快速診斷頻閃系統(tǒng)在煙草行業(yè)中的應(yīng)用

曾清， 袁利強， 顏西斌

（1.廣東中煙工業(yè)有限責任公司梅州卷煙廠，廣東梅州514011；2廣西中煙工業(yè)有限公司，南寧530001；3.廣西中煙工業(yè)有限責任公司柳州卷煙廠，廣西柳州545000）

快速診斷頻閃系統(tǒng)在煙草行業(yè)中的應(yīng)用

曾清1， 袁利強2， 顏西斌3

（1.廣東中煙工業(yè)有限責任公司梅州卷煙廠，廣東梅州514011；2廣西中煙工業(yè)有限公司，南寧530001；3.廣西中煙工業(yè)有限責任公司柳州卷煙廠，廣西柳州545000）

隨著我國煙草設(shè)備自動化程度的不斷提高，對于卷煙產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求，同時也給操作、維修人員快速準確判斷產(chǎn)品缺陷產(chǎn)生的原因及部位提出了挑戰(zhàn)。基于頻閃的攝像、高速成像以及視頻技術(shù)，借鑒頻閃技術(shù)已在軍工、航天、印刷包裝、船舶制造等行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用實例和先進理念，研制快速診斷頻閃系統(tǒng)，應(yīng)用于煙草工業(yè)企業(yè)制絲線及卷接包設(shè)備上（該裝置具有頻率自動跟蹤特性，具備靜態(tài)、低速柔和照明及高速靜像照明、軌跡跟隨狀態(tài)等功能）。它可以輔助操作、維修人員以一種“靜止”的狀態(tài)觀察到快速“重復(fù)”運動物體的狀態(tài)，快速準確判斷產(chǎn)品缺陷產(chǎn)生的原因及部位，極大地提高工作效率。

快速診斷頻閃系統(tǒng)；煙草設(shè)備；質(zhì)量缺陷；軌跡跟隨；靜止

0 引言

卷煙生產(chǎn)企業(yè)對卷煙質(zhì)量都有非常嚴格的要求，國家標準對制絲、卷接、包裝及嘴棒成型等生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷都有嚴格和明確的要求［1］。由于目前國內(nèi)使用的煙草設(shè)備運行速度都很高，很難在線觀察到生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。為了保證卷煙生產(chǎn)質(zhì)量，生產(chǎn)過程中，往往靠人工抽檢取樣檢測。將快速診斷頻閃系統(tǒng)應(yīng)用于煙草設(shè)備，安裝到合適的位置，人工可以直接清楚地看到高速運轉(zhuǎn)的煙草設(shè)備的運行狀況，有利于煙草設(shè)備質(zhì)量監(jiān)測和控制。

1 存在問題

煙草行業(yè)卷煙生產(chǎn)制造過程中，機械運轉(zhuǎn)速度非常快。在卷煙生產(chǎn)設(shè)備正常運行狀態(tài)下，操作工、質(zhì)檢員、維修工等很難直接用肉眼觀察到卷煙制品的質(zhì)量缺陷，同時也很難發(fā)現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)機械設(shè)備的故障，只能采取在人工抽檢或機器停止運行時觀察。由于機械設(shè)備運行速度很快，當發(fā)現(xiàn)卷煙制品有缺陷時，有可能已經(jīng)產(chǎn)生了大量不合格的卷煙制品，并且可能已經(jīng)流入后續(xù)工位，既影響了生產(chǎn)質(zhì)量，又造成了時間和材料浪費。同時，由于卷煙設(shè)備高速運行，機電維修人員在設(shè)備維修過程中，也很難直接觀察到高速運轉(zhuǎn)的刀頭、鼓輪等機械裝置的狀態(tài)。

2 快速診斷頻閃系統(tǒng)的工作原理

2.1 系統(tǒng)的視覺原理

人眼在觀察景物時，光信號傳入大腦神經(jīng)，需經(jīng)過一段短暫的時間，光的作用結(jié)束后，視覺形象并不立即消失，這種殘留的視覺稱“后像”，視覺的這一現(xiàn)象則被稱為“視覺暫留”。

