摘要：在啤酒生產(chǎn)過(guò)程中傳統的人工檢測已不能跟上高速的生產(chǎn)線(xiàn)，基于機器視覺(jué)、自動(dòng)化控制的空瓶檢測機（EBI）實(shí)現了對空瓶的檢測。設計一套基于貝加萊PCC控制系統的空瓶檢測機控制方案，來(lái)實(shí)現對空瓶檢測機的自動(dòng)化控制。

　　關(guān)鍵字：空瓶檢測機、貝加萊、EBI、PCC、檢測

　　Abstract：The process of beer production in the traditional manual detection can not keep up with the high-speed production line, based on machine vision, automatic control of the EBI to achieve inspector on the bottles. The detection of aircraft control system was designed with B & R PCC, empty bottles inspector to achieve automation and control plane.

　　Key words：empty bottle inspector;B﹠R;EBI;PCC;detection

　　一、 空瓶檢測機（EBI）設計概要

　　1.1空瓶檢測機應用領(lǐng)域

　　中國制造業(yè)的高速發(fā)展給工廠(chǎng)自動(dòng)化帶來(lái)前所未有的機遇。工廠(chǎng)的管理者已深刻地體會(huì )到一些關(guān)鍵環(huán)節的自動(dòng)檢測設備不僅能帶來(lái)更高的效率，并且能更大限度地降低成本。隨著(zhù)市場(chǎng)競爭的加劇，啤酒飲料制造企業(yè)越來(lái)越清楚地認識到，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，是決定企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)成敗的關(guān)鍵。隨著(zhù)在線(xiàn)檢測技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，可以預計，它啤酒飲料食品制造企業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應用 。中國啤酒集團的公司，例如：燕京啤酒集團公司、青島啤酒集團公司、華潤啤酒集團公司、深圳金威公司、珠江啤酒集團公司等等。隨著(zhù)生產(chǎn)線(xiàn)速度的提高，質(zhì)量品質(zhì)的提升，這些集團公司也已經(jīng)把驗瓶機等檢測設備，列為生產(chǎn)關(guān)鍵設備。

　　目前國內啤酒飲料行業(yè)配備的空瓶檢測機在線(xiàn)檢測設備微乎其微，這僅有的一些空瓶檢測設備絕大部分依賴(lài)于進(jìn)口。目前空瓶檢測機的品牌比較少，表現為高度集中，有德國的HEUFT、KRONES、MIHO，美國的飛達，日本的KTS，德國品牌壟斷著(zhù)市場(chǎng)的絕大部分份額。國外空瓶檢測機的特點(diǎn)：適應性差、價(jià)格高昂及維護費用讓廠(chǎng)家倍感頭痛。迫切的需要國內研發(fā)類(lèi)似設備來(lái)填補這片空白。

　　1.2驗瓶機的設計原理

　　驗瓶機要實(shí)現的功能是對啤酒瓶進(jìn)行全方位的檢測，將檢測的結果信號送給控制系統，控制系統對接收到的信號進(jìn)行分析匯總，控制單段式或多段式剔除器將不合格的瓶子剔除。檢測系統分六大檢測模塊：進(jìn)瓶檢測模塊、側壁檢測模塊1、瓶口檢測模塊、瓶底檢測模塊、側壁檢測模塊2、殘留液檢測模塊。如圖1所示：

圖 1  EBI功能分布圖

　　各模塊的檢測功能：

　　1進(jìn)瓶檢測模塊：檢測異型瓶或嚴重破損瓶，防止其進(jìn)入空瓶檢測機系統而對機器造成損害。

　　2側壁檢測模塊1：檢測瓶壁是否有污斑或者嚴重破損。

　　3瓶口檢測模塊：主要檢測瓶口是否存在破損或污斑。

　　4瓶底檢測模塊：主要檢測瓶底是否存在污斑。

　　5側壁檢測模塊2：瓶子通過(guò)夾瓶皮帶旋轉90度，進(jìn)行第二次側壁檢測，保證了瓶壁檢測無(wú)死點(diǎn)。

　　6殘留液檢測模塊：主要檢測瓶中是否有殘留的液體存在。

　　視覺(jué)檢測系統的工作原理是：

　　通過(guò)特殊設計的LED光源打光，CCD相機拍照，將拍取的照片信息送到圖像處理器系統，圖像處理器對照片進(jìn)行處理分析，判定拍取的照片是否合格，并將合格信號送出給控制系統。

