顏色傳感器及PLC在防偽標簽檢測中的應用

林勝黨

（柯達（中國）圖文影像有限公司 福建廈門 361026）

由于市場上出現大量的假冒公司的產品，嚴重影響了膠卷及GTB熱敏版材的銷售和聲譽，因此，在公司生產的專供國內銷售的膠卷及GTB熱敏版材外包裝紙盒上加貼了帶有變色油墨的防偽標簽。為保證所生產的每個產品外包裝紙盒上都貼有防偽標簽，在包裝生產線上必須具備檢測防偽標簽的功能。同時，生產部門對于設備還提出一些具體要求：對于沒有貼上防偽標簽的紙盒，必須百分百剔除，剔除的數量必須進行統計并實時顯示出來；當只有1個或連續2個防偽標簽被檢測出錯誤時，設備不停機，仍繼續運行；當連續3 個紙盒被檢測出防偽標簽錯誤時，設備停機并顯示故障信息，當操作工復位后，設備仍可重新開機運行。

1 檢測位置的選定

目前，筆者公司所使用的包裝設備種類較多，選定控制系統較舊的AB 的RSLogix 5 編程軟件、Panel-View600來實現調試這個功能，如果能成功實現調試，其他較新型的控制系統如西門子300/400PLC、s7-1200與s7-1500PLC、博途（TIA PORTAL）控制系統就更容易成功實現調試，最新西門子的人機界面控制的設計編輯更好實現。

選定較舊的來自意大利馬可西尼公司生產的膠卷多功能包裝線，該生產線主要由供料機、紙盒成型機、中包機3個部分組成［1］。其中，紙盒成型機（以下簡稱為紙盒機）是紙盒成型的關鍵設備，紙盒也是在此被送入機器的，在這里可以很方便地對每個紙盒進行檢測。而到了中包機，紙盒不但被組合排列，而且紙盒表面還蒙上一層熱縮膜，會對傳感器的檢測產生不良影響。因此，決定將防偽標簽檢測器安裝在紙盒成型機上。

1.1 光電傳感器的特點

檢測的位置確定下來了，那么，檢測的手段應該采用什么類型的傳感器呢？基于減少備件的目的，首先從當前公司內已經使用的傳感器進行選擇。目前，公司內性能較為接近的可供選擇的傳感器類型有光電傳感器、顏色傳感器兩種。

光電傳感器從發光部發出信號光（可見光或紅外光），在受光部接收被測物反射回來的光量（反射型），或在受光部接收被測物的遮光量（對射型），從而得出輸出信號。它的特性有非接觸檢測、可以檢測任何材料的目標物、長檢測距離、反應速度快、可以區分顏色、高精度檢測，因此，對于像顏色檢測和顏色變化的識別這樣較為困難的檢測任務，一般都采用以顏色傳感器為核心的解決方案。

1.2 顏色傳感器的特點

目前，用于顏色識別的傳感器有兩種基本類型（都屬于光電式的）：一是色標傳感器，它使用一個白熾燈光源或單色LED 光源；二是RGB（紅綠藍）顏色傳感器，它檢測目標物體對三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色。這類裝置多是溫反射型、光束型和光纖型，封裝在各種金屬和聚碳酸酯外殼中。典型的輸出包括：NPN 和PNP、繼電器和模擬輸出。在筆者公司中使用的顏色傳感器有很多，DATA LOGIC公司生產的XXXX型顏色傳感器、BANNER 的XXXX 型顏色傳感器、KEYENCE 的XXXX 型產品，但它們均為色標傳感器。色標傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，它通過與非色標區相比較來實現色標檢測，而不是直接測量顏色。以白熾燈為基礎的傳感器利用有色光源檢測顏色，這種白熾燈發射包括紅外在內的各種顏色的光，因此，用這種光源的傳感器可在很寬范圍上檢測顏色的微小變化；另外，白熾燈傳感器的檢測電路通常都十分簡單，因此可獲得極快的響應速度。然而，白熾燈不允許振動和延長使用時間，因此不適用于有嚴重沖擊和振動的場合［2］。

使用單色光源（即綠色或紅色LED）的色標傳感器，就其原理來說并不是檢測顏色，它是通過檢測色標對光束的反射或吸收量與周圍材料相比的不同而實現檢測的，所以，顏色的識別要嚴格與照射在目標上的光譜成分相對應［3］。

