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    摘要：在啤酒生產(chǎn)過(guò)程中傳統(tǒng)的人工檢測(cè)已不能跟上高速的生產(chǎn)線，基于機(jī)器視覺(jué)、自動(dòng)化控制的空瓶檢測(cè)機(jī)（EBI）實(shí)現(xiàn)了對(duì)空瓶的檢測(cè)。設(shè)計(jì)一套基于貝加萊PCC控制系統(tǒng)的空瓶檢測(cè)機(jī)控制方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空瓶檢測(cè)機(jī)的自動(dòng)化控制。

　　關(guān)鍵字：空瓶檢測(cè)機(jī)、貝加萊、EBI、PCC、檢測(cè)

　　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(cè)機(jī)（EBI）設(shè)計(jì)概要

　　1.1空瓶檢測(cè)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

　　中國(guó)制造業(yè)的高速發(fā)展給工廠自動(dòng)化帶來(lái)前所未有的機(jī)遇。工廠的管理者已深刻地體會(huì)到一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備不僅能帶來(lái)更高的效率，并且能更大限度地降低成本。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，啤酒飲料制造企業(yè)越來(lái)越清楚地認(rèn)識(shí)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。隨著在線檢測(cè)技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，可以預(yù)計(jì)，它啤酒飲料食品制造企業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 。中國(guó)啤酒集團(tuán)的公司，例如：燕京啤酒集團(tuán)公司、青島啤酒集團(tuán)公司、華潤(rùn)啤酒集團(tuán)公司、深圳金威公司、珠江啤酒集團(tuán)公司等等。隨著生產(chǎn)線速度的提高，質(zhì)量品質(zhì)的提升，這些集團(tuán)公司也已經(jīng)把驗(yàn)瓶機(jī)等檢測(cè)設(shè)備，列為生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備。

　　目前國(guó)內(nèi)啤酒飲料行業(yè)配備的空瓶檢測(cè)機(jī)在線檢測(cè)設(shè)備微乎其微，這僅有的一些空瓶檢測(cè)設(shè)備絕大部分依賴于進(jìn)口。目前空瓶檢測(cè)機(jī)的品牌比較少，表現(xiàn)為高度集中，有德國(guó)的HEUFT、KRONES、MIHO，美國(guó)的飛達(dá)，日本的KTS，德國(guó)品牌壟斷著市場(chǎng)的絕大部分份額。國(guó)外空瓶檢測(cè)機(jī)的特點(diǎn)：適應(yīng)性差、價(jià)格高昂及維護(hù)費(fèi)用讓廠家倍感頭痛。迫切的需要國(guó)內(nèi)研發(fā)類似設(shè)備來(lái)填補(bǔ)這片空白。

　　1.2驗(yàn)瓶機(jī)的設(shè)計(jì)原理

　　驗(yàn)瓶機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)啤酒瓶進(jìn)行全方位的檢測(cè)，將檢測(cè)的結(jié)果信號(hào)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對(duì)接收到的信號(hào)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(cè)系統(tǒng)分六大檢測(cè)模塊：進(jìn)瓶檢測(cè)模塊、側(cè)壁檢測(cè)模塊1、瓶口檢測(cè)模塊、瓶底檢測(cè)模塊、側(cè)壁檢測(cè)模塊2、殘留液檢測(cè)模塊。如圖1所示：

圖 1  EBI功能分布圖

　　各模塊的檢測(cè)功能：

　　1進(jìn)瓶檢測(cè)模塊：檢測(cè)異型瓶或嚴(yán)重破損瓶，防止其進(jìn)入空瓶檢測(cè)機(jī)系統(tǒng)而對(duì)機(jī)器造成損害。

　　2側(cè)壁檢測(cè)模塊1：檢測(cè)瓶壁是否有污斑或者嚴(yán)重破損。

　　3瓶口檢測(cè)模塊：主要檢測(cè)瓶口是否存在破損或污斑。

　　4瓶底檢測(cè)模塊：主要檢測(cè)瓶底是否存在污斑。

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

　　6殘留液檢測(cè)模塊：主要檢測(cè)瓶中是否有殘留的液體存在。

　　視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理是：

　　通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的LED光源打光，CCD相機(jī)拍照，將拍取的照片信息送到圖像處理器系統(tǒng)，圖像處理器對(duì)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(hào)送出給控制系統(tǒng)。

　　殘留液檢測(cè)的工作原理是：

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

　　控制系統(tǒng)的功能是：

　　控制系統(tǒng)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(jié)果賦予瓶子，當(dāng)瓶子到達(dá)剔除器的時(shí)候?qū)⒉缓细衿诽蕹？刂葡到y(tǒng)要求使用性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、功能更強(qiáng)、調(diào)試維護(hù)更方便，貝加萊（B﹠R）的PCC控制系統(tǒng)兼具以上優(yōu)點(diǎn)從而被作為系統(tǒng)的底層控制單元，其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)十分明顯。

