一種基於工業乙太網的柔性在線檢測系統的製作方法

2023-07-12 09:30:27

本發明涉及工業檢測技術，特別涉及一種基於工業乙太網的柔性在線檢測系統。

背景技術：

基於機器視覺的在線檢測技術在自動化生產中應用越來越廣,也出現了很多應用於具體行業和應用的專用在線檢測系統。檢測系統往往需要根據具體檢測任務選用專用的硬體並且編制專用的軟體。由於自動化生產線上的需求比較多樣化，市場變化也非常快，所以對檢測模塊和設備的柔性要求比較高。而傳統的系統結構比較固化,軟體和硬體的配置性較差,所以新的設備研發成本高，研發周期長，對市場的反應比較慢。後期的系統維護和升級的比較困難。自動化生產線還有一個趨勢就是速度向著高速化方向發展，而且對產品質量和多樣性的要求越來越高，也就是需要的檢測項目也在逐漸增加。因此對在線檢測系統的處理能力和靈活性有了更高的要求。

技術實現要素：

本發明目的是：提供一種基於工業乙太網的柔性在線檢測系統，該系統具有很高的柔性,可配置性和可擴展性，可以應用到自動化生產線上幾乎所有的在線檢測模塊上。利用該系統可以預先不固定具體的檢測應用，而通過將系統模塊化軟體配置可以實現不同的具體的檢測任務。利用該系統可以大大降低新產品的研發成本和開發周期。能夠加快在線檢測產品投向市場的能力並更好的滿足行業內客戶的需求。

本發明的技術方案是：

一種基於工業乙太網的柔性在線檢測系統，包括分布於工業乙太網上的信號採集元器件、控制器、工業PC主機，其中，

信號採集元器件，包括與工業PC主機相連接數字相機、與控制器連接傳感器；

工業PC主機，完成圖像的採集和圖像處理任務，以及運行系統的人機互動界面；

控制器，完成被檢測物在生產線上的跟蹤，控制數字相機拍照、傳感器採集數據以及對被檢測物最後的執行動作。

優選的，所述工業乙太網上還連接有工業PC構成的計算單元，用於擴展檢測系統的運算能力；每個計算單元上運行一個客戶服務程序，該服務程序和工業PC主機通訊，執行系統的自動發布任務。

優選的，檢測系統的一個檢測任務實現包含三個環節：信號採集元器件採集數據、工業PC主機和計算單元處理和分析數據、控制器控制執行機構的動作；

檢測系統把檢測任務分解成多個檢測步驟，各檢測步驟共同完成一個完整的檢測任務，檢測任務可以包含多個檢測項目；

一個檢測步驟作為一個計算任務由系統分配到工業乙太網上任意一臺計算單元或工業PC主機上；

在檢測系統啟動時，檢測任務由工業PC主機分配到指定的計算單元上，並且在計算單元上啟動檢測程序；檢測程序自動和主程序通訊組成一個動態的檢測系統。

優選的，檢測系統數據的採集包括相機圖像採集和傳感器信號採集。

所述傳感器信號採集是通過控制器的輸入輸出和傳感器連接取得數據，最終通過工業乙太網從控制器傳遞給工業PC主機，通過軟體的配置定義需要採集的輸入輸出通道，控制器每個執行周期將這些通道的值實時採集，並且將數據打包通過UDP通訊協議在工業乙太網內廣播傳送數據；需要傳感器信號的檢測程序通過乙太網廣播數據包取得數據，並且將歷史數據按照參考信號進行排序存儲。

所述相機圖像採集是通過工業PC主機利用相機驅動程序來取得圖像，在工業PC主機系統軟體中加入一個中間層，定義一個通用的相機操作接口，對不同廠商以及不同接口的相機分別調用各自的驅動程序實現通用接口中具體的功能，包裝成一個單獨的動態連接庫。

優選的，所述工業PC主機和計算單元通過檢測樹技術實現模塊化的圖像和數據處理；所述檢測樹技術是將一個個小的圖像和數據處理的算法串聯起來，形成鏈條，若干鏈條再形成檢測樹，檢測樹上的每一個算法都是通用的算法，完成一定的處理任務，通過通用的圖像處理庫和檢測樹搭建出大型的圖像處理應用。

優選的，所述檢測系統包括一個通用的圖像處理算法庫，圖像處理庫中的算法按照用途和功能進行分類，通過軟體平臺根據檢測任務的需要搭建圖像處理鏈。

優選的，在線檢測系統中執行動作包括觸發相機，開始採集信號，觸發剔除裝置，或者是將計算的結果通過工業總線發送給執行機構；在控制器中把常用的控制定義成一個個動作，然後將常用的動作建立一個動作庫以供調用；控制器程序跟蹤檢測對象，在固定的時間點執行動作庫當中的動作；控制的邏輯通過配置文件描述並傳遞給控制器；控制器上運行一個控制解釋程序，根據定義的跟蹤邏輯和動作作出實際的控制動作。本發明的優點是：