一般RGB傳感器都有紅、綠、藍3種光源，3種光通過同一透鏡發射后被目標物體反射，光被反射或吸收的量值取決于物體顏色。RGB 傳感器有兩種測量模式：一種是分析紅、綠、藍光的比例；另二種是利用紅、綠、藍三基色的反射光強度實現檢測目的。而馬可西尼包裝線有若干種不同外觀的產品要在同一生產線上完成包裝，為區別種類，需要一個能檢測不同顏色紙盒的傳感器，并且還要求能對一種顏色到另一種顏色的快速變化產生快速響應。在這里，速度不是主要因素，顏色檢測的可靠性最重要，必須為100%的正確率，所以，在這種場合最好選用RGB傳感器［4］。

綜上所述，決定選用RGB 傳感器，經過與KEYENCE 公司聯系，有最新型RGB 數字光纖傳感器CZ-V20 系列與RGB 數字光纖傳感器CZ 系列，價格較貴，成本高，現庫存有舊型號的CZ-K1P的RGB傳感器也可以使用。為了節約成本，就選定該公司舊型號為CZ-K1P的RGB的傳感器，舊型號如果可以調試成功，更新系列的RGB 傳感器就可以廣泛地應用。CZ-K1P的RGB傳感器光學原理如圖1所示。

圖1 RGB 傳感器光學原理

該傳感器具有的特點：內設高精度三倍12bit數/模變頻器、300μs高速響應、內藏自穩定器、8色設定值及外部調諧。基于以上特點及備件供應方面的考慮，最終決定使用型號為CZ-K1P的RGB傳感器。

2 控制器及顯示面板的選定

在馬可西尼紙盒機里已經安裝有ALLENBRADLEY 公司的PLC 5/11 型的可編程序控制器產品和PANELVIEW 600的操作員界面，它們之間提供RS-232 通信接口，如果能夠順利調試成功，到目前，最新的各種PLC 都是以太網通信方式，就更容易實現所需要的功能。

基于以上PLC和PanelView600的特點及出于減少設備的考慮，決定選用PLC5/11和PanelView600作為顏色傳感器信號處理的邏輯控制器和人機對話界面。

3 接線及編程

3.1 如何安裝接線

因為CZ-K1P傳感器的工作電壓為12～24VDC，輸出電壓為5～40VDC，最高工作電流為100mA，可以與PLC5的輸入模塊相匹配，因此，該傳感器的輸出信號可直接接入PLC5的輸入模塊。當設備電源送上后，該傳感器一直處于檢測狀態，它的信號則是利用紙盒機的PLC中的周期信號設定出一個時間窗口來取用，因此，傳感器不需要觸發信號，這就不需要再安裝一個傳感器以產生觸發信號。該傳感器還可儲存數個預設值，此預設值可由外部信號來觸發，但在這個項目里，檢測的目標是不變的，因此不需使用這個預設功能，所以，實際上并沒有使用該傳感器的輸入電路。CZ系列傳感器可安裝在能精確檢測振動目的較遠距離處，即便是目標大小發生變化，也無需調整傳感器的位置［5］。

經過試驗，發現顏色傳感器對防偽標簽的檢測值（約在920）遠遠大于對紙盒表面的檢測值（約700），因此，只需將顏色傳感器的設定值設在800左右，就可以有效地區分是否貼有防偽標簽的紙盒。以下為傳感器的設置步驟。

（1）用手搖柄將一紙盒移到傳感器探測頭之下，使探測光斑位于紙盒上。（2）此時，傳感器LCD 上顯示一數值，左右移動紙盒，使光斑在紙盒面上左右移動（防偽標簽區域除外），LCD上的數值會隨光斑在紙盒面上位置不同而上下波動，取其最高數值并記錄下來。（3）將光斑移動至防偽標簽上，使光斑在防偽標簽內左右輕微移動，讀取LCD上的數字并將最高數值記錄下來。（4）計算出兩個數值之間的中間值，即為需要的設定值。例如，防偽標簽區域外的最高數字為700，防偽標簽區域內的最高數字為940，則所需的傳感器設定值應該為：（700+940）/2=820。（5）按傳感器放大器右上角的“MODE”按鈕一下，LCD 上的數字開始閃爍。（6）按LCD顯示屏左側的上/下按鈕，將閃爍中的數字調整到所需的設定值。（7）再按一次“MODE”按鈕，LCD 上數字恢復正常，設置完畢。

