成像式盤(pán)紙余量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏西斌

(廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司柳州卷煙廠，廣西 柳州 545006)

0 引言

盤(pán)紙自動(dòng)搭接系統(tǒng)是卷接機(jī)的一部分，它判斷盤(pán)紙用完的機(jī)理為:盤(pán)紙托盤(pán)邊緣有等距的齒狀柵格，盤(pán)紙每轉(zhuǎn)一圈，接近開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生固定數(shù)量的脈沖，一般在機(jī)器主控器設(shè)置這個(gè)脈沖總數(shù)(也就是盤(pán)紙轉(zhuǎn)動(dòng)總?cè)?shù))，等到盤(pán)紙轉(zhuǎn)完設(shè)定的圈數(shù)，就自動(dòng)進(jìn)行盤(pán)紙切換(圖1)。

輔材提供商對(duì)盤(pán)紙的總長(zhǎng)沒(méi)有嚴(yán)格控制，另外卷軸的直徑也變化較大，因此每卷盤(pán)紙的總?cè)?shù)不一樣。這樣盤(pán)紙圈數(shù)較少時(shí)，有可能設(shè)定圈數(shù)未到，盤(pán)紙已經(jīng)用完，這個(gè)時(shí)候需要停機(jī)進(jìn)行手動(dòng)搭接，浪費(fèi)更大。所以一般情況下都把盤(pán)紙余量設(shè)置在10 m 以上，以避免出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。這樣每次盤(pán)紙均剩很多時(shí)就被廢棄，日積月累導(dǎo)致極大浪費(fèi)。

采用機(jī)器視覺(jué)方法在線實(shí)時(shí)精確測(cè)量盤(pán)紙余量，可以在盤(pán)紙剩余4 圈左右時(shí)發(fā)出指令，卷接機(jī)自動(dòng)切換盤(pán)紙，從根本上杜絕浪費(fèi)，并將對(duì)煙廠標(biāo)準(zhǔn)管理產(chǎn)生重要作用。

對(duì)于Protos 機(jī)型，盤(pán)紙自動(dòng)供紙系統(tǒng)的工作機(jī)理是:右邊轉(zhuǎn)盤(pán)上的盤(pán)紙大約用到一半時(shí)旋轉(zhuǎn)180°到左邊，這時(shí)右邊轉(zhuǎn)盤(pán)靜止不動(dòng)，操作工換上新盤(pán)紙，等到左邊盤(pán)紙用完時(shí)，自動(dòng)供紙系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行切換，使右邊轉(zhuǎn)盤(pán)開(kāi)始工作。在這個(gè)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，盤(pán)紙總是在左邊轉(zhuǎn)盤(pán)用完。為此，在左邊轉(zhuǎn)盤(pán)附近安裝一個(gè)攝像頭，它對(duì)準(zhǔn)盤(pán)紙的內(nèi)框(卷軸)，按照一個(gè)固定的頻率拍照，然后將圖像傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上的軟件自動(dòng)測(cè)量盤(pán)紙邊緣到內(nèi)框的距離即盤(pán)紙厚度，當(dāng)盤(pán)紙厚度小于設(shè)定值時(shí)，軟件自動(dòng)向IO 放大板發(fā)送盤(pán)紙用完信號(hào)，IO 放大板收到后，立即向卷煙機(jī)的自動(dòng)供紙系統(tǒng)發(fā)送切換盤(pán)紙命令，以完成自動(dòng)換紙。

