颜色传感器及PLC在防伪标签检测中的应用

林胜党

（柯达（中国）图文影像有限公司 福建厦门 361026）

由于市场上出现大量的假冒公司的产品，严重影响了胶卷及GTB热敏版材的销售和声誉，因此，在公司生产的专供国内销售的胶卷及GTB热敏版材外包装纸盒上加贴了带有变色油墨的防伪标签。为保证所生产的每个产品外包装纸盒上都贴有防伪标签，在包装生产线上必须具备检测防伪标签的功能。同时，生产部门对于设备还提出一些具体要求：对于没有贴上防伪标签的纸盒，必须百分百剔除，剔除的数量必须进行统计并实时显示出来；当只有1个或连续2个防伪标签被检测出错误时，设备不停机，仍继续运行；当连续3 个纸盒被检测出防伪标签错误时，设备停机并显示故障信息，当操作工复位后，设备仍可重新开机运行。

1 检测位置的选定

目前，笔者公司所使用的包装设备种类较多，选定控制系统较旧的AB 的RSLogix 5 编程软件、Panel-View600来实现调试这个功能，如果能成功实现调试，其他较新型的控制系统如西门子300/400PLC、s7-1200与s7-1500PLC、博途（TIA PORTAL）控制系统就更容易成功实现调试，最新西门子的人机界面控制的设计编辑更好实现。

选定较旧的来自意大利马可西尼公司生产的胶卷多功能包装线，该生产线主要由供料机、纸盒成型机、中包机3个部分组成［1］。其中，纸盒成型机（以下简称为纸盒机）是纸盒成型的关键设备，纸盒也是在此被送入机器的，在这里可以很方便地对每个纸盒进行检测。而到了中包机，纸盒不但被组合排列，而且纸盒表面还蒙上一层热缩膜，会对传感器的检测产生不良影响。因此，决定将防伪标签检测器安装在纸盒成型机上。

1.1 光电传感器的特点

检测的位置确定下来了，那么，检测的手段应该采用什么类型的传感器呢？基于减少备件的目的，首先从当前公司内已经使用的传感器进行选择。目前，公司内性能较为接近的可供选择的传感器类型有光电传感器、颜色传感器两种。

光电传感器从发光部发出信号光（可见光或红外光），在受光部接收被测物反射回来的光量（反射型），或在受光部接收被测物的遮光量（对射型），从而得出输出信号。它的特性有非接触检测、可以检测任何材料的目标物、长检测距离、反应速度快、可以区分颜色、高精度检测，因此，对于像颜色检测和颜色变化的识别这样较为困难的检测任务，一般都采用以颜色传感器为核心的解决方案。

1.2 颜色传感器的特点

目前，用于颜色识别的传感器有两种基本类型（都属于光电式的）：一是色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色LED 光源；二是RGB（红绿蓝）颜色传感器，它检测目标物体对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。这类装置多是温反射型、光束型和光纤型，封装在各种金属和聚碳酸酯外壳中。典型的输出包括：NPN 和PNP、继电器和模拟输出。在笔者公司中使用的颜色传感器有很多，DATA LOGIC公司生产的XXXX型颜色传感器、BANNER 的XXXX 型颜色传感器、KEYENCE 的XXXX 型产品，但它们均为色标传感器。色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。以白炽灯为基础的传感器利用有色光源检测颜色，这种白炽灯发射包括红外在内的各种颜色的光，因此，用这种光源的传感器可在很宽范围上检测颜色的微小变化；另外，白炽灯传感器的检测电路通常都十分简单，因此可获得极快的响应速度。然而，白炽灯不允许振动和延长使用时间，因此不适用于有严重冲击和振动的场合［2］。

使用单色光源（即绿色或红色LED）的色标传感器，就其原理来说并不是检测颜色，它是通过检测色标对光束的反射或吸收量与周围材料相比的不同而实现检测的，所以，颜色的识别要严格与照射在目标上的光谱成分相对应［3］。

