基于机器视觉与检定软件的压力表自动检定装置

韦桂樱

（广东省茂名市质量计量监督检测所，广东茂名 525000）

在食品制造机械领域，压力表应用于油脂加工机械、食品加工机中，压力参数极其重要，而对压力参数进行测试的装置就是压力表，压力表不仅造价低，而且使用方便。按照食品制程业相关的行业标准JB/T 53198-1999《滚压式封口机 产品质量分等》，SC/T 6024-2003《小包装食品用压力蒸汽灭菌装置》等，压力表的检定项目属于强制性质，检定的间隔期为6 个月，存在很大的检测工作量，而且人工检定误差问题一直难以解决。机器视觉技术的普及显著提升了工业自动化水平，降低了体力劳动的强度，改善了社会工作结构。在计量领域应用机器视觉系统，既可以降低成本又可以确保检定的准确性。因此，本文以LabVIEWVision 开发模块为基础，以PACE7000 作为压力控制器和压力源，进行压力表自动化检定装置的设计。

1 机器视觉与图像处理

1.1 机器视觉

顾名思义，在测量和判断过程中利用机器代替人眼，称之为机器视觉。具体地说，就是数字计算机自动处理图像后并说明“图像中有什么”的操作，也就是对图像中内容进行识别。由此也称其为计算机视觉。一个工业机器视觉标准的系统包括：相机、镜头、光源、图像处理单元、通信与输出单元、监视器、图像处理软件等。该系统的运行原理是，利用相机进行图像获取，图像处理单元将获取的图像进行数字化处理，按照颜色、亮度和像素分布等信息，借助相关的算法，判断、识别颜色、形状和尺寸。之后能够参考判别的结果来有效控制某些设备动作。机器视觉系统让工业生产的自动化程度和柔性显著提升。特别是在某些不适合人员操作或者检测的危险工作环境中，都选择机器视觉取代人工视觉。在自动化生产环节，如果利用人工进行产品质量检查，会因为检测者主观因素的影响，检测质量缺乏精准度。所以，应用机器视觉系统让生产效率显著提升，将人员从重复而繁重的工作中解脱出来。当前，在质量控制、成品检测等诸多领域，已经广泛应用机器视觉系统。

1.2 图像处理技术

图像处理具体来说是指处理数字图像，是机器视觉的重要组成部分。通常将通过采样后进行数字化的二维数组叫做数字图像，像素就属于二维数组的元素范畴。灰度值的数量大约为元素的值即是以整数存在的灰度值，通常处理图片的规格皆为8 bit 的BMP 图像，灰度值的数量大约为255 个。图像处理的内容包括对图像进行形态学的处理和分析，图像数字化、图像增强和复原，以及图像压缩等。按照不同图像处理的特点，将相关技术划分为关联性和区别性协同作用：对图像的处理、分析和理解。所谓的图像工程就是三者结合的产物，即包括既有关联性又有差异性的图像处理、分析和理解三个环节，促使三者紧密结合，并进行工程的实际应用。通常图像处理就是变换图像与图像之间的关系。在狭义上讲，图像处理就是加工和处理图像，一方面是进行图像清晰度的改善，一方面更有助于之后的图像识别，另外图像处理也包括为了减少传输时间和存储空间所进行的图像编码压缩。图像分析就是检测图像中感兴趣的区域，进而获取图像并理解图像。图像理解的关键意义是按照图像分析结果，进一步研究图像中的目标特征，并获取针对图像目标的解释，进而对行动进行规划指导。针对精密压力表的图像处理，主要采取形态学和图像分析方式。例如膨胀腐蚀、阈值分割二值化、滤波等[1]。

2 检定软件的工作原理

2.1 检定装置组态

本研究选用的组态软件为北京某科技公司的组态王软件7.55，该软件属于中文操作系统，应用于WindowsNT/2000/XP 中，图形界面生产功能十分完善，能够对工业现场进行形象逼真的描绘。可以提供多功能的控件和控件函数以及种类众多的I/O 驱动程序，该软件通信参数和设备配置具体为以下内容。

2.1.1 通信参数

波特率：9 600；通信方式：RS232；数据位：7；通信超时：3 000 ms；奇偶效验：偶效验；停止位：2。

2.1.2 设备配置

本研究利用欧姆龙Hostlink 公司生产的PLC；以串口（COM1）作为通信方式。选择北京某公司生产的视觉控制器进行串口数据发送；采用串口（COM2）作为通信方式。

2.2 检定装置主控制界面

本研究检定装置检定界面主要包括：控制流程、允许变动量输入、电磁阀控制开关、回差允许值、检定点、允许误差值、标准压力值、待检定点数、已检定点数等。

2.3 检定装置检定记录表

本研究的检定装置检定记录表界面的主体就是报表控件，具体包括：打印检定记录表、数据填表、数据记录、数据查询等功能。以确保在记录表中正确地填入检定的数据，让检定任务完成。

