成像式盘纸余量检测系统设计

颜西斌

(广西中烟工业有限责任公司柳州卷烟厂，广西 柳州 545006)

0 引言

盘纸自动搭接系统是卷接机的一部分，它判断盘纸用完的机理为:盘纸托盘边缘有等距的齿状栅格，盘纸每转一圈，接近开关会产生固定数量的脉冲，一般在机器主控器设置这个脉冲总数(也就是盘纸转动总圈数)，等到盘纸转完设定的圈数，就自动进行盘纸切换(图1)。

辅材提供商对盘纸的总长没有严格控制，另外卷轴的直径也变化较大，因此每卷盘纸的总圈数不一样。这样盘纸圈数较少时，有可能设定圈数未到，盘纸已经用完，这个时候需要停机进行手动搭接，浪费更大。所以一般情况下都把盘纸余量设置在10 m 以上，以避免出现这个问题。这样每次盘纸均剩很多时就被废弃，日积月累导致极大浪费。

采用机器视觉方法在线实时精确测量盘纸余量，可以在盘纸剩余4 圈左右时发出指令，卷接机自动切换盘纸，从根本上杜绝浪费，并将对烟厂标准管理产生重要作用。

对于Protos 机型，盘纸自动供纸系统的工作机理是:右边转盘上的盘纸大约用到一半时旋转180°到左边，这时右边转盘静止不动，操作工换上新盘纸，等到左边盘纸用完时，自动供纸系统会进行切换，使右边转盘开始工作。在这个过程中可以发现，盘纸总是在左边转盘用完。为此，在左边转盘附近安装一个摄像头，它对准盘纸的内框(卷轴)，按照一个固定的频率拍照，然后将图像传送给计算机，计算机上的软件自动测量盘纸边缘到内框的距离即盘纸厚度，当盘纸厚度小于设定值时，软件自动向IO 放大板发送盘纸用完信号，IO 放大板收到后，立即向卷烟机的自动供纸系统发送切换盘纸命令，以完成自动换纸。

1 产品总体方案

图1 接近开关检测盘纸用量

如图2 所示，由于盘纸总是在左边转盘用完，可以在其左下角位置安装一根可扳动的钢管，钢管头部设置一个USB 工业内窥镜，内窥镜前方设置一个45°反光镜。钢管轴线与盘纸径向面平行，在45°反光镜的作用下，内窥镜相当于垂直盘纸径向面对盘纸内框拍照。内窥镜自带4颗LED 灯，亮度足够，因此不需要另外加光源。内窥镜工作在连续拍摄模式，每拍一幅盘纸图像就将它发送给主机。主机(或称为控制盒)安装在卷烟机控制面板上方的平台上，由机箱、微型嵌入式主板、127 mm(5 英寸)触摸液晶屏、液晶屏转换板、触摸控制板、IO 放大板、开关机按钮、换纸使能按钮和报警器组成，并安装图像检测软件，接受内窥镜传送来的盘纸图像，并自动测量盘纸厚度，当盘纸厚度小于设定值时，通知IO 放大板向卷烟机自动供纸系统发送切换盘纸命令。

图2 产品结构示意图

钢管是可以绕自身转动轴向垂直于图2 纸面方向扳动的，这是出于两个方面的考虑:1)钢管向垂直于纸面方向扳动90°之后，可以为右边转盘安装盘纸和绕纸(图1)让出空间，安装好了再把钢管扳回去;2)钢管扳动90°之后朝向操作工，方便对内窥镜和反光镜进行清洁和保养。

钢管尾部设计一个直径为4 mm 或6 mm 的螺纹孔，用于安装小型节流阀，通过气管从机台引入清洁空气对钢管内部持续吹气，即在钢管内部制造一个正向压力，阻止粉尘进入，从而保持钢管内部各器件的清洁、正常工作。钢管、内窥镜、反光镜及外接的节流阀所组成的整体机构称之为视频盒。

控制盒是该产品控制和计算的中心，它上面安装上位机软件，相当于人的大脑，其主要功能有5 点:1)连续获取USB 内窥镜的图像数据，并计算盘纸厚度;2)当盘纸快用完时发送切换盘纸命令;3)发送换纸使能命令，即通知自动供纸系统(PLC)此后控制盒发来的换纸命令是否有效;4)提供触摸式人机交互界面;5)自动监测内窥镜和软件工作状况，发生故障时报警。控制盒面板上安装127 mm(5 吋)触摸液晶屏、开关机按钮和换纸使能按钮，盒体宽度不大于150 mm，高度不大于100 mm，相当于人的手掌大小。控制盒外接声光报警器，用于故障报警。

