啤酒瓶瓶口缺陷檢測與分揀監(jiān)控系統(tǒng)設計

王祥傲，郭建勇，王帥康

(滁州學院 機械與電氣工程學院，安徽 滁州，239000)

瓶裝啤酒在灌裝前需要檢測瓶口，剔除有缺陷的啤酒瓶，以免缺陷產品流入市場，損害消費者安全并影響生產企業(yè)聲譽。啤酒生產企業(yè)傳統(tǒng)的檢測方式主要依賴人工質檢，由于檢測數量大、檢測標準不統(tǒng)一，易造成漏檢、誤檢[1-3]。隨著市場化、國際化的深入，實力雄厚的跨國酒業(yè)公司已經在國內市場廣泛布局，傳統(tǒng)啤酒生產企業(yè)正面臨空前激烈的競爭壓力[4]。生產環(huán)節(jié)的低效率不但使企業(yè)難以與跨國公司正面競爭，在當前信息快速傳播的時代背景下產品自身的瑕疵會被迅速被放大，從而造成不可估量的經濟損失和品牌價值危機。

與人工檢測方式相比，機器視覺檢測方式具有不存在漏檢現象、長期運行成本低等優(yōu)勢。將機器視覺檢測與PLC運動控制相結合，設計了玻璃啤酒瓶瓶口缺陷檢測與分揀系統(tǒng)，并設計了上位機監(jiān)控軟件，使工作人員可以遠離噪聲較大的檢測現場，并可以對檢測數據進行報表統(tǒng)計，有助于提高生產效率、降低人工成本，更好地參與市場競爭。

1 啤酒瓶口檢測系統(tǒng)的結構

啤酒瓶瓶口檢測裝置見圖1，其主要包括入料傳送帶、分揀傳送帶、紅外檢測傳感器、轉向器、環(huán)形光源和工業(yè)相機。檢測裝置啟動后，入料傳送帶傳送待檢啤酒瓶，當紅外傳感器檢測到啤酒瓶后，入料傳送帶停止運行，工業(yè)相機采集瓶口圖像信息并傳輸給視覺檢測軟件。視覺處理結束后，入料傳送帶啟動，若檢測結果為“合格”，轉向器左轉，經出料傳送帶1將無缺陷啤酒瓶傳送至清洗灌裝生產環(huán)節(jié)；若檢測結果為“不合格”，轉向器右轉，經出料傳送帶2將缺陷啤酒瓶傳送至廢料處理環(huán)節(jié)。

監(jiān)控系統(tǒng)由PLC、以太網交換機、機器視覺單元和上位機組成，見圖2。PLC接收上位機發(fā)送的控制指令和現場傳感器的檢測信號，控制物料傳送帶、轉向器和指示燈的工作。當啤酒瓶輸送至視覺檢測站點時，傳感器向PLC發(fā)出物料到位信號，PLC向機器視覺單元發(fā)送檢測指令，工業(yè)相機采集瓶口圖像并發(fā)送給LabVIEW圖像處理軟件識別瓶口缺陷特征，識別結果以OPC通信方式反饋至PLC。PLC根據視覺檢測單元的反饋信號驅動傳送帶和轉向器工作，實現啤酒瓶的篩選。上位機運行采用組態(tài)王軟件編輯的監(jiān)控軟件，采用TCP協(xié)議與PLC實時通信，讀取PLC的內存變量從而獲取現場檢測、分揀數據信息，并以報表形式存儲，方便用戶實時查詢及歷史追溯。

圖1 瓶口缺陷檢測流水線裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the bottle mouth defect detection assembly line device

圖2 啤酒瓶口檢測監(jiān)控系統(tǒng)架構Fig.2 Architecture of the beer bottle mouth detection and monitoring system

