基于遠程調控的煙包外觀視覺檢測系統的研發

楊彩虹，蔡培良，易進參，金學鵬，呂國強，黃莉，張晶

基于遠程調控的煙包外觀視覺檢測系統的研發

楊彩虹，蔡培良，易進參，金學鵬，呂國強，黃莉，張晶

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠，云南 曲靖 655001）

小盒煙包在包裹過程中易出現煙包內框紙破損、脫落、丟失，以及鋁箔紙破損、刮爛等缺陷，為解決在完全包裹好小盒商標紙之前，GD包裝機未對這些缺陷進行相關檢測和剔除而帶來的質量風險問題。通過對視覺技術的研究、全方位可旋轉支架的設計制作、PLC控制程序的設計與IPC系統融合等，設計一種新型煙包外觀視覺檢測裝置；通過多次實驗調整可旋轉支架的角度確定檢測的最佳安裝位置及角度；采用高斯核濾波、卷積等方法對圖像進行預處理，采用相對熵對顏色相近的鋁箔紙與內框紙進行圖像處理分析；利用In–Sight資源管理器，并結合遠程控制設計，實現對煙包內框紙、鋁箔紙與商標紙同時檢測的遠程調試與監測。該新型外觀視覺檢測裝置安裝后，實現在完全包裹好小盒商標紙之前對煙包鋁箔紙、內框紙與商標紙的精確檢測，缺陷煙包的產品檢測剔除率≥99.99%，誤檢率≤0.01%。所設計的新型小盒煙包外觀檢測裝置能在完全包裹好小盒商標紙之前遠程調試與監測煙包內框紙、鋁箔紙與商標紙，并對缺陷煙包進行準確剔除，降低有缺陷煙包進入下道工序的風險，可推廣應用于煙草行業內所有包裝設備上。

GD包裝機；5號輪第5工位；高斯核；相對熵；In–Sight資源管理器；遠程監控

GDX2硬盒包裝機（以下簡稱為GDX2）為國內主流中高速煙草包裝設備。煙包經過3號輪、4號輪完成鋁箔紙、內框紙的包裹，然后進入5號輪進行小盒商標紙的包裹，完成商標紙包裹的煙包通過6號輪、7號輪加熱烙燙后傳送到煙包輸送帶，從而完成整個小盒煙包的包裹。在小盒煙包包裹過程中，容易出現內框紙破損、脫落或丟失，鋁箔紙破損、刮爛、商標紙磨損等問題，這些缺陷煙包經過5號輪后完全被小盒商標紙包裹起來，無法再對其內部缺陷進行檢測及剔除，而原機5號輪在未完全包裹小盒商標紙之前沒有相關檢測對上述缺陷煙包進行檢測和剔除，故存在一定的質量風險。潘安岳[1]通過在5號輪加裝2個電感式傳感器、李忠科等[2]在5號輪墻體位置通過增加2個接近開關的方法實現對5號輪包裝過程中產生的鋁箔紙缺陷產品進行檢測，但對內框紙和商標紙的缺陷產品不能有效檢測和剔除，同時，安裝位置不利于檢修和調試；古勁聲等[3]設計了基于機器視覺的內框紙自動檢測裝置，只針對內框紙進行檢測，不能同時對3種輔料進行檢測；為降低包裝過程中摩擦等因素的影響，王濤等[4]分析了產生“磨痕”的原因,并采用毛刷方式減少包裝過程中“磨痕”煙包的數量。上述研究采用不同的方法來單一的檢測鋁箔紙、內框紙、商標紙等，但不能對三者同時進行檢測，而上述缺陷煙包具有偶發性和間斷性，給產品質量帶來風險。故通過對GDX2工藝流程的分析，借鑒相關機器視覺技術[5-6]，在GDX2的5號輪第5工位處（小盒商標紙剛好包裹之前）進行視覺檢測裝置的設計，通過圖像識別技術[7-8]，判斷該煙包內的內框紙、鋁箔紙及商標紙是否完好，通過移位控制與遠程控制設計[9]，將生產中存在質量缺陷的煙包在6號輪剔除口自動準確剔除，保證產品質量，降低缺陷產品流入下道工序的風險。

