0 引言
中國制造業的高速發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鍵環節的自動檢測設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，啤酒飲料制造企業越來越清楚地認識到，產品質量的好壞，是決定企業生產和經營成敗的關鍵。隨著在線檢測技術自身的成熟和發展，可以預計，它將在啤酒飲料食品制造業中得到越來越廣泛的應用。中國的諸多啤酒集團公司，隨著生產線速度的提高，質量品質的提升，也已經把驗瓶機等檢測設備，列為生產關鍵設備。
目前國內啤酒飲料行業配備的空瓶檢測機等在線檢測設備很少，而僅有的一些空瓶檢測設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，迫切需要國內研發類似設備來填補空白。
1 空瓶檢測機（EBI）的性能和功能需求
1.1 性能需求
現國內啤酒生產線普遍的速度要求為28000瓶/小時或者36000瓶/小時，生產速度的提升，需要用直線式的EBI，對控制系統提出了新的要求，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進行控制時發現，實時性比較差，使用梯形圖對這樣的控制程序編程比較復雜。面對這些特殊的控制要求，貝加萊PCC的優勢凸顯出來，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通訊借助工業以太網實現與上位機VB程序的通訊。
1.2 功能需求
控制系統需要將圖像處理器返回的信號進行記錄，做出各種數據信息的統計分析，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% 。控制系統穩定可靠，突然掉電再上電后能順利啟動。
2 空瓶檢測機設計方案概述
2.1驗瓶機的設計原理
驗瓶機要實現的功能是對啤酒瓶進行全方位的檢測，將檢測結果信息送給控制系統，控制系統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。檢測系統分六大檢測模塊：進瓶檢測模塊、側壁檢測模塊1、瓶口檢測模塊、瓶底檢測模塊、側壁檢測模塊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而對機器造成損害。
2側壁檢測模塊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側壁檢測模塊2：瓶子通過夾瓶皮帶旋轉90度，進行第二次側壁檢測，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）視覺檢測系統的工作原理
通過特殊設計的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，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。
殘留液檢測的工作原理是：
采用高頻發射器發出高頻信號，有殘留液的瓶子經過此檢測模塊時，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。
控制系統的功能是：
控制系統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，將結果賦予瓶子，當瓶子到達剔除器的時候將不合格品剔除。控制系統要求使用性能穩定、結構緊湊、工作可靠、功能更強、調試維護更方便，貝加萊的PCC控制系統因兼具以上優點而被作為系統的底層控制單元。
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前側壁光電，用一個結構體數組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（即REMOVE1±△范圍內）查找前側壁結構體數組里編碼器的值，找到此瓶的記錄前側壁檢測的好壞信息，拷貝到瓶口的結構體數組中，并記錄下瓶口檢測的好壞信息。如果在前側壁結構體數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。同理瓶底光電觸發去查瓶口的結構體數組，后壁光電觸發去查瓶底的結構體數組，剔除光電觸發則去查后壁結構體數組。到了剔除光電的結構體數組則匯集了當前光電觸發編碼器值及前壁、瓶口、瓶底、后壁檢測的所有信息。通過監控當前的編碼器值和剔除結構體數組的信息來決定是否讓剔除器動作來將瓶子剔除。
該控制思路的優點是：
1）用每個光電觸發的時刻來校正上個光電觸發到這個光電觸發距離內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 系統性能設計的進展
隨著技術的發展，啤酒企業生產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。像美國飛達等旋轉式的EBI已無法達到速度要求，直線式的EBI應運而生。
3 系統構成及其特點
3.1 硬件系統構成
選用PCC系統中的一款CPU（CP476），它具備TPU（時間處理器），并有輸入識別/輸入邊沿觸發計數器、輸出比較器、脈寬調制等功能。只需要經過簡單的配置，就可以在程序中調用其功能塊，實現對編碼器的準確跟蹤，迅速對光電觸發發出的信號做出響應。
PCC控制系統與上位機的通訊程序編寫比較簡單，并且只有當控制系統統計的數據發生變化的時候才更新并產生通訊操作，對上位機的數據進行更新，盡量地節省了上位機的CPU資源，利于進行圖像處理信息的操作。
本系統根據需求的I/O點配置：需要24路數字量輸入、15路數字量輸出，其中需要有編碼器處理功能。該PCC系統的配置如表1。
表1 PCC系統的配置
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≤3us，為高速數字量輸入模塊。
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以太網進行通信。
EBI系統結構圖如圖3所示。
圖 3 EBI系統結構圖
3.2 硬件特點
現階段36000瓶/小時的國內啤酒生產線是比較熱門的，折算為10瓶/秒。速度是比較快的，要達到對瓶子的精確定位，要求控制系統的響應時間是比較高的。在此采用了貝加萊控制系統的時間處理(TPU)模塊，其Link功能實現了高速的信號及編碼器脈沖數值的讀取，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操作系統，可采用IEC 61131專用控制語言與高級語言結合的混合編程模式，顯著增強了系統應對復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 系統分析
4.1 系統的技術難點
EBI控制系統設計