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

根據系統(tǒng)的設計功能，啤酒瓶口檢測系統(tǒng)共有8個數字量輸入、11個數字量輸出。由于流水線檢測運行速度較高，故選用西門子股份公司的S7-200 SMART PLC作為控制器，通過其主機集成的以太網通信口與視覺檢測單元和上位機進行數據交互，滿足控制的實時性要求，具體型號為CPU SR60，PLC端子接線圖見圖3。

圖3 PLC端子接線圖Fig.3 PLC terminal wiring diagram

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

3.1 PLC控制程序設計

PLC作為控制核心，承擔著數據傳輸與現場控制的雙重功能。圖4所示為PLC程序一個掃描周期的流程圖。

運行時先初始化，然后啟動入料傳送帶，將待檢啤酒瓶傳送到視覺檢測站點，PLC向視覺檢測相機發(fā)出檢測指令。檢測完畢后，PLC根據檢測單元的反饋信息啟動入料傳送帶，將檢測后的啤酒瓶輸送至轉向器并驅動轉向器運行，將瓶口檢測合格與不合格的啤酒瓶分開。

3.2 瓶口缺陷檢測程序設計

采用LabVIEW設計瓶口缺陷檢測的圖像處理軟件。工業(yè)相機采集的瓶口圖像信息傳輸至圖像處理計算機，經過中值濾波、閾值分割、模板定位、建立系統(tǒng)坐標和屏蔽干擾區(qū)域等圖像預處理后，根據瓶口圖像的缺陷點數量判斷當前瓶酒瓶是否為合格品，并將判斷結果以OPC通信方式發(fā)送至PLC。圖5所示為圖像處理程序流程圖。

3.2.1 中值濾波

中值濾波是一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術，基本原理是把數字圖像中某點的像素值用該點的一個鄰域中各點的像素中值代替，使周圍的像素值接近真實值，從而消除孤立的噪聲點，對消除椒鹽噪聲非常有效。在濾除噪聲的同時，中值濾波能夠保護信號的邊緣，使之不產生模糊[4-5]。

圖4 PLC程序流程圖Fig.4 Program flow chart of PLC

圖5 LabVIEW程序流程圖Fig.5 Program flow chart of LabVIEW

由于采集的瓶口圖像內外側黑色背景區(qū)域上有一定數量白點，而白色目標圖像上存在一定數目的黑點，即存在椒鹽噪聲，因此，采用中值濾波消除噪聲。本設計采用7像素×7像素二維滑動模板進行中值濾波，模板內像素按照像素值進行排序，生成單調上升(或下降)的二維數值序列。二維中值濾波輸出為：g(x，y)=med{f(x-k，y-l)，(k，l∈W)}，f(x，y)，g(x，y)分別為原始圖像和處理后圖像，見圖6(a)和6(b)。

3.2.2 閾值分割

相機拍攝的啤酒瓶口圖像為8位的灰度值圖像，閾值分割把瓶口的8位灰度值圖像轉為只有1和0的黑白圖像，極大地壓縮了圖像數據量，為后續(xù)的特征提取、圖像分析與識別提供更優(yōu)的樣本，實現更高的圖像處理速度。圖6(c)所示為閾值分割后的瓶口圖像。

3.2.3 屏蔽干擾區(qū)域

經過閾值分割處理的瓶口輪廓足夠清晰，但瓶底圖像仍然會對瓶口缺陷檢測產生干擾，需要將其屏蔽掉。采用基于形狀的模板匹配定位算法為瓶口圖像建立坐標，以標準瓶口輪廓為基礎建立屏蔽區(qū)域，最后，將創(chuàng)建的屏蔽區(qū)域中心點定位在系統(tǒng)坐標原點，即可屏蔽瓶口圖像輪廓以外的噪聲。屏蔽干擾區(qū)域后的瓶口圖像如見圖6(d)。

圖6 瓶口圖像預處理Fig.6 Bottle mouth image preprocessing

3.2.4 缺陷點檢測

特征檢測即尋找圖像之間的特征以建立對應關系。圖像中的點是常用的一種特征，點的局部特征叫角點(conrner)，角點檢測常用的有Harris算法和Shi-Tomasi算法。Harris算法根據協(xié)方差矩陣M的2個特征值的組合判斷是否為角點。Shi-Tomasi算法是Harris算法的改進，根據較小的特征值是否大于閾值以判斷是否為角點，可以方便地輸出角點的坐標點，且計算速度更快[6]。

