趙秋玲+牟海春

摘 要 采用嵌入式視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種能效標(biāo)識(shí)檢測與識(shí)別系統(tǒng)，其包括觸摸屏、PLC控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和伺服跟蹤裝置。該系統(tǒng)利用嵌入式視覺和PLC技術(shù)，自動(dòng)跟蹤、檢測能效標(biāo)識(shí)，并作出各種判斷和測量。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，在冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等生產(chǎn)線上有著極大的應(yīng)用空間和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞 能效標(biāo)識(shí)；嵌入式視覺系統(tǒng)；PLC；檢測與識(shí)別；伺服跟蹤

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）02-0024-02

能效標(biāo)識(shí)是附在耗能產(chǎn)品或其最小包裝物上，用來表示產(chǎn)品能源效率等級(jí)、產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)等性能指標(biāo)的一種信息標(biāo)簽。自2005年3月我國正式實(shí)施能效標(biāo)識(shí)制度以來，“能效標(biāo)識(shí)目錄”已覆蓋了冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示器、自鎮(zhèn)流熒光燈等近20大類產(chǎn)品。根據(jù)對(duì)相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)的考察結(jié)果表明，目前這些能效標(biāo)識(shí)大都依靠人工檢測，存在出錯(cuò)率高、勞動(dòng)力消耗大、檢測效率低和生產(chǎn)成本高等問題。鑒于此，本文以冰箱能效標(biāo)識(shí)檢測為例，設(shè)計(jì)了一種能效標(biāo)識(shí)檢測與識(shí)別系統(tǒng)，其利用機(jī)器視覺代替人工視覺，自動(dòng)完成能效標(biāo)識(shí)的實(shí)時(shí)跟蹤、攝像、識(shí)別和檢測。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1.1 方案論證與選擇

機(jī)器視覺就是利用攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)等機(jī)器代替人眼作各種測量和判斷，并從產(chǎn)品圖像中提取信息、進(jìn)行處理并加以分析，最終用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、識(shí)別、檢測和控制。從結(jié)構(gòu)組成來分，機(jī)器視覺一般分為PC式和嵌入式兩類。嵌入式視覺系統(tǒng)，也稱集成式視覺系統(tǒng)，具有易學(xué)、易用、開發(fā)周期短、接口標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)?；赑C的視覺系統(tǒng)，價(jià)格低、靈活性高、開發(fā)周期長，能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的系統(tǒng)功能，但需配置PC機(jī)，結(jié)構(gòu)不能模塊化，安裝不方便，可移植性差，與工業(yè)上廣泛使用的PLC 接口麻煩。

結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際，為了實(shí)施跟蹤能效標(biāo)識(shí)位置、有效提取能效標(biāo)識(shí)的信息內(nèi)容，并判斷粘貼的能效標(biāo)識(shí)是否合格，針對(duì)冰箱行業(yè)，能效標(biāo)識(shí)檢測與識(shí)別采用嵌入式視覺系統(tǒng)，

1.2 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)方案如圖1所示，主要由觸摸屏、PLC、標(biāo)識(shí)相機(jī)伺服跟蹤裝置、工業(yè)智能相機(jī)、條碼讀取器和相應(yīng)的接口組成。

圖1 能效標(biāo)識(shí)檢測與識(shí)別系統(tǒng)方案

標(biāo)識(shí)相機(jī)伺服跟蹤裝置，需進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)，功能在于通過水平和垂直方向的兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)識(shí)相機(jī)動(dòng)作，跟蹤能效標(biāo)識(shí)至最佳位置，拍攝標(biāo)識(shí)圖像。

觸摸屏用于冰箱信息的輸入和顯示、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定等，與PLC進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

條碼讀取器和智能相機(jī)組成視覺系統(tǒng)，分別用于對(duì)冰箱條碼的識(shí)別和能效標(biāo)識(shí)信息的提取。

可編程序控制器PLC與視覺系統(tǒng)通訊，控制伺服跟蹤裝置動(dòng)作，使能效標(biāo)識(shí)相機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)作，采集不同型號(hào)冰箱的能效標(biāo)識(shí)信息。

