0 引言

　　中國制造業(yè)的高速發(fā)展給工廠自動化提出更高的要求。工廠的管理者已深刻地體會到一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的自動檢測設(shè)備不僅能帶來更高的效率，并且能更大限度地降低成本。隨著市場競爭的加劇，啤酒飲料制造企業(yè)越來越清楚地認識到，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，是決定企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營成敗的關(guān)鍵。隨著在線檢測技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，可以預(yù)計，它將在啤酒飲料食品制造業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。中國的諸多啤酒集團公司，隨著生產(chǎn)線速度的提高，質(zhì)量品質(zhì)的提升，也已經(jīng)把驗瓶機等檢測設(shè)備，列為生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備。

　　目前國內(nèi)啤酒飲料行業(yè)配備的空瓶檢測機等在線檢測設(shè)備很少，而僅有的一些空瓶檢測設(shè)備又絕大部分依賴于進口。目前進口空瓶檢測機的品牌比較少，有德國的HEUFT、KRONES、MIHO，美國的飛達，日本的KTS，德國品牌壟斷著市場的絕大部分份額。國外空瓶檢測機的適應(yīng)性差、價格高昂及維護費用高讓廠家倍感頭痛，迫切需要國內(nèi)研發(fā)類似設(shè)備來填補空白。

1 空瓶檢測機（EBI）的性能和功能需求

1.1 性能需求
 
　　現(xiàn)國內(nèi)啤酒生產(chǎn)線普遍的速度要求為28000瓶/小時或者36000瓶/小時，生產(chǎn)速度的提升，需要用直線式的EBI，對控制系統(tǒng)提出了新的要求，接收處理信號的能力要提升；需要借助編碼器對瓶子進行全程的跟蹤定位，所以要求控制系統(tǒng)讀取編碼器的值必須迅速而且準確。采用西門子及歐姆龍的PLC進行控制時發(fā)現(xiàn)，實時性比較差，使用梯形圖對這樣的控制程序編程比較復(fù)雜。面對這些特殊的控制要求，貝加萊PCC的優(yōu)勢凸顯出來，其可以使用C等高級語言編程，其中的TPU功能可以解決信號接收滯后及讀取編碼器不夠及時的問題，另外可輕易地利用PVI通訊借助工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)與上位機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進行記錄，做出各種數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計分析，提供給上位機；對各個瓶子進行跟蹤定位，對檢測到的不合格品進行定位，到達剔除器位置時，將不合格瓶子準確剔除，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。

2 空瓶檢測機設(shè)計方案概述

2.1驗瓶機的設(shè)計原理

　　驗瓶機要實現(xiàn)的功能是對啤酒瓶進行全方位的檢測，將檢測結(jié)果信息送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對接收到的信息進行分析匯總，控制單段式或多段式剔除器將不合格的瓶子剔除。檢測系統(tǒng)分六大檢測模塊：進瓶檢測模塊、側(cè)壁檢測模塊1、瓶口檢測模塊、瓶底檢測模塊、側(cè)壁檢測模塊2、殘留液檢測模塊。如圖1所示。

圖 1  EBI功能分布圖

（1）各模塊的檢測功能

1進瓶檢測模塊：檢測異型瓶或嚴重破損瓶，防止其進入空瓶檢測機系統(tǒng)而對機器造成損害。
2側(cè)壁檢測模塊1：檢測瓶壁是否有污斑或者嚴重破損。
3瓶口檢測模塊：主要檢測瓶口是否存在破損或污斑。
4瓶底檢測模塊：主要檢測瓶底是否存在污斑。
5側(cè)壁檢測模塊2：瓶子通過夾瓶皮帶旋轉(zhuǎn)90度，進行第二次側(cè)壁檢測，保證了瓶壁檢測無死點。
6殘留液檢測模塊：主要檢測瓶中是否有殘留的液體存在。

（2）視覺檢測系統(tǒng)的工作原理

 
　　通過特殊設(shè)計的LED光源打光，CCD相機拍照，將拍取的照片信息送到圖像處理器系統(tǒng)，圖像處理器對照片進行處理分析，判定拍取的照片是否合格，并將合格信號送出給控制系統(tǒng)。

