一、 空瓶檢測機(jī)（EBI）設(shè)計概要

　　1.1空瓶檢測機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

　　中國制造業(yè)的高速發(fā)展給工廠自動化帶來的機(jī)遇。工廠的管理者已深刻地體會到一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的自動檢測設(shè)備不僅能帶來更高的效率，并且能更大限度地降低成本。隨著市場競爭的加劇，啤酒飲料制造企業(yè)越來越清楚地認(rèn)識到，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，是決定企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營成敗的關(guān)鍵。隨著在線檢測技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，可以預(yù)計，它啤酒飲料食品制造企業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用 。中國啤酒集團(tuán)的公司，例如：燕京啤酒集團(tuán)公司、青島啤酒集團(tuán)公司、華潤啤酒集團(tuán)公司、深圳金威公司、珠江啤酒集團(tuán)公司等等。隨著生產(chǎn)線速度的提高，質(zhì)量品質(zhì)的提升，這些集團(tuán)公司也已經(jīng)把驗(yàn)瓶機(jī)等檢測設(shè)備，列為生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備。

　　目前國內(nèi)啤酒飲料行業(yè)配備的空瓶檢測機(jī)在線檢測設(shè)備微乎其微，這僅有的一些空瓶檢測設(shè)備絕大部分依賴于進(jìn)口。目前空瓶檢測機(jī)的品牌比較少，表現(xiàn)為高度集中，有德國的HEUFT、KRONES、MIHO，美國的飛達(dá)，日本的KTS，德國品牌壟斷著市場的絕大部分份額。國外空瓶檢測機(jī)的特點(diǎn)：適應(yīng)性差、價格高昂及維護(hù)費(fèi)用讓廠家倍感頭痛。迫切的需要國內(nèi)研發(fā)類似設(shè)備來*這片空白。

　　1.2驗(yàn)瓶機(jī)的設(shè)計原理

　　驗(yàn)瓶機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能是對啤酒瓶進(jìn)行的檢測，將檢測的結(jié)果信號送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對接收到的信號進(jìn)行分析匯總，控制單段式或多段式剔除器將不合格的瓶子剔除。檢測系統(tǒng)分六大檢測模塊：進(jìn)瓶檢測模塊、側(cè)壁檢測模塊1、瓶口檢測模塊、瓶底檢測模塊、側(cè)壁檢測模塊2、殘留液檢測模塊。如圖1所示：

　　各模塊的檢測功能：

　　1進(jìn)瓶檢測模塊：檢測異型瓶或嚴(yán)重破損瓶，防止其進(jìn)入空瓶檢測機(jī)系統(tǒng)而對機(jī)器造成損害。

　　2側(cè)壁檢測模塊1：檢測瓶壁是否有污斑或者嚴(yán)重破損。

　　3瓶口檢測模塊：主要檢測瓶口是否存在破損或污斑。

　　4瓶底檢測模塊：主要檢測瓶底是否存在污斑。

　　5側(cè)壁檢測模塊2：瓶子通過夾瓶皮帶旋轉(zhuǎn)90度，進(jìn)行第二次側(cè)壁檢測，保證了瓶壁檢測無死點(diǎn)。

　　6殘留液檢測模塊：主要檢測瓶中是否有殘留的液體存在。

　　視覺檢測系統(tǒng)的工作原理是：

　　通過特殊設(shè)計的LED光源打光，CCD相機(jī)拍照，將拍取的照片信息送到圖像處理器系統(tǒng)，圖像處理器對照片進(jìn)行處理分析，判定拍取的照片是否合格，并將合格信號送出給控制系統(tǒng)。

　　殘留液檢測的工作原理是：

　　采用高頻發(fā)射器發(fā)出高頻信號，有殘留液的瓶子經(jīng)過此檢測模塊時，引起高頻信號波動，通過判定信號的波動，將判定的不合格瓶子的信息送達(dá)控制系統(tǒng)。

