[摘要]作为食品和快速消费品交叉的行业，质量的保证无疑是饮料企业最为重视的一点，而封装性的好坏直接影响到产品的质量、直接影响到企业的形象和声誉。 本文设计机器视觉系统是的可靠、稳定的智能化视觉检测系统， 从而保证食品饮料企业出厂的产品是没有瑕疵的，实践其高品质产品的诺言。

[关键词]检测自动化 食品饮料行业 子系统分析

检测自动化（机器视觉系统）在食品饮料行业的应用主要是检测 PE、PET饮料瓶在自动灌装、自动旋盖和喷码过程出现高盖、歪盖、破盖、无盖、液位偏低和无喷码等问题。PE、PET饮料瓶生产速度很快，可达400～800瓶/分钟，当前产品的封装性检测依靠人眼来完成，但在高速的流水线上长期工作，很容易产生疲劳和漏检的情况，出厂产品的封装质量很难得到有效的保证，不可避免会在成品中包含不合格产品。

随着自动化技术的发展，机器视觉系统在欧美等发达国家已得到广泛的应用，目前，国内一些有实力、有远见的公司也开始尝试采用，巨大的回报令人们意识到机器视觉的强大功效，成为自动化领域发展最快的一个分支。各饮料企业的PE、PET饮料瓶的高盖、歪盖等检测系统引进试点项目是具有重大战略意义的举措，我单位采用强强联合的思路为饮料在此机器视觉检测项目提供全面的解决方案和强有力的技术支持。

一、系统组成

1.预期目标

对于系统最终要达到的目标，我们主要考虑到如下几点。

（1）在带有一定干扰的现场环境下，通过我们的不断努力使对高盖和歪盖的漏剔率控制在0～5个PPM，误剔率小于0.05％，实践高品质产品的诺言。

（2）系统的结构美观实用，适合现场的布局，方便工人的操作、监控和信息查询，并且保证不威胁人身安全和产品安全，并达到系统独立和方便安装、维护、拆卸的要求。

2.系统整体设计

本方案的智能检测系统由机器视觉部分、PLC控制器部分和剔除机构部分三大子系统组成。其中，机器视觉部分类似于人的眼睛与视觉神经中枢的作用，将获取的产品封装部分的影像信息在图像处理单元中进行加工处理，通过同预先定义的质量检测标准比较来得出产品封装质量合格与否的判别；PLC控制器部分类似于人的大脑，它通过各种传感器件的感知来综合判断现场的情况，并通过分析处理来得到行动方案，指挥各种执行机构完成相关的操作，从而实现工业生产的自动化解决方案；剔除机构部分相当于人的手臂，它通过来自“大脑”的指令将系统检出的次品及时准确地从传送带上剔除出去，保证通过的产品都是符合企业所制定的质量标准的优良产品，其工作方式采用高速气动，从而保证系统能够在较潮湿和腐蚀性环境下长期稳定地工作而不会对产品质量和操作人员安全带来影响。整个系统的工作流程如图1所示：

对这一PE、PET瓶视觉检测项目的方案，我们在以下几个方面进行了精心的考虑，使得所设计的方案很好地满足现有项目的技术要求，而且便于系统的升级扩展等需求，如增加新的检测产品、多套系统的集中管控等等，具有较强的前瞻性准备。

系统采用康耐视机器视觉产品为不同种类的应用都提供了相应的视觉产品。之所以专注一家视觉产品，是出于做到精深的考虑，并会在成本方面有较大的优势。此外，康耐视机器视觉产品利用先进的以太网接口，可与上位机方便地接口，并可满足企业在管控方面的系统化发展要求，方便产品联网和同其它网络的衔接。

在PLC控制器的选择上，西门子无疑是首先考虑的品牌，它不但性能优良，而且扩展性强，工业自动化的产品线也非常丰富，能够满足企业长期发展的战略考虑。所配备的触摸屏可以显示单位产品通过时的不合格品数量和比例每月累计生产产品的总量检测出的次品数量，此外，通过触摸屏可在换线时直接选择相应的产品类型实现检测程序自动更新，并还可以拓展其他的功能，我们将能最大限度的满足客户的需求。

关于视觉主体的机械结构，我们基于食品饮料生产环境的考虑，将采用控制器触摸屏与视觉系统集成化为一体机的理念，不但保障了系统远离不良工作环境的影响，同时有效地利用了生产线空间，充分考虑到了现场操作人员巡视和监控系统运行的方便性，简洁、实用和美观的造型为工作现场营造了清新、和谐的气息。

二、各子系统分析

机器视觉子系统是整个系统的核心，是整个系统成功的关键，我们将从系统概述、技术指标、系统结构和进度计划等几方面来讨论。

1.机器视觉系统概述

机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

一个典型的工业机器视觉应用系统包括如下部分：光源，镜头，CCD摄像机，图像处理单元（或图像捕获卡），图像处理软件，监视器，通讯/输入输出单元等。首先，采用摄像机获得被测目标的图像信号， 然后，通过A/ D 转换变成数字信号传送给专用的图像处理系统，根据像素分布、亮度和颜色等信息，进行各种运算来抽取目标的特征，最后，再根据预设的判别准则输出判断结果，去控制驱动执行机构进行相应处理。

