智能外檢系統(tǒng)在滌綸長絲自動包裝線中的應用

暢攀人，王 勇，汪靈瑤，王 薇，張 超

（北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

化纖行業(yè)是中國起步最早、掌握自主核心技術最多和產(chǎn)業(yè)化程度最高的傳統(tǒng)制造業(yè)，作為流程性產(chǎn)業(yè)，具有工藝一致性和標準化程度高等特點。在“中國制造2025”戰(zhàn)略前提下，全自動包裝線已在化纖滌綸長絲生產(chǎn)行業(yè)得到了廣泛應用。滌綸長絲批號與規(guī)格較多，同批號產(chǎn)品需要根據(jù)外觀檢測結果結合卷徑大小區(qū)分出多種產(chǎn)品質(zhì)量等級（AAA級、AA級、A級、B級）進而確定其市場售價，因此外觀檢測這道工序非常重要。在我國現(xiàn)有的滌綸長絲包裝車間里，自動包裝線仍大都沿用傳統(tǒng)的人工外檢方法，即在外檢區(qū)設置一操作控制屏，通過目視法完成外觀檢測后，由外檢人員通過此人機界面輸入絲餅等級、降等原因等外檢信息。但由于人工外檢存在很強的主觀隨意性，誤檢率高，效率低，經(jīng)常給下游客戶造成經(jīng)濟損失。智能外檢系統(tǒng)與人工外檢相比，外觀缺陷檢出率高，檢測速度快，與自動包裝線可實現(xiàn)無縫對接，彌補了人工外檢生產(chǎn)效率不足等缺點。本文以滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)實際需求為基礎，介紹了智能外檢系統(tǒng)應用于滌綸長絲自動包裝線的工作原理，系統(tǒng)特點，工藝流程，與自動包裝線上位機總控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)間的信息交互，智能外檢自主學習功能等，有效推動滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)向自動化、信息化、智能化方向發(fā)展。

1 智能外檢系統(tǒng)簡介

智能外觀缺陷檢測系統(tǒng)集機械、電子、光學、計算機、軟件工程等于一體，運用機器視覺設備代替人眼完成檢測、測量和判斷，具有非接觸、可重復、可靠、精確度高、連續(xù)性、效率高、柔性好等優(yōu)點，適用于人工視覺難以滿足精度、速度要求以及大批量重復性工業(yè)生產(chǎn)的場合。

1.1 智能外觀缺陷檢測系統(tǒng)原理

在自動進料口通過傳感器采集絲餅到位信息，并由此信號觸發(fā)機器視覺系統(tǒng)的圖像攝取裝置，由CCD相機對滌綸長絲絲餅進行360度全方位在線拍照，將滌綸長絲絲餅的外觀形態(tài)轉換成圖像信號，傳送至圖像處理系統(tǒng)。得到滌綸長絲絲餅圖像信息后，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息將其轉變成數(shù)字化信號；圖像處理系統(tǒng)利用深度學習的神經(jīng)網(wǎng)絡算法對數(shù)字化信號進行數(shù)據(jù)特征學習和識別，再根據(jù)滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)提出的工藝標準結合滌綸長絲外檢數(shù)據(jù)庫進行處理和分析，并將處理結果輸送至自動包裝線PLC控制系統(tǒng)的托盤信息DB塊中和上位機人機界面上。工作原理圖如圖1所示。

圖1 智能外檢原理圖

1.2 智能外觀缺陷檢測系統(tǒng)特點

1）具備自學習能力，外觀缺陷檢出率高：

利用深度學習的神經(jīng)網(wǎng)絡算法對滌綸長絲外觀缺陷數(shù)據(jù)進行特征學習和識別，系統(tǒng)具有自主學習的能力。可以在實際生產(chǎn)過程中不斷積累外觀缺陷數(shù)據(jù)，不斷提高算法識別精度，自動更新外檢數(shù)據(jù)庫。

2）檢測速度快：

算法檢測性能優(yōu)異，判定檢測結果時間快，對自動包裝線系統(tǒng)速率無影響。

3）系統(tǒng)模塊化，安裝靈活：

系統(tǒng)采取一體化設計，與自動包裝線無縫對接，大大簡化安裝對接流程，極大地提高了工作效率。

2 滌綸長絲自動包裝線智能外檢工藝流程

在滌綸長絲自動包裝線正常運行時，智能外檢系統(tǒng)可實現(xiàn)24小時100%產(chǎn)品外觀檢測，根據(jù)外觀檢測結果判定產(chǎn)品質(zhì)量等級，剔除滌綸長絲中的不合格品（如毛絲、油污、絆絲、僵絲、紙管損傷、成型不良等），并對降等原因做出歸納統(tǒng)計以便算法修正，智能外檢降等統(tǒng)計如圖2所示。智能外檢系統(tǒng)替換滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有包裝生產(chǎn)線的外觀檢驗人員的同時，各類產(chǎn)品的外觀缺陷檢出率在99%以上，同時通過缺陷特征的識別，反向追溯問題發(fā)生的原點，實現(xiàn)生產(chǎn)線問題的實時反饋和預警。

滌綸長絲自動包裝線智能外檢的工藝流程主要包括從上位機數(shù)據(jù)庫獲取滌綸長絲生產(chǎn)批號及規(guī)格、相機圖像采集、機器視覺圖像處理及分析、PLC控制系統(tǒng)提取外檢信息數(shù)據(jù)、PLC控制系統(tǒng)根據(jù)外檢結果分配去向、空托盤外檢信息清除等。其具體工藝流程如圖3所示。