1 產(chǎn)品總體方案

圖1 接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)盤(pán)紙用量

如圖2 所示，由于盤(pán)紙總是在左邊轉(zhuǎn)盤(pán)用完，可以在其左下角位置安裝一根可扳動(dòng)的鋼管，鋼管頭部設(shè)置一個(gè)USB 工業(yè)內(nèi)窺鏡，內(nèi)窺鏡前方設(shè)置一個(gè)45°反光鏡。鋼管軸線與盤(pán)紙徑向面平行，在45°反光鏡的作用下，內(nèi)窺鏡相當(dāng)于垂直盤(pán)紙徑向面對(duì)盤(pán)紙內(nèi)框拍照。內(nèi)窺鏡自帶4顆LED 燈，亮度足夠，因此不需要另外加光源。內(nèi)窺鏡工作在連續(xù)拍攝模式，每拍一幅盤(pán)紙圖像就將它發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)(或稱(chēng)為控制盒)安裝在卷煙機(jī)控制面板上方的平臺(tái)上，由機(jī)箱、微型嵌入式主板、127 mm(5 英寸)觸摸液晶屏、液晶屏轉(zhuǎn)換板、觸摸控制板、IO 放大板、開(kāi)關(guān)機(jī)按鈕、換紙使能按鈕和報(bào)警器組成，并安裝圖像檢測(cè)軟件，接受內(nèi)窺鏡傳送來(lái)的盤(pán)紙圖像，并自動(dòng)測(cè)量盤(pán)紙厚度，當(dāng)盤(pán)紙厚度小于設(shè)定值時(shí)，通知IO 放大板向卷煙機(jī)自動(dòng)供紙系統(tǒng)發(fā)送切換盤(pán)紙命令。

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

鋼管是可以繞自身轉(zhuǎn)動(dòng)軸向垂直于圖2 紙面方向扳動(dòng)的，這是出于兩個(gè)方面的考慮:1)鋼管向垂直于紙面方向扳動(dòng)90°之后，可以為右邊轉(zhuǎn)盤(pán)安裝盤(pán)紙和繞紙(圖1)讓出空間，安裝好了再把鋼管扳回去;2)鋼管扳動(dòng)90°之后朝向操作工，方便對(duì)內(nèi)窺鏡和反光鏡進(jìn)行清潔和保養(yǎng)。

鋼管尾部設(shè)計(jì)一個(gè)直徑為4 mm 或6 mm 的螺紋孔，用于安裝小型節(jié)流閥，通過(guò)氣管從機(jī)臺(tái)引入清潔空氣對(duì)鋼管內(nèi)部持續(xù)吹氣，即在鋼管內(nèi)部制造一個(gè)正向壓力，阻止粉塵進(jìn)入，從而保持鋼管內(nèi)部各器件的清潔、正常工作。鋼管、內(nèi)窺鏡、反光鏡及外接的節(jié)流閥所組成的整體機(jī)構(gòu)稱(chēng)之為視頻盒。

控制盒是該產(chǎn)品控制和計(jì)算的中心，它上面安裝上位機(jī)軟件，相當(dāng)于人的大腦，其主要功能有5 點(diǎn):1)連續(xù)獲取USB 內(nèi)窺鏡的圖像數(shù)據(jù)，并計(jì)算盤(pán)紙厚度;2)當(dāng)盤(pán)紙快用完時(shí)發(fā)送切換盤(pán)紙命令;3)發(fā)送換紙使能命令，即通知自動(dòng)供紙系統(tǒng)(PLC)此后控制盒發(fā)來(lái)的換紙命令是否有效;4)提供觸摸式人機(jī)交互界面;5)自動(dòng)監(jiān)測(cè)內(nèi)窺鏡和軟件工作狀況，發(fā)生故障時(shí)報(bào)警。控制盒面板上安裝127 mm(5 吋)觸摸液晶屏、開(kāi)關(guān)機(jī)按鈕和換紙使能按鈕，盒體寬度不大于150 mm，高度不大于100 mm，相當(dāng)于人的手掌大小。控制盒外接聲光報(bào)警器，用于故障報(bào)警。

2 產(chǎn)品關(guān)鍵器件

a)USB 工業(yè)內(nèi)窺鏡

采用高清CMOS 圖像傳感器，圖像分辨率為640 ×480，幀率為30 fps。內(nèi)窺鏡呈管狀，外徑9 mm，長(zhǎng)度為50 mm，質(zhì)量?jī)H56 g，鏡頭周?chē)詭? 顆LED，標(biāo)準(zhǔn)USB接口。

b)USB 工業(yè)內(nèi)窺鏡的主要作用是持續(xù)采集盤(pán)紙圖像，每采集完一次就立即發(fā)送給主機(jī)進(jìn)行處理。

c)反光鏡

可以采用小包上用的反光鏡，厚度為1 mm。它安裝在內(nèi)窺鏡前面，主要作用是將成像光路改變90°，便于盤(pán)紙檢測(cè)裝置安裝。

d)微型嵌入式主板

采用微型嵌入式主板，12V DC 供電。其CPU 主頻為1.66 GHz，內(nèi)存為DDR 32GB。該主板提供VGA 和LVDS接口，可以接普通顯示器或LCD 液晶屏。主板上帶有2個(gè)RS232、2 個(gè)USB 2.0 和1 個(gè)8 位的可編程GPIO，因此可以方便連接USB 內(nèi)窺鏡和輸出換紙命令。

