基于PLC的烟盒内衬纸缺陷检测系统

陈海需，衡耀付，李鲁阳，刘勇军

（1.黄淮学院 机电工程学院，河南 驻马店 463000；2.中国科学院电工研究所 北京 100190）

基于PLC的烟盒内衬纸缺陷检测系统

陈海需1，衡耀付1，李鲁阳2，刘勇军1

（1.黄淮学院 机电工程学院，河南 驻马店 463000；2.中国科学院电工研究所 北京 100190）

烟盒内衬纸 （铝箔纸）具有保护香烟防潮、防水分流失、烟支霉变和卷烟香气损失的作用，GDX2硬盒硬条包装机组由于设计问题，无法检测和剔除包裹烟支的铝箔纸缺失、破损、变形等问题，为避免缺陷烟包流入市场，设计一种利用欧姆龙接近开关E2E-X5MF1与可编程控制器S7-200配合控制的烟包铝箔纸缺陷检测系统，加装在硬盒包装主机烟包出口与小盒透明纸包装机入口之间的烟包通道上，实际生产实践证明，该系统经济实用，检测可靠，缺陷烟包识别剔除率达到100%，有效提升了香烟品质和企业形象。

缺陷检测；内衬纸；接近开关；PLC

GDX2硬盒硬条包装机组是意大利GD公司生产的设备，它由X2硬盒包装机、CH盒外透明包装机、CT硬条盒包装机和CV条外透明包装机组成，在硬盒包装机工作时，烟盒内衬纸以400张/分钟高速运行[1]，经输送、压痕、裁切、定位后进入包装模盒进行包装折叠，在此过程中针对铝箔纸有左、右偏移检测和“PULL”检测，然而由于包装模盒设计紧凑、空间狭窄，在商标纸包上烟支裹包后未设计有小盒铝箔纸缺陷检测装置，这就导致内衬纸在多个工位裁切、折叠时造成的内衬纸撕舌缺失、偏移和破损现象无法有效把控，从而失去了内衬纸防潮、防霉变和防止烟香损失的作用[2]。根据市场调查，许多卷烟厂在生产过程中都不同程度地出现铝箔纸缺失或破损的小盒卷烟混入成品条盒卷烟中，而且小盒卷烟的铝箔纸破损、缺失后，往往会使烟支在包装过程中丢失，造成小盒卷烟严重缺支，最终造成各种缺陷烟包进入下道工序，进而流入市场，严重影响了香烟品质和企业形象。

针对以上问题，文献[3]提到关于烟盒包装纸缺陷检测，过于复杂，不够经济，文献[4-6]提到的检测方法不够成熟，而该系统介绍的利用欧姆龙接近开关[7]E2E-X5MF1与PLC可编程控制器配[8-9]合实现了卷烟内衬纸缺陷检测控制，并能剔除缺陷烟包，有效提升了卷烟包装质量。

1 检测系统方案设计

烟盒内衬纸缺陷检测系统由西门子S7-200控制器、电感式接近开关、光纤传感器、自动剔除装置，以及报警装置组成，控制基本原理如图1所示。

图1 检测系统基本原理

经现场实际研究，GDX2卷烟包装机组在小盒包装机包裹流程的工位上，空间狭窄，没有足够空间安装检测装置，退而求其次，在小盒包装机与透明纸包装机之间的烟包传送通道安装缺陷检测装置，也能保证最小限度成本损失，安装效果如图2所示。

图2 缺陷检测装置安装示意图

检测装置由8个欧姆龙接近开关、2个反射式光纤传感器、1个剔除电磁阀和气嘴组成。通过改造设计，在烟包输送通道两侧的挡板上各交错安装4个接近开关，对小盒卷烟的两个侧面进行全面扫描检测，为避免接近开关的相互干扰间距设置20 mm。在右侧面接近开关的两侧各安装1个反射式光纤传感器，用来输出烟包位置信号，并决定缺陷动作信号的动作时间，其左右位置决定检测同步宽度。

剔除电磁阀和气嘴安装在距离前端光纤传感器200 mm远的通道挡板上，正对面挡板设计有80 mm*30 mm深的缺陷烟包剔除口，由剔除气嘴将有铝箔纸缺陷的小盒卷烟从剔除口吹出烟包输送通道。

2 检测系统电路设计

缺陷检测系统选用电感式传感器作为检测元件，其可以透过商标纸等非金属材料对小盒卷烟内的铝箔纸质量缺陷进行有效检测。并从经济性、稳定性综合考虑选用欧姆龙E2E-X5MF1接近开关，为直流三线式无屏蔽接近开关，直径12 mm，有效检测距离5 mm，PNP/NO输出形态，检测到金属体时输出高电平。

