摘 要：在啤酒生產(chǎn)過程中傳統(tǒng)的人工檢測已不能跟上高速的生產(chǎn)線，基于機器視覺、自動化控制的空瓶檢測機（EBI）實現(xiàn)了對空瓶的檢測。設(shè)計一套基于貝加萊PCC控制系統(tǒng)的空瓶檢測機控制方案，來實現(xiàn)對空瓶檢測機的自動化控制。 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(shè)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)展給工廠自動化帶來前所未有的機遇。工廠的管理者已深刻地體會到一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的自動檢測設(shè)備不僅能帶來更高的效率，并且能更大限度地降低成本。隨著市場競爭的加劇，啤酒飲料制造企業(yè)越來越清楚地認識到，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，是決定企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營成敗的關(guān)鍵。隨著在線檢測技術(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。隨著生產(chǎn)線速度的提高，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(shè)備，列為生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備。 　　目前國內(nèi)啤酒飲料行業(yè)配備的空瓶檢測機在線檢測設(shè)備微乎其微，這僅有的一些空瓶檢測設(shè)備絕大部分依賴于進口。目前空瓶檢測機的品牌比較少，表現(xiàn)為高度集中，有德國的HEUFT、KRONES、MIHO，美國的飛達，日本的KTS，德國品牌壟斷著市場的絕大部分份額。國外空瓶檢測機的特點：適應性差、價格高昂及維護費用讓廠家倍感頭痛。迫切的需要國內(nèi)研發(fā)類似設(shè)備來填補這片空白。 　　1.2驗瓶機的設(shè)計原理 　　驗瓶機要實現(xiàn)的功能是對啤酒瓶進行全方位的檢測，將檢測的結(jié)果信號送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對接收到的信號進行分析匯總，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(tǒng)分六大檢測模塊：進瓶檢測模塊、側(cè)壁檢測模塊1、瓶口檢測模塊、瓶底檢測模塊、側(cè)壁檢測模塊2、殘留液檢測模塊。如圖1所示： [align=center] 圖 1 EBI功能分布圖[/align] 　　各模塊的檢測功能： 　　1進瓶檢測模塊：檢測異型瓶或嚴重破損瓶，防止其進入空瓶檢測機系統(tǒng)而對機器造成損害。 　　2側(cè)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(cè)壁檢測模塊2：瓶子通過夾瓶皮帶旋轉(zhuǎn)90度，進行第二次側(cè)壁檢測，保證了瓶壁檢測無死點。 　　6殘留液檢測模塊：主要檢測瓶中是否有殘留的液體存在。 　　視覺檢測系統(tǒng)的工作原理是： 　　通過特殊設(shè)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(tǒng)，圖像處理器對照片進行處理分析，判定拍取的照片是否合格，并將合格信號送出給控制系統(tǒng)。 　　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)過此檢測模塊時，引起高頻信號波動，通過判定信號的波動，將判定的不合格瓶子的信息送達控制系統(tǒng)。 　　控制系統(tǒng)的功能是： 　　控制系統(tǒng)跟蹤無壓力控制鏈道上的瓶子，并收集圖像處理的信息，進行匯總分析，將結(jié)果賦予瓶子，當瓶子到達剔除器的時候?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、調(diào)試維護更方便，貝加萊（B﹠R）的PCC控制系統(tǒng)兼具以上優(yōu)點從而被作為系統(tǒng)的底層控制單元，其優(yōu)勢特點十分明顯。 　　1.3 機器系統(tǒng)設(shè)計的初衷 　　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，由原來的18000瓶/小時提升到28000瓶/小時、36000瓶/小時、42000瓶/小時。像美國飛達等旋轉(zhuǎn)式的EBI已無法達到速度要求，直線式的EBI應運而生。 二、 性能和功能要求 　　2.1 機器的性能要求 　　現(xiàn)國內(nèi)啤酒生產(chǎn)線普遍的速度要求為28000瓶/小時或者36000瓶/小時，生產(chǎn)速度的提升，需要用直線式的EBI，對控制系統(tǒng)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確。西門子及歐姆龍的PLC進行控制發(fā)現(xiàn)，實時性比較差，使用梯形圖編程對這樣的控制程序編寫比較復雜。面對這些特殊的控制要求貝加萊PCC的優(yōu)勢凸顯出來，其可以使用C等高級語言編程，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的問題，另外可輕易的利用PVI通訊借助工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)與上位機VB程序的通訊。 　　2.2 機器的功能需求 　　控制系統(tǒng)需要將圖像處理器返回的信號進行記錄，做出各種數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計分析，提供給上位機;對各個瓶子進行跟蹤定位，對檢測到的不合格品進行定位，到達剔除器位置時，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(tǒng)穩(wěn)定可靠，突然掉電再上電后能順利啟動。 　　EBI的全程定位光電的分布如圖2所示： [align=center] 圖 2 光電分布圖[/align] 　　控制系統(tǒng)的思路為： 　　瓶子在鏈道上運行首先觸發(fā)前側(cè)壁光電，用一個結(jié)構(gòu)體數(shù)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為此瓶是多出的瓶子，可能是滑動過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。