2.4 检定装置检定证书界面

检定证书设计及操作系统主要由操作按钮和报表控件构成，具体包括：打印设置、存表、读表、增加、列表式组合框。在此基础上有效完成检定装置检定证书的打印操作[2]。

3 压力表自动化检定装置硬件设计

3.1 检定装置

通常情况下，应用的压力表泛指为指针式压力表，本文提出自动检定的整体方案是针对指针时压力表的检定，如图1 所示。主要有本文重点阐述的压力控制机器PACE7000、通讯线束、专用工业照相机、工控机、打印机等。利用CCD 作为专用工业相机，通信协议遵照RS485 串口模式，与计算机相连的是USB 口；利用LAN 口完成主机与PACE7000 压力控制台的通讯；利用USB 口连接打印机。参照PACE7000 压力控制器的通信控制协议，全自动压力表检定装置可以借助自主开发的检定软件进行压力的自动控制，可以通过精准度极高的数字压力传感器有效获取标准压力值，利用CCD 工业相机参照指针识别算法进行压力数的读取，根据JJG 52-2013《弹性元件式一般压力表、压力真空表和真空表》检定规程，进行各项误差值计算后给出检定结果。

图1 压力表自动检定总体方案

3.2 检定程序

压力表自动检定过程设计如下：将压力表安装到计量工装，镜头与表盘呈现平行状态；将表的自动计量软件开启；将通讯串口与工业计算机的接口打开；进行“开始检定”的操作，向控制器发送指令，进行对应压力值的输出，借助串口向工控机实时传送压力值；按照相关算法，工业相机进行被测压力表示值的实时计算，然后将计算结果与相同准确度压力传感器的标准压力值进行对比，获取不同压力点对照的误差，并进行回程误差、示值误差的计算，按照压力表等级求出对照的检定结果，最终将检定记录表打印出来[3]。

4 压力表自动化检定装置软件设计

4.1 图像采集及二值化处理模块

针对压力表自动化检定装置软件的设计，主要包括两个部分：压力表自动读数识别程序和压力表表盘图像采集程序。首先利用机器视觉（LabVIEW）软件平台编程，操纵CCD工业相机实时采集压力表的图像。将这些图像计算处理后，读取压力表指针的数值。将获取的图像读入并存储，通过IMAQThreshold 实施二值化处理图像，将背景噪声影响数值识别的程度降到最低。阈值范围的确定可以利用IndexArray和ForLoop 的循环端口VI 实现，而阈值范围的设置则是利用IMAQThreshold 完成。设定超过阈值时亮度最小，仅为0，低于阈值时亮度最大，可达255。根据以上的方式，可以获取压力表二值化的图像（如图2 所示）。

图2 图像采集及处理程序

4.2 压力表读数识别模块

在该软件系统的设计中，可以设定学习阶段和读数阶段两个阶段进行压力表图像示数的读取。针对学习阶段，获得图像对照的像素点的数值，可以通过Vision Assistant 完成，同时在相应的数组中输入，输入两个数组的连接到IMAQconvert IinetoROI 的函数中，然后通过两个IMAQconvert IinetoROI 函数规定仪表的初始值和满量程值的位置，利用IMAQconvert IinetoRO 有效组合两个阶段的ROI，有效输入IMAQGetMeter 的学习函数。

完成学习过程后，进行仪表指针的旋转位置中心和一个数组的输出。其中数组元素表示一条刻度弧线上初始值和满量程值各个点的位置，读数阶段仪表读数的计算就利用这些点进行。以学习阶段的输出为基础完成读数阶段，当前读数的所处位置的百分比，IMAQ Read Meter 可以借助检测仪表指针的位置来确定，有效计算仪表的真实读数。在本系统的设计运行结果中，既可以显示读数值，还能够在图像中清晰显示ROI，以及有效显示学习过程返回数组中的各个点的位置以及指针指向的位置[4]。

4.3 压力表通信与控制模块

在该模块的设计中，PACE7000 全自动液压控制器与软件的通讯是利用RS485 串口完成；而工业相机（CCD）与软件的通讯是通过标准的USB 接口实现。在LabVIEW 中，利用RS485 串口通信方式应用VISA。作为仪器编程标准I/OAPI 的VISA，其编程利用面向对象的方式，其独立性、扩展性和兼容性极佳；VISA 能够有效控制VXI 或PXI 仪器、CPIB、以太网、串口、USB 等，同时按照应用仪器的类型进行相应驱动程序的调用，免除了用户学习各种仪器通信协议的麻烦；VISA 无需依赖总线、操作系统和编程环境，完全可以在各类的操作系统、设备类型、编程语言中应用相同的API。

在该软件系统的设计中，可以利用如下步骤进行与PACE7000 压力控制器的串口通信。首先初始化串口后进行配置，利用visa config ure serialport 进行基本配置的设定，包括串口的端口率、波特率等。初始化的设计完成后，进行串口读写，根据PACE7000 通信控制协议的指令调用VISAWrite，然后VISARead 对协议指令进行对应的写入和读取，以及对相关条件的确定，进而实现压力控制器的操作程序，在设定的顺序结构的最后，利用MSOffic Report 模块输出和打印全部记录，完成打印后应用函数VISACIose 关闭串口[5]。

5 结束语

本文以LabVIEW 机器视觉的功能为基础，借助图像处理技术，参考虚拟仪器串口通信理论，设计一套集机器视觉模拟量读取、图像采集、判断决策以及I/O 控制于一身的压力表自动化检定装置。同时，压力表自动检定装置利用了前沿的可编程控制器、机器视觉技术、组态软件技术的结合，按照JJG 52-2013 的标准，性能指标完全满足相关要求，降低和避免了因为人工检定压力表产生的误差，促进压力表检定效率和准确性的大幅度提升，让相关的检定水平再上新台阶，以推动压力表在各个领域中的广泛应用。