1 問題分析

如圖1所示，在GDX2包裝生產過程中，內框紙經裁切機構裁切后傳送至4號輪，在4號輪的第2工位檢測內框紙是否存在，經2號輪、3號輪完成鋁箔紙包裝的煙包在4號輪的第3工位與內框紙匯合，然后由4號輪的第7工位進入5號輪；匯合后的煙包與傳送來的商標紙在5號輪相匯合，后由推桿向上推出進入5號輪第1工位，在該工位，由色標傳感器[10]檢測商標紙是否存在；在5號輪第2工位處，由金屬傳感器[11]檢測煙包鋁箔紙是否存在；煙包在5號輪的折疊與旋轉臂處完成商標紙的部分折疊與傳送，5號輪第5工位（即GDX2的第123號工位）剛好處于5輪頂部位置，且該工位是商標紙剛好完全包裹煙包的前一個工位，后續工位煙包完成商標紙包裹，故無法對煙包內的內框紙與鋁箔紙的缺陷進行檢測。煙包在5號輪的折疊與旋轉過程中，容易導致內框紙破損、脫落、丟失及鋁箔紙破損、刮爛等問題產生，而產生上述缺陷的煙包在5號輪處被小盒商標紙包裹起來，無法對其進行檢測和剔除，且原機系統在5號輪處沒有相關檢測對上述缺陷煙包在未包裹小盒商標紙之前對其進行檢測和剔除，給產品質量帶來風險。同時，煙包內框紙與鋁箔紙缺陷的產生具有不定時、隨機性的特點，僅靠操作人員無法控制，而設備又不能杜絕上述問題的發生，一旦產生上述缺陷的煙包時，需要排查大量產品，造成人力物力的浪費，降低設備效率，產品質量風險加大。

圖1 GDX2包裝機生產流程簡圖

2 5號輪外觀視覺檢測系統

為解決上述問題，借鑒相關視覺檢測系統[12-13]，設計一套能對煙包商標紙、內框紙與鋁箔紙3種輔料同時檢測的遠程調控的外觀視覺檢測系統，該檢測系統能在剛好包裹商標紙之前對煙包的鋁箔紙、內框紙和商標紙進行同時檢測，并對缺陷煙包進行準確剔除，杜絕商標紙包裹后無法對煙包的內框紙、鋁箔紙缺陷進行檢測而造成缺陷產品流入下道工序的情況發生，保證產品質量。

2.1 視覺檢測系統組成

通過檢測位置的工藝流程分析、萬向連接支架的設計與制作、智能相機的安裝分析等研究設計出一套新型煙包外觀視覺檢測系統，該外觀檢測系統由智能相機、LED光源、PLC等組成，其檢測系統的組成見圖2。

圖2 外觀視覺檢測系統組成

為保證檢測系統的精確性與穩定性，按照設備最大速度400包/min進行計算，5號輪共計8個工位，計算得出每個工位的停頓時間150 ms，為保證原機的正常運行并保證檢測的精確性，采用康耐視1400以上智能相機，利用原機的MES顯示屏與網絡實現對檢測系統的實時監控，并利用光耦把檢測系統的輸出信號接入原機的剔除點，實現檢測系統剔除的精確性。

2.2 視覺檢測系統原理

生產中，煙包在5號輪的第5工位進行商標紙的最終折疊成型，此時5號輪的第5工位的停頓相位在235°～260°，經多次試驗，243°相位是商標紙剛好未完全折疊包裹在煙包上，將該相位作為相機拍照信號、光源的觸發信號，原機PLC輸出DC24 V給光電耦合器A，光電耦合器A接通，其常開觸頭閉合，DC24 V送入智能相機，智能相機觸發拍照，對5號輪的第5工位的煙包在未包裹商標紙前進行拍照，拍攝的照片在智能相機內進行識別、圖像算法、灰度處理等一系列分析處理[14-15]，與設定的圖像進行比對，如果其處理計算值超出設定值，則該煙包判斷為存在質量缺陷，此時智能相機輸出高電平控制光電耦合器B的線圈端，光電耦合器B導通，DC24 V送入原機PLC輸入端，原機PLC程序移位值達到設定值，PLC控制器輸出控制6號輪剔除電磁閥，將該缺陷煙包準確剔除，從而實現檢測的準確剔除、與原機運行速度的匹配。

