基于機(jī)器視覺的智能相機(jī)與PLC的通信研究及設(shè)計(jì)

王康康， 王亞楠

（河南廣播電視大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450008）

一、引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化程度不斷提高，機(jī)器視覺的應(yīng)用也越來越廣泛，機(jī)器視覺的作用是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。［1］機(jī)器視覺的應(yīng)用場(chǎng)合很多，對(duì)于物體形狀識(shí)別、物體位置識(shí)別、物體缺陷識(shí)別、物體色彩識(shí)別、文字識(shí)別等場(chǎng)合都有廣泛應(yīng)用。在工業(yè)應(yīng)用中，機(jī)器視覺代替人類眼睛，完成各種識(shí)別任務(wù)，取得了很好的效果。如果僅僅將機(jī)器視覺作為一個(gè)終端數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，那么機(jī)器視覺只能應(yīng)用于做一些簡(jiǎn)單的判斷處理事件，應(yīng)用范疇和領(lǐng)域比較單一。如果能夠?qū)C(jī)器視覺系統(tǒng)獲取到的數(shù)據(jù)傳送到其他工業(yè)控制器，再利用控制器的工業(yè)控制功能就可以完成較為復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)流程。目前，可編程控制器PLC對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用來說已經(jīng)相對(duì)成熟和穩(wěn)定，如果將機(jī)器視覺系統(tǒng)經(jīng)過采集、處理得到的數(shù)據(jù)結(jié)果傳送到可編程控制器PLC，那么工業(yè)系統(tǒng)就可以完成較為復(fù)雜的控制流程。機(jī)器視覺和PLC通過通信聯(lián)合使用，將大大提高工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化的程度。本文針對(duì)CCD智能相機(jī)和可編程控制器PLC之間的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行研究和開發(fā)，利用視覺軟件和西門子博圖軟件設(shè)計(jì)出了可行的通信方案。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）智能相機(jī)

智能相機(jī)在機(jī)器視覺系統(tǒng)中有舉足輕重的作用，它的工作原理是把拍攝到的圖像經(jīng)過智能相機(jī)的中央處理器（CPU）的計(jì)算和處理，將圖像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字或模擬電信號(hào)，所以智能相機(jī)對(duì)采集到的工件信息的有效性和準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的決定性作用。當(dāng)前，智能相機(jī)主要采用CCD或CMOS傳感器來對(duì)工件對(duì)象進(jìn)行圖片信息采集，在本文的研究中，選擇CCD智能相機(jī)進(jìn)行圖像信息采集，智能相機(jī)內(nèi)集成有數(shù)字圖像處理（DSP）芯片，在不依靠個(gè)人電腦的條件下可以獨(dú)立進(jìn)行圖形信息的處理，提取需要的各類數(shù)據(jù)。智能相機(jī)如圖1所示。

圖1 智能相機(jī)

本文所選擇的相機(jī)有兩個(gè)接口，分別為RJ45網(wǎng)口與DB15串口，連接時(shí)，用交叉網(wǎng)線連接相機(jī)與電腦，用SW-IO串口線連接相機(jī)與電源控制器。圖2為串口線圖例與串口各針腳的定義圖。［2］

智能相機(jī)的數(shù)字輸入的電路連接如圖3所示，輸入規(guī)格如圖4所示。

圖2 串口線與串口各針腳的定義圖

圖3 智能相機(jī)的數(shù)字輸入電路

圖4 輸入電路規(guī)格表

智能相機(jī)的數(shù)字輸出電路連接如圖5所示，輸出規(guī)格如圖6所示。

圖5 智能相機(jī)的數(shù)字輸出電路

圖6 輸出電路規(guī)格表

智能相機(jī)支持的通信方式包括以下兩種：RS-485、100M以太網(wǎng)。智能相機(jī)通過RS-485串口可以與所有支持MODBUS通信協(xié)議的RS-485設(shè)備通信。智能相機(jī)通過100M以太網(wǎng)可以與所有支持MODBUS-TCP通信協(xié)議的100M以太網(wǎng)設(shè)備通信。［3］

對(duì)于機(jī)器視覺系統(tǒng)，除了智能相機(jī)有著關(guān)鍵的作用外，相機(jī)的鏡頭也很重要。目標(biāo)工件的圖像先經(jīng)過鏡頭，然后再傳送到CCD傳感器上，由CCD傳感器對(duì)工件進(jìn)行信息采集，所以鏡頭對(duì)圖像的傳送質(zhì)量直接影響圖片信息的采集質(zhì)量，因此鏡頭的重要性不言而喻。因?yàn)樵诓煌I(yè)場(chǎng)合下，機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)成像質(zhì)量有不同的要求，有的工業(yè)場(chǎng)合對(duì)成像質(zhì)量要求很高，這時(shí)需要選用參數(shù)較高的鏡頭，價(jià)格相對(duì)較貴；有的工業(yè)場(chǎng)合對(duì)成像質(zhì)量要求一般，這時(shí)就沒必要選用參數(shù)高的鏡頭，選用滿足控制要求但是價(jià)格低廉的鏡頭較為合適。這就需要根據(jù)不同工業(yè)場(chǎng)合和要求，選擇合適的工業(yè)鏡頭來保證要求。所以，能夠選擇合適的保證圖片質(zhì)量的鏡頭也是保證機(jī)器視覺系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的重要步驟。鏡頭對(duì)圖片質(zhì)量的影響指標(biāo)主要有：對(duì)比度、分辨率和色差。在對(duì)工業(yè)鏡頭進(jìn)行選擇時(shí)，可以參照的鏡頭主要指標(biāo)有：焦距、接口形式、分辨率、景深等。

