黄跃永1 金 鑫2 王德胜3 周学斌4
（1.中国电子科技集团公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010；
2.江苏中烟工业有限责任公司淮阴卷烟厂，江苏 淮安 223002；
3.江苏中烟工业有限责任公司南京卷烟厂，江苏 南京 210019；
4.上海烟草集团北京卷烟厂，中国 北京 101121）
【摘 要】设计并实现了一种基于工业触摸屏的烟包外观质量检测系统，介绍了烟包外观质量检测的工作原理，详细阐述了以Keyence公司KV-1000型PLC和VT3-S10型触摸屏为核心建立硬件平台，通过智能相机获取烟包图像，采用机器视觉系统CV-3001对当前图像进行处理，最终在触摸屏上显示检测结果并将检测结果送至执行单元进行处理。
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关键词 机器视觉；PLC；触摸屏；烟包外观质量检测
【Abstract】This paper designs and implements a real time system for detecting the quality of cigarette package appearance based on PLC and Touch-screen，introduces the working theory of detecting the cigarette package appearance and particularly sets forth the design scheme based on the PLC of KV-1000 series and touch-screen of VT3-S10 series. It captures the video sequence with camera ,detects the quality of cigarette appearance by using CV-3001,and displays the image of cigarette package on the Touch-screen and sends the result of detect to execution.
【Key words】Machine vision；PLC；Touch-screen；The detection for the quality of cigarette package appearance
作者简介：黄跃永，男，汉族，中国电子科技集团公司第四十一研究所，工程师。
在现代化生产过程中，企业不仅对速度的要求越来越快，而且对产品质量的控制要求也越来越高。在卷烟包装机自动化生产线上，由于机器的运行速度较高，例如：国内常用GDX1/X2包装生产线的包装速度为400包/分钟，因此，不可避免会出现烟包包装的次品。而落后的烟包外观质量检测方式己经不能满足现代化生产的需要。因此，要对烟包外观质量检测，必须使用全新的方法才可能解决根本问题。
1 烟包外观质量检测系统设计要求
烟包外观质量检测系统功能是自动剔除生产线上不合格外观的烟包，主要包括以下缺陷的烟包：
1）封签无、封签不居中、封签倾斜、封签部分损坏（软包）；
2）包装纸无、反包、露白，包装纸牌（软、硬包）；
3）包装纸倾斜、错位、粘接部位翘边（软包）；
4）包装纸破损、印刷缺陷、污染（软、硬包）；
5）缺内框纸、翻盖缝隙过大（硬包）；
6）小包变形等缺陷（软、硬包）。
1.1 系统设计原理
烟包外观质量检测系统原理框图如图1所示，将智能相机嵌入烟包输送跑道适宜工位，通过光纤传感器检测烟包的有无，当检测到有烟包时，光纤传感器的信号触发智能相机快门，机器视觉系统实现采集的图像与事先存储的标准图像做判定，当判定为不合格烟包，主机输出一路NG信号，经控制执行模块剔除不合格烟包。
1.2 系统控制过程
烟包外观质量检测系统主要有照相触发、不良烟包剔除等重要控制工序，其控制工作过程如下：
１）烟包到达拍照位置时，光纤传感器触发智能相机拍照；并将图像数据传送至机器视觉系统CV-3001进行分析。
２）CV-3001判定的检测结果存放在PLC的数据存储器中。
３）PLC判断为不合格烟包后，等待烟包到位信号，便发出剔烟信号到电磁阀剔除。
2 烟包外观质量检测系统总体结构设计
烟包外观质量检测系统总体结构包括控制箱体、检测箱体、剔除及次品收集系统三部分。控制箱体安装在不影响工作，方便操作人员操作和监视的机台上。检测箱体、剔除及次品收集系统安装在主机与小包透明纸包装机连接跑道的上游，主要是防止小包出现堵塞情况，以免影响检测精度。
