黃躍永 金 鑫 王德勝 周學(xué)斌

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010；2.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司淮陰卷煙廠，江蘇 淮安 223002；3.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南京卷煙廠，江蘇 南京 210019；4.上海煙草集團(tuán)北京卷煙廠，中國 北京 101121）

在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中，企業(yè)不僅對(duì)速度的要求越來越快，而且對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制要求也越來越高。在卷煙包裝機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線上，由于機(jī)器的運(yùn)行速度較高，例如：國內(nèi)常用GDX1/X2包裝生產(chǎn)線的包裝速度為400包/分鐘，因此，不可避免會(huì)出現(xiàn)煙包包裝的次品。而落后的煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)方式己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。因此，要對(duì)煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)，必須使用全新的方法才可能解決根本問題。

1 煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)功能是自動(dòng)剔除生產(chǎn)線上不合格外觀的煙包，主要包括以下缺陷的煙包：

1）封簽無、封簽不居中、封簽傾斜、封簽部分損壞（軟包）；

2）包裝紙無、反包、露白，包裝紙牌（軟、硬包）；

3）包裝紙傾斜、錯(cuò)位、粘接部位翹邊（軟包）；

4）包裝紙破損、印刷缺陷、污染（軟、硬包）；

5）缺內(nèi)框紙、翻蓋縫隙過大（硬包）；

6）小包變形等缺陷（軟、硬包）。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，將智能相機(jī)嵌入煙包輸送跑道適宜工位，通過光纖傳感器檢測(cè)煙包的有無，當(dāng)檢測(cè)到有煙包時(shí)，光纖傳感器的信號(hào)觸發(fā)智能相機(jī)快門，機(jī)器視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集的圖像與事先存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)圖像做判定，當(dāng)判定為不合格煙包，主機(jī)輸出一路NG信號(hào)，經(jīng)控制執(zhí)行模塊剔除不合格煙包。

圖1 煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

1.2 系統(tǒng)控制過程

煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)主要有照相觸發(fā)、不良煙包剔除等重要控制工序，其控制工作過程如下：

1）煙包到達(dá)拍照位置時(shí)，光纖傳感器觸發(fā)智能相機(jī)拍照；并將圖像數(shù)據(jù)傳送至機(jī)器視覺系統(tǒng)CV-3001進(jìn)行分析。

2）CV-3001判定的檢測(cè)結(jié)果存放在PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

3）PLC判斷為不合格煙包后，等待煙包到位信號(hào)，便發(fā)出剔煙信號(hào)到電磁閥剔除。

2 煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括控制箱體、檢測(cè)箱體、剔除及次品收集系統(tǒng)三部分?？刂葡潴w安裝在不影響工作，方便操作人員操作和監(jiān)視的機(jī)臺(tái)上。檢測(cè)箱體、剔除及次品收集系統(tǒng)安裝在主機(jī)與小包透明紙包裝機(jī)連接跑道的上游，主要是防止小包出現(xiàn)堵塞情況，以免影響檢測(cè)精度。

控制箱體包括機(jī)器視覺系統(tǒng)CV-3001、PLC模塊、觸摸屏、電源模塊等。檢測(cè)箱體包括智能相機(jī)、光纖傳感器等；剔除及次品收集系統(tǒng)包括高速電磁閥、收集箱等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2為系統(tǒng)組成框圖，檢測(cè)系統(tǒng)采用PLC為控制系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)器視覺系統(tǒng)判斷的結(jié)果，來控制剔除閥動(dòng)作，從而達(dá)到了檢測(cè)的目的。觸摸屏顯示統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)置主機(jī)工作的各種參數(shù)，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

3.1 PLC

系統(tǒng)采用Keyence公司的KV-1000型PLC，有16點(diǎn)DC24V輸入、8點(diǎn)晶體管輸出；內(nèi)部采用32bit處理，基本指令執(zhí)行每步只需25ns，30K步的梯形圖程序掃描僅需1ms,運(yùn)算速度極快；程序容量最大160K步；內(nèi)含高速計(jì)數(shù)器等多種內(nèi)部元件資源；抗干擾能力強(qiáng)，是一種高性能、執(zhí)行速度快、功能強(qiáng)大的小型整體式PLC。

