基于PLC控制的多工位啤酒成品检测装置的设计

张宪栋

山东服装职业学院,山东泰安271000

基于PLC控制的多工位啤酒成品检测装置的设计

张宪栋

山东服装职业学院,山东泰安271000

本文提出一种用于啤酒灌装生产线的多工位啤酒成品检测装置，采用PLC控制、机器视觉、光学成像、X射线成像和数字图像处理等多学科领域技术，获取啤酒瓶体的全方位检测信息，识别出各类型次品情况，自动把不合格产品分离出生产线。本文主要介绍了啤酒成品检测装置机械传动方案的选择，重点阐述检测装置电气控制系统中机械传动控制单元、位置触发控制单元和次品剔除控制单元的硬件结构设计及PLC软件设计。

啤酒在线检测;PLC;机器视觉

在啤酒生产过程中，由于灌装技术和生产工艺的原因，会产生各种各样的缺陷产品，比如成品瓶装啤酒中可能存在的盖磨损、液位、瓶壁霉斑、泄漏、瓶内异物、瓶壁破损等缺陷类型，给产品质量带来严重隐患，随着竞争的日益激烈，啤酒生产过程中，对产品质量的要求越来越高。为了提高产品的质量，现在主要采用人工灯检的方式剔除成品啤酒中的次品，但这种检测方式消耗大量的人力和物力资源，而且人的眼睛易疲劳，易出现漏检现象，检测速度和效率低。

针对这种人工检测方式的不足，本文提出一种多工位的智能啤酒成品检测装置代替人工检测。本设备采用机器视觉、机械传动与控制、光学成像、X射线成像、数字图像处理和通信等多学科领域技术，利用特定的多工位多手段成像系统，获取啤酒瓶体的全方位检测信息，通过工控计算机判断瓶内是否有异物和杂质，脏酒、脏瓶、啤酒失光或浑浊，并识别出瓶盖缺陷或泄漏、液位高低、瓶体裂纹缺陷等各类型次品情况，并自动把不合格产品分离出生产线，减少人工劳动量。

1　系统机械传动方案选择

1.1翻转检测方式

本方案共设置了6个检测工位和3个剔除工位，如图1所示。设备通过夹持输送带使瓶子倒置，一段充裕时间后，重的异物会从瓶底下沉到瓶口，此位置使用X射线技术进行检测会比较可靠。拍瓶口照片的优势是瓶颈基本上没有磨损，检测条件相对稳定，检测需要更少的X射线能量，成像质量好，图像处理相对容易。但本方案设备占地面积大，安装需要改造的地方多，工作量相当大，不是很方便。

1.2直线检测方式

本方案共设置了11个检测工位和3个剔除工位，如图2所示。其中，检测工位10和11采用传感器实现，工位1、2、4、5、6、8和9采用视觉成像检测。检测工位1和8主要检测歪盖、瓶盖下部内壁脏污、液位、瓶颈部裂纹等不合格信息；2和9工位主要检测瓶壁裂纹、脏污等不合格信息；5和6工位主要检测大的异物；中间3和7工位主要检测大玻璃、石子等密度较大异物，本工位采用两夹持传送的皮带，使瓶体悬空并旋转设定的角度，使用x射线双光束两次拍摄时在不同角度成像，减少视觉盲区；4工位主要检测异形盖；工位10为无盖检测；工位11采用超声波检测瓶装啤酒是否泄漏。本方案的优点是占地面积小，安装方便。通过两种方案的比较，最终选定本方式。

图1　翻转检测方式结构Fig.1 Schematic diagram of rollover detection

图2　直线检测方式结构Fig.2 Schematic diagram of line detection

2　电气控制系统结构设计

电气控制系统是啤酒成品检测装置的主要组成部分，本装置电气控制系统以PLC为核心，主要包括机械传动控制单元、PLC位置触发控制单元和次品剔除控制单元。电气控制系统结构如图3。

图3　电气控制系统结构图Fig.3 Schematic diagram of electrical control system

机械传动控制单元采用欧姆龙PLC控制两夹持传送皮带伺服电动机的运行，PLC采集主传输链道编码器1及两夹持皮带电机编码器2和3数值，比较后通过变频器控制两夹持皮带电机速度跟踪主传输链道的速度，从而保证输瓶链道上的瓶装啤酒顺利通过啤酒成品检测装置，两夹持皮带运行有一定速度差，使瓶子在输送过程中旋转相应的角度。主链道编码器1与主链道从动轮同轴运转，两夹持皮带编码器2、3与夹持皮带主动轮同轴运转。

PLC位置触发控制单元包括施耐德PLC、相机板卡和各工位光电传感器，PLC接收各工位光电传感器瓶子位置信号，判断瓶子是否到达各工位位置，如果瓶子到达工位位置，PLC通过相机板卡给相机发送触发信号，相机对瓶装啤酒进行图像采集，并送视觉检测系统进行处理。视觉检测系统对图像分析之后，将检测信号发送至PLC。

