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0 引言

　　中國(guó)制造業(yè)的高速發(fā)展給工廠自動(dòng)化提出更高的要求。工廠的管理者已深刻地體會(huì)到一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備不僅能帶來(lái)更高的效率，并且能更大限度地降低成本。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，啤酒飲料制造企業(yè)越來(lái)越清楚地認(rèn)識(shí)到，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，是決定企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)成敗的關(guān)鍵。隨著在線檢測(cè)技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，可以預(yù)計(jì)，它將在啤酒飲料食品制造業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。中國(guó)的諸多啤酒集團(tuán)公司，隨著生產(chǎn)線速度的提高，質(zhì)量品質(zhì)的提升，也已經(jīng)把驗(yàn)瓶機(jī)等檢測(cè)設(shè)備，列為生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備。

　　目前國(guó)內(nèi)啤酒飲料行業(yè)配備的空瓶檢測(cè)機(jī)等在線檢測(cè)設(shè)備很少，而僅有的一些空瓶檢測(cè)設(shè)備又絕大部分依賴(lài)于進(jìn)口。目前進(jìn)口空瓶檢測(cè)機(jī)的品牌比較少，有德國(guó)的HEUFT、KRONES、MIHO，美國(guó)的飛達(dá)，日本的KTS，德國(guó)品牌壟斷著市場(chǎng)的絕大部分份額。國(guó)外空瓶檢測(cè)機(jī)的適應(yīng)性差、價(jià)格高昂及維護(hù)費(fèi)用高讓廠家倍感頭痛，迫切需要國(guó)內(nèi)研發(fā)類(lèi)似設(shè)備來(lái)填補(bǔ)空白。

1 空瓶檢測(cè)機(jī)（EBI）的性能和功能需求

1.1 性能需求
 
　　現(xiàn)國(guó)內(nèi)啤酒生產(chǎn)線普遍的速度要求為28000瓶/小時(shí)或者36000瓶/小時(shí)，生產(chǎn)速度的提升，需要用直線式的EBI，對(duì)控制系統(tǒng)提出了新的要求，接收處理信號(hào)的能力要提升；需要借助編碼器對(duì)瓶子進(jìn)行全程的跟蹤定位，所以要求控制系統(tǒng)讀取編碼器的值必須迅速而且準(zhǔn)確。采用西門(mén)子及歐姆龍的PLC進(jìn)行控制時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性比較差，使用梯形圖對(duì)這樣的控制程序編程比較復(fù)雜。面對(duì)這些特殊的控制要求，貝加萊PCC的優(yōu)勢(shì)凸顯出來(lái)，其可以使用C等高級(jí)語(yǔ)言編程，其中的TPU功能可以解決信號(hào)接收滯后及讀取編碼器不夠及時(shí)的問(wèn)題，另外可輕易地利用PVI通訊借助工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)VB程序的通訊。

1.2 功能需求
 

　　 控制系統(tǒng)需要將圖像處理器返回的信號(hào)進(jìn)行記錄，做出各種數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計(jì)分析，提供給上位機(jī)；對(duì)各個(gè)瓶子進(jìn)行跟蹤定位，對(duì)檢測(cè)到的不合格品進(jìn)行定位，到達(dá)剔除器位置時(shí)，將不合格瓶子準(zhǔn)確剔除，剔除的瓶子倒瓶率不能高于5% 。控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，突然掉電再上電后能順利啟動(dòng)。

2 空瓶檢測(cè)機(jī)設(shè)計(jì)方案概述

2.1驗(yàn)瓶機(jī)的設(shè)計(jì)原理

　　驗(yàn)瓶機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)啤酒瓶進(jìn)行全方位的檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果信息送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對(duì)接收到的信息進(jìn)行分析匯總，控制單段式或多段式剔除器將不合格的瓶子剔除。檢測(cè)系統(tǒng)分六大檢測(cè)模塊：進(jìn)瓶檢測(cè)模塊、側(cè)壁檢測(cè)模塊1、瓶口檢測(cè)模塊、瓶底檢測(cè)模塊、側(cè)壁檢測(cè)模塊2、殘留液檢測(cè)模塊。如圖1所示。

