陸 平

(牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司，黑龍江牡丹江，157013)

牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司 (以下簡(jiǎn)稱恒豐紙業(yè))在線紙病檢測(cè)系統(tǒng)主要分為兩大部分，一部分是進(jìn)口的霍尼韋爾和ABB在線檢測(cè)系統(tǒng)，另一部分是國(guó)產(chǎn)的雙科在線檢測(cè)系統(tǒng)。恒豐紙業(yè)近幾年在生產(chǎn)卷煙紙、高透紙、水松紙的紙機(jī)上都在使用雙科在線檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠滿足恒豐紙業(yè)的使用要求，與國(guó)外紙病檢測(cè)系統(tǒng)相比性價(jià)比較高。但是該系統(tǒng)在初次使用時(shí)也遇到許多問(wèn)題，進(jìn)行了大量的檢測(cè)和研究?，F(xiàn)根據(jù)恒豐紙業(yè)16#特種紙機(jī)生產(chǎn)卷煙紙為例來(lái)詳細(xì)介紹雙科在線檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)試方法和參數(shù)定義的應(yīng)用，以供同行參考。

1 在線檢測(cè)系統(tǒng)的概述

恒豐紙業(yè)16#特種紙機(jī)采用的是雙科SYWIS3200高速在線檢測(cè)系統(tǒng)，安裝在紙機(jī)后干和卷取掃描架之間，如圖1所示。SYWIS3200系統(tǒng)能夠在線檢測(cè)識(shí)別卷煙紙表面缺陷，并通過(guò)軟件畫面實(shí)時(shí)顯示出表面缺陷和相關(guān)缺陷信息。WIS(Web Inspection System)系統(tǒng)主要由高速CCD線陣相機(jī)、機(jī)架和計(jì)算機(jī)站組成，采用當(dāng)今世界上先進(jìn)的在線檢測(cè)識(shí)別、成像及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提供了包括實(shí)時(shí)缺陷檢測(cè)、圖像顯示、報(bào)警、質(zhì)量報(bào)告、設(shè)備故障診斷等功能在內(nèi)的表面缺陷檢測(cè)方案。

圖1 雙科SYWIS3200在線檢測(cè)系統(tǒng)

生產(chǎn)線基本數(shù)據(jù)和檢測(cè)指標(biāo):紙幅寬度3300 mm、定量范圍25～45 g/m2、最大運(yùn)行速度450 m/min、設(shè)計(jì)速度600 m/min。要求能檢測(cè)面積大于0.12 mm×0.31 mm的孔洞、亮斑，黑點(diǎn)、污點(diǎn)及異物等表面缺陷。

紙病在線檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為3部分:傳感部分、檢測(cè)部分、控制部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)傳感部分

傳感部分包括光源、光學(xué)元件、傳感器，分別安裝在相機(jī)橫梁和光源橫梁上。相機(jī)橫梁安裝兩套分辨率為4 K、像素時(shí)鐘頻率60 MHz、雙曝光CCD傳感器線性相機(jī)和2套尼康相機(jī)鏡頭。如果要提高橫向分辨率，相機(jī)橫梁上可以安裝多達(dá)十幾個(gè)線性CCD傳感器，覆蓋整個(gè)橫幅的寬度。光源采用的是LED燈的光帶，其好處是光源穩(wěn)定、不受紙張橫幅的限制、不用冷卻、壽命長(zhǎng)、易維護(hù)。

(2)檢測(cè)部分

檢測(cè)部分主要由高速圖像識(shí)別嵌入式處理單元和DSP處理器組成。高速圖像識(shí)別嵌入式處理單元利用FPGA高速并行處理能力，在該處理器中實(shí)現(xiàn)了CCD信號(hào)的解碼存儲(chǔ)、圖像濾波、亮度和畸形較正的圖像采集及前期處理功能。DSP處理器主要負(fù)責(zé)高速處理缺陷的識(shí)別分類任務(wù)。經(jīng)DSP處理器后的缺陷，包含各種缺陷特征信息和分類結(jié)果及其圖像數(shù)據(jù)，將通過(guò)該單元的以太網(wǎng)接口和上位機(jī)進(jìn)行通信。