3.2 光纖傳感器

相機(jī)在拍照之前，必須要確定拍攝物體的位置，煙包在剔除之前,亦須確定剔除的位置。對(duì)于本系統(tǒng)而言，對(duì)相機(jī)觸發(fā)，以及后續(xù)電磁閥剔除，為了保證檢測(cè)效果，選用Keyence公司的數(shù)字光纖傳感器FSV31，檢測(cè)距離可達(dá)1m，響應(yīng)時(shí)間為33us。

3.3 剔除裝置

為保證系統(tǒng)檢測(cè)速度，需要選擇高速電磁閥。剔除電磁閥我們最終采用FESTO公司MHE4系列的兩位三通高速電磁閥，標(biāo)準(zhǔn)額定流量為400L/min。開啟時(shí)間為8ms，關(guān)閉時(shí)間為5ms。

3.4 觸摸屏

檢測(cè)系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)置和正常工作顯示不同的畫面，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí),觸摸屏顯示的為CV-3001的參數(shù)設(shè)置畫面；系統(tǒng)正常工作時(shí),觸摸屏實(shí)時(shí)顯示相機(jī)拍攝的煙包圖像。

觸摸屏選用Keyence公司10.4英寸高亮度TFT液晶的VT3-S10，32768色顯示。該觸摸屏配備VT3-VD4模塊，實(shí)現(xiàn)了RGB信號(hào)與參數(shù)設(shè)置畫面分時(shí)顯示。

3.5 機(jī)器視覺系統(tǒng)

煙包外觀檢測(cè)系統(tǒng)采用日本Keyence公司高清晰、高分辨率的機(jī)器視覺系統(tǒng)CV-3001對(duì)煙包被檢測(cè)的部位進(jìn)行圖像識(shí)別，把合格的煙包標(biāo)準(zhǔn)圖像存儲(chǔ)起來，對(duì)當(dāng)前要檢測(cè)的煙包實(shí)時(shí)拍照，將檢測(cè)到的煙包圖像和存儲(chǔ)的圖像相比較，采用灰度級(jí)別、色彩分析、斑點(diǎn)分析、文本識(shí)別、對(duì)象尋找、測(cè)量/數(shù)學(xué)工具等工具，比較預(yù)先設(shè)定區(qū)域內(nèi)的顏色，相似度（FIT），圖像位置坐標(biāo)（X，Y）等參數(shù)，若在設(shè)置的公差范圍內(nèi)，表示此煙包外觀合格，否則視為不合格產(chǎn)品，并輸出剔除信號(hào)。系統(tǒng)需要對(duì)5個(gè)面檢測(cè)，采用兩智能相機(jī)對(duì)煙包檢測(cè)，通過調(diào)整相機(jī)鏡頭的角度，可對(duì)生產(chǎn)線上煙包的前部、后部、左部、右部和頂部5個(gè)面進(jìn)行檢測(cè)。智能相機(jī)選用Keyence公司CV-035C彩色相機(jī)，35萬像素顯示，圖像傳輸速度為16ms。鏡頭選用CV系列CCTV鏡頭CVL3。該鏡頭為3.5mm鏡頭。

光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量，光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性等，同時(shí)還要考慮且發(fā)光強(qiáng)度高，穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。根據(jù)上述分析我們選用兩支直流熒光燈，克服了工頻頻閃問題，使煙包表面清晰成像。

4 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

煙包外觀檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC程序設(shè)計(jì)和觸摸屏程序設(shè)計(jì)。PLC程序主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制，包括觸發(fā)相機(jī)照相、觸摸屏畫面控制、不合格煙包剔除等功能；觸摸屏是煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)裝置的人機(jī)界面，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示等功能。

