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ΔD>10mm。
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N=5）：
pascal
// 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 := i+1 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_FUNCTION
3.3 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 + 8mm，TH_L= D_bottle - 8mm
状态机：
text
状态0（待检测）： 若 D_filtered 在 [D_bottle-2, D_bottle+2] 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0
3.4 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：
text
T_delay = L / v - T_plc - T_valve
其中L为传感器到气吹口的距离（mm），v为传送带速度（mm/s），T_plc为程序扫描周期（ms），T_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。