自檢線低壓電流互感器外觀檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靜國玥，張維平

（1.上海市軟件評(píng)測中心有限公司，上海200030；2.河北海納電測儀器股份有限公司，河北秦皇島066000）

自檢線低壓電流互感器外觀檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靜國玥1，張維平2

（1.上海市軟件評(píng)測中心有限公司，上海200030；2.河北海納電測儀器股份有限公司，河北秦皇島066000）

計(jì)量用低壓電流互感器的外觀檢測作為自動(dòng)檢定線上的第一個(gè)檢測工位，其準(zhǔn)確性與可靠性影響著整個(gè)檢定線的效率和性能。設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的低壓電流互感器外觀檢測系統(tǒng)，利用IMPACT軟件平臺(tái)編寫了檢測程序與監(jiān)控界面，并在實(shí)驗(yàn)室搭建的測試平臺(tái)上進(jìn)行測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性均達(dá)到檢定要求，將其應(yīng)用于低壓電流互感器自動(dòng)檢定線中，將能有效解決目前普遍存在的外觀檢測準(zhǔn)檢率低和誤檢率高的難題。

低壓電流互感器；外觀檢測；機(jī)器視覺；圖像處理

為滿足計(jì)量用低壓電流互感器大批量、集中化檢定的需求，電網(wǎng)公司正在逐步推廣低壓電流互感器自動(dòng)化檢定系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓電流互感器外觀、絕緣、誤差及耐壓等性能的自動(dòng)檢測。根據(jù)《JJG 313—2010測量用電流互感器檢定規(guī)程》[1]，第一個(gè)需要檢定的項(xiàng)目就是外觀檢測。然而，依靠人工進(jìn)行電流互感器的外觀檢測，不但效率低，而且可靠性差，某些低壓電流互感器自動(dòng)檢定線中雖然已經(jīng)設(shè)計(jì)了外觀自動(dòng)檢測工位，但是卻普遍存在準(zhǔn)檢率過低或誤檢率過高的問題，其檢測結(jié)果和數(shù)據(jù)往往很難作為外觀是否合格的判定依據(jù)。因此，設(shè)計(jì)一種更加可靠的低壓電流互感器外觀檢測系統(tǒng)并將其應(yīng)用于自動(dòng)檢定線中，具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件配置

互感器外觀檢測系統(tǒng)的硬件選型如表1所示，選用Datalogic的MX20系列主機(jī)，堅(jiān)固緊湊，配備Intel?T3100 1.90 GHz雙核處理器和2個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)供電（POE）相機(jī)端口，支持2套200萬像素的區(qū)域掃描相機(jī)。M150相機(jī)尺寸小，29 mm×29 mm×60.3 mm，每秒采集100幀，且與以太網(wǎng)供電（POE）兼容，2個(gè)相機(jī)快門打開時(shí)間均設(shè)置為26.506 μs，每單位像素對(duì)應(yīng)的長度為0.030 3 mm。亮度固定的條形光源和亮度可調(diào)的環(huán)形光源，經(jīng)試驗(yàn)測試可以滿足圖像采集的要求。

1.2 主要檢測項(xiàng)目

低壓電流互感器外觀檢測的項(xiàng)目主要包括以下幾個(gè)項(xiàng)目：①互感器銘牌信息檢測，包括型號(hào)、電流比、二次負(fù)荷和準(zhǔn)確級(jí)的字符是否正確；②互感器極性標(biāo)識(shí)檢測，包括一次極性標(biāo)識(shí)和二次極性標(biāo)識(shí)有無缺失、位置、符號(hào)是否正確；③互感器中心孔檢測，包括中心孔徑大小及位置測量，要求孔徑尺寸和中心孔位置測量精度均為±1 mm；④二次觸點(diǎn)檢測，包括二次觸點(diǎn)位置及螺釘是否缺失；⑤表面裂紋檢測，包括互感器外表面是否有明顯裂紋（明顯裂紋的標(biāo)準(zhǔn)為長、寬都大于0.5 mm）。

表1 系統(tǒng)硬件配置

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

IMPACT軟件包含超過120種檢測工具和50種用戶界面控件，能夠幫助用戶輕松、快速地創(chuàng)建自己的檢測程序和開發(fā)用戶界面，本系統(tǒng)在IMPACT軟件基礎(chǔ)平臺(tái)上編寫程序進(jìn)行二次開發(fā)。