冰箱能效標(biāo)識(shí)和條碼信息是一一對(duì)應(yīng)的，能效標(biāo)識(shí)粘貼在冰箱門體右上角，不同型號(hào)冰箱，高度、寬度不同，能效標(biāo)識(shí)的粘貼位置也不同，但條碼位置是固定的，其粘貼在冰箱后側(cè)靠右下位置。基于這些工業(yè)背景，系統(tǒng)工作過程是：

1）冰箱到條碼讀取器位置，條碼讀取器讀取條碼，傳送給PLC。

2）PLC對(duì)條碼信息進(jìn)行處理，提取冰箱型號(hào)信息，計(jì)算出冰箱能效標(biāo)識(shí)位置信息，控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服跟蹤裝置，使能效標(biāo)識(shí)檢測智能相機(jī)實(shí)現(xiàn)水平和豎直兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)到能效標(biāo)識(shí)最佳拍攝位置，等待能效標(biāo)識(shí)移動(dòng)到位。

3）能效標(biāo)識(shí)到位，能效標(biāo)識(shí)智能相機(jī)拍攝、處理能效標(biāo)識(shí)圖像，并將冰箱型號(hào)等相關(guān)信息傳輸給PLC，PLC將能效標(biāo)識(shí)信息與條碼信息比對(duì)，判斷能效標(biāo)識(shí)是否有問題，并將相關(guān)信息傳送給觸摸屏。

4）如能效標(biāo)識(shí)正確，冰箱放行；如有問題，系統(tǒng)報(bào)警，并通過PLC控制冰箱生產(chǎn)線相應(yīng)配套機(jī)械裝置將問題冰箱移送到相應(yīng)線體。

5）完成一臺(tái)冰箱檢驗(yàn)后，重復(fù)前面過程。

2 嵌入式視覺系統(tǒng)選擇

嵌入式視覺系統(tǒng)，也稱為智能工業(yè)相機(jī)，并不是一臺(tái)簡單的相機(jī)，而是一種高度集成化的微小型機(jī)器視覺系統(tǒng)，它集光源、攝像頭、圖像處理器、標(biāo)準(zhǔn)的控制與通訊接口于一體。智能工業(yè)相機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)圖像處理算法，并能使用PC機(jī)，利用專用組態(tài)軟件編制各種算法下載到智能相機(jī)程序存儲(chǔ)器中，即其為可編程的相機(jī)，其可將PC機(jī)的靈活性、PLC的可靠性、分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很容易地結(jié)合在一起，與PLC通訊方便。

冰箱能效標(biāo)識(shí)檢測與識(shí)別嵌入式視覺系統(tǒng)選用美國Cognex公司相關(guān)產(chǎn)品，采集方案如圖2所示。能效標(biāo)識(shí)相機(jī)采用Insight Micro智能相機(jī)系統(tǒng)，型號(hào)ISM1400（1/3 inch CCD、FOV 40*30mm），一體化設(shè)計(jì)，采用Insight專業(yè)組態(tài)軟件，簡單配置后即可使用。條碼讀取器選用Data Man 60，其基于機(jī)器視覺技術(shù)讀取條碼，將業(yè)界領(lǐng)先的讀碼軟件性能、簡便易用性、照明、攝像頭、處理器和通信功能共同集成于一個(gè)體，對(duì)嚴(yán)重?fù)p壞、標(biāo)記不良、不很清晰的條碼均可實(shí)現(xiàn)識(shí)別和解碼，讀碼不受照明、標(biāo)記方法、編碼質(zhì)量或表面光潔度變化的影響。

圖2 能效標(biāo)識(shí)視覺系統(tǒng)采集方案

采用環(huán)形LED光源均勻照亮能效標(biāo)識(shí)符，能效標(biāo)識(shí)相機(jī)位于冰箱前方正對(duì)標(biāo)識(shí)符，條碼相機(jī)置于另一側(cè)，外部信號(hào)觸發(fā)條碼閱讀，相機(jī)跟蹤裝置驅(qū)動(dòng)能效標(biāo)識(shí)相機(jī)對(duì)準(zhǔn)能效標(biāo)識(shí)并進(jìn)行拍照識(shí)別。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件選擇

