基于光学透视技术的智能梗剔除设备的研发应用

苏伟松,张照德,苏吉传

大理卷烟厂复烤车间云南省大理市  671000

摘要：该项目研制一套智能梗剔除设备，在打叶风分段利用光电透视技术，可以精确地将含梗叶片从烟叶流中分离出来，实现规模化分离和精确性分离。智能梗剔除设备可以与打叶风分机组有机结合，可以大幅减少游离叶片的重复打叶，有效降低叶中含梗率，从而提升大中片率和降低烟叶加工损耗。

关键字：智能梗剔除设备；控制系统

一、研究背景

目前，我国烟草行业已形成庞大的产业体系，在国民生产中占有非常重要的地位，为国家的财政收入提供了支撑和保证。近年来，我国调整了烟草行业的结构，提高了烟叶的等级结果和质量要求，促使了中高档烟草制品的比例有显著的增长。在生产过程中烟叶处理是烟草产品生产的三大工艺体系过程之一，其中实现烟叶处理自动化是影响着卷烟生产效率和质量的一个重要的因素。

在烟叶加工行业中，烟叶收集、加工过程跨度大，在收集过程中由于某些原因掺杂进各种各样的杂物，或者因为生产工艺、或者原料成熟度的因素，导致烟叶含梗率较高或产生质量不好的烟叶，这些都会影响烟叶的纯净度，进而对香烟的口味、质量产生很严重的影响，传统的除杂方法是安排大量人力在生产线上进行挑选，通过人工或操作半自动设备将异物分拣出来，而在现代规模化生产要求精度高，速度快，稳定性好，其单纯的人工分拣已经不能满足高速、高强度的流水线作业的要求。企业迫切的需要一种高生产效率的同时要求降低生产成本的策略，满足社会化大生产的要求。

国家局在“十三五”科技创新规划中明确指出，要加强对打叶复烤工艺流程优化再造研究，突破打叶复烤智能化控制。卷烟工业企业对原料要求越来越高，不仅在原料均质化、模块化提出了新要求，而且对烟片的中片率占比、烟片片形、叶中含梗率、出片率等指标提出了更高要求，针对这些新需求，在复烤工艺方面，提出了系统的智能化解决方案，满足烟草行业新发展的需要。工艺目标，采用新型光电技术、数据学习等智能化技术，对打叶复烤生产线关键工序进行升级。在打叶风分段，利用光电透视技术，可以精确地将含梗叶片从烟叶流中分离出来，这项技术与风分器结合之后，可以同时实现规模化分离和精确性分离。达到“提高出片率，控制叶中含梗率”的工艺目的。

二、基于光学透视技术的智能梗剔除设备结构及控制系统

（一）设备工作原理

将烟叶放置在透视光源和光子探测器之间进行拍摄，就会得到烟叶的透视灰度图像，将透视灰度图像滤波与增强后，再将透视图像二值化，识别烟叶是否含有烟梗，并计算烟梗直径，烟梗直径在1.5毫米以上，即为含梗叶片。如图1所示。

图1 光学透视技术成像原理图

通过上述透视图像识别方法，可以将含梗叶片进行精确的识别。再通过压缩空气喷吹的方式，将含梗叶片从烟叶流中分选出来。如图2所示。

图2 智能粗梗识别设备立面示意图

烟叶经过摊薄机形成单层化烟叶流，并进入斜坡滑道。斜坡滑道的正面和背面分别安装了线阵光子探测器和透视光源，当单层化烟叶经过时，拍摄烟叶的透视灰度图像。透视图像在图像处理中心中进行运算，经过滤波、图像增强、二值化等算法，得到二值化图像。再经过烟梗识别的算法，识别烟叶中的烟梗，并计算烟梗直径。若检测到烟梗直径小于1.5毫米的叶片，则该叶片通过斜坡滑道，进入下一级烟叶输送装置，并汇入汇总带。若检测到烟梗直径大于1.5毫米的叶片，则图像处理中心控制喷吹高速电磁阀组，用压缩空气将含梗叶片喷吹进入剔除通道烟叶输送装置，经过落料器后，含梗叶片返回第二级打叶器。从而完成含梗叶片的精确分离。进智能粗梗识别设备的物料摊薄均匀，确保剔除动作准确、可靠；杜绝堵料现象。配置的喷吹阀294只，喷嘴口径2mm，按两行排列布局。系统采用的光源安全、可靠，无泄漏；保养维护方便、安全。