微型嵌入式主板的主要作用:

1)作為圖像處理硬件平臺(tái)，上面安裝盤(pán)紙檢測(cè)軟件，持續(xù)獲取USB 內(nèi)窺鏡的圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算;2)通過(guò)GPIO 編程向IO 放大板發(fā)送換紙信號(hào);3)通過(guò)GPIO 編程向IO 放大板發(fā)送換紙使能信號(hào);4)從GPIO 輸入口讀取PLC 發(fā)來(lái)的通知檢測(cè)信號(hào)，并立即啟動(dòng)內(nèi)窺鏡拍照檢測(cè);5)通過(guò)GPIO 編程向IO 放大板發(fā)送報(bào)警信號(hào);6)通過(guò)LVDS 接口連接觸摸屏向外提供操作界面。

e)觸摸液晶屏

采用127 mm(5 吋)彩色觸摸液晶屏，其分辨率為640 ×480。觸摸液晶屏的主要作用是通過(guò)LVDS 連接到微型嵌入式主板，作為顯示器和人機(jī)交互界面。

f)IO 放大板

需提供4 路輸入和4 路輸出，輸入與輸出之間采用光耦隔離，其主要作用是:

1)將GPIO 發(fā)送來(lái)的換紙信號(hào)進(jìn)行放大處理后給自動(dòng)供紙系統(tǒng)(PLC);2)將GPIO 發(fā)送來(lái)的換紙使能信號(hào)進(jìn)行放大處理后給自動(dòng)供紙系統(tǒng);3)將PLC 發(fā)送來(lái)的通知檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理后給GPIO;4)將GPIO 發(fā)送來(lái)的報(bào)警信號(hào)進(jìn)行放大處理后使報(bào)警器報(bào)警。

3 產(chǎn)品模塊分解

成像式盤(pán)紙余量檢測(cè)裝置主要由3 個(gè)模塊組成:

1)視頻盒

由鋼管、內(nèi)窺鏡及固定塊、反光鏡、節(jié)流閥和航空插頭等組成。

2)控制盒

由盒體、微型嵌入式主板、127 mm(5 吋)觸摸液晶屏、液晶屏轉(zhuǎn)換板、觸摸控制板、IO 放大板、開(kāi)關(guān)機(jī)按鈕、換紙使能按鈕和報(bào)警器組成。

3)上位機(jī)軟件

由界面、主程序和檢測(cè)算法組成。

4 視頻盒設(shè)計(jì)方案

Protos 型卷接機(jī)組的盤(pán)紙總是在左邊轉(zhuǎn)盤(pán)用完，因此在左側(cè)盤(pán)紙的左下方安裝一個(gè)鋼管作為支撐，并由支撐點(diǎn)向盤(pán)紙方向延伸一根矩形管，內(nèi)窺鏡通過(guò)一個(gè)固定塊安裝在矩形管里，矩形管和鋼管通過(guò)螺釘連接，內(nèi)窺鏡前方設(shè)置一個(gè)45°的反光鏡，相機(jī)的軸線與盤(pán)紙徑向平面平行，在45°反光鏡的作用下相當(dāng)于相機(jī)垂直拍攝盤(pán)紙，從而能夠有效檢測(cè)盤(pán)紙剩余量。

視頻盒尾部設(shè)計(jì)安裝一個(gè)航空插頭(公頭)，USB 內(nèi)窺鏡的數(shù)據(jù)線焊接到插頭一端引腳上，另一端通過(guò)母頭和數(shù)據(jù)線連接到控制盒的USB 接口上，這樣控制盒與視頻盒之間接線就變得比較簡(jiǎn)單，而視頻盒也成為一個(gè)可方便更換的部件。