同時，利用原機的上位機，通過控制程序的融合與遠程控制設計[16]，用戶可通過上位機對智能相機各檢測窗口基準參數設定、對智能相機的拍照觸發使能信號相位、缺陷煙包剔除移位步數、剔除煙包數量等相關參數進行調整，也可實時查看剔除數據等，從而實現小盒煙包在未包裹商標紙前對內框紙、鋁箔紙與商標紙3種輔料的在線精確檢測和準確剔除，外觀視覺檢測系統的控制原理見圖3。

2.3 視覺檢測系統最佳檢測位置分析

對GDX2的工藝流程分析，要實現對煙包內框紙、鋁箔紙與商標紙的同時檢測，必須在商標紙完全包裹煙包前進行檢測。GDX2小盒煙包的3種輔料只在5號輪同時存在，5號輪第5工位（GDX2的第123工位）是商標紙剛好包裹煙包的前一工位，后續工位煙包被商標紙完全包裹，無法對煙包內的輔料進行檢測，故外觀檢測系統需安裝在5號輪第5工位及以前工位；同時，煙包內框紙、鋁箔紙與商標紙在5號輪的第1工位才匯合，要同時檢測3種輔料，外觀檢測系統必須安裝在5號輪的第1工位及以后。5號輪的第1工位需完成商標紙與煙包的交接與輸送，且空間狹小，不利于檢測系統安裝；5號輪的第1、第2、第3與第4工位主要是商標紙的部分折疊與包裹，且這幾個工位外側均有護板裝置，使小盒煙包正面無法裸露出來，故檢測裝置不能在這4個工位進行拍照檢測；煙包到達GDX2第123工位時，在該工位進行商標紙的正面上部和下部折疊成型，在2個折疊臂剛要折疊前，整個煙包正面的鋁箔紙、內框紙全部裸露，視覺檢測效果較好，且上部空間充足利于檢測系統安裝。

圖3 外觀視覺檢測系統原理簡圖

經綜合分析，5號輪的第5工位（即GDX2第123工位）的斜上方，空間充足利于檢測裝置的安裝；5號輪頂部空間位置的光照視野良好，利于檢測效果；其最佳檢測安裝位置見圖4。

圖4 GDX2 5號輪外觀檢測系統最佳檢測位置確定

相機與光源安裝在萬向連接支架上，支架固定在GDX2的機器墻體上，通過調整萬向連接支架的角度，實現相機與光源的上下/左右/旋轉調整，通過多次試驗調整萬向連接支架的角度，最終確定如圖12所示的支架角度，保證相機對GDX2第123工位的煙包進行最佳角度拍照以及光源的最佳照射角度，保證檢測的精準性。

2.4 圖像處理

相機采集的圖像無論采用哪種圖像分析工具，首先要對圖像進行濾波處理，在保留圖像細節特征的條件下對目標圖像的噪聲進行抑制，圖像濾波的處理效果將直接影響到后續圖像處理和分析的有效性和可靠性。一般視覺系統采用均值或中值濾波，而均值濾波容易產生邊界模糊、細節特征丟失嚴重等問題，中值濾波比均值濾波稍好，但當圖像增大時，圖像的邊界模糊效應還是存在，不可避免地會破壞圖像的線段、銳角等信息。

育秧環節工序復雜、操作繁瑣、技術性強、各項要求嚴格，而農村里大量勞動力外出務工，在家務農的多為年齡大、文化程度低的農民，農民們掌握技術有難度，導致機插秧技術推廣難度增加。

