Egészségügyi termékek minőségbiztosítása NI-eszközökkel és -komponensekkel
Martin Balog – Datalan, Szlovákia
A személyes használatra szánt egészségügyi termékek (pl. női higiéniai termékek, gyermekpelenkák) egyaránt igénylik a kiváló minőségű anyagokat és a gyártás során a kiváló minőségű feldolgozást. Mivel számos hibafajta nem vezetne higiénikus termékhez – sőt kritikus esetben a felhasználónak sérülést is okozhatna –, ezért nagyon fontos a gyártók számára, hogy a végtermékek minősége a lehető legmagasabb szintet érje el. Hagyományosan a végtermék-ellenőrzés a termékek véletlen mintavételezésével történik, amit utána manuális laboratóriumi vizsgálattal ellenőriznek. De ez nem elég a 100%-os eredmény eléréséhez. Automata ellenőrzőrendszer használatával – aminek egy TIViS-elnevezésű ipari kamerarendszer az alapja – lehetővé válik a gyors ellenőrzések elvégzése, és nyitott a későbbi továbbfejlesztésre.
TIViS – a rugalmas, nagysebességű, ipari kamerarendszer
Az egészségügyi termékek minőség-ellenőrzése szigorú követelményeket állít a kamerás rendszerrel szemben. Az első követelmény a termékellenőrzés során a nagy sebesség, mivel egy gyártósor kapacitása jellemzően több mint 1000 db percenként. A második követelmény a gyártósor mentén számos pontban történő ellenőrzés, mivel a termék viszonylag komplex, és problémák adódhatnak a belső rétegekben is. Az utolsó követelmény a felhasznált anyagokkal kapcsolatos. Ezek a termékek többnyire fehér, nem szőtt textíliákat és fóliákat tartalmaznak, ami jelentős nehézséget okoz a termék összes szükséges részletének felismerésében és a hibák megkülönböztetésében.
Rendszerterv
A női egészségügyi betét gyártósorát ellenőrző rendszerünk tervezésénél az alapot a vevő által igényelt rendszerkövetelmények jelentették, beleértve a nagy sebességet és a megbízhatóságot. A cél a hibás termékeket azonosító rendszer hatékonyságának növelése volt amellett, hogy megőrizzük a hibás riasztások abszolút minimum értékét, mivel ez növelné a selejtarányt a termelésben és közvetlen pénzügyi veszteséget okozna a vevőnek. Rendkívül fontosak voltak az ügyfél számára az adatgyűjtéssel kapcsolatos követelmények, a statisztikai feldolgozás, a nemkívánatos események értékelése és a riportolási lehetőségek. Összességében egy nyílt architektúrájú rendszert építettünk, amelyet felkészítettünk a potenciális, jövőbeni követelményeknek való megfelelésre és az alkalmazás képességeinek bővítésére.
A meghatározott követelményeknek megfelelő rendszer kifejlesztésénél egy PC-alapú, kamerás rendszert tűztünk ki célul. Az alkalmazás fejlesztéséhez – valódi nyitottsága miatt – a LabVIEW-t választottuk, amelynek további előnyei közé tartozik a különböző területekről a beépített funkciók széles választéka is, beleértve a mérésadatgyűjtést, a grafikus megjelenítést, a statisztikai feldolgozásokat, valamint a riportolást. A grafikus felhasználói felület tervezésének lehetőségei gyakorlatilag korlátlanok, ami lehetővé tette egy kényelmes, átlátható és gyors alkalmazás tervezését.
Az alkalmazás belső struktúráját arra a keretrendszerre építettük, amit a legtöbb összetett gépi látás alkalmazásainkban használunk. A keretrendszer a következő alapfunkciókat tartalmazza: adatáramlás, képrögzítés, szinkronizáció, adatgyűjtés, statisztikai elemzés, statisztikai folyamatirányítás és valósidejű adatmegjelenítés. Ez a keretrendszer az ügyfélnek egy nagyon egyszerű és átlátható adatkezelést és feldolgozást tesz lehetővé.
