滤棒压降的快速检测分选系统设计

胡世龙， 赵树弥， 周 磊， 赖东辉， 蒋惠智， 张 龙

(1.贵州中烟工业有限责任公司，贵州 贵阳 550001； 2.中国科学院 合肥物质科学研究院 应用技术研究所，安徽 合肥 230088)

滤棒压降的快速检测分选系统设计

胡世龙1， 赵树弥2， 周 磊1， 赖东辉1， 蒋惠智1， 张 龙2

(1.贵州中烟工业有限责任公司，贵州贵阳550001；2.中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所，安徽合肥230088)

为缩短滤棒压降检测分选时间，降低实验人员劳动强度，设计了一种自动化程度高的滤棒压降快速测量分选方法及实验装置。装置采用满足烟草行业新标准技术要求的双通道测量头实现并行检测，流程操控以可编程逻辑控制器(PLC)技术集中控制气路替代复杂的电控部件。集成嵌入式单片机(MCU)芯片和高速ADS8341数据采集芯片实现精密压降传感器信号采集，并计算分析滤棒压降值的分选属性。以双路分选臂实现双通道测量结果的快速分选。实验选用不同标称值的标准滤棒测试装置的精度与重复性，以不同阻值的滤棒进行实验测试,结果表明：装置测量速度超过了600支/h，较单测量头的速度提升了1倍，且不需人工参与。标准棒降压测试精度达到了10 Pa，不同滤棒分选的准确率达到了100 %，满足实验检测要求。

滤棒压降； 压降传感器； 数据采集； 自动分选

0 引 言

目前,国内外综合测试台中吸阻/压降测量单元均采用临界流量孔(critical flow orifice,CFO)作为恒流发生装置，通过压力传感器检测卷烟吸阻和滤棒压降[1，2]。代秀迎等人从硬件方面对综合测试台的吸阻/压降测量单元进行了优化改进，有效提高了吸阻测量的稳定性及准确性，但对于测试速度的提高仍没有报道[3]。基于可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)自动化控制的检测与分类系统在卷烟与滤棒生产中是一种常见的技术应用[4]。基于数字信号处理器(digital signal processor,DSP)和ARM(advanced RISC machines)处理器等单片机(MCU)控制芯片对烟支物理检测指标检测分析的系统研究也有相应的报道，两者各有优缺点[5，6]。PLC自动化控制方便，但数据采集分析受限；MCU控制芯片系统数据采集分析功能强大，但自动化控制需要搭建繁琐的外围电路[7，8]。根据滤棒压降快速检测分选系统的需求，系统集成PLC与MCU控制芯片，各自分工，通过通信方式集成一体，有利于系统的自动化检测分选的实现，因此，本文开发集成PLC与MCU控制芯片的滤棒压降快速检测分选系统具有重要的现实意义。

1 检测分选原理

1.1 实验装置设计

硬件结构由样品自动进给装置、测量通道选择器、压降检测装置、出样双分选装置等四大部分组成，装置结构如图1所示。根据重力驱动技术，设备结构模块采用重力驱动实现滤棒的移动操作，从上往下自由落体。设备顶端为进样口，采用V型口大样本量进样，单槽划切提样实现单支分离，按顺序经过逐支排队输出。由分离器分离出的单支滤棒，由切换片分别切换至不同的测量通道，然后进入左右2个测量模块进行滤棒压降测试。左右2个测量头机械结构独立。滤棒压降测试完成之后，由计算机计算出相应的滤棒压降值，并且给出划分组，确定分选组之后，控制分选臂，分选滤棒到相应类别的集料箱。

