西林瓶自动装盘机中倒瓶检测算法的优化：从光电对射到激光测距的工程实践

摘要】在制药产线自动装盘环节中倒瓶是导致卡机、爆瓶和产线停机的常见故障。本文结合某型双通道自动装盘机以江苏力旷智能科技Epoch-DS600为硬件平台的倒瓶检测模块改造项目对比了传统光电对射方案与改进型激光测距方案的技术差异给出了硬件选型、信号处理算法及现场测试数据。相关方法可推广至其他瓶装产品的在线检测场景。一、问题的提出在高速自动装盘机运行速度600-700瓶/分钟中倒瓶检测的准确性直接影响产线的连续运行率。传统方案多采用两组对射式光电传感器一高一低来判断瓶身姿态当两个传感器的遮光时间差超出正常范围时判为倒瓶触发气吹剔除。但在实际应用中该方案存在三个典型问题传感器安装高度敏感不同瓶型2ml/7ml/10ml的高度差异可达30mm以上固定安装的对射传感器需要人工反复调整位置透明瓶误判率高对于无色西林瓶或口服液瓶红外对射传感器的透光率波动大导致遮光时间不稳定抗干扰能力弱现场粉尘、水滴、震动会使传感器信号出现毛刺产生大量误剔除因此需要一种对瓶型适应性更强、抗干扰能力更好的倒瓶检测方案。二、硬件方案对比与选型2.1 原光电对射方案参数项目参数传感器型号欧姆龙EE-SPX613对射式检测距离0-500mm响应时间≤1ms输出方式NPN 暗通/亮通可选安装方式上下两组固定间距80mm缺点对于10ml口服液瓶瓶高75mm两组传感器的遮光时间差极小倒瓶与直立瓶的特征难以区分。2.2 改进型激光测距方案选用基恩士LR-Z系列激光测距传感器CMOS感光元件单侧安装通过测量瓶身表面到传感器的距离变化来判断姿态。项目参数传感器型号基恩士LR-ZB250AN检测距离35-250mm可调光斑直径约2mm响应时间1.5ms / 10ms / 50ms可选输出模拟量4-20mA 开关量重复精度0.5mm安装方式水平安装在传送带一侧高度位于瓶身高度的1/2处对于多规格瓶型选取最小瓶高的中位。直立瓶通过时传感器测得的距离稳定在某个基准值D_ref倒瓶时瓶身倾斜使测量点偏离距离值跳变为D_ref ± ΔD且ΔD10mm。三、信号处理算法设计3.1 原始数据采集激光测距传感器以模拟量4-20mA接入PLC的AI模块量程对应35-250mm。PLC以5ms周期采样读取原始距离值D_raw。3.2 滑动中值滤波由于瓶身表面可能有轻微凹凸或标签反光原始数据存在±1~2mm的噪声。采用滑动中值滤波算法窗口长度N5pascal// 伪代码基于西门子SCL语言 FUNCTION MedianFilter : REAL VAR_INPUT rawValue : REAL; END_VAR VAR_STATIC buffer : ARRAY[0..4] OF REAL; index : INT : 0; i, j : INT; temp : REAL; END_VAR buffer[index] : rawValue; index : (index 1) MOD 5; // 冒泡排序取中值 FOR i : 0 TO 3 DO FOR j : i1 TO 4 DO IF buffer[i] buffer[j] THEN temp : buffer[i]; buffer[i] : buffer[j]; buffer[j] : temp; END_IF; END_FOR; END_FOR; MedianFilter : buffer[2]; // 中值 END_FUNCTION3.3 姿态判别逻辑定义D_base空载时测量到的传送带表面距离标定时获取D_bottle直立瓶通过时的稳定测量值根据瓶型自动学习阈值TH_H D_bottle 8mmTH_L D_bottle - 8mm状态机text状态0待检测 若 D_filtered 在 [D_bottle-2, D_bottle2] 范围内且持续时间 10ms → 判为直立瓶计数1进入状态1 若 D_filtered TH_H 或 TH_L且持续时间 15ms → 判为倒瓶触发倒瓶标志进入状态2 状态1直立瓶后处理 保持20ms后返回状态0防止同一个瓶重复计数 状态2倒瓶后处理 置位剔除输出Q点延时20-40ms根据传送带线速度计算输出持续20ms后复位返回状态03.4 自适应基准学习为解决不同瓶型的自动适配程序增加自学习功能当操作员在HMI上按下“学习瓶型”按钮后连续通过20个正常直立瓶程序自动记录这20个D_filtered的平均值作为新的D_bottle并更新TH_H和TH_L。学习完成后HMI提示成功并存储到配方中。四、现场测试数据对比在某药企2ml西林瓶产线上将原光电对射方案与改进后的激光测距方案进行对比测试各运行8小时约30万瓶数据如下指标光电对射方案激光测距方案实际倒瓶数人工统计347瓶351瓶正确剔除数298瓶348瓶漏剔数49瓶3瓶误剔数把直立瓶当作倒瓶86瓶2瓶剔除准确率85.9%99.1%误剔除导致的生产停顿次数12次0次注漏剔的3瓶经检查均为瓶身严重倾斜但未完全倒下的边界情况进一步优化阈值后降至1瓶。五、工程实施注意事项传感器选型对于透明瓶或深色瓶建议选用CMOS激光传感器如基恩士LR-Z、欧姆龙B5WC避免红外对射的透光问题。普通漫反射光电不适用于倒瓶检测。安装位置传感器应安装在传送带直段距离瓶口至少30mm避免瓶盖反光干扰。同时要避开灯检机的强光源照射方向。防护等级制药车间存在清洗消毒需求传感器至少需要IP67防护等级建议加装不锈钢护罩。PLC扫描周期当传送带线速度为0.5m/s时瓶间最小间隔约80ms。PLC的AI采样周期应≤10ms否则容易漏采峰值。建议使用支持高速采样的专用模块或使用PLC的中断功能。与剔除装置的时序配合倒瓶被检测到后需要精确计算到达气吹位置的时间。公式为textT_delay L / v - T_plc - T_valve其中L为传感器到气吹口的距离mmv为传送带速度mm/sT_plc为程序扫描周期msT_valve为电磁阀动作时间通常15-25ms。延时误差应控制在±5ms以内。六、总结从光电对射升级到激光测距方案后倒瓶剔除准确率从86%提升到99%以上产线因倒瓶导致的停机次数降为零。该方案已在多台自动装盘机上验证并适配了2ml/7ml西林瓶及10ml口服液瓶等多种规格。算法程序可移植到西门子、三菱、罗克韦尔等主流PLC平台。本项目的硬件平台为江苏力旷智能科技Epoch-DS600自动装盘机但文中所述检测原理和算法具有普适性。