　　殘留液檢測的工作原理是：

　　采用高頻發(fā)射器發(fā)出高頻信號，有殘留液的瓶子經(jīng)過(guò)此檢測模塊時(shí)，引起高頻信號波動(dòng)，通過(guò)判定信號的波動(dòng)，將判定的不合格瓶子的信息送達控制系統。

　　控制系統的功能是：

　　控制系統跟蹤無(wú)壓力控制鏈道上的瓶子，并收集圖像處理的信息，進(jìn)行匯總分析，將結果賦予瓶子，當瓶子到達剔除器的時(shí)候將不合格品剔除?？刂葡到y要求使用性能穩定、結構緊湊、工作可靠、功能更強、調試維護更方便，貝加萊（B﹠R）的PCC控制系統兼具以上優(yōu)點(diǎn)從而被作為系統的底層控制單元，其優(yōu)勢特點(diǎn)十分明顯。

　　1.3 機器系統設計的初衷

　　隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，啤酒企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)速度在不斷的提高，由原來(lái)的18000瓶/小時(shí)提升到28000瓶/小時(shí)、36000瓶/小時(shí)、42000瓶/小時(shí)。像美國飛達等旋轉式的EBI已無(wú)法達到速度要求，直線(xiàn)式的EBI應運而生。

　　二、 性能和功能要求

　　2.1 機器的性能要求

　　現國內啤酒生產(chǎn)線(xiàn)普遍的速度要求為28000瓶/小時(shí)或者36000瓶/小時(shí)，生產(chǎn)速度的提升，需要用直線(xiàn)式的EBI，對控制系統提出了新的要求，接收處理信號的能力要提升；需要借助編碼器對瓶子進(jìn)行全程的跟蹤定位，所以要求控制系統讀取編碼器的值必須迅速而且準確。西門(mén)子及歐姆龍的PLC進(jìn)行控制發(fā)現，實(shí)時(shí)性比較差，使用梯形圖編程對這樣的控制程序編寫(xiě)比較復雜。面對這些特殊的控制要求貝加萊PCC的優(yōu)勢凸顯出來(lái)，其可以使用C等高級語(yǔ)言編程，其中的TPU功能可以解決信號接收滯后及讀取編碼器不夠及時(shí)的問(wèn)題，另外可輕易的利用PVI通訊借助工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現與上位機VB程序的通訊。

　　2.2 機器的功能需求

　　控制系統需要將圖像處理器返回的信號進(jìn)行記錄，做出各種數據信息的統計分析，提供給上位機；對各個(gè)瓶子進(jìn)行跟蹤定位，對檢測到的不合格品進(jìn)行定位，到達剔除器位置時(shí)，將不合格瓶子準確剔除，剔除的瓶子倒瓶率不能高于5% ?？刂葡到y穩定可靠，突然掉電再上電后能順利啟動(dòng)。

　　EBI的全程定位光電的分布如圖2所示：

圖 2  光電分布圖

　　控制系統的思路為：

　　瓶子在鏈道上運行首先觸發(fā)前側壁光電，用一個(gè)結構體數組A 記錄其當前的編碼器的值，和前壁檢測的好壞信息。瓶口光電觸發(fā)記錄當前的編碼器的值，然后將當前的編碼器的值減去瓶口光電到前壁光電之間的脈沖距離REMOVE1，然后在一個(gè)容差范圍△內（即REMOVE1±△范圍內）查找前側壁結構體數組里編碼器的值，找到此瓶的記錄前側壁檢測的好壞信息，拷貝到瓶口的結構體數組中，并記錄下瓶口檢測的好壞信息。如果在前側壁結構體數組中找不到此瓶則認為此瓶是多出的瓶子，可能是滑動(dòng)過(guò)大或者是人為插入的瓶子，將此瓶記錄為不合格瓶。同理瓶底光電觸發(fā)去查瓶口的結構體數組，后壁光電觸發(fā)去查瓶底的結構體數組，剔除光電觸發(fā)則去查后壁結構體數組。到了剔除光電的結構體數組則匯集了當前光電觸發(fā)編碼器值及前壁、瓶口、瓶底、后壁檢測的所有信息。通過(guò)監控當前的編碼器值和剔除結構體數組的信息來(lái)決定是否讓剔除器動(dòng)作來(lái)將瓶子剔除。