ISM1400智能相機(jī)和Data Man 60條碼讀取器支持以太網(wǎng)通訊，綜合考慮各種因素，電氣控制系統(tǒng)選用Siemens公司S7-1200 PLC作為控制核心，結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體硬件配置如下。

1）1個(gè)CPU1214 DC/DC/DC，14入/10出，帶有2個(gè)高速脈沖輸出口和1個(gè)集成的PROFINET接口。endprint

高速脈沖口控制伺服驅(qū)動(dòng)裝置水平（X軸）和垂直（Y軸）方向伺服系統(tǒng)工作。PROFINET接口通過開放的以太網(wǎng)協(xié)議與第三方設(shè)備通訊。

2）1個(gè)SM1223數(shù)字I/O模塊，DI8×24VDC DO8×RLY。

3）1個(gè)CSM1277工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，通過它可實(shí)現(xiàn)HMI、智能相機(jī)和條碼讀取器多個(gè)設(shè)備的連接。

4）1個(gè)KTP600 Basic PN觸摸屏，制作畫面，顯示、設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)和記錄相關(guān)信息。

圖3 電氣控制系統(tǒng)

3.2 程序設(shè)計(jì)

3.2.1 視覺系統(tǒng)組態(tài)

Data Man 60條碼讀取器無需編寫程序，直接可讀取條碼。ISM1400智能相機(jī)，用于采集、提取能效標(biāo)識(shí)里冰箱型號(hào)信息，利用康耐視專用圖像組態(tài)軟件In-Sight ? Explorer進(jìn)行簡單編程，即可實(shí)現(xiàn)字符提取和識(shí)別，效果如圖4。

圖4 測試效果

In-Sight ? Explorer視圖功能強(qiáng)大，可靈活、高效地配置視覺工具和處理視覺應(yīng)用數(shù)據(jù)。拖放式視覺工具和圖形調(diào)色板，加上基于菜單的工具屬性表格使任務(wù)配置更加簡單。In-Sight 電子表格包含專用功能、選項(xiàng)和操作，不需編寫任何代碼即可解決復(fù)雜的應(yīng)用問題。

3.2.2 觸摸屏畫面設(shè)計(jì)

利用WinCC Flexible軟件編寫觸摸屏畫面，主要包括主界面、伺服參數(shù)設(shè)置界面、冰箱型號(hào)輸入界面、能效標(biāo)識(shí)智能檢測與識(shí)別界面、檢測結(jié)果顯示界面等。

3.2.3 PLC程序

PLC程序采用模塊化思想設(shè)計(jì)，分為主程序和條碼讀取器、智能相機(jī)、條碼讀取信息和智能相機(jī)提取信息比對(duì)、X軸伺服、Y軸伺服、手動(dòng)、自動(dòng)等子程序。主程序完成系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、急停、復(fù)位、報(bào)警、指示及子程序調(diào)用等基本功能。程序設(shè)計(jì)之前需進(jìn)行硬件組態(tài)，包括組態(tài)CPU、添加模塊、設(shè)定參數(shù)、創(chuàng)建PROFINET網(wǎng)絡(luò)連接和在項(xiàng)目中組態(tài)IP地址，從而建立觸摸屏、CPU1214、以太網(wǎng)交換機(jī)CSM1277、擴(kuò)展I/O和智能相機(jī)、條碼讀取器的硬件聯(lián)系。

4 應(yīng)用前景分析

一種能效標(biāo)識(shí)檢測與識(shí)別系統(tǒng)將嵌入式視覺、PLC、人機(jī)交互、伺服運(yùn)動(dòng)控制有機(jī)結(jié)合在一起，可有效實(shí)現(xiàn)能效標(biāo)識(shí)的非接觸式檢測，完全可替代人工檢測，避免了傳統(tǒng)人工檢測的諸多不足，節(jié)省了資源，提高了生產(chǎn)線的智能化、柔性化和生產(chǎn)效率。實(shí)踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)可行、有效，其在家電、包裝、工業(yè)電器等行業(yè)將有著廣泛的市場和極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介

趙秋玲（1974-），女，山東人，青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，碩士，從事PLC控制系統(tǒng)研究和機(jī)電一體化非標(biāo)設(shè)備研開發(fā)工作，發(fā)表論文6篇，出版書籍4本。endprint