基于PLC控制的烟包外观质量检测系统改造

向金 普恒 谢惠 范继东 夏梓瑜

摘 要： 在烟草工业系统内，卷烟的生产、包装过程中由于翻转、抓取、推送等机械运动导致烟包存在一些质量问题，例如：折痕、翘边、破损、歪牌等质量缺陷，对烟包外观质量造成很大影响。因此本文提出了一种基于西门子公司S71200PLC应用于主流机型的烟包外观质量检测系统改造方法，并且该系统已经在应用中取得良好成效。本文阐述了改造系统的构成，包括硬件部分和软件部分，具体分析了系统的控制器和图像采集模块。

关键词： 烟包外观;PLC;质量检测;CCD工业相机

1 概述

卷烟生产过程中，由于小包在自动化生产轨道上的机械运动作用，经常会出现外观质量缺陷，例如：封签歪斜或脱落、上盖破损或变形、玻璃纸破烂等质量缺陷。目前卷包机自动化水平较高，其生产速度很快，良好的供给下效率可达1000包/min，如此高的速度，靠工人识别缺陷是不可能的，因此烟包外观质量检测系统成为了一种有效降低烟包外观缺陷的高效工具。

传统的烟包外观质量检测系统根据原理可以分为以下几种类型：（1）机械式玻璃纸检测，由于烟包外盒被玻璃纸包装，检测时对破损玻璃值检测到变形，来判断包装是否破损，如果包装外玻璃纸破损，那么就是压迫探针就会产生形变，这是一种较为传统的机械式检测，检测精度较低，现在已经不太常用。（2）电子式传感器检测，主要利用烟包缺陷的特殊性进行检测，传感器有电容、电感、颜色、等类型，可以检测烟盒反盒、盒纸翘边这类缺陷，缺点是对盒纸破损、无玻璃纸、盒线错牙、包装错位缺陷难以识别检测。（3）视觉检测，通过摄像头采集图像信息，再经过CPU识别对比是否存在缺陷，进行快速判断相对前两种方式更加智能，其体积小且单元组织简单，安装使用方便，其缺点是相机CPU同时处理图像并进行工业控制，运算速度较慢，无法处理特别复杂的图案，导致同步度低，因此检测能力有待提高。

2 检测系统的总体方案设计

该检测系统以西门子公司的S71200PLC作为控制中心，采用工业相机结合PLC方式检测，PLC性能强大、运算速度快，并且可以可拓展内存，满足更高要求的检测。在烟包外观质量检测系统应用中，可以结合实际情况有针对性的进行开发，对检测算法优化提升，应用在不同复杂情况下。

PLC与包装机控制系统相连接，当出现问题时可以及时反馈给包装机，让其剔除不合格烟包，控制器还接有光纤传感器和CCD工业相机的图像采集通讯接口，光纤传感器用来检测烟包距离位置，图像采集单元后将图像信息发送给PLC，PLC通过图像处理检测出有缺陷的烟包，并发出信号给包装机控制系统，完成剔除命令。此外，还需要LED光源辅助CCD工业相机进行图像采集工作，通过显示屏进行人机交互，直观的反映出该系统的工作状态，特殊情况下可以进行人工干预处理。系统正常工作时，首先在检测烟包在LED光源的辅助下通过CCD工业相机进行检测，如果检测合格，则正常流出流水线;如果检测不合格，PLC会将图像采集识别得到的异常信息发送给包装机的控制系统，使包装机执行剔除处理。

