條煙綜合檢測(cè)機(jī)在線測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

劉國(guó)平/上海煙草（集團(tuán)）公司

條煙綜合檢測(cè)機(jī)是針對(duì)卷煙高速包裝機(jī)生產(chǎn)的條煙成品的外觀質(zhì)量、隱形字符碼和缺包稱重檢測(cè)“三合一”的檢測(cè)新設(shè)備。通過對(duì)在線測(cè)控系統(tǒng)特點(diǎn)的研究和合理設(shè)計(jì)，使各個(gè)分系統(tǒng)有機(jī)地集成在一起，相互協(xié)調(diào)，各司其能，滿足了“中華”牌卷煙專用生產(chǎn)線的使用要求。

0 引言

隨著卷煙包裝機(jī)向著高速化、連續(xù)化方向的發(fā)展，其包裝質(zhì)量已無法靠人工來檢測(cè)，而實(shí)際生產(chǎn)中總會(huì)出現(xiàn)諸如條煙變形、條煙無條盒紙、條盒紙反包、條盒紙露白翹邊、條盒紙破損；條煙無油封紙、油封紙爛、油封紙散包；條煙無拉線、拉線錯(cuò)壓、拉線偏離等外觀缺陷、條煙熒光噴碼漏失、字跡不清晰和條煙缺包質(zhì)量事故。為從技術(shù)和設(shè)備上保證“國(guó)煙”的高檔精品的質(zhì)量，需要設(shè)計(jì)開發(fā)一種在線的綜合檢測(cè)機(jī)，將包裝線上不合格的條煙從生產(chǎn)線上剔除，避免流入裝箱工序。

上海卷煙廠現(xiàn)有“中華”牌卷煙軟包生產(chǎn)線有部分類似項(xiàng)目（稱重式少包檢測(cè)和拉線檢測(cè)），該項(xiàng)目由多家協(xié)作單位完成，有單片機(jī)控制邏輯，也有PLC控制邏輯，不便于維修保養(yǎng)。

1 條煙綜合檢測(cè)機(jī)總體方案及指標(biāo)

1.1 總體方案

條煙綜合檢測(cè)機(jī)總體見圖1，為條煙綜合檢測(cè)機(jī)與FX2包裝機(jī)連接使用的框圖，與GD500包裝機(jī)連接時(shí)不需要連接機(jī)和C形下煙器。

條煙綜合檢測(cè)機(jī)從右到左分為輸入段、檢測(cè)段和輸出段三個(gè)部分，頂部屬于連接機(jī)。輸入段采用皮帶機(jī)（M1）加兩側(cè)擋條導(dǎo)向保證條煙勻速運(yùn)動(dòng)（皮帶速度10 m/min），為條煙噴碼提供連續(xù)平穩(wěn)的條件，保證了噴碼的字跡大小一致。其中光電開關(guān)B9用于觸發(fā)噴碼器。

圖1 FOCKE-FX2條煙綜合檢測(cè)機(jī)總體

噴碼后的條煙離開輸入段前，由光電開關(guān)B6觸發(fā)像機(jī)1（B10），檢測(cè)拉線的包裝狀態(tài)。在下落大約一條煙厚的高度后，由光電開關(guān)B2檢測(cè)，啟動(dòng)氣缸Y1將條煙推入檢測(cè)段；相機(jī)4（B13）和相機(jī)5（B14）分別檢測(cè)條煙的兩個(gè)端面的外觀，相機(jī)2（B11）和相機(jī)3（B12）分別檢測(cè)條煙正面的左右兩半部分的外觀。此外相機(jī)2（B11）處還配紫外線光源，通過二次觸發(fā)相機(jī)3（B12）進(jìn)行字符檢測(cè)；再下一步進(jìn)入稱重檢測(cè)，由稱重傳感器（B0）進(jìn)行測(cè)量。

檢測(cè)完畢的條煙進(jìn)入到輸出段時(shí)，根據(jù)檢測(cè)判斷的結(jié)果，任意一個(gè)判斷指標(biāo)不滿足時(shí)，由氣缸Y2控制的剔除翻板打開，將其剔除；合格的條煙通過閉合的剔除翻板進(jìn)入到輸出皮帶機(jī)上（M2），一直到條煙提升機(jī)。

