基于視覺傳感器的實訓系統開發

摘 要：為了幫助學生了解視覺傳感器等新器件、新技術在工業控制中的應用，設計了一套基于視覺傳感器應用的綜合實訓系統，系統由視覺傳感器、PLC、HMI等工業設備組成，并模擬了液體生產線的灌裝、質量檢測、分揀環節。該實訓平臺包含諸多控制技術和系統集成知識，能滿足大學生對新知識、新技術應用的需求，有助于提高大學生綜合實踐能力和解決實際問題的能力。

關鍵詞：視覺傳感器 實訓系統 液體質量 圖像處理

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0069-03

目前國內產品識別、質量檢測等生產環節大多采用人工來識別不同對象及產品合格程度。人工檢測存在著易疲勞、易疏忽、檢測效率低且檢測標準難以統一的缺點。因此越來越多的企業需要一種技術來代替人工勞動，對產品進行分類或質量檢測，而視覺傳感器在一定程度上滿足了這種要求[1]。

視覺檢測具有檢測精度高、測量速度快、重復性好等優點，目前已廣泛應用于工業檢測、機器人導航、生物醫學圖像分析、遙感遙測圖像分析及交通安全等領域[2]。

為了讓學生更好地了解新器件、新技術的應用，本項目設計了一種基于視覺傳感器的測量液體高度和雜質的瓶裝液體質量檢測系統，該套實訓系統包含諸多控制技術和系統集成知識，且與實際生產結合度高，有利于學生了解新器件新技術，并能將此系統持續應用到今后本專業的建設和人才培養中去。

1 系統硬件結構

1.1 視覺傳感器

機器視覺是一項綜合技術，包括數字圖像處理技術、控制技術、光源照明技術、傳感器技術、人機接口技術等 [3]。

視覺傳感器是一種高度集成化的嵌入式計算機系統，將圖像的采集、處理、通信和I/O控制功能集成于單一相機內，獨立地完成預先設定的圖像處理和分析任務。它集成了光源、攝像器件、圖像處理器、標準的控制與通訊接口，自成為一個智能圖像采集與處理單元，內部存儲器可完成圖像的存儲與處理[4]。

本系統選用施耐德的XUWSAO6W型視覺傳感器，它的分辨率、曝光時間、觸發模式等參數支持專用軟件界面設置，開發人員可根據現場條件進行參數設置，無需編程就可獲取高質量的圖像和檢測精度，最高拍攝速度為25fps，可以在線檢測高速生產運作的同時保證檢測重復精度，產品檢測的類型可以是質量檢測，可以是物體的位置、方向、類別和完整性檢測，也可以是標記檢測等，一旦檢測需求及精度被確定，就可以輸出檢測結果并驅動執行機構動作 [5]。

1.2 實訓系統構成

我們在實驗室制作了一套模擬白玻璃瓶液體生產線實驗裝置，將實際生產線工序簡化，程序設計時保留了液體灌裝、質量檢測及分揀環節，并用相應的開關或傳感器觸發動作，以便研究視覺傳感器的應用性能，系統構成如圖1。

光電傳感器檢測空瓶到位后，驅動注水閥工作，當水瓶中液體高度到達設定值后，水基液位傳感器動作，阻擋器打開，產品送入自動檢測環節，如果檢測產品合格，則瓶裝液體進入合格輥道，否則進入廢品通道。

視覺傳感器安裝如圖2所示，這種安裝方式只能檢測瓶口質量好壞及液體漂浮物；為了實現水位高度檢測，我們后續的實驗是將視覺傳感器鏡頭水平安裝，以便測試液體高度、雜質，同時將視覺傳感器、被測白瓶裝在一個可以密封的紙盒子內，以保證測試光源恒定，不受外界干擾。

2 視覺檢測圖形處理

2.1 拍攝環境處理

液體高度與雜質的檢測需要設定一個標準的模板，以模板為基準進行比對和處理圖像。因此選取基準模板及其精確標定出基準模板的各項參數，對保證檢測精度具有重要的意義。

環境光照條件是影響采集圖像質量的重要因素，而且瓶裝液體大多是玻璃瓶或塑料瓶，容易在瓶身出現反光現象，給后續圖像處理帶來較大誤差。為了排除外部光線變化帶來的干擾，我們制作了一個暗箱，保證每個檢測物體都與基準模板在同一環境下比對，并且在暗箱中以白色作為拍攝背景，減少由于反光對圖片質量帶來的影響。圖3為在暗箱中提取液位高度時的取樣模板，可見白色背景拍攝對液位高度特征提取更為明顯。

