基于工業(yè)觸摸屏的煙包外觀質量檢測系統(tǒng)設計

黃躍永 金 鑫 王德勝 周學斌

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

在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中，企業(yè)不僅對速度的要求越來越快，而且對產(chǎn)品質量的控制要求也越來越高。在卷煙包裝機自動化生產(chǎn)線上，由于機器的運行速度較高，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，不可避免會出現(xiàn)煙包包裝的次品。而落后的煙包外觀質量檢測方式己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。因此，要對煙包外觀質量檢測，必須使用全新的方法才可能解決根本問題。

1 煙包外觀質量檢測系統(tǒng)設計要求

煙包外觀質量檢測系統(tǒng)功能是自動剔除生產(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)設計原理

煙包外觀質量檢測系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，將智能相機嵌入煙包輸送跑道適宜工位，通過光纖傳感器檢測煙包的有無，當檢測到有煙包時，光纖傳感器的信號觸發(fā)智能相機快門，機器視覺系統(tǒng)實現(xiàn)采集的圖像與事先存儲的標準圖像做判定，當判定為不合格煙包，主機輸出一路NG信號，經(jīng)控制執(zhí)行模塊剔除不合格煙包。

圖1 煙包外觀質量檢測系統(tǒng)原理框圖

1.2 系統(tǒng)控制過程

煙包外觀質量檢測系統(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）煙包到達拍照位置時，光纖傳感器觸發(fā)智能相機拍照；并將圖像數(shù)據(jù)傳送至機器視覺系統(tǒng)CV-3001進行分析。

2）CV-3001判定的檢測結果存放在PLC的數(shù)據(jù)存儲器中。

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

2 煙包外觀質量檢測系統(tǒng)總體結構設計

煙包外觀質量檢測系統(tǒng)總體結構包括控制箱體、檢測箱體、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)視的機臺上。檢測箱體、剔除及次品收集系統(tǒng)安裝在主機與小包透明紙包裝機連接跑道的上游，主要是防止小包出現(xiàn)堵塞情況，以免影響檢測精度。

控制箱體包括機器視覺系統(tǒng)CV-3001、PLC模塊、觸摸屏、電源模塊等。檢測箱體包括智能相機、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)硬件設計

圖2為系統(tǒng)組成框圖，檢測系統(tǒng)采用PLC為控制系統(tǒng)，根據(jù)機器視覺系統(tǒng)判斷的結果，來控制剔除閥動作，從而達到了檢測的目的。觸摸屏顯示統(tǒng)計數(shù)據(jù)，設置主機工作的各種參數(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DC24V輸入、8點晶體管輸出；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,運算速度極快；程序容量最大160K步；內(nèi)含高速計數(shù)器等多種內(nèi)部元件資源；抗干擾能力強，是一種高性能、執(zhí)行速度快、功能強大的小型整體式PLC。

3.2 光纖傳感器

相機在拍照之前，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。對于本系統(tǒng)而言，對相機觸發(fā)，以及后續(xù)電磁閥剔除，為了保證檢測效果，選用Keyence公司的數(shù)字光纖傳感器FSV31，檢測距離可達1m，響應時間為33us。

3.3 剔除裝置

為保證系統(tǒng)檢測速度，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，標準額定流量為400L/min。開啟時間為8ms，關閉時間為5ms。

3.4 觸摸屏

檢測系統(tǒng)在系統(tǒng)設置和正常工作顯示不同的畫面，當系統(tǒng)進行參數(shù)設置時,觸摸屏顯示的為CV-3001的參數(shù)設置畫面；系統(tǒng)正常工作時,觸摸屏實時顯示相機拍攝的煙包圖像。

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，實現(xiàn)了RGB信號與參數(shù)設置畫面分時顯示。

3.5 機器視覺系統(tǒng)

煙包外觀檢測系統(tǒng)采用日本Keyence公司高清晰、高分辨率的機器視覺系統(tǒng)CV-3001對煙包被檢測的部位進行圖像識別，把合格的煙包標準圖像存儲起來，對當前要檢測的煙包實時拍照，將檢測到的煙包圖像和存儲的圖像相比較，采用灰度級別、色彩分析、斑點分析、文本識別、對象尋找、測量/數(shù)學工具等工具，比較預先設定區(qū)域內(nèi)的顏色，相似度（FIT），圖像位置坐標（X，Y）等參數(shù)，若在設置的公差范圍內(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。系統(tǒng)需要對5個面檢測，采用兩智能相機對煙包檢測，通過調整相機鏡頭的角度，可對生產(chǎn)線上煙包的前部、后部、左部、右部和頂部5個面進行檢測。智能相機選用Keyence公司CV-035C彩色相機，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，同時還要考慮且發(fā)光強度高，穩(wěn)定時間長。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 檢測系統(tǒng)軟件設計

煙包外觀檢測系統(tǒng)軟件設計包括PLC程序設計和觸摸屏程序設計。PLC程序主要負責整個系統(tǒng)的控制，包括觸發(fā)相機照相、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量檢測裝置的人機界面，主要實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示等功能。

4.1 PLC程序設計

PLC程序是PLC指令有序的集合，PLC運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程序設計的基本語言。