机器视觉是一项综合技术，其中包括数字图像处理技术、机械工程技术、控制技术、光源照明技术，光学成像技术、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术、人机接口技术等。机器视觉强调实用性，要求能够适应工业现场恶劣的环境，要有合理的性价比、通用的工业接口、较高的容错能力和安全性，并具有较强的通用性和可移植性。它更强调实时性，要求高速度和高精度。

2.机器视觉系统的结构

我们提出的设计方案具有如下几个鲜明的设计特点，是其它方案所无法比拟的优势所在，它们是精、优、稳。

精──精选每一个关键元器件，保障系统能够长期稳定、精确地运行

优──广泛尝试各种器件组合效果，最终选取最优的设计方案

稳──精心设计整体架构，保障系统即便受到外界干扰也能保持稳定的状态，为系统检测结果的稳定奠定基础。下面给出机器视觉系统结构的详细描述。

经过实验测试，我们提出了如下图所示的机器视觉系统结构方式，能够很好地实现PE、PET瓶缺陷检测，它主要由精选的专业照明系统、匹配的精密光学镜头、低成本高性能的康耐视DVT视觉传感器和高敏感度的光电传感器几大关键部件组成，为精准、可靠的检测结果提供了有力保障。

视觉传感器是系统中起着决定性作用的核心部件，它的性能好坏将决定着项目的成败，我们采用康耐视DVT系列视觉传感器，其高速高分辨率的特点极其适合本项目的应用条件，为系统达到方案要求提供了有力保证；光源的选择对于获取清晰细腻的图像来说至关重要，它是系统能否稳定而又准确地获得检测数据的关键环节，我们选用了高品质LED背景光源；光学镜头的质量也同样重要，它决定着系统所获取的图像有无畸变和是否正确聚焦，是获得高品质图像的又一关键要素，我们采用了高清晰度和高灵敏度的光学镜头。此外，用于触发拍照的光电传感器也是一个很关键的环节，我们采用了高灵敏度光电传感器，保证其可靠地检出产品的到达，从而可靠准确地采集所有通过系统的产品图像。

三、主要控制系统设计

1.设计综述

PLC控制系统部分我们采用了西门子S7 200系列的CPU226来完成系统的协调控制功能，将整个系统完美地结合为一体，是系统的控制中心。整个系统在线上的统一接口是一款高质量的触摸屏，将提供给客户一个信息丰富和操作简便的人机界面。

2.功能介绍

PLC控制系统部分主要实现以下功能：视觉系统的输出3个信号，一个为检测完成信号，另外2个信号组合表示不同的检测结果：0，0表示合格，0，1/1，0/1，1表示不同的不合格原因，PLC接受到检测完成信号时，读取检测结果信号，根据结果信号，做出相应的动作，剔除有问题的瓶子，统计结果等。此外，通过RS232串口，PLC控制器可依据操作人员所选产品类型而自动切换检测程序，并自动控制升降机构运动到对应该产品的高度。

检测信号通过中断读取，提高PLC的响应速度。根据现场的情况，剔除系统最终选定了动作延时方式控制：视觉系统和剔除装置之间的距离是固定的，当错误信号进来时，我们将信号延时一个特定时间，使次品在来到剔除器前时，信号来到剔除器，并予以剔除。

在防止堵瓶缺口掉瓶的控制中，我们使用了2个光电传感器，当2个光电传感器中有任一察觉现在发生了堵瓶情况，在视觉系统前的防卡落系统将会夹紧生产线，使产品暂时无法通过，从而缓解了堵瓶现象，并防止圆形瓶子的卡落情况。而只有2个光电传感器都判断了现在流水线通畅时，夹子才松开，产品顺利经过。这套电眼畅通控制完全由我们的主控PLC来控制，经过多次的试验和实际估算，设置的时间将不会对产品的产量造成影响。

本系统选择的PLC是西门子S7 200系列的CPU226，DC/DC/DC，24V直流供电，24个输入点，输入信号可接收PNP，NPN型传感器，24V晶体管输出，可以实现高频率的动作，满足高速控制的要求。16个输出点，其中的Q0.0，Q0.1为高速输出点。每个输出点，最大允许电流为0.75A，输出延迟为Off-〉On为2us（Q0.0，Q0.1）/15us（其他输出点），On-〉Off为10us（Q0.0，Q0.1），130us（其他输出点），可以满足剔除装置高速响应的需求。CPU226集成有24个输入，这24个输入的前8个可以对其输入信号的上升沿或下降沿组态，触发对应中断程序，使得PLC程序可以对传感器的信号高速响应。

本系统的要求是能够将不合格的瓶子从生产线上剔除，而生产线是高速运行的，所以要求系统能够高速稳定地运行。通过PLC内部定时中断，使信号的延时能够保证最大程度的精确，以确保在剔除时的最大准确性。同时，我们将工业自动化控制与机器视觉进行完美的结合，提供给客户一个可靠、稳定的智能化视觉检测系统，从而保证从饮料企业出厂的饮料没有瑕疵，实践其高品质产品的诺言。

参考文献：

［1］阎石.数字电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2003. 

［2］施松昆. 视觉传感器DS1820［J］.国外电子元器件，1996.

［3］周立功.单片机实验与实践［M］.北京：北京航天航空大学出版社，2004.45-65.

（作者单位：浙江理工大学机械与控制学院）