VPM（Visual Program Management）軟件提供了數(shù)百種圖像處理和分析功能，可以用來增強(qiáng)圖像、定位特征、測量物體、檢查存在性以及閱讀文字和條碼。CPM（Customer Program Management）軟件既可以簡化操作界面的開發(fā)，又可以在線調(diào)節(jié)關(guān)鍵機(jī)器控件。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的具體流程如圖1所示。

當(dāng)載著互感器的托盤經(jīng)由輸送線到達(dá)檢測工位時(shí)，PLC啟動(dòng)相機(jī)進(jìn)行圖像采集，頂部相機(jī)從上方拍攝互感器的圖片，進(jìn)行銘牌參數(shù)、二次極性標(biāo)識(shí)和有無螺釘?shù)臋z測，然后底部氣缸將托盤頂起，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)托盤進(jìn)行4次90°的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，側(cè)面相機(jī)拍攝4個(gè)側(cè)面的圖片，用來檢測一次極性標(biāo)識(shí)、中心孔的尺寸和四周是否有明顯裂痕。將檢測結(jié)果顯示在監(jiān)控界面上，并將外觀是否合格的結(jié)果反饋至上位機(jī)。

圖1 外觀檢測系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于模板的定位

提取頂部相機(jī)拍攝的彩色圖片中的灰度圖像，首先利用“精確模板發(fā)現(xiàn)”工具進(jìn)行圖像的一次定位。將銘牌中的“電流互感器”文字作為模板進(jìn)行學(xué)習(xí)，可能的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置為±5°，可能的縮放比設(shè)置為0.9～1.1，畫出合理的搜索區(qū)域并將匹配最小分?jǐn)?shù)設(shè)置為85.一次定位較好地解決了不同托盤夾緊不同互感器時(shí)在檢測位置處的姿態(tài)偏差，加上合理的參數(shù)容錯(cuò)設(shè)置，有效降低了銘牌字符識(shí)別的誤檢率。在一次定位的基礎(chǔ)上，以互感器2個(gè)二次接線端子中間的圓孔為模板再次進(jìn)行學(xué)習(xí)，即進(jìn)行二次定位。二次定位較好地解決了不同廠家或不同批次生產(chǎn)的互感器外形上的差異問題，有效提高了二次極性標(biāo)識(shí)S1和S2的識(shí)別準(zhǔn)確率，以及辨別有無螺釘?shù)臏?zhǔn)確率。

2.2 圖像處理與字符識(shí)別

首先將銘牌區(qū)域利用圖像取樣工具提取出來，然后利用平均過濾法[2]處理圖像。該方法平均軟化圖像的亮、暗區(qū)域，比高斯濾波和中值濾波的運(yùn)算速度要快。在對(duì)銘牌信息進(jìn)行檢測時(shí)，首先選中要識(shí)別的字符進(jìn)行學(xué)習(xí)，建立字符庫；再在ROI區(qū)域內(nèi)分別讀取字符與字符庫中的字符進(jìn)行比較，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置最小匹配分?jǐn)?shù)和字符百分比尺寸變化是關(guān)鍵，數(shù)值太大容易提高誤檢率，數(shù)值太小則容易降低準(zhǔn)檢率。此外，各字符的寬度和高度不盡相同，比如LMZ2D-0.5，如果按照同一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，當(dāng)有顆粒較大的白色灰塵時(shí)，就極易發(fā)生誤檢，采取的方法是將“LMZ2D-0”“.”和“5”分為3部分來分別檢測，3部分均匹配，才認(rèn)為型號(hào)正確。

2.3 圓形測量與斑點(diǎn)檢測

在檢測螺釘有無和側(cè)面圓形孔徑的位置及尺寸時(shí)，采用圓形測量工具在ROI內(nèi)利用放射方式搜索方法查找邊緣點(diǎn)，然后利用發(fā)現(xiàn)的點(diǎn)查找最合適的圓周。這個(gè)工具可以設(shè)置找到一個(gè)圓周或者一個(gè)環(huán)形，同時(shí)可以輸出圓周或環(huán)形的中心原點(diǎn)。斑點(diǎn)檢測工具在ROI內(nèi)可使用自動(dòng)閾值或固定閾值方法來查找隨機(jī)的或無定型的對(duì)象，輸出序列可以通過限制基本的面積、寬度和高度過濾斑點(diǎn)。本方案采用固定閾值，參數(shù)設(shè)置為28.5，能按照檢測要求將明顯的裂紋檢測出來。

