智能外檢系統(tǒng)在滌綸長(zhǎng)絲自動(dòng)包裝線中的應(yīng)用

暢攀人，王 勇，汪靈瑤，王 薇，張 超

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

化纖行業(yè)是中國(guó)起步最早、掌握自主核心技術(shù)最多和產(chǎn)業(yè)化程度最高的傳統(tǒng)制造業(yè)，作為流程性產(chǎn)業(yè)，具有工藝一致性和標(biāo)準(zhǔn)化程度高等特點(diǎn)。在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略前提下，全自動(dòng)包裝線已在化纖滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。滌綸長(zhǎng)絲批號(hào)與規(guī)格較多，同批號(hào)產(chǎn)品需要根據(jù)外觀檢測(cè)結(jié)果結(jié)合卷徑大小區(qū)分出多種產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)（AAA級(jí)、AA級(jí)、A級(jí)、B級(jí)）進(jìn)而確定其市場(chǎng)售價(jià)，因此外觀檢測(cè)這道工序非常重要。在我國(guó)現(xiàn)有的滌綸長(zhǎng)絲包裝車間里，自動(dòng)包裝線仍大都沿用傳統(tǒng)的人工外檢方法，即在外檢區(qū)設(shè)置一操作控制屏，通過(guò)目視法完成外觀檢測(cè)后，由外檢人員通過(guò)此人機(jī)界面輸入絲餅等級(jí)、降等原因等外檢信息。但由于人工外檢存在很強(qiáng)的主觀隨意性，誤檢率高，效率低，經(jīng)常給下游客戶造成經(jīng)濟(jì)損失。智能外檢系統(tǒng)與人工外檢相比，外觀缺陷檢出率高，檢測(cè)速度快，與自動(dòng)包裝線可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，彌補(bǔ)了人工外檢生產(chǎn)效率不足等缺點(diǎn)。本文以滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際需求為基礎(chǔ)，介紹了智能外檢系統(tǒng)應(yīng)用于滌綸長(zhǎng)絲自動(dòng)包裝線的工作原理，系統(tǒng)特點(diǎn)，工藝流程，與自動(dòng)包裝線上位機(jī)總控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)間的信息交互，智能外檢自主學(xué)習(xí)功能等，有效推動(dòng)滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)企業(yè)向自動(dòng)化、信息化、智能化方向發(fā)展。

1 智能外檢系統(tǒng)簡(jiǎn)介

智能外觀缺陷檢測(cè)系統(tǒng)集機(jī)械、電子、光學(xué)、計(jì)算機(jī)、軟件工程等于一體，運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)設(shè)備代替人眼完成檢測(cè)、測(cè)量和判斷，具有非接觸、可重復(fù)、可靠、精確度高、連續(xù)性、效率高、柔性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于人工視覺(jué)難以滿足精度、速度要求以及大批量重復(fù)性工業(yè)生產(chǎn)的場(chǎng)合。

1.1 智能外觀缺陷檢測(cè)系統(tǒng)原理

在自動(dòng)進(jìn)料口通過(guò)傳感器采集絲餅到位信息，并由此信號(hào)觸發(fā)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的圖像攝取裝置，由CCD相機(jī)對(duì)滌綸長(zhǎng)絲絲餅進(jìn)行360度全方位在線拍照，將滌綸長(zhǎng)絲絲餅的外觀形態(tài)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送至圖像處理系統(tǒng)。得到滌綸長(zhǎng)絲絲餅圖像信息后，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息將其轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像處理系統(tǒng)利用深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)特征學(xué)習(xí)和識(shí)別，再根據(jù)滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)企業(yè)提出的工藝標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合滌綸長(zhǎng)絲外檢數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行處理和分析，并將處理結(jié)果輸送至自動(dòng)包裝線PLC控制系統(tǒng)的托盤信息DB塊中和上位機(jī)人機(jī)界面上。工作原理圖如圖1所示。

圖1 智能外檢原理圖

1.2 智能外觀缺陷檢測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)