調試過程中，需要注意的是，放大器右下角“SET”設定鍵為傳感器自動設置時使用，在當前狀況下，不推薦使用，以免造成誤剔除率過高或其他故障。DIP 標準設置為：1、2、4：OFF，3：ON，即COLOR，兩點校正，高精度模式。

在一個生產周期內，顏色傳感器將始終處于檢測狀態，但PLC只在特定時間窗口內取用傳感器的信號。在此時間窗口內，只要傳感器的信號觸發一次，則設備就認定已經有防偽標簽經過傳感器了，因為防偽標簽的檢測值要比設定值高，因此，當貼有防偽標簽的紙盒經過傳感器時，傳感器就將被觸發，并同時向PLC輸出一個脈沖。當在特定時間窗口內檢測到防偽標簽時，PLC自動屏蔽掉報警信號。如果在特定時間內沒有得到傳感器的觸發信號，則PLC 就認定經過的紙盒沒有貼上防偽標簽，PLC 將同時激活報警信號和一個移位信號，但設備不停機，報警信號將使PanelView 的故障顯示屏顯示故障信息，以及讓一個錯誤產品計數器和連續故障次數計數器開始計數，錯誤產品計數器僅是讓操作員面板顯示錯誤產品的數量，操作工可利用面板上設置的軟按鈕對數量進行復位清零，連續故障次數計數器則是對防偽標簽粘貼故障的連續次數進行計數，當該故障連續出現3次，則計數器將發出一個信號使設備停機，同時在操作員面板上顯示該故障連續出現，移位信號則跟隨產品的移動進行移位，當產品到達剔除氣缸時，移位信號將使剔除氣缸動作，將沒有貼防偽標簽的紙盒剔除。

人機界面根據以上不同錯誤信號顯示的錯誤信息有：（1）單個防偽標簽粘貼錯誤的故障顯示；（2）連續3個防偽標簽粘貼錯誤的故障顯示；（3）錯誤產品的計數。此外，為便于維護，還在程序中增加了一個屏蔽開關，如果有必要，則可以打開屏蔽開關，這時，傳感器將不起檢測作用。

3.2 設備調試

在一段時間試用后，生產部門發現在生產特定產品時傳感器總是容易出現誤判斷，經過仔細檢查和試驗后發現，由于紙盒表面顏色的不同，導致了有些顏色的檢測值超過變色油墨的檢測值，但又有些顏色的檢測值低于變色油墨的檢測值，造成傳感器誤判斷。藍色背景的平均檢測值為700 多，品紅色的平均檢測值為900多，變色油墨的檢測值剛好處于這兩者之間（平均檢測值為800多）。

在經過與各有關人員討論之后，在不增加傳感器數量的同時，做了以下改進：在產品轉換時，將紙盒顏色的信息隨產品信息一起輸入電腦，在PLC 內對顏色的信息進行識別，讓不同的顏色信息適用不同的邏輯判斷程序。之前的傳感器檢測窗口過大，擴大了傳感器的檢測范圍，雖然可以減少傳感器的誤剔除量，但同時也提高了傳感器檢測到噪聲信號的可能性，因此，還對傳感器的檢測窗口進行了調整，盡可能縮小傳感器的檢測窗口，同時調整了傳感器的設定值［6］。圖2顯示了紙袋紙盒背景顏色與防偽標簽的相對位置，圖中為傳感器的檢測窗口。

圖2 防偽標簽及紙袋紙盒的檢測窗口

在調整之后，又經過幾周的運行，傳感器運行良好，沒有再出現誤判斷的情況。經過生產部門的確認，馬可西尼包裝線適用防偽標簽的改造項目順利完成。

4 結語

在這個項目中，當RGB顏色傳感器遇到難以解決的困難時，PLC就顯示出它編程靈活的特點來，可以通過PLC 豐富的指令系統，根據輸入的不同進行邏輯判斷，從而輸出正確的結果，這比傳統的繼電器控制系統的功能更為強大、適應面更廣，同樣的方式方法可以廣泛應用到食品、化工、包裝等行業中。