張俊民

（中國飛行試驗(yàn)研究院 西安 710089）

基于圖像識(shí)別的PLC智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

張俊民

（中國飛行試驗(yàn)研究院 西安 710089）

針對(duì)傳統(tǒng)PLC燈板大批量生產(chǎn)檢測(cè)中存在漏檢、錯(cuò)檢等問題，結(jié)合當(dāng)前主流計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等，設(shè)計(jì)了一款PLC燈板的質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含圖像采集卡、結(jié)果顯示、PLC分揀單元等模塊。利用圖像處理技術(shù)，比較圖像一定矩形區(qū)域內(nèi)的白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，如果超過預(yù)設(shè)，則判定PLC燈板存在缺陷，并通過PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)分揀。最后通過實(shí)際運(yùn)行，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有速度快、精度高的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)PLC燈板的自動(dòng)化檢驗(yàn)。

計(jì)算機(jī)視覺；形態(tài)去噪；圖像識(shí)別；可編程邏輯控制器；智能控制

1 引言

隨著圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開始越來越多開始將目光投向智能檢測(cè)領(lǐng)域，從而改變過去主要依靠人工或者半自動(dòng)檢測(cè)的方式。其中，圖像處理更是智能檢測(cè)應(yīng)用的重點(diǎn)，并被大量的研究。如劉百芬（2014）利用機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一款PCB裸板缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，并通過Harris角點(diǎn)算法將標(biāo)注電路和采集到的電路進(jìn)行比較，從而大大提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確率；葉文通（2014）通過對(duì)數(shù)據(jù)圖像的處理后，通過提取相關(guān)的特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了胡柚的自動(dòng)化分揀。但這些系統(tǒng)的提出，都比較側(cè)重于圖像處理與特征提取，本文則在傳統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，提出一款圖像處理聯(lián)合PLC的燈板檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

2 系統(tǒng)原理

本文提出的PLC燈板智能控制方案，其主要的原理是利用圖像處理技術(shù)，對(duì)圖像特征進(jìn)行提取，從而判斷PLC燈板是否存在質(zhì)量問題，并顯示檢驗(yàn)結(jié)果。具體識(shí)別與控制原理則如圖1所示。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，該智能控制系統(tǒng)從大的角度可以分為硬件和軟件兩個(gè)部分，從功能角度來看，可以分為圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊、PLC控制模塊、結(jié)果顯示和箱體單元幾個(gè)模塊。具體如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)原理

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

通過圖2可以看出，圖像采集單元主要負(fù)責(zé)對(duì)PLC燈板圖像進(jìn)行采集；軟件部分主要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，并判斷PLC燈板的質(zhì)量好壞，然后將指令發(fā)送給PLC控制模塊，作出相應(yīng)的動(dòng)作，顯示LED結(jié)果。

3.2 圖像采集單元

當(dāng)前隨著圖像測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)圖像測(cè)量成為工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為流行的一種技術(shù)。在圖像采集單元部分，本文選擇CCD光學(xué)攝像機(jī)和PCI圖像采集卡對(duì)PLC燈板圖像進(jìn)行采集，并將圖像上傳到計(jì)算機(jī)。CCD攝像機(jī)具有工作電壓低、體積小、成像質(zhì)量高、實(shí)時(shí)傳輸、抗干擾強(qiáng)、壽命長等特點(diǎn)。CCD攝像機(jī)的成像原理為：通過光學(xué)成像系統(tǒng)，將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)。具體如圖3所示。

圖3 CCD攝像機(jī)成像原理

PCI圖像采集卡主要將采集到的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以理解的數(shù)據(jù)格式。具體的工作原理如圖4所示。

圖4 PCI圖像采集卡工作原理

因此，結(jié)合上述硬件分析，將圖像采集單元的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集單元整體結(jié)構(gòu)

3.3 PLC控制單元

PLC控制單元的作用是對(duì)燈板進(jìn)行檢驗(yàn)和結(jié)果輸出。該模塊是一個(gè)以PLC為主的控制單元，通過與計(jì)算機(jī)處理軟件的交互，將對(duì)燈板的檢驗(yàn)結(jié)果傳送給LED指示燈。本文選擇PLC系列中的PEC3000芯片作為主控單元，該芯片支持以太網(wǎng)和串口通信。同時(shí)程序編寫通常采用PLC_config軟件實(shí)現(xiàn)。程序通過讀取計(jì)算機(jī)給出的指令信號(hào)，并判斷被檢驗(yàn)的PLC是否存在質(zhì)量問題，則發(fā)送報(bào)文DIO3000和DIO3400，否則發(fā)送其他設(shè)備報(bào)文。具體控制思路如圖6所示。

圖6 PLC控制流程

4 圖像處理算法設(shè)計(jì)

圖像處理算法是該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要組成部分，負(fù)責(zé)對(duì)PLC燈板圖形的處理和識(shí)別，從而判定PLC燈板圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像的缺陷。在該部分功能中，主要分為兩個(gè)部分：圖像預(yù)處理和圖像檢測(cè)。

