鄭小珍，戴光利，張奕

（1.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠，廣東廣州510000;2.南京大樹智能科

技股份有限公司，江蘇南京211100;3.四川煙草工業(yè)有限責(zé)任公司什邡分廠，四川什邡 618400）

0 引言

隨著食品事故頻發(fā)，食品安全越來越被重視，作為食品加工之一的卷煙生產(chǎn)企業(yè)也對(duì)卷煙品質(zhì)的控制越來越嚴(yán)格，需要檢測(cè)的項(xiàng)目也越來越多。而在高速生產(chǎn)的場(chǎng)合，各種產(chǎn)品外觀、品質(zhì)檢測(cè)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人工檢測(cè)范圍，包裝機(jī)從原來的每分鐘400包，到現(xiàn)在的1 200包，傳統(tǒng)靠人工抽檢的檢測(cè)模式存在很大的弊端，影響卷煙品質(zhì)。長(zhǎng)時(shí)間的人工檢測(cè)容易出錯(cuò)，同時(shí)會(huì)影響檢測(cè)人員的健康，因此機(jī)器視覺的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生，該項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)高速的進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，可以滿足連續(xù)性生產(chǎn)，可以安裝在環(huán)境苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合。

目前卷煙企業(yè)在生產(chǎn)加工過程中，大量有缺陷的煙支、煙包會(huì)被檢測(cè)并剔除出來，而剔除出來的煙支中的煙絲則要通過殘煙回收裝置處理后再進(jìn)行利用，以減少原材料的浪費(fèi)。經(jīng)過殘煙機(jī)處理后的煙絲中帶有一定數(shù)量的煙紙末，還有過濾嘴破碎后的絲團(tuán)等異物，這些異物直接影響卷煙的品質(zhì)，隨著卷煙品質(zhì)要求的提高，煙草客戶對(duì)原料的把關(guān)越來越嚴(yán)格，對(duì)煙草原料的純凈度、結(jié)構(gòu)等要求也越來越高，這些異物必須從煙絲中分離出來。因此殘煙異物剔除是必不可少的一道工序。殘煙異物剔除系統(tǒng)裝置就應(yīng)用在殘煙回收生產(chǎn)線末端，用于清除回收煙絲中的煙紙和濾嘴物。

殘煙絲異物智能剔除系統(tǒng)采用圖像處理與識(shí)別方法，根據(jù)物體顏色、形狀、紋理、圖案等多方面性狀特征，在線識(shí)別殘煙絲中的異物，如:煙紙屑、嘴棒絲團(tuán)等，并實(shí)時(shí)剔除異物，提高煙絲品質(zhì)，該設(shè)備可以提高回收煙絲的純凈度，使殘煙處理機(jī)最大效能的分離煙絲，減少分離后殘留煙絲的含量，一方面起到節(jié)能降耗的功能，另外還有效的保證回收煙絲的卷煙品質(zhì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 煙絲異物剔除系統(tǒng)硬件構(gòu)成

該系統(tǒng)由高速線掃描攝像機(jī)、工業(yè)鏡頭、LED光源、人機(jī)交互、高速輸送機(jī)、剔除閥等裝置構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)檢測(cè)原理

回收煙支首先通過殘煙處理機(jī)進(jìn)行煙絲的分離，混雜異物的煙絲通過振動(dòng)式輸送機(jī)松散，為確保煙絲通過視覺系統(tǒng)時(shí)，沒有重疊和覆蓋，松散后的煙絲需要通過高速皮帶機(jī)攤薄，高速智能攝像機(jī)實(shí)時(shí)抓拍通過的物料，將采集的圖像通過自身的DSP處理芯片進(jìn)行二值化處理，比對(duì)設(shè)定閾值，把檢測(cè)到的斑點(diǎn)標(biāo)記出像素坐標(biāo)，然后和電磁閥所對(duì)應(yīng)的實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把128個(gè)閥控制信號(hào)由EtherNet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紺J2M CPU單元，CPU單元讀取到通訊輸入后，判斷有效標(biāo)志位，如果有效標(biāo)志位內(nèi)容發(fā)生變化，則把數(shù)據(jù)以指針形式保存到數(shù)據(jù)庫，同時(shí)寫入未使用標(biāo)記。PLC根據(jù)拍攝點(diǎn)到剔除點(diǎn)的距離計(jì)算出延時(shí)時(shí)間，在異物通過高速電磁閥的時(shí)候，開啟電磁閥噴射高速氣流，將異物吹落。

1.3 硬件選型

通過生產(chǎn)要求分析，生產(chǎn)量為300 kg/h，輸送帶的寬度為560 mm，要達(dá)到物料不重疊、無遮擋，則輸送帶的速度要達(dá)到2.5 m/s，物料在高速的輸送過程中，有可能改變自身前進(jìn)方向的運(yùn)行軌跡，因此把高速攝像機(jī)的安裝位置位于輸送帶前驅(qū)動(dòng)軸160 mm處，高速攝像機(jī)距離剔除閥的距離為180 mm，從高速攝像機(jī)檢測(cè)到驅(qū)動(dòng)閥門噴射壓縮空氣的整個(gè)時(shí)間80 ms，高速攝像機(jī)的單幀圖像為1 024×64畫幅，獲取圖像時(shí)間大約8 ms，圖像處理需要25 ms，還有網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)間，計(jì)算后得知PLC存入數(shù)據(jù)庫的開閥時(shí)間需要精確到ms級(jí)，目前大多數(shù)PLC的定時(shí)時(shí)基都為10 ms，不能準(zhǔn)確的響應(yīng)開閥時(shí)間，CJ2M系列PLC帶有定時(shí)基值為1 ms的高速定時(shí)器，并且該CPU的處理速度快，單條指令的處理能力為40 ns，自身帶有EtherNet接口和RS232接口，且?guī)в蠻SB編程接口。