A rendszernek a vizsgált termékről a gyártósorban két különböző helyen is képet kell készítenie. Az első helyen az egyes rétegeket és magokat vizsgáljuk, amelyekből a végterméket kialakítják (mielőtt azt a folytonos nyersanyagszalagból kivágnák). A második képrögzítési pontot közvetlenül a termék fóliába csomagolása elé helyeztük el. A második kamera mögött a gyártósor a gyártási folyamatból – még a csomagolás előtt – levegősugár segítségével eltávolítja a hibás terméket. Egy pontos, valósidejű szinkronizáció megvalósításához speciális, valósidejű nyomkövető megoldást kellett kidolgoznunk.
A termék megvilágítására használt ledpanelek megtervezése és a megfelelő fényforrások kiválasztása sok munkát igényelt. Alapos vizsgálat után vörös ledpaneleket alkalmaztunk. A kiválasztott anyaghoz képest ez hozza létre a legnagyobb lehetséges kontrasztot, ami az egyik kulcsfontosságú tényező volt a magas megbízhatóságú termékminőség elérésében. Egyébként mind a fényforrás kiépítése, mind a ledtípusok megfelelnek a konkrét gyártósori követelményeknek.
A kamerás rendszer és a gyártósor vezérlő PLC-jének szinkronizálásához az NI PCI-8254R-típusú kártyát választottuk. Rendszerünk számára a kártya számos fontos funkcióval és jellemzővel rendelkezik. Nagy előny volt az AVT-típusú digitális kamerákhoz külső triggerjelnek használt TTL-szintű jelek és az optikailag leválasztott digitális be- és kimenetek kombinációja. Az ügyfél igényeinek megfelelően a PLC-vel való kommunikációra és szinkronizálásra szintén optocsatolt csatornákat használtunk. Az NI PCI-8254R-jelű kártya legnagyobb előnye a beépített FPGA volt. Ez a technológia tökéletesen megfelelt a képrögzítés és a PLC-vel való valósidejű szinkronizálás követelményeinek.
Termékkövetés és szinkronizálás
A termékkövetés – ami kulcsfontosságú a rendszerben – precízen monitoroz minden egyes vizsgált terméket attól a pillanattól kezdve, hogy a termék eléri az első ellenőrzési pontot, egészen addig, amíg a terméknek megtörténik a végső csomagolása (ha addig hibásnak minősítve el nem távolítottuk a folyamatból). A követő rendszernek kezelnie kell a feldolgozó gépsor kis sebességváltozásait is, a jelentős maximális sebességet, és tudnia kell a szükséges pontosságot a kamera külső triggerjellel történő szinkronizálásánál.
A LabVIEW FPGA-modult használva, a TIViS-rendszer termékkövetését a PCI-8254R-jelű kártya FPGA-jában valósítottuk meg. A bejövő alapjelet az az információ generálta, hogy az első vizsgálati pontban újabb termék vizsgálata történhet meg. Ennél a pontnál a terméket egy egyedi azonosítóval látta el a rendszer, majd a szükséges késleltetésekkel inicializálja az első kamerát. A PLC-től a rendszer egy hasonló jelet kap a második kamera pozíciójában is. A két pozíció távolságából és a feldolgozó gép sebességéből meghatározható, hogy mikor érkezik egy termék a második kamera elé. A képrögzítés megint csak a kamera külső triggerjelével szinkronizáltan történik. A két kamera vizsgálatának eredményét – az egyedi azonosítóval együtt – visszakapja az FPGA-ban futó program. Abban a pillanatban, amikor a követő rendszer visszakapja a vizsgálat eredményét, a kieső termékek esetében elutasítójelet küld a kitűzött minőség elérése érdekében. A gyártósor nagy sebessége miatt az elutasítójel időzítése kritikus a szomszédos hibátlan termékek légsugaras eltávolításának megelőzése érdekében.
A termékkövető program számos párhuzamos szálon fut, ez pedig lehetővé teszi, hogy azonnal reagáljon a bejövő jelekre és támogassa a valósidejű működést. A Microsoft Windows XP Professional SP2-operációs rendszer alatt futó főalkalmazással való aszinkron kommunikáció miatt a követőprogram nem ismeri a valósidejű alkalmazás paramétereit, ezért optimalizálni kellett a teljesítményét.
Képfeldolgozás, hibaazonosítás és algoritmikus optimalizáció
Speciális megközelítést kellett alkalmaznunk az elvárt termékparaméterek értékelését és az egyedi hibák azonosítását végző algoritmus fejlesztésében. Először is a nagyon gyors képfeldolgozást kellett megoldani (2 × 20 kép/s sebességig). Továbbá a számos értékelendő paraméter komplex képfeldolgozást tett szükségessé. Speciálisan optimalizált algoritmust kellett tervezni bizonyos területekre, mivel az elvárt eredményt nem lehetett elérni szokásos képfeldolgozó eszközökkel.