快速診斷頻閃系統(tǒng)工作時可以發(fā)出短暫、高頻的閃光，若適當調(diào)節(jié)閃光頻率，使其等于構(gòu)件運動頻率的倍數(shù)或因數(shù)，則可以得到兩個或多個位置的靜止圖像；稍微改變閃光頻率，還可以使運動構(gòu)件作“慢動作”。

利用同步閃光技術(shù)與人眼視覺暫留效應(yīng)，當物體每次運動到某一位置時頻閃燈都發(fā)出閃光，這樣人眼就能夠始終看清楚這一位置的圖像，而忽略其它圖像。當調(diào)節(jié)頻閃燈的閃動頻率，使其與被測物體的轉(zhuǎn)動頻率或運動速度相同或接近時，被測物體雖然高速運動著，但是看上去卻是緩慢運動或相對靜止。這種視覺暫留現(xiàn)象使得人通過目測就能輕易觀測到高速運動物體的表面質(zhì)量與運行狀況。

快速診斷頻閃系統(tǒng)有內(nèi)觸發(fā)自動閃光和外觸發(fā)自動跟蹤兩種工作模式。內(nèi)觸發(fā)工作模式以固定頻率閃光或常亮，適合于運動物體速度穩(wěn)定的場合，或僅用于照明；當物體速度不斷變化時，采用外觸發(fā)模式，通過外接同步信號實現(xiàn)閃光頻率對運動物體的自動跟蹤。

2.2 系統(tǒng)的電路原理

快速診斷頻閃系統(tǒng)是一種特殊的光源設(shè)備，它和一般的LED照明產(chǎn)品有很大的不同，最重要的是它可以工作在閃爍狀態(tài)下，而照明燈要盡量避免閃爍，這使其電路原理和其他LED產(chǎn)品有很大差別。

快速診斷頻閃系統(tǒng)由電源、傳感器、控制模塊、驅(qū)動模塊、光源等部分組成，如圖1所示。

圖1

2.2.1 電源模塊

電源是設(shè)備的重要組成部分，根據(jù)卷煙機的安全規(guī)范，光源的電源電壓不能太高，容易取得又能提供足夠的功率，24V標準電壓能滿足設(shè)計需求。

控制模塊是低電壓工作（一般為5 V），需要將24 V降壓處理，可以使用DC-DC降壓IC，例如LM2575、MC34063等等；本例選用的是LM2575，只需要很少的外部器件就能穩(wěn)定工作，原理如圖2所示。

圖2

傳感器和驅(qū)動模塊一般不需要降壓處理，標準的24V電源就可以驅(qū)動。

2.2.2 傳感器

傳感器的選擇是很關(guān)鍵的步驟，因為卷煙機的速度比較快，工作環(huán)境干擾大，所以最好是選用光電式傳感器，例如：倍加福的RL（K）28，它抗干擾強，工作頻率高，參數(shù)如表1所示。

表1 RL（K）28參數(shù)

2.2.3 控制模塊

控制模塊要完成電路切換、狀態(tài)監(jiān)控、頻率輸出等功能。頻閃的功能好壞一定程度上取決于控制模塊的好壞，功能較多，使用單片機可以簡化電路設(shè)計，同時電路的靈活性也更高。能夠應(yīng)用的單片機很多，選用 8位Microchip的PIC系列單片機PIC18F2580。PIC單片機抗干擾能力強，驅(qū)動能力強，片上資源豐富，完全勝任頻閃燈的任務(wù)。選擇SOIC28的封裝節(jié)省PCB板空間，如圖3所示。

圖3

1）電路切換。因為快速診斷頻閃系統(tǒng)不只是工作在頻閃狀態(tài)，它還需要像照明燈一樣的常亮功能，頻閃電路和常亮電路通常需要隔離供電，所以電路必須切換。切換電路的方法很多，常用的是使用晶閘管、繼電器。本方案中使用繼電器來實現(xiàn)，繼電器在這里比晶閘管有更多的優(yōu)勢，電路簡單，控制方便，使用壽命也很長，歐姆龍的繼電器如果使用恰當，機械壽命能夠達到1000萬次，電氣壽命10萬次以上。繼電器的工作原理十分簡單，需要注意的是在線圈兩端反向并聯(lián)一個二極管，用來吸收線圈復(fù)位時的瞬間高壓，1N4148即可，如圖4所示。

