包裝機(jī)組產(chǎn)品二維碼信息精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李鈺靚，張利宏*，沈宇航，范禮峰，杜衛(wèi)丹，顧昌鈴

1. 浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司杭州卷煙廠，杭州市西湖區(qū)科海路118 號 310024

2. 上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)中心，上海市浦東新區(qū)金港路1000 號 201206

二維碼在卷煙產(chǎn)品上的應(yīng)用是近年來煙草行業(yè)防偽溯源管理的重要技術(shù)手段之一，并逐步向精準(zhǔn)營銷、質(zhì)量溯源、包裝工藝全生命周期管理的方向發(fā)展［1-2］，而實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵則是將每10 小盒商標(biāo)紙與對應(yīng)一個(gè)條盒的二維碼進(jìn)行精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)（以下簡稱十合一關(guān)聯(lián)）。傳統(tǒng)的防偽溯源主要根據(jù)整批物料的時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，無法記錄單一產(chǎn)品的精確時(shí)間，也無法實(shí)現(xiàn)十合一關(guān)聯(lián)。隨著標(biāo)識解析技術(shù)的發(fā)展［3-12］，在線解析二維碼的方法得到廣泛應(yīng)用，即將在線解析的小盒和條盒的二維碼信息打上時(shí)間戳并將其記錄到數(shù)據(jù)庫，再在后臺將每10 小盒與一個(gè)條盒的二維碼信息，基于時(shí)間戳進(jìn)行小盒-條盒二維碼關(guān)聯(lián)對應(yīng)［13］。利用該方法，廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司［14-16］在卷煙二維碼管理、防偽系統(tǒng)構(gòu)建等方面開展了研究；陳?。?7］、李乾等［18］探討了二維碼在煙草行業(yè)防偽溯源中的應(yīng)用，將卷煙成品作為管理對象，對其全生命周期進(jìn)行跟蹤和管理；紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司［19］建立了基于煙包二維碼追溯生產(chǎn)信息管理方法，將生產(chǎn)機(jī)臺信息、部門信息和時(shí)間信息作為煙包身份信息，以二維碼作為主關(guān)鍵詞存儲到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)每包煙的質(zhì)量追溯。由于卷煙包裝機(jī)組的工藝過程較為復(fù)雜，生產(chǎn)中存在故障停機(jī)、小盒剔除、人工添加小盒等環(huán)節(jié)，因此基于時(shí)間戳的二維碼關(guān)聯(lián)對應(yīng)方法，難以實(shí)現(xiàn)小盒與條盒二維碼信息的精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)。為此，以ZB45 硬盒包裝機(jī)組為研究對象，根據(jù)煙草行業(yè)主流包裝機(jī)組基于工位運(yùn)行的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了包裝機(jī)組產(chǎn)品二維碼信息精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，以期提高卷煙產(chǎn)品防偽溯源的精準(zhǔn)性和數(shù)字化生產(chǎn)管理水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

根據(jù)包裝機(jī)組基于工位做間歇運(yùn)動的特性，設(shè)計(jì)了包裝機(jī)組產(chǎn)品二維碼信息關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，主要由4 個(gè)掃碼器、集中控制器、信息存儲服務(wù)器等部分組成，見圖1。其中，4 個(gè)掃碼器分別為小盒入口工位的小盒初始掃碼器1、補(bǔ)包器工位的末位掃碼器2、小盒成條工位的驗(yàn)碼掃碼器3 以及條盒商標(biāo)紙下紙工位的小盒條盒關(guān)聯(lián)掃碼器4。

圖1 二維碼信息關(guān)聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Structure of correlation system for QR code information

1.2 工藝流程

由圖2 可見，生產(chǎn)中系統(tǒng)首先通過集中控制器獲取包裝機(jī)組的工位信息，使用入口初始掃碼器1生成小盒二維碼序列，然后使用末位補(bǔ)包掃碼器2根據(jù)故障停機(jī)、小盒剔除等情況補(bǔ)足小盒二維碼序列，再使用驗(yàn)碼掃碼器3 將小盒二維碼序列進(jìn)行分割并組碼，最后通過工位關(guān)系使用關(guān)聯(lián)掃碼器4 進(jìn)行關(guān)聯(lián)，由此實(shí)現(xiàn)小盒與條盒二維碼信息的十合一關(guān)聯(lián)。

1.3 二維碼信息的關(guān)聯(lián)