3 检测系统的硬件设计

本系统的硬件主要有左右两个CCD工业相机、LED辅助光源、S71200PLC、两套光纤传感器、液晶显示屏。

3.1 烟包图像采集模块

图像采集模块在系统中负责采集信号并进行初步处理，是整个控制系统的眼睛，起到感知识别的作用。系统工作时，图像采集模块在LED光源的辅助下对烟包进行一定频率的图像采集，然后对图像进行初步处理优化后传输给PLC控制器，的作用组件负责采集待检测烟包图像并进行初步处理后传送给控制器。本系统采用高分辨率的CCD工业相机，为常用的CMOS图像传感器，由于烟包在流水线上运行速度很快，所以相机需要采用高曝光模式，在短时间内采集到清晰有效的图像。此外LED光源相比市場上的卤素灯，荧光灯等具有更好的响应速度，具有使用寿命长、性价比高、单色性好等优点，因此本系统采用LED光源。 LED光源在使用时，可以安装在多个角度，保证烟包四周都照明清晰，不出现死角，避免出现反光、阴影等对图像处理产生阻碍。在曝光时，左右两个工业相机要分时进行，不能同时曝光，否则会出现光源相互干扰，即逆光现象导致的图像不清晰。

3.2 PLC核心控制模块

1200PLC控制系统是本烟包外观质量检测系统的核心单元，负责图像处理和控制命令的下达，系统由CPU、8KB数据区、64KB程序区和通讯记录单元组成，实现对烟包的检测和数据的存储记录以及对剔除机构的信号控制。

3.3 执行信号模块

何时对烟包进行图像采集，又何时执行剔除动作，这都取决于光纤传感器的位置信号。系统中有两套光纤传感器，一套安装在烟包的检测位置，当烟包经过检测位置时，光纤传感器向PLC发送信号，PLC使两个工业相机采集一次信号，并立即进行图像处理;另一套安装在烟包剔除位置上，当检测到烟包有缺陷时PLC发送信号给烟包系统的剔除机构，剔除机构收到信号后通过高速气阀，将烟包迅速推出流水线。

3.4 液晶显示模块

通过触摸液晶显示器可以直观地反映出烟包检测的实时状态，过显示屏进行人机交互，特殊情况下可以进行人工干预处理，通过触摸显示屏对系统参数进行调整校准。显示屏还可以显示不合格烟包计数以及合格率合格率，经过计算后在显示屏上显示必要的数据。若合格率过低，则需要对烟包系统进行维修调整。

4 检测系统的软件设计

在系统硬件系统组装完成以及传感器校准之后，通过PLC1200编制对应的程序，进行数据的采集、比较、输出、存储以及显示。本部分主要针对烟包图像匹配定位的方法和原理进行说明。

烟包在传送轨道上快速运动，因此不能完全夹紧，只能通过限位装置限定烟包的活动区间，因此烟包在检测时位置是变化的。这里通过图像匹配定位用来确定烟包监测范围。在监测时首先要对图像进行处理，裁剪出烟包检测敏感部分。首先在检测前要建立对比样本库，即把各种类型的典型缺陷图像准备好，然后根据视觉系统把样本库与检测时的图像相比较，选取最佳匹配的图像，确定否有缺陷以及缺陷类型。

由于烟包在传送轨道上运动速度很快，假设其速度为950包/min，那么留给控制器计算处理的时间则不能超过35000μs，为了提高系统稳定性，需要增大容错，那么控制器计算软件处理的时间要小于30000μs。因此在设置检测点时不宜过多，否则会增大样本库对比时间，进而影响到整个系统的效率。在检测时，应根据实际包装形状及其特点进行检测，选择合适的形状以及颜色，在保证检测精确的情况下提高检测效率。

5 结语

随着卷烟市场竞争日益激烈，用户和烟厂对香烟的外观包装质量要求越来越高，经实验测试，本系统能够满足主流机型的烟包包装质量检测系统，安装使用方便，而且运行稳定。当然随着科技的发展，烟包外观质量检测装置需要不断改进，以促进卷烟工业科技的不断进步。

参考文献：

[1] 曾文艳，王亚刚，蒋念平等. 基于机器视觉的香烟小包装外观质量检测系统[J]. 信息技术，2014（1）：46-49.

[2] 祝荣壮. 小盒烟包外观检测系统设计[J]. 机械设计与制造工程， 2017，46（5）