基于山科PLC的高速灌装线专用控制系统

王茂励，郝慧娟，赵雪，孙祥

（山东省计算机网络重点实验室，山东省计算中心（国家超级计算济南中心），山东　济南　250014）

基于山科PLC的高速灌装线专用控制系统

王茂励，郝慧娟*，赵雪，孙祥

（山东省计算机网络重点实验室，山东省计算中心（国家超级计算济南中心），山东济南250014）

摘要：针对食品安全、溯源及监管的需求，在已有高速灌装线上加装了基于OmniView的视频检测系统，设计、开发了高速灌装生产线专用控制系统。控制系统应用WINCEQt4.7.3，基于山科PLC平台开发，具有包装外观质量检测、不良产品剔除以及生产日期/条码＆二维码/批次编码校验等专用功能，实现了灌装、检测的融合。该系统已经在大容量装液体食品无菌砖型纸盒灌装机中应用，满足了灌装线的高速要求，运行稳定、可靠，提升了灌装产品的质量，为产品的整个追溯过程提供了依据。

关键词：高速灌装线；山科PLC；专用控制系统；视频检测系统

“三鹿奶粉事件”发生之后，食品安全问题受到全国人民的关注［1］。食品安全除了食品本身的质量安全之外，食品包装物的质量安全也不容忽视［2－3］，不合格的食品包装不仅给消费者造成严重的身心伤害，同时也会给生产厂家造成经济损失，毁坏企业的信誉。随着我国对食品安全管理体系的大力推进，食品包装物的质量安全检验和产品追溯变得日益重要。

随着自动化程度的不断提高，灌装线的灌装速度变得更快。目前，国产的液体食品无菌灌装机［4］的最高灌装速度已经达到24000包/h，传统的人工产品质量检验方法效率低、精度差［5］，难以保证检测质量，已经无法满足高速灌装线的检验要求。基于机器视觉技术的检验系统，能够对灌装产品进行快速、实时和高精度要求检测［6－7］。欧美等发达国家比较早地开展了自动化灌装线上视觉检验系统的研发［8］，在自动化生产线上的应用已经非常广泛［9－10］。由于国内高速灌装生产线大多采用国外的通用PLC控制系统（西门子、三菱等），难以进行二次开发。因此，目前国内生产企业采用的高速灌装线上的食品检测设备基本依赖于进口。由于进口设备无法实现与国内产品追溯系统融合，不能满足实际灌装线对质量校验的总体需求。

本文针对高速灌装生产线的灌装、产品检测的功能需求，结合已有的山科PLC（SK-PLC）应用技术基础，在液体食品无菌灌装流程上加装视频检测系统，研发了基于SK-PLC的专用控制系统。

1　视频检测系统

高速灌装生产线增设的视频检测系统由传送装置、排序机构、视频检测单元和剔除装置组成。检测单元的图像特征提取和识别是基于美国Cognex公司的专业图像识别系统OmniView［11］二次开发来完成的，可实现包装盒表面的360°全周图像无缝拼接。而且，包装盒无需精确定心，为通过式检测，无需降低生产线的速度。在多项目检测模式下，该系统的最高检测速度为1200件/min，完全满足了高速灌装生产线的需求。

1.1检测流程设计

灌装生产线上的包装材料经过预成型、后成型工序后，包装盒进入传送带，由输送线运输至视频检测系统缓冲区后，排序机构组件将紧密排列的包装盒分开至检测间隔，依次通过OmniView图像识别系统，并触动触发开关，进行拍摄检测。如检测合格，则进入下一工序；如不合格则由吹气式排废剔除装置吹落至废料箱。

1.2检测与图像识别

本文基于OmniView图像识别系统的二次开发实现了视频检测与图像识别，如图1所示。四个CCD同时拍摄四幅独立图像，创建包装纸盒的3D模型；然后，由OmniView图像识别系统进行四幅图像的360°全周图像无缝拼接，展开成一幅完整的平面图像，进行纸盒外观质量和瓶盖密封性等的检测和处理。

图1　图像识别系统示意图Fig.1　Illustration　of　image　recognition　system

2　基于SK-PLC的专用控制系统

本文在已有的灌装生产线上增加了上述视频检测系统，并结合SK-PLC在灌装生产线上的应用基础，扩展了已有控制系统的功能，设计了基于SK-PLC的专用控制系统，实现了灌装、检测的融合，提高了灌装产品的安全性。

2.1软件架构

在WINCE操作系统下，专用控制系统采用Qt4.7.3进行设计与开发。系统采用模块化的编程思想，主界面程序管理所有子模块，即所有子模块的入口（调用）、出口（终止）都必须由主界面程序控制。各模块间参数传递采用“参数调用”（函数方式）、“内存共享表”（带读写操作权、锁管理）、“文件”三种方式。系统软件架构见图2。

图2　软件架构Fig.2　Architecture　of　software

2.2SK-PLC选型

中医学理论认为，肺结核是由痨虫导致的脾肺气虚，重症肺结核脾、肺、肾三脏俱亏，治则以益气补阴、清退虚热为法［3］。炎症反应贯穿于肺结核疾病的始终，中西医结合法对重症肺结核患者的炎症反应程度是否具有缓解作用值得研究。本研究探讨了加味定喘汤联合抗痨治疗对重症肺结核患者的临床效果及炎症介质水平的影响，现将结果报道如下。

山科系列PLC［12－14］是由山东省计算中心（国家超级计算济南中心）自主研发的可编程控制器产品，具有高可靠性、稳定性和灵活性等特点，分为SK2000、SK3000、SK4000、SK5000四个系列，已实现了规模化生产，在机床机械、生产流水线等领域大量配套。SK4000型是采用多总线技术的大型PLC，在大容量扩充能力、系统冗余等方面具有先进性，已成功在高速液体食品无菌纸盒灌装机中应用，满足了灌装生产线的控制需求。

