Увеличение скорости видеосистем на упаковочных линиях

Фармацевтическая промышленность – это огромная отрасль, а потребность в лекарствах растет экспоненциально – уже сейчас каждый день выполняется головокружительное количество операций по перемешиванию, замешиванию, формированию и упаковке изделий. Независимо от количества, предел погрешности составляет ноль. Если хотя бы одна таблетка попадет не в ту упаковку, жизнь клиента может оказаться под угрозой.

Рис. 1: Улучшенный контроллер TenAsys INtime заботится о том, чтобы приложение реального времени и приложения в системе Microsoft Windows выполнялись независимо отдельными ядрами процессора, тем самым гарантируя детерминированный отклик на события реального времени (Источник: Control Engineering и TenAsys).

Спрос растет, а вместе с ним и необходимость быстрого производства лекарств одновременно с тщательным контролем. Человека уже давно заменили быстрые системы инспекций. Для проведения строгих инспекций необходимо использование программного обеспечения реального времени, особенно тогда, когда система машинного зрения взаимодействует непосредственно с системой управления производственной линией.

Видеосистемы осуществляют инспекцию отдельных таблеток и их упаковок. Американское Управление по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарственных препаратов (US FDA) предписывает контроль каждой произведенной в США упаковки, чтобы гарантировать, что этикетка правильная и правильно наклеена, порции лекарства соответствующие, a напечатанный срок годности соответствует действительности. Все чаще требуется, чтобы каждая упаковка имела свой собственный идентификационный номер, позволяющий ее отследить в случае необходимости.

Требования касаются флаконов и блистеров. При изготовлении прививок очень важно проверить, что 100% ампул имеют правильную алюминиевую крышку. В случае шприцов производители очень часто проводят 100% инспекцию, чтобы убедиться в качестве изделия. Поскольку время – это деньги, производители лекарств ищут полностью автоматизированные и быстрые системы инспекций, одновременно гарантирующие качество и безопасность. Для таких приложений необходима очень высокая скорость обработки изображений высокого разрешения, а также быстрое решение и передача информации  в систему управления. Некоторые системы выполняют до 200 000 инспекций в час, решение принимается менее чем за 30 милисекунд.
Компания Optel Vision Systems, расположенная в Квебеке (Канада), поставляет системы дл инспекций на производственных линиях. Компания была привлечена для разработки новой системы инспекции и управления, которой планировалось оснастить новую линию для производства двухфазных растворимых таблеток.

В этом приложении ошибка в дозировке лекарства могла вызвать серьезную угрозу для здоровья. Поэтому решением стала постоянная и точная идентификация дозировки лекарства. Наиболее безопасным решением является полный и автоматический контроль производства каждой таблетки без исключения. Единственной альтернативой была сложная инспекция, выполняемая человеком, но она дорогостоящая, и, что само важное, ей нельзя полностью доверять.

Перед принтером для печати на таблетках стоит нелегкая задача. Процесс не только сложный, большинство его параметров постоянно меняется. Система мониторинга, которая поможет оператору правильно подобрать параметры и даст немедленный ответ о качестве нанесенной надписи, может значительно сократить время, необходимое для подготовки процесса печати.

Рис. 2. Система инспекции таблеток компании Optel Vision. Слева находится камера, с правой – интерфейс оператора (Рис. TenAsys).

Компания Optel Vision Systems предложила интегрированную компьютерную систему, использующую процессор Intel. Компания использует процессоры Intel для различных приложений, в зависимости от их требований это одно- или четерыхъядерные процессоры.
Камера снимает каждую таблетку, которые перемещаются со скоростью 2000 штук в минуту. За срабатывание камеры отвечает фирменная система I/O Optel Vision, процессор которой, работающий в режиме реального времени, рассчитывает необходимые параметры камеры и  отправляет их в стандарте Ethernet на главный процессор компании Intel. Система также отвечает за взаимодействие с энкодером, определяющим скорость производственной линии. Изображение обрабатывается компьютером, в котором соответствующий алгоритм оценивает, имеет ли надпись дефекты. Если да, таблетка отслеживается системой до того момента, пока не будет удалена с линии (это также осуществляется с помощью устройства компании Optel Vision).