3 智能外檢系統(tǒng)與自動包裝線信息交互

圖2 智能外檢降等統(tǒng)計

圖3 滌綸長絲自動包裝線智能外檢工藝流程圖

智能外檢系統(tǒng)與滌綸長絲自動包裝線二者相對獨立卻又彼此緊密聯(lián)系。智能外檢具備系統(tǒng)模塊化，自動包裝線也可離線智能外檢系統(tǒng)正常運行。實現(xiàn)智能外檢系統(tǒng)與滌綸長絲自動包裝線的無縫對接，需要二者進行實時信息交互。而自動包裝線中所有信息數(shù)據(jù)均由管理者上位機總控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務器統(tǒng)一管理，通過Pro finet網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，PLC控制系統(tǒng)作為最終執(zhí)行者允許來自遠程對象的PUT/GET通信訪問。因此智能外檢系統(tǒng)與自動包裝線間信息交互主要圍繞著上位機總控系統(tǒng)、包裝線PLC控制系統(tǒng)、智能外檢系統(tǒng)三者進行。其具體信息交互流程如圖4所示。

圖4 自動外檢信息交互圖

智能外檢系統(tǒng)可以訪問同網(wǎng)段的上位機總控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，從總控數(shù)據(jù)庫中獲取滌綸長絲生產(chǎn)批號及規(guī)格，由圖2即可看出獲取的滌綸長絲生產(chǎn)批號及規(guī)格。當智能外檢系統(tǒng)經(jīng)過機器視覺圖像處理及分析得出滌綸長絲絲餅外檢結果后，PLC控制系統(tǒng)在智能外檢系統(tǒng)出料口RFID讀碼器處提取外檢信息數(shù)據(jù)，獲取絲餅自動外檢結果及外觀缺陷因素（外觀1～外觀10），外檢信息數(shù)據(jù)如圖5所示。若滌綸長絲絲餅外檢合格，則不需上傳上位機總控系統(tǒng)直接分配去向至自動裝箱區(qū)；若滌綸長絲絲餅外檢不合格，則需將降等信息由PLC上傳至上位機總控系統(tǒng)，上位機留檔備份返回狀態(tài)后再分配去向至降等緩存區(qū)，以便上位機系統(tǒng)在總控日志中進行降等匯總。上位機外檢降等匯總如表1所示。

圖5 PLC提取外檢信息數(shù)據(jù)

4 智能外檢自主學習功能

智能外檢系統(tǒng)之所以外觀缺陷檢出率高達99%以上，主要是因為智能外檢系統(tǒng)將神經(jīng)網(wǎng)絡算法應用到滌綸長絲外觀缺陷的數(shù)據(jù)特征學習和識別上使其具備自主學習功能。其實質(zhì)在于同一個絲餅外觀集的樣本輸入輸出模式反復作用于神經(jīng)網(wǎng)絡，神經(jīng)網(wǎng)絡按照一定的訓練規(guī)則（Hebb學習規(guī)則、誤差修正學習）自動調(diào)節(jié)外檢項之間的缺陷閾值Wij或拓撲結構，使實際外觀項輸出yj滿足期望的要求或者趨于穩(wěn)定。智能外檢系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結構如圖7所示。Hebb學習規(guī)則公式可表示為：

表1 上位機外檢降等匯總

式中，wij(t+1)為修正一次后的某一缺陷閾值；η為學習因子，表示學習速率的比例常數(shù)；yj(t)，yi(t)分別表示t時刻第j個和第i個外觀項神經(jīng)元的輸出狀態(tài)。

圖6 智能外檢神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲圖

綜上所述，智能外檢系統(tǒng)的自主學習功能主要體現(xiàn)在滌綸長絲絲餅外觀樣本大量采集并作用于神經(jīng)網(wǎng)絡后，外觀項之間的缺陷閾值Wij的變化和神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結構的變化。因此智能外檢系統(tǒng)在未形成標準滌綸長絲外檢數(shù)據(jù)庫，正式投入實際生產(chǎn)前，需要大量采集滌綸長絲絲餅外觀樣本，不斷積累外觀缺陷數(shù)據(jù)，不斷提高算法的識別精度，最終形成符合工業(yè)標準的外檢數(shù)據(jù)庫。

5 結束語

智能外檢系統(tǒng)在滌綸長絲自動包裝線中的應用，是深度學習的神經(jīng)網(wǎng)絡算法在滌綸長絲外觀缺陷的首創(chuàng)應用，所開發(fā)的滌綸長絲生產(chǎn)行業(yè)DTY/FDY/POY等產(chǎn)品的外觀檢測解決方案為行業(yè)首創(chuàng)，在工業(yè)領域的機器視覺整體方案上，開拓了行業(yè)先河。其可以快速處理檢測信息，同滌綸長絲自動包裝線實現(xiàn)無縫對接，有效建立滌綸長絲外檢數(shù)據(jù)庫，自主學習并實時更新外檢數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)智能外觀檢測，降低外觀檢驗人員的數(shù)量，提高滌綸長絲自動包裝線整體工作效率，保障滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力。隨著智能外檢系統(tǒng)自身的成熟和發(fā)展，相信它將在未來滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)中得到更廣泛的應用，推動滌綸長絲生產(chǎn)企業(yè)向自動化、信息化、智能化的方向邁進，助力化纖行業(yè)實現(xiàn)“智能智造”。