(3)控制部分

控制部分就是上位機(jī)電腦。上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)各部件進(jìn)行控制，如高速嵌入式圖像識(shí)別處理單元、CCD相機(jī)組及系統(tǒng)光源等，同時(shí)將檢測(cè)到的不同缺陷信息顯示出來(lái)，包括缺陷的圖像、大小、橫位、縱位、類型，是否為周期性缺陷等。并將上述信息形成被測(cè)產(chǎn)品批次報(bào)表儲(chǔ)存，便于在后續(xù)工段讀取處理。

圖2 在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 在線檢測(cè)

2.1 在線檢測(cè)原理

紙病在線檢測(cè)原理如圖3所示，根據(jù)相機(jī)接收光強(qiáng)度的強(qiáng)弱來(lái)判斷紙病缺陷。圖3中的左側(cè)3條曲線分別是無(wú)紙病缺陷、暗斑、亮斑光強(qiáng)度曲線，右側(cè)3幅畫面分別代表無(wú)紙病、暗斑、亮斑缺陷。也就是說(shuō)若被測(cè)紙幅表面上有缺陷，則相機(jī)檢測(cè)到的亮度就不再均勻，暗點(diǎn)污點(diǎn)等異物將造成亮度偏低;孔洞亮斑等缺陷則將造成亮度偏高，高速處理模塊將提取亮度異常的區(qū)域進(jìn)行分析處理，并將缺陷分類并存儲(chǔ)。

圖3 在線檢測(cè)原理

2.2 在線檢測(cè)精度

圖4 在線檢測(cè)精度

檢測(cè)精度的要求由生產(chǎn)工藝的要求來(lái)決定，檢測(cè)精度的高低是在紙機(jī)車速和紙幅寬度不變情況下，由相機(jī)時(shí)鐘分辨率和相機(jī)分辨率決定。紙病在線檢測(cè)精度如圖4所示，x軸為紙幅寬度，y軸為紙機(jī)車速，在x軸和y軸方向形成方格就是檢測(cè)精度，檢測(cè)精度分為橫向精度和縱向精度。也就是說(shuō)紙病在線檢測(cè)系統(tǒng)安裝完成后，如果紙機(jī)車速增加，紙幅在y軸方向的方格就會(huì)伸長(zhǎng)，縱向精度就會(huì)降低。橫向精度由相機(jī)分辨率決定。需要指出的是橫向精度是由若干個(gè)x軸方向格子組成，如果分辨率是4 K的相機(jī)，每個(gè)掃描周期是從第1點(diǎn)開(kāi)始到第4096點(diǎn)進(jìn)行掃描，那么相機(jī)每個(gè)掃描周期就組成1個(gè)相機(jī)行掃描。

橫向精度計(jì)算公式:

縱向精度計(jì)算公式:

3 系統(tǒng)上位機(jī)軟件

紙病在線檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，分為應(yīng)用層、邏輯層、物理層3個(gè)層面。應(yīng)用層是指計(jì)算機(jī)顯示軟件用戶界面，顯示實(shí)時(shí)紙病缺陷和相關(guān)信息。邏輯層包括軟件參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)控制、實(shí)時(shí)處理、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)保存。物理層是通信接口，包括相機(jī)數(shù)據(jù)處理板和歷史紙病系統(tǒng)與其通信接口。

圖5 紙病在線檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

紙病在線檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要功能是缺陷顯示、參數(shù)設(shè)置、歷史信息保存、系統(tǒng)控制。

(1)缺陷顯示:通過(guò)高效實(shí)用的缺陷嵌入式識(shí)別算法，將高速嵌入式圖像識(shí)別處理單元傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的缺陷信息以多種方式實(shí)時(shí)在線地反饋給用戶，包括缺陷信息、缺陷區(qū)域的256級(jí)灰度照片以及缺陷分布圖。

(2)參數(shù)設(shè)置:本系統(tǒng)軟件采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的方式指導(dǎo)工作，一旦參數(shù)設(shè)定完畢，軟件全自動(dòng)處理，無(wú)需人員干預(yù)。服務(wù)于各種功能模塊的參數(shù)設(shè)置，可以勝任于復(fù)雜多變的系統(tǒng)要求。同時(shí)參數(shù)設(shè)置采用分級(jí)控制，可以極大地保護(hù)參數(shù)的安全。

(3)系統(tǒng)控制:系統(tǒng)控制主要是自動(dòng)完成系統(tǒng)設(shè)定以及系統(tǒng)維護(hù)。例如針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象，其CCD傳感器曝光時(shí)間以及光源個(gè)數(shù)都會(huì)在這一部分由軟件自動(dòng)設(shè)定等。