圖 1  EBI功能分布圖

（1）各模塊的檢測(cè)功能

1進(jìn)瓶檢測(cè)模塊：檢測(cè)異型瓶或嚴(yán)重破損瓶，防止其進(jìn)入空瓶檢測(cè)機(jī)系統(tǒng)而對(duì)機(jī)器造成損害。
2側(cè)壁檢測(cè)模塊1：檢測(cè)瓶壁是否有污斑或者嚴(yán)重破損。
3瓶口檢測(cè)模塊：主要檢測(cè)瓶口是否存在破損或污斑。
4瓶底檢測(cè)模塊：主要檢測(cè)瓶底是否存在污斑。
5側(cè)壁檢測(cè)模塊2：瓶子通過(guò)夾瓶皮帶旋轉(zhuǎn)90度，進(jìn)行第二次側(cè)壁檢測(cè)，保證了瓶壁檢測(cè)無(wú)死點(diǎn)。
6殘留液檢測(cè)模塊：主要檢測(cè)瓶中是否有殘留的液體存在。

（2）視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

 
　　通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的LED光源打光，CCD相機(jī)拍照，將拍取的照片信息送到圖像處理器系統(tǒng)，圖像處理器對(duì)照片進(jìn)行處理分析，判定拍取的照片是否合格，并將合格信號(hào)送出給控制系統(tǒng)。

殘留液檢測(cè)的工作原理是：
　　采用高頻發(fā)射器發(fā)出高頻信號(hào)，有殘留液的瓶子經(jīng)過(guò)此檢測(cè)模塊時(shí)，引起高頻信號(hào)波動(dòng)，通過(guò)判定信號(hào)的波動(dòng)，將判定的不合格瓶子的信息送達(dá)控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)的功能是：
　　控制系統(tǒng)跟蹤無(wú)壓力控制鏈道上的瓶子，并收集圖像處理的信息，進(jìn)行匯總分析，將結(jié)果賦予瓶子，當(dāng)瓶子到達(dá)剔除器的時(shí)候?qū)⒉缓细衿诽蕹?。控制系統(tǒng)要求使用性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、功能更強(qiáng)、調(diào)試維護(hù)更方便，貝加萊的PCC控制系統(tǒng)因兼具以上優(yōu)點(diǎn)而被作為系統(tǒng)的底層控制單元。

2.2 EBI的檢測(cè)與控制

（1）光電檢測(cè)的位置分布
EBI的全程定位光電的分布如圖2所示。

圖2  光電檢測(cè)位置分布圖

（2）控制的思路

　　瓶子在鏈道上運(yùn)行首先觸發(fā)前側(cè)壁光電，用一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組A 記錄其當(dāng)前的編碼器的值，和前壁檢測(cè)的好壞信息。瓶口光電觸發(fā)記錄當(dāng)前的編碼器的值，然后將當(dāng)前的編碼器的值減去瓶口光電到前壁光電之間的脈沖距離REMOVE1，然后在一個(gè)容差范圍△內(nèi)（即REMOVE1±△范圍內(nèi)）查找前側(cè)壁結(jié)構(gòu)體數(shù)組里編碼器的值，找到此瓶的記錄前側(cè)壁檢測(cè)的好壞信息，拷貝到瓶口的結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，并記錄下瓶口檢測(cè)的好壞信息。如果在前側(cè)壁結(jié)構(gòu)體數(shù)組中找不到此瓶則認(rèn)為此瓶是多出的瓶子，可能是滑動(dòng)過(guò)大或者是人為插入的瓶子，將此瓶記錄為不合格瓶。同理瓶底光電觸發(fā)去查瓶口的結(jié)構(gòu)體數(shù)組，后壁光電觸發(fā)去查瓶底的結(jié)構(gòu)體數(shù)組，剔除光電觸發(fā)則去查后壁結(jié)構(gòu)體數(shù)組。到了剔除光電的結(jié)構(gòu)體數(shù)組則匯集了當(dāng)前光電觸發(fā)編碼器值及前壁、瓶口、瓶底、后壁檢測(cè)的所有信息。通過(guò)監(jiān)控當(dāng)前的編碼器值和剔除結(jié)構(gòu)體數(shù)組的信息來(lái)決定是否讓剔除器動(dòng)作來(lái)將瓶子剔除。