連接機(jī)包括水平皮帶機(jī)（M3）、換向推板（M4）和“C”形下煙通道。包裝機(jī)運(yùn)行時(shí)水平皮帶機(jī)即啟動(dòng)，包裝機(jī)停止時(shí)則延遲3 s停止；當(dāng)光電開關(guān)B5檢測(cè)到條煙到達(dá)換向推板前時(shí)啟動(dòng)換向推板（M4），將縱向運(yùn)行的條煙推成橫向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入C形下煙通道。當(dāng)換向推板（M4）返回觸發(fā)到光電開關(guān)B4時(shí)，如果光電開關(guān)B5沒有檢測(cè)到條煙到達(dá)，換向推板（M4）停下等待。由于換向推板周期性的運(yùn)動(dòng)，水平皮帶可以儲(chǔ)存兩至三條煙，為條煙綜合檢測(cè)機(jī)提供勻速條件。C形下煙通道使條煙正面朝上，滿足噴碼和拉線檢測(cè)的要求。

條煙綜合檢測(cè)機(jī)電控系統(tǒng)除了輸入/輸出電機(jī)、輸入氣缸、剔除氣缸和上下游機(jī)的連鎖控制外，還包括機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)變式稱重檢測(cè)系統(tǒng)、隱形碼噴碼系統(tǒng)、連接機(jī)控制系統(tǒng)、圖像數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)5個(gè)分系統(tǒng)。

1.2 指標(biāo)

1）條煙綜合檢測(cè)通用技術(shù)指標(biāo)：

電源 3N380 V AC 50 Hz

功耗 1000 VA

氣源 0.4～1.0 MPa

光源 24 V DC，LED條形光源，安裝角度可調(diào)，恒流源供電

環(huán)境溫度 0 ℃ ～45 ℃

相對(duì)濕度 80%(40 ℃時(shí))

檢測(cè)速度 80條/min

條煙運(yùn)行速度 0-8 m/min

平均無故障工作時(shí)間 5000 h

2）條煙外觀檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)指標(biāo)：

條煙外觀檢測(cè)面 4（兩個(gè)端面，頂面及拉線搭口）

分辨率 640×480(1/3″CCD 256灰度)

處理速度 60 fps

OCR/OCV 有

邊緣測(cè)量精度 0.3 mm

斑點(diǎn)測(cè)量精度 1.0 mm2

外觀缺陷檢出剔出率 ≥95%

好煙誤剔率 ≤ 0.5%

3）條煙少包檢測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)：

傳感器量程 12000 g

分辨率 1 g

設(shè)定精度 1 g

綜合精度 1 g

安全過載 150 %R.C.

極限過載 300 %R.C.

少包剔除率 100 %

好煙誤剔率 ≤ 0.5 %

2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 總體概述

電控系統(tǒng)總體方案（圖2）采用西門子可編程控制器S7-200 PLC作為主控制器，用于安全保護(hù)、上下游機(jī)連鎖、光電開關(guān)接近開關(guān)的輸入、相機(jī)檢測(cè)結(jié)果的輸入和稱重計(jì)算；輸出部分用于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/停止控制、氣缸驅(qū)動(dòng)及光源和相機(jī)的觸發(fā)，其中稱重測(cè)量部分采用德國(guó)西門子的SIWAREX MS（微量秤）?？?，該模塊設(shè)計(jì)為S7-200PLC的擴(kuò)展模塊，是一個(gè)特殊的高分辨率模擬量輸入擴(kuò)展，集成有電子秤的全部功能。連接機(jī)水平皮帶機(jī)（M3）、換向推板（M4）采用西門子MM440系列變頻調(diào)速器控制，可方便地與不同車速的包裝機(jī)匹配。

圖2 條煙綜合檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

為了方便實(shí)時(shí)圖像的監(jiān)控、缺陷圖像的記錄分析，電控系統(tǒng)配置了一臺(tái)工控機(jī)作為上位機(jī)和RSView32組態(tài)軟件，同時(shí)也為電子秤的標(biāo)定、PLC程序修改提供界面。通過一臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)與5臺(tái)工業(yè)像機(jī)S7-200PLC連接。

2.2 設(shè)計(jì)思想

在設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試和校驗(yàn)過程中，遵循以下基本原則：

1）嚴(yán)格按邀請(qǐng)書要求及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。

2）根據(jù)以往在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、施工和調(diào)試過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行充分的論證，對(duì)實(shí)施過程進(jìn)行嚴(yán)格的控制，力求做到萬無一失。

3）除機(jī)械配套設(shè)備在國(guó)內(nèi)制造外，其余系統(tǒng)組件全部采用當(dāng)今世界最先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，保證系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性。

