啤酒生產(chǎn)線(xiàn)的啤酒瓶自動(dòng)檢驗設備

項目背景及可行性分析

1. 項目名稱(chēng)、項目的主要內容及目前的進(jìn)展情況

項目名稱(chēng)：啤酒生產(chǎn)線(xiàn)的啤酒瓶自動(dòng)檢驗設備。

項目背景：整條瓶裝啤酒生產(chǎn)線(xiàn)包括上瓶、驗瓶、裝酒、消毒、加蓋、驗酒、貼標等幾道工序。其中啤酒瓶在線(xiàn)檢測裝置和控制系統是啤酒生產(chǎn)線(xiàn)的重要組成部分，是實(shí)現啤酒生產(chǎn)線(xiàn)整線(xiàn)自動(dòng)化、高效率、低能耗經(jīng)濟運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)。目前國內啤酒企業(yè)使用的關(guān)鍵檢測裝置還都依賴(lài)進(jìn)口，這是我國啤酒設備技術(shù)發(fā)展中的薄弱環(huán)節。本課題基于機器視覺(jué)技術(shù)和FPGA技術(shù)，研究的目標就是要制造出技術(shù)含量高、功能完善、運行穩定可靠的適應高速、高效啤酒生產(chǎn)線(xiàn)的在線(xiàn)檢測和自控系統產(chǎn)品。

主要內容：本設備是啤酒生產(chǎn)線(xiàn)整線(xiàn)自動(dòng)化中的關(guān)鍵檢驗裝置，主要用來(lái)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。本設備基于機器視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)FPGA實(shí)現。設備通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)獲得生產(chǎn)線(xiàn)上的啤酒瓶照片，針對不同的質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)相應的圖像分析與識別算法，得出檢驗結果，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 )遠程監控整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)上的檢驗進(jìn)度。而且系統帶有智能安裝配置向導，引導操作人員快速進(jìn)行安裝配置設備。本系統大大提高了生產(chǎn)效率，并改善了人員的工作環(huán)境。

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

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：圖像快速獲取和預處理技術(shù)，啤酒瓶質(zhì)量分析和識別算法的硬件實(shí)現，生產(chǎn)線(xiàn)機械控制改造，遠程網(wǎng)絡(luò )監控，系統安裝配置程序。

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)量指標的識別算法，并通過(guò)FPGA硬件實(shí)現。

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

實(shí)現啤酒生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化在線(xiàn)檢驗與處理裝置。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )遠程監控，提高生產(chǎn)效率，改善工作條件。

系統自帶的安裝配置向導，根據現場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行參數自動(dòng)調整，并自動(dòng)指導工程人員安裝設備，從而簡(jiǎn)化安裝及維護。

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

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，火堿等不合格現象，在畫(huà)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(shí)現，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)足設備的要求。而且本方案已經(jīng)進(jìn)行過(guò)現場(chǎng)調查，吸取了現場(chǎng)工程人員的建議，在系統設計中加入了可靠性設計。

項目實(shí)施方案

1.方案基本功能框圖及描述

圖1 系統基本功能示意圖

圖2 啤酒瓶檢驗生產(chǎn)線(xiàn)

從圖1可見(jiàn)，本系統主要由光源、攝像頭、圖像處理單元、控制單元、機械裝置、顯示器、機械部分和遠程監控主機等組成，其中圖像處理單元和控制單元由Spartan 3E完成。其職能分別為：光源提供穩定的、長(cháng)效的光源，保證取像質(zhì)量；攝像頭用于獲取啤酒瓶圖片；控制單元對系統的功能執行予以控制；圖像處理單元對數據進(jìn)行處理、分析，判斷各種不合格現象；顯示器用來(lái)顯示檢驗結果和生產(chǎn)線(xiàn)狀況；機械部分完成生產(chǎn)線(xiàn)傳動(dòng)，啤酒瓶觸發(fā)和實(shí)時(shí)處理等動(dòng)作；監控主機用來(lái)遠程監視生產(chǎn)線(xiàn)的狀況。

系統主要功能模塊如下：

（1）圖像采樣：對生產(chǎn)線(xiàn)上的啤酒進(jìn)行數字圖像采樣，并做圖像預處理。

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

（3）控制單元：由FPGA開(kāi)發(fā)板控制機械裝置，自動(dòng)處理不合格啤酒，并記錄檢測結果，保證生產(chǎn)線(xiàn)的正常運行。

（4）網(wǎng)絡(luò )監控程序：響應管理人員的網(wǎng)絡(luò )監控。

（5）智能安裝配置向導：在設備安裝過(guò)程中，該向導能夠自動(dòng)設置參數，并指導操作人員進(jìn)行很方便地安裝和維護。

2.需要的開(kāi)發(fā)平臺

系統使用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，處理后執行控制裝置和顯示設備。生產(chǎn)線(xiàn)管理員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )遠程監控檢驗情況。設備在安裝和維護時(shí)需要使用鍵盤(pán)和VGA顯示器配置系統?？紤]到系統開(kāi)發(fā)的周期和性能，我們選用Spartan 3E 作為開(kāi)發(fā)平臺，使用ISE™ design software，以及相應的開(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：

系統安裝配置程序；圖像數據采集模塊；圖像預處理模塊；圖像分析比對模塊；數據記錄處理；機械控制模塊和遠程網(wǎng)絡(luò )控制模塊。

系統開(kāi)發(fā)采用整體設計+模塊開(kāi)發(fā)的方式，對于圖像識別算法的硬件實(shí)現，我們先通過(guò)matlab軟件仿真，再在FPGA上實(shí)現 。

4. 系統最終要達到的性能指標

（1）系統安裝向導能夠智能配置，方便一般的工程人員很容易地安裝和維護。

（2）對啤酒生產(chǎn)線(xiàn)上的產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗，準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，并滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)的速度。

（4）實(shí)時(shí)地響應網(wǎng)絡(luò )遠程監控功能。

（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.設計輸入輸出功能子板

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速度快，但對色位要求不高。圖像傳感器通過(guò)擴展接口與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)結合在一塊設計，通過(guò)擴展接口與Spartan 3E相連。響應速度要符合生產(chǎn)線(xiàn)的要求。

2.測試設備

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