濾棒壓降的快速檢測分選系統(tǒng)設(shè)計

胡世龍， 趙樹彌， 周 磊， 賴東輝， 蔣惠智， 張 龍

(1.貴州中煙工業(yè)有限責任公司，貴州 貴陽 550001； 2.中國科學院 合肥物質(zhì)科學研究院 應用技術(shù)研究所，安徽 合肥 230088)

濾棒壓降的快速檢測分選系統(tǒng)設(shè)計

胡世龍1， 趙樹彌2， 周 磊1， 賴東輝1， 蔣惠智1， 張 龍2

(1.貴州中煙工業(yè)有限責任公司，貴州貴陽550001；2.中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院應用技術(shù)研究所，安徽合肥230088)

為縮短濾棒壓降檢測分選時間，降低實驗人員勞動強度，設(shè)計了一種自動化程度高的濾棒壓降快速測量分選方法及實驗裝置。裝置采用滿足煙草行業(yè)新標準技術(shù)要求的雙通道測量頭實現(xiàn)并行檢測，流程操控以可編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)集中控制氣路替代復雜的電控部件。集成嵌入式單片機(MCU)芯片和高速ADS8341數(shù)據(jù)采集芯片實現(xiàn)精密壓降傳感器信號采集，并計算分析濾棒壓降值的分選屬性。以雙路分選臂實現(xiàn)雙通道測量結(jié)果的快速分選。實驗選用不同標稱值的標準濾棒測試裝置的精度與重復性，以不同阻值的濾棒進行實驗測試,結(jié)果表明：裝置測量速度超過了600支/h，較單測量頭的速度提升了1倍，且不需人工參與。標準棒降壓測試精度達到了10 Pa，不同濾棒分選的準確率達到了100 %，滿足實驗檢測要求。

濾棒壓降； 壓降傳感器； 數(shù)據(jù)采集； 自動分選

0 引 言

目前,國內(nèi)外綜合測試臺中吸阻/壓降測量單元均采用臨界流量孔(critical flow orifice,CFO)作為恒流發(fā)生裝置，通過壓力傳感器檢測卷煙吸阻和濾棒壓降[1，2]。代秀迎等人從硬件方面對綜合測試臺的吸阻/壓降測量單元進行了優(yōu)化改進，有效提高了吸阻測量的穩(wěn)定性及準確性，但對于測試速度的提高仍沒有報道[3]?；诳删幊踢壿嬁刂破?programmable logic controller,PLC)自動化控制的檢測與分類系統(tǒng)在卷煙與濾棒生產(chǎn)中是一種常見的技術(shù)應用[4]?；跀?shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)和ARM(advanced RISC machines)處理器等單片機(MCU)控制芯片對煙支物理檢測指標檢測分析的系統(tǒng)研究也有相應的報道，兩者各有優(yōu)缺點[5，6]。PLC自動化控制方便，但數(shù)據(jù)采集分析受限；MCU控制芯片系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析功能強大，但自動化控制需要搭建繁瑣的外圍電路[7，8]。根據(jù)濾棒壓降快速檢測分選系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)集成PLC與MCU控制芯片，各自分工，通過通信方式集成一體，有利于系統(tǒng)的自動化檢測分選的實現(xiàn)，因此，本文開發(fā)集成PLC與MCU控制芯片的濾棒壓降快速檢測分選系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 檢測分選原理

1.1 實驗裝置設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)由樣品自動進給裝置、測量通道選擇器、壓降檢測裝置、出樣雙分選裝置等四大部分組成，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)重力驅(qū)動技術(shù)，設(shè)備結(jié)構(gòu)模塊采用重力驅(qū)動實現(xiàn)濾棒的移動操作，從上往下自由落體。設(shè)備頂端為進樣口，采用V型口大樣本量進樣，單槽劃切提樣實現(xiàn)單支分離，按順序經(jīng)過逐支排隊輸出。由分離器分離出的單支濾棒，由切換片分別切換至不同的測量通道，然后進入左右2個測量模塊進行濾棒壓降測試。左右2個測量頭機械結(jié)構(gòu)獨立。濾棒壓降測試完成之后，由計算機計算出相應的濾棒壓降值，并且給出劃分組，確定分選組之后，控制分選臂，分選濾棒到相應類別的集料箱。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.2 檢測分選