(4)歷史信息保存:每一個(gè)檢測(cè)到的缺陷圖像及其信息都保存在數(shù)據(jù)庫(kù)之中，并能在顯示器中進(jìn)行放大等操作。歷史數(shù)據(jù)及歷史缺陷圖像等信息都能夠隨時(shí)被調(diào)閱。

4 在線檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)備工作

在硬件調(diào)試前，首先保證檢測(cè)系統(tǒng)相機(jī)板柜內(nèi)連接線完全正確無(wú)誤，如系統(tǒng)內(nèi)部5 V、12 V、24 V的電源走線及接地線無(wú)誤后，方可通電測(cè)試。同時(shí)電腦的安裝和檢測(cè)系統(tǒng)連接要正確，電腦安裝的WIS程序是最新版本，IP地址192.168.1.2。完成上述步驟后，系統(tǒng)通電、開(kāi)機(jī)，啟動(dòng)WIS程序。光源隨軟件啟動(dòng)正常打開(kāi)，相機(jī)板上相機(jī)數(shù)據(jù)線接口處藍(lán)色指示燈正常閃爍，相機(jī)板上RJ-45端口顯示正常，相機(jī)上的指示燈是綠色常亮狀態(tài)。

4.1 配置相機(jī)類型、輸入和輸出

以管理員身份登錄軟件后。檢查相機(jī)類型:進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置→相機(jī)板→型號(hào)中查看相機(jī)型號(hào)與設(shè)置是否一致。檢查輸入和輸出:進(jìn)入調(diào)試→輸入輸出中查看各個(gè)輸入輸出通道是否和線路圖上的輸入輸出通道相符，不符的話重新配置。

4.2 調(diào)整相機(jī)焦距

在相機(jī)正下方的測(cè)試材料上縱向放置一細(xì)直線狀物體 (推薦比較硬的黑色電線)，此時(shí)在軟件光源圖像上會(huì)對(duì)應(yīng)出現(xiàn)調(diào)焦距前如圖6所示的一凹槽。這時(shí)參看圖7所示的焦距調(diào)整位置，旋轉(zhuǎn)相機(jī)的焦距，使這一凹槽如圖8所示深度達(dá)到整個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的最底部調(diào)焦距后圖像。在輸入輸出中查看相機(jī)焦距的數(shù)值并記錄。

圖6 相機(jī)調(diào)焦距前的光源圖像

4.3 設(shè)定相機(jī)交叉參數(shù)

若系統(tǒng)配置的相機(jī)數(shù)量大于1個(gè)，則需要設(shè)定相機(jī)的交叉參數(shù)。在相鄰兩相機(jī)中間點(diǎn)縱向放置一細(xì)直線狀物體，在光源圖像上相對(duì)應(yīng)會(huì)有如圖9所示的2個(gè)凹槽相機(jī)交叉圖像，同時(shí)記錄下2個(gè)凹槽的像素點(diǎn)。重復(fù)上步驟直至記錄所有的交叉參數(shù)。將其填入?yún)?shù)設(shè)置→相機(jī)板→板級(jí)設(shè)置的“開(kāi)始地址”以及“結(jié)束地址”。

圖9 相機(jī)的交叉圖像

4.4 調(diào)節(jié)相機(jī)掃描線和圖像

4.4.1 將帶孔標(biāo)尺水平放置于單獨(dú)一個(gè)相機(jī)拍照范圍下的光梁上。若相機(jī)掃描線水平，則在光源圖像中會(huì)出現(xiàn)如圖10所示的與孔個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)的光源突起標(biāo)定圖像。若實(shí)際情況與圖10中圖像不符，則可判定相機(jī)掃描線不水平，調(diào)整掃描線水平位置如圖11所示，即調(diào)整相機(jī)底座上的兩顆螺絲直至掃描線水平。

圖10 光源突起標(biāo)定圖像

圖11 相機(jī)掃描線水平位置

4.4.2 查看調(diào)試圖像是在調(diào)試→“光源調(diào)試”中查看光源圖像是否平穩(wěn)。首先查看鋪上被測(cè)材料和沒(méi)有鋪上被測(cè)材料的光源調(diào)試圖像。其中2 K相機(jī)鋪上被測(cè)材料后的調(diào)試圖像最亮點(diǎn)數(shù)值和最暗點(diǎn)數(shù)值倍數(shù)差別不超過(guò)3倍才為合格;4 K相機(jī)鋪上被測(cè)材料后的調(diào)試圖像最亮點(diǎn)數(shù)值和最暗點(diǎn)數(shù)值倍數(shù)差別不超過(guò)4倍為合格。