瓶口圖像經過預處理后進行缺陷點的檢測，采用Shi-Tomasi算法檢測瓶口圖像中的缺陷點數量進而判斷瓶口是否合格。圖7和圖8分別為無明顯缺陷瓶口和破損瓶口的缺陷點檢測結果，圖中瓶口噪聲點為缺陷點的排序，對比檢測結果可以看出：無缺陷瓶口的缺陷點數量遠少于有缺陷瓶口，從而驗證了圖像處理算法的合理性。

圖7 合格啤酒瓶口檢測結果Fig.7 Inspection results of qualified beer bottle mouth

圖8 不合格啤酒瓶口檢測結果Fig.8 Inspection results of unqualified beer bottle mouth

3.3 OPC服務器建立

采用PC Access SP6軟件搭建OPC服務器，將瓶口圖像檢測信息快速而準確地傳輸到PLC。圖9所示為連接LabVIEW與PLC之間的變量序列，PLC的內存變量V10.1、V10.2通過OPC服務器接收LabVIEW發(fā)送的檢測結果，從而控制執(zhí)行機構完成啤酒瓶的分揀。

圖9 OPC服務器變量列表Fig.9 OPC server variable list

3.4 監(jiān)控軟件設計

上位機監(jiān)控軟件采用組態(tài)王軟件編輯。首先，新建名為“SR60”的設備，設備地址為：192.168.0.1∶0，通信方式為TCP。然后，在數據詞典中新建與PLC內存變量對應的IO變量。建立變量后設計各監(jiān)控畫面，包括主監(jiān)控畫面、實時報表畫面和歷史報表查詢畫面。主監(jiān)控畫面可以監(jiān)控分揀裝置的運行狀態(tài)并切換至其他界面，實時報表記錄當前啤酒瓶口檢測的數據，歷史報表可以調閱歷史數據并打印。

4 監(jiān)控系統(tǒng)測試

瓶口缺陷檢測與分揀監(jiān)控系統(tǒng)實驗裝置見圖10，包括3臺PC機(分別運行圖像處理軟件、上位機監(jiān)控軟件和分揀流水線3D仿真模型)、工業(yè)相機、環(huán)形光源、光源控制器、交換機和PLC。

圖11所示為主監(jiān)控畫面的運行效果，上位機能夠監(jiān)視現場設備的運行狀態(tài)、顯示檢測數量，并可以通過按鈕切換至其他畫面。

圖10 啤酒瓶口檢測試驗裝置Fig.10 The beer bottle mouth detection test device

圖12所示為實時報表畫面運行效果，報表以列表格式實時記錄瓶口檢測結果，每檢測完一個玻璃瓶形成一條記錄，并能夠存儲和打印報表。

圖11 主監(jiān)控界面運行效果Fig.11 Operation effect of main monitoring interface

圖12 實時數據報表運行效果Fig.12 Operation effect of real-time data report

5 總結

生產工藝等因素會導致玻璃啤酒瓶的瓶口產生破損、裂痕等缺陷，需在灌裝前將有瓶口缺陷的啤酒瓶剔除。設計了以PLC為核心的缺陷啤酒瓶檢測、分揀監(jiān)控系統(tǒng)，采用機器視覺方式實時檢測瓶口圖像特征，并將檢測結果以OPC通信方式反饋給PLC，PLC控制分揀機構運行，實現缺陷啤酒瓶的分揀。采用組態(tài)王設計了上位機監(jiān)控軟件，可以遠程控制設備運行，并通過報表存儲和查詢設備運行狀態(tài)，有助于歷史溯源和改進生產工藝，降低產生缺陷的概率，提高信息化水平和自動化程度。