通過監(jiān)控當前的編碼器值和剔除結(jié)構(gòu)體數(shù)組的信息來決定是否讓剔除器動作來將瓶子剔除。 　　此控制思路的優(yōu)點是： 　　1） 每個光電觸發(fā)的時候來校正上個光電到這個光電距離內(nèi)瓶子在鏈道上的滑動，使其定位更加的準確; 　　2） 所有模塊的檢測都是獨立的，便于分開各個模塊獨立運行。可以關(guān)閉任意一個功能塊而不影響其他模塊的檢測; 　　3） 解決了瓶子在檢測過程中由于多瓶或少瓶而引起的信號錯亂的問題。 三、 系統(tǒng)分析 　　3.1 系統(tǒng)的難點 　　EBI控制系統(tǒng)設(shè)計的難點在于： 　　1） 對瓶子的跟蹤定位，由于瓶子在鏈道運行過程中有可能會出現(xiàn)掉瓶情況，以及人為放入瓶子的情況，因此利用瓶子計數(shù)方式進行控制是行不通的;另外瓶子在鏈道運行的過程中會由于速度的變化等原因而產(chǎn)生小范圍的滑動，要對瓶子進行跟蹤，必須要消除這些小范圍滑動帶來的影響，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過大的瓶子剔除，保證檢測質(zhì)量。 　　2） 對不合格瓶子進行精確剔除，剔除裝置是依靠電磁閥、汽缸來驅(qū)動的，其接收到信號到其啟動需要一定的時間△t，這個時間在速度很低的情況下不會產(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傾倒。 　　3） 對統(tǒng)計的數(shù)據(jù)信息進行分析，并與上位機進行通信。上位機承擔有接收圖形處理器發(fā)來的圖像信息，因此要求控制系統(tǒng)盡量少的占有上位機的資源。 　　EBI控制系統(tǒng)不同于別的對機械過程的控制，機械過程的控制基本來說都是數(shù)字邏輯的控制，但對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，并準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： [align=center] 圖 3 定位控制流程圖[/align] 　　在自動運行狀態(tài)下，PCC主要負責檢測空瓶位置信息，準確控制剔除器動作。由于空瓶檢測不是由PCC完成，而是由專用的圖像處理與識別子系統(tǒng)來完成，檢測結(jié)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(xiàn)次瓶，必須等該瓶到達擊出位置時才能將其擊出，所以如何在空瓶的高速連續(xù)傳送當中協(xié)調(diào)好空瓶檢測與剔除器的動作，是該系統(tǒng)控制的另一個關(guān)鍵所在。 　　控制流程圖如圖4所示： [align=center] 圖 4 剔除控制流程圖[/align] 　　對于線性補償值的計算，采用多點擬合的辦法，用MATLAB擬合的曲線圖為： [align=center] 圖 5 線性補償擬合圖[/align] 　　3.2 貝加萊實現(xiàn) 　　在貝加萊PCC控制SG3系統(tǒng)中的一款CPU，名稱為CP476具備TPU（時間處理器），其有輸入識別/輸入邊沿觸發(fā)計數(shù)器、輸出比較器、脈寬調(diào)制等功能。只需要經(jīng)過簡單的配置，就可以在程序中調(diào)用其功能塊，實現(xiàn)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(tǒng)與上位機的通訊程序編寫比較簡單，并且只有當控制系統(tǒng)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時候才更新產(chǎn)生通訊動作，對上位機的數(shù)據(jù)進行更新，盡量的節(jié)省了上位機的CPU資源來進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)站上定期有培訓時間課程安排、培訓資料等信息的發(fā)布，遇到問題技術(shù)工程師能到現(xiàn)場指導解決。 　　經(jīng)測定2.5米距離上對瓶子定位誤差為100個脈沖以內(nèi)，折合實際距離為小于1厘米，能夠達到檢測的定位要求。現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)230000個瓶子中有50個瓶子未能定位成功，比率為0.22‰，精度達到設(shè)計要求。 四、 系統(tǒng)架構(gòu)與特點 　　4.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖 　　本系統(tǒng)需求IO統(tǒng)計需要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，帶一個時間處理器（TPU）實現(xiàn)微秒級的高速信號處理。DI140為旋入式模塊，前7個輸入口的硬件響應≤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RJ45接口，主要用于和上位機借助工業(yè)以太網(wǎng)進行通信。 　　EBI系統(tǒng)的框架圖為： [align=center] 圖 6 系統(tǒng)框架圖[/align] 　　4.2 硬件特點 　　現(xiàn)階段36000瓶/小時的國內(nèi)啤酒生產(chǎn)線是比較熱門的，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(tǒng)的響應時間是比較高的。在此采用了貝加萊控制系統(tǒng)的時間處理（TPU）模塊，其Link功能實現(xiàn)了高速的信號及編碼器脈沖數(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、 客戶評價 　　現(xiàn)EBI為我公司開發(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)線上運行，并得到了客戶的一致好評。山東萬世德檢測包裝系統(tǒng)技術(shù)有限公司自主研發(fā)的EBI，代表國內(nèi)同類產(chǎn)品的最高水平。與國外同類產(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)于國外產(chǎn)品。德國海富、克朗斯同行也給予了很高的評價，稱是中國第一款真正意義上的EBI。 　　現(xiàn)國內(nèi)市場的EBI被國外產(chǎn)品所壟斷，一直以來沒有中國自己的同類產(chǎn)品。這款設(shè)備推出以后立刻引起了國內(nèi)外的關(guān)注。很多啤酒廠家有意購買國產(chǎn)EBI。國外EBI生產(chǎn)廠家也已感到威脅，現(xiàn)為增加競爭力開始大幅降價，并正式將萬世德列為其競爭對手。