一般RGB传感器都有红、绿、蓝3种光源，3种光通过同一透镜发射后被目标物体反射，光被反射或吸收的量值取决于物体颜色。RGB 传感器有两种测量模式：一种是分析红、绿、蓝光的比例；另二种是利用红、绿、蓝三基色的反射光强度实现检测目的。而马可西尼包装线有若干种不同外观的产品要在同一生产线上完成包装，为区别种类，需要一个能检测不同颜色纸盒的传感器，并且还要求能对一种颜色到另一种颜色的快速变化产生快速响应。在这里，速度不是主要因素，颜色检测的可靠性最重要，必须为100%的正确率，所以，在这种场合最好选用RGB传感器［4］。

综上所述，决定选用RGB 传感器，经过与KEYENCE 公司联系，有最新型RGB 数字光纤传感器CZ-V20 系列与RGB 数字光纤传感器CZ 系列，价格较贵，成本高，现库存有旧型号的CZ-K1P的RGB传感器也可以使用。为了节约成本，就选定该公司旧型号为CZ-K1P的RGB的传感器，旧型号如果可以调试成功，更新系列的RGB 传感器就可以广泛地应用。CZ-K1P的RGB传感器光学原理如图1所示。

图1 RGB 传感器光学原理

该传感器具有的特点：内设高精度三倍12bit数/模变频器、300μs高速响应、内藏自稳定器、8色设定值及外部调谐。基于以上特点及备件供应方面的考虑，最终决定使用型号为CZ-K1P的RGB传感器。

2 控制器及显示面板的选定

在马可西尼纸盒机里已经安装有ALLENBRADLEY 公司的PLC 5/11 型的可编程序控制器产品和PANELVIEW 600的操作员界面，它们之间提供RS-232 通信接口，如果能够顺利调试成功，到目前，最新的各种PLC 都是以太网通信方式，就更容易实现所需要的功能。

基于以上PLC和PanelView600的特点及出于减少设备的考虑，决定选用PLC5/11和PanelView600作为颜色传感器信号处理的逻辑控制器和人机对话界面。

3 接线及编程

3.1 如何安装接线

因为CZ-K1P传感器的工作电压为12～24VDC，输出电压为5～40VDC，最高工作电流为100mA，可以与PLC5的输入模块相匹配，因此，该传感器的输出信号可直接接入PLC5的输入模块。当设备电源送上后，该传感器一直处于检测状态，它的信号则是利用纸盒机的PLC中的周期信号设定出一个时间窗口来取用，因此，传感器不需要触发信号，这就不需要再安装一个传感器以产生触发信号。该传感器还可储存数个预设值，此预设值可由外部信号来触发，但在这个项目里，检测的目标是不变的，因此不需使用这个预设功能，所以，实际上并没有使用该传感器的输入电路。CZ系列传感器可安装在能精确检测振动目的较远距离处，即便是目标大小发生变化，也无需调整传感器的位置［5］。

经过试验，发现颜色传感器对防伪标签的检测值（约在920）远远大于对纸盒表面的检测值（约700），因此，只需将颜色传感器的设定值设在800左右，就可以有效地区分是否贴有防伪标签的纸盒。以下为传感器的设置步骤。

（1）用手摇柄将一纸盒移到传感器探测头之下，使探测光斑位于纸盒上。（2）此时，传感器LCD 上显示一数值，左右移动纸盒，使光斑在纸盒面上左右移动（防伪标签区域除外），LCD上的数值会随光斑在纸盒面上位置不同而上下波动，取其最高数值并记录下来。（3）将光斑移动至防伪标签上，使光斑在防伪标签内左右轻微移动，读取LCD上的数字并将最高数值记录下来。（4）计算出两个数值之间的中间值，即为需要的设定值。例如，防伪标签区域外的最高数字为700，防伪标签区域内的最高数字为940，则所需的传感器设定值应该为：（700+940）/2=820。（5）按传感器放大器右上角的“MODE”按钮一下，LCD 上的数字开始闪烁。（6）按LCD显示屏左侧的上/下按钮，将闪烁中的数字调整到所需的设定值。（7）再按一次“MODE”按钮，LCD 上数字恢复正常，设置完毕。