目前，國內(nèi)和國際標準均規(guī)定了濾棒壓降的測量原理：將樣品密封于測量頭中，在標準條件下維持樣品輸出端氣體體積流量為17.5 mL/s時樣品兩端的壓差[9～11]。壓降測量的氣路結(jié)構(gòu)如圖2所示。氣源經(jīng)過減壓閥輸入，經(jīng)過節(jié)流閥降低流速，用于清洗氣路。經(jīng)過真空發(fā)生器產(chǎn)生負壓，用于測量頭的乳膠管打開及為CFO提供驅(qū)動力。CFO使出氣端保持標準的17.5 mL/s的流量，實現(xiàn)標準條件下的壓差測量。差壓傳感器可以測量不同氣室之間的壓力差。閥島為由電磁閥、氣缸組成的氣路，負責實現(xiàn)氣室與氣室相連、相隔或切換的功能。閥島組1為清洗氣路，閥島組2，3為測量頭控制，閥島組4，5為傳感器氣路控制。測量時序為：PLC控制閥島組2，3開，濾棒進入測量管；PLC控制閥島組2，3關(guān)，閥島組4，5開進行濾棒壓降測試；PLC控制閥島組4，5關(guān)，閥島組1，2，3開，濾棒出測量頭。

圖2 濾棒壓降測量氣路

濾棒壓降測量之后，測量值與設(shè)定分選區(qū)間值進行比對，通過運算處理之后給出分選的結(jié)果至分選系統(tǒng)。分選裝置由分選臂，滑動臺，集料箱等組成。分選系統(tǒng)接收到分選指令后，PLC控制分選臂在滑動臺上執(zhí)行相應的分選方向，將合格與不合格產(chǎn)品分別統(tǒng)一置于相應的集料箱內(nèi)。

2 硬件電路設(shè)計

根據(jù)進樣邏輯，運動控制部件的主控制器采用PLC控制器，PLC指令均由MCU芯片輸出。MCU芯片為主分析器，并負責精密壓降傳感器的數(shù)據(jù)采集與運算處理，以及與人機交互界面進行通信。電路系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 電路系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

不同模塊間采用不同的通信方式，形成了一個物理結(jié)構(gòu)獨立又通過協(xié)議相互協(xié)調(diào)工作的整體，提高了電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 通信模塊電路

通信模塊以STM32F103[12]MCU芯片系統(tǒng)為核心，通過SPI接口采集數(shù)據(jù)，處理后的數(shù)字信號通過RS—232 通信口傳至上位機，并接收上位機的反饋。MCU芯片通過RS—485串行接口發(fā)送控制命令至PLC 進行動作響應，完成系統(tǒng)工作。MCU通信系統(tǒng)電路如圖4所示。

圖4 MCU通信電路

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

濾棒壓降的測量方式為當被測樣品進入測試頭后，傳感器氣路連通，數(shù)據(jù)采集電路開始工作。采用ADS8341[13]A/D轉(zhuǎn)換器。通過輸入/輸出時鐘(clock,CLK)端，A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果端DOUT、串行數(shù)據(jù)輸入端DIN 和片選(chip select,CS)端等4個接口與MCU芯片相連，通道CH0～CH3與傳感器相連，將傳感器模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 ADS8341數(shù)據(jù)采集電路

壓降傳感器量程為0～7.5 kPa，精度為0.1 %，輸出電壓為0～3 V。AD8341芯片支持3.3 V供電，參考電壓3 V時，數(shù)集電壓范圍與壓降傳感器輸出信號相一致。傳感器輸出信號直接能被數(shù)采芯片采集轉(zhuǎn)換，電路結(jié)構(gòu)簡單易行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)濾棒測量自動分選裝置工作流程，系統(tǒng)軟件控制程序流程設(shè)計如圖6所示。