控制箱体包括机器视觉系统CV-3001、PLC模块、触摸屏、电源模块等。检测箱体包括智能相机、光纤传感器等；剔除及次品收集系统包括高速电磁阀、收集箱等。
3 系统硬件设计
图2为系统组成框图，检测系统采用PLC为控制系统，根据机器视觉系统判断的结果，来控制剔除阀动作，从而达到了检测的目的。触摸屏显示统计数据，设置主机工作的各种参数，以保证系统稳定可靠的工作。
3.1 PLC
系统采用Keyence公司的KV-1000型PLC，有16点DC24V输入、8点晶体管输出；内部采用32bit处理，基本指令执行每步只需25ns，30K步的梯形图程序扫描仅需1ms,运算速度极快；程序容量最大160K步；内含高速计数器等多种内部元件资源；抗干扰能力强，是一种高性能、执行速度快、功能强大的小型整体式PLC。
3.2 光纤传感器
相机在拍照之前，必须要确定拍摄物体的位置，烟包在剔除之前,亦须确定剔除的位置。对于本系统而言，对相机触发，以及后续电磁阀剔除，为了保证检测效果，选用Keyence公司的数字光纤传感器FS-V31，检测距离可达1m，响应时间为33us。
3.3 剔除装置
为保证系统检测速度，需要选择高速电磁阀。剔除电磁阀我们最终采用FESTO公司MHE4系列的两位三通高速电磁阀，标准额定流量为400L/min。开启时间为8ms，关闭时间为5ms。
3.4 触摸屏
检测系统在系统设置和正常工作显示不同的画面，当系统进行参数设置时,触摸屏显示的为CV-3001的参数设置画面；系统正常工作时,触摸屏实时显示相机拍摄的烟包图像。
触摸屏选用Keyence公司10.4英寸高亮度TFT液晶的VT3-S10，32768色显示。该触摸屏配备VT3-VD4模块，实现了RGB信号与参数设置画面分时显示。
3.5 机器视觉系统
烟包外观检测系统采用日本Keyence公司高清晰、高分辨率的机器视觉系统CV-3001对烟包被检测的部位进行图像识别，把合格的烟包标准图像存储起来，对当前要检测的烟包实时拍照，将检测到的烟包图像和存储的图像相比较，采用灰度级别、色彩分析、斑点分析、文本识别、对象寻找、测量/数学工具等工具，比较预先设定区域内的颜色，相似度（FIT），图像位置坐标（X，Y）等参数，若在设置的公差范围内，表示此烟包外观合格，否则视为不合格产品，并输出剔除信号。
系统需要对5个面检测，采用两智能相机对烟包检测，通过调整相机镜头的角度，可对生产线上烟包的前部、后部、左部、右部和顶部5个面进行检测。智能相机选用Keyence公司CV-035C彩色相机， 35万像素显示，图像传输速度为16ms。镜头选用CV系列CCTV镜头CV-L3。该镜头为3.5mm镜头。
光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，光源的选择必须符合所需的几何形状、照明亮度、均匀度、发光的光谱特性等，同时还要考虑且发光强度高，稳定时间长。根据上述分析我们选用两支直流荧光灯，克服了工频频闪问题，使烟包表面清晰成像。
4 检测系统软件设计
烟包外观检测系统软件设计包括PLC程序设计和触摸屏程序设计。PLC程序主要负责整个系统的控制，包括触发相机照相、触摸屏画面控制、不合格烟包剔除等功能；触摸屏是烟包外观质量检测装置的人机界面，主要实现系统参数设置、数据统计显示等功能。
4.1 PLC程序设计
PLC程序是PLC指令有序的集合，PLC运行程序就是按一定顺序，执行这集合中的一条条指令。本系统采用KV STUDIO软件来编写梯形图程序。梯形图语言很接近硬连线的继电器电路，已经成为PLC程序设计的基本语言。
梯形图程序包括初始化模块、每次扫描执行模块、后备模块。
初始化模块程序：Initialize_Device。主要完成系统正常工作所需要的初始化。
每次扫描执行型模块包括以后几个模块程序,如表1所示：
后备模块程序：Change_TradeMark。主要完成烟包品牌程序的切换功能。
4.1.1 切换烟包品牌程序实现
烟包品牌程序号是一组执行检测的设定，例如摄像机的图像拍摄设定，以及检查区域的情况和检查方法。检测系统可登录多种烟包品牌，当该生产线生产其他品牌烟包时，检测系统需要切换到相应品牌程序中。
程序号切换时序如图3所示，切换步骤如下：
步骤1：将程序切换的命令代码从CV-3001的I/O口IN8输入至IN11（对应PLC为LR3010、LR3011、LR3012、LR3013锁存继电器）中；
IN11-IN8为0010时，切换CV-3001内存储器中的程序号。
IN11-IN8为0011时，切换CV-3001存储卡中的程序号。
步骤2：将切换地址的程序号从IN7输入到IN0（对应PLC
LR3002—LR3009锁存继电器）中；