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 切換煙包品牌程序實現(xiàn)

煙包品牌程序號是一組執(zhí)行檢測的設定，例如攝像機的圖像拍攝設定，以及檢查區(qū)域的情況和檢查方法。檢測系統(tǒng)可登錄多種煙包品牌，當該生產(chǎn)線生產(chǎn)其他品牌煙包時，檢測系統(tǒng)需要切換到相應品牌程序中。

程序號切換時序如圖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（對應 PLC 為 LR3010、LR3011、LR3012、LR3013 鎖存繼電器）中；

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

IN11-IN8為0011時，切換CV-3001存儲卡中的程序號。

步驟2：將切換地址的程序號從IN7輸入到IN0（對應PLC

LR3002—LR3009鎖存繼電器）中；

步驟3：將CST輸入（對應PLC的R30014輸出繼電器）設置為高。切換程序完成。

圖3 程序號切換時序圖

4.1.2 剔除系統(tǒng)PLC程序實現(xiàn)

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

系統(tǒng)中還增加了煙包堵塞判斷程序，當發(fā)生堵塞時，系統(tǒng)立即報警提醒操作人員來處理故障，并且PLC立即關閉I/O剔除口輸出。CV-3001判定煙包信號數(shù)據(jù)存放在PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器DM103中，檢測工位傳感器(對應PLC輸入繼電器R0)檢測到煙包時，觸發(fā)相機拍照，CV-3001進行圖像處理后，輸出的“OK”（邏輯低電平）或“NG”（邏輯高電平）信號壓入到DM103數(shù)據(jù)存儲器中，執(zhí)行一次掃描后，檢測DM103中的信號，煙包到達剔除工位 （對應PLC輸入繼電器R2）時，當檢測到DM103為 “NG”（邏輯高電平），即啟動擴展模塊的R30015輸出繼電器，自動剔除煙包，并將存儲下一次掃描的影像系統(tǒng)信號。

4.2 觸摸屏畫面設計

VT3-S10觸摸屏采用VT STUDIO Ver.2作圖軟件進行設計。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現(xiàn)系統(tǒng)操作狀態(tài)、當前過程值及故障的可視化。利用人機界面操作控制系統(tǒng)，對PLC中的實時數(shù)據(jù)進行顯示、記錄、存儲、處理。從而滿足各種控制要求。

5 檢測系統(tǒng)設計時須考慮的問題

在檢測系統(tǒng)設計過程中需要考慮以下問題。

5.1 檢測系統(tǒng)響應速度

要實時檢測出不合格的煙包，并精確剔除，這就需要分析檢測系統(tǒng)的響應速度。按檢測設計要求10包/秒，每包最大檢測時間為100ms。

CV-3001響應時間是根據(jù)檢測添加檢測工具的多少來計算的，每增加一個檢測窗口，就增加1～2ms，以一個煙包添加10個檢測窗口計算為10～20ms的時間；圖像傳輸時間為16ms；PLC程序包括20823步數(shù),運行基本指令最小時間為25ns，可以計算PLC程序運行不到1ms；高速電磁閥選用FESTO的MHE4-M1H系列,開啟時間是8ms,關閉時間為5ms,根據(jù)實驗確定氣閥開啟時間為25ms時，就可以完全剔除出有缺陷的煙包；智能相機拍照、圖像數(shù)據(jù)傳輸時間、光纖傳感器響應時間可忽略不計；根據(jù)上面分析可計算出完成一次煙包檢測時間小于40ms，剔除最大時間小于40ms，從理論上保證滿足了10包/秒的實時檢測要求，經(jīng)后期實驗，模擬現(xiàn)場煙包速度，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)計數(shù)據(jù)的寄存器、程序號切換的數(shù)據(jù)等變量，以便在現(xiàn)場意外掉電時自動完成數(shù)據(jù)保護操作。

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指令來設置需要保存的繼電器，程序設置繼電器R05000～R09915具有掉電保持功能。

5.3 中文拼音輸入法設計

由于煙包外觀質量檢測系統(tǒng)總共設置了16個程序號，每一個程序號對應一個中文名稱，當需要更換檢測煙包時，需要點擊相應的中文名稱進行切換。當需要更改煙包品牌程序號的名稱時，由于畫圖軟件沒有漢字錄入功能，存在一定的困難。為增加人機界面的友好性，在PLC控制系統(tǒng)上設計了中文拼音輸入法，通過實驗表明，該設計在不增加其它硬件資源的基礎上實現(xiàn)了中文輸入功能，對提高系統(tǒng)人機交互界面的友好性，具有一定的實用價值。

5.4 程序加密功能

通過KV-1000自帶的MEMSW指令來設置主程序寫、讀保護。

6 結論

在控制系統(tǒng)設計中，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、增強系統(tǒng)的抗干擾能力，工業(yè)觸摸屏的使用則為整個控制系統(tǒng)提供了良好的人機操作界面，PLC與工業(yè)觸摸屏的聯(lián)合應用，簡化了現(xiàn)場操作，提高了控制系統(tǒng)程序和人機界面的靈活性，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)將越來越廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域。

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[4]韓國華,耿守本,等.基于PLC的觸摸屏中文拼音輸入法設計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2010(3):82-85.