Обработка изображения осуществляется программным обеспечением Optel Vision на одном из ядер процессора. Полученное с камеры изображение сравнивается с математической моделью эталонного продукта. Библиотека содержит около 50 алгоритмов, способных обрабатывать изображения флаконов, блистеров и таблеток со скоростью 10 000 штук в минуту. Система инспекции для этого приложения использует две камеры и один компьютер. Optel Vision разработала производственную видеосистему, которая может взаимодействовать максимально с 20 камерами и четырьмя компьютерами.
Чтобы управлять реальным процессом, видеоприложение запускается в операционной системе реального времени (RTOS). Инженеры Optel Vision пробовали использовать встроенную версию системы Microsoft Windows NT, но обнаружили проблемы синхронизации: система не обнаруживала все события. Это вызвано тем, что Microsoft Windows спроектирована для взаимодействия с человеком, а не с быстрыми промышленными процессами. Критическая часть информации может быть не замечена Microsoft Windows, поскольку система может в этот момент выполнять какую-то другую операцию, загружая тем самым процессор.
Инженеры протестировали различные контроллеры I/O для системы Microsoft Windows, экспериментировали также с собственным программным обеспечением и реализацией системы реального времени. Приложения либо работали неустойчиво, либо были слишком сложными. Было необходимо решение, в котором система реального времени работает в паре с Windows. Таким образом можно было бы использовать преимущества обеих систем – система реального времени быстро обрабатывает данные, а Microsoft Windows предлагает функциональные возможности интерфейса оператора и накопления данных. Льюс Рой, президент Optel Visio, искал решения, совмещающее преимущества обеих систем.

Задача была решена. Специальное программное обеспечение следит за тем, чтобы критические операции I/O выполнялись системой реального времени, a остальные – Microsoft Windows. Специальное программное обеспечение с отдельным графиком задач использует встроенные в процессор Intel функции, гарантируя, что критические задачи будут выполнены в заданное время (рисунок 1). Программное обеспечение имеет комплекс диагностических и отслеживающих инструментов, интегрированных в среду Microsoft Visual Studio. Программное обеспечение сделано так, что код программы создается подобным образом, независимо от того, является ли целевая платформа системой реального времени или Microsoft Windows. Ассистент программирования платформы реального времени позволяет быстро осуществить прототипирование приложения для этой системы.

– Мы привыкли к большому количеству приложений реального времени, которые в связи с тем, что эта система является закрытой, трудно было интерпретировать и искать в них ошибки – поясняет Мэтью Гэллант, руководитель в Optel Vision.
– Теперь благодаря расширенным функциональным возможностям системы реального времени легче создать программное обеспечение – отмечает Гэллант. В прошлом Optel Vision должна была модифицировать их программное обеспечение таким образом, чтобы оно поддерживало новейшую версию системы Microsoft Windows, как только она появлялась.
Когда система была обновлена до новой концепции тандема системы RTOS и Microsoft Windows, началась модификация HMI Microsoft Windows, что облегчило обучение операторов: HMI имеет дополнительные диагностические функции, значительно облегчающие работу. Легкость, с которой теперь создается программное обеспечение, позволяет выполнять все процедуры, включая тестирование, установку и запуск менее чем за три месяца. Система инспекции в описываемом ранее приложении была быстро утверждена и начала приносить реальную выгоду заказчику и качество конечному потребителю.
Реконфигурация не вызывает сложностей. В настоящее время компания работает над системой сканирования «на лету», для которой необходима глубокая обработка изображения и точное отслеживание продукта, чтобы гарантировать интегральность серийного производства во время процесса упаковки.

Новый проект основан на предыдущим и является его расширением. Нет необходимости писать все приложения с нуля.
Автоматизация процесса инспекции и отбраковки дефектных продуктов исключает ненужные простои и делает работу операторов более производительной – все это при показателе ROI менее шести месяцев.

Ким Хартман является вице-председателем отдела маркетинга и продаж в TenAsys Corp., в Бивертон (штат Орегон, США).

Статья под редакцией Лукаша Урбаньского, докторанта кафедры промышленной автоматики и робототехники электротехнического факультета Западно-Поморского технологического университета в Щецине.