　　1.3 機(jī)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，啤酒企業(yè)生產(chǎn)線速度在不斷的提高，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(guó)飛達(dá)等旋轉(zhuǎn)式的EBI已無(wú)法達(dá)到速度要求，直線式的EBI應(yīng)運(yùn)而生。

　　二、 性能和功能要求

　　2.1 機(jī)器的性能要求

　　現(xiàn)國(guó)內(nèi)啤酒生產(chǎn)線普遍的速度要求為28000瓶/小時(shí)或者36000瓶/小時(shí)，生產(chǎn)速度的提升，需要用直線式的EBI，對(duì)控制系統(tǒng)提出了新的要求，接收處理信號(hào)的能力要提升；需要借助編碼器對(duì)瓶子進(jìn)行全程的跟蹤定位，所以要求控制系統(tǒng)讀取編碼器的值必須迅速而且準(zhǔn)確。西門(mén)子及歐姆龍的PLC進(jìn)行控制發(fā)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性比較差，使用梯形圖編程對(duì)這樣的控制程序編寫(xiě)比較復(fù)雜。面對(duì)這些特殊的控制要求貝加萊PCC的優(yōu)勢(shì)凸顯出來(lái)，其可以使用C等高級(jí)語(yǔ)言編程，其中的TPU功能可以解決信號(hào)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(xiàn)與上位機(jī)VB程序的通訊。

　　2.2 機(jī)器的功能需求

　　控制系統(tǒng)需要將圖像處理器返回的信號(hào)進(jìn)行記錄，做出各種數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計(jì)分析，提供給上位機(jī)；對(duì)各個(gè)瓶子進(jìn)行跟蹤定位，對(duì)檢測(cè)到的不合格品進(jìn)行定位，到達(dá)剔除器位置時(shí)，將不合格瓶子準(zhǔn)確剔除，剔除的瓶子倒瓶率不能高于5% 。控制系統(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)的思路為：

　　瓶子在鏈道上運(yùn)行首先觸發(fā)前側(cè)壁光電，用一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組A 記錄其當(dāng)前的編碼器的值，和前壁檢測(cè)的好壞信息。瓶口光電觸發(fā)記錄當(dāng)前的編碼器的值，然后將當(dāng)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(nèi)（即REMOVE1±△范圍內(nèi)）查找前側(cè)壁結(jié)構(gòu)體數(shù)組里編碼器的值，找到此瓶的記錄前側(cè)壁檢測(cè)的好壞信息，拷貝到瓶口的結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，并記錄下瓶口檢測(cè)的好壞信息。如果在前側(cè)壁結(jié)構(gòu)體數(shù)組中找不到此瓶則認(rèn)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(jié)構(gòu)體數(shù)組，后壁光電觸發(fā)去查瓶底的結(jié)構(gòu)體數(shù)組，剔除光電觸發(fā)則去查后壁結(jié)構(gòu)體數(shù)組。到了剔除光電的結(jié)構(gòu)體數(shù)組則匯集了當(dāng)前光電觸發(fā)編碼器值及前壁、瓶口、瓶底、后壁檢測(cè)的所有信息。通過(guò)監(jiān)控當(dāng)前的編碼器值和剔除結(jié)構(gòu)體數(shù)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(nèi)瓶子在鏈道上的滑動(dòng)，使其定位更加的準(zhǔn)確；　　

　　2） 所有模塊的檢測(cè)都是獨(dú)立的，便于分開(kāi)各個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行。可以關(guān)閉任意一個(gè)功能塊而不影響其他模塊的檢測(cè)；

　　3） 解決了瓶子在檢測(cè)過(guò)程中由于多瓶或少瓶而引起的信號(hào)錯(cuò)亂的問(wèn)題。

　　三、  系統(tǒng)分析

　　3.1 系統(tǒng)的難點(diǎn)

　　EBI控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于：

　　1) 對(duì)瓶子的跟蹤定位，由于瓶子在鏈道運(yùn)行過(guò)程中有可能會(huì)出現(xiàn)掉瓶情況，以及人為放入瓶子的情況，因此利用瓶子計(jì)數(shù)方式進(jìn)行控制是行不通的；另外瓶子在鏈道運(yùn)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(duì)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(shí)別出是否有缺失的瓶子或者人為原因多加入的瓶子，并對(duì)人為加入或者滑動(dòng)過(guò)大的瓶子剔除，保證檢測(cè)質(zhì)量。

　　2) 對(duì)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(qū)動(dòng)的，其接收到信號(hào)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(duì)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?jī)A倒。

　　3) 對(duì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，并與上位機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)承擔(dān)有接收?qǐng)D形處理器發(fā)來(lái)的圖像信息，因此要求控制系統(tǒng)盡量少的占有上位機(jī)的資源。