4.1 圖像處理

目前，針對(duì)圖像處理的方法很多，但通常是對(duì)圖像進(jìn)行平滑、去噪等處理，從而為后續(xù)的圖像檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。本文則選擇圖像灰度化、圖像拉伸、灰度直方圖平滑、二值化、二值圖像的形態(tài)學(xué)去噪等方法對(duì)圖像進(jìn)行處理，具體流程如圖7所示。

在圖7中可以看到，圖像預(yù)處理的流程：首先將24位彩色圖像進(jìn)行灰度化，然后通過灰度拉伸的方法，讓明的地方更明，暗的地方更暗；然后通過直方圖平滑處理，減少圖像邊緣的毛刺；在通過二值化處理，讓圖像變?yōu)榘咨繕?biāo)和黑色背景的兩種區(qū)域；最后對(duì)二值化圖像進(jìn)行去噪處理，消除圖像中的干擾。

4.2 圖像檢測(cè)算法

判定PLC燈板缺陷，主要是通過對(duì)采集到的圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，或者設(shè)定閾值的方式。為簡化圖像處理的方便度，本文則通過設(shè)定閾值的方式來對(duì)圖像進(jìn)行檢測(cè)。假設(shè)每個(gè)測(cè)量的PLC燈板中心位置點(diǎn)像素為A(a，b)，在A的周圍存在四個(gè)不同的像素點(diǎn)，在經(jīng)過圖像處理后，掃描該區(qū)域內(nèi)的白色像素點(diǎn)，超過設(shè)定閾值S，PLC燈板合格，如果小于設(shè)定的閾值S，則判定不合格。具體算法流程如圖8所示。

圖7 圖像處理流程

圖8 圖像檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

5 PC與PLC通信實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)PLC控制，必須要實(shí)現(xiàn)PC端與PLC控制的數(shù)據(jù)交互。傳統(tǒng)的通信方式包括以太網(wǎng)、CAN總線等。結(jié)合PEC3000芯片特點(diǎn)，其支持RS485和以太網(wǎng)通信。本文則選擇EPA（Ethernet for Plant Automation）通信，通過給PLC控制器配置不同IP，從而方便用戶進(jìn)行讀寫。同時(shí)EPA協(xié)議在通信中，在應(yīng)用層以下不需要設(shè)置UDP協(xié)議，從而在傳輸速率和實(shí)時(shí)性方面都較高。而對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸來講，只需要在數(shù)據(jù)報(bào)文前面添加EPA報(bào)文頭即可。

而對(duì)于EPA的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖9所示。

圖9 EPA協(xié)議執(zhí)行流程

6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

6.1 圖像處理實(shí)現(xiàn)

通過上述的圖像處理和檢測(cè)算法，可以得到原始圖像和處理后的圖像的對(duì)比圖，具體如圖10所示。

圖10 圖像處理

6.2 系統(tǒng)檢驗(yàn)結(jié)果

位驗(yàn)證上述控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，搭建PLC智能控制檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，并在燈箱單元中分別放入三組待檢驗(yàn)的PLC燈板，其中A組放入100個(gè)好的PEC 6000，1個(gè)壞的 PEC6000；B 組放入 50個(gè)DIO3000，50個(gè)DIO3400，2個(gè)壞的DIO3400；C組放入 50個(gè) PEC5000，50個(gè) AIO5000，2個(gè)壞 PLC模板。由此通過上述的檢驗(yàn)，得到表1結(jié)果。

表1 PLC智能檢測(cè)結(jié)果

7 結(jié)語

本文應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)等，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款可用于工業(yè)制造產(chǎn)品檢測(cè)的智能控制系統(tǒng)，從而通過對(duì)產(chǎn)品圖像的對(duì)比，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)大批量產(chǎn)品的自動(dòng)化檢測(cè)，大大提高了工業(yè)制造效率，為工業(yè)制造的應(yīng)用提供了參考。

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Design of PLC Intelligent Control System Based on Image Recognition

ZHANG Junmin
（Chinese Flight Test Establishment，Xi'an 710089）

Aiming at the existing problems of omission and error detection of large quantities of traditional PLC lamp panel production，combined with the current mainstream computer vision technology，automation technology，quality detection system is designed with a PLC lamp panel.The system includes an image acquisition card，the results show，PLC sorting module and other modules.Using image processing technology，compare the number of white pixels within a certain rectangular region，if more than the preset，then determine the PLC lamp board defects，and automatic sorting through the PLC control system.Finally，through the actual operation，the system has the characteristics of high speed and high precision，so it can realize the automatic test of PLC light board.

computer vision，pattern recognition，image recognition，programmable logic controller，intelligent control

TP273.5

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.11.040

Class Number TP273.5

2017年5月6日，

2017年6月23日

張俊民，男，碩士研究生，研究員，研究方向：飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)。