4.5 相機(jī)垂直傾角和曝光量調(diào)整

4.5.1 在每個(gè)相機(jī)位置放置垂線至測(cè)試材料，并在該位置縱向放置一直線狀物體，正常情況下，由該物體引起的光源凹槽應(yīng)正好落在該相機(jī)的中心位置。若光源凹槽并不落在相機(jī)中心位置，則應(yīng)調(diào)節(jié)如圖12所示相機(jī)的垂直傾角位置。

圖12 相機(jī)垂直傾角位置

4.5.2 要調(diào)整曝光量，先要確保系統(tǒng)在非自動(dòng)曝光模式下，可在參數(shù)設(shè)置→其他→代表區(qū)域中“自動(dòng)曝光”選項(xiàng)進(jìn)行選擇。非自動(dòng)曝光模式下，在光源調(diào)試圖像中，點(diǎn)擊“曝光控制”中的“+” “-”調(diào)整曝光量，觀察光源圖像是否穩(wěn)定變化。

4.6 邊沿識(shí)別

進(jìn)入光源調(diào)試圖像，查看“左自動(dòng)邊沿識(shí)別”和“右自動(dòng)邊沿識(shí)別”兩個(gè)指示信號(hào)的顏色，若為紅色，則證明對(duì)應(yīng)的自動(dòng)邊沿識(shí)別正確，若為綠色，則證明對(duì)應(yīng)的自動(dòng)邊沿識(shí)別不正確。若自動(dòng)邊沿識(shí)別不正確，應(yīng)在參數(shù)設(shè)置→相機(jī)板→自動(dòng)邊沿中對(duì)“變化”參數(shù)進(jìn)行重新配置，直至自動(dòng)邊沿識(shí)別正確。

4.7 輸入紙機(jī)車速信號(hào)和斷裂信號(hào)

4.7.1 按照接線圖將旋轉(zhuǎn)編碼器或轉(zhuǎn)換模塊按照接線圖接入系統(tǒng)，并將系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)車速。轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器或開(kāi)啟轉(zhuǎn)換模塊，在系統(tǒng)主界面的“車速”一欄查看是否有車速顯示。如無(wú)車速顯示，觀察相機(jī)板上車速輸入通道指示燈是否正常，了解旋轉(zhuǎn)編碼器或轉(zhuǎn)換模塊是否完好。

4.7.2 斷裂信號(hào)按照接線圖將光電開(kāi)關(guān)接入系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動(dòng)光電開(kāi)關(guān)上的旋鈕，在調(diào)試→“輸入輸出”窗口查看對(duì)應(yīng)的斷裂輸入通道的指示信號(hào)是否會(huì)相應(yīng)變化。如果系統(tǒng)帶有汽缸，在輸入斷裂信號(hào)的同時(shí)查看汽缸是否會(huì)相應(yīng)動(dòng)作。

4.8 設(shè)定相機(jī)點(diǎn)精度和最大幅寬

4.8.1 在相機(jī)正下方的測(cè)試材料上分別橫向放置兩直線狀物體 (物體間間距＞300 mm)，準(zhǔn)確測(cè)量?jī)晌矬w間距，記為L(zhǎng)。在光源圖像中記錄由這兩個(gè)物體引起的凹槽的像素點(diǎn)，兩像素點(diǎn)相減，記為S。則相機(jī)點(diǎn)精度=L/S(單位)。

4.8.2 最大幅寬是將測(cè)試材料向一邊移動(dòng)直至該側(cè)邊沿檢測(cè)指示燈正好消失，記錄下此時(shí)邊沿所對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn);同理記錄下另一側(cè)的像素點(diǎn)。兩像素點(diǎn)相減計(jì)為ΔS，則最大測(cè)量幅寬為ΔS×點(diǎn)精度。

完成上述硬件和軟件調(diào)試后，系統(tǒng)就具備紙病檢測(cè)能力?？梢赃M(jìn)行人為紙病、斷紙等相關(guān)測(cè)試。也具備如實(shí)反映紙病的尺寸大小功能，但是在使用中要根據(jù)不同紙種進(jìn)行標(biāo)定和參數(shù)設(shè)置。

(未完待續(xù)，下轉(zhuǎn)2013年第5期。)

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