调试过程中，需要注意的是，放大器右下角“SET”设定键为传感器自动设置时使用，在当前状况下，不推荐使用，以免造成误剔除率过高或其他故障。DIP 标准设置为：1、2、4：OFF，3：ON，即COLOR，两点校正，高精度模式。

在一个生产周期内，颜色传感器将始终处于检测状态，但PLC只在特定时间窗口内取用传感器的信号。在此时间窗口内，只要传感器的信号触发一次，则设备就认定已经有防伪标签经过传感器了，因为防伪标签的检测值要比设定值高，因此，当贴有防伪标签的纸盒经过传感器时，传感器就将被触发，并同时向PLC输出一个脉冲。当在特定时间窗口内检测到防伪标签时，PLC自动屏蔽掉报警信号。如果在特定时间内没有得到传感器的触发信号，则PLC 就认定经过的纸盒没有贴上防伪标签，PLC 将同时激活报警信号和一个移位信号，但设备不停机，报警信号将使PanelView 的故障显示屏显示故障信息，以及让一个错误产品计数器和连续故障次数计数器开始计数，错误产品计数器仅是让操作员面板显示错误产品的数量，操作工可利用面板上设置的软按钮对数量进行复位清零，连续故障次数计数器则是对防伪标签粘贴故障的连续次数进行计数，当该故障连续出现3次，则计数器将发出一个信号使设备停机，同时在操作员面板上显示该故障连续出现，移位信号则跟随产品的移动进行移位，当产品到达剔除气缸时，移位信号将使剔除气缸动作，将没有贴防伪标签的纸盒剔除。

人机界面根据以上不同错误信号显示的错误信息有：（1）单个防伪标签粘贴错误的故障显示；（2）连续3个防伪标签粘贴错误的故障显示；（3）错误产品的计数。此外，为便于维护，还在程序中增加了一个屏蔽开关，如果有必要，则可以打开屏蔽开关，这时，传感器将不起检测作用。

3.2 设备调试

在一段时间试用后，生产部门发现在生产特定产品时传感器总是容易出现误判断，经过仔细检查和试验后发现，由于纸盒表面颜色的不同，导致了有些颜色的检测值超过变色油墨的检测值，但又有些颜色的检测值低于变色油墨的检测值，造成传感器误判断。蓝色背景的平均检测值为700 多，品红色的平均检测值为900多，变色油墨的检测值刚好处于这两者之间（平均检测值为800多）。

在经过与各有关人员讨论之后，在不增加传感器数量的同时，做了以下改进：在产品转换时，将纸盒颜色的信息随产品信息一起输入电脑，在PLC 内对颜色的信息进行识别，让不同的颜色信息适用不同的逻辑判断程序。之前的传感器检测窗口过大，扩大了传感器的检测范围，虽然可以减少传感器的误剔除量，但同时也提高了传感器检测到噪声信号的可能性，因此，还对传感器的检测窗口进行了调整，尽可能缩小传感器的检测窗口，同时调整了传感器的设定值［6］。图2显示了纸袋纸盒背景颜色与防伪标签的相对位置，图中为传感器的检测窗口。

图2 防伪标签及纸袋纸盒的检测窗口

在调整之后，又经过几周的运行，传感器运行良好，没有再出现误判断的情况。经过生产部门的确认，马可西尼包装线适用防伪标签的改造项目顺利完成。

4 结语

在这个项目中，当RGB颜色传感器遇到难以解决的困难时，PLC就显示出它编程灵活的特点来，可以通过PLC 丰富的指令系统，根据输入的不同进行逻辑判断，从而输出正确的结果，这比传统的继电器控制系统的功能更为强大、适应面更广，同样的方式方法可以广泛应用到食品、化工、包装等行业中。