圖4

2）狀態(tài)監(jiān)控和頻率輸出。控制模塊需要跟據(jù)傳感器或電位器的輸出信號來計算閃爍頻率和方式。傳感器的信號輸入最好通過隔離再輸入到單片機，可以選擇光電耦合器來實現(xiàn)，6N137這種高速光耦就很適合。此外頻閃燈的手動調(diào)節(jié)方式需要根據(jù)電位器產(chǎn)生精確頻率的脈沖信號，可以使用V/F轉(zhuǎn)換IC來實現(xiàn)。LM331就是非常理想的精密V/F轉(zhuǎn)換器，它線性度高，溫漂小，可用于制作簡潔、可靠的線性頻率調(diào)制器，LM331工作原理如圖5所示。

圖5

輸出頻率fOUT＝（Vin/20.9V）×（Rs/Rl）×1/RtCt。

在圖5所示的電路中，外部運算放大器積分過程是通過普通運算放大器和反饋電容CF實現(xiàn)的，當積分器的輸出達到LM331第6腳預(yù)定的閥值電平時，預(yù)定周期被初始化。

2.2.4 驅(qū)動模塊

LED的驅(qū)動方式主要有恒壓和恒流，跟據(jù)LED的特性曲線和溫度曲線，恒流方式更適合用來驅(qū)動LED。市場上有很多種驅(qū)動LED的恒流IC，國內(nèi)的品牌價格便宜，但是性能較差，國外品牌價格較高，性能較好，本例選用TEXAS INSTRUMENTS的LM3401驅(qū)動IC，LM3401驅(qū)動電流大，工作穩(wěn)定可靠，它的工作原理如圖6所示。

圖6

LM3401工作原理是控制Q1的開關(guān)占空比輸出想要得到的負載電壓，負載電流由反饋電阻R1反饋的電壓經(jīng)過內(nèi)部基準源比較控制。在VIN端接一個MOS管到地，可以控制驅(qū)動器的工作或關(guān)閉。關(guān)閉時驅(qū)動器有一個關(guān)閉電流，大小在微微安以下。

3 卷煙設(shè)備上快速診斷頻閃系統(tǒng)的設(shè)計

卷煙機快速診斷頻閃系統(tǒng)的設(shè)計主要有2種方式：從卷煙機上取信號方式和手動調(diào)節(jié)方式。

3.1 從卷煙機上取信號的方式

在PROTOS70卷接機組的刀頭和鼓輪區(qū)的保護罩或支架上安裝將4個頻閃燈，安裝位置見圖7和圖8，取消原位置的照明燈，在刀頭保護罩上開孔安裝有機玻璃觀察窗。取卷接機組時鐘脈沖（雙倍煙支DCP脈沖）作為頻閃燈的外觸發(fā)信號；CPU對DCP和MCP脈沖進行計算，并通過驅(qū)動模塊控制各個頻閃燈的閃亮頻率與所照射區(qū)域的煙支或齒輪的運動頻率同步（表2）。

圖7 PROTOS70刀頭頻閃燈位置圖

圖8 PROTOS70接裝機頻閃燈位置圖（1、2、3、4為頻閃燈）

表2 頻閃燈照射區(qū)域及物料運動頻率

根據(jù)各個頻閃燈工作頻率的不同，電路控制上將4個頻閃燈分為3組（圖9）。系統(tǒng)工作流程如圖10所示，CPU對DCP脈沖信號進行計算并控制系統(tǒng)的工作模式。當DCP頻率小于15 Hz時，卷接機組速度很低，為避免頻閃燈對眼睛的刺激，頻閃系統(tǒng)未正常啟動，頻閃燈工作于內(nèi)部觸發(fā)模式，所有LED燈常亮，作為一般光源照明。當DCP頻率不低于15Hz時，這時卷接機的速度已經(jīng)提高，頻閃燈對眼睛的刺激已經(jīng)很小，頻閃系統(tǒng)啟動，控制3組LED頻閃燈以各自的給定頻率閃亮，由于給定頻率由卷接機組DCP和MCP信號計算而得，所以很好地實現(xiàn)了各LED頻閃燈與所照射煙支或齒輪運動頻率的自動同步，視覺就會產(chǎn)生靜止或慢動作。