Koncepciónkban első helyen a megvilágítás optimalizálása szerepelt. A megfelelő ledes megvilágítás kiválasztásával és megtervezésével elértük a termék kulcsfontosságú részein az elegendő kontrasztnövekedést (pl. a szárnyakon és az egyes magokon). E nélkül az optimalizáció nélkül nem tudtuk a szükséges termékjellemzőket is mérni és a kritikus hibákat is azonosítani, pedig éppen ezeket kellett a termelésből kiszűrni.
Minden kamera számára egyedileg, több iterációban fejlesztettük ki az algoritmusokat. A prototípusfejlesztéshez az NI Vision Development Module részét képező NI Vision Assistantprogramot használtuk. A felismerési képességek ellenőrzésére és a szükséges termékjellemzők értékelésére a standard eszközöket használtuk. Egyes algoritmusokat számos alkalommal módosítottunk, hogy növeljük a feldolgozás megbízhatóságát.
Az elkészített prototípust is optimalizáltuk. A könyvtárak standard funkciói és függvényei számos paraméter ilyen komplex értékelésénél nem adtak kielégítő eredményt. Továbbá speciális algoritmusokat kellett fejlesztenünk egyes paraméterek (pl. a szárnyak hajlásának) értékelésére. Ebben az esetben a Houghtranszformáció egy módosított változatát használtuk, amely azonosítja a szárnyak alacsony kontrasztú éleit a háttér előtt, és megállapítja helyüket, hosszukat és szögüket. Az algoritmusok nagyrészét Visual C++-ban újraírtuk és egy DLL-be helyeztük. A fejlesztés alatt a DLL-ben levő forráskódon kívül az OpenCV- és az IPL 2.5-könyvtárat használtuk. Ezzel a megoldással a szükséges, alacsony szintű algoritmusokat Intel Pentium processzorral optimalizáltuk. Számos értékelő- és képfeldolgozó-függvényt (pl. az egyes mintaillesztő és méretező függvényeket) a Vision Development Module könyvtáraiból használtunk.
A LabVIEW és a C++-könyvtár megfelelő kombinációja eredményezte, hogy a megadott termék minőségének teljes értékeléséhez nagyon megbízható és nagyteljesítményű algoritmusokat sikerült kifejlesztenünk.
A TIViS felhasználói felülete és egyéb funkciói
Mivel az alkalmazás (néhány algoritmus kivételével) nagyrészt LabVIEW-ban fut, a programozók elkészíthették a felhasználói felületet. A felhasználói felület fő funkciói a képmegjelenítés, a számított értékek és statisztikai jellemzők megjelenítése, az egyedi terméktípusok vizsgálati paramétereinek beállítása, valamint a rendszerbeállítások. A felületüket ergonomikusnak, jól rendezettnek és könnyen kezelhetőnek terveztük. A fő képernyőt számos részre osztottuk, amiket az egyes funkciók használatához rendeltünk (Online-, Terméklista- és Termékbeállítás-felületek), továbbá beléphettünk az alkalmazás és az FPGA beállításaiba is. Számos vezérlőelemet, valamint állapotinformációt a képernyő felső részén folyamatosan megjelenítünk.
Az Online-felület a termék képét, az eredményeket és statisztikai adatokat tartalmazza. Átfogó összképet ad a vizsgálatról és a hibákról. Nagyon hasznos funkció a kapcsolás a minden termék megjelenítése és az utolsó hibás termék megjelenítése között. Mivel nem volt jellemző a túl sok hiba, emiatt a kezelő folyamatosan megjeleníthette a hibás darabokat, és ezáltal jobb képet kaphatott a gyártás állapotáról. A számított eredményeket különbözőképpen lehet megjeleníteni (pl. táblázatban, bizonyos időintervallum értékeinek grafikonján, hibaarány-grafikonon stb.). Ezek az eredmények a gyártógépek beállítása és a gyártási folyamat stabilitásának fenntartása szempontjából nagyon fontosak a kezelőszemélyzetnek, ami fejleszti a gyártás hatékonyságát