图1 设备结构

1.2 检测分选

目前，国内和国际标准均规定了滤棒压降的测量原理：将样品密封于测量头中，在标准条件下维持样品输出端气体体积流量为17.5 mL/s时样品两端的压差[9～11]。压降测量的气路结构如图2所示。气源经过减压阀输入，经过节流阀降低流速，用于清洗气路。经过真空发生器产生负压，用于测量头的乳胶管打开及为CFO提供驱动力。CFO使出气端保持标准的17.5 mL/s的流量，实现标准条件下的压差测量。差压传感器可以测量不同气室之间的压力差。阀岛为由电磁阀、气缸组成的气路，负责实现气室与气室相连、相隔或切换的功能。阀岛组1为清洗气路，阀岛组2，3为测量头控制，阀岛组4，5为传感器气路控制。测量时序为：PLC控制阀岛组2，3开，滤棒进入测量管；PLC控制阀岛组2，3关，阀岛组4，5开进行滤棒压降测试；PLC控制阀岛组4，5关，阀岛组1，2，3开，滤棒出测量头。

图2 滤棒压降测量气路

滤棒压降测量之后，测量值与设定分选区间值进行比对，通过运算处理之后给出分选的结果至分选系统。分选装置由分选臂，滑动台，集料箱等组成。分选系统接收到分选指令后，PLC控制分选臂在滑动台上执行相应的分选方向，将合格与不合格产品分别统一置于相应的集料箱内。

2 硬件电路设计

根据进样逻辑，运动控制部件的主控制器采用PLC控制器，PLC指令均由MCU芯片输出。MCU芯片为主分析器，并负责精密压降传感器的数据采集与运算处理，以及与人机交互界面进行通信。电路系统的控制结构如图3。

图3 电路系统控制结构

不同模块间采用不同的通信方式，形成了一个物理结构独立又通过协议相互协调工作的整体，提高了电路系统的稳定性。

2.1 通信模块电路

通信模块以STM32F103[12]MCU芯片系统为核心，通过SPI接口采集数据，处理后的数字信号通过RS—232 通信口传至上位机，并接收上位机的反馈。MCU芯片通过RS—485串行接口发送控制命令至PLC 进行动作响应，完成系统工作。MCU通信系统电路如图4所示。

图4 MCU通信电路

2.2 数据采集模块设计

滤棒压降的测量方式为当被测样品进入测试头后，传感器气路连通，数据采集电路开始工作。采用ADS8341[13]A/D转换器。通过输入/输出时钟(clock,CLK)端，A/D 转换结果端DOUT、串行数据输入端DIN 和片选(chip select,CS)端等4个接口与MCU芯片相连，通道CH0～CH3与传感器相连，将传感器模拟信号转换为数字信号输出。电路设计如图5所示。

图5 ADS8341数据采集电路

压降传感器量程为0～7.5 kPa，精度为0.1 %，输出电压为0～3 V。AD8341芯片支持3.3 V供电，参考电压3 V时，数集电压范围与压降传感器输出信号相一致。传感器输出信号直接能被数采芯片采集转换，电路结构简单易行。

3 系统软件设计

根据滤棒测量自动分选装置工作流程，系统软件控制程序流程设计如图6所示。

图6 控制程序流程

下位机软件的设计主要包括实验流程控制、实验数据处理流程、系统参数设置接收、数据传递等。其中，系统初始化、进样检测、数据接收以及滤棒压降数据测试、分选均以子程序实现，数据接收采用中断子程序。下位机程序处理流程如图7所示。

图7 下位机程序处理流程

上位机软件设计主要针对人机交互，使得操作人性化。界面基于微软基础类库(Microsoft foundation classes,MFC)软件开发，具有参数功能设置，数据显示、统计、储存、下载等功能，功能启动一键化操作，全自动运行，软件操作方式简单。

4 实验测试分析

4.1 精度与重复性测试

实验选用7根不同标称值的标准滤棒进行装置的精度与重复性测量，标准棒的标定值如表1所示。实验分别对同一根棒重复测量5次，记录每次测量装置计算的标准棒数值，实验结果如表2所示。