1）具備自學(xué)習(xí)能力，外觀缺陷檢出率高：

利用深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)滌綸長(zhǎng)絲外觀缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行特征學(xué)習(xí)和識(shí)別，系統(tǒng)具有自主學(xué)習(xí)的能力?？梢栽趯?shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不斷積累外觀缺陷數(shù)據(jù)，不斷提高算法識(shí)別精度，自動(dòng)更新外檢數(shù)據(jù)庫(kù)。

2）檢測(cè)速度快：

算法檢測(cè)性能優(yōu)異，判定檢測(cè)結(jié)果時(shí)間快，對(duì)自動(dòng)包裝線系統(tǒng)速率無(wú)影響。

3）系統(tǒng)模塊化，安裝靈活：

系統(tǒng)采取一體化設(shè)計(jì)，與自動(dòng)包裝線無(wú)縫對(duì)接，大大簡(jiǎn)化安裝對(duì)接流程，極大地提高了工作效率。

2 滌綸長(zhǎng)絲自動(dòng)包裝線智能外檢工藝流程

在滌綸長(zhǎng)絲自動(dòng)包裝線正常運(yùn)行時(shí)，智能外檢系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)100%產(chǎn)品外觀檢測(cè)，根據(jù)外觀檢測(cè)結(jié)果判定產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)，剔除滌綸長(zhǎng)絲中的不合格品（如毛絲、油污、絆絲、僵絲、紙管損傷、成型不良等），并對(duì)降等原因做出歸納統(tǒng)計(jì)以便算法修正，智能外檢降等統(tǒng)計(jì)如圖2所示。智能外檢系統(tǒng)替換滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有包裝生產(chǎn)線的外觀檢驗(yàn)人員的同時(shí)，各類產(chǎn)品的外觀缺陷檢出率在99%以上，同時(shí)通過(guò)缺陷特征的識(shí)別，反向追溯問(wèn)題發(fā)生的原點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線問(wèn)題的實(shí)時(shí)反饋和預(yù)警。

滌綸長(zhǎng)絲自動(dòng)包裝線智能外檢的工藝流程主要包括從上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)批號(hào)及規(guī)格、相機(jī)圖像采集、機(jī)器視覺(jué)圖像處理及分析、PLC控制系統(tǒng)提取外檢信息數(shù)據(jù)、PLC控制系統(tǒng)根據(jù)外檢結(jié)果分配去向、空托盤外檢信息清除等。其具體工藝流程如圖3所示。

3 智能外檢系統(tǒng)與自動(dòng)包裝線信息交互

圖2 智能外檢降等統(tǒng)計(jì)

圖3 滌綸長(zhǎng)絲自動(dòng)包裝線智能外檢工藝流程圖

智能外檢系統(tǒng)與滌綸長(zhǎng)絲自動(dòng)包裝線二者相對(duì)獨(dú)立卻又彼此緊密聯(lián)系。智能外檢具備系統(tǒng)模塊化，自動(dòng)包裝線也可離線智能外檢系統(tǒng)正常運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)智能外檢系統(tǒng)與滌綸長(zhǎng)絲自動(dòng)包裝線的無(wú)縫對(duì)接，需要二者進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互。而自動(dòng)包裝線中所有信息數(shù)據(jù)均由管理者上位機(jī)總控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器統(tǒng)一管理，通過(guò)Pro finet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，PLC控制系統(tǒng)作為最終執(zhí)行者允許來(lái)自遠(yuǎn)程對(duì)象的PUT/GET通信訪問(wèn)。因此智能外檢系統(tǒng)與自動(dòng)包裝線間信息交互主要圍繞著上位機(jī)總控系統(tǒng)、包裝線PLC控制系統(tǒng)、智能外檢系統(tǒng)三者進(jìn)行。其具體信息交互流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)外檢信息交互圖

