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首页医源资料库在线期刊中华医药杂志2009年第9卷第4期

食品药品液瓶可见异物在线自动检测的探讨

来源:《中华医药杂志》
摘要:【摘要】目的探讨在线自动检测透明瓶装匀质食品药品瓶内液体的可见异物的实现。方法采用CCD(ChargeCoupledDevice)工业摄像机跟踪液瓶进行摄像检测的光、机、电、计算机一体化自动模拟人工检测的全过程。结果样机实验对20ml葡萄糖注射液的液瓶异物综合测试:检出准确度≥98%、误检率≤5%、检测速度14......

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【摘要】  目的 探讨在线自动检测透明瓶装匀质食品药品瓶内液体的可见异物的实现。方法 采用CCD(Charge Coupled Device)工业摄像机跟踪液瓶进行摄像检测的光、机、电、计算机一体化自动模拟人工检测的全过程。 结果 样机实验对20ml葡萄糖注射液的液瓶异物综合测试:检出准确度 ≥98%、误检率≤5%、检测速度140瓶/min。结论 在线自动检测能够自动、高速、准确地对产品进行检测,替代人工劳动,提高企业生产自动化程度,是食品药品生产行业今后发展的一个必然趋势,具有很好的市场前景。

【关键词】  在线自动检测; 可见异物; CCD工业摄像机; 跟踪

药典规定:可见异物是指存在于注射液、滴眼剂中,在规定条件下目视可以观测到的不溶性物质,其粒径或长度通常大于50μm。 在食品药品生产过程中液瓶难以避免带入如发丝、橡胶、玻璃碴、碳水化合残留物等物质,食品药品生产厂家对此类异物传统的检测方法是使用人工目视进行检测与剔除,为此存在着由于人体疲劳及视觉误差易造成产品漏检、误检的可能,给用户造成不可估量的严重后果或对企业造成一定的损失且工人劳动强度大检测效率较低。而在线自动检测在一定程度上避免上述问题,能够自动、高速、准确地对产品进行检测,在一定程度上替代人工劳动,提高企业生产自动化程度。类似的在线自动检测方法及设备国外已实现商品化,但我国目前还处于起步和发展阶段,与国际水平比较尚有一定的差距。为此笔者基于曾参与了此类设备研制工作的经历与思考简述如下。

    1  原理说明

    自动检测的关键设备是图像传感器和数字图像处理技术,即智能测控CCD摄像机、上位计算机IPC(Industrial Personal Computer)及为此开发的处理软件,其主要功能是完成对液瓶目标的图像处理。而图像处理的基本方法是根据异物随待检液体相对液瓶发生移动而造成的图像差异,因此要求摄像机在不同时刻所拍图像尽可能保持相同的方位、距离、照度及背景。在检测系统中摄像机的分辨能力、灰度级差的大小及对液瓶的安装距离和跟踪精度决定了系统对异物体积大小的区别和检出,同时也严重影响处理软件的复杂程度和速度。

    自动检测的基本工艺过程是先将液瓶通过输送带将液瓶送至一个旋转检测工作台,在检测台内首先通过旋转机构令液瓶旋动且带动瓶内异物悬浮起来,以产生异物与瓶之间的相对运动,略待气泡消除后由摄像机对运行中的液瓶进行跟踪并多次拍摄,若拍摄过程中能够保持摄像机与被拍液瓶的相对位置及光照、背景等参数不变,由于异物点的相对移动其像点在所拍图像中的位置必不相同,因此经比对处理可检出异物。

    在自动检测线上摄像机从摄像起始位开始跟踪进入该位置的液瓶进行摄像采集数据并送至上位计算机进行处理,以判别药液是否存在异物,若此液瓶存在异物则计算机发出剔除指令,控制剔除机构的可编程控制器PLC(Programmable Controller)接到剔除指令后当液瓶到达检测区出口时启动剔除机构剔除含有异物的液瓶,在此废品被剔除,合格品存储或送至下道工序。摄像上位计算机对被测液瓶处理结束后发结束指令,摄像机再返回到起始位对后一液瓶进行跟踪扫描,以此往复逐个对产品进行在线检测。

    2  原理框图

    3  电气与跟踪控制

    输送带由可调速电机驱动,工作台旋转由变频调速电机经减速换向机构后驱动,其速度是根据摄像系统的工作速度调定,即摄像系统扫描处理每一液瓶所占用的时间决定了旋转工作台的转速,即缩短摄像处理时间就可提高工作台转速而提高检测效率。

    3.1  电气控制  电气控制使用PLC且通过人机界面对电气设备进行常规控制、参数设定及设备运行状态显示等。PLC的输入将各类传感器的信号及后述的附加跟踪编码器的高速脉冲信号经过软件的分析、判断、逻辑组合最后通过其输出信号来控制执行机构和摄像机往/返的位置。

    3.2  跟踪控制  由于摄像机及其安装附件与安装被测液瓶的工作台使用了不同的动力源进行驱动,由上述可知摄像机与对被测液瓶必须达到速度同步相对静止且摄像机往复位置可控,因而系统采用交流伺服电机来完成跟踪功能。非接触自动跟踪的优点是在工作中跟踪系统能够平稳运行、减小了由于换向启停造成的震动对摄像机和液瓶的冲击影响检测系统正常工作。