另外，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中煙絲粉塵比較多，為使內(nèi)窺鏡和反光鏡在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)保持清潔，在矩形管尾部設(shè)計(jì)一個(gè)M5 螺紋孔，用于安裝小型節(jié)流閥，通過(guò)氣管從機(jī)臺(tái)引入清潔空氣對(duì)矩形管內(nèi)部處持續(xù)吹氣，從而阻止粉塵進(jìn)入。視頻盒的安裝效果如圖3 所示。

圖3 視頻盒安裝效果圖

5 控制盒設(shè)計(jì)方案

控制盒中裝有液晶屏、觸摸控制板、液晶屏轉(zhuǎn)換板、微型主板、IO 放大板等，將主板上的USB 接口、以太網(wǎng)口和IO 放大板的輸出端子設(shè)計(jì)在控制盒外面。把主板上的電源插頭拿掉，引兩根導(dǎo)線到IO 板上，讓IO 板為它供電。外部電源(12 V)通過(guò)IO 板上的電源端子引入。觸摸屏控制板上原有的USB 接口改成RS232 接口。

控制盒面板上設(shè)計(jì)兩個(gè)按鈕，一個(gè)是自復(fù)式電源開(kāi)關(guān)，另一個(gè)是自鎖式換紙使能按鈕，換紙使能信號(hào)給IO板。IO 板要放大處理三個(gè)信號(hào):1)GPIO 發(fā)來(lái)的切換盤(pán)紙命令;2)GPIO 發(fā)來(lái)的報(bào)警命令;3)自鎖式換紙使能按鈕產(chǎn)生的換紙使能。IO 板外部接線端子有四組:電源、換紙命令、換紙使能、報(bào)警命令。

控制盒不采用風(fēng)扇，而是將外殼做成散熱片的形式，CPU 直接貼在散熱外殼上。控制盒安裝在卷接機(jī)控制臺(tái)上方平臺(tái)上，其大小為三維效果如圖4 所示。

圖4 控制盒三維效果圖

6 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方案

a)上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件提供的主要功能匯總?cè)缦?

1)按日期瀏覽歷史圖像;

2)自動(dòng)保存圖像，可以設(shè)置保存期限、保存換紙時(shí)盤(pán)紙圖像或所有圖像、保存所有圖像時(shí)的頻率(間隔多少幅)，還可以導(dǎo)出歷史圖像;

3)按日期瀏覽工作記錄，包括時(shí)間、盤(pán)紙總數(shù)、剩余厚度等信息;

4)可以設(shè)置相機(jī)拍照間隔(單位是ms)、圖像x 方向偏移、圖像y 方向偏移;

5)圖像顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示盤(pán)紙剩余厚度;

6)可以設(shè)置盤(pán)紙剩余厚度;

7)通電自啟動(dòng)、自動(dòng)開(kāi)始檢測(cè);

8)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件和硬件故障，如檢測(cè)結(jié)果異常、內(nèi)窺鏡故障、成像異常等，出現(xiàn)故障時(shí)軟件報(bào)警;

9)通過(guò)GPIO 發(fā)送換紙命令、使能換紙命令、報(bào)警命令，并可以設(shè)置命令參數(shù)如脈沖寬度、報(bào)警持續(xù)時(shí)間等，還提供換紙測(cè)試和報(bào)警測(cè)試。

b)主程序框架

每支香煙煙紙部分的長(zhǎng)度是60 mm，卷接機(jī)的正常生產(chǎn)速度大概是每分鐘7 200 支煙，盤(pán)紙平均直徑是138 mm，可計(jì)算盤(pán)紙卷軸的轉(zhuǎn)速是［(7200 ×60)/(3.14×138)］/ 60 ≈16.6 圈/s，也即盤(pán)紙卷軸轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間是60 ms。因此，如果上位機(jī)軟件的檢測(cè)時(shí)間小于60 ms，就可以保證盤(pán)紙每轉(zhuǎn)一圈就計(jì)算一次盤(pán)紙厚度，檢測(cè)分辨率高。