1．本發明所提供的基於工業乙太網的柔性在線檢測系統，系統的硬體和軟體實現比較固定，可以通用於不同行業內各種不同在線檢測設備。

2．本發明的在線檢測系統將圖像和數據的採集，處理以及控制邏輯都通用化，相對於傳統的專用在線檢測系統，具有新設備研發周期短，研發和維護成本低，系統的升級換代簡單，並且具有很好的延續性。

3. 本發明的數據處理通過利用一個通用的圖像處理庫和檢測樹技術,可以將通用的算法搭建出不同的圖像處理應用,使得一套檢測系統應用於所有檢測設備成為可能。相對於傳統的圖像處理方法，具有算法和應用分開的優勢，具有很好的可配置性和可擴展性。

4．本發明的在線檢測系統使用基於工業乙太網的拓撲結構和並且應用乙太網內並行計算技術，使得系統的圖像採集單元和運算單元非常容易擴展。使用該技術可以實現超高速的大型檢測系統，在技術上為在線檢測系統跨行業提供了可能性。

附圖說明

下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述：

圖1為本發明所述的基於工業乙太網的柔性在線檢測系統的結構原理圖；

圖2為本發明所述的通用相機操作接口的中間層結構示意圖；

圖3 為本發明所述的檢測樹技術的示意圖；

圖4為實施例中控制器一個配置文件的實例示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明所揭示的基於工業乙太網的柔性在線檢測系統，包括信號採集元器件、控制器和工業PC主機，其中：信號採集元器件包括數字相機、傳感器，數字相機和工業PC主機相連接，傳感器的信號和控制器通過導線或者工業總線連接；工業PC主機完成圖像的採集和圖像處理任務，以及運行系統的人機互動界面；控制器完成被檢測物在生產線上的跟蹤，控制數字相機拍照、傳感器採集數據以及對被檢測物最後的執行動作。所述工業PC主機和控制器之間通過工業乙太網連接、通過TCP/IP以及UDP協議通訊。所述工業乙太網上還連接有工業PC構成的計算單元，用於擴展檢測系統的運算能力。工業乙太網上還連接有3G或4G模塊，通過3G或4G模塊將檢測系統和外界相連接，將檢測系統的生產報告和診斷數據通過無線方式發送給管理人員的移動通訊裝置。

一個檢測任務使用一個或者多個相機以及信號通道採集數據。檢測任務的實現通過檢測程序軟體來實現。檢測軟體運行在工業PC主機上面。而實時的控制任務通過控制器來實現。一個檢測系統可以有多個檢測任務，一個主機工業PC主機可以運行一個或者多個檢測程序。當工業PC主機的運行能力不夠的時候，可以將檢測程序分配到乙太網絡內其它計算單元上。各個檢測程序通過和控制器通訊並行協同的工作和處理。計算單元之間通過乙太網通訊。每個計算單元在網絡上都獨立的IP位址，而且和主機在一個子網內。一個完整的檢測程序運行在工業PC主機上，檢測程序和控制器之間不斷的通訊和交換數據。計算單元可以根據運算能力的需要進行擴展，通過這樣的網絡結構可以實現從小型的在線檢測模塊到超大型的檢測系統。

檢測系統的一個檢測任務實現包含三個環節：信號採集元器件採集數據、工業PC主機和計算單元處理和分析數據、控制器控制執行機構的動作。檢測系統把檢測任務分解成多個檢測步驟，各檢測步驟共同完成一個完整的檢測任務，檢測任務可以包含多個檢測項目；一個檢測步驟作為一個計算任務由系統分配到工業乙太網上任意一臺計算單元或工業PC主機上；在檢測系統啟動時，檢測任務由工業PC主機分配到指定的計算單元上，並且在計算單元上啟動檢測程序；檢測程序自動和主程序通訊組成一個動態的檢測系統。

數據採集在硬體上是通過數字相機、傳感器以及輔助設備來實現。通常的情況還需要一定的機械結構來固定採集硬體和附件。對於具體的檢測任務，會選用不同的硬體，附件和機械結構，最後通過檢測系統軟體來實現圖像和數據採集。數據的處理是通過運行在工業PC主機或計算單元上的軟體對所採集的數據進行計算，對比，分析得到需要的結果，判定被檢測對象是否合格，最後將結果傳遞給控制器。在線檢測系統上所有要求實時性的動作都是由控制器來控制，比如相機的實時觸發，執行機構的實時控制等等。