4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序是PLC指令有序的集合，PLC運(yùn)行程序就是按一定順序，執(zhí)行這集合中的一條條指令。本系統(tǒng)采用KV STUDIO軟件來編寫梯形圖程序。梯形圖語言很接近硬連線的繼電器電路，已經(jīng)成為PLC程序設(shè)計(jì)的基本語言。

梯形圖程序包括初始化模塊、每次掃描執(zhí)行模塊、后備模塊。

初始化模塊程序：Initialize_Device。主要完成系統(tǒng)正常工作所需要的初始化。

每次掃描執(zhí)行型模塊包括以后幾個(gè)模塊程序,如表1所示：

表1 模塊子程序表

后備模塊程序：Change_TradeMark。主要完成煙包品牌程序的切換功能。

4.1.1 切換煙包品牌程序?qū)崿F(xiàn)

煙包品牌程序號(hào)是一組執(zhí)行檢測(cè)的設(shè)定，例如攝像機(jī)的圖像拍攝設(shè)定，以及檢查區(qū)域的情況和檢查方法。檢測(cè)系統(tǒng)可登錄多種煙包品牌，當(dāng)該生產(chǎn)線生產(chǎn)其他品牌煙包時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)需要切換到相應(yīng)品牌程序中。

程序號(hào)切換時(shí)序如圖3所示，切換步驟如下：

步驟1：將程序切換的命令代碼從CV-3001的I/O口IN8輸入至IN11（對(duì)應(yīng) PLC 為 LR3010、LR3011、LR3012、LR3013 鎖存繼電器）中；

IN11-IN8為0010時(shí)，切換CV-3001內(nèi)存儲(chǔ)器中的程序號(hào)。

IN11-IN8為0011時(shí)，切換CV-3001存儲(chǔ)卡中的程序號(hào)。

步驟2：將切換地址的程序號(hào)從IN7輸入到IN0（對(duì)應(yīng)PLC

LR3002—LR3009鎖存繼電器）中；

步驟3：將CST輸入（對(duì)應(yīng)PLC的R30014輸出繼電器）設(shè)置為高。切換程序完成。

圖3 程序號(hào)切換時(shí)序圖

4.1.2 剔除系統(tǒng)PLC程序?qū)崿F(xiàn)

剔除系統(tǒng)是由PLC控制的，它是系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。CV-3001在處理完每包煙的圖像后，如果檢測(cè)出煙包不合格，便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)剔除信號(hào)，通過CV-3001的I/O口輸出，再通過光耦轉(zhuǎn)換成24V電信號(hào)，傳送到PLC。PLC接收剔除信號(hào)后，便等待剔除傳感器的煙包到位信號(hào)，收到煙包到位信號(hào)后，PLC便發(fā)出一個(gè)脈寬為25ms的脈沖信號(hào)到電磁閥，進(jìn)而控制電磁閥動(dòng)作剔除該煙包。

系統(tǒng)中還增加了煙包堵塞判斷程序，當(dāng)發(fā)生堵塞時(shí)，系統(tǒng)立即報(bào)警提醒操作人員來處理故障，并且PLC立即關(guān)閉I/O剔除口輸出。CV-3001判定煙包信號(hào)數(shù)據(jù)存放在PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器DM103中，檢測(cè)工位傳感器(對(duì)應(yīng)PLC輸入繼電器R0)檢測(cè)到煙包時(shí)，觸發(fā)相機(jī)拍照，CV-3001進(jìn)行圖像處理后，輸出的“OK”（邏輯低電平）或“NG”（邏輯高電平）信號(hào)壓入到DM103數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，執(zhí)行一次掃描后，檢測(cè)DM103中的信號(hào)，煙包到達(dá)剔除工位 （對(duì)應(yīng)PLC輸入繼電器R2）時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到DM103為 “NG”（邏輯高電平），即啟動(dòng)擴(kuò)展模塊的R30015輸出繼電器，自動(dòng)剔除煙包，并將存儲(chǔ)下一次掃描的影像系統(tǒng)信號(hào)。

4.2 觸摸屏畫面設(shè)計(jì)

