[摘要]作為食品和快速消費(fèi)品交叉的行業(yè)，質(zhì)量的保證無疑是飲料企業(yè)最為重視的一點(diǎn)，而封裝性的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、直接影響到企業(yè)的形象和聲譽(yù)。 本文設(shè)計(jì)機(jī)器視覺系統(tǒng)是的可靠、穩(wěn)定的智能化視覺檢測(cè)系統(tǒng)， 從而保證食品飲料企業(yè)出廠的產(chǎn)品是沒有瑕疵的，實(shí)踐其高品質(zhì)產(chǎn)品的諾言。

[關(guān)鍵詞]檢測(cè)自動(dòng)化 食品飲料行業(yè) 子系統(tǒng)分析

檢測(cè)自動(dòng)化（機(jī)器視覺系統(tǒng)）在食品飲料行業(yè)的應(yīng)用主要是檢測(cè) PE、PET飲料瓶在自動(dòng)灌裝、自動(dòng)旋蓋和噴碼過程出現(xiàn)高蓋、歪蓋、破蓋、無蓋、液位偏低和無噴碼等問題。PE、PET飲料瓶生產(chǎn)速度很快，可達(dá)400～800瓶/分鐘，當(dāng)前產(chǎn)品的封裝性檢測(cè)依靠人眼來完成，但在高速的流水線上長(zhǎng)期工作，很容易產(chǎn)生疲勞和漏檢的情況，出廠產(chǎn)品的封裝質(zhì)量很難得到有效的保證，不可避免會(huì)在成品中包含不合格產(chǎn)品。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺系統(tǒng)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛的應(yīng)用，目前，國(guó)內(nèi)一些有實(shí)力、有遠(yuǎn)見的公司也開始嘗試采用，巨大的回報(bào)令人們意識(shí)到機(jī)器視覺的強(qiáng)大功效，成為自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展最快的一個(gè)分支。各飲料企業(yè)的PE、PET飲料瓶的高蓋、歪蓋等檢測(cè)系統(tǒng)引進(jìn)試點(diǎn)項(xiàng)目是具有重大戰(zhàn)略意義的舉措，我單位采用強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的思路為飲料在此機(jī)器視覺檢測(cè)項(xiàng)目提供全面的解決方案和強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

一、系統(tǒng)組成

1.預(yù)期目標(biāo)

對(duì)于系統(tǒng)最終要達(dá)到的目標(biāo)，我們主要考慮到如下幾點(diǎn)。

（1）在帶有一定干擾的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，通過我們的不斷努力使對(duì)高蓋和歪蓋的漏剔率控制在0～5個(gè)PPM，誤剔率小于0.05％，實(shí)踐高品質(zhì)產(chǎn)品的諾言。

（2）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)美觀實(shí)用，適合現(xiàn)場(chǎng)的布局，方便工人的操作、監(jiān)控和信息查詢，并且保證不威脅人身安全和產(chǎn)品安全，并達(dá)到系統(tǒng)獨(dú)立和方便安裝、維護(hù)、拆卸的要求。

2.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本方案的智能檢測(cè)系統(tǒng)由機(jī)器視覺部分、PLC控制器部分和剔除機(jī)構(gòu)部分三大子系統(tǒng)組成。其中，機(jī)器視覺部分類似于人的眼睛與視覺神經(jīng)中樞的作用，將獲取的產(chǎn)品封裝部分的影像信息在圖像處理單元中進(jìn)行加工處理，通過同預(yù)先定義的質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)比較來得出產(chǎn)品封裝質(zhì)量合格與否的判別；PLC控制器部分類似于人的大腦，它通過各種傳感器件的感知來綜合判斷現(xiàn)場(chǎng)的情況，并通過分析處理來得到行動(dòng)方案，指揮各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相關(guān)的操作，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化解決方案；剔除機(jī)構(gòu)部分相當(dāng)于人的手臂，它通過來自“大腦”的指令將系統(tǒng)檢出的次品及時(shí)準(zhǔn)確地從傳送帶上剔除出去，保證通過的產(chǎn)品都是符合企業(yè)所制定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)良產(chǎn)品，其工作方式采用高速氣動(dòng)，從而保證系統(tǒng)能夠在較潮濕和腐蝕性環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作而不會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和操作人員安全帶來影響。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如圖1所示：

對(duì)這一PE、PET瓶視覺檢測(cè)項(xiàng)目的方案，我們?cè)谝韵聨讉€(gè)方面進(jìn)行了精心的考慮，使得所設(shè)計(jì)的方案很好地滿足現(xiàn)有項(xiàng)目的技術(shù)要求，而且便于系統(tǒng)的升級(jí)擴(kuò)展等需求，如增加新的檢測(cè)產(chǎn)品、多套系統(tǒng)的集中管控等等，具有較強(qiáng)的前瞻性準(zhǔn)備。

