基于工業觸摸屏的煙包外觀質量檢測系統設計

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.江蘇中煙工業有限責任公司淮陰卷煙廠，江蘇 淮安 223002；3.江蘇中煙工業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）

在現代化生產過程中，企業不僅對速度的要求越來越快，而且對產品質量的控制要求也越來越高。在卷煙包裝機自動化生產線上，由于機器的運行速度較高，例如：國內常用GDX1/X2包裝生產線的包裝速度為400包/分鐘，因此，不可避免會出現煙包包裝的次品。而落后的煙包外觀質量檢測方式己經不能滿足現代化生產的需要。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設計要求

煙包外觀質量檢測系統功能是自動剔除生產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 系統設計原理

煙包外觀質量檢測系統原理框圖如圖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智能相機快門，機器視覺系統實現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，經控制執行模塊剔除不合格煙包。

圖1 煙包外觀質量檢測系統原理框圖

1.2 系統控制過程

煙包外觀質量檢測系統主要有照相觸發、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，光纖傳感器觸發智能相機拍照；并將圖像數據傳送至機器視覺系統CV-3001進行分析。

2）CV-3001判定的檢測結果存放在PLC的數據存儲器中。

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

2 煙包外觀質量檢測系統總體結構設計

煙包外觀質量檢測系統總體結構包括控制箱體、檢測箱體、剔除及次品收集系統三部分。控制箱體安裝在不影響工作，方便操作人員操作和監視的機臺上。檢測箱體、剔除及次品收集系統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堵塞情況，以免影響檢測精度。

控制箱體包括機器視覺系統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包括高速電磁閥、收集箱等。

3 系統硬件設計

圖2為系統組成框圖，檢測系統采用PLC為控制系統，根據機器視覺系統判斷的結果，來控制剔除閥動作，從而達到了檢測的目的。觸摸屏顯示統計數據，設置主機工作的各種參數，以保證系統穩定可靠的工作。

圖2 系統組成框圖

3.1 PLC

系統采用Keyence公司的KV-1000型PLC，有16點DC24V輸入、8點晶體管輸出；內部采用32bit處理，基本指令執行每步只需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；內含高速計數器等多種內部元件資源；抗干擾能力強，是一種高性能、執行速度快、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。對于本系統而言，對相機觸發，以及后續電磁閥剔除，為了保證檢測效果，選用Keyence公司的數字光纖傳感器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

檢測系統在系統設置和正常工作顯示不同的畫面，當系統進行參數設置時,觸摸屏顯示的為CV-3001的參數設置畫面；系統正常工作時,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，實現了RGB信號與參數設置畫面分時顯示。

3.5 機器視覺系統

煙包外觀檢測系統采用日本Keyence公司高清晰、高分辨率的機器視覺系統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/數學工具等工具，比較預先設定區域內的顏色，相似度（FIT），圖像位置坐標（X，Y）等參數，若在設置的公差范圍內，表示此煙包外觀合格，否則視為不合格產品，并輸出剔除信號。系統需要對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、發光的光譜特性等，同時還要考慮且發光強度高，穩定時間長。根據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 檢測系統軟件設計

煙包外觀檢測系統軟件設計包括PLC程序設計和觸摸屏程序設計。PLC程序主要負責整個系統的控制，包括觸發相機照相、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，主要實現系統參數設置、數據統計顯示等功能。

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，執行這集合中的一條條指令。本系統采用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、每次掃描執行模塊、后備模塊。

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

每次掃描執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

煙包品牌程序號是一組執行檢測的設定，例如攝像機的圖像拍攝設定，以及檢查區域的情況和檢查方法。檢測系統可登錄多種煙包品牌，當該生產線生產其他品牌煙包時，檢測系統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PLC程序實現

剔除系統是由PLC控制的，它是系統的最后一個環節。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。

系統中還增加了煙包堵塞判斷程序，當發生堵塞時，系統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判定煙包信號數據存放在PLC內部數據寄存器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數據存儲器中，執行一次掃描后，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，通過組態出的各種顯示和控制功能實現系統操作狀態、當前過程值及故障的可視化。利用人機界面操作控制系統，對PLC中的實時數據進行顯示、記錄、存儲、處理。從而滿足各種控制要求。

5 檢測系統設計時須考慮的問題

在檢測系統設計過程中需要考慮以下問題。

5.1 檢測系統響應速度

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,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、圖像數據傳輸時間、光纖傳感器響應時間可忽略不計；根據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，經后期實驗，模擬現場煙包速度，控制系統能精確無誤的剔除出不合格的煙包。

5.2 掉電處理

為提高控制系統的可靠性，采用PLC內部的保持寄存器來定義統計數據的寄存器、程序號切換的數據等變量，以便在現場意外掉電時自動完成數據保護操作。

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了中文輸入功能，對提高系統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

在控制系統設計中，可編程控制器(PLC)的使用可提高控制系統的可靠性和控制精度、增強系統的抗干擾能力，工業觸摸屏的使用則為整個控制系統提供了良好的人機操作界面，PLC與工業觸摸屏的聯合應用，簡化了現場操作，提高了控制系統程序和人機界面的靈活性，不但方便操作，而且使系統性能更加安全可靠，因此二者的聯合控制系統將越來越廣泛地應用于工業生產的各個領域。

[1]KV-1000系列PLC用戶手冊[Z].KEYENCE CORPORATION,2005.

[2]殷洪義.可編程控制器選擇設計與維護[M].北京:機械工業出版社,2002.

[3]李方園.觸摸屏工程應用[M].北京:電子工業出版社,2008.

[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].工業儀表與自動化裝置,2010(3):82-85.