烟草机械自动化技术中的实时控制技术探讨

烟草机械自动化技术中的实时控制技术探讨

袁蓓

中国船舶集团公司第 710研究所 湖北 宜昌 443003

摘 要：实时系统作为一种成熟的控制技术因其具有快速反应能力和突出的处理数据能力而被广泛应用到工业生产的每个领域。烟草机械生产中的在线实时光电分拣系统正是通过其先进的机器视觉技术实时采集原材料的图像信息，经过计算机快速的数据处理和准确的控制把烟草中的杂质除去。同时也预示了未来的实时系统将会向着开放、集成的方向发展。

关键词： 实时系统； 烟草机械； 机器视觉技术

0 引 言

当前我国烟草机械行业与国外发达地区相比，在自动化技术应用方面还存在差距。从烟草自动化技术看，中国烟草企业的水平与国际水平的差距很小。从20世纪80年代初期引进国外先进的生产设备开始，国内烟草企业不断将新技术应用于生产工艺，从继电逻辑控制到PLC控制，再到集中监控，发展到管控一体化控制系统。形成底层设备以PLC、IPC、机器人、伺服控制器为核心的自动化，中层以MES为核心的管理信息化，上层以ERP为核心的决策智能化三层网络结构。烟草企业已采用“一网到底”的PROFINET技术，实现了产品的设计化，加工的精细化，控制的智能化，成本的节约化。具体差距体现在：有的自动化技术是成套引进，比如高速卷烟机的微波重量控制技术，高速咀棒机的伺服控制系统软件部分需西门子公司提供，对高速设备电气方面的研究有待深入，为烟草机械的升级换代打好基础。所以与国际水平相比，国内烟草机械在速度、主控系统平台、各专项系统与主控系统融合上，还有一定的差距。

在经历了高科技、信息化的洗礼之后，和其他行业一样烟草机械生产也步入了一个飞速发展的阶段。由于烟草机械生产的环境比较恶劣，对于烟草生产中机械设备的可靠性提出了很高的要求。在经历了不断的尝试、摸索和实践，实时控制系统作为一种高速度、高可靠性的控制方法被广泛的引用到烟草机械行业的各个角落。

1 烟草机械的发展重点及特点

节能主要是从工业活动前端提升能源和资源的有效利用率，从源头减少能源的消耗；环保更多是后端处理，对工业活动日常生活产生的污染物进行处理后，然后排放到自然环境中。在烟草机械节能方面，随着电子齿轮伺服系统、能源综合管理等新技术的出现与成熟，在机械传动能量损失、加热器等大功率器件无用功率的降低上，将是烟草机械节能的首要突破发展重点。而在环保方面，大范围采用电子齿轮伺服传动技术，减少以往因齿轮咬合传动产生的噪音、减少粉尘、降低能耗。安全方面，提高设备自动化、智能化和信息化程度，尽可能地减少操作人员干预、严格执行操作规范等都是安全生产的发展方向和必要手段。未来烟草机械发展将呈现以下：

（1）采用智能化技术：随着烟草设备智能化的发展，生产过程的智能化控制、智能传感器、设备故障智能诊断、在线自动质量检测等技术的应用，未来的烟草机械设备将具有人机交互的一体化、自律自检的高效控制、自我组织的柔性控制、自我维护和自我学习等特点，使得烟草机械设备沿着集成化、网络化、智能化、柔性化的方向发展。

（2）采用先进的管控技术：随着当今工业生产自动化控制应用的需求日益增长，全集成自动化提供了更灵活、更经济的解决方案，即采用统一的组态和编程、统一的数据库管理、统一的通讯为从现场级到控制级的生产和过程控制提供统一的全集成平台。大大提高系统的可靠性、快速响应能力且易于信息系统的扩大和升级。

（3）采用先进的设计思想：一个现代化的工厂，必须实现生产的自动化和管理的信息化，而实现生产的自动化和管理的信息化，不仅要建立管理信息网络系统、自动化控制网络系统，同时更要注重管理信息网络与自动化控制网络的集成，使管理信息网络与自动化控制网络融为一体，让自动化监控信息汇入管理信息网络，让管理信息在指挥、调度、控制自动化生产上直接发挥作用。从而进一步拓宽自动化监控的范围和视野，丰富企业网络系统的信息内容和应用领域，实现整个企业内计算机及各种智能设备的协同工作及信息共享。

（4）采用安全性及可靠性技术：系统运行安全可靠、控制稳定是对电控系统最基本也是最重要的要求。为保证该系统的质量可靠，一是要在总体设计上采用先进而又成熟的技术，如现场总线技术、分布式I/O技术、网络技术、多路级联保护等；二是使用国内外名牌厂家的优质产品。三是在设计、生产、安装和调试中执行严格的质量管理规范；四是集中监控管理层系统有严格的用户权限功能，保证系统的安全运行。

（5）采用网络一体化诊断解决方案：主要完成网络（总线）状态诊断、I/O通讯状态诊断、数据库连接状态诊断、PLC状态诊断、系统状态诊断、组合启动条件诊断、器件故障诊断、设备故障诊断、工艺质量分析诊断和嵌入式视频监控功能，故障出现时将视频画面自动切换到相应报警点，提示报警信息，显示对应的电路图。

