卷接机烟支质量检测系统研究

摘要:设计一种烟支质量检测系统，采用红外光电传感器进行烟支缺嘴、松头、翘边的数据采集与转换，转换后的数据送入控制组件实现烟支质量在线控制，并把信号实时数据通过CAN通讯传送至人机界面。实践表明，该烟支质量检测系统稳定性好，检测准确度高，具有较好的市场应用和推广价值。

关键词：松头；红外；MAX脉冲；DSP、滑动平均

一、引言

质量就是生命[1]，企业为保证产品质量，赢得市场，在产品生产线上，广泛采用各种技术手段进行产品质量控制。烟支的松头、缺嘴、翘边质量缺陷会引起消费者抱怨，严重影响产品在消费者心目中的形象。香烟的烟支质量检测方式有机械检测[2]、电容检测[3]、光电检测[4-6]、视觉检测[7-8]等方式，机械检测容易因弹簧疲劳应力下降导致误检，且机械接触容易对烟支造成二次损伤。电容检测因烟丝量变化引起的电容值变化较微弱，使得信号的环境稳定性差且信噪比差，检测准确度低。光电检测具有反应快、灵敏度高等优点被广泛应用，本系统也将采用光电检测方案进行烟支质量检测，检测稳定性好且准确度高。

二、系统组成

该系统主要由检测装置、控制组件和上位机三部分组成，系统原理框图如图1所示，检测装置主要有平行光源产生电路、光电检测头、光电传感器、信号电缆等组成，控制组件由传感器信号处理电路，机器脉冲信号处理电路、CAN通讯电路、DSP及其电路组成，上位机由工控机和触摸屏显示器组成。当烟支在检测鼓轮上依次通过检测位置时，检测装置产生的电压信号进入控制组件的信号处理电路。DSP采集卷接机MAX时钟脉冲信号并在正确的时钟相位上完成对传感器信号的实时采集并计算信号的峰谷差值，判断烟支是否存在质量缺陷，向卷接机组控制系统发送剔废信号，并通过CAN总线将实时数据发送至上位机。剔废执行机构接收剔废信号并在正确的时钟相位上将废烟剔除。上位机通过CAN通信将门坎参数、剔废测点距离参数下发至DSP，并接收DSP上传的实时数据，生成信号实时曲线并形成废品报告。

三、系统硬件设计

（一）检测装置。烟支在检测鼓轮上依次通过，检测组件检测头安装在检测鼓轮旁边合适位置上，采用光电传感器检测烟支是否缺嘴、采用红外光电方式检测点燃端是否空松、采用平行光检测烟支是否存在翘边变形。缺嘴检测采用收发一体的光电传感器实现。松头检测采用四合一光纤检测头进行红外光的检测接收，微弱光信号经光电转换、电流电压转换，电压调理放大电路并最终输出。翘边检测采用电流可调的恒压源给发光二极管供电，二极管发出的光经涂有匀化材料的透镜组处理后转化为平行光，照射在待检烟支上，在检测端形成烟支外形的投影。在检测接收端选择精密光敏管进行检测，并经精密运放进行光电流I/V变换。烟支的翘边程度及点燃端空松程度转化为模拟电压信号表征，缺嘴与否转化为数字量信号表征。检测组件的电源输入与检测信号输出通过信号电缆与控制组件连接。信号电缆由6芯电缆和连接器组成，6芯电缆的定义为1：+15V电源，2：GND，3:-15V电源，4：缺嘴信号，5：松头信号，6：翘边信号。（二）控制组件。控制组件外部输入信号主要来自MAX码盘脉冲，检测组件缺嘴、松头、翘边信号、上位机下传的门坎、测点距离等参数。控制组件向外部输出信号主要是指示信号、剔废信号及向上位机传输的实时检测数据及废品信息。如图2所示，控制组件主要由供电、DSP控制、外部定时模块、数据、程序存储、数据通信等功能电路组成。其中供电电路由三路DC-DC模块组成，负责供电、电源隔离、电源指示功能。DSP控制电路主要由32位DSP处理器TMS320F2812构成，利用其内部ADC、EVB、定时器T0等资源，对输入的MAX码盘信号、烟支缺嘴信号、松头信号、翘边信号进行测量，经数据处理运算，判断待检烟支是否为缺陷烟支，实现烟支质量检测，同时完成CAN总线数据通信。外部定时模块主要由3路定时器组成，分别由DSP控制发出缺嘴剔废信号、松头剔废信号、翘边剔废信号，实现烟支剔废功能。数据存储电路主要由非易失性存储器组成，实现程序、内部参数的掉电保存。数据通信电路主要由CAN收发器组成，与DSP内部的CAN控制器一起实现可靠的CAN总线数据通信。（三）上位机。上位机由工控机和显示器组成，选择西门子工控机IPC627和14.1英寸彩色液晶屏G121XN01，另外选用AMT9542触摸屏使现场参数设置及检测实时曲线查看更便捷。工控机内置CAN通讯卡，通过CAN通信电缆与控制组件相连。