VT3-S10觸摸屏采用VT STUDIO Ver.2作圖軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。VT STUDIO Ver.2提供了多種控制器件庫、圖形控件和功能組態(tài)，通過組態(tài)出的各種顯示和控制功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作狀態(tài)、當(dāng)前過程值及故障的可視化。利用人機(jī)界面操作控制系統(tǒng)，對(duì)PLC中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、記錄、存儲(chǔ)、處理。從而滿足各種控制要求。

5 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)須考慮的問題

在檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要考慮以下問題。

5.1 檢測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)速度

要實(shí)時(shí)檢測(cè)出不合格的煙包，并精確剔除，這就需要分析檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。按檢測(cè)設(shè)計(jì)要求10包/秒，每包最大檢測(cè)時(shí)間為100ms。

CV-3001響應(yīng)時(shí)間是根據(jù)檢測(cè)添加檢測(cè)工具的多少來計(jì)算的，每增加一個(gè)檢測(cè)窗口，就增加1～2ms，以一個(gè)煙包添加10個(gè)檢測(cè)窗口計(jì)算為10～20ms的時(shí)間；圖像傳輸時(shí)間為16ms；PLC程序包括20823步數(shù),運(yùn)行基本指令最小時(shí)間為25ns，可以計(jì)算PLC程序運(yùn)行不到1ms；高速電磁閥選用FESTO的MHE4-M1H系列,開啟時(shí)間是8ms,關(guān)閉時(shí)間為5ms,根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定氣閥開啟時(shí)間為25ms時(shí)，就可以完全剔除出有缺陷的煙包；智能相機(jī)拍照、圖像數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間、光纖傳感器響應(yīng)時(shí)間可忽略不計(jì)；根據(jù)上面分析可計(jì)算出完成一次煙包檢測(cè)時(shí)間小于40ms，剔除最大時(shí)間小于40ms，從理論上保證滿足了10包/秒的實(shí)時(shí)檢測(cè)要求，經(jīng)后期實(shí)驗(yàn)，模擬現(xiàn)場(chǎng)煙包速度，控制系統(tǒng)能精確無誤的剔除出不合格的煙包。

5.2 掉電處理

為提高控制系統(tǒng)的可靠性，采用PLC內(nèi)部的保持寄存器來定義統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的寄存器、程序號(hào)切換的數(shù)據(jù)等變量，以便在現(xiàn)場(chǎng)意外掉電時(shí)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)保護(hù)操作。

PLC本身具有帶有鎖存功能的LR繼電器，亦可以通過KV-1000自帶的MEMSW指令來設(shè)置需要保存的繼電器，程序設(shè)置繼電器R05000～R09915具有掉電保持功能。

5.3 中文拼音輸入法設(shè)計(jì)

由于煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)總共設(shè)置了16個(gè)程序號(hào)，每一個(gè)程序號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)中文名稱，當(dāng)需要更換檢測(cè)煙包時(shí)，需要點(diǎn)擊相應(yīng)的中文名稱進(jìn)行切換。當(dāng)需要更改煙包品牌程序號(hào)的名稱時(shí)，由于畫圖軟件沒有漢字錄入功能，存在一定的困難。為增加人機(jī)界面的友好性，在PLC控制系統(tǒng)上設(shè)計(jì)了中文拼音輸入法，通過實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)在不增加其它硬件資源的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了中文輸入功能，對(duì)提高系統(tǒng)人機(jī)交互界面的友好性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

5.4 程序加密功能

通過KV-1000自帶的MEMSW指令來設(shè)置主程序?qū)?、讀保護(hù)。

6 結(jié)論

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可編程控制器(PLC)的使用可提高控制系統(tǒng)的可靠性和控制精度、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，工業(yè)觸摸屏的使用則為整個(gè)控制系統(tǒng)提供了良好的人機(jī)操作界面，PLC與工業(yè)觸摸屏的聯(lián)合應(yīng)用，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)操作，提高了控制系統(tǒng)程序和人機(jī)界面的靈活性，不但方便操作，而且使系統(tǒng)性能更加安全可靠，因此二者的聯(lián)合控制系統(tǒng)將越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。

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