2.2 圖像處理

智能視覺傳感器在工作時，可以將多種特征值疊加，用于檢測同一產品的不同要求，例如形狀、差別等。實驗中，我們提取了兩種模式的特征值，分別用于液體高度檢測和雜質檢測。圖像的參數設置如圖4所示，分別對拍攝圖片的分辨率（VGA：640*480）、快門速度（Shutter：0.326ms）、光源（內部）及拍照觸發方式（Trigger）進行參數調整，以期達到較好的圖片處理效果。

其中光源是為視覺系統提供足夠的照度，可以來自視覺傳感器自帶的led燈，也可外部自制光源背板，光強度根據現場測試環境進行調整。

拍照觸發模式可選擇外部信號觸發，即“Trigger”，也可選擇連續拍攝模式。當光電傳感器檢測到有瓶子經過就觸發視覺傳感器拍攝圖片、與基準模板比對，并將處理結果通過傳感器輸出端送入控制器PLC進行處理。

影響圖像質量的各種參數設置，以及攝像頭焦距的調節，都需要在現場反復調試、分析、比對，以期通過合適的參數設置，保證圖像特征明顯、提高檢測精度。

圖5為液體高度基準圖像的設置，使用矩形框將要檢查的區域框出；外面的綠色矩形框為測試區域，里面的區域為設置的液體高度誤差范圍。

不同的檢測項目和區域根據實際情況設定不同的閾值，如果檢測結果在閾值范圍內說明所檢測的物品符合標準，如果低于閾值，說明所檢測的物品不符合標準，如圖6所示，設定被測瓶裝液體與基準模板相似度在96%以上為合格，否則不合格；也可以調節基準模板的矩形框區域大小來改變實際測量精度。

判斷輸出結果是否合格，可以根據圖像區顏色柱的顏色變化（綠色/紅色）得出檢測結果，也可以根據Results列表中的“Result”指示燈的顏色變化（綠色/紅色）和Score顯示的數據來判定質量是否合格。如圖7為兩項指標檢測，第一項檢測為液體高度值檢測，第二項檢測為液體渾濁度檢測。

3 系統功能實現

3.1 圖像采集時間

圖像采樣時間為5～10000 ms可選，該時間可與實際生產線運行速度相配合，使得每來一個瓶子、光電傳感器觸發視覺傳感器拍照一次，并將拍攝的不合格產品圖片保存在后臺，以便后期分析不合格產品原因并做出決策。

3.2 PLC程序設計流程

我們主要檢測瓶子液體灌裝高度是否符合允許誤差范圍，瓶內是否有雜質或液體出現混濁現象，如果液體質量在允許范圍內則進入下一道工序，如果有一項不符合要求，則系統報警并將不合格品自動分離出生產線，程序編寫流程如圖8所示。

3.3 HMI監控界面設計

液體灌裝、檢測及分揀環節配合工作可通過HMI界面直觀觀察，如圖9所示[6]。當灌裝工位光電傳感器動作時，液體閥門打開，向瓶中注入液體，液體是否到達設定值由水基液位傳感器控制，該傳感器是一種光電傳感器，采用紅外線對射，主要用于水或液體高度探測；當水基液位傳感器動作時，阻擋器打開，瓶裝液體進入下一工作環節即自動檢測工作臺，視覺傳感器對瓶裝液體進行質量檢測，合格進入下一道工序，不合格則系統報警并啟動分揀系統將產品剔除。

4 結語

隨著工業生產效率、生產質量的要求不斷提高以及勞工荒等問題的日益突出，企業對自動化的需求越來越高，因此視覺傳感器技術及應用領域在不斷地發展和擴大，視覺傳感器的研究、設計及合理應用也成為必然趨勢。

本套實訓裝置設備采用工業級設備，模擬真實液體質量檢測工作場景工作，使學生在實驗室中就可以接觸和使用先進的控制技術與控制設備，非常適合于自動化類學生的相關課程實驗教學和技能訓練，能有效地提升學生的綜合實踐能力。

參考文獻

[1]張輝，王耀文，周博文.基于機器視覺的液體藥品異物檢測系統研究[J]，儀器儀表學報，2009（3）：548-553.

[2]何成，王耀南.灌裝液體藥品質量的機器視覺檢測與識別[J]，中南大學學報，2009（4）：1003-1007.

[3]唐向陽，張勇.機器視覺關鍵技術的現狀及應用展望[J]，昆明理工大學學報，2004（4）：36-39.

[4]段峰，王耀南，雷曉峰，等.機器視覺技術及其應用綜述[J].自動化博覽，2002，19（3）：59-61.

[5]施耐德.XUWSA...Vision Sensors-Standard User Manual，www.tesensors.com，2012.

[6]黃玲，張葉林，胡波，等.基于機器視覺的透明瓶裝液體液位自動檢測[J].自動化與儀表，2012（2）：57-60.