檢測系統數據的採集包括相機圖像採集和傳感器信號採集。所述傳感器信號採集是通過控制器的輸入輸出和傳感器連接取得數據，最終通過工業乙太網從控制器傳遞給工業PC主機，通過軟體的配置定義需要採集的輸入輸出通道，控制器每個執行周期將這些通道的值實時採集，並且將數據打包通過UDP通訊協議在工業乙太網內廣播傳送數據；需要傳感器信號的檢測程序通過乙太網廣播數據包取得數據，並且將歷史數據按照參考信號進行排序存儲。每個檢測程序都可以取得感興趣的信號通道的歷史數據。

所述相機圖像採集是通過工業PC主機利用相機驅動程序來取得圖像。市場上相機有不同的品牌，不同的接口，相機的驅動程序也不盡相同。為了保證系統的通用性，本發明在工業PC主機系統軟體中加入一個中間層，將相機的功能進行抽象化，定義一個通用的相機操作接口，然後對不同廠商以及不同接口的相機分別調用各自的驅動程序實現通用接口中具體的功能，包裝成一個單獨的動態連接庫。如果需要支持新的相機，只需要按照通用接口實現一個新的動態連接庫。通過中間層結構可以保證系統的通用性和可擴展性，如圖2所示。

圖像和數據處理的過程對於不同的應用完全是不一樣的，傳統的方法有將算法固化到硬體中，也有通過編寫專用的軟體程序來進行。不管哪種方法都要求根據應用的不同對系統進行重新設計和開發。相對於傳統的方法，本發明所述在線檢測系統通過檢測樹技術實現模塊化的圖像和數據處理。檢測樹是將一個個小的圖像和數據處理的算法連接起來，串在一起像一個鏈條。鏈條上的每一個算法都是通用的算法，完成一定的處理任務。每一個算法都有輸入參數或者輸出參數。在檢測樹前面的算法的輸出可以作為後面算法的輸入，所以所有算法的計算結果可以一直在檢測樹中向後傳遞。這樣就實現了檢測樹的功能和信息的流通。單個算法本身不依賴於任何應用，但是不同的算法串聯成檢測樹之後就可以完成各種不同的檢測功能。圖3是一個檢測樹的實例圖以及輸入輸出參數在檢測樹中的傳遞。

所述檢測系統包括一個通用的圖像處理算法庫，圖像處理庫中的算法按照用途和功能進行分類，通過軟體平臺根據檢測任務的需要搭建圖像處理鏈。檢測樹中也可以有層次結構，也就是檢測樹上可以有目錄，而目錄中可以包含子檢測鏈條。。通過通用的圖像處理庫和檢測樹可以搭建出大型的圖像處理應用來。

在線檢測系統中執行動作包括觸發相機，開始採集信號，觸發剔除裝置，或者是將計算的結果通過工業總線發送給執行機構等。本發明為了使得執行機構的控制通用化，在控制器中把常用的控制定義成一個個動作，然後將常用的動作建立一個動作庫以供調用；控制器程序跟蹤檢測對象，在固定的時間點執行動作庫當中的動作；控制的邏輯通過配置文件描述並傳遞給控制器；控制器上運行一個控制解釋程序，根據定義的跟蹤邏輯和動作作出實際的控制動作。

圖4是控制器一個配置文件的實例示意圖。瓶子在生產線上傳送，經過三個工作位置，在不同的位置上完成不同的動作工序。瓶子通過最左端的光電傳感器感應進入工作區，之後通過傳送帶的脈衝計數器來定位瓶子在生產線上的位置。首先我們對生產的自動化過程對於單個生產對象進行描述。在這個實例中，當瓶子進入工作區之後100個傳送帶脈衝時候對瓶子執行吹乾，然後200個脈衝之後對對象拍照檢測對象是否合格，最後200個脈衝處將不合格產品剔除出傳送帶。在這個過程當中，動作執行相對於對象進入工作區起始位置的傳送帶脈衝延遲就是目標值。每個目標值處可以執行動作庫中的一個或者多個動作。由於解釋程序是一個通用程序，而控制的邏輯可以通過檢測系統通用軟體以配置文件的形式定義。配置文件可以傳遞給控制器而被解釋程序解釋。所以通過該檢測系統的控制執行也保持了系統的通用性。

經實踐，本發明所提供的在線檢測系統應用在飲料生產行業中瓶蓋檢測，罐裝液位，噴碼檢測，最高處理速度可以到達九萬瓶每小時。包裝行業的糊盒機高速噴膠檢測，紙箱喇叭口檢測速度最高可以達到六萬個紙箱每小時，最高線性傳送速度四百米每分鐘。本公司所有的在線檢測系統都是使用完全一樣的檢測平臺和控制系統，也就是說不需要為新的設備開發專門的軟體和控制系統。所以基於該系統，新產品研發和向市場發布的周期比較短，很容易根據客戶的需求定製和擴展在線檢測功能而不需要更改核心系統。最終降低了研發成本並提高了產品的市場核心競爭力。

上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明主要技術方案的精神實質所做的修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。