烟草计量管吹扫式物料检测装置的研制与应用

引言

在卷烟生产过程中，烟叶制丝工序是确保烟丝产品品质和口感的关键环节，其中，计量管物料检测的准确性对于调节物料流量和提高产品质量至关重要[1]。然而，部分细碎的烟丝与在输送过程中造碎形成的粉尘易黏附或沉积于计量管观察窗内壁，遮挡光信号传播路径导致光电检测开关误报停机。据统计，某卷烟厂因光电开关误报导致的故障次数高达 3 次/月，对产品质量造成潜在威胁[2]。

针对计量管的物料检测装置易被遮挡而误检测的问题，传统解决方案聚焦于优化光电管安装位置或增加人工清洁频次，但前者受限于机械结构可操作性不足，后者则需频繁停机且实际可推广性不佳。近年来，部分研究尝试通过改造计量管壁材质与结构或引入振动机构以克服观察窗内壁烟叶或粉尘沉积问题，但在实际生产中，随着批次的增加和更换，一些水分较高的烟丝、烟梗、烟垢依旧会积累在观察窗内壁，现有的做法无法有效保证观察窗内壁保持清洁状态，导致光电管反馈错误信息给控制系统，使设备做出不正确的动作[3]、[4]。为了解决这一问题，车间维修人员坚持"需求引领、扎根一线"的原则，通过分析车间现有可利用资源条件，灵活利用 TRIZ 创新理论中的机械系统替代法则，设计了一种集成吹扫机构的吹扫式物料检测装置，利用定向气流清除光信号传播路径上阻碍物，通过保持光信号传播路径畅通从根源上解决误报问题，为烟草加工行业提供一种更为可靠的物料检测方案。

1 存在的问题

1.1 计量管的工作原理

计量管由直段和斜段两部分组成，直段部分安装了高、中、低料位光电管，斜段部分安装了堵料位光电管。光电管由发射端与接收端成对组成两者布置于同一水平线上，发射端发出红外光信号透过计量管的玻璃管壁传输给接收端，根据光信号传播路径是否被遮挡判断计量管内储料状态，如图 1 所示。在制丝生产线上，计量管一般与喂料仓、电子秤一起使用，计量管采集的物料状态是调控喂料仓动作的关键信息，若数个料位光电管全部未被遮挡或仅遮挡低料位光电管，说明当前计量管内物料量较少为保障电子秤流量稳定则应增大提升带电机频率；若高、中、低料位光电管同时被遮挡，则计量管处于满料状态应使喂料仓提升带停止向计量管供料以防堵料事故发生；当堵料位光电管检测到物料并经过一定的延时后状态仍未改变，则系统将停止提升带并给出报警信号防止堵料。

1.2 存在的问题

图 1 计量管

在卷烟生产过程中，烟叶制丝工序的计量管物料检测一直是一个重要的技术环节。现有的光电检测开关虽然在一定程度上能够满足生产需求，但在实际应用中却存在着一系列问题。

（1）现有的光电检测方式易受到烟丝的遮挡影响。在加工过程中，由于烟丝落下时，扬尘较多，计量管斜段的玻璃管壁积灰，重影响光电管检测，导致误检测时常发生。小组根据制丝车间MES 系统与维修工单对 2024 年 3-8 月期间内计量管光电开关误检测故障次数进行统计，如图 2 所示，因光电开关误报导致的故障次数高达 3 次/月，严重威胁工艺生产质量且具有较大提升空间。

（2）由于电子称流量控制需要导致计量管尺寸受到严格限制，且为避免扬尘通常采用密闭结构，这导致人工保养难以保持计量管观察窗内壁清洁，频繁的拆装计量管也将对光电管位置尺寸产生不利影响，若对射光电管支架变形移位，将导致发射端和接收端不在同一直线上从而可能出现误检测。

综上所述，现有的光电检测方式在烟草加工过程中存在着明显的不足和局限性。为了解决这些问题，需要利用车间现有的资源对光电检测装置进行改进。因此，设计一种集成吹扫机构的吹扫式物料检测装置具有重要的现实意义和应用价值。