目前市場(chǎng)上的鏡頭有很多類型，根據(jù)特定的指標(biāo)可以將鏡頭分類如下：

（1）根據(jù)有效像場(chǎng)的大小劃分：1/3英寸鏡頭、1/2英寸鏡頭、2/3英寸鏡頭、1英寸鏡頭。［4］

（2）根據(jù)焦距劃分：分為變焦鏡頭和定焦鏡頭。變焦鏡頭有不同的變焦范圍；定焦鏡頭可分為魚眼鏡頭、短焦鏡頭、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、長(zhǎng)焦鏡頭、超長(zhǎng)焦鏡頭等多種型號(hào)。［4］

（3）根據(jù)鏡頭和攝像機(jī)之間的接口分類：智能相機(jī)通常用的有C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徠卡接口、M42接口、M50接口等。［4］

一般的鏡頭可以滿足常用的工業(yè)控制要求，但是在特殊的控制要求中，需要選用特定的工業(yè)鏡頭，比如根據(jù)工件成像的需要，在一定場(chǎng)合下要選用微距鏡頭或者遠(yuǎn)距鏡頭，此外還有針對(duì)特定場(chǎng)合需要選用的紫外鏡頭、紅外鏡頭等特定鏡頭。在本設(shè)計(jì)中選用低畸變鏡頭即可滿足成像要求，如圖7所示。這種鏡頭目前市場(chǎng)上應(yīng)用的較為普遍，對(duì)于大多數(shù)工業(yè)環(huán)境來說都可以使用，成像能滿足基本的控制要求，圖像產(chǎn)生的畸變很小。與大多數(shù)鏡頭相比，價(jià)格低廉。綜上所述，在本設(shè)計(jì)中選用這種鏡頭比較合理。

圖7 低畸變工業(yè)鏡頭

（二）光源

除了智能相機(jī)和工業(yè)鏡頭之外，在機(jī)器視覺系統(tǒng)的組成中，另一個(gè)重要的元器件是光源，它對(duì)機(jī)器視覺中所獲得的圖片數(shù)據(jù)的精確性有關(guān)鍵影響。

機(jī)器視覺的光源根據(jù)不同的場(chǎng)合應(yīng)用分為多種形式：有環(huán)形光源、背光源、條形光源、同軸光源、AOI專用光源、球積分光源、線性光源、點(diǎn)光源等。［5］在本研究中，根據(jù)實(shí)際情況，選擇使用背光源，它是用高密度LED陣列面提供高強(qiáng)度背光照明，能突出物體的外形輪廓特征。［6］根據(jù)本文搭建的試驗(yàn)臺(tái)和所使用的研究對(duì)象，使用視覺系統(tǒng)的目的是獲得目標(biāo)工件的中心位置和旋轉(zhuǎn)角度，使用背光源能使智能相機(jī)更好地捕獲到目標(biāo)工件的這些幾何信息，所以本文選用背光源是較為合理的。

（三）光源控制器

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，光源控制器有兩個(gè)作用，一方面可以通過編程自動(dòng)控制光源的強(qiáng)度，根據(jù)不同的工件對(duì)象自動(dòng)變化相應(yīng)的光源強(qiáng)度，來滿足智能相機(jī)成像的要求。另一方面，光源控制器可以控制觸發(fā)相機(jī)拍攝，以及將智能相機(jī)獲取的數(shù)據(jù)輸出到其他工業(yè)控制器上。

（四）智能終端

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，智能終端用于顯示智能相機(jī)獲取的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)信息的可視化。在工業(yè)自動(dòng)化控制項(xiàng)目中，經(jīng)常用到的智能終端是觸摸屏，用于機(jī)器視覺系統(tǒng)和操作人員的信息交互。

（五）機(jī)器視覺系統(tǒng)硬件搭建

針對(duì)本文的研究目的，構(gòu)建一套機(jī)器視覺硬件系統(tǒng)，主要包括：智能相機(jī)、鏡頭、光源、光源控制器各1個(gè)，視覺電纜2根，智能終端1個(gè)。系統(tǒng)的組成如圖8所示。