2实时系统在烟草机械生产中的应用

2.1 实时控制系统（ＲＴＣＳ）

实时系统就是对外来事件在限定时间内能做出反应的系统。现代实时控制系统通常是基于一个实时内核，多个闭环控制任务在内核的基础上竞争性地使用共享的处理器时间。因此，处理器的时间被当作是一种最重要的资源，需要一定的调度算法来将其分配给各个任务。

2.2 实时控制系统的特点

实时控制系统必须具备有实时性和处理异步并发事件的能力。所谓实时性既是软件对多个在同一时间段内同时发生的外部事件做出反应的时间必须要短，并且一些还需要是确定的、可重复实现和可预测的。而又处理异步并发事件的能力则是指有些事件经常同时出现，并且突发时间是随机的，软件也应能对这类外部事件进行有效处理。同时实时控制系统还具有以下优点：（１）产品的可靠性和集成度大大提高，由于采用嵌入技术方便与器件的更换和升级。（２）成本大大降低，随着高新技术的不断发展，半导体产品将会越来越好，价格也会越来越低。（３）新产品开发周期大为缩短。（４）延长产品寿命，由于实时系统能减少元件数量也即减少了可能的故障点，其可靠性得到了很好的保证。

３在线实时光电分拣系统用于烟叶杂质剔除

目前，国内烟草业越来越重视香烟的品质，而去除烟草中异物这一技术问题是达到这一目标的关键技术之一，近几年来，对烟草分拣设备的需求一直是烟草业中为数不多的增长领域之一。

3.1 在线实时光电分拣系统简介

生产线上的杂物一般可分为金属性质和非金属性质两大类，对于金属杂物，可在生产线上增加永久磁铁或金属探测等装置，投资不大且效果好；对于非金属杂物，国内主

要依靠生产线上的专业操作人员凭肉眼去辨别、剔除，剔除效果与操作人员的经验、责任心有很大关系，其剔除效果难以保证。国外则基于光电检测技术、高速计算技术、图像处理技术发展了在线实时光电分拣系统，取得了较好的效果。本篇论文主要通过介绍光电分拣系统来说明实时系统在烟草行业的应用。

3.2 系统原理结构

在线实时光电分拣系统主要由物料输送装置、高速剔除系统、光电传感组件和计算处理系统四部分组成。物料输送装置分为进料输送机、回收装置两个部分。

高速剔除系统通常采用大流量高速气动电磁阀作为剔除装置，由专门的电路来控制其开合。计算处理系统将处理结果以控制信号的形式发送给控制电路来控制气阀的开闭。光学及图像处理部分是烟叶杂质剔除系统的关键部分，由照明子系统、图像采集与处理子系统和电磁气动剔除阀子系统组成。

数据采集部分通过专用的电缆连接光电传感器来采集数据，然后将这些数据实时的传输到数据处理单元的存储器中。数据处理单元采用高速的计算器件对传输过来的数据进行实时的分析和处理，然后将处理结果通过结果输出单元发送给高速剔除装置。

可以看出，光学及图像处理部分所传输给计算机的信息可以看成是数字图像数据。因此计算机的主要任务就是对这些图像数据进行处理，然后得出杂质所处的位置坐标信息传输给高速剔除系统。同时为了提高分拣系统适应性，分拣系统软件邵分通常提供处理参数自动生成功能，即利用模式识别技术来根据物料的特点自动生成图像处理所需的处理参数。

图像分割技术处理分拣软件对于正常烟叶还是杂质的判断主要是通过颜色、形状、面积、纹理等来进行分辨。不同的分拣软件通常采用其中一种或者几种混合判断。这里主要以颜色作为判断依据来进行描述。

灰度法分割是一种基于区域的简单技术，属总体法。该方法是把每个象素的灰度值与一个阀值Ｔ进行比较，根据其是否超过该阀值而将象素归为两类中的一类。在图像内容不复杂、灰度分布较集中的情况下，往往采用最为简单的全局阀值，并不考虑图像中点的位置和临域局部特征。该方法要求对景物有均匀的光照，优点是可以利用简单的查找表技术来实现。

彩色图像分割与灰度图像分割的算法相比，大部分的算法思路都差不多，只是彩色图像所包含的信息量要比灰度图像大得多。每种颜色都可以由三原色：红色（Ｒ）、蓝色（Ｂ）、绿色（Ｇ），组成ＲＧＢ颜色空间中包含丰富的阀值信息。不仅三个颜色维度都可单独的作为阀值信息，而且他们之间的相互关系包含更多的阀值信息。三原色间的相互关系可以分为线性和非线性两种，线性关系表达的计算比非线性关系简单，在实际中有着广泛的应用。