1.3.1 小盒二維碼序列的生成

系統(tǒng)初始化后，預(yù)建立起基于工位序列的小盒二維碼序列堆棧，堆棧長度為n，堆棧結(jié)構(gòu)見圖3。當(dāng)小盒到達(dá)入口工位時(shí)，利用掃碼器1 生成基礎(chǔ)序列，并解析當(dāng)前小盒二維碼信息。若掃碼器1解析成功，則將該條二維碼信息記錄入堆棧的棧頂，并在解析是否成功標(biāo)志位寫入1（表示解析成功），后續(xù)每解析一個(gè)小盒，就在堆棧中寫入一條信息，當(dāng)?shù)谝粭l記錄到達(dá)棧底時(shí)，即代表該小盒到達(dá)小盒成條工位（也稱為十合一工位）；若掃碼器1 解析不成功，該小盒到達(dá)剔除工位時(shí)被剔除，此時(shí)電控系統(tǒng)控制補(bǔ)包器及時(shí)添加小盒，由補(bǔ)包器加入的小盒二維碼信息需要重新解析。

圖2 二維碼信息關(guān)聯(lián)系統(tǒng)工藝流程圖Fig.2 Process flow of correlation system for QR code information

當(dāng)補(bǔ)包器添加小盒時(shí)，位于補(bǔ)包器工位的掃碼器2 開始解析所補(bǔ)小盒的二維碼信息。如果解析成功，在相應(yīng)工位的堆棧位置記錄二維碼信息，并在解析是否成功標(biāo)志位寫入1；如果不成功，在相應(yīng)工位的堆棧位置記錄空白信息，并在解析是否成功標(biāo)志位寫入0。在掃碼器2 與十合一工位之間，未設(shè)置剔除工位，含有解析不成功小盒的條盒在后續(xù)工序會被剔除。

1.3.2 小盒二維碼序列的驗(yàn)證、切割與組碼

掃碼器3 位于10 包小盒進(jìn)入條盒前的小盒成條工位（十合一工位），主要對已有序列堆棧進(jìn)行驗(yàn)證，避免掃碼器2 與掃碼器3 之間的小盒序列被破壞。掃碼器3 的安裝位置與小盒二維碼印制位置相對應(yīng)，通常情況下二維碼印刷在小盒側(cè)邊，當(dāng)解析到即將進(jìn)入條盒內(nèi)的10 包小盒中前兩包的二維碼，再解析到下一條盒內(nèi)10 包小盒中前兩包的二維碼時(shí)，通過計(jì)算即可得到第一條煙在生產(chǎn)過程中的所有信息。當(dāng)出現(xiàn)通道卡滯煙包等情況時(shí)，系統(tǒng)可自動記錄異常節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行處理，序列堆棧出錯(cuò)時(shí)也可及時(shí)修正。

經(jīng)過1～3 號掃碼器的小盒，其二維碼信息均會出現(xiàn)在序列中，即使生產(chǎn)線出現(xiàn)異常情況，也可將錯(cuò)誤的序列都包含在同一條煙中，即該條煙可能包含超過10 包小盒的二維碼信息，但不會缺失信息。此外，后續(xù)設(shè)置的剔除工位，也可避免使序列錯(cuò)誤的條煙進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。在正常情況下，當(dāng)序號為1 的小盒到達(dá)工位n 時(shí)，將序號1～10 即工位n～n9 的小盒十合一到條盒I 中，隨著堆棧的循環(huán)，以此類推；在異常情況下，工位n～n9 還是對應(yīng)條盒I，但可能包含了序號1～n（n≤20）小盒的信息（包括解析成功和解析不成功的、異常情況的、人工添加的小盒）。掃碼器3 確保序列錯(cuò)誤只發(fā)生在一個(gè)條盒內(nèi)，動態(tài)調(diào)整的是每10 個(gè)工位所對應(yīng)的小盒信息數(shù)量。

圖3 二維碼序列堆棧結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of QR code sequence stack structure

1.3.3 小盒和條盒二維碼的關(guān)聯(lián)

在條盒商標(biāo)紙下紙工位，掃碼器4 用于解析條盒二維碼信息。由于集中控制器是基于工位解析條盒二維碼，故工位n～n9 的小盒對應(yīng)條盒I，工位n10～n19 的小盒對應(yīng)條盒Ⅱ，以此類推。當(dāng)條盒二維碼解析成功時(shí)，將解析結(jié)果寫入堆棧相應(yīng)位置，并將解析是否成功標(biāo)志寫入1，條盒進(jìn)入下一工序；當(dāng)條盒二維碼解析不成功時(shí)，將解析結(jié)果即空白信息寫入堆棧相應(yīng)位置，并將解析是否成功標(biāo)志位寫入0，在剔除工位將該條盒剔除。每關(guān)聯(lián)一條煙與10 包小盒二維碼信息，無論成功與否，控制器都將堆棧內(nèi)的緩存信息傳輸至二維碼信息存儲服務(wù)器。

1.4 集中控制器設(shè)計(jì)