圖8 機(jī)器視覺系統(tǒng)硬件組成

在本文研究的機(jī)器視覺的硬件系統(tǒng)中，工件放在光源（背光）上方，背光光源對(duì)于獲取工件的輪廓信息的場(chǎng)合特別適用，在此我們需要獲取工件的位置信息和輪廓信息，所以選擇背光光源是合理的。工件的輪廓信息通過智能相機(jī)的鏡頭被攝入到智能相機(jī)的圖像采集器上，然后由智能相機(jī)的DSP處理器進(jìn)行圖像信息處理，經(jīng)過計(jì)算得到目標(biāo)數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過上位機(jī)軟件的設(shè)置，將獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過以太網(wǎng)傳送給可編程控制器PLC，在PLC內(nèi)再進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，然后按照獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的外部動(dòng)作控制。

三、軟件系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

在機(jī)器視覺硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行智能相機(jī)與PLC之間通信的軟件開發(fā)與設(shè)計(jì)，本文選用西門子S7-1200PLC作為控制器，利用西門子博圖軟件內(nèi)嵌的通信函數(shù)完成智能相機(jī)和可編程控制器PLC的通信功能，同時(shí)也需要在視覺軟件內(nèi)設(shè)置好Modbus通訊地址表，便于PLC程序開發(fā)時(shí)通信指令的設(shè)置，完成智能相機(jī)和可編程控制器PLC的通信。

智能相機(jī)和可編程控制器PLC的通信流程如圖9所示。

圖9 通信流程圖

在西門子博圖軟件中進(jìn)行編程，將智能相機(jī)作為服務(wù)器，PLC作為客戶端，即主站，利用MBCLIENT指令建立PLC與智能相機(jī)的通信。具體程序如圖10所示。

圖10 通信程序開發(fā)

在MB_CLIENT指令中，REQ引腳作為通信觸發(fā)條件。DISCONNECT引腳設(shè)置為0，使智能相機(jī)和PLC之間進(jìn)行持續(xù)通信。IP_OCTET_1、IP_OCTET_2、IP_OCTET_3、IP_OCTET_4這四個(gè)引腳設(shè)置為智能相機(jī)的IP地址。IP_PORT設(shè)置為默認(rèn)端口號(hào)502即可。MB_MODE引腳是通信方式，0表示從服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，1表示將數(shù)據(jù)寫入服務(wù)器。在此，因?yàn)镻LC要從智能相機(jī)中讀取數(shù)據(jù)，所以將MB_MODE引腳設(shè)置為0。MB_DATA_ADDR引腳是訪問數(shù)據(jù)的起始地址，在相機(jī)軟件的MODBUS配置中，將數(shù)據(jù)的起始地址從41001開始設(shè)置，所以對(duì)應(yīng)的在PLC中編程時(shí)候也需要將MB_DATA_ADDR引腳設(shè)置為41001。MB_DATA_LEN引腳是讀取的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。MB_DATA_PTR引腳是從服務(wù)器中讀取的數(shù)據(jù)存放在PLC中的數(shù)據(jù)塊的地址。經(jīng)過這樣的設(shè)置后，作為客戶端的PLC就可以從作為服務(wù)器的智能相機(jī)中讀取數(shù)據(jù)。需要說明的是，客戶端和服務(wù)器是相對(duì)而言的，也可以將PLC作為服務(wù)器，將智能相機(jī)作為客戶端，讓智能相機(jī)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)到PLC中，但是這樣的話就需要到智能相機(jī)的控制器中進(jìn)行編程設(shè)置，不如在PLC中進(jìn)行編程方便。所以，選擇智能相機(jī)作為服務(wù)器，PLC作為客戶端，在PLC編程中用MB_CLIENT指令主動(dòng)從智能相機(jī)中讀取數(shù)據(jù)。

在視覺軟件中需要對(duì)工件進(jìn)行學(xué)習(xí)，利用腳本程序得到工件的位置數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，然后通過MODBUS協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給PLC，這樣工件的位置、形態(tài)就能唯一確定了，便于后續(xù)工序?qū)α慵倪M(jìn)一步操作。

視覺軟件的開發(fā)環(huán)境如圖11所示。

圖11 視覺軟件的開發(fā)環(huán)境

腳本程序如下：

智能相機(jī)與PLC通信成功后，在PLC端顯示的相機(jī)拍得的工件數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖12 PLC通過通信得到的數(shù)據(jù)

四、結(jié)束語

本文通過研究和設(shè)計(jì)，選用了合理的智能相機(jī)、鏡頭、光源和PLC等元器件，構(gòu)成了機(jī)器視覺硬件系統(tǒng)，通過軟件編程開發(fā)實(shí)現(xiàn)了智能相機(jī)與可編程控制器PLC的通信，實(shí)現(xiàn)了PLC主動(dòng)讀取智能相機(jī)中對(duì)工件采集的位置數(shù)據(jù)，給出了具體的軟件實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于進(jìn)一步提高工業(yè)自動(dòng)化、智能化具有一定的參考價(jià)值。機(jī)器視覺不僅僅應(yīng)用在位置檢測(cè)中，在缺陷檢測(cè)、數(shù)量統(tǒng)計(jì)等方面也有廣泛的應(yīng)用，若結(jié)合與可編程控制器PLC的通信功能，將大大提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度，減少人工識(shí)別錯(cuò)誤率。本文對(duì)于機(jī)器視覺應(yīng)用范疇的推廣具有一定的借鑒意義。