本文选用SK4000型PLC，采用“死循环”方式的内部进程，通过主界面调用执行，可以通过主界面（特殊权限）操作强制中断或退出。PLC子程序只对内存“I/O映像表”操作，“I/O映像表”通过“直接、系统、远程IO映射子程序”进行实际的输入输出操作，见图3。

图3　PLC方案Fig.3　PLC　scheme

图4　通讯方式Fig.4　Communicationmode

2.3通讯机制

山科SK4000型PLC包括智能主控制模块、通信模块、逻辑控制单元、过程控制单元、运动控制单元和数控操作站，支持第三方总线互联，支持在线编程，支持梯形图、顺序功能图和语句表等解析语言，支持G代码编程。其通讯模块有CAN、RS232、RS485、网络、光缆等有线通讯模块和GPRS、无线数传电台、无线网桥等无线通讯模块。通讯协议支持自定义协议、MODBUS、PROFIBUS、TCP/IP以及DEVICENET等。

在设计的专用控制系统中，SK-PLC与视频检测单元通过RS485接口通讯，视频检测单元把检测的外观质量是否符合、瓶盖密封性及是否偏斜等信息上传PLC。若不合格，PLC给剔除装置发送执行命令，将不合格纸盒送入废料箱。灌装后，若视频检测结果合格，PLC把“生产日期/条码＆二维码/批次编码”通过GPRS模块上传至追溯系统，为整个食品链的质量追溯和安全提供重要依据，详见图4。

2.4灌装、检测流程

在已有灌装机控制系统的基础上，按照检测、追溯需求，在灌装前增加了检测单元来检测包装盒的外观质量，在灌装后也增加了检测单元，以检测灌装后瓶盖的密封性、是否偏斜等，来保障灌装物的品质和包装外观。另外，将检测合格的生产日期（条码＆二维码/批次编码）上传追溯系统。具体流程如图5所示。

图5　灌装、检测流程图Fig.5　Flowchart　of　filling　and　detection

3　实际应用

为了验证视频检测系统的准确率和专用系统的功能，将开发的专用控制系统用于大容量装无菌灌装机的控制。灌装机主要参数如下：

工控程序：日本三菱可编程PLC；封合方式：高频热封合；标准容量：1000mL/盒；速度：2000～6000盒/h；总功率：45kW（实用约20～30kW）。

基于OmniView设计的视觉检测系统可检测圆柱体或类圆柱体产品，在多目标检测模式，最高检测速度达到了1200件/min，完全满足灌装速度的要求，其包装外观检测和不合格产品剔除效率如表1所示，基本满足了灌装生产线的产品质量检测要求。

表1　物品检测情况Table　1　Filling　food　detection

专用控制系统的界面、灌装功能是参照三菱PLC设计和开发的。目前，该系统已经在1L装液体食品无菌砖型纸盒灌装机上配套、应用一年多，各项功能指标基本达到了三菱PLC的控制性能，运行稳定、可靠。另外，专用控制系统对“标签位置＆偏斜/标签内容正误/标签外观识别”、“生产日期/条码＆二维码/批次编码校验”、“液位/瓶盖密封性/瓶盖位置＆偏斜/瓶盖有无检测”以及“包装外观质量检测”等功能开发了专用加工代码，编程简捷、方便，提高了控制系统的效率，克服了通用控制系统操作不方便、效率低的局限性。

4　结论

在高速灌装生产线上增设视频检测系统，可以全面反映包装质量，保障灌装物质量，满足质量校验的整体需求。本文设计的专用控制系统克服了通用控制系统的局限性，实际应用结果表明，系统运行稳定、可靠，操作便捷，满足了高速灌装和外观质量的检测需求，提升了灌装食品的质量。目前，专用控制系统运转正常，下一步将进一步优化程序、完善功能，对程序及指令执行效率做进一步的研究。

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SK-PLCbasedspecialcontrolsystemforhigh-speedfillingline

WANGmao-li，HAOHui-juan*，ZHAOXue，SUNXiang

（ShandongProvincialKeyLaboratoryofComputerNetworks，ShandongComputerScienceCenter（NationalSupercomputerCenterinJinan），Jinan250014，China）

Abstract：Fortherequirementoffoodsafety，traceabilityandregulation，wedesignaspecialcontrolsystemforhigh-speedfillinglinewithaOmniViewbasedvideodetectionsystem.ItisdevelopedbasedonSK-PLCandWINCEQt4.7.3，andhassuchspecialfunctionalitiesasqualityinspectionforappearance，removingofbadproducts，checkingforproductiondate，barcode＆twodimensionalcode，andbatchcode.Wemergefillinganddetection.Ithasbeenappliedinlarge-capacityasepticcartonfillingmachine，andsatisfieshigh-speedrequirementoffillingline.Itisstableandreliable，andimprovesthequalityoffillingproducts.Itcanalsoprovideevidenceforthewholetraceableprocess.

Keywords：high-speedfillingline；SK-PLC；specialcontrolsystem；videodetectionsystem

中图分类号：TP273＋.5

文献标识码：A

文章编号：1002-4026（2016）01-0116-05

DOI：10.3976/j.issn.1002－4026.2016.01.020

收稿日期：2015-11-27

基金项目：山东省自然科学基金（ZR2014EEM024；ZR2015FQ015）

作者简介：王茂励（1981－），男，副研究员，硕士生导师，研究方向为数控、智能控制技术。

*通讯作者，郝慧娟。Email：haohj＠sdas.org