系統(tǒng)采用康耐視機(jī)器視覺產(chǎn)品為不同種類的應(yīng)用都提供了相應(yīng)的視覺產(chǎn)品。之所以專注一家視覺產(chǎn)品，是出于做到精深的考慮，并會(huì)在成本方面有較大的優(yōu)勢(shì)。此外，康耐視機(jī)器視覺產(chǎn)品利用先進(jìn)的以太網(wǎng)接口，可與上位機(jī)方便地接口，并可滿足企業(yè)在管控方面的系統(tǒng)化發(fā)展要求，方便產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)和同其它網(wǎng)絡(luò)的銜接。

在PLC控制器的選擇上，西門子無疑是首先考慮的品牌，它不但性能優(yōu)良，而且擴(kuò)展性強(qiáng)，工業(yè)自動(dòng)化的產(chǎn)品線也非常豐富，能夠滿足企業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的戰(zhàn)略考慮。所配備的觸摸屏可以顯示單位產(chǎn)品通過時(shí)的不合格品數(shù)量和比例每月累計(jì)生產(chǎn)產(chǎn)品的總量檢測(cè)出的次品數(shù)量，此外，通過觸摸屏可在換線時(shí)直接選擇相應(yīng)的產(chǎn)品類型實(shí)現(xiàn)檢測(cè)程序自動(dòng)更新，并還可以拓展其他的功能，我們將能最大限度的滿足客戶的需求。

關(guān)于視覺主體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，我們基于食品飲料生產(chǎn)環(huán)境的考慮，將采用控制器觸摸屏與視覺系統(tǒng)集成化為一體機(jī)的理念，不但保障了系統(tǒng)遠(yuǎn)離不良工作環(huán)境的影響，同時(shí)有效地利用了生產(chǎn)線空間，充分考慮到了現(xiàn)場(chǎng)操作人員巡視和監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的方便性，簡(jiǎn)潔、實(shí)用和美觀的造型為工作現(xiàn)場(chǎng)營(yíng)造了清新、和諧的氣息。

二、各子系統(tǒng)分析

機(jī)器視覺子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是整個(gè)系統(tǒng)成功的關(guān)鍵，我們將從系統(tǒng)概述、技術(shù)指標(biāo)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和進(jìn)度計(jì)劃等幾方面來討論。

1.機(jī)器視覺系統(tǒng)概述

機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)包括如下部分：光源，鏡頭，CCD攝像機(jī)，圖像處理單元（或圖像捕獲卡），圖像處理軟件，監(jiān)視器，通訊/輸入輸出單元等。首先，采用攝像機(jī)獲得被測(cè)目標(biāo)的圖像信號(hào)， 然后，通過A/ D 轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布、亮度和顏色等信息，進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，最后，再根據(jù)預(yù)設(shè)的判別準(zhǔn)則輸出判斷結(jié)果，去控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)處理。

機(jī)器視覺是一項(xiàng)綜合技術(shù)，其中包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、控制技術(shù)、光源照明技術(shù)，光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等。機(jī)器視覺強(qiáng)調(diào)實(shí)用性，要求能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境，要有合理的性價(jià)比、通用的工業(yè)接口、較高的容錯(cuò)能力和安全性，并具有較強(qiáng)的通用性和可移植性。它更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，要求高速度和高精度。

2.機(jī)器視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

我們提出的設(shè)計(jì)方案具有如下幾個(gè)鮮明的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，是其它方案所無法比擬的優(yōu)勢(shì)所在，它們是精、優(yōu)、穩(wěn)。

精──精選每一個(gè)關(guān)鍵元器件，保障系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、精確地運(yùn)行

優(yōu)──廣泛嘗試各種器件組合效果，最終選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案

穩(wěn)──精心設(shè)計(jì)整體架構(gòu)，保障系統(tǒng)即便受到外界干擾也能保持穩(wěn)定的狀態(tài)，為系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定奠定基礎(chǔ)。下面給出機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，我們提出了如下圖所示的機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式，能夠很好地實(shí)現(xiàn)PE、PET瓶缺陷檢測(cè)，它主要由精選的專業(yè)照明系統(tǒng)、匹配的精密光學(xué)鏡頭、低成本高性能的康耐視DVT視覺傳感器和高敏感度的光電傳感器幾大關(guān)鍵部件組成，為精準(zhǔn)、可靠的檢測(cè)結(jié)果提供了有力保障。

視覺傳感器是系統(tǒng)中起著決定性作用的核心部件，它的性能好壞將決定著項(xiàng)目的成敗，我們采用康耐視DVT系列視覺傳感器，其高速高分辨率的特點(diǎn)極其適合本項(xiàng)目的應(yīng)用條件，為系統(tǒng)達(dá)到方案要求提供了有力保證；光源的選擇對(duì)于獲取清晰細(xì)膩的圖像來說至關(guān)重要，它是系統(tǒng)能否穩(wěn)定而又準(zhǔn)確地獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我們選用了高品質(zhì)LED背景光源；光學(xué)鏡頭的質(zhì)量也同樣重要，它決定著系統(tǒng)所獲取的圖像有無畸變和是否正確聚焦，是獲得高品質(zhì)圖像的又一關(guān)鍵要素，我們采用了高清晰度和高靈敏度的光學(xué)鏡頭。此外，用于觸發(fā)拍照的光電傳感器也是一個(gè)很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，我們采用了高靈敏度光電傳感器，保證其可靠地檢出產(chǎn)品的到達(dá)，從而可靠準(zhǔn)確地采集所有通過系統(tǒng)的產(chǎn)品圖像。