主程序框架如圖5 所示，開(kāi)始檢測(cè)后內(nèi)窺鏡按照固定的幀率(大于16.6 fps)采集盤(pán)紙圖像，然后傳送給上位機(jī)軟件，軟件算法首先分析判斷圖像是否異常，異常即代表內(nèi)窺鏡或成像環(huán)境發(fā)生較大變化，這個(gè)時(shí)候軟件會(huì)控制報(bào)警器報(bào)警。若無(wú)異常再進(jìn)行盤(pán)紙厚度計(jì)算，并且當(dāng)該厚度小于一定的閾值時(shí)，軟件自動(dòng)發(fā)出換紙命令。

圖5 主程序框架

根據(jù)主程序框架，上位機(jī)軟件涉及到兩種圖像算法，1)如何檢測(cè)判斷內(nèi)窺鏡成像是否異常;2)計(jì)算盤(pán)紙余量的算法。兩個(gè)算法總耗時(shí)應(yīng)該小于60 ms，一般情況下應(yīng)限制在50 ms 以?xún)?nèi)。

c)成像異常判定算法

成像異常的原因可能是:1)內(nèi)窺鏡感光元器件損壞;2)內(nèi)窺鏡LED 燈損壞或亮度衰減;3)鏡頭和反光鏡落灰使圖像變暗。不管什么原因，異常圖像跟正常的相比一定存在較大差異。因此，在圖像處理參數(shù)面板中設(shè)置好盤(pán)紙檢測(cè)區(qū)域后，自動(dòng)把盤(pán)紙分割出來(lái)并計(jì)算盤(pán)紙R、G、B 三通道地平均灰度和標(biāo)準(zhǔn)偏差，然后把這些參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)值保存起來(lái)，以后每次計(jì)算盤(pán)紙余量之前先分割出盤(pán)紙，然后計(jì)算上述參數(shù)值并分別與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，如果差別大于一定的閾值，則判定成像出現(xiàn)異常。

d)盤(pán)紙余量檢測(cè)算法

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，盤(pán)紙與盤(pán)紙卷軸的顏色是不同的，盤(pán)紙一般是白色的，盤(pán)紙卷軸有的是酒紅色，有的是淺綠色，盤(pán)紙與卷軸之間存在較大的顏色對(duì)比。盤(pán)紙余量檢測(cè)算法應(yīng)該是在一個(gè)檢測(cè)區(qū)域(ROI)中進(jìn)行的，首先確定盤(pán)紙和卷軸的分界線(是一個(gè)橢圓)，然后對(duì)分界線上的每個(gè)點(diǎn)計(jì)算其鄰域的加權(quán)平均梯度方向，沿著這個(gè)方向以一定的寬度尋找盤(pán)紙外邊界。盤(pán)紙相對(duì)于背景也應(yīng)該有較大的灰度差異，因此可以對(duì)邊緣圖像在梯度方向上進(jìn)行投影，投影的極大值即為盤(pán)紙外邊界。外邊界到分界線的距離即為該方向上的盤(pán)紙厚度。如果盤(pán)紙還很厚，外邊界在ROI 之外，這個(gè)時(shí)候?qū)ふ业耐队皹O大值相對(duì)很小，因此將分界線到ROI 邊界的距離作為盤(pán)紙厚度。

由上述可知，對(duì)于分界線上的每一個(gè)點(diǎn)都可以計(jì)算一個(gè)方向上的盤(pán)紙厚度，為了進(jìn)一步加強(qiáng)算法的穩(wěn)定性，可以對(duì)內(nèi)窺鏡視野內(nèi)所有方向上盤(pán)紙的厚度取平均值作為最終結(jié)果。

7 結(jié)論

采用圖像檢測(cè)的方法可以精確計(jì)算盤(pán)紙的剩余量，而且不受盤(pán)紙卷軸直徑大小的限制，盤(pán)紙的切紙是采用原機(jī)的切紙?jiān)恚⒃贗O 控制板中加入了保護(hù)機(jī)制，確保盤(pán)紙不會(huì)跑空。采用成像式盤(pán)紙余量檢測(cè)系統(tǒng)可以保證盤(pán)紙的剩余量在4 m 之內(nèi)，且不同生產(chǎn)速度下的盤(pán)紙剩余量不超過(guò)0.5 m，比采用脈沖計(jì)數(shù)的方法穩(wěn)定性要高出很多。

［1］張錚，王艷平，薛桂香.數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺(jué)［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

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