2 产品关键器件

a)USB 工业内窥镜

采用高清CMOS 图像传感器，图像分辨率为640 ×480，帧率为30 fps。内窥镜呈管状，外径9 mm，长度为50 mm，质量仅56 g，镜头周围自带4 颗LED，标准USB接口。

b)USB 工业内窥镜的主要作用是持续采集盘纸图像，每采集完一次就立即发送给主机进行处理。

c)反光镜

可以采用小包上用的反光镜，厚度为1 mm。它安装在内窥镜前面，主要作用是将成像光路改变90°，便于盘纸检测装置安装。

d)微型嵌入式主板

采用微型嵌入式主板，12V DC 供电。其CPU 主频为1.66 GHz，内存为DDR 32GB。该主板提供VGA 和LVDS接口，可以接普通显示器或LCD 液晶屏。主板上带有2个RS232、2 个USB 2.0 和1 个8 位的可编程GPIO，因此可以方便连接USB 内窥镜和输出换纸命令。

微型嵌入式主板的主要作用:

1)作为图像处理硬件平台，上面安装盘纸检测软件，持续获取USB 内窥镜的图像数据并进行计算;2)通过GPIO 编程向IO 放大板发送换纸信号;3)通过GPIO 编程向IO 放大板发送换纸使能信号;4)从GPIO 输入口读取PLC 发来的通知检测信号，并立即启动内窥镜拍照检测;5)通过GPIO 编程向IO 放大板发送报警信号;6)通过LVDS 接口连接触摸屏向外提供操作界面。

e)触摸液晶屏

采用127 mm(5 吋)彩色触摸液晶屏，其分辨率为640 ×480。触摸液晶屏的主要作用是通过LVDS 连接到微型嵌入式主板，作为显示器和人机交互界面。

f)IO 放大板

需提供4 路输入和4 路输出，输入与输出之间采用光耦隔离，其主要作用是:

1)将GPIO 发送来的换纸信号进行放大处理后给自动供纸系统(PLC);2)将GPIO 发送来的换纸使能信号进行放大处理后给自动供纸系统;3)将PLC 发送来的通知检测信号进行处理后给GPIO;4)将GPIO 发送来的报警信号进行放大处理后使报警器报警。

3 产品模块分解

成像式盘纸余量检测装置主要由3 个模块组成:

1)视频盒

由钢管、内窥镜及固定块、反光镜、节流阀和航空插头等组成。

2)控制盒

由盒体、微型嵌入式主板、127 mm(5 吋)触摸液晶屏、液晶屏转换板、触摸控制板、IO 放大板、开关机按钮、换纸使能按钮和报警器组成。

3)上位机软件

由界面、主程序和检测算法组成。

4 视频盒设计方案

Protos 型卷接机组的盘纸总是在左边转盘用完，因此在左侧盘纸的左下方安装一个钢管作为支撑，并由支撑点向盘纸方向延伸一根矩形管，内窥镜通过一个固定块安装在矩形管里，矩形管和钢管通过螺钉连接，内窥镜前方设置一个45°的反光镜，相机的轴线与盘纸径向平面平行，在45°反光镜的作用下相当于相机垂直拍摄盘纸，从而能够有效检测盘纸剩余量。

视频盒尾部设计安装一个航空插头(公头)，USB 内窥镜的数据线焊接到插头一端引脚上，另一端通过母头和数据线连接到控制盒的USB 接口上，这样控制盒与视频盒之间接线就变得比较简单，而视频盒也成为一个可方便更换的部件。

另外，由于现场环境中烟丝粉尘比较多，为使内窥镜和反光镜在较长时期内保持清洁，在矩形管尾部设计一个M5 螺纹孔，用于安装小型节流阀，通过气管从机台引入清洁空气对矩形管内部处持续吹气，从而阻止粉尘进入。视频盒的安装效果如图3 所示。

图3 视频盒安装效果图

5 控制盒设计方案

控制盒中装有液晶屏、触摸控制板、液晶屏转换板、微型主板、IO 放大板等，将主板上的USB 接口、以太网口和IO 放大板的输出端子设计在控制盒外面。把主板上的电源插头拿掉，引两根导线到IO 板上，让IO 板为它供电。外部电源(12 V)通过IO 板上的电源端子引入。触摸屏控制板上原有的USB 接口改成RS232 接口。

控制盒面板上设计两个按钮，一个是自复式电源开关，另一个是自锁式换纸使能按钮，换纸使能信号给IO板。IO 板要放大处理三个信号:1)GPIO 发来的切换盘纸命令;2)GPIO 发来的报警命令;3)自锁式换纸使能按钮产生的换纸使能。IO 板外部接线端子有四组:电源、换纸命令、换纸使能、报警命令。

控制盒不采用风扇，而是将外壳做成散热片的形式，CPU 直接贴在散热外壳上。控制盒安装在卷接机控制台上方平台上，其大小为三维效果如图4 所示。

图4 控制盒三维效果图

6 上位机软件设计方案

a)上位机软件

上位机软件提供的主要功能汇总如下:

