Решения за машинно зрение в ХВП

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 4/2018 • 15.06.2018

Решения за машинно зрение в ХВП
Решения за машинно зрение в ХВП
Решения за машинно зрение в ХВП
Решения за машинно зрение в ХВП

 

Хранително-вкусовата промишленост (ХВП) е голям отрасъл с широк набор от потребности в сферата на автоматизацията. Независимо от степента на развитие на технологиите необходимостта от гарантиране на високо качество, безопасност и ефективност остава константна. Производителите на хранителни продукти са задължени да спазват все по-стриктни норми и стандарти по отношение на проследимостта, сигурността, хигиенния и качествения контрол.

Решенията за машинно зрение изпълняват ключова функция при изпълнението на регулаторните изисквания в предприятията от хранително-вкусовата индустрия. Системите за автоматизирана визуална инспекция позволяват цялостно оптимизиране на производствените приложения, като спомагат за съкращаване на времетраенето на етапа по инспектиране на продукцията, намаляване на разходите и редуциране на бракуваните изделия.

Първите системи за машинно зрение в отрасъла се използват още през 80-те години на миналия век, а едно от първите им приложения е за инспекция на мъфини. Използвайки камера с резолюция от едва 30 x 32 пиксела, пионерската система се грижи да открива кексчета с прекалено големи размери, които не биха се побрали в предвидената опаковка. Технологиите за визуална инспекция в ХВП значително са еволюирали оттогава насам, не само по отношение на разделителната способност на камерите, но и при процесорната мощ, софтуерните възможности и техниките за осветяване.

Технологично развитие
Сред ключовите технологични разработки и подобрения, които оказват голямо влияние в хода на усъвършенстването на системите за машинно зрение в хранително-вкусовата промишленост, са: камерите с линейно сканиране, смарт камерите, средствата за заснемане на 3D изображения, роботизираните pick-and-place системи и т. н. Паралелно с технологиите, през годините сериозно развитие претърпяват и стандартите в областта на автоматизираната визуална инспекция. С автоматизирането на етапа на инспектиране и качествения контрол системите за машинно зрение изиграват ключова роля за цялостното подобряване на производителността, ефективността и качеството в хранителната индустрия.

Решенията за автоматизирана визуална инспекция типично се състоят от камера, оптична и осветителна система, компютър и софтуер за обработка на изображения. През последните години значително се развиха технологиите при т. нар. CMOS сензори или матрици (CMOS image sensors) – полупроводникови сензори за изображения. Благодарение на подобренията при продуктите от последно поколение в сегмента най-съвременните системи за машинно зрение се отличават с усъвършенствана разделителна способност, скорост на заснемане и чувствителност на сензорите. Това позволява по-прецизна и детайлна инспекция на много по-бързи процеси, а често и с по-ниски разходи за притежание. Така вместо инспекция на произволни проби от дадена партида наличното време вече е достатъчно и за детайлно инспектиране на всички продукти на производствената линия.

Крайъгълен камък в развитието на технологиите в областта е създаването на цветните камери. Това позволява въвеждане на допълнителен критерий за инспекция по цвят, както и сравнителен анализ на различни цветове. Тези възможности са особено полезни например при оценката на съответната степен на зачервяване на дадено печиво като критерий за неговата готовност или пък при сортирането на плодове и зеленчуци по свежест.

Прогресът при процесорната мощ на компютърните системи също оказва ключово влияние върху развитието на технологиите за обработка на изображения и измервателните решения в областта на машинното зрение. Все по-достъпният и лесен за инсталиране и използване софтуер допълнително разширява приложната област на съвременните платформи за автоматизирана визуална инспекция в ХВП. Някои от най-популярните софтуерни продукти в тази сфера разполагат с профили за персонализиране на инспекцията по продукти и/или приложения, както и за обработка на данни от инспекцията на различни артикули в дадена производствена или технологична линия за обработка.

Лесният и удобен интерфейс при продуктите за машинно зрение както при софтуера, така и при хардуера, спомага за постепенното изместване на приложението визуална инспекция от специализирания персонал към възможността всеки редови служител по контрол на качеството да оперира със системата. По-високата кадрова честота при съвременните камери за машинно зрение позволява в пъти по-голяма производителност в сравнение с вариантите от преди десетилетие например.

За осигуряването на достатъчен интензитет на осветяване при такива условия сериозна роля изиграва еволюцията при LED осветлението, която прави възможно адекватното осветяване при все по-бързите и динамични решения за автоматизирана инспекция. Подходящото осветяване минимизира всички ефекти на естествената светлина, която навлиза в цеховете на предприятията за преработка и производство на хранителни продукти. Така модерните решения за машинно зрение могат да осигурят много по-задълбочен анализ на качеството от елементарната инспекция на продукта от типа “годен/негоден”.