4）無論設(shè)備的硬件還是軟件采用國(guó)際及中國(guó)煙草行業(yè)流行的模塊化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，進(jìn)一步達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性的目的。

5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)保留充足余量，保證系統(tǒng)的可修改性、可維護(hù)性和擴(kuò)展性。

6）在滿足各項(xiàng)性能的要求下，盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)以及保證系統(tǒng)的可操作性。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 輸入氣缸的控制

輸入氣缸是由一個(gè)5口2位電磁閥驅(qū)動(dòng)的，可接受最小的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)為10 ms，由于S7-200PLC可用的打開延遲定時(shí)器(TON) 其分辨率為1ms的僅有t32和t96兩個(gè)，為保證條煙通道的暢通無阻，氣缸接通/斷開時(shí)間控制必須準(zhǔn)確無誤，程序中需要使用大量的高分辨率定時(shí)器，為此，在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了多個(gè)比較指令來解決。

參考圖3輸入氣缸驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖，首先根據(jù)包裝機(jī)最高車速800包/min，計(jì)算出輸入氣缸動(dòng)作的最快為80條/min，其周期為750 ms。采用t32作為周期定時(shí)器，每條煙到達(dá)光電開關(guān)B1時(shí)復(fù)位并起動(dòng)定時(shí)器t32，通過比較器分別獲得t1-t5五個(gè)時(shí)間段。t1：條煙由輸入段落下到達(dá)B1的穩(wěn)定時(shí)間；t2：為氣缸伸出電磁線圈Y1.1的得電時(shí)間；t3：條煙運(yùn)行到檢測(cè)點(diǎn)，并達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間；t4：為氣缸返回電磁線圈Y1.2的得電時(shí)間；t5：為下一條煙到來的等待時(shí)間，根據(jù)包裝機(jī)的車速變化，其時(shí)間長(zhǎng)短不定。

圖3 輸入氣缸驅(qū)動(dòng)時(shí)序

與上述設(shè)計(jì)方法相同的是5臺(tái)像機(jī)光源控制和像機(jī)拍照的觸發(fā)。程序設(shè)計(jì)中使用了t96和多個(gè)比較器。

3.2 換向推板的控制

連接機(jī)部分換向推板（M4）的控制，停止位置不準(zhǔn)確，就會(huì)直接導(dǎo)致堵煙。參照?qǐng)D4，劃分出了4個(gè)位置。在圖4中左下面“位置1”為正常的停止位置，由光電開關(guān)B4確定，如果停的位置太靠前，擋住了條煙的通道；如果停的位置太靠后，換向推板將條煙推入“C”形下煙器的時(shí)間太長(zhǎng)，可能造成后一條煙被卡住。

圖4 換向推板的控制位置劃分

在程序設(shè)計(jì)中，每次上電后首先判斷B4的狀態(tài)，當(dāng)換向推板不在正確的停止位置時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)換向推板電機(jī)M3，當(dāng)B4接通停下電機(jī)，使連接機(jī)進(jìn)入生產(chǎn)等待狀態(tài)。

正常生產(chǎn)中為了避免換向推板電機(jī)M3的頻繁啟停，通過對(duì)減速機(jī)的傳動(dòng)比和包裝機(jī)的正常車速計(jì)算出變頻器的輸出頻率，在實(shí)際生產(chǎn)中再進(jìn)一步微調(diào)，確保了換向推板運(yùn)行周期與包裝機(jī)生產(chǎn)速度一致。

4 結(jié)論及展望

條煙綜合檢測(cè)平臺(tái)是包裝機(jī)到條煙輸送機(jī)之間的接口設(shè)備，通道的暢通至關(guān)重要，采用智能相機(jī)和稱重檢測(cè)相結(jié)合的檢測(cè)方案，技術(shù)成熟，為設(shè)備的有效性和可維修性帶來了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

另外，由于在檢測(cè)平臺(tái)上應(yīng)用了先進(jìn)的測(cè)控技術(shù)，使得整個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)性更加強(qiáng)，檢測(cè)功能更加完備，可控性更加有效，在行業(yè)內(nèi)具有一定的推廣價(jià)值。

[1] 西門子工業(yè)自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)技術(shù)集團(tuán). S7-200系統(tǒng)手冊(cè)[C].

[2] 西門子工業(yè)自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)技術(shù)集團(tuán). MM440簡(jiǎn)明調(diào)試指南[C].

[3] 羅克韋爾軟件公司. RSView32 用戶手冊(cè)[C].