摄。将烟叶通过生产线输送到输出端中，在风压装置的影响下，以高速抛射，当烟叶属于悬空状态时，利用 CDD 摄像机进行连续的拍摄，获取烟叶与异物相混合的图像。第二，图像采集，通过采集卡将图像以数字的形式存储到内存当中。第三，图像识别，这属于系统中较为核心的部分，处理器将根据二者之间在参数方面区别，对其进行识别。第四，信号传输。当对二者进行彻底的识别

和判断之后，将异物位置信号传输到气动喷嘴中。第五，异物剔除。当喷嘴在接收到信号之后，将开启相应的电磁阀，进而喷射出高压空气将异物剔除，如此反复直至异物被全部分离出来。

3 系统实时性的实现

检测速度是自动化检测系统的一项重要指标。安装在烟草生产线上的烟草在线异物剔除系统，其检测和对异物的剔除速度必须超过生产线其他环节的处理速度，否则将成为整条生产线的“瓶颈”。检测系统在烟叶流悬空期间，在 15-20cm 的距离上完成从图像摄取、传输、识别处理直至异物剔除的整个工作过程，大致为3点，分别为：1）内存的直接操作技术；在Windw os 2000操作系统中，通过虚拟地址来得到物理内存的方法不能完成对物理内存的直接访问操作。为解决这个问题，笔者基于图像采集卡的开发库提出了一种直接访问物理内存的方法具体实现过程为：先通过库函数bufAllocate 完成对连续物理内存的分配，然后使用库函数MbufIn2quire 获得所分配物理内存的经过分页分段处理后得到的线性地址或虚拟地址。由物理内存得到的线性地址或虚拟地址是相对固定的，可以直接使用。这样就可通过编程实现对物理内存的访问操作；2）双缓存技术：具体方法为：首先在系统中分配两块属性一样的内存区A、B，当A在接收采集卡的数据的同时，图像处理与识别系统以异步的方式处理内存块B的数据。只要处理速度足够快，能够保证处理完一内存块的时间 （Tp） 总是比采集满一内存块的时间 （Tg） 少，即始终满足关系式Tp ＜ Tg，那么就可以通过软件实现处理与采集的切换工作，以实现连续不断的采集与处理同时工作；3）双面检测技术：CCD光路处烟叶可能不是单层，为了避免漏检异物，采用双面检测技术在烟草流的上下两面进行摄像，然后综合起来进行判断是否有异物，减小误判率。

4 结语

采用的这些电气自动化技术，对烟草在线异物剔除系统样机的开发成功会有非常大的作用，无疑会对烟草工业自动化设备的国产化做出贡献。当然它在烟草的整个生产线上只是一个环节，要彻底解决实际问题，还要不断发现问题，完善功能。