Възможностите за обработка на резултатите от пълна инспекция на всички продукти от дадена партида и въвеждането на изводите в статистическа система позволява проследяване на тенденциите и предприемане на ранни коригиращи мерки, когато това е необходимо. Пример за такъв сценарий е намаляването на температурата в пекарна камера преди препичане или изгаряне на изделията вътре и предотвратяване на бракуваните партиди, производствените прекъсвания и всички последващи разходи.

Еволюция при камерите
Голяма част от традиционно използваните в индустрията системи за машинно зрение включват т. нар. “area scan” камери или камери, при които обхватът на заснемане (и съответно инспекция) е стандартно зрително поле. Във все повече приложения обаче се налагат “line scan” камерите. Те разполагат само с един ред от фоточувствителни пиксели, които изграждат изображението линия по линия, докато обектът на заснемане се придвижва покрай тях. Това превръща камерите с линейно сканиране в отлично решение за непрекъсната инспекция на подвижни обекти или изделия, например на поточна линия.

Сред приложенията на технологията са: инспектиране на зърнени култури или насипни материали със сходна несвързана зърнеста структура, които могат да бъдат изсипвани пред линейното зрително поле на камерата като водопад. Системата може да идентифицира чужди тела или несъвършени зрънца, които незабавно да бъдат премахнати от потока с помощта на подвижни дюзи със сгъстен въздух.

Едно от ранните технологични предизвикателства пред машинното зрение в индустрията е прехвърлянето на заснетите изображения към компютърната система на големи разстояния. То води до известни ограничения при възможните локации на камерата в цеха. Нещата се променят с навлизането на т. нар. смарт камери в практика. Тези интелигентни устройства разполагат с усъвършенстван хардуер и софтуер за обработка на изображения, които се намират на едно място – в корпуса на самата камера.

Камерата може сама да извърши необходимото измерване и да изпрати сигнал от типа “преминава/ не преминава инспекцията” към системата за управление на технологичната линия. Въпреки огромните възможности в пространствено отношение, които разкрива тази иновация, съществено ограничение се явява бюджетът, когато в дадено приложение са необходими по-голям брой камери. Индустрията успява до голяма степен да преодолее и това предизвикателство с въвеждането на специализирани стандарти за трансфер на данни при системите за машинно зрение.

Нарастващата изчислителна мощ на процесорите позволява появата на пазара и на все по-достъпни ценово платформи за 3D изображения, които позволяват адекватно измерване на обема на различни продукти. Сред най-популярните техники за триизмерно заснемане в ХВП е лазерната триангулация, която прави възможно 3D реконструирането на даден обект чрез заснемане на облак от точки по осите X, Y и Z.

Това позволява не само триизмерна инспекция в реално време на обема и детекция на дефекти, но и вземане на решение дали обектът преминава инспекцията или не на базата на много повече критерии в сравнение с традиционната 2D инспекция, включително форма, пропорции и качество на повърхността. Системи за 3D машинно зрение широко се използват в производството на пици, пайове, хлебни изделия, сладкиши, торти, бисквити и сладки за инспекция на техните размери и форма, за откриване на дефекти по ръбовете, като и за проверка на плътността. 3D системи могат да бъдат използвани и за оптимизиране на операции от типа pick-and-place чрез прецизно направляване на движенията на роботите.

Характерни приложения
Хранително-вкусовата промишленост поставя пред технологиите за машинно зрение уникален набор от предизвикателства по отношение на надеждността, повторяемостта, продължителността и ефективността на визуалната инспекция. Приложенията на системи за машинно зрение в ХВП могат най-общо да бъдат подразделени в три категории: във връзка с производството и преработката; във връзка с пакетирането и дистрибуцията; във връзка с безопасността и проследимостта.

Традиционните приложения на системите за машинно зрение включват инспекция на формата, размерите, цвета, плътността, позицията на дадено изделие, наличието на дефекти по ръбовете, дупки и други несъвършенства, както и равномерното разпределение на глазури, пълнежи и т. н. При суровите продукти машинна инспекция обикновено се използва за проверка на цвета, зрелостта и размерите. Изделията, които преминават термична обработка, се проверяват за степен на готовност – дали не са твърде сурови или препечени.