圖5 萬向連接支架

文中利用形態學運算所具有的幾何特征和良好的代數性質，主要采用卷積與微分運算進行濾波，既能有效濾除噪聲，又能完整保留圖像細節

首先采用5×5高斯核對整合后的圖像進行濾波，高斯核如下：

圖6 5×5高斯核濾波處理

圖7 移位處理后的5×5高斯核

將處理后的高斯核和圖像窗口中每一個點作卷積運算，再將運算結果除以2的15次方, 即存儲器中二進制右移15位，可得到濾波后的圖像。這樣極大的提升了計算速度，且降低了硬件成本，不需要昂貴的支持浮點運算的處理器。

對圖像水平方向（方向）求導，求出圖像各點的梯度。同樣采用5×5卷積核對濾波后的圖像方向取偏導數。其卷積核如下：

圖8 圖像x方向的5×5高斯核

同理，對圖像垂直方向（方向）求導，求出圖像各點的梯度，即圖像每點的幅度和相位。采用5×5卷積核對濾波后的圖像方向取偏導數，其卷積核如下：

圖9 圖像y方向的5×5高斯核

2.5 In–Sight資源管理器與相對熵檢測

In–Sight資源管理器軟件是智能相機的調校工具，通過In–Sight軟件可對檢測的相關參數進行調校。由于每個智能相機有唯一的IP地址，進入軟件后，首先通過“In–Sight網絡”查找并連接智能相機，通過編輯與工具分析添加需要的檢測工具。

由于鋁箔紙與內框紙的顏色較為接近，使用一般的檢測無法進行有效檢測，將高斯處理后的圖像各點的相位分為32類（0～31），并計算出每類的概類值。

式中：x為圖像每個窗口中的各個相位特征向量；()為正常圖像每個窗口中相位特征的概率分布；()為被檢測圖像每個窗口中相位特征的概率分布；()為相對熵，值在0到1之間。根據相對熵可判斷顏色近似的鋁箔紙與內框紙及其紋路變化，實現對鋁箔紙與內框紙的檢測識別。生產實際中，相對熵設為0.5，小于該設定值，表明內框紙與鋁箔紙的顏色與紋路接近，鋁箔紙與內框紙相似度高，值越小，越接近于0，表明內框紙丟失或鋁紙丟失；相對熵大于該設定值，表明內框紙與鋁箔紙存在。

In–Sight資源管理器軟件中含有多種檢測工具，其工作界面簡圖見圖10。

2.6 IPC控制系統的融合與遠程調控

檢測系統的可視化人機界面采用原機MES顯示屏，不需外掛設備，在MES工控機上安裝智能相機應用軟件In–Sight，通過以太網將智能相機與MES工控機連接，MES工控機通過機器寶與IPC控制系統實現數據交換，IPC控制系統采用EtherCAT分布式網絡，其從站實現對智能相機的拍照使能、移位剔除的控制，從而實現檢測系統與IPC控制系統的融合。現場可在MES顯示屏上通過以太網實現對檢測系統的參數調校；同時，智能相機與MES工控機通過TCP/IP協議將設定在同一網段內，在同一網段內，對應的每個智能相機都有唯一的IP地址，用戶通過遠程控制臺，輸入IP地址，即可通過機器寶連接該智能相機進行遠程監控[18-19]檢測系統是否正常、查看、調試檢測系統的檢測窗口、參數及檢測基準電壓值、拍照使能相位及缺陷煙包移位步數等參數，在不需中斷生產流程的前提下，即可實現遠程在線對5號輪模盒內的煙包商標紙、內框紙及鋁箔紙進行檢測，并將存在缺陷的產品在6輪進行準確剔除。檢測系統的網絡連接與遠程監控簡圖見圖11。