次品剔除控制单元采用采用施耐德PLC接收来自视觉检测系统的检测信号，判断是否为不合格产品，如是不合格产品，PLC记下该瓶子位置信息并接收来自剔除定位光电传感器的剔除定位信号，待瓶子到达剔除位置时，PLC控制剔除器动作将不合格品正确剔除。目前多数啤酒灌装生产线在空瓶检测装置中次品剔除采用单段式直接击出剔除装置，这种结构是气缸带动一击打块击打瓶子的中心位置，将瓶子击打到其它链道，由于啤酒生产线上瓶子运行速度很快，该方式容易将瓶子击倒，尤其是本系统涉及的成品啤酒剔除，瓶子击倒后不仅影响生产效率，而且容易出现爆瓶现象，存在安全隐患。本系统剔除器采用手指式多段剔除器，共有16根剔除手指，分别由16个高速气缸控制并引导其伸出或收起，剔除手指长短不一，构成剔除引导曲线，剔除手指通过控制系统将依次柔性的引导被剔除的瓶子到平行的传输链道上。三组剔除器分别剔除不同类型的不合格产品。

3　电气控制系统软件设计

机械传动控制单元软件采用欧姆龙PLC梯形图语言编程，主要有操作面板控制程序和电机控制程序两部分组成，操作面板控制程序主要完成操作面板上的启动、停止、低速运行、急停和灯光报警控制。电机控制程序通过模拟量控制两夹持皮带电机跟随主链道电机运行。计算主链道编码器与电机编码器2的差，该差值逐渐增大表明电机1速度过慢，需要手动增大电机编码器2每秒发出脉冲最大值参数，从而增大电机1的速度，该差值逐渐减小，则手动减小电机编码器2每秒发出脉冲最大值参数，从而减小电机1的速度。同理通过计算主链道编码器1与电机编码器3的差，调整电机2的速度。电机1和电机2运行各有一模拟量补偿，只有电机模拟量输出大于该补偿值时电机才运行，并且电机的模拟量补偿值与电机2的模拟量补偿值要有差值，保证瓶子在夹持皮带中运行的旋转角度。

PLC位置触发控制单元和次品剔除控制单元软件采用施耐德PLC的结构化文本编程，主要有两个循环任务，一是置工位不合格信号标志及剔除动作任务，二是置工位剔除信息表任务。置不合格信号标志及剔除动作任务优先级高于置工位剔除信息表任务。置不合格信号标志及剔除动作任务通过各工位光电判断瓶子是否到达该工位位置，记下瓶子到达工位时的编码器数值，PLC专家模块接收来自相机板卡的工位不合格信号，如瓶子在该工位不合格，置该工位不合格标志为1，并将该工位瓶子不合格计数单元加1。剔除动作任务判断瓶子是否到达剔除工位，如到达则置剔除动作信号标志为1，剔除动作时间补偿，保证瓶子剔除时间，然后置剔除动作标志为零，流程图如图4所示。置工位剔除信息表任务当瓶子到达工位位置后，将瓶子工位编码器值记入工位位置表中，工位剔除信息表清零，然后根据置工位不合格信号标志及剔除动作任务中瓶子在该工位不合格信号标志判断瓶子是否为不合格瓶装啤酒，如是则将工位剔除信息表置1，然后进入下一工位处理。

4　视觉检测系统

视觉检测系统通过各检测工控机中视觉检测软件采集来自相机和X射线接收器的图像信息，进行处理，并判断是否为不合格瓶装啤酒，如为不合格瓶装啤酒，将不合格信息通过相机板卡发送到PLC位置触发控制单元，由PLC位置触发控制单元驱动剔除器动作将不合格瓶装啤酒分离。

5　结语

本文设计了一种应用于啤酒灌装生产线的成品啤酒在线检测装置，采用欧姆龙PLC进行机械运动控制，采用施耐德PLC进行位置检测控制及次品剔除控制，采用工控计算机软件进行图像处理，经调试，本设备已在燕京啤酒灌装生产线稳定运行，各项性能均基本达到设计要求。

图4　置工位不合格信号标志及剔除动作任务流程图Fig.4 Flow chart of the task of setting the unqualified signal station and eliminating

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The Design of Beer Detection Device in Many Processes Based on PLC Control

ZHANG Xian-dong
Shandong Vocational Institute of Clothing Technology,Taian 271000,China

This paper presents a multi station finished detection device for the beer filling production line,Using PLC controlling,machine vision,optical imaging,X-ray imaging and digital image processing and other fields of technology, acquires the full range of detecting information of the beer bottle,identify the various types of defects,pick out the unqualified products automatically from the production line.This paper mainly introduces the selection of mechanical transmission scheme of the finished beer detection device,focuses on the hardware structure design and PLC software design of the mechanically-driven control unit,the position trigger control unit and the defectives picking out control unit in the electrical control system.

Beer online detection;PLC;Machine vision

TB487

A

1000-2324(2015)02-0252-04

2013-02-05

2013-03-01

张宪栋(1976-),男,山东泰安人,讲师,硕士.主要研究方向为自动控制,智能仪器.E-mail:sdfzxyzxd@163.com