Сред типичните приложения на решенията за автоматизирана визуална инспекция в ХВП е порционният контрол или спазването на ограниченията за тегло/обем/размери на единична порция (доза), включително дебелина на резените при машинното рязане на колбаси, сирена и други подобни продукти. Основна задача на системите за машинно зрение е да сведат до минимум загубите на продукта и да оптимизират процеса по порциониране, измерване, опаковане и етикетиране. Машинното зрение следи и дали продуктите не са заразени или замърсени, както и да не се допуска смесване на изходните материали в отделните продуктови линии, особено при контрола на алергени като фъстъци, сусам и т. н.

Приложенията във връзка с пакетирането и дистрибуцията включват проверка за цялост на контейнера или опаковката, осигуряването на правилно етикетиране, проверка за наличието на необходимия брой единични опаковки при вторичното пакетиране в стекове или кашони и т. н.

Нови методи като хиперспектралното изобразяване комбинират машинно зрение със спектроскопия, позволявайки създаването на изображения с цветно кодиране според химичния състав на заснемания материал. Приложната област на тази техника включва например изобразяването на мазнини и кости в птичето месо, откриването на набити места по плодове и зеленчуци, сортирането на ябълки, инспекцията на кафени зърна и т. н. Възможните приложения обхващат и дейности във връзка с етикетирането, проверката на опаковките за дефекти, инспекцията на нивата на пълнене на различни контейнери и бутилки, както и инспекцията на неприкосновеността на готовия пакетиран продукт с оглед гарантиране на указания на опаковката срок на годност.

Функционален обхват
Освен традиционните конфигурации, в категорията “машинно зрение” за предприятията от ХВП попадат много други типове системи и технологии с различни функции, включително: специализирани средства за автоматичен анализ и инспекция за приложения с автоматизирано и роботизирано управление, комплексни платформи за процесен мониторинг и управление на базата на визуална инспекция, специални терминали за инспекция на етикети и опаковки, баркод скенери и скенери за разчитане на серийни номера, включително ръчни, портативни и стационарни устройства и т. н.

Основна функция на системите за машинно зрение е качественият контрол. В много приложения е необходимо да се гарантира не само, че продуктът изглежда добре, но и че са спазени стриктни изисквания по отношение на вида, размерите и съдържанието му. Това правило е особено валидно в едросерийното производство, където еднаквостта и постоянно високото качество са стандарт и задължително условие за имиджа на дадена марка.

Важна роля изпълняват системите за машинно зрение в тандем с роботизираните технологии при захващането, позиционирането и пакетирането на разнородни продукти с различни форми, размери и пространствена ориентация. Ключова функция на платформите за автоматизирана визуална инспекция е и валидирането на продуктовите етикети в края на опаковъчната линия.

Сортирането на различни ценови категории при насипни продукти като ориз или при картофи, плодове и зеленчуци спомага едновременно за премахване на негодните за продажба продукти и гарантиране на адекватно ценообразуване според политиката на предприятието. В тази задача основна роля отново имат системите за машинно зрение.

Технологиите от този сегмент намират все повече приложения и в търговската мрежа, например при по-модерните теглоизмервателни стендове, разположени в някои големи съвременни супер- и хипермаркети. Оборудването от този тип позволява бързо и лесно разпознаване и измерване на съответното количество плодове, зеленчуци или други продукти, помагат на потребителите прецизно да проследяват колко и какво купуват и предотвратяват възможностите за измама от страна на недобросъвестни купувачи.

Безопасност
Сред най-важните задачи на системите за машинно зрение в хранително-вкусовата промишленост е осигуряването на безопасност на дейностите и продукцията. С помощта на средства за автоматизирана визуална инспекция в много съвременни предприятия от отрасъла се следи за недопускането на замърсявания и зарази по храните, включително в рибата и птичето месо, където традиционно се използват рентгенови системи. Прилагат се и специални решения за проверка на наличието на различни чужди тела в суровите и обработени продукти.

В индустрията важат все по-стриктни правила и стандарти по отношение на документирането и декларирането на производствените процеси, методи и рецепти за приготвяне на продуктите. Много производители използват 2D системи за баркод маркиране с цел проследяване и сериализиране на данни. Все по-масово такива решения навлизат в преработвателните предприятия, където строго се следи движението на широк набор от алергени. Използват се и технологии с оптично разпознаване и верифициране на символи (OCR и OCV), за да се проверява за наличието на дадена буквено-цифрова комбинация или дума, която указва съдържанието на съответния алерген в продукта (например глутен, краве мляко, яйца, фъстъци и други ядки, соя, целина).

ЕКСКЛУЗИВНО

Top