啤酒生产线的啤酒瓶自动检验设备

项目背景及可行性分析

项目名称、项目的主要内容及目前的进展情况

项目名称：啤酒生产线的啤酒瓶自动检验设备。

项目背景：整条瓶装啤酒生产线包括上瓶、验瓶、装酒、消毒、加盖、验酒、贴标等几道工序。其中啤酒瓶在线检测装置和控制系统是啤酒生产线的重要组成部分，是实现啤酒生产线整线自动化、高效率、低能耗经济运行的决定性因素之一，也是今后啤酒生产自动化的研究重点。目前国内啤酒企业使用的关键检测装置还都依赖进口，这是我国啤酒设备技术发展中的薄弱环节。本课题基于机器视觉技术和FPGA技术，研究的目标就是要制造出技术含量高、功能完善、运行稳定可靠的适应高速、高效啤酒生产线的在线检测和自控系统产品。

主要内容：本设备是啤酒生产线整线自动化中的关键检验装置，主要用来检验啤酒瓶的质量，包括破口，瓶壁带有霉斑、拉丝、异物、火碱等。本设备基于机器视觉技术，通过FPGA实现。设备通过摄像头实时获得生产线上的啤酒瓶照片，针对不同的质量问题，通过相应的图像分析与识别算法，得出检验结果，并将存在质量问题的啤酒瓶自动处理、记录。管理员可以通过网络远程监控整个生产线上的检验进度。而且系统带有智能安装配置向导，引导操作人员快速进行安装配置设备。本系统大大提高了生产效率，并改善了人员的工作环境。

本方案现在已经完成前期车间调查与可行性分析。正在进行原型设计和算法设计阶段。

项目关键技术及创新点的论述;

主要关键技术为：图像快速获取和预处理技术，啤酒瓶质量分析和识别算法的硬件实现，生产线机械控制改造，远程网络监控，系统安装配置程序。

创新点为：

啤酒瓶破口，霉斑，拉丝，异物，火碱等相关质量指标的识别算法，并通过FPGA硬件实现。

针对不同的啤酒瓶质量问题并行检验，保证设备快速处理，满足生产线流水速度。

实现啤酒生产线的自动化在线检验与处理装置。通过网络远程监控，提高生产效率，改善工作条件。

系统自带的安装配置向导，根据现场环境进行参数自动调整，并自动指导工程人员安装设备，从而简化安装及维护。

硬件装置的可重用性，通过更换相应软件，使得本设备用于其他关键环节检验，如验酒环节。

技术成熟性和可靠性论述：

由于啤酒瓶图像画面很干净，如果啤酒瓶有破口，霉斑，拉丝，异物，火碱等不合格现象，在画面上将有明显的特征。目前此方面的图像识别算法比较容易实现，实时性也较高，可以满足啤酒生产线的速度。摄像头像素和处理速度都可以满足设备的要求。而且本方案已经进行过现场调查，吸取了现场工程人员的建议，在系统设计中加入了可靠性设计。

项目实施方案

1.方案基本功能框图及描述

图1 系统基本功能示意图

图2 啤酒瓶检验生产线

从图1可见，本系统主要由光源、摄像头、图像处理单元、控制单元、机械装置、显示器、机械部分和远程监控主机等组成，其中图像处理单元和控制单元由Spartan 3E完成。其职能分别为：光源提供稳定的、长效的光源，保证取像质量;摄像头用于获取啤酒瓶图片;控制单元对系统的功能执行予以控制;图像处理单元对数据进行处理、分析，判断各种不合格现象;显示器用来显示检验结果和生产线状况;机械部分完成生产线传动，啤酒瓶触发和实时处理等动作;监控主机用来远程监视生产线的状况。

系统主要功能模块如下：

(1)图像采样：对生产线上的啤酒进行数字图像采样，并做图像预处理。

(2)图像处理和识别：对采样图像做专门的识别算法，检测图样中的污点等不合格现象。

(3)控制单元：由FPGA开发板控制机械装置，自动处理不合格啤酒，并记录检测结果，保证生产线的正常运行。

(4)网络监控程序：响应管理人员的网络监控。

(5)智能安装配置向导：在设备安装过程中，该向导能够自动设置参数，并指导操作人员进行很方便地安装和维护。

2.需要的开发平台

系统使用Spartan 3E Starter Board作为核心控制板，外加图像传感器模块，控制装置，显示器和网络监控模块。使用Expansion Connectors，RS232接口，PS/2接口，VGA接口，10/100 M网络接口和LCD 显示屏。系统需要实时拍照，获取啤酒瓶图像，送入FPGA图像处理模块，处理后执行控制装置和显示设备。生产线管理员可以通过网络远程监控检验情况。设备在安装和维护时需要使用键盘和VGA显示器配置系统。考虑到系统开发的周期和性能，我们选用Spartan 3E 作为开发平台，使用ISE™ design software，以及相应的开发工具。

3.方案实施过程中需要开发的模块

本方案实施过程中需要开发的模块包括：

系统安装配置程序;图像数据采集模块;图像预处理模块;图像分析比对模块;数据记录处理;机械控制模块和远程网络控制模块。

系统开发采用整体设计+模块开发的方式，对于图像识别算法的硬件实现，我们先通过matlab软件仿真，再在FPGA上实现 。

系统最终要达到的性能指标

(1)系统安装向导能够智能配置，方便一般的工程人员很容易地安装和维护。

(2)对啤酒生产线上的产品进行实时检验，准确地分辨和处理不合格产品。

(3)满足瓶酒瓶不同类型质量问题的检验，并满足生产线的速度。

(4)实时地响应网络远程监控功能。

(5)在啤酒生产车间的环境条件下能够正常工作。

需要的其它资源

1.设计输入输出功能子板

图像传感器模块：啤酒生产线上的传速度很快，但啤酒瓶的图片色彩简单，因此需要选用的图像传感器响应速度快，但对色位要求不高。图像传感器通过扩展接口与Spartan 3E开发板相连。

控制装置：控制装置需要与啤酒生产线结合在一块设计，通过扩展接口与Spartan 3E相连。响应速度要符合生产线的要求。

2.测试设备

万用表、示波器、频谱仪、逻辑分析仪等。

3.方针、开发工具

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