啤酒生產(chǎn)線(xiàn)的啤酒瓶自動(dòng)檢驗(yàn)設(shè)備

項(xiàng)目背景及可行性分析

1. 項(xiàng)目名稱(chēng)、項(xiàng)目的主要內(nèi)容及目前的進(jìn)展情況

項(xiàng)目名稱(chēng)：啤酒生產(chǎn)線(xiàn)的啤酒瓶自動(dòng)檢驗(yàn)設(shè)備。

項(xiàng)目背景：整條瓶裝啤酒生產(chǎn)線(xiàn)包括上瓶、驗(yàn)瓶、裝酒、消毒、加蓋、驗(yàn)酒、貼標(biāo)等幾道工序。其中啤酒瓶在線(xiàn)檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)是啤酒生產(chǎn)線(xiàn)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)啤酒生產(chǎn)線(xiàn)整線(xiàn)自動(dòng)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(dòng)化的研究重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)啤酒企業(yè)使用的關(guān)鍵檢測(cè)裝置還都依賴(lài)進(jìn)口，這是我國(guó)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(jué)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(xiàn)的在線(xiàn)檢測(cè)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(xiàn)整線(xiàn)自動(dòng)化中的關(guān)鍵檢驗(yàn)裝置，主要用來(lái)檢驗(yàn)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(jué)技術(shù)，通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)。設(shè)備通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)獲得生產(chǎn)線(xiàn)上的啤酒瓶照片，針對(duì)不同的質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)相應(yīng)的圖像分析與識(shí)別算法，得出檢驗(yàn)結(jié)果，并將存在質(zhì)量問(wèn)題的啤酒瓶自動(dòng)處理、記錄。管理員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)上的檢驗(yàn)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(chē)間調(diào)查與可行性分析。正在進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)階段。

2. 項(xiàng)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(shí)別算法的硬件實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)線(xiàn)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(shí)別算法，并通過(guò)FPGA硬件實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)不同的啤酒瓶質(zhì)量問(wèn)題并行檢驗(yàn)，保證設(shè)備快速處理，滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)流水速度。

實(shí)現(xiàn)啤酒生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化在線(xiàn)檢驗(yàn)與處理裝置。通過(guò)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)В鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行參數(shù)自動(dòng)調(diào)整，并自動(dòng)指導(dǎo)工程人員安裝設(shè)備，從而簡(jiǎn)化安裝及維護(hù)。

硬件裝置的可重用性，通過(guò)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(yàn)，如驗(yàn)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(huà)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(huà)面上將有明顯的特征。目前此方面的圖像識(shí)別算法比較容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性也較高，可以滿(mǎn)足啤酒生產(chǎn)線(xiàn)的速度。攝像頭像素和處理速度都可以滿(mǎn)足設(shè)備的要求。而且本方案已經(jīng)進(jìn)行過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，吸取了現(xiàn)場(chǎng)工程人員的建議，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入了可靠性設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目實(shí)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(yàn)生產(chǎn)線(xiàn)

從圖1可見(jiàn)，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(zhǎng)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(duì)系統(tǒng)的功能執(zhí)行予以控制；圖像處理單元對(duì)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(lái)顯示檢驗(yàn)結(jié)果和生產(chǎn)線(xiàn)狀況；機(jī)械部分完成生產(chǎn)線(xiàn)傳動(dòng)，啤酒瓶觸發(fā)和實(shí)時(shí)處理等動(dòng)作；監(jiān)控主機(jī)用來(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)視生產(chǎn)線(xiàn)的狀況。

系統(tǒng)主要功能模塊如下：

（1）圖像采樣：對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)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(shí)別：對(duì)采樣圖像做專(zhuān)門(mén)的識(shí)別算法，檢測(cè)圖樣中的污點(diǎn)等不合格現(xiàn)象。

（3）控制單元：由FPGA開(kāi)發(fā)板控制機(jī)械裝置，自動(dòng)處理不合格啤酒，并記錄檢測(cè)結(jié)果，保證生產(chǎn)線(xiàn)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(guò)程中，該向?qū)軌蜃詣?dòng)設(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(kāi)發(fā)平臺(tái)

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(shí)時(shí)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(xiàn)管理員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控檢驗(yàn)情況。設(shè)備在安裝和維護(hù)時(shí)需要使用鍵盤(pán)和VGA顯示器配置系統(tǒng)?？紤]到系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的周期和性能，我們選用Spartan 3E 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用ISE™ design software，以及相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具。

3.方案實(shí)施過(guò)程中需要開(kāi)發(fā)的模塊

本方案實(shí)施過(guò)程中需要開(kāi)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(duì)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(kāi)發(fā)采用整體設(shè)計(jì)+模塊開(kāi)發(fā)的方式，對(duì)于圖像識(shí)別算法的硬件實(shí)現(xiàn)，我們先通過(guò)matlab軟件仿真，再在FPGA上實(shí)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)軌蛑悄芘渲茫奖阋话愕墓こ倘藛T很容易地安裝和維護(hù)。

（2）對(duì)啤酒生產(chǎn)線(xiàn)上的產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn)，準(zhǔn)確地分辨和處理不合格產(chǎn)品。

（3）滿(mǎn)足瓶酒瓶不同類(lèi)型質(zhì)量問(wèn)題的檢驗(yàn)，并滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)的速度。

（4）實(shí)時(shí)地響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

（5）在啤酒生產(chǎn)車(chē)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(jì)輸入輸出功能子板

圖像傳感器模塊：啤酒生產(chǎn)線(xiàn)上的傳速度很快，但啤酒瓶的圖片色彩簡(jiǎn)單，因此需要選用的圖像傳感器響應(yīng)速度快，但對(duì)色位要求不高。圖像傳感器通過(guò)擴(kuò)展接口與Spartan 3E開(kāi)發(fā)板相連。

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

2.測(cè)試設(shè)備

萬(wàn)用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等。

3.方針、開(kāi)發(fā)工具

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