　　控制系統(tǒng)的功能是：

　　控制系統(tǒng)跟蹤無壓力控制鏈道上的瓶子，并收集圖像處理的信息，進(jìn)行匯總分析，將結(jié)果賦予瓶子，當(dāng)瓶子到達(dá)剔除器的時候?qū)⒉缓细衿诽蕹？刂葡到y(tǒng)要求使用性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、功能更強(qiáng)、調(diào)試維護(hù)更方便，貝加萊（B﹠R）的PCC控制系統(tǒng)兼具以上優(yōu)點(diǎn)從而被作為系統(tǒng)的底層控制單元，其優(yōu)勢特點(diǎn)十分明顯。

　　1.3 機(jī)器系統(tǒng)設(shè)計的初衷

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，啤酒企業(yè)生產(chǎn)線速度在不斷的提高，由原來的18000瓶/小時提升到28000瓶/小時、36000瓶/小時、42000瓶/小時。像美國飛達(dá)等旋轉(zhuǎn)式的EBI已無法達(dá)到速度要求，直線式的EBI應(yīng)運(yùn)而生。

二、 性能和功能要求

　　2.1 機(jī)器的性能要求

　　現(xiàn)國內(nèi)啤酒生產(chǎn)線普遍的速度要求為28000瓶/小時或者36000瓶/小時，生產(chǎn)速度的提升，需要用直線式的EBI，對控制系統(tǒng)提出了新的要求，接收處理信號的能力要提升;需要借助編碼器對瓶子進(jìn)行全程的跟蹤定位，所以要求控制系統(tǒng)讀取編碼器的值必須迅速而且準(zhǔn)確。西門子及歐姆龍的PLC進(jìn)行控制發(fā)現(xiàn)，實(shí)時性比較差，使用梯形圖編程對這樣的控制程序編寫比較復(fù)雜。面對這些特殊的控制要求貝加萊PCC的優(yōu)勢凸顯出來，其可以使用C等語言編程，其中的TPU功能可以解決信號接收滯后及讀取編碼器不夠及時的問題，另外可輕易的利用PVI通訊借助工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)VB程序的通訊。

　　2.2 機(jī)器的功能需求

　　控制系統(tǒng)需要將圖像處理器返回的信號進(jìn)行記錄，做出各種數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計分析，提供給上位機(jī);對各個瓶子進(jìn)行跟蹤定位，對檢測到的不合格品進(jìn)行定位，到達(dá)剔除器位置時，將不合格瓶子準(zhǔn)確剔除，剔除的瓶子倒瓶率不能高于5% ?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定可靠，突然掉電再上電后能順利啟動。

　　控制系統(tǒng)的思路為：

　　瓶子在鏈道上運(yùn)行首先觸發(fā)前側(cè)壁光電，用一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組A 記錄其當(dāng)前的編碼器的值，和前壁檢測的好壞信息。瓶口光電觸發(fā)記錄當(dāng)前的編碼器的值，然后將當(dāng)前的編碼器的值減去瓶口光電到前壁光電之間的脈沖距離REMOVE1，然后在一個容差范圍△內(nèi)（即REMOVE1±△范圍內(nèi)）查找前側(cè)壁結(jié)構(gòu)體數(shù)組里編碼器的值，找到此瓶的記錄前側(cè)壁檢測的好壞信息，拷貝到瓶口的結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，并記錄下瓶口檢測的好壞信息。如果在前側(cè)壁結(jié)構(gòu)體數(shù)組中找不到此瓶則認(rèn)為此瓶是多出的瓶子，可能是滑動過大或者是人為插入的瓶子，將此瓶記錄為不合格瓶。同理瓶底光電觸發(fā)去查瓶口的結(jié)構(gòu)體數(shù)組，后壁光電觸發(fā)去查瓶底的結(jié)構(gòu)體數(shù)組，剔除光電觸發(fā)則去查后壁結(jié)構(gòu)體數(shù)組。到了剔除光電的結(jié)構(gòu)體數(shù)組則匯集了當(dāng)前光電觸發(fā)編碼器值及前壁、瓶口、瓶底、后壁檢測的所有信息。通過監(jiān)控當(dāng)前的編碼器值和剔除結(jié)構(gòu)體數(shù)組的信息來決定是否讓剔除器動作來將瓶子剔除。