集中控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，采用的是以STM32 單片機(jī)為核心的控制板，同時(shí)連接多條自定義的I/O 電路，見圖4?？刂瓢逯饕糜诤诵挠?jì)算機(jī)模塊的外圍擴(kuò)展，包括電源電路、STM32 單片機(jī)、USB 模塊通訊電路、光源模塊控制電路、輸入輸出電路、VGA 電路、以太網(wǎng)通訊電路、固態(tài)硬盤、指示電路等外設(shè)資源，對外采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)連接器，提供工業(yè)相機(jī)、輸入輸出、光源、以太網(wǎng)通訊、USB、VGA 等接口。核心計(jì)算機(jī)模塊利用自帶的接插件與控制板上的接插件對插，工位信號輸入接口用于接收包裝機(jī)組電控系統(tǒng)和編碼器產(chǎn)生的信息，剔除信號輸出接口用于向包裝機(jī)組電控系統(tǒng)輸出處理結(jié)果。

圖4 集中控制器電路框圖Fig.4 Block diagram of integrated controller circuit

1.5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括控制器上位機(jī)、下位機(jī)軟件以及人機(jī)界面軟件。由圖5 可見，上位機(jī)軟件通過控制器控制板上的以太網(wǎng)接口與掃碼器通訊，設(shè)置各工位掃碼器的拍照相位，實(shí)時(shí)顯示拍攝的圖片，并將識別失敗的圖片存儲于硬盤，用于后續(xù)追溯；將各工位掃碼器識別數(shù)據(jù)匯總和分析，對小盒、條盒數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并存儲于數(shù)據(jù)庫；將識別以及小盒-條盒關(guān)聯(lián)結(jié)果發(fā)送給控制系統(tǒng)，如果結(jié)果不合格，則由包裝機(jī)組控制系統(tǒng)在相應(yīng)工位剔除缺陷煙包。

圖5 控制器上位機(jī)軟件流程圖Fig.5 Flow chart of controller host computer software

由圖6 可見，下位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)接收控制器上位機(jī)軟件的控制指令，對外圍設(shè)備進(jìn)行控制操作，根據(jù)相位觸發(fā)各工位的LED 光源和掃碼器；向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)送檢測狀態(tài)信號、診斷信號及剔除機(jī)構(gòu)的執(zhí)行信號?？刂破飨挛粰C(jī)軟件執(zhí)行速度要求較高，為毫秒級別，因此采用C 語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

由圖7 可見，人機(jī)界面軟件主要用于提供系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)感知、信息查看及參數(shù)設(shè)置，包括系統(tǒng)設(shè)置、設(shè)備管理、實(shí)時(shí)圖像、信息關(guān)聯(lián)、生產(chǎn)數(shù)字化管理、品牌統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)采集等模塊。

圖6 控制器下位機(jī)軟件流程圖Fig.6 Flow chart of controller slave computer software

圖7 人機(jī)界面布局圖Fig.7 HMI layout

2 應(yīng)用效果

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“利群（江南韻）”牌細(xì)支煙，共40 萬盒。小盒二維碼印制在小盒商標(biāo)紙條碼的下方，條盒二維碼印制在條盒包裝紙外側(cè)（均由浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備：ZB45 硬盒包裝機(jī)組（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

測試方法：將40 萬盒煙均分成4 組，在第一組1 萬盒煙中混入10 盒錯(cuò)牌煙包，在第二組1 萬盒煙中混入10 盒二維碼質(zhì)量缺陷煙包，在第三組1 萬盒煙中人工剔除小盒10 次，在第四組1 萬盒煙中模擬通道卡滯煙包10 次。開啟小盒和條盒剔除功能，采用工位關(guān)聯(lián)和基于時(shí)間關(guān)聯(lián)兩種方法，分別統(tǒng)計(jì)不同試驗(yàn)條件下的小盒解析成功率、剔除準(zhǔn)確率、關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率以及小盒信息包含率，取平均值。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見，采用工位關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，解析成功率為99.995%，小盒信息包含率為100%。開啟條盒剔除情況下，小盒-條盒關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率為100%；不開啟條盒剔除情況下，小盒-條盒關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率為99.95%。與基于時(shí)間關(guān)聯(lián)方法相比，系統(tǒng)關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率大幅提升。

表1 工位關(guān)聯(lián)和時(shí)間關(guān)聯(lián)測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of station-based correlation and time-based correlation （%）

3 結(jié)論

根據(jù)包裝機(jī)組基于工位的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種小盒-條盒二維碼信息精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為控制核心，基于包裝機(jī)組工位信息實(shí)現(xiàn)了小盒-條盒二維碼信息的在線解析、剔除和關(guān)聯(lián)。以ZB45 硬盒包裝機(jī)組為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)包裝機(jī)組產(chǎn)品二維碼信息在線精準(zhǔn)十合一關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率達(dá)99.95%，與基于時(shí)間的關(guān)聯(lián)方法相比較，關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率提高3.55 百分點(diǎn)。該系統(tǒng)適用于當(dāng)前行業(yè)內(nèi)主流軟盒、硬盒包裝機(jī)組，可為提高卷煙包裝工藝過程數(shù)字化管理水平提供支持。