啤酒生產(chǎn)線的啤酒瓶自動檢驗設(shè)備

項目背景及可行性分析

1. 項目名稱、項目的主要內(nèi)容及目前的進(jìn)展情況

項目名稱：啤酒生產(chǎn)線的啤酒瓶自動檢驗設(shè)備。

項目背景：整條瓶裝啤酒生產(chǎn)線包括上瓶、驗瓶、裝酒、消毒、加蓋、驗酒、貼標(biāo)等幾道工序。其中啤酒瓶在線檢測裝置和控制系統(tǒng)是啤酒生產(chǎn)線的重要組成部分，是實現(xiàn)啤酒生產(chǎn)線整線自動化、高效率、低能耗經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的決定性因素之一，也是今后啤酒生產(chǎn)自動化的研究重點(diǎn)。目前國內(nèi)啤酒企業(yè)使用的關(guān)鍵檢測裝置還都依賴進(jìn)口，這是我國啤酒設(shè)備技術(shù)發(fā)展中的薄弱環(huán)節(jié)。本課題基于機(jī)器視覺技術(shù)和FPGA技術(shù)，研究的目標(biāo)就是要制造出技術(shù)含量高、功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的適應(yīng)高速、高效啤酒生產(chǎn)線的在線檢測和自控系統(tǒng)產(chǎn)品。

主要內(nèi)容：本設(shè)備是啤酒生產(chǎn)線整線自動化中的關(guān)鍵檢驗裝置，主要用來檢驗啤酒瓶的質(zhì)量，包括破口，瓶壁帶有霉斑、拉絲、異物、火堿等。本設(shè)備基于機(jī)器視覺技術(shù)，通過FPGA實現(xiàn)。設(shè)備通過攝像頭實時獲得生產(chǎn)線上的啤酒瓶照片，針對不同的質(zhì)量問題，通過相應(yīng)的圖像分析與識別算法，得出檢驗結(jié)果，并將存在質(zhì)量問題的啤酒瓶自動處理、記錄。管理員可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控整個生產(chǎn)線上的檢驗進(jìn)度。而且系統(tǒng)帶有智能安裝配置向?qū)?，引?dǎo)操作人員快速進(jìn)行安裝配置設(shè)備。本系統(tǒng)大大提高了生產(chǎn)效率，并改善了人員的工作環(huán)境。

本方案現(xiàn)在已經(jīng)完成前期車間調(diào)查與可行性分析。正在進(jìn)行原型設(shè)計和算法設(shè)計階段。

2. 項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)的論述；

主要關(guān)鍵技術(shù)為：圖像快速獲取和預(yù)處理技術(shù)，啤酒瓶質(zhì)量分析和識別算法的硬件實現(xiàn)，生產(chǎn)線機(jī)械控制改造，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，系統(tǒng)安裝配置程序。

創(chuàng)新點(diǎn)為：

啤酒瓶破口，霉斑，拉絲，異物，火堿等相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)的識別算法，并通過FPGA硬件實現(xiàn)。

針對不同的啤酒瓶質(zhì)量問題并行檢驗，保證設(shè)備快速處理，滿足生產(chǎn)線流水速度。

實現(xiàn)啤酒生產(chǎn)線的自動化在線檢驗與處理裝置。通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高生產(chǎn)效率，改善工作條件。

系統(tǒng)自帶的安裝配置向?qū)?，根?jù)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行參數(shù)自動調(diào)整，并自動指導(dǎo)工程人員安裝設(shè)備，從而簡化安裝及維護(hù)。

硬件裝置的可重用性，通過更換相應(yīng)軟件，使得本設(shè)備用于其他關(guān)鍵環(huán)節(jié)檢驗，如驗酒環(huán)節(jié)。

3. 技術(shù)成熟性和可靠性論述：

由于啤酒瓶圖像畫面很干凈，如果啤酒瓶有破口，霉斑，拉絲，異物，火堿等不合格現(xiàn)象，在畫面上將有明顯的特征。目前此方面的圖像識別算法比較容易實現(xiàn)，實時性也較高，可以滿足啤酒生產(chǎn)線的速度。攝像頭像素和處理速度都可以滿足設(shè)備的要求。而且本方案已經(jīng)進(jìn)行過現(xiàn)場調(diào)查，吸取了現(xiàn)場工程人員的建議，在系統(tǒng)設(shè)計中加入了可靠性設(shè)計。