　　此控制思路的優(yōu)點(diǎn)是：

　　1） 每個光電觸發(fā)的時候來校正上個光電到這個光電距離內(nèi)瓶子在鏈道上的滑動，使其定位更加的準(zhǔn)確;

　　2） 所有模塊的檢測都是獨(dú)立的，便于分開各個模塊獨(dú)立運(yùn)行。可以關(guān)閉任意一個功能塊而不影響其他模塊的檢測;

　　3） 解決了瓶子在檢測過程中由于多瓶或少瓶而引起的信號錯亂的問題。

三、 系統(tǒng)分析

　　3.1 系統(tǒng)的難點(diǎn)

　　EBI控制系統(tǒng)設(shè)計的難點(diǎn)在于：

　　1） 對瓶子的跟蹤定位，由于瓶子在鏈道運(yùn)行過程中有可能會出現(xiàn)掉瓶情況，以及人為放入瓶子的情況，因此利用瓶子計數(shù)方式進(jìn)行控制是行不通的;另外瓶子在鏈道運(yùn)行的過程中會由于速度的變化等原因而產(chǎn)生小范圍的滑動，要對瓶子進(jìn)行跟蹤，必須要消除這些小范圍滑動帶來的影響，并且還要識別出是否有缺失的瓶子或者人為原因多加入的瓶子，并對人為加入或者滑動過大的瓶子剔除，保證檢測質(zhì)量。

　　2） 對不合格瓶子進(jìn)行剔除，剔除裝置是依靠電磁閥、汽缸來驅(qū)動的，其接收到信號到其啟動需要一定的時間△t，這個時間在速度很低的情況下不會產(chǎn)生太大的影響，但在高速狀態(tài)下就足以對剔除瓶子的精度產(chǎn)生影響，致使不合格瓶子剔除不掉或者剔除到多排鏈道的瓶子大量傾倒。

　　3） 對統(tǒng)計的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，并與上位機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)承擔(dān)有接收圖形處理器發(fā)來的圖像信息，因此要求控制系統(tǒng)盡量少的占有上位機(jī)的資源。

　　EBI控制系統(tǒng)不同于別的對機(jī)械過程的控制，機(jī)械過程的控制基本來說都是數(shù)字邏輯的控制，但對EBI的控制卻有著很大的不同。要求控制系統(tǒng)必須能快速的接收光電觸發(fā)傳入的信號，并準(zhǔn)確的將編碼器的值讀出。

　　在自動運(yùn)行狀態(tài)下，PCC主要負(fù)責(zé)檢測空瓶位置信息，準(zhǔn)確控制剔除器動作。由于空瓶檢測不是由PCC完成，而是由的圖像處理與識別子系統(tǒng)來完成，檢測結(jié)果由控制主機(jī)傳送給PCC，并且剔除器是在空瓶檢測機(jī)的輸出口，即若發(fā)現(xiàn)次瓶，必須等該瓶到達(dá)擊出位置時才能將其擊出，所以如何在空瓶的高速連續(xù)傳送當(dāng)中協(xié)調(diào)好空瓶檢測與剔除器的動作，是該系統(tǒng)控制的另一個關(guān)鍵所在。

　　對于線性補(bǔ)償值的計算，采用多點(diǎn)擬合的辦法，用MATLAB擬合的曲線

　　3.2 貝加萊實(shí)現(xiàn)

　　在貝加萊PCC控制SG3系統(tǒng)中的一款CPU，名稱為CP476具備TPU（時間處理器），其有輸入識別/輸入邊沿觸發(fā)計數(shù)器、輸出比較器、脈寬調(diào)制等功能。只需要經(jīng)過簡單的配置，就可以在程序中調(diào)用其功能塊，實(shí)現(xiàn)對編碼器的準(zhǔn)確跟蹤，快速的對光電觸發(fā)發(fā)出的信號做出響應(yīng)。