表1 标准棒标定值

表2 仪器测量标准棒值 Pa

从表1和表2可以看出，实验装置测量标准棒的数值均在标准棒标定值附近，整个量程范围内重复测量波动值小于10 Pa。标准棒压降值越小，测量值波动越小。

4.2 分选准确性测试

实验以5种不同压降值的滤棒各20根混合进行测试，每次设置一个分选目标，其余为不合格品混合在一起进行分选。实验结果如表3所示。

从表3可以看出，不同压降值的滤棒混合后进行测量，每次均能对于设置的目标棒全部分出，分选准确度达到了100 %。无论是压降值高还是低的滤棒，装置均能实现合格样品的分选，表明具有分选高准确度。

表3 检测分选准确性测试

4.3 检测分选速度测试

实验选用5 100±50的滤棒100,200,300,500,800根等，不同数量的滤棒进行分选检测。实验装置采用仅开启一个测量头和两个测量头同时开启的两种模式测试实验，分别记录测量时间，计算出两模式的测量速度。双测量头平均速度为V2，单测量头平均速度为V1，双测量头测试时间为T2，单测量头测试时间为T1，实验结果如表4所示。

表4 检测分选速度测试

从表4可以看出完成相同数量的滤棒测量，双测量头测试时间仅为单测量头测试时间的1/2，增加一个测量头未增加测量占用时间。双测量头测量速度达到了10支/min，高于600支/h。满足行业标准要求，该装置有效提高了滤棒压降测量的速度。

5 结 论

通过实验测试，验证了装置中设计的双通道测量头满足烟草行业新标准的技术要求。自控系统中以PLC技术集中控制气路并替代复杂的电控部件，将控制气路和测量气路分开，减少过程控制的等待时间，研制的装置具备自动化程度高、操作简单等特点，适合实验中各种层次的操作人员使用。装置实现了从样品检测到结果分类直接输出，无需高强度的人工劳动。

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Designofsystemofrapiddetectionandseparationofpressuredropoffilterrod

HU Shi-long1, ZHAO Shu-mi2, ZHOU Lei1, LAI Dong-hui1, JIANG Hui-zhi1, ZHANG Long2

(1.ChinaTobaccoGuizhouIndustrialCoLtd,Guiyang550001,China;2.InstituteofAppliedTechnology,HefeiInstitutesofPhysicalScience,ChineseAcademyofSciences,Hefei230088,China)

In order to shorten time of detection and separation of filter rod pressure drop and lower experimenter’s labor intensity,a fast measurement and separation method of filter rod pressure drop is proposed and the automatic operation device is developed also.A measuring head with two measuring channels which meets the technical requirements of the new standard in the tobacco industry is designed for fast testing.The programmable logic controller(PLC)technology is used to control the gas path to replace the complicated electronic control parts. The value of high-precision pressure drop sensor and the filter rod pressure drop value are calculated and analyzed by both embedded micro-programmed control unit(MCU)chip and high-speed ADS8341 data acquisition chip.Two channels sorting arm are used to separate the dual channel measurement results.The accuracy and repeatability of the device are tested by the standard filter rods with different nominal values.The performance of the device is verified by the filter rods with different resistance values.The results show that the measurement speed of device is more than 600 filter rods per hour without manual operation,and is two times faster than a single measuring head device.The testing accuracy of the standard rod reached 10 Pa and the accuracy rate of different filter rods separating is up to 100 %,which meets the requirements of the experiment detection.

pressure drop of filter rod; pressure drop sensor; data acquisition; automatic separation

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0086—04

TP 274

A

1000—9787(2017)11—0086—04

2017—09—12

胡世龙(1964-)，男，本科，工程师，主要从事烟草工艺技术与烟草设备技术相关工作,E—mail：shumi_zhao@163.com。

赵树弥(1986-)，男，通讯作者，博士，助理研究员，主要研究方向为检测技术与自动化，E—mail：shumi_zhao@163.com。