在烟叶制造生产过程中，正常烟叶的颜色呈黄色或金黄色，杂质（通常麻绳呈褐色、纸片呈白色）与烟叶的颜色有明显的区别。可以在系统运行前取一批标准的烟叶进行采样，得到三原色Ｒ、Ｇ、Ｂ的平均值及其方差，然后根据色彩法划定阀值范围。然后以此作为标准对原材料的采集图像进行预分割。因为设备必须满足于实时性要求，通常是取几根扫描线作为一帧图像，这样得到的图像信息通常是长方形，然后对其进行分割为小方块，判断小方块内是否有杂质用来作为剔除装置的动作的条件。

4实时在线质量检测及实时数据自动采集

4.1 实时在线质量检测

工业自动化生产线的首要目标是保证产品质量，由于生产过程不可能进行过多的人工干预，产品质量的保证只能依赖在线质量检测设备和仪器，监视产品质量参数，为控制器提供准确的测量值和检测状态。

在线质量检测设备和仪器在保证可靠性和检测精度的基础上，应具有上网通讯功能，以提高数据传送精度和速度。对工业过程控制系统而言，在生产线中选择合理的检测工位，针对不同产品增加检测项目，准确完整地反映产品质量信息，都是需要进一步研究的课题。

因此实时在线质量检测设备和仪器网络化、智能化也是工业过程控制技术发展的趋势之一。

实时在线质量检测在卷烟企业的制丝生产线中尤为突出，现在的制丝线除物料流量检测、含水率检测和温度在线自动检测外，对物料其他质量参数无在线自动检测手段，因此对烟丝的填充值、长丝率、烟碱、糖分和焦油等采用离线检测，只能对烟丝质量事后跟踪和分析。

新型制丝线中应完善对烟丝的填充值、长丝率、烟碱和糖分的自动检测，并参与电控系统的实时控制。检测设备有在线和离线两种配置方案：在线配置即在生产线上设置检测设备；离线配置即在制丝线附近设置检测中心，由制丝线通过分料设备和输送带定时自动为检测中心提供样品。各检测设备无论是在线或离线配置，均与中控室建立数据通讯，自动生成检测数据，并自动存入车间数据库，避免人工操作的人为偏差，为烟丝质量跟踪、分析和控制提供可靠的数据来源。

4.2 实时数据自动采集

实时数据自动采集是保证产品质量可追溯性、便于质量和工艺改进、便于设备改进和维护的有效手段。数据自动采集保证了数据的真实性和有效性，有利于数据的计算机管理。目前发展的方向是保证数据的真实性和有效性，建立完整的数据采集体系，为决策提供可靠的依据。

5 实时系统在烟草机械其他方面的应用

实时系统除了用于烟叶的杂质剔除外，还广泛的应用到烟草机械生产的很多领域，在这里只是对其在其他机械中的应用进行一下简要的介绍。

（１）用于卷接机组上的实时控制系统，该系统需要完成两个主要功能：一是监测设备的整个生产过程，并能够采集各项相关数据并进行报表显示。第二个功能是在一定范围内调整烟支的重量，辅助调节切刀的位置，跟踪并剔除检测到的不合格烟支。

（２）用于软包线的产品检测，由于软包的外包装比较软，容易变形，所以检测软包是所有检测中最难的。对于软包，一个最主要的问题是表面破损。而检测主要包含商标打印；顶部小花；顶部和底部的内部包装质量，内包装和外包装的相关位置检测等。因为生产线的速度非常快（６包／秒）而检测任务又非常复杂和紧急，所以使用智能视觉传感器来完成检测任务和逻辑运算工作，该视觉传感器在０．４毫秒内捕捉图像并将其发送到内部处理器中。

6 结束语

我国烟草机械机型及品种多，经过近几年的高速发展，有的设备已经进入老化期，特别是一些进口设备，维修成本逐渐提高，要考虑如何对陈旧设备的升级改造并提升性能；市场需求的多样化要求烟机设备能满足不同的产品规格，比如研制细支烟或19支、25支异性包装形式设备，以适应市场需要。烟草机械的进步很大程度体现在电气技术的进步，未来自动化技术要做好如下几方面的工作：

（1）一网到底：最近几年“一网到底”技术从现在个别试点推向全行业。而随着技术进一步发展，更将会走向无线网。

（2）高度自动化：综合运用机械制造技术、电子技术、控制技术、计算机技术、智能技术和通讯技术，实现全面综合自动化。

（3）高可靠性：采用各种现代设计方法和技术，如冗余技术、自诊断、系统仿真和模拟以提高系统可靠度，以及集中监控、故障显示来提高可维修性。

（4）低能耗：采用新型的自动化技术实现低碳、低能耗生产。

（5）高速度：高速度意味着高的生产能力即高的生产效率，能使制造商在同样的人力、占地面积下在更短的时间里生产出更多的产品。

在过去的几十年中，机械与电子逐渐融合在一起成为现代工业生产的主力军，其性能的优劣直接决定了一个企业的发展前途，而作为生产机械神经的控制系统则很大程度上反映了整个机械系统的性能。实时系统作为一种能够迅速、及时、高效、准确的调度整个系统协调工作、使得机械性能的发挥达到最优化的控制系统被广泛应用于各行各业。而实时系统及其应用开发环境也逐渐向超微内核、开放、集成的方向发展，这也将在不久的将来进一步推动烟草行业以及其他工业的飞速发展。