圖6 控制程序流程

下位機軟件的設(shè)計主要包括實驗流程控制、實驗數(shù)據(jù)處理流程、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置接收、數(shù)據(jù)傳遞等。其中，系統(tǒng)初始化、進樣檢測、數(shù)據(jù)接收以及濾棒壓降數(shù)據(jù)測試、分選均以子程序?qū)崿F(xiàn)，數(shù)據(jù)接收采用中斷子程序。下位機程序處理流程如圖7所示。

圖7 下位機程序處理流程

上位機軟件設(shè)計主要針對人機交互，使得操作人性化。界面基于微軟基礎(chǔ)類庫(Microsoft foundation classes,MFC)軟件開發(fā)，具有參數(shù)功能設(shè)置，數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計、儲存、下載等功能，功能啟動一鍵化操作，全自動運行，軟件操作方式簡單。

4 實驗測試分析

4.1 精度與重復性測試

實驗選用7根不同標稱值的標準濾棒進行裝置的精度與重復性測量，標準棒的標定值如表1所示。實驗分別對同一根棒重復測量5次，記錄每次測量裝置計算的標準棒數(shù)值，實驗結(jié)果如表2所示。

表1 標準棒標定值

表2 儀器測量標準棒值 Pa

從表1和表2可以看出，實驗裝置測量標準棒的數(shù)值均在標準棒標定值附近，整個量程范圍內(nèi)重復測量波動值小于10 Pa。標準棒壓降值越小，測量值波動越小。

4.2 分選準確性測試

實驗以5種不同壓降值的濾棒各20根混合進行測試，每次設(shè)置一個分選目標，其余為不合格品混合在一起進行分選。實驗結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，不同壓降值的濾棒混合后進行測量，每次均能對于設(shè)置的目標棒全部分出，分選準確度達到了100 %。無論是壓降值高還是低的濾棒，裝置均能實現(xiàn)合格樣品的分選，表明具有分選高準確度。

表3 檢測分選準確性測試

4.3 檢測分選速度測試

實驗選用5 100±50的濾棒100,200,300,500,800根等，不同數(shù)量的濾棒進行分選檢測。實驗裝置采用僅開啟一個測量頭和兩個測量頭同時開啟的兩種模式測試實驗，分別記錄測量時間，計算出兩模式的測量速度。雙測量頭平均速度為V2，單測量頭平均速度為V1，雙測量頭測試時間為T2，單測量頭測試時間為T1，實驗結(jié)果如表4所示。

表4 檢測分選速度測試

從表4可以看出完成相同數(shù)量的濾棒測量，雙測量頭測試時間僅為單測量頭測試時間的1/2，增加一個測量頭未增加測量占用時間。雙測量頭測量速度達到了10支/min，高于600支/h。滿足行業(yè)標準要求，該裝置有效提高了濾棒壓降測量的速度。

5 結(jié) 論

通過實驗測試，驗證了裝置中設(shè)計的雙通道測量頭滿足煙草行業(yè)新標準的技術(shù)要求。自控系統(tǒng)中以PLC技術(shù)集中控制氣路并替代復雜的電控部件，將控制氣路和測量氣路分開，減少過程控制的等待時間，研制的裝置具備自動化程度高、操作簡單等特點，適合實驗中各種層次的操作人員使用。裝置實現(xiàn)了從樣品檢測到結(jié)果分類直接輸出，無需高強度的人工勞動。

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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

胡世龍(1964-)，男，本科，工程師，主要從事煙草工藝技術(shù)與煙草設(shè)備技術(shù)相關(guān)工作,E—mail：shumi_zhao@163.com。

趙樹彌(1986-)，男，通訊作者，博士，助理研究員，主要研究方向為檢測技術(shù)與自動化，E—mail：shumi_zhao@163.com。