步骤3：将CST输入（对应PLC的R30014输出继电器）设置为高。切换程序完成。
4.1.2 剔除系统PLC程序实现
剔除系统是由PLC控制的，它是系统的最后一个环节。CV-3001在处理完每包烟的图像后，如果检测出烟包不合格，便会产生一个剔除信号，通过CV-3001的I/O口输出，再通过光耦转换成24V电信号，传送到PLC。PLC接收剔除信号后，便等待剔除传感器的烟包到位信号，收到烟包到位信号后，PLC便发出一个脉宽为25ms的脉冲信号到电磁阀，进而控制电磁阀动作剔除该烟包。
系统中还增加了烟包堵塞判断程序，当发生堵塞时，系统立即报警提醒操作人员来处理故障，并且PLC立即关闭I/O剔除口输出。CV-3001判定烟包信号数据存放在PLC内部数据寄存器DM103中，检测工位传感器(对应PLC输入继电器R0)检测到烟包时，触发相机拍照，CV-3001进行图像处理后，输出的“OK”（逻辑低电平）或“NG”（逻辑高电平）信号压入到DM103数据存储器中，执行一次扫描后，检测DM103中的信号，烟包到达剔除工位（对应PLC输入继电器R2）时，当检测到DM103为“NG”（逻辑高电平），即启动扩展模块的R30015输出继电器，自动剔除烟包，并将存储下一次扫描的影像系统信号。
4.2 触摸屏画面设计
VT3-S10触摸屏采用VT STUDIO Ver.2作图软件进行设计。VT STUDIO Ver.2提供了多种控制器件库、图形控件和功能组态，通过组态出的各种显示和控制功能实现系统操作状态、当前过程值及故障的可视化。利用人机界面操作控制系统，对PLC中的实时数据进行显示、记录、存储、处理。从而满足各种控制要求。
5 检测系统设计时须考虑的问题
在检测系统设计过程中需要考虑以下问题。
5.1 检测系统响应速度
要实时检测出不合格的烟包，并精确剔除，这就需要分析检测系统的响应速度。按检测设计要求10包/秒，每包最大检测时间为100ms。
CV-3001响应时间是根据检测添加检测工具的多少来计算的，每增加一个检测窗口，就增加1～2ms，以一个烟包添加10个检测窗口计算为10～20ms的时间；图像传输时间为16ms；PLC程序包括20823步数,运行基本指令最小时间为25ns，可以计算PLC程序运行不到1ms；高速电磁阀选用FESTO的MHE4-M1H系列,开启时间是8ms,关闭时间为5ms,根据实验确定气阀开启时间为25ms时，就可以完全剔除出有缺陷的烟包；智能相机拍照、图像数据传输时间、光纤传感器响应时间可忽略不计；根据上面分析可计算出完成一次烟包检测时间小于40ms，剔除最大时间小于40ms，从理论上保证满足了10包/秒的实时检测要求，经后期实验，模拟现场烟包速度，控制系统能精确无误的剔除出不合格的烟包。
5.2 掉电处理
为提高控制系统的可靠性，采用PLC内部的保持寄存器来定义统计数据的寄存器、程序号切换的数据等变量，以便在现场意外掉电时自动完成数据保护操作。
PLC本身具有带有锁存功能的LR继电器，亦可以通过KV-1000自带的MEMSW指令来设置需要保存的继电器，程序设置继电器R05000～R09915具有掉电保持功能。
5.3 中文拼音输入法设计
由于烟包外观质量检测系统总共设置了16个程序号，每一个程序号对应一个中文名称，当需要更换检测烟包时，需要点击相应的中文名称进行切换。当需要更改烟包品牌程序号的名称时，由于画图软件没有汉字录入功能，存在一定的困难。为增加人机界面的友好性，在PLC控制系统上设计了中文拼音输入法，通过实验表明，该设计在不增加其它硬件资源的基础上实现了中文输入功能，对提高系统人机交互界面的友好性，具有一定的实用价值。
5.4 程序加密功能
通过KV-1000自带的MEMSW指令来设置主程序写、读保护。
6 结论
在控制系统设计中，可编程控制器(PLC)的使用可提高控制系统的可靠性和控制精度、增强系统的抗干扰能力，工业触摸屏的使用则为整个控制系统提供了良好的人机操作界面，PLC与工业触摸屏的联合应用，简化了现场操作，提高了控制系统程序和人机界面的灵活性，不但方便操作，而且使系统性能更加安全可靠，因此二者的联合控制系统将越来越广泛地应用于工业生产的各个领域。
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参考文献
［１］KV-1000系列PLC用户手册[Z]. KEYENCE CORPORATION,2005.
［２］殷洪义.可编程控制器选择设计与维护[M].北京:机械工业出版社,2002.
［３］李方园.触摸屏工程应用[M].北京:电子工业出版社,2008.
［４］韩国华,耿守本,等.基于PLC的触摸屏中文拼音输入法设计[J].工业仪表与自动化装置,2010(3):82-85.
［责任编辑：邓丽丽］