圖10 In-sigh資源管理器軟件工作界面簡圖

圖11 檢測系統控制及遠程調控簡圖

3 應用效果

為了驗證該檢測系統的效果，隨機抽取1組GDX2包裝機作為實驗對象，連續運行7個工作日，每天對下游操作人員自檢返回的缺陷煙包、GDX2 6號輪剔除口剔除缺陷煙包數量進行統計，統計數據見表1，安裝后的檢測及運行實物圖見圖12。

表1 安裝檢測系統前后缺陷煙包統計表

Tab.1 Statistical table of defective cigarette packets before and after installation of inspection system

注：缺陷煙包樣品包含內框紙脫落、內框紙破損、無鋁箔紙、鋁箔紙破損、無商標紙、商標紙破損6類缺陷煙包。

圖12 檢測運行及實物圖

從表1的統計結果表明，安裝該檢測系統前后煙包的缺陷產品總量基本一致，平均每周產生的上述缺陷煙包為104包，安裝后，存在缺陷的煙包在GDX2的6號輪剔除口均能準確剔除，下游操作人員自檢返回的缺陷煙包數量為0。通過對檢測系統試運行一周的運行結果表明，該檢測系統不合格品的檢測準確性≥99.99%，誤檢率≤0.01%。

4 結語

文中在GDX2 5號輪處設計一種新型煙包外觀視覺檢測裝置，綜合智能相機分析、萬向連接支架的制作與安裝、控制程序的設計與編寫、高斯核與相對熵等處理方法，實現對5輪煙包的高效檢測及缺陷煙包的精準剔除。該GDX2 5號輪處煙包外觀檢測系統安裝后，對缺陷煙包的檢測準確性≥99.99%，誤檢率≤0.01%。該外觀檢測裝置能提升產品質量、降低物耗，提高設備作業率，降低有缺陷煙包進入下道工序的風險，可推廣應用于煙草行業內所有包裝機機組設備上。

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Research and Development of Visual Inspection System of Cigarette Packet Based on Remote Control

YANG Cai-hong, CAI Pei-liang, YI Jin-can, JIN Xue-peng, LYU Guo-qiang, HUANG Li, ZHANG Jing

(Qujing Cigarette Factory, Hongyun Honghe (Group) Co., Ltd., Yunnan Qujing 655001, China)

The work aims to solve the quality risk problem caused by failure of GD packaging machine to detect and reject defects before completely wrapping small cigarette packets, because small cigarette packets are prone to breakage, shedding and loss of inner frame paper and breakage and scratching of aluminum foil paper. A new type of visual inspection device for cigarette packet appearance was designed through the study on visual technology, design and fabrication of all-round rotating bracket, integration of PLC control program and IPC system, etc. The angle of rotating bracket was adjusted through many experiments to determine the best installation position and angle for detection. Gaussian kernel filtering, convolution and other methods were used to preprocess the images, and relative entropy was used to analyze the images of aluminum foil paper and inner frame paper with similar colors.In–Sight Explore was combined with remote control design to realize the remote debugging and monitoring of cigarette packet inner frame paper, aluminum foil paper and trademark paper. After the installation of the new visual inspection device, accurate detection of cigarette packet aluminum foil paper, inner frame paper and trademark paper was realized before the trademark paper of small packet was completely wrapped. The detection rejection rate of defective cigarette packets was ≥99.99%, and the error detection rate was ≤0.01%. The designed visual inspection device for small packet can remotely debug and monitor the inner frame paper, aluminum foil paper and trademark paper before the small cigarette packet is completely wrapped, and accurately remove the defective cigarette packets, thus reducing the risk of defective cigarette packets entering the next process and can be popularized and applied to all packaging equipment in the tobacco industry.

GD packing machine; station 5 of round 5; Gaussian kernel; relative entropy; In–Sight Explore; remote monitoring

TS434；TB487

A

1001-3563(2022)17-0289-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.038

2022–02–21

云南省科技項目（018BA087）

楊彩虹（1985—），女，碩士，助理工程師，主要研究方向為煙草裝備電氣維修及檢測。

責任編輯：曾鈺嬋