　　此控制思路的優(yōu)點(diǎn)是：

　　1） 每個(gè)光電觸發(fā)的時(shí)候來(lái)校正上個(gè)光電到這個(gè)光電距離內瓶子在鏈道上的滑動(dòng)，使其定位更加的準確；　　

　　2） 所有模塊的檢測都是獨立的，便于分開(kāi)各個(gè)模塊獨立運行?？梢躁P(guān)閉任意一個(gè)功能塊而不影響其他模塊的檢測；

　　3） 解決了瓶子在檢測過(guò)程中由于多瓶或少瓶而引起的信號錯亂的問(wèn)題。

　　三、  系統分析

　　3.1 系統的難點(diǎn)

　　EBI控制系統設計的難點(diǎn)在于：

　　1) 對瓶子的跟蹤定位，由于瓶子在鏈道運行過(guò)程中有可能會(huì )出現掉瓶情況，以及人為放入瓶子的情況，因此利用瓶子計數方式進(jìn)行控制是行不通的；另外瓶子在鏈道運行的過(guò)程中會(huì )由于速度的變化等原因而產(chǎn)生小范圍的滑動(dòng)，要對瓶子進(jìn)行跟蹤，必須要消除這些小范圍滑動(dòng)帶來(lái)的影響，并且還要識別出是否有缺失的瓶子或者人為原因多加入的瓶子，并對人為加入或者滑動(dòng)過(guò)大的瓶子剔除，保證檢測質(zhì)量。

　　2) 對不合格瓶子進(jìn)行精確剔除，剔除裝置是依靠電磁閥、汽缸來(lái)驅動(dòng)的，其接收到信號到其啟動(dòng)需要一定的時(shí)間△t，這個(gè)時(shí)間在速度很低的情況下不會(huì )產(chǎn)生太大的影響，但在高速狀態(tài)下就足以對剔除瓶子的精度產(chǎn)生影響，致使不合格瓶子剔除不掉或者剔除到多排鏈道的瓶子大量?jì)A倒。

　　3) 對統計的數據信息進(jìn)行分析，并與上位機進(jìn)行通信。上位機承擔有接收圖形處理器發(fā)來(lái)的圖像信息，因此要求控制系統盡量少的占有上位機的資源。

　　EBI控制系統不同于別的對機械過(guò)程的控制，機械過(guò)程的控制基本來(lái)說(shuō)都是數字邏輯的控制，但對EBI的控制卻有著(zhù)很大的不同。要求控制系統必須能快速的接收光電觸發(fā)傳入的信號，并準確的將編碼器的值讀出。

　　EBI控制定位系統流程圖如圖3所示：

圖 3  定位控制流程圖

　　在自動(dòng)運行狀態(tài)下，PCC主要負責檢測空瓶位置信息，準確控制剔除器動(dòng)作。由于空瓶檢測不是由PCC完成，而是由專(zhuān)用的圖像處理與識別子系統來(lái)完成，檢測結果由控制主機傳送給PCC，并且剔除器是在空瓶檢測機的輸出口，即若發(fā)現次瓶，必須等該瓶到達擊出位置時(shí)才能將其擊出，所以如何在空瓶的高速連續傳送當中協(xié)調好空瓶檢測與剔除器的動(dòng)作，是該系統控制的另一個(gè)關(guān)鍵所在。

　　控制流程圖如圖4所示：

圖 4  剔除控制流程圖

　　對于線(xiàn)性補償值的計算，采用多點(diǎn)擬合的辦法，用MATLAB擬合的曲線(xiàn)圖為：

圖 5  線(xiàn)性補償擬合圖

　　3.2 貝加萊實(shí)現

　　在貝加萊PCC控制SG3系統中的一款CPU，名稱(chēng)為CP476具備TPU（時(shí)間處理器），其有輸入識別/輸入邊沿觸發(fā)計數器、輸出比較器、脈寬調制等功能。只需要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的配置，就可以在程序中調用其功能塊，實(shí)現對編碼器的準確跟蹤，快速的對光電觸發(fā)發(fā)出的信號做出響應。

