啤酒生產線的啤酒瓶自動檢驗設備

項目背景及可行性分析

1. 項目名稱、項目的主要內容及目前的進展情況

項目名稱：啤酒生產線的啤酒瓶自動檢驗設備。

項目背景：整條瓶裝啤酒生產線包括上瓶、驗瓶、裝酒、消毒、加蓋、驗酒、貼標等幾道工序。其中啤酒瓶在線檢測裝置和控制系統是啤酒生產線的重要組成部分，是實現啤酒生產線整線自動化、高效率、低能耗經濟運行的決定性因素之一，也是今后啤酒生產自動化的研究重點。目前國內啤酒企業使用的關鍵檢測裝置還都依賴進口，這是我國啤酒設備技術發展中的薄弱環節。本課題基于機器視覺技術和FPGA技術，研究的目標就是要制造出技術含量高、功能完善、運行穩定可靠的適應高速、高效啤酒生產線的在線檢測和自控系統產品。

主要內容：本設備是啤酒生產線整線自動化中的關鍵檢驗裝置，主要用來檢驗啤酒瓶的質量，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技術，通過FPGA實現。設備通過攝像頭實時獲得生產線上的啤酒瓶照片，針對不同的質量問題，通過相應的圖像分析與識別算法，得出檢驗結果，并將存在質量問題的啤酒瓶自動處理、記錄。管理員可以通過網絡遠程監控整個生產線上的檢驗進度。而且系統帶有智能安裝配置向導，引導操作人員快速進行安裝配置設備。本系統大大提高了生產效率，并改善了人員的工作環境。

本方案現在已經完成前期車間調查與可行性分析。正在進行原型設計和算法設計階段。

2. 項目關鍵技術及創新點的論述；

主要關鍵技術為：圖像快速獲取和預處理技術，啤酒瓶質量分析和識別算法的硬件實現，生產線機械控制改造，遠程網絡監控，系統安裝配置程序。

創新點為：

啤酒瓶破口，霉斑，拉絲，異物，火堿等相關質量指標的識別算法，并通過FPGA硬件實現。

針對不同的啤酒瓶質量問題并行檢驗，保證設備快速處理，滿足生產線流水速度。

實現啤酒生產線的自動化在線檢驗與處理裝置。通過網絡遠程監控，提高生產效率，改善工作條件。

系統自帶的安裝配置向導，根據現場環境進行參數自動調整，并自動指導工程人員安裝設備，從而簡化安裝及維護。

硬件裝置的可重用性，通過更換相應軟件，使得本設備用于其他關鍵環節檢驗，如驗酒環節。

3. 技術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，實時性也較高，可以滿足啤酒生產線的速度。攝像頭像素和處理速度都可以滿足設備的要求。而且本方案已經進行過現場調查，吸取了現場工程人員的建議，在系統設計中加入了可靠性設計。

項目實施方案

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 啤酒瓶檢驗生產線

從圖1可見，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、長效的光源，保證取像質量；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行處理、分析，判斷各種不合格現象；顯示器用來顯示檢驗結果和生產線狀況；機械部分完成生產線傳動，啤酒瓶觸發和實時處理等動作；監控主機用來遠程監視生產線的狀況。

系統主要功能模塊如下：

（1）圖像采樣：對生產線上的啤酒進行數字圖像采樣，并做圖像預處理。

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

（3）控制單元：由FPGA開發板控制機械裝置，自動處理不合格啤酒，并記錄檢測結果，保證生產線的正常運行。

（4）網絡監控程序：響應管理人員的網絡監控。

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

2.需要的開發平臺

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，顯示器和網絡監控模塊。使用Expansion Connectors，RS232接口，PS/2接口，VGA接口，10/100 M網絡接口和LCD 顯示屏。系統需要實時拍照，獲取啤酒瓶圖像，送入FPGA圖像處理模塊，處理后執行控制裝置和顯示設備。生產線管理員可以通過網絡遠程監控檢驗情況。設備在安裝和維護時需要使用鍵盤和VGA顯示器配置系統。考慮到系統開發的周期和性能，我們選用Spartan 3E 作為開發平臺，使用ISE™ design software，以及相應的開發工具。

3.方案實施過程中需要開發的模塊

本方案實施過程中需要開發的模塊包括：

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絡控制模塊。

系統開發采用整體設計+模塊開發的方式，對于圖像識別算法的硬件實現，我們先通過matlab軟件仿真，再在FPGA上實現 。

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）對啤酒生產線上的產品進行實時檢驗，準確地分辨和處理不合格產品。

（3）滿足瓶酒瓶不同類型質量問題的檢驗，并滿足生產線的速度。

（4）實時地響應網絡遠程監控功能。

（5）在啤酒生產車間的環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速度快，但對色位要求不高。圖像傳感器通過擴展接口與Spartan 3E開發板相連。

控制裝置：控制裝置需要與啤酒生產線結合在一塊設計，通過擴展接口與Spartan 3E相連。響應速度要符合生產線的要求。

2.測試設備

萬用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等。

3.方針、開發工具

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