3 吹扫式物料检测装置的设计

3.1 结构设计

吹扫式物料检测装置由光电检测装置、风管、气源、观察窗和控制系统组成，结构示意图如图 3所示。

图3 吹扫式物料检测装置结构图

1-计量管管壁；2-发射端；3-接收端；4-观察窗；5-风管；6-气源

光电检测装置的发射端与接收端平行布置于计量管两侧，红外光信号可透过计量管两侧的透明观察窗形成连通路径。为克服观察窗内壁烟叶或粉尘沉积导致的误检测问题，在左右光电检测装置与计量管观察窗之间各布置一风管且风管布置位置与红外光信号路径重合，观察窗上设置一气孔，风管的一端与观察窗气孔相连，使空压气能够沿着风管吹入计量管内，风管另一端连接至光电检测装置，两光电检测装置可沿风管内径实现信号传递。

风管结构设计如图 4 所示。在风管上端布置一气源通孔与空压气源连接，由于并不是将风管靠近光电检测装置的端口作为进风口，可以避免气源管路对光信号产生遮挡，空压气由气源通孔从上至下方向进入风管内部，由于风管导向设置空压气更易吹向下风口从而通过观察窗通孔进入计量管内部，由此实现光信号传播路径疏通。

3.2 控制系统设计

吹扫式物料检测装置的控制逻辑可根据实际生产情况进行设置：

生产开始前查询给部位光电检测开关状态，若未存在物料却显示检测装置触发则启动空压气源进行吹扫，保证光信号传播路径通畅；生产过程中应定期启动空压气源进行吹扫以防止粉尘沉积，同时若低料位检测开关无物料而上方检测开关被遮挡则应立即启动空压气源进行吹扫；生产结束收尾时，应保持空压气源持续启动，保证各光电检测开关能够实时监控料尾物料状态，顺利完成跟批收尾工作。

5. 效果验证

项目实施后，对吹扫式物料检测装置的运行效果进行了验证如图 5 所示。

结果显示，电子秤计量管因物料遮挡问题造成的误检测故障次数显著降低，达到了 0.33 次/月的水平，有效避免了堵料或者断流的事故发生，改善实施成果显著。同时，小组对发生于 2024 年 11 月与 12 月的两次误检测故障进行深入分析，发现故障原因是由于质地轻薄的烟草薄片嵌入计量管缝隙导致空压气无法对其进行有效吹扫，因此针对这一现象小组下一步计划拟结合新型图像处理算法与深度学习模型构建“视觉感知系统”通过实时采集计量管图像对物料状态进行分析，同时具备杂物识别、霉变预警等功能，实现物料状态智能分析与决策，真正做到提前预防、及时发现、迅速处理、降低损失。

5.结语

经验证，本文设计的吹扫式物料检测装置从根源上克服了烟末粉尘遮挡而导致的误检测问题，实现对物料状态的精确判断，电子秤计量管因物料问题造成的误报故障次数显著降低，达到了 0.33 次/月的水平，有效避免了堵料或者断流的事故发生，改善实施成果显著。同时，该装置还具有结构简单、安装方便、维护成本低等优点，具有较好的推广价值。

参考文献

[1] 黄仕强，鲍思成，张益，等. 一种制丝加香的烟丝流量控制系统的设计[J]. 自动化应用，2023，64（20）：87-90.

[2]梁敬婕.定量管物料流量稳定性控制改进[J].工业控制计算机，2022， 35（02）：155-156.

[3]梁敬婕.定量管物料流量稳定性控制系统改进[J].工业控制计算机，2022，35（02）：155-1

[4]张选顺，侯琪琛，杨刚，等.制丝线掺配限量管优化设计及应用[J].科学技术创新，2022，（27）：27-30.第一作者：

秦邦宪、男、1977.10.30、市、大学本科、工程师、卷烟制丝设备维护、。

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