1)按日期浏览历史图像;

2)自动保存图像，可以设置保存期限、保存换纸时盘纸图像或所有图像、保存所有图像时的频率(间隔多少幅)，还可以导出历史图像;

3)按日期浏览工作记录，包括时间、盘纸总数、剩余厚度等信息;

4)可以设置相机拍照间隔(单位是ms)、图像x 方向偏移、图像y 方向偏移;

5)图像显示区实时显示盘纸剩余厚度;

6)可以设置盘纸剩余厚度;

7)通电自启动、自动开始检测;

8)实时监测系统软件和硬件故障，如检测结果异常、内窥镜故障、成像异常等，出现故障时软件报警;

9)通过GPIO 发送换纸命令、使能换纸命令、报警命令，并可以设置命令参数如脉冲宽度、报警持续时间等，还提供换纸测试和报警测试。

b)主程序框架

每支香烟烟纸部分的长度是60 mm，卷接机的正常生产速度大概是每分钟7 200 支烟，盘纸平均直径是138 mm，可计算盘纸卷轴的转速是［(7200 ×60)/(3.14×138)］/ 60 ≈16.6 圈/s，也即盘纸卷轴转一圈的时间是60 ms。因此，如果上位机软件的检测时间小于60 ms，就可以保证盘纸每转一圈就计算一次盘纸厚度，检测分辨率高。

主程序框架如图5 所示，开始检测后内窥镜按照固定的帧率(大于16.6 fps)采集盘纸图像，然后传送给上位机软件，软件算法首先分析判断图像是否异常，异常即代表内窥镜或成像环境发生较大变化，这个时候软件会控制报警器报警。若无异常再进行盘纸厚度计算，并且当该厚度小于一定的阈值时，软件自动发出换纸命令。

图5 主程序框架

根据主程序框架，上位机软件涉及到两种图像算法，1)如何检测判断内窥镜成像是否异常;2)计算盘纸余量的算法。两个算法总耗时应该小于60 ms，一般情况下应限制在50 ms 以内。

c)成像异常判定算法

成像异常的原因可能是:1)内窥镜感光元器件损坏;2)内窥镜LED 灯损坏或亮度衰减;3)镜头和反光镜落灰使图像变暗。不管什么原因，异常图像跟正常的相比一定存在较大差异。因此，在图像处理参数面板中设置好盘纸检测区域后，自动把盘纸分割出来并计算盘纸R、G、B 三通道地平均灰度和标准偏差，然后把这些参数作为标准值保存起来，以后每次计算盘纸余量之前先分割出盘纸，然后计算上述参数值并分别与标准值对比，如果差别大于一定的阈值，则判定成像出现异常。

d)盘纸余量检测算法

经调查发现，盘纸与盘纸卷轴的颜色是不同的，盘纸一般是白色的，盘纸卷轴有的是酒红色，有的是浅绿色，盘纸与卷轴之间存在较大的颜色对比。盘纸余量检测算法应该是在一个检测区域(ROI)中进行的，首先确定盘纸和卷轴的分界线(是一个椭圆)，然后对分界线上的每个点计算其邻域的加权平均梯度方向，沿着这个方向以一定的宽度寻找盘纸外边界。盘纸相对于背景也应该有较大的灰度差异，因此可以对边缘图像在梯度方向上进行投影，投影的极大值即为盘纸外边界。外边界到分界线的距离即为该方向上的盘纸厚度。如果盘纸还很厚，外边界在ROI 之外，这个时候寻找的投影极大值相对很小，因此将分界线到ROI 边界的距离作为盘纸厚度。

由上述可知，对于分界线上的每一个点都可以计算一个方向上的盘纸厚度，为了进一步加强算法的稳定性，可以对内窥镜视野内所有方向上盘纸的厚度取平均值作为最终结果。

7 结论

采用图像检测的方法可以精确计算盘纸的剩余量，而且不受盘纸卷轴直径大小的限制，盘纸的切纸是采用原机的切纸原理，并在IO 控制板中加入了保护机制，确保盘纸不会跑空。采用成像式盘纸余量检测系统可以保证盘纸的剩余量在4 m 之内，且不同生产速度下的盘纸剩余量不超过0.5 m，比采用脉冲计数的方法稳定性要高出很多。

［1］张铮，王艳平，薛桂香.数字图像处理与机器视觉［M］.北京:人民邮电出版社，2010.

［2］刘志刚，鲍加贞，汤加虎.基于VC 的最小二乘拟合圆在LAMOST 中的应用［J］.现代制造工程，2008，1.

［3］陈天华.数字图像处理［M］.北京:清华大学出版社，2007.