    为了对液瓶进行直接准确的跟踪除伺服电机内的编码器外附加了用于跟踪的增量型光电编码器作为运行液瓶的速度、位置传感器及伺服电机的驱动脉冲源。跟踪编码器与工作台的旋转轴同轴安装与被测液瓶组成闭环,以此消除机械传动中的各种误差。即当工作台运行在某一转速时跟踪编码器随工作台的旋转产生与工作台转速成正比、与工作台转角等值的电脉冲,其频率反映了工作台的转速,个数反映了工作台的转角。其中一相脉冲经伺服单元倍频及PID处理后伺服电机输出相应的转速使摄像机与液瓶速度同步相相对静止。另一相脉冲用于摄像机跟踪位置的控制。

    跟踪编码器的选取是按其输出脉冲数/转(pulse / rev)及伺服单元内电子齿轮比的调整来满足伺服电机编码器的输出脉冲/转,但过大的电子齿轮比会导致命令的步阶化,为此在满足需要的前提下选择合适脉冲/转的编码器即可。伺服单元内的电子齿轮比的设定应满足条件:

    f2 = f1×A/B

    f1- 跟踪编码器的输入脉冲/转(pulse / rev)

    f2- 伺服电机编码器对应的反馈脉冲数(pulse)

    A/B-电子齿轮比

    例: 设:精密减速机构减速比i=1:15      

    伺服电机编码器脉冲/转=10000 pulse / rev

    跟踪编码器脉冲/转= 15000 pulse / rev 

    则:15000 ×A/B =15×10000 =150000(pulse)

    电子齿轮比A/B =150000/15000=10

    为此电子齿轮比可在交流伺服单元指定的单元内设定为:A =20,B =2  。

    同时由上例可摄像机对目标液瓶的跟踪位置分辨率为: 360°/10000/15=0.0024°/ pulse 提高了跟踪精度。

    3.3  跟踪及位置控制信号功能和接线  跟踪编码器A信号接交流伺服单元位置命令输入口1,作为摄像机对液瓶的跟踪信号;PLC输出口接交流伺服单元位置命令输入口2,作为摄像机跟踪往/返的方向控制信号;跟踪编码器B信号接PLC的高速输入口并使用PLC内的高速计数器作为摄像机跟踪的往/返位置控制信号。其他略。

    3.4  抗扰  由于在检测控制系统中的摄像机、计算机、PLC、变频器、交流驱动器、编码器等灵敏测控电子器件易受到电磁、高次谐波的干扰,同时系统中使用的强电控制器件如:接触器、继电器、变压器等对灵敏器件扰动较大,为此需采取一些必要的抗扰措施,如:选用电磁兼容性能较高的器件;有关器件电源滤波隔离;柜体接地;上位计算机、PLC、变频器、交流驱动器、跟踪编码器隔离安装且外壳接地;所有信号线按规定使用屏蔽线等保证系统可靠工作。

    4  结论

    几年来经过反复研制改进,研究结果显示在线自动检测仪能够自动﹑高速﹑准确地对产品进行检测,替代人工劳动,提高了企业生产自动化程度,明显地提高了工作效率,是食品药品生产行业今后发展的一个必然趋势,具有很好的市场前景。现正继续进行扩展研究,功能可适用多种各类液瓶可见异物的检测。

    5  讨论   

    按上所述原理在线自动检测系统不局限于注射液﹑滴眼剂中的应用,若按食品药品不同标准的要求进行适当的改进调整是能够完成类似可见异物的在线检测,但其准确度、速度及稳定性按要求需进一步改进提高,以达到或提高相应标准的要求。

    摄像检测及跟踪系统正常工作的一个重要条件是机械系统需稳定运行,特别是工作台的机械振动和突跳都会对检测的准确度产生较大影响,为此工作台的旋转及传动应使用高精结构。实际上由于机械加工精度和装配精度的局限性及其他因素的影响,异物越小识别与检出困难就越大,更小的不溶性物质的检测可能需另辟途径。

    食品药品液瓶异物在线自动检测是综合了食品药品、光学、计算机、机械、电气(子)的知识,为此需各学科的紧密配合及协调才能够完成。

【参考文献】
  1 国家药典委员会. 中国药典,2005版二部.北京:化学工业出版社,2005,附录66.

2 制药装备行业标准技术委员会. 安瓿注射液灯检机JB20006-2004.北京:中国计划出版社,2004,5.

3 王庆有. 图像传感器应用技术. 北京: 机械工业出版社,2007,9.

4 三菱电机自动化有限公司. 三菱通用交流伺服MR-J3-A伺服放大器技术资料集.三菱电机自动化(上海)有限公司,2005,12.

5 西门子公司. SIMATIC S7-200 可编程控制器系统手册.西门子公司,2000,3.

(编辑:汪 洋)


作者单位:1 710069 陕西西安,西安第三机床厂 2 710065 陕西西安,西安文理学院 3 710061 陕西西安,陕西省药品检验

作者: 2009-8-24
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