檢測自動化在食品飲料行業的應用

[摘要]作為食品和快速消費品交叉的行業，質量的保證無疑是飲料企業最為重視的一點，而封裝性的好壞直接影響到產品的質量、直接影響到企業的形象和聲譽。 本文設計機器視覺系統是的可靠、穩定的智能化視覺檢測系統， 從而保證食品飲料企業出廠的產品是沒有瑕疵的，實踐其高品質產品的諾言。

[關鍵詞]檢測自動化 食品飲料行業 子系統分析

檢測自動化（機器視覺系統）在食品飲料行業的應用主要是檢測 PE、PET飲料瓶在自動灌裝、自動旋蓋和噴碼過程出現高蓋、歪蓋、破蓋、無蓋、液位偏低和無噴碼等問題。PE、PET飲料瓶生產速度很快，可達400～800瓶/分鐘，當前產品的封裝性檢測依靠人眼來完成，但在高速的流水線上長期工作，很容易產生疲勞和漏檢的情況，出廠產品的封裝質量很難得到有效的保證，不可避免會在成品中包含不合格產品。

隨著自動化技術的發展，機器視覺系統在歐美等發達國家已得到廣泛的應用，目前，國內一些有實力、有遠見的公司也開始嘗試采用，巨大的回報令人們意識到機器視覺的強大功效，成為自動化領域發展最快的一個分支。各飲料企業的PE、PET飲料瓶的高蓋、歪蓋等檢測系統引進試點項目是具有重大戰略意義的舉措，我單位采用強強聯合的思路為飲料在此機器視覺檢測項目提供全面的解決方案和強有力的技術支持。

一、系統組成

1.預期目標

對于系統最終要達到的目標，我們主要考慮到如下幾點。

（1）在帶有一定干擾的現場環境下，通過我們的不斷努力使對高蓋和歪蓋的漏剔率控制在0～5個PPM，誤剔率小于0.05％，實踐高品質產品的諾言。

（2）系統的結構美觀實用，適合現場的布局，方便工人的操作、監控和信息查詢，并且保證不威脅人身安全和產品安全，并達到系統獨立和方便安裝、維護、拆卸的要求。

2.系統整體設計

本方案的智能檢測系統由機器視覺部分、PLC控制器部分和剔除機構部分三大子系統組成。其中，機器視覺部分類似于人的眼睛與視覺神經中樞的作用，將獲取的產品封裝部分的影像信息在圖像處理單元中進行加工處理，通過同預先定義的質量檢測標準比較來得出產品封裝質量合格與否的判別；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場的情況，并通過分析處理來得到行動方案，指揮各種執行機構完成相關的操作，從而實現工業生產的自動化解決方案；剔除機構部分相當于人的手臂，它通過來自“大腦”的指令將系統檢出的次品及時準確地從傳送帶上剔除出去，保證通過的產品都是符合企業所制定的質量標準的優良產品，其工作方式采用高速氣動，從而保證系統能夠在較潮濕和腐蝕性環境下長期穩定地工作而不會對產品質量和操作人員安全帶來影響。整個系統的工作流程如圖1所示：

對這一PE、PET瓶視覺檢測項目的方案，我們在以下幾個方面進行了精心的考慮，使得所設計的方案很好地滿足現有項目的技術要求，而且便于系統的升級擴展等需求，如增加新的檢測產品、多套系統的集中管控等等，具有較強的前瞻性準備。

系統采用康耐視機器視覺產品為不同種類的應用都提供了相應的視覺產品。之所以專注一家視覺產品，是出于做到精深的考慮，并會在成本方面有較大的優勢。此外，康耐視機器視覺產品利用先進的以太網接口，可與上位機方便地接口，并可滿足企業在管控方面的系統化發展要求，方便產品聯網和同其它網絡的銜接。

在PLC控制器的選擇上，西門子無疑是首先考慮的品牌，它不但性能優良，而且擴展性強，工業自動化的產品線也非常豐富，能夠滿足企業長期發展的戰略考慮。所配備的觸摸屏可以顯示單位產品通過時的不合格品數量和比例每月累計生產產品的總量檢測出的次品數量，此外，通過觸摸屏可在換線時直接選擇相應的產品類型實現檢測程序自動更新，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。

關于視覺主體的機械結構，我們基于食品飲料生產環境的考慮，將采用控制器觸摸屏與視覺系統集成化為一體機的理念，不但保障了系統遠離不良工作環境的影響，同時有效地利用了生產線空間，充分考慮到了現場操作人員巡視和監控系統運行的方便性，簡潔、實用和美觀的造型為工作現場營造了清新、和諧的氣息。

二、各子系統分析

機器視覺子系統是整個系統的核心，是整個系統成功的關鍵，我們將從系統概述、技術指標、系統結構和進度計劃等幾方面來討論。

1.機器視覺系統概述

機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過機器視覺產品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號，圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。

一個典型的工業機器視覺應用系統包括如下部分：光源，鏡頭，CCD攝像機，圖像處理單元（或圖像捕獲卡），圖像處理軟件，監視器，通訊/輸入輸出單元等。首先，采用攝像機獲得被測目標的圖像信號， 然后，通過A/ D 轉換變成數字信號傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布、亮度和顏色等信息，進行各種運算來抽取目標的特征，最后，再根據預設的判別準則輸出判斷結果，去控制驅動執行機構進行相應處理。