（二）智能梗剔除设备控制系统

单机自带控制系统，主要是采用工控机为控制核心，控制透视光源、光子探测器、高速电磁阀、电源、气压传感器、单片机低层控制器等子系统。单机通过PLC的开关信号，与线控系统相连，进行信号连锁。单机控制系统电控柜，放置在智能粗梗识别设备旁，同时需要配置工业以太网CP通讯模块，同上位中控系统进行数据通讯，实现网络的上下层隔离，杜绝网络信息堵塞，负责主控制柜到接线盒，接线盒到智能梗剔除设备内部测量控制元件和执行器件所需的电缆、桥架、安装辅材等的敷设和接线。

（三）设备的主控制系统与配套线控系统

基于光学透视技术的智能梗剔除设备采用一体化工控机作为上位机,采用PLC控制系统，并具备过程控制画面显示、自动监控、生产统计、故障报警功能等特点。主要器件均采用国际知名品牌。智能梗剔除设备的控制系统包括控制柜、PLC、HMI、桥架电缆、电气驱动、内部网络、系统控制所需的软件、通讯接口等。

三、基于光学透视技术智能梗剔除设备的工艺路线

智能梗剔除设备安装在5、6风分器与汇总带之间。其目的是将5、6风分器风选出来的烟片经过智能梗剔除设备处理后，合格烟片进入汇总带，不合格的含粗梗烟片送回到2打机组。

图3工艺路线

项目实施的两个工艺路径，分别为：

（一）一打5、6风分器强分。首先在一打5、6风分器进行强力风分，从5、6风分器出来的烟片经过智能梗剔除设备，将烟叶中含梗叶片精确剔除下来，剔除下来的含梗叶片进入第二级打叶器，合格的烟片进入汇总带。

（二）一打1-4风分器弱分。适当降低一打1-4风分器的风分效率，降低1-4风分器分离出来的烟片的叶中含梗率，同时保证大中片率保持稳定。

四、实施效果

智能梗剔除设备在红塔集团大理卷烟厂复烤车间12000kg生产线上安装应用后，效果显著。智能梗剔除设备可以将直径1.5毫米以上含梗叶片精确分离，可以与打叶风分机组有机结合，可以有效降低叶中含梗率。智能梗剔除设备可以与打叶风分机组有机结合，可以大幅减少游离叶片的重复打叶，从而提升大中片率和降低烟叶加工损耗。通过实验验证可知，智能梗剔除设备大中片率平均能够提升1%以上，扣除烟梗影响出片率平均能够提升0.2%以上，同时可以将叶中含梗率下降20%以上，其中烟梗直径在2.38mm以上的叶中含粗梗率下降50%以上，含梗叶片识别剔除精度≥95%，智能梗剔除设备误剔率≤5%。

参考文献：

[1]基金项目：红塔烟草（集团）有限责任公司大理卷烟厂科研项目《智能梗剔除设备的开发与应用》（DLGC2022-09）.

[2] 打叶复烤线叶梗分离段节能降耗的方法及成效[J]. 孙纪周,彭勇,卢友良,徐舟. 节能. 2013(07) .

[3] 基于光学剔梗方法的打叶工序叶梗分离工艺[J]. 张辉,刘斌,席建平,朱文魁,王先义,王艺斌,吴文强,黄岗. 烟草科技. 2017(02).

作者简介：张照德（1969.11），男，白族，云南省大理市人，工作单位：红塔集团大理卷烟厂，职称：工程师，研究方向：机械自动化。