向金 普恒 謝惠 范繼東 夏梓瑜

摘 要： 在煙草工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)，卷煙的生產(chǎn)、包裝過(guò)程中由于翻轉(zhuǎn)、抓取、推送等機(jī)械運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致煙包存在一些質(zhì)量問(wèn)題，例如：折痕、翹邊、破損、歪牌等質(zhì)量缺陷，對(duì)煙包外觀質(zhì)量造成很大影響。因此本文提出了一種基于西門(mén)子公司S71200PLC應(yīng)用于主流機(jī)型的煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)改造方法，并且該系統(tǒng)已經(jīng)在應(yīng)用中取得良好成效。本文闡述了改造系統(tǒng)的構(gòu)成，包括硬件部分和軟件部分，具體分析了系統(tǒng)的控制器和圖像采集模塊。

關(guān)鍵詞： 煙包外觀;PLC;質(zhì)量檢測(cè);CCD工業(yè)相機(jī)

1 概述

卷煙生產(chǎn)過(guò)程中，由于小包在自動(dòng)化生產(chǎn)軌道上的機(jī)械運(yùn)動(dòng)作用，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)外觀質(zhì)量缺陷，例如：封簽歪斜或脫落、上蓋破損或變形、玻璃紙破爛等質(zhì)量缺陷。目前卷包機(jī)自動(dòng)化水平較高，其生產(chǎn)速度很快，良好的供給下效率可達(dá)1000包/min，如此高的速度，靠工人識(shí)別缺陷是不可能的，因此煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)成為了一種有效降低煙包外觀缺陷的高效工具。

傳統(tǒng)的煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)原理可以分為以下幾種類(lèi)型：（1）機(jī)械式玻璃紙檢測(cè)，由于煙包外盒被玻璃紙包裝，檢測(cè)時(shí)對(duì)破損玻璃值檢測(cè)到變形，來(lái)判斷包裝是否破損，如果包裝外玻璃紙破損，那么就是壓迫探針就會(huì)產(chǎn)生形變，這是一種較為傳統(tǒng)的機(jī)械式檢測(cè)，檢測(cè)精度較低，現(xiàn)在已經(jīng)不太常用。（2）電子式傳感器檢測(cè)，主要利用煙包缺陷的特殊性進(jìn)行檢測(cè)，傳感器有電容、電感、顏色、等類(lèi)型，可以檢測(cè)煙盒反盒、盒紙翹邊這類(lèi)缺陷，缺點(diǎn)是對(duì)盒紙破損、無(wú)玻璃紙、盒線錯(cuò)牙、包裝錯(cuò)位缺陷難以識(shí)別檢測(cè)。（3）視覺(jué)檢測(cè)，通過(guò)攝像頭采集圖像信息，再經(jīng)過(guò)CPU識(shí)別對(duì)比是否存在缺陷，進(jìn)行快速判斷相對(duì)前兩種方式更加智能，其體積小且單元組織簡(jiǎn)單，安裝使用方便，其缺點(diǎn)是相機(jī)CPU同時(shí)處理圖像并進(jìn)行工業(yè)控制，運(yùn)算速度較慢，無(wú)法處理特別復(fù)雜的圖案，導(dǎo)致同步度低，因此檢測(cè)能力有待提高。

2 檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

該檢測(cè)系統(tǒng)以西門(mén)子公司的S71200PLC作為控制中心，采用工業(yè)相機(jī)結(jié)合PLC方式檢測(cè)，PLC性能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快，并且可以可拓展內(nèi)存，滿(mǎn)足更高要求的檢測(cè)。在煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用中，可以結(jié)合實(shí)際情況有針對(duì)性的進(jìn)行開(kāi)發(fā)，對(duì)檢測(cè)算法優(yōu)化提升，應(yīng)用在不同復(fù)雜情況下。

PLC與包裝機(jī)控制系統(tǒng)相連接，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以及時(shí)反饋給包裝機(jī)，讓其剔除不合格煙包，控制器還接有光纖傳感器和CCD工業(yè)相機(jī)的圖像采集通訊接口，光纖傳感器用來(lái)檢測(cè)煙包距離位置，圖像采集單元后將圖像信息發(fā)送給PLC，PLC通過(guò)圖像處理檢測(cè)出有缺陷的煙包，并發(fā)出信號(hào)給包裝機(jī)控制系統(tǒng)，完成剔除命令。此外，還需要LED光源輔助CCD工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集工作，通過(guò)顯示屏進(jìn)行人機(jī)交互，直觀的反映出該系統(tǒng)的工作狀態(tài)，特殊情況下可以進(jìn)行人工干預(yù)處理。系統(tǒng)正常工作時(shí)，首先在檢測(cè)煙包在LED光源的輔助下通過(guò)CCD工業(yè)相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)合格，則正常流出流水線;如果檢測(cè)不合格，PLC會(huì)將圖像采集識(shí)別得到的異常信息發(fā)送給包裝機(jī)的控制系統(tǒng)，使包裝機(jī)執(zhí)行剔除處理。

3 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件主要有左右兩個(gè)CCD工業(yè)相機(jī)、LED輔助光源、S71200PLC、兩套光纖傳感器、液晶顯示屏。

