基于機器視覺技術的殘煙異物剔除系統

鄭小珍，戴光利，張奕

（1.廣東中煙工業有限責任公司廣州卷煙廠，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;3.四川煙草工業有限責任公司什邡分廠，四川什邡 618400）

0 引言

隨著食品事故頻發，食品安全越來越被重視，作為食品加工之一的卷煙生產企業也對卷煙品質的控制越來越嚴格，需要檢測的項目也越來越多。而在高速生產的場合，各種產品外觀、品質檢測已經遠遠超過人工檢測范圍，包裝機從原來的每分鐘400包，到現在的1 200包，傳統靠人工抽檢的檢測模式存在很大的弊端，影響卷煙品質。長時間的人工檢測容易出錯，同時會影響檢測人員的健康，因此機器視覺的應用應運而生，該項技術可以實時高速的進行相關檢測，可以滿足連續性生產，可以安裝在環境苛刻的應用場合。

目前卷煙企業在生產加工過程中，大量有缺陷的煙支、煙包會被檢測并剔除出來，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行利用，以減少原材料的浪費。經過殘煙機處理后的煙絲中帶有一定數量的煙紙末，還有過濾嘴破碎后的絲團等異物，這些異物直接影響卷煙的品質，隨著卷煙品質要求的提高，煙草客戶對原料的把關越來越嚴格，對煙草原料的純凈度、結構等要求也越來越高，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。殘煙異物剔除系統裝置就應用在殘煙回收生產線末端，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采用圖像處理與識別方法，根據物體顏色、形狀、紋理、圖案等多方面性狀特征，在線識別殘煙絲中的異物，如:煙紙屑、嘴棒絲團等，并實時剔除異物，提高煙絲品質，該設備可以提高回收煙絲的純凈度，使殘煙處理機最大效能的分離煙絲，減少分離后殘留煙絲的含量，一方面起到節能降耗的功能，另外還有效的保證回收煙絲的卷煙品質。

1 系統總體設計

1.1 煙絲異物剔除系統硬件構成

該系統由高速線掃描攝像機、工業鏡頭、LED光源、人機交互、高速輸送機、剔除閥等裝置構成，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

1.2 系統檢測原理

回收煙支首先通過殘煙處理機進行煙絲的分離，混雜異物的煙絲通過振動式輸送機松散，為確保煙絲通過視覺系統時，沒有重疊和覆蓋，松散后的煙絲需要通過高速皮帶機攤薄，高速智能攝像機實時抓拍通過的物料，將采集的圖像通過自身的DSP處理芯片進行二值化處理，比對設定閾值，把檢測到的斑點標記出像素坐標，然后和電磁閥所對應的實際坐標進行轉換，把128個閥控制信號由EtherNet網絡傳輸到CJ2M CPU單元，CPU單元讀取到通訊輸入后，判斷有效標志位，如果有效標志位內容發生變化，則把數據以指針形式保存到數據庫，同時寫入未使用標記。PLC根據拍攝點到剔除點的距離計算出延時時間，在異物通過高速電磁閥的時候，開啟電磁閥噴射高速氣流，將異物吹落。

1.3 硬件選型

通過生產要求分析，生產量為300 kg/h，輸送帶的寬度為560 mm，要達到物料不重疊、無遮擋，則輸送帶的速度要達到2.5 m/s，物料在高速的輸送過程中，有可能改變自身前進方向的運行軌跡，因此把高速攝像機的安裝位置位于輸送帶前驅動軸160 mm處，高速攝像機距離剔除閥的距離為180 mm，從高速攝像機檢測到驅動閥門噴射壓縮空氣的整個時間80 ms，高速攝像機的單幀圖像為1 024×64畫幅，獲取圖像時間大約8 ms，圖像處理需要25 ms，還有網絡的傳輸時間，計算后得知PLC存入數據庫的開閥時間需要精確到ms級，目前大多數PLC的定時時基都為10 ms，不能準確的響應開閥時間，CJ2M系列PLC帶有定時基值為1 ms的高速定時器，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，且帶有USB編程接口。

I/O統計，剔除閥的數量為102只，還有報警指示燈、運行狀態指示燈、聯機信號等數字量輸出信號，因此需要配置128個數字量輸出點，從CJ擴展模塊選型中選擇CJ1W-OD261比較適合，單個模塊有64個晶體管輸出點，分為4個通道組，單點輸出電流為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。

系統還有聯機輸入信號、本地開關狀態信號、按鈕啟動停止信號、以及安全防護的傳感器信號，上述數字量輸入點共計9個，選擇CJ1W-ID211數字量輸入模塊，輸入電壓電流為24V DC 7 mA，采用可卸端子塊連接方式。

變頻器電動機的監控采用模擬量控制方式，獲取當前運行頻率，設定電動機頻率，檢測變頻器頻率設定值與實際運轉值是否異常，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，信號范圍為0～5 V、0～10 V、4 mA～20 mA等，分辨率1/4 000，轉換速度為1 ms/點。

1.4 系統模塊功能構造

2 系統軟件

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，提供一個基于Cps集成開發環境，梯形圖使用CX-programmer V9.2版本編寫，程序有高速輸送機驅動功能、高速電磁閥驅動功能、接收高速攝像機的圖像處理數據功能、要和人機界面交互功能。軟件流程圖如圖2所示:

圖2 軟件流程圖

按照系統設計要求，軟件按照功能劃分為6個段。

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

Motor程序段是對變頻器的參數設定、運行頻率采集以及對變頻器的啟停控制等，變頻器的頻率范圍為0～50 Hz，對應電動機轉速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，主動輥直徑為90 mm。

計算方式如下:

系統要求的速度為2.5 m/s

Alarm程序段是對系統部件的狀態不正常進行報警顯示，主要是電動機保護開關狀態、本地開關狀態、空氣壓力是否在設定值以內等。

Receive_Data程序段接收智能攝像機的數據，判斷前4個字節數據是否發生變化，有變化的數據有效，然后存儲開閥數據，并且做開閥標記。

Valve程序段順序執行存儲的開發數據，按照設定的延時時間后開啟高速電磁閥。

3 結語

PLC系統在機器視覺中可以滿足驅動需要，具備完善的手動檢驗功能，手動操作功能和自動聯機功能，對設備運行的狀態實時監測，對異常狀態報警，可以針對不同品牌設定參數，基于Omron PLC的機器視覺殘煙異物剔除系統已經大量應用在工業現場，應用結果表明能夠高負荷、不間斷的檢出異物，從而保證卷煙煙絲的品質。

［1］宋伯生.PLC編程理論算法及技巧［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［2］王慧琴.數字圖像處理［M］.北京:北京郵電出版社，2006.

［3］甘永梅，等.現場總線技術及其應用［M］.2010.

［4］趙鵬.機器視覺理論及應用［M］.2011.

［5］史儀凱.《電工電子應用技術》［M］（第一版）.北京:科學出版社，2005.

［6］夏繼強.現場總線工業控制網絡技術［M］.2005.