光纤传感器选用FS2-60P，检测到烟包时输出高电平，频响特性好、灵敏度较高，保证同步检测宽度内烟包的位置精确。系统选用西门子S7-200 CPU224CN PLC，集成了14输入/10输出共24个数字量I/O点，可以满足本检测系统的需求，内衬纸缺陷检测系统电路原理如下图3所示。

图3 检测系统电路简图

3 检测系统PLC程序设计

本设计共用到10个数字量输入和4个数字量输出，输入口设置从I0.0到I1.1，输出口从Q0.1到Q0.4，如上图3所示。

系统的自动缺陷检测功能通过可编程逻辑控制器PLC编程实现，程序流程如图4所示，其控制方式为：烟盒铝箔纸正常时，接近开关一直输出高电平，在光纤信号下降沿对烟包进行计数；当检测到烟盒铝箔纸缺失或破损时，接近开关会输出时长不等的低电平，同时启动报警，PLC进行存储移位，在缺陷烟盒离开前端光纤传感器，即光纤信号下降沿到达时，PLC延时后指令剔除电磁阀动作，剔除气嘴将缺陷烟包吹出输送通道，掉到回收设备中，不进入下道工序，然后解除报警，缺陷烟包计数，剔除电磁阀复位。

烟包传送速度是固定的，由于烟包内衬纸缺陷前后位置不一样，产生缺陷信号的时间就不一致，导致报警随机出现，为了避免缺陷部位不同，所引起的时间误差，在编程时引入了光纤信号下降沿作为剔除动作的触发信号，经过计算与反复试验，在光纤信号下降沿到来时需延时165 ms启动剔除电磁阀。

图4 缺陷检测系统程序流程图

4 试验结果

内衬纸缺陷检测系统波形如下图5所示，在传感器检测同步宽度内，由于安装位置的原因，光纤信号宽度理论上略大于接近开关扫描宽度。当有一个及以上接近开关输出低电平，也即检测不到铝箔纸信号或信号断续时，可以认为烟盒内衬铝箔纸缺失或破损，并在第一个低电平信号出现时立即报警。当内衬纸无缺陷时，接近开关在扫描宽度内输出高电平，不会触发报警。

图5 内衬纸扫描检测波形

GDX2小盒包装机在安装内衬纸缺陷检测装置后，可在连续运转的情况下准确剔除有铝箔纸破损、缺失、偏斜的小盒卷烟，缺陷识别剔除率达到了100%。进一步生产试验，发现该缺陷检测系统对内衬纸折叠不良、变形的烟包，甚至烟包缺少的硬条盒也有一定的检测效果。

5 结 论

该检测系统采用西门子可编程控制器为平台，巧妙结合产品特点，利用接近开关对金属的敏感性实现了烟盒内衬纸的缺陷检测，有效检测距离5 mm，能准确的识别并剔除铝箔纸破损、缺失或偏斜烟包。与现有的视觉成像检测技术[10-11]相比，该检测装置原理成熟，成本低廉，检测可靠，而且双面检测更有效地避免内衬纸缺陷烟包流入市场，有效提升了香烟品质和企业形象。

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Defect detection system of inner-frame for cigarette based on PLC

CHEN Hai-xu1，HENG Yao-fu1，LI Lu-yang2，LIU Yong-jun1
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Huanghuai University，Zhumadian 463000 China；2.Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Science，Beijing 100190， China）

Inner-frame for cigarette （aluminum foil） has the effect that prevent cigarette from damp，mildew and loss of tobacco aroma，Due to a design flaw，GDX2 cigarette packer is unable to detect and eliminate the problem about the loss， damage， deformation of aluminum foil paper.In order to avoid the defective tobacco package escapes into the market，we designed a defect detection system of Innerframe for cigarette，which uses coordinated control of Omron proximity switch E2E-X5MF1 and PLC S7-200，Installed in tobacco package channel between the exit of hard packet packer and the entrance of small box transparent paper packer.Practices showed that the system is economical and practical，stable performance，reliable detection，the eliminating rate of defective tobacco package reaches 100%，improved the quality of the cigarette and the corporate identity effectively.

Inner-frame；defect detection；proximity switch； PLC

TN7

A

1674－6236（2017）12-0057-03

2016-07-30稿件编号：201607217

国家自然科学基金项目（61404057）；河南省科技攻关计划项目（152102110039）

陈海需（1987—），男，河南南阳人，硕士，讲师。研究方向：电子电路、自动控制。