該控制思路的優(yōu)點(diǎn)是：

1）用每個(gè)光電觸發(fā)的時(shí)刻來(lái)校正上個(gè)光電觸發(fā)到這個(gè)光電觸發(fā)距離內(nèi)瓶子在鏈道上的滑動(dòng)，使其定位更加準(zhǔn)確；
2）所有模塊的檢測(cè)都是獨(dú)立的，便于分開(kāi)各個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行。可以關(guān)閉任意一個(gè)功能塊而不影響其他模塊的檢測(cè)；
3）解決了瓶子在檢測(cè)過(guò)程中由于多瓶或少瓶而引起的信號(hào)錯(cuò)亂的問(wèn)題。

2.3 系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)的進(jìn)展

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，啤酒企業(yè)生產(chǎn)線速度在不斷的提高，由原來(lái)的18000瓶/小時(shí)提升到28000瓶/小時(shí)、36000瓶/小時(shí)、42000瓶/小時(shí)。像美國(guó)飛達(dá)等旋轉(zhuǎn)式的EBI已無(wú)法達(dá)到速度要求，直線式的EBI應(yīng)運(yùn)而生。

3 系統(tǒng)構(gòu)成及其特點(diǎn)

3.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

　　選用PCC系統(tǒng)中的一款CPU（CP476），它具備TPU（時(shí)間處理器），并有輸入識(shí)別/輸入邊沿觸發(fā)計(jì)數(shù)器、輸出比較器、脈寬調(diào)制等功能。只需要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的配置，就可以在程序中調(diào)用其功能塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器的準(zhǔn)確跟蹤，迅速對(duì)光電觸發(fā)發(fā)出的信號(hào)做出響應(yīng)。
　　
　　PCC控制系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊程序編寫(xiě)比較簡(jiǎn)單，并且只有當(dāng)控制系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時(shí)候才更新并產(chǎn)生通訊操作，對(duì)上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，盡量地節(jié)省了上位機(jī)的CPU資源，利于進(jìn)行圖像處理信息的操作。

　　本系統(tǒng)根據(jù)需求的I/O點(diǎn)配置：需要24路數(shù)字量輸入、15路數(shù)字量輸出，其中需要有編碼器處理功能。該P(yáng)CC系統(tǒng)的配置如表1。

表1  PCC系統(tǒng)的配置

　　CP476典型的指令周期為0.5us，帶一個(gè)時(shí)間處理器（TPU）實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的高速信號(hào)處理。DI140為旋入式模塊，前7個(gè)輸入口的硬件響應(yīng)≤3us，為高速數(shù)字量輸入模塊。

　　第一塊DI140用于TPU帶Link功能的編碼器的輸入；第二、三塊用于跟蹤定位光電傳感器信號(hào)的輸入；DO135帶有的TPU功能中編碼器比較輸出能快速準(zhǔn)確講不合格瓶剔除，用于剔除器輸出啟動(dòng)信號(hào)；普通的輸入輸出模塊DM465用于外圍控制，如掉瓶、擠瓶保護(hù)，操作面板的控制等；IF681帶有一個(gè)RJ45接口，主要用于和上位機(jī)借助工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。
EBI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖 3  EBI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件特點(diǎn)
 
　　現(xiàn)階段36000瓶/小時(shí)的國(guó)內(nèi)啤酒生產(chǎn)線是比較熱門(mén)的，折算為10瓶/秒。速度是比較快的，要達(dá)到對(duì)瓶子的精確定位，要求控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是比較高的。在此采用了貝加萊控制系統(tǒng)的時(shí)間處理(TPU)模塊，其Link功能實(shí)現(xiàn)了高速的信號(hào)及編碼器脈沖數(shù)值的讀取，高速精確輸出保證了剔除不合格瓶子的精度。
3.3 軟件特點(diǎn)
   
　　采用貝加萊的Automation Studio 集成軟件平臺(tái)和定性分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可采用IEC 61131專(zhuān)用控制語(yǔ)言與高級(jí)語(yǔ)言結(jié)合的混合編程模式，顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)復(fù)雜工藝需求的能力并大大提高了程序運(yùn)行的效率，從而保證了檢測(cè)和控制精度。

4 系統(tǒng)分析

4.1 系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)
EBI控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)