基于山科PLC的高速灌裝線專用控制系統

王茂勵，郝慧娟，趙雪，孫祥

（山東省計算機網絡重點實驗室，山東省計算中心（國家超級計算濟南中心），山東　濟南　250014）

基于山科PLC的高速灌裝線專用控制系統

王茂勵，郝慧娟*，趙雪，孫祥

（山東省計算機網絡重點實驗室，山東省計算中心（國家超級計算濟南中心），山東濟南250014）

摘要：針對食品安全、溯源及監管的需求，在已有高速灌裝線上加裝了基于OmniView的視頻檢測系統，設計、開發了高速灌裝生產線專用控制系統。控制系統應用WINCEQt4.7.3，基于山科PLC平臺開發，具有包裝外觀質量檢測、不良產品剔除以及生產日期/條碼＆二維碼/批次編碼校驗等專用功能，實現了灌裝、檢測的融合。該系統已經在大容量裝液體食品無菌磚型紙盒灌裝機中應用，滿足了灌裝線的高速要求，運行穩定、可靠，提升了灌裝產品的質量，為產品的整個追溯過程提供了依據。

關鍵詞：高速灌裝線；山科PLC；專用控制系統；視頻檢測系統

“三鹿奶粉事件”發生之后，食品安全問題受到全國人民的關注［1］。食品安全除了食品本身的質量安全之外，食品包裝物的質量安全也不容忽視［2－3］，不合格的食品包裝不僅給消費者造成嚴重的身心傷害，同時也會給生產廠家造成經濟損失，毀壞企業的信譽。隨著我國對食品安全管理體系的大力推進，食品包裝物的質量安全檢驗和產品追溯變得日益重要。

隨著自動化程度的不斷提高，灌裝線的灌裝速度變得更快。目前，國產的液體食品無菌灌裝機［4］的最高灌裝速度已經達到24000包/h，傳統的人工產品質量檢驗方法效率低、精度差［5］，難以保證檢測質量，已經無法滿足高速灌裝線的檢驗要求。基于機器視覺技術的檢驗系統，能夠對灌裝產品進行快速、實時和高精度要求檢測［6－7］。歐美等發達國家比較早地開展了自動化灌裝線上視覺檢驗系統的研發［8］，在自動化生產線上的應用已經非常廣泛［9－10］。由于國內高速灌裝生產線大多采用國外的通用PLC控制系統（西門子、三菱等），難以進行二次開發。因此，目前國內生產企業采用的高速灌裝線上的食品檢測設備基本依賴于進口。由于進口設備無法實現與國內產品追溯系統融合，不能滿足實際灌裝線對質量校驗的總體需求。

本文針對高速灌裝生產線的灌裝、產品檢測的功能需求，結合已有的山科PLC（SK-PLC）應用技術基礎，在液體食品無菌灌裝流程上加裝視頻檢測系統，研發了基于SK-PLC的專用控制系統。

1　視頻檢測系統

高速灌裝生產線增設的視頻檢測系統由傳送裝置、排序機構、視頻檢測單元和剔除裝置組成。檢測單元的圖像特征提取和識別是基于美國Cognex公司的專業圖像識別系統OmniView［11］二次開發來完成的，可實現包裝盒表面的360°全周圖像無縫拼接。而且，包裝盒無需精確定心，為通過式檢測，無需降低生產線的速度。在多項目檢測模式下，該系統的最高檢測速度為1200件/min，完全滿足了高速灌裝生產線的需求。

1.1檢測流程設計

灌裝生產線上的包裝材料經過預成型、后成型工序后，包裝盒進入傳送帶，由輸送線運輸至視頻檢測系統緩沖區后，排序機構組件將緊密排列的包裝盒分開至檢測間隔，依次通過OmniView圖像識別系統，并觸動觸發開關，進行拍攝檢測。如檢測合格，則進入下一工序；如不合格則由吹氣式排廢剔除裝置吹落至廢料箱。

1.2檢測與圖像識別

本文基于OmniView圖像識別系統的二次開發實現了視頻檢測與圖像識別，如圖1所示。四個CCD同時拍攝四幅獨立圖像，創建包裝紙盒的3D模型；然后，由OmniView圖像識別系統進行四幅圖像的360°全周圖像無縫拼接，展開成一幅完整的平面圖像，進行紙盒外觀質量和瓶蓋密封性等的檢測和處理。

圖1　圖像識別系統示意圖Fig.1　Illustration　of　image　recognition　system

2　基于SK-PLC的專用控制系統

本文在已有的灌裝生產線上增加了上述視頻檢測系統，并結合SK-PLC在灌裝生產線上的應用基礎，擴展了已有控制系統的功能，設計了基于SK-PLC的專用控制系統，實現了灌裝、檢測的融合，提高了灌裝產品的安全性。

2.1軟件架構

在WINCE操作系統下，專用控制系統采用Qt4.7.3進行設計與開發。系統采用模塊化的編程思想，主界面程序管理所有子模塊，即所有子模塊的入口（調用）、出口（終止）都必須由主界面程序控制。各模塊間參數傳遞采用“參數調用”（函數方式）、“內存共享表”（帶讀寫操作權、鎖管理）、“文件”三種方式。系統軟件架構見圖2。