　　貝加萊PCC控制系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊程序編寫比較簡單，并且只有當(dāng)控制系統(tǒng)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時候才更新產(chǎn)生通訊動作，對上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，盡量的節(jié)省了上位機(jī)的CPU資源來進(jìn)行圖像處理信息的操作。

　　貝加萊的培訓(xùn)及是比較到位的，上定期有培訓(xùn)時間課程安排、培訓(xùn)資料等信息的發(fā)布，遇到問題技術(shù)工程師能到現(xiàn)場指導(dǎo)解決。

　　經(jīng)測定2.5米距離上對瓶子定位誤差為100個脈沖以內(nèi)，折合實(shí)際距離為小于1厘米，能夠達(dá)到檢測的定位要求?，F(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)230000個瓶子中有50個瓶子未能定位成功，比率為0.22‰，精度達(dá)到設(shè)計要求。

四、 系統(tǒng)架構(gòu)與特點(diǎn)

　　4.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　本系統(tǒng)需求IO統(tǒng)計需要24路數(shù)字量輸入，15路數(shù)字量輸出，其中需要有編碼器處理功能。貝加萊控制系統(tǒng)的配置為：
 

　　CP476典型的指令周期為0.5us，帶一個時間處理器（TPU）實(shí)現(xiàn)微秒級的高速信號處理。DI140為旋入式模塊，前7個輸入口的硬件響應(yīng)≤3us，為高速數(shù)字量輸入模塊。

　　*塊DI140用于TPU帶Link功能的編碼器的輸入;第二、三塊用于跟蹤定位光電傳感器信號的輸入;DO135帶有的TPU功能中編碼器比較輸出能快速準(zhǔn)確講不合格瓶剔除，用于剔除器輸出啟動信號;普通的輸入輸出模塊DM465用于外圍控制，如掉瓶、擠瓶保護(hù)，操作面板的控制等;IF681帶有一個RJ45接口，主要用于和上位機(jī)借助工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

　　4.2 硬件特點(diǎn)

　　現(xiàn)階段36000瓶/小時的國內(nèi)啤酒生產(chǎn)線是比較熱門的，折算為10瓶/秒。速度是比較快的，要達(dá)到對瓶子的定位，要求控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間是比較高的。在此采用了貝加萊控制系統(tǒng)的時間處理（TPU）模塊，其Link功能實(shí)現(xiàn)了高速的信號及編碼器脈沖數(shù)值的讀取，高速輸出保證了剔除不合格瓶子的精度。

五、 客戶評價

　　現(xiàn)EBI為我公司開發(fā)的第三代產(chǎn)品，已在燕京啤酒廠、青島朝日啤酒廠生產(chǎn)線上運(yùn)行，并得到了客戶的*。山東萬世德檢測包裝系統(tǒng)技術(shù)有限公司自主研發(fā)的EBI，代表國內(nèi)同類產(chǎn)品的zui高水平。與國外同類產(chǎn)品相比性能差異不大，某些方面比如控制系統(tǒng)采用貝加萊（B﹠R）PCC控制系統(tǒng)，分布式的控制結(jié)構(gòu)，特殊高速的控制模塊，已優(yōu)于國外產(chǎn)品。德國海富、克朗斯同行也給予了很高的評價，稱是中國*款真正意義上的EBI。

　　現(xiàn)國內(nèi)市場的EBI被國外產(chǎn)品所壟斷，一直以來沒有中國自己的同類產(chǎn)品。這款設(shè)備推出以后立刻引起了國內(nèi)外的關(guān)注。很多啤酒廠家有意購買國產(chǎn)EBI。國外EBI生產(chǎn)廠家也已感到威脅，現(xiàn)為增加競爭力開始*，并正式將萬世德列為其競爭對手。