四、系统软件设计

（一）控制组件软件设计。控制组件首先采集卷接机MAX码盘MCP脉冲时钟信号。单支烟的生产检测需经过10个MCP脉冲周期，每个MCP脉冲周期内采样8次，则单支烟检测周期内共采集80组数据。将采集的数据送入CAN发送缓冲区，通过比较得到该检测周期内的信号峰值与信号谷值，计算出当前信号的峰谷差值OTn。采用滑动平均算法计算当前时刻的峰谷差值平均值AVGn。滑动平均算法实现如下，记录512个合格烟支的峰谷差值数据，累加和值和平均值根据这组数据计算，计算公式如下：SUMn=∑nn-511OTi（1）AVGn=SUMn/512（2）其中n为大于512的自然数，i为在区间[n-511,n]内的自然数。根据当前信号的峰谷差值OTn及计算的峰谷差值平均值AVGn结合上位机设置下发的绝对门坎、相对门坎参数判定当前烟支是否为正常烟支。如果为正常烟支，舍弃最早的一个峰谷差值数据，将当前峰谷差值数据保存并参与下次差值平均值计算。如果为缺陷烟支，控制组件根据MAX时钟脉冲和上位机设置的剔废测点距离参数，在正确的时钟相位上发出剔废脉冲及剔废指示信号。如图3所示为控制组件的软件流程图。（二）上位机软件设计。如图4所示为上位机软件流程图，首先进行系统初始化，当松头门坎、松头相对门坎、翘边门坎、翘边相对门坎、缺嘴剔废测点距离、松头剔废测点距离、翘边剔废测点距离等参数人为改变时，触发产生中断，通过CAN通信将参数下发至控制组件；上位机还需要通过CAN通信接收检测信号实时数据及废烟信息，根据检测信号实时数据绘制实时曲线，根据废烟信息形成废品报告。

五、结论

本文阐述了卷接机烟支质量检测系统组成及软硬件实现方法。经现场验证，该烟支质量检测系统检测准确性高，避免了不合格烟支流入下一生产环节，具有较好的实用价值和市场推广价值。

参考文献：

[1]迟广志，王成文，谷吉海.香烟包装质量检测装置设计[J].哈尔滨商业大学学报（自然科学版）,2012,(6):732-734.

[2]张涛，张昆.一种烟支空头检测器设计[J].电子科学技术,2015,(2):224-225.

[3]任炜，冯丽辉，许胜善.烟支松头检测装置的研发与实现[J].重庆工学院学报(自然科学版),2007,(10):97-99.

[4]俞忠民，余其旺，熊浩.新型红外光电空头检测在PROTOS70上的应用[J].软件导刊,2011,(2):98-100.

[5]王法明.一种光电式烟支检测系统的设计[J].仪器仪表用户,2008,(4):43-44.

[6]颜西斌，曾清，赵文涛.新型烟支缺嘴检测器在有色嘴棒烟支生产中的应用[J].机械工程师,2014,(2):152-153.

[7]卢凡，基于机器视觉的包装机空头检测技术研究[J].轻工机械,2010,(2):65-67.

[8]章磊，李耀，刘光徽.基于机器视觉的烟支检测系统的设计[J].电子技术应用,2012,(5):15-18.

作者:余祎 钱志国 张勇 单位:1.中国电子科技集团公司第四十一研究所 2.安徽中烟工业有限责任公司蚌埠卷烟厂