　　貝加萊PCC控制系統與上位機的通訊程序編寫(xiě)比較簡(jiǎn)單，并且只有當控制系統統計的數據發(fā)生變化的時(shí)候才更新產(chǎn)生通訊動(dòng)作，對上位機的數據進(jìn)行更新，盡量的節省了上位機的CPU資源來(lái)進(jìn)行圖像處理信息的操作。

　　貝加萊的培訓及技術(shù)支持是比較到位的，網(wǎng)站上定期有培訓時(shí)間課程安排、培訓資料等信息的發(fā)布，遇到問(wèn)題技術(shù)工程師能到現場(chǎng)指導解決。

　　經(jīng)測定2.5米距離上對瓶子定位誤差為100個(gè)脈沖以?xún)?，折合?shí)際距離為小于1厘米，能夠達到檢測的定位要求?，F場(chǎng)測試發(fā)現230000個(gè)瓶子中有50個(gè)瓶子未能定位成功，比率為0.22‰，精度達到設計要求。

　　四、 系統架構與特點(diǎn)

　　4.1 系統架構圖

　　本系統需求IO統計需要24路數字量輸入，15路數字量輸出，其中需要有編碼器處理功能。貝加萊控制系統的配置為：

　　CP476典型的指令周期為0.5us，帶一個(gè)時(shí)間處理器（TPU）實(shí)現微秒級的高速信號處理。DI140為旋入式模塊，前7個(gè)輸入口的硬件響應≤3us，為高速數字量輸入模塊。

　　第一塊DI140用于TPU帶Link功能的編碼器的輸入；第二、三塊用于跟蹤定位光電傳感器信號的輸入；DO135帶有的TPU功能中編碼器比較輸出能快速準確講不合格瓶剔除，用于剔除器輸出啟動(dòng)信號；普通的輸入輸出模塊DM465用于外圍控制，如掉瓶、擠瓶保護，操作面板的控制等；IF681帶有一個(gè)RJ45接口，主要用于和上位機借助工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

　　EBI系統的框架圖為：

圖 6  系統框架圖

　　4.2 硬件特點(diǎn)

　　現階段36000瓶/小時(shí)的國內啤酒生產(chǎn)線(xiàn)是比較熱門(mén)的，折算為10瓶/秒。速度是比較快的，要達到對瓶子的精確定位，要求控制系統的響應時(shí)間是比較高的。在此采用了貝加萊控制系統的時(shí)間處理(TPU)模塊，其Link功能實(shí)現了高速的信號及編碼器脈沖數值的讀取，高速精確輸出保證了剔除不合格瓶子的精度。

　　五、 客戶(hù)評價(jià)

　　現EBI為我公司開(kāi)發(fā)的第三代產(chǎn)品，已在燕京啤酒廠(chǎng)、青島朝日啤酒廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)上運行，并得到了客戶(hù)的一致好評。山東萬(wàn)世德檢測包裝系統技術(shù)有限公司自主研發(fā)的EBI，代表國內同類(lèi)產(chǎn)品的最高水平。與國外同類(lèi)產(chǎn)品相比性能差異不大，某些方面比如控制系統采用貝加萊（B﹠R）PCC控制系統，分布式的控制結構，特殊高速的控制模塊，已優(yōu)于國外產(chǎn)品。德國海富、克朗斯同行也給予了很高的評價(jià)，稱(chēng)是中國第一款真正意義上的EBI。

　　現國內市場(chǎng)的EBI被國外產(chǎn)品所壟斷，一直以來(lái)沒(méi)有中國自己的同類(lèi)產(chǎn)品。這款設備推出以后立刻引起了國內外的關(guān)注。很多啤酒廠(chǎng)家有意購買(mǎi)國產(chǎn)EBI。國外EBI生產(chǎn)廠(chǎng)家也已感到威脅，現為增加競爭力開(kāi)始大幅降價(jià)，并正式將萬(wàn)世德列為其競爭對手。

　　李士釗，男，1982年12月出生于山東省新泰市，2003年就讀于山東科技大學(xué)信息學(xué)院計算機科學(xué)于技術(shù)專(zhuān)業(yè)，本科學(xué)歷。畢業(yè)后就職于山東萬(wàn)世德檢測包裝系統技術(shù)有限公司，開(kāi)始EBI等視覺(jué)檢測設備的開(kāi)發(fā)工作至今，主要負責工控機及控制系統的選購、底層通信、控制系統開(kāi)發(fā)、圖像采集等工作。