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

　　EBI控制定位系統(tǒng)流程圖如圖3所示：

圖 3  定位控制流程圖

　　在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，PCC主要負(fù)責(zé)檢測(cè)空瓶位置信息，準(zhǔn)確控制剔除器動(dòng)作。由于空瓶檢測(cè)不是由PCC完成，而是由專用的圖像處理與識(shí)別子系統(tǒng)來(lái)完成，檢測(cè)結(jié)果由控制主機(jī)傳送給PCC，并且剔除器是在空瓶檢測(cè)機(jī)的輸出口，即若發(fā)現(xiàn)次瓶，必須等該瓶到達(dá)擊出位置時(shí)才能將其擊出，所以如何在空瓶的高速連續(xù)傳送當(dāng)中協(xié)調(diào)好空瓶檢測(cè)與剔除器的動(dòng)作，是該系統(tǒng)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(duì)于線性補(bǔ)償值的計(jì)算，采用多點(diǎn)擬合的辦法，用MATLAB擬合的曲線圖為：

圖 5  線性補(bǔ)償擬合圖

　　3.2 貝加萊實(shí)現(xiàn)

　　在貝加萊PCC控制SG3系統(tǒng)中的一款CPU，名稱為CP476具備TPU（時(shí)間處理器），其有輸入識(shí)別/輸入邊沿觸發(fā)計(jì)數(shù)器、輸出比較器、脈寬調(diào)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(diào)用其功能塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器的準(zhǔn)確跟蹤，快速的對(duì)光電觸發(fā)發(fā)出的信號(hào)做出響應(yīng)。

　　貝加萊PCC控制系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊程序編寫(xiě)比較簡(jiǎn)單，并且只有當(dāng)控制系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時(shí)候才更新產(chǎn)生通訊動(dòng)作，對(duì)上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，盡量的節(jié)省了上位機(jī)的CPU資源來(lái)進(jìn)行圖像處理信息的操作。

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

　　經(jīng)測(cè)定2.5米距離上對(duì)瓶子定位誤差為100個(gè)脈沖以內(nèi)，折合實(shí)際距離為小于1厘米，能夠達(dá)到檢測(cè)的定位要求。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　四、 系統(tǒng)架構(gòu)與特點(diǎn)

　　4.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　本系統(tǒng)需求IO統(tǒng)計(jì)需要24路數(shù)字量輸入，15路數(shù)字量輸出，其中需要有編碼器處理功能。貝加萊控制系統(tǒng)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(xiàn)微秒級(jí)的高速信號(hào)處理。DI140為旋入式模塊，前7個(gè)輸入口的硬件響應(yīng)≤3us，為高速數(shù)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(hào)的輸入；DO135帶有的TPU功能中編碼器比較輸出能快速準(zhǔn)確講不合格瓶剔除，用于剔除器輸出啟動(dòng)信號(hào)；普通的輸入輸出模塊DM465用于外圍控制，如掉瓶、擠瓶保護(hù)，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(jī)借助工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

　　EBI系統(tǒng)的框架圖為：

圖 6  系統(tǒng)框架圖

　　4.2 硬件特點(diǎn)

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

　　五、 客戶評(píng)價(jià)

　　現(xiàn)EBI為我公司開(kāi)發(fā)的第三代產(chǎn)品，已在燕京啤酒廠、青島朝日啤酒廠生產(chǎn)線上運(yùn)行，并得到了客戶的一致好評(píng)。山東萬(wàn)世德檢測(cè)包裝系統(tǒng)技術(shù)有限公司自主研發(fā)的EBI，代表國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的最高水平。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比性能差異不大，某些方面比如控制系統(tǒng)采用貝加萊（B﹠R）PCC控制系統(tǒng)，分布式的控制結(jié)構(gòu)，特殊高速的控制模塊，已優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品。德國(guó)海富、克朗斯同行也給予了很高的評(píng)價(jià)，稱是中國(guó)第一款真正意義上的EBI。

　　現(xiàn)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的EBI被國(guó)外產(chǎn)品所壟斷，一直以來(lái)沒(méi)有中國(guó)自己的同類產(chǎn)品。這款設(shè)備推出以后立刻引起了國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。很多啤酒廠家有意購(gòu)買(mǎi)國(guó)產(chǎn)EBI。國(guó)外EBI生產(chǎn)廠家也已感到威脅，現(xiàn)為增加競(jìng)爭(zhēng)力開(kāi)始大幅降價(jià)，并正式將萬(wàn)世德列為其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(jì)算機(jī)科學(xué)于技術(shù)專業(yè)，本科學(xué)歷。畢業(yè)后就職于山東萬(wàn)世德檢測(cè)包裝系統(tǒng)技術(shù)有限公司，開(kāi)始EBI等視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)工作至今，主要負(fù)責(zé)工控機(jī)及控制系統(tǒng)的選購(gòu)、底層通信、控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、圖像采集等工作。