智能外檢系統(tǒng)可以訪問(wèn)同網(wǎng)段的上位機(jī)總控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，從總控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中獲取滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)批號(hào)及規(guī)格，由圖2即可看出獲取的滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)批號(hào)及規(guī)格。當(dāng)智能外檢系統(tǒng)經(jīng)過(guò)機(jī)器視覺(jué)圖像處理及分析得出滌綸長(zhǎng)絲絲餅外檢結(jié)果后，PLC控制系統(tǒng)在智能外檢系統(tǒng)出料口RFID讀碼器處提取外檢信息數(shù)據(jù)，獲取絲餅自動(dòng)外檢結(jié)果及外觀缺陷因素（外觀1～外觀10），外檢信息數(shù)據(jù)如圖5所示。若滌綸長(zhǎng)絲絲餅外檢合格，則不需上傳上位機(jī)總控系統(tǒng)直接分配去向至自動(dòng)裝箱區(qū)；若滌綸長(zhǎng)絲絲餅外檢不合格，則需將降等信息由PLC上傳至上位機(jī)總控系統(tǒng)，上位機(jī)留檔備份返回狀態(tài)后再分配去向至降等緩存區(qū)，以便上位機(jī)系統(tǒng)在總控日志中進(jìn)行降等匯總。上位機(jī)外檢降等匯總?cè)绫?所示。

圖5 PLC提取外檢信息數(shù)據(jù)

4 智能外檢自主學(xué)習(xí)功能

智能外檢系統(tǒng)之所以外觀缺陷檢出率高達(dá)99%以上，主要是因?yàn)橹悄芡鈾z系統(tǒng)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用到滌綸長(zhǎng)絲外觀缺陷的數(shù)據(jù)特征學(xué)習(xí)和識(shí)別上使其具備自主學(xué)習(xí)功能。其實(shí)質(zhì)在于同一個(gè)絲餅外觀集的樣本輸入輸出模式反復(fù)作用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按照一定的訓(xùn)練規(guī)則（Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則、誤差修正學(xué)習(xí)）自動(dòng)調(diào)節(jié)外檢項(xiàng)之間的缺陷閾值Wij或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使實(shí)際外觀項(xiàng)輸出yj滿足期望的要求或者趨于穩(wěn)定。智能外檢系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則公式可表示為：

表1 上位機(jī)外檢降等匯總

式中，wij(t+1)為修正一次后的某一缺陷閾值；η為學(xué)習(xí)因子，表示學(xué)習(xí)速率的比例常數(shù)；yj(t)，yi(t)分別表示t時(shí)刻第j個(gè)和第i個(gè)外觀項(xiàng)神經(jīng)元的輸出狀態(tài)。

圖6 智能外檢神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

綜上所述，智能外檢系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)功能主要體現(xiàn)在滌綸長(zhǎng)絲絲餅外觀樣本大量采集并作用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，外觀項(xiàng)之間的缺陷閾值Wij的變化和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。因此智能外檢系統(tǒng)在未形成標(biāo)準(zhǔn)滌綸長(zhǎng)絲外檢數(shù)據(jù)庫(kù)，正式投入實(shí)際生產(chǎn)前，需要大量采集滌綸長(zhǎng)絲絲餅外觀樣本，不斷積累外觀缺陷數(shù)據(jù)，不斷提高算法的識(shí)別精度，最終形成符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的外檢數(shù)據(jù)庫(kù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能外檢系統(tǒng)在滌綸長(zhǎng)絲自動(dòng)包裝線中的應(yīng)用，是深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在滌綸長(zhǎng)絲外觀缺陷的首創(chuàng)應(yīng)用，所開發(fā)的滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)行業(yè)DTY/FDY/POY等產(chǎn)品的外觀檢測(cè)解決方案為行業(yè)首創(chuàng)，在工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器視覺(jué)整體方案上，開拓了行業(yè)先河。其可以快速處理檢測(cè)信息，同滌綸長(zhǎng)絲自動(dòng)包裝線實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，有效建立滌綸長(zhǎng)絲外檢數(shù)據(jù)庫(kù)，自主學(xué)習(xí)并實(shí)時(shí)更新外檢數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)智能外觀檢測(cè)，降低外觀檢驗(yàn)人員的數(shù)量，提高滌綸長(zhǎng)絲自動(dòng)包裝線整體工作效率，保障滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著智能外檢系統(tǒng)自身的成熟和發(fā)展，相信它將在未來(lái)滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)企業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)企業(yè)向自動(dòng)化、信息化、智能化的方向邁進(jìn)，助力化纖行業(yè)實(shí)現(xiàn)“智能智造”。