三、主要控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)綜述

PLC控制系統(tǒng)部分我們采用了西門子S7 200系列的CPU226來完成系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制功能，將整個(gè)系統(tǒng)完美地結(jié)合為一體，是系統(tǒng)的控制中心。整個(gè)系統(tǒng)在線上的統(tǒng)一接口是一款高質(zhì)量的觸摸屏，將提供給客戶一個(gè)信息豐富和操作簡(jiǎn)便的人機(jī)界面。

2.功能介紹

PLC控制系統(tǒng)部分主要實(shí)現(xiàn)以下功能：視覺系統(tǒng)的輸出3個(gè)信號(hào)，一個(gè)為檢測(cè)完成信號(hào)，另外2個(gè)信號(hào)組合表示不同的檢測(cè)結(jié)果：0，0表示合格，0，1/1，0/1，1表示不同的不合格原因，PLC接受到檢測(cè)完成信號(hào)時(shí)，讀取檢測(cè)結(jié)果信號(hào)，根據(jù)結(jié)果信號(hào)，做出相應(yīng)的動(dòng)作，剔除有問題的瓶子，統(tǒng)計(jì)結(jié)果等。此外，通過RS232串口，PLC控制器可依據(jù)操作人員所選產(chǎn)品類型而自動(dòng)切換檢測(cè)程序，并自動(dòng)控制升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)該產(chǎn)品的高度。

檢測(cè)信號(hào)通過中斷讀取，提高PLC的響應(yīng)速度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，剔除系統(tǒng)最終選定了動(dòng)作延時(shí)方式控制：視覺系統(tǒng)和剔除裝置之間的距離是固定的，當(dāng)錯(cuò)誤信號(hào)進(jìn)來時(shí)，我們將信號(hào)延時(shí)一個(gè)特定時(shí)間，使次品在來到剔除器前時(shí)，信號(hào)來到剔除器，并予以剔除。

在防止堵瓶缺口掉瓶的控制中，我們使用了2個(gè)光電傳感器，當(dāng)2個(gè)光電傳感器中有任一察覺現(xiàn)在發(fā)生了堵瓶情況，在視覺系統(tǒng)前的防卡落系統(tǒng)將會(huì)夾緊生產(chǎn)線，使產(chǎn)品暫時(shí)無法通過，從而緩解了堵瓶現(xiàn)象，并防止圓形瓶子的卡落情況。而只有2個(gè)光電傳感器都判斷了現(xiàn)在流水線通暢時(shí)，夾子才松開，產(chǎn)品順利經(jīng)過。這套電眼暢通控制完全由我們的主控PLC來控制，經(jīng)過多次的試驗(yàn)和實(shí)際估算，設(shè)置的時(shí)間將不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量造成影響。

本系統(tǒng)選擇的PLC是西門子S7 200系列的CPU226，DC/DC/DC，24V直流供電，24個(gè)輸入點(diǎn)，輸入信號(hào)可接收PNP，NPN型傳感器，24V晶體管輸出，可以實(shí)現(xiàn)高頻率的動(dòng)作，滿足高速控制的要求。16個(gè)輸出點(diǎn)，其中的Q0.0，Q0.1為高速輸出點(diǎn)。每個(gè)輸出點(diǎn)，最大允許電流為0.75A，輸出延遲為Off-〉On為2us（Q0.0，Q0.1）/15us（其他輸出點(diǎn)），On-〉Off為10us（Q0.0，Q0.1），130us（其他輸出點(diǎn)），可以滿足剔除裝置高速響應(yīng)的需求。CPU226集成有24個(gè)輸入，這24個(gè)輸入的前8個(gè)可以對(duì)其輸入信號(hào)的上升沿或下降沿組態(tài)，觸發(fā)對(duì)應(yīng)中斷程序，使得PLC程序可以對(duì)傳感器的信號(hào)高速響應(yīng)。

本系統(tǒng)的要求是能夠?qū)⒉缓细竦钠孔訌纳a(chǎn)線上剔除，而生產(chǎn)線是高速運(yùn)行的，所以要求系統(tǒng)能夠高速穩(wěn)定地運(yùn)行。通過PLC內(nèi)部定時(shí)中斷，使信號(hào)的延時(shí)能夠保證最大程度的精確，以確保在剔除時(shí)的最大準(zhǔn)確性。同時(shí)，我們將工業(yè)自動(dòng)化控制與機(jī)器視覺進(jìn)行完美的結(jié)合，提供給客戶一個(gè)可靠、穩(wěn)定的智能化視覺檢測(cè)系統(tǒng)，從而保證從飲料企業(yè)出廠的飲料沒有瑕疵，實(shí)踐其高品質(zhì)產(chǎn)品的諾言。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：浙江理工大學(xué)機(jī)械與控制學(xué)院）