機器視覺是一項綜合技術，其中包括數字圖像處理技術、機械工程技術、控制技術、光源照明技術，光學成像技術、傳感器技術、模擬與數字視頻技術、計算機軟硬件技術、人機接口技術等。機器視覺強調實用性，要求能夠適應工業現場惡劣的環境，要有合理的性價比、通用的工業接口、較高的容錯能力和安全性，并具有較強的通用性和可移植性。它更強調實時性，要求高速度和高精度。

2.機器視覺系統的結構

我們提出的設計方案具有如下幾個鮮明的設計特點，是其它方案所無法比擬的優勢所在，它們是精、優、穩。

精──精選每一個關鍵元器件，保障系統能夠長期穩定、精確地運行

優──廣泛嘗試各種器件組合效果，最終選取最優的設計方案

穩──精心設計整體架構，保障系統即便受到外界干擾也能保持穩定的狀態，為系統檢測結果的穩定奠定基礎。下面給出機器視覺系統結構的詳細描述。

經過實驗測試，我們提出了如下圖所示的機器視覺系統結構方式，能夠很好地實現PE、PET瓶缺陷檢測，它主要由精選的專業照明系統、匹配的精密光學鏡頭、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鍵部件組成，為精準、可靠的檢測結果提供了有力保障。

視覺傳感器是系統中起著決定性作用的核心部件，它的性能好壞將決定著項目的成敗，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極其適合本項目的應用條件，為系統達到方案要求提供了有力保證；光源的選擇對于獲取清晰細膩的圖像來說至關重要，它是系統能否穩定而又準確地獲得檢測數據的關鍵環節，我們選用了高品質LED背景光源；光學鏡頭的質量也同樣重要，它決定著系統所獲取的圖像有無畸變和是否正確聚焦，是獲得高品質圖像的又一關鍵要素，我們采用了高清晰度和高靈敏度的光學鏡頭。此外，用于觸發拍照的光電傳感器也是一個很關鍵的環節，我們采用了高靈敏度光電傳感器，保證其可靠地檢出產品的到達，從而可靠準確地采集所有通過系統的產品圖像。

三、主要控制系統設計

1.設計綜述

PLC控制系統部分我們采用了西門子S7 200系列的CPU226來完成系統的協調控制功能，將整個系統完美地結合為一體，是系統的控制中心。整個系統在線上的統一接口是一款高質量的觸摸屏，將提供給客戶一個信息豐富和操作簡便的人機界面。

2.功能介紹

PLC控制系統部分主要實現以下功能：視覺系統的輸出3個信號，一個為檢測完成信號，另外2個信號組合表示不同的檢測結果：0，0表示合格，0，1/1，0/1，1表示不同的不合格原因，PLC接受到檢測完成信號時，讀取檢測結果信號，根據結果信號，做出相應的動作，剔除有問題的瓶子，統計結果等。此外，通過RS232串口，PLC控制器可依據操作人員所選產品類型而自動切換檢測程序，并自動控制升降機構運動到對應該產品的高度。

檢測信號通過中斷讀取，提高PLC的響應速度。根據現場的情況，剔除系統最終選定了動作延時方式控制：視覺系統和剔除裝置之間的距離是固定的，當錯誤信號進來時，我們將信號延時一個特定時間，使次品在來到剔除器前時，信號來到剔除器，并予以剔除。

在防止堵瓶缺口掉瓶的控制中，我們使用了2個光電傳感器，當2個光電傳感器中有任一察覺現在發生了堵瓶情況，在視覺系統前的防卡落系統將會夾緊生產線，使產品暫時無法通過，從而緩解了堵瓶現象，并防止圓形瓶子的卡落情況。而只有2個光電傳感器都判斷了現在流水線通暢時，夾子才松開，產品順利經過。這套電眼暢通控制完全由我們的主控PLC來控制，經過多次的試驗和實際估算，設置的時間將不會對產品的產量造成影響。

本系統選擇的PLC是西門子S7 200系列的CPU226，DC/DC/DC，24V直流供電，24個輸入點，輸入信號可接收PNP，NPN型傳感器，24V晶體管輸出，可以實現高頻率的動作，滿足高速控制的要求。16個輸出點，其中的Q0.0，Q0.1為高速輸出點。每個輸出點，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），On-〉Off為10us（Q0.0，Q0.1），130us（其他輸出點），可以滿足剔除裝置高速響應的需求。CPU226集成有24個輸入，這24個輸入的前8個可以對其輸入信號的上升沿或下降沿組態，觸發對應中斷程序，使得PLC程序可以對傳感器的信號高速響應。

本系統的要求是能夠將不合格的瓶子從生產線上剔除，而生產線是高速運行的，所以要求系統能夠高速穩定地運行。通過PLC內部定時中斷，使信號的延時能夠保證最大程度的精確，以確保在剔除時的最大準確性。同時，我們將工業自動化控制與機器視覺進行完美的結合，提供給客戶一個可靠、穩定的智能化視覺檢測系統，從而保證從飲料企業出廠的飲料沒有瑕疵，實踐其高品質產品的諾言。

參考文獻：

［1］閻石.數字電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2003. 

［2］施松昆. 視覺傳感器DS1820［J］.國外電子元器件，1996.

［3］周立功.單片機實驗與實踐［M］.北京：北京航天航空大學出版社，2004.45-65.

（作者單位：浙江理工大學機械與控制學院）