項目實施方案

1.方案基本功能框圖及描述

圖1 系統(tǒng)基本功能示意圖

圖2 啤酒瓶檢驗生產(chǎn)線

從圖1可見，本系統(tǒng)主要由光源、攝像頭、圖像處理單元、控制單元、機(jī)械裝置、顯示器、機(jī)械部分和遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)等組成，其中圖像處理單元和控制單元由Spartan 3E完成。其職能分別為：光源提供穩(wěn)定的、長效的光源，保證取像質(zhì)量；攝像頭用于獲取啤酒瓶圖片；控制單元對系統(tǒng)的功能執(zhí)行予以控制；圖像處理單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，判斷各種不合格現(xiàn)象；顯示器用來顯示檢驗結(jié)果和生產(chǎn)線狀況；機(jī)械部分完成生產(chǎn)線傳動，啤酒瓶觸發(fā)和實時處理等動作；監(jiān)控主機(jī)用來遠(yuǎn)程監(jiān)視生產(chǎn)線的狀況。

系統(tǒng)主要功能模塊如下：

（1）圖像采樣：對生產(chǎn)線上的啤酒進(jìn)行數(shù)字圖像采樣，并做圖像預(yù)處理。

（2）圖像處理和識別：對采樣圖像做專門的識別算法，檢測圖樣中的污點(diǎn)等不合格現(xiàn)象。

（3）控制單元：由FPGA開發(fā)板控制機(jī)械裝置，自動處理不合格啤酒，并記錄檢測結(jié)果，保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

（4）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控程序：響應(yīng)管理人員的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

（5）智能安裝配置向?qū)В涸谠O(shè)備安裝過程中，該向?qū)軌蜃詣釉O(shè)置參數(shù)，并指導(dǎo)操作人員進(jìn)行很方便地安裝和維護(hù)。

2.需要的開發(fā)平臺

系統(tǒng)使用Spartan 3E Starter Board作為核心控制板，外加圖像傳感器模塊，控制裝置，顯示器和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊。使用Expansion Connectors，RS232接口，PS/2接口，VGA接口，10/100 M網(wǎng)絡(luò)接口和LCD 顯示屏。系統(tǒng)需要實時拍照，獲取啤酒瓶圖像，送入FPGA圖像處理模塊，處理后執(zhí)行控制裝置和顯示設(shè)備。生產(chǎn)線管理員可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控檢驗情況。設(shè)備在安裝和維護(hù)時需要使用鍵盤和VGA顯示器配置系統(tǒng)?？紤]到系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能，我們選用Spartan 3E 作為開發(fā)平臺，使用ISE™ design software，以及相應(yīng)的開發(fā)工具。

3.方案實施過程中需要開發(fā)的模塊

本方案實施過程中需要開發(fā)的模塊包括：

系統(tǒng)安裝配置程序；圖像數(shù)據(jù)采集模塊；圖像預(yù)處理模塊；圖像分析比對模塊；數(shù)據(jù)記錄處理；機(jī)械控制模塊和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制模塊。

系統(tǒng)開發(fā)采用整體設(shè)計+模塊開發(fā)的方式，對于圖像識別算法的硬件實現(xiàn)，我們先通過matlab軟件仿真，再在FPGA上實現(xiàn) 。

4. 系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)

（1）系統(tǒng)安裝向?qū)軌蛑悄芘渲?，方便一般的工程人員很容易地安裝和維護(hù)。

（2）對啤酒生產(chǎn)線上的產(chǎn)品進(jìn)行實時檢驗，準(zhǔn)確地分辨和處理不合格產(chǎn)品。

（3）滿足瓶酒瓶不同類型質(zhì)量問題的檢驗，并滿足生產(chǎn)線的速度。

（4）實時地響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

（5）在啤酒生產(chǎn)車間的環(huán)境條件下能夠正常工作。

需要的其它資源

1.設(shè)計輸入輸出功能子板

圖像傳感器模塊：啤酒生產(chǎn)線上的傳速度很快，但啤酒瓶的圖片色彩簡單，因此需要選用的圖像傳感器響應(yīng)速度快，但對色位要求不高。圖像傳感器通過擴(kuò)展接口與Spartan 3E開發(fā)板相連。

控制裝置：控制裝置需要與啤酒生產(chǎn)線結(jié)合在一塊設(shè)計，通過擴(kuò)展接口與Spartan 3E相連。響應(yīng)速度要符合生產(chǎn)線的要求。

2.測試設(shè)備

萬用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等。

3.方針、開發(fā)工具

ISE™ webpad ，Matlab，labVIEW，Modelsim，SQL server，VisualStudio等