殘留液檢測的工作原理是：
　　采用高頻發(fā)射器發(fā)出高頻信號，有殘留液的瓶子經(jīng)過此檢測模塊時，引起高頻信號波動，通過判定信號的波動，將判定的不合格瓶子的信息送達控制系統(tǒng)。

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

2.2 EBI的檢測與控制

（1）光電檢測的位置分布
EBI的全程定位光電的分布如圖2所示。

圖2  光電檢測位置分布圖

（2）控制的思路

　　瓶子在鏈道上運行首先觸發(fā)前側(cè)壁光電，用一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組A 記錄其當前的編碼器的值，和前壁檢測的好壞信息。瓶口光電觸發(fā)記錄當前的編碼器的值，然后將當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為此瓶是多出的瓶子，可能是滑動過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)組則匯集了當前光電觸發(fā)編碼器值及前壁、瓶口、瓶底、后壁檢測的所有信息。通過監(jiān)控當前的編碼器值和剔除結(jié)構(gòu)體數(shù)組的信息來決定是否讓剔除器動作來將瓶子剔除。

該控制思路的優(yōu)點是：

1）用每個光電觸發(fā)的時刻來校正上個光電觸發(fā)到這個光電觸發(fā)距離內(nèi)瓶子在鏈道上的滑動，使其定位更加準確；
2）所有模塊的檢測都是獨立的，便于分開各個模塊獨立運行。可以關(guān)閉任意一個功能塊而不影響其他模塊的檢測；
3）解決了瓶子在檢測過程中由于多瓶或少瓶而引起的信號錯亂的問題。

2.3 系統(tǒng)性能設(shè)計的進展

　　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，由原來的18000瓶/小時提升到28000瓶/小時、36000瓶/小時、42000瓶/小時。像美國飛達等旋轉(zhuǎn)式的EBI已無法達到速度要求，直線式的EBI應(yīng)運而生。

3 系統(tǒng)構(gòu)成及其特點

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（時間處理器），并有輸入識別/輸入邊沿觸發(fā)計數(shù)器、輸出比較器、脈寬調(diào)制等功能。只需要經(jīng)過簡單的配置，就可以在程序中調(diào)用其功能塊，實現(xiàn)對編碼器的準確跟蹤，迅速對光電觸發(fā)發(fā)出的信號做出響應(yīng)。
　　
　　PCC控制系統(tǒng)與上位機的通訊程序編寫比較簡單，并且只有當控制系統(tǒng)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時候才更新并產(chǎn)生通訊操作，對上位機的數(shù)據(jù)進行更新，盡量地節(jié)省了上位機的CPU資源，利于進行圖像處理信息的操作。

　　本系統(tǒng)根據(jù)需求的I/O點配置：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PCC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，帶一個時間處理器（TPU）實現(xiàn)微秒級的高速信號處理。DI140為旋入式模塊，前7個輸入口的硬件響應(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的輸入；DO135帶有的TPU功能中編碼器比較輸出能快速準確講不合格瓶剔除，用于剔除器輸出啟動信號；普通的輸入輸出模塊DM465用于外圍控制，如掉瓶、擠瓶保護，操作面板的控制等；IF681帶有一個RJ45接口，主要用于和上位機借助工業(yè)以太網(wǎng)進行通信。
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
 
　　現(xiàn)階段36000瓶/小時的國內(nèi)啤酒生產(chǎn)線是比較熱門的，折算為10瓶/秒。速度是比較快的，要達到對瓶子的精確定位，要求控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間是比較高的。在此采用了貝加萊控制系統(tǒng)的時間處理(TPU)模塊，其Link功能實現(xiàn)了高速的信號及編碼器脈沖數(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
   
　　采用貝加萊的Automation Studio 集成軟件平臺和定性分時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可采用IEC 61131專用控制語言與高級語言結(jié)合的混合編程模式，顯著增強了系統(tǒng)應(yīng)對復(fù)雜工藝需求的能力并大大提高了程序運行的效率，從而保證了檢測和控制精度。

4 系統(tǒng)分析

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