I/O統(tǒng)計(jì)，剔除閥的數(shù)量為102只，還有報(bào)警指示燈、運(yùn)行狀態(tài)指示燈、聯(lián)機(jī)信號(hào)等數(shù)字量輸出信號(hào)，因此需要配置128個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，從CJ擴(kuò)展模塊選型中選擇CJ1W-OD261比較適合，單個(gè)模塊有64個(gè)晶體管輸出點(diǎn)，分為4個(gè)通道組，單點(diǎn)輸出電流為0.3 A，采用Fujitsu模塊化連接器連接方式，體積小，寬度僅為31 mm。

系統(tǒng)還有聯(lián)機(jī)輸入信號(hào)、本地開關(guān)狀態(tài)信號(hào)、按鈕啟動(dòng)停止信號(hào)、以及安全防護(hù)的傳感器信號(hào)，上述數(shù)字量輸入點(diǎn)共計(jì)9個(gè)，選擇CJ1W-ID211數(shù)字量輸入模塊，輸入電壓電流為24V DC 7 mA，采用可卸端子塊連接方式。

變頻器電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控采用模擬量控制方式，獲取當(dāng)前運(yùn)行頻率，設(shè)定電動(dòng)機(jī)頻率，檢測(cè)變頻器頻率設(shè)定值與實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)值是否異常，選用CJ1W-MAD42模擬量輸入輸出模塊，該模塊有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出，信號(hào)范圍為0～5 V、0～10 V、4 mA～20 mA等，分辨率1/4 000，轉(zhuǎn)換速度為1 ms/點(diǎn)。

1.4 系統(tǒng)模塊功能構(gòu)造

2 系統(tǒng)軟件

編程軟件采用CX-one編寫，CX-One集成了Omron的PLC和Components的支持軟件，提供一個(gè)基于Cps集成開發(fā)環(huán)境，梯形圖使用CX-programmer V9.2版本編寫，程序有高速輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功能、高速電磁閥驅(qū)動(dòng)功能、接收高速攝像機(jī)的圖像處理數(shù)據(jù)功能、要和人機(jī)界面交互功能。軟件流程圖如圖2所示:

圖2 軟件流程圖

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，軟件按照功能劃分為6個(gè)段。

Selftest程序段的主要功能是檢測(cè)電磁閥的使用狀況，可以有兩種模式檢測(cè)，一種為順序掃描，即開啟第一個(gè)電磁閥，保持通電狀態(tài)200 ms，然后關(guān)閉第一個(gè)閥門，延時(shí)200 ms后，開啟第二個(gè)閥門，以此順序掃描完102只閥門，操作人員可以根據(jù)噴氣閥門的響聲及節(jié)奏判斷是否有閥門異常。第二種模式為單個(gè)閥門檢測(cè)，操作人員可以點(diǎn)動(dòng)任意一個(gè)閥門，檢測(cè)其工作狀態(tài)是否正常。

Motor程序段是對(duì)變頻器的參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行頻率采集以及對(duì)變頻器的啟?？刂频龋冾l器的頻率范圍為0～50 Hz，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n為0～2 650 r/min，齒輪箱速比n1為 1∶5.76，同步帶比例n2為 1∶2，主動(dòng)輥直徑為90 mm。

計(jì)算方式如下:

系統(tǒng)要求的速度為2.5 m/s

Alarm程序段是對(duì)系統(tǒng)部件的狀態(tài)不正常進(jìn)行報(bào)警顯示，主要是電動(dòng)機(jī)保護(hù)開關(guān)狀態(tài)、本地開關(guān)狀態(tài)、空氣壓力是否在設(shè)定值以內(nèi)等。

Receive_Data程序段接收智能攝像機(jī)的數(shù)據(jù)，判斷前4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，有變化的數(shù)據(jù)有效，然后存儲(chǔ)開閥數(shù)據(jù)，并且做開閥標(biāo)記。

Valve程序段順序執(zhí)行存儲(chǔ)的開發(fā)數(shù)據(jù)，按照設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后開啟高速電磁閥。

3 結(jié)語

PLC系統(tǒng)在機(jī)器視覺中可以滿足驅(qū)動(dòng)需要，具備完善的手動(dòng)檢驗(yàn)功能，手動(dòng)操作功能和自動(dòng)聯(lián)機(jī)功能，對(duì)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)異常狀態(tài)報(bào)警，可以針對(duì)不同品牌設(shè)定參數(shù)，基于Omron PLC的機(jī)器視覺殘煙異物剔除系統(tǒng)已經(jīng)大量應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)用結(jié)果表明能夠高負(fù)荷、不間斷的檢出異物，從而保證卷煙煙絲的品質(zhì)。

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