圖2　軟件架構Fig.2　Architecture　of　software

2.2SK-PLC選型

中醫學理論認為，肺結核是由癆蟲導致的脾肺氣虛，重癥肺結核脾、肺、腎三臟俱虧，治則以益氣補陰、清退虛熱為法［3］。炎癥反應貫穿于肺結核疾病的始終，中西醫結合法對重癥肺結核患者的炎癥反應程度是否具有緩解作用值得研究。本研究探討了加味定喘湯聯合抗癆治療對重癥肺結核患者的臨床效果及炎癥介質水平的影響，現將結果報道如下。

山科系列PLC［12－14］是由山東省計算中心（國家超級計算濟南中心）自主研發的可編程控制器產品，具有高可靠性、穩定性和靈活性等特點，分為SK2000、SK3000、SK4000、SK5000四個系列，已實現了規模化生產，在機床機械、生產流水線等領域大量配套。SK4000型是采用多總線技術的大型PLC，在大容量擴充能力、系統冗余等方面具有先進性，已成功在高速液體食品無菌紙盒灌裝機中應用，滿足了灌裝生產線的控制需求。

本文選用SK4000型PLC，采用“死循環”方式的內部進程，通過主界面調用執行，可以通過主界面（特殊權限）操作強制中斷或退出。PLC子程序只對內存“I/O映像表”操作，“I/O映像表”通過“直接、系統、遠程IO映射子程序”進行實際的輸入輸出操作，見圖3。

圖3　PLC方案Fig.3　PLC　scheme

圖4　通訊方式Fig.4　Communicationmode

2.3通訊機制

山科SK4000型PLC包括智能主控制模塊、通信模塊、邏輯控制單元、過程控制單元、運動控制單元和數控操作站，支持第三方總線互聯，支持在線編程，支持梯形圖、順序功能圖和語句表等解析語言，支持G代碼編程。其通訊模塊有CAN、RS232、RS485、網絡、光纜等有線通訊模塊和GPRS、無線數傳電臺、無線網橋等無線通訊模塊。通訊協議支持自定義協議、MODBUS、PROFIBUS、TCP/IP以及DEVICENET等。

在設計的專用控制系統中，SK-PLC與視頻檢測單元通過RS485接口通訊，視頻檢測單元把檢測的外觀質量是否符合、瓶蓋密封性及是否偏斜等信息上傳PLC。若不合格，PLC給剔除裝置發送執行命令，將不合格紙盒送入廢料箱。灌裝后，若視頻檢測結果合格，PLC把“生產日期/條碼＆二維碼/批次編碼”通過GPRS模塊上傳至追溯系統，為整個食品鏈的質量追溯和安全提供重要依據，詳見圖4。

2.4灌裝、檢測流程

在已有灌裝機控制系統的基礎上，按照檢測、追溯需求，在灌裝前增加了檢測單元來檢測包裝盒的外觀質量，在灌裝后也增加了檢測單元，以檢測灌裝后瓶蓋的密封性、是否偏斜等，來保障灌裝物的品質和包裝外觀。另外，將檢測合格的生產日期（條碼＆二維碼/批次編碼）上傳追溯系統。具體流程如圖5所示。

圖5　灌裝、檢測流程圖Fig.5　Flowchart　of　filling　and　detection

3　實際應用

為了驗證視頻檢測系統的準確率和專用系統的功能，將開發的專用控制系統用于大容量裝無菌灌裝機的控制。灌裝機主要參數如下：

工控程序：日本三菱可編程PLC；封合方式：高頻熱封合；標準容量：1000mL/盒；速度：2000～6000盒/h；總功率：45kW（實用約20～30kW）。

基于OmniView設計的視覺檢測系統可檢測圓柱體或類圓柱體產品，在多目標檢測模式，最高檢測速度達到了1200件/min，完全滿足灌裝速度的要求，其包裝外觀檢測和不合格產品剔除效率如表1所示，基本滿足了灌裝生產線的產品質量檢測要求。

表1　物品檢測情況Table　1　Filling　food　detection

專用控制系統的界面、灌裝功能是參照三菱PLC設計和開發的。目前，該系統已經在1L裝液體食品無菌磚型紙盒灌裝機上配套、應用一年多，各項功能指標基本達到了三菱PLC的控制性能，運行穩定、可靠。另外，專用控制系統對“標簽位置＆偏斜/標簽內容正誤/標簽外觀識別”、“生產日期/條碼＆二維碼/批次編碼校驗”、“液位/瓶蓋密封性/瓶蓋位置＆偏斜/瓶蓋有無檢測”以及“包裝外觀質量檢測”等功能開發了專用加工代碼，編程簡捷、方便，提高了控制系統的效率，克服了通用控制系統操作不方便、效率低的局限性。

4　結論

在高速灌裝生產線上增設視頻檢測系統，可以全面反映包裝質量，保障灌裝物質量，滿足質量校驗的整體需求。本文設計的專用控制系統克服了通用控制系統的局限性，實際應用結果表明，系統運行穩定、可靠，操作便捷，滿足了高速灌裝和外觀質量的檢測需求，提升了灌裝食品的質量。目前，專用控制系統運轉正常，下一步將進一步優化程序、完善功能，對程序及指令執行效率做進一步的研究。

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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

中圖分類號：TP273＋.5

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026（2016）01-0116-05

DOI：10.3976/j.issn.1002－4026.2016.01.020

收稿日期：2015-11-27

基金項目：山東省自然科學基金（ZR2014EEM024；ZR2015FQ015）

作者簡介：王茂勵（1981－），男，副研究員，碩士生導師，研究方向為數控、智能控制技術。

*通訊作者，郝慧娟。Email：haohj＠sdas.org