3 測試及結(jié)果分析

3.1 測試過程

圖2 幾種典型的不合格品檢測監(jiān)控界面

為測試低壓電流互感器外觀檢測系統(tǒng)的效果，準(zhǔn)備了50只樣本，其中，42只合格品（序號(hào)1～42），8只不合格品（序號(hào)43～50）。合格品的銘牌信息為：型號(hào)LMZ2D-0.5，電流比500 A/5 A，二次負(fù)荷10/3.75 VA，準(zhǔn)確級(jí)0.2S；二次極性標(biāo)識(shí)位置準(zhǔn)確，符號(hào)為S1、S2；二次觸點(diǎn)位置準(zhǔn)確，螺釘無缺失；一次極性標(biāo)識(shí)位置準(zhǔn)確，符號(hào)為P1；中心孔孔徑為41 mm；互感器側(cè)面無明顯裂紋。不合格品的情況為：43號(hào)的一個(gè)二次觸點(diǎn)少螺釘，44號(hào)銘牌上二次負(fù)荷字符處有劃痕，45號(hào)側(cè)面有明顯裂痕，46和47號(hào)電流比200 A/5 A，符號(hào)和中心孔尺寸錯(cuò)誤；48號(hào)電流比300 A/5 A，符號(hào)錯(cuò)誤；49號(hào)電流比400 A/5 A，符號(hào)錯(cuò)誤；50號(hào)電流比400 A/5 A，符號(hào)錯(cuò)誤且表面有明顯劃痕。在試驗(yàn)室搭建了簡易的測試平臺(tái)，托盤雖不能旋轉(zhuǎn)，但可以同時(shí)采集上面和一個(gè)主要側(cè)面的圖片，通過編寫的VPM程序進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果在編寫的CPM監(jiān)控界面中進(jìn)行顯示，綠色指示代表正確，紅色指示代表不正確。幾種典型的不合格品的監(jiān)控界面如圖2所示。

3.2 結(jié)果及分析

表2 50只樣本第一次測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

第1次針對(duì)50只樣品的完整測試結(jié)果如表2所示，3號(hào)合格品出現(xiàn)了誤檢，46號(hào)合格品出現(xiàn)了漏檢，其余樣品均正確。3號(hào)銘牌中準(zhǔn)確級(jí)0.2S，其中的小數(shù)點(diǎn)未識(shí)別出，故而報(bào)錯(cuò)，導(dǎo)致誤檢。主要原因是頂部相機(jī)拍攝時(shí)光源亮度不夠，圖片質(zhì)量不高，導(dǎo)致定位出現(xiàn)偏差。改進(jìn)措施為：將條形光源的角度向斜下方旋轉(zhuǎn)10°，增強(qiáng)拍攝環(huán)境的亮度，同時(shí)將程序中定位偏差的冗余度值適當(dāng)調(diào)大。46號(hào)不合格品銘牌中電流比300 A/5 A被誤認(rèn)為正確。主要原因是最小匹配分?jǐn)?shù)設(shè)定過于寬泛，無法正確區(qū)分出“3”和“5”。改進(jìn)措施為：將電流比中的最小匹配分?jǐn)?shù)這一參數(shù)由50修改為70.2只樣品再次進(jìn)行測試，檢測結(jié)果均變?yōu)檎_。

為測試外觀檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又針對(duì)上述50只樣本重復(fù)進(jìn)行了19次完整測試，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，準(zhǔn)檢率均為100%，誤檢率均為0.

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種可用于自檢線上的低壓電流互感器外觀檢測系統(tǒng)，通過針對(duì)50只樣本重復(fù)20次的測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其檢測結(jié)果可以作為自檢線上判定外觀是否合格的依據(jù)。利用IMPACT組件設(shè)計(jì)的外觀檢測程序，對(duì)其他基于機(jī)器視覺的工業(yè)應(yīng)用也有一定的借鑒和參考意義。

［1］國家高電壓計(jì)量站，天津電力科學(xué)研究院，江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，等.JJG 313—2010測量用電流互感器檢定規(guī)程［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［2］宋強(qiáng)，林國營，馬敬奇，等.低壓電流互感器表面裂紋檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化與信息工程，2015，36（5）：11-15.

〔編輯：劉曉芳〕

2095－6835（2017）16－0029－03

TM93

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.029