3.1 煙包圖像采集模塊

圖像采集模塊在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)采集信號(hào)并進(jìn)行初步處理，是整個(gè)控制系統(tǒng)的眼睛，起到感知識(shí)別的作用。系統(tǒng)工作時(shí)，圖像采集模塊在LED光源的輔助下對(duì)煙包進(jìn)行一定頻率的圖像采集，然后對(duì)圖像進(jìn)行初步處理優(yōu)化后傳輸給PLC控制器，的作用組件負(fù)責(zé)采集待檢測(cè)煙包圖像并進(jìn)行初步處理后傳送給控制器。本系統(tǒng)采用高分辨率的CCD工業(yè)相機(jī)，為常用的CMOS圖像傳感器，由于煙包在流水線上運(yùn)行速度很快，所以相機(jī)需要采用高曝光模式，在短時(shí)間內(nèi)采集到清晰有效的圖像。此外LED光源相比市場(chǎng)上的鹵素?zé)簦瑹晒鉄舻染哂懈玫捻憫?yīng)速度，具有使用壽命長(zhǎng)、性?xún)r(jià)比高、單色性好等優(yōu)點(diǎn)，因此本系統(tǒng)采用LED光源。 LED光源在使用時(shí)，可以安裝在多個(gè)角度，保證煙包四周都照明清晰，不出現(xiàn)死角，避免出現(xiàn)反光、陰影等對(duì)圖像處理產(chǎn)生阻礙。在曝光時(shí)，左右兩個(gè)工業(yè)相機(jī)要分時(shí)進(jìn)行，不能同時(shí)曝光，否則會(huì)出現(xiàn)光源相互干擾，即逆光現(xiàn)象導(dǎo)致的圖像不清晰。

3.2 PLC核心控制模塊

1200PLC控制系統(tǒng)是本煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的核心單元，負(fù)責(zé)圖像處理和控制命令的下達(dá)，系統(tǒng)由CPU、8KB數(shù)據(jù)區(qū)、64KB程序區(qū)和通訊記錄單元組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙包的檢測(cè)和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記錄以及對(duì)剔除機(jī)構(gòu)的信號(hào)控制。

3.3 執(zhí)行信號(hào)模塊

何時(shí)對(duì)煙包進(jìn)行圖像采集，又何時(shí)執(zhí)行剔除動(dòng)作，這都取決于光纖傳感器的位置信號(hào)。系統(tǒng)中有兩套光纖傳感器，一套安裝在煙包的檢測(cè)位置，當(dāng)煙包經(jīng)過(guò)檢測(cè)位置時(shí)，光纖傳感器向PLC發(fā)送信號(hào)，PLC使兩個(gè)工業(yè)相機(jī)采集一次信號(hào)，并立即進(jìn)行圖像處理;另一套安裝在煙包剔除位置上，當(dāng)檢測(cè)到煙包有缺陷時(shí)PLC發(fā)送信號(hào)給煙包系統(tǒng)的剔除機(jī)構(gòu)，剔除機(jī)構(gòu)收到信號(hào)后通過(guò)高速氣閥，將煙包迅速推出流水線。

3.4 液晶顯示模塊

通過(guò)觸摸液晶顯示器可以直觀地反映出煙包檢測(cè)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，過(guò)顯示屏進(jìn)行人機(jī)交互，特殊情況下可以進(jìn)行人工干預(yù)處理，通過(guò)觸摸顯示屏對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整校準(zhǔn)。顯示屏還可以顯示不合格煙包計(jì)數(shù)以及合格率合格率，經(jīng)過(guò)計(jì)算后在顯示屏上顯示必要的數(shù)據(jù)。若合格率過(guò)低，則需要對(duì)煙包系統(tǒng)進(jìn)行維修調(diào)整。

4 檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組裝完成以及傳感器校準(zhǔn)之后，通過(guò)PLC1200編制對(duì)應(yīng)的程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、比較、輸出、存儲(chǔ)以及顯示。本部分主要針對(duì)煙包圖像匹配定位的方法和原理進(jìn)行說(shuō)明。

煙包在傳送軌道上快速運(yùn)動(dòng)，因此不能完全夾緊，只能通過(guò)限位裝置限定煙包的活動(dòng)區(qū)間，因此煙包在檢測(cè)時(shí)位置是變化的。這里通過(guò)圖像匹配定位用來(lái)確定煙包監(jiān)測(cè)范圍。在監(jiān)測(cè)時(shí)首先要對(duì)圖像進(jìn)行處理，裁剪出煙包檢測(cè)敏感部分。首先在檢測(cè)前要建立對(duì)比樣本庫(kù)，即把各種類(lèi)型的典型缺陷圖像準(zhǔn)備好，然后根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)把樣本庫(kù)與檢測(cè)時(shí)的圖像相比較，選取最佳匹配的圖像，確定否有缺陷以及缺陷類(lèi)型。

由于煙包在傳送軌道上運(yùn)動(dòng)速度很快，假設(shè)其速度為950包/min，那么留給控制器計(jì)算處理的時(shí)間則不能超過(guò)35000μs，為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，需要增大容錯(cuò)，那么控制器計(jì)算軟件處理的時(shí)間要小于30000μs。因此在設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)時(shí)不宜過(guò)多，否則會(huì)增大樣本庫(kù)對(duì)比時(shí)間，進(jìn)而影響到整個(gè)系統(tǒng)的效率。在檢測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際包裝形狀及其特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，選擇合適的形狀以及顏色，在保證檢測(cè)精確的情況下提高檢測(cè)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著卷煙市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，用戶(hù)和煙廠對(duì)香煙的外觀包裝質(zhì)量要求越來(lái)越高，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足主流機(jī)型的煙包包裝質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，安裝使用方便，而且運(yùn)行穩(wěn)定。當(dāng)然隨著科技的發(fā)展，煙包外觀質(zhì)量檢測(cè)裝置需要不斷改進(jìn)，以促進(jìn)卷煙工業(yè)科技的不斷進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾文艷，王亞剛，蔣念平等. 基于機(jī)器視覺(jué)的香煙小包裝外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 信息技術(shù)，2014（1）：46-49.

[2] 祝榮壯. 小盒煙包外觀檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程， 2017，46（5）