圖9 PROTOS70卷接機組頻閃燈系統(tǒng)電路圖

圖10 取DCP方式工作流程圖

3.2 手動調(diào)節(jié)方式

快速診斷頻閃系統(tǒng)的機械安裝方法、位置和第1種方式完全一致，只是不用從卷煙機取DCP信號，沒有外部觸發(fā)模式，這種方式的頻閃燈安裝更為方便，系統(tǒng)改動更小。

首先通過快速診斷頻閃系統(tǒng)的外接控制盒把該系統(tǒng)設(shè)置在“頻閃”模式，旋轉(zhuǎn)調(diào)頻的電位器，使閃爍頻率接近卷煙機轉(zhuǎn)速的整數(shù)倍時，就會看見煙支的靜止或慢動作效果。為了使觀察效果明顯，可以在要觀察的鼓輪或齒輪上貼一個醒目的小標簽，通過觀察標簽的靜止或慢動作狀況來指示頻閃燈和卷煙機的運動關(guān)系。

由于快速診斷頻閃系統(tǒng)自帶記憶功能，所以設(shè)置一次頻率，下次相同轉(zhuǎn)速的時候就不用再調(diào)節(jié)頻率。

4 應(yīng)用效果

改進后，PROTOS70卷接機組高速旋轉(zhuǎn)的刀頭和鼓輪看起來運動緩慢，頻閃燈照射部位高速運動的煙支或濾嘴看起來相對靜止。通過人的肉眼觀察，可以清晰地看到刀頭切割煙條的動作和煙支在鼓輪上傳送和鼓輪間傳遞的狀態(tài)，極大地方便了操作工在線監(jiān)控煙支質(zhì)量和維修工查找、解決設(shè)備故障。減小了產(chǎn)生大量不合格煙支的可能性，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了物耗，縮短了設(shè)備維修時間，提高了設(shè)備效率。

不僅是PROTOS70卷煙機可以使用快速診斷頻閃系統(tǒng)，它的頻率可以達到1 kHz甚至更高，相當于卷煙機的120 000支/min，目前速度最快的卷煙機速度為20 000支/ min，所以頻閃燈可以用在PROTOS80、PROTOS90E或者其它型號的各種卷煙機上。同時可以用在KDF2、KDF3等嘴棒成型機上，觀察嘴棒生產(chǎn)情況，以及制絲線上，觀察制絲生產(chǎn)情況及設(shè)備使用情況。

5 結(jié)語

快速診斷頻閃系統(tǒng)以提高檢測效率為目的，方便快捷實時檢驗煙支質(zhì)量，同時也監(jiān)視整個煙支卷切傳遞機械的運轉(zhuǎn)狀況，是煙支檢測系統(tǒng)的重要組成部分，同沒有該系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)相比是有質(zhì)的提升，并且安裝靈活，效果明顯，此設(shè)計可推廣應(yīng)用到多家卷煙廠。

［1］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 5606.1-2004，GB 5606.2～5606.6-2005卷煙［S］.北京：中國標準出版社，2004.

［2］ 董祥云，張惠敏，高同啟，等.全國煙草行業(yè)統(tǒng)編教材卷接機組［M］.北京：中國科學技術(shù)出版社，2001.

［3］ 白象忠.可調(diào)頻閃儀的結(jié)構(gòu)及其工作原理［J］.儀器儀表學報，1998（1）：61-66.

［4］ 姜淳，梅鴻.頻閃儀及其在印刷檢驗系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機電工程，2006（2）：19-21.

（編輯立 明）

TS 43

A

1002－2333（2014）05－0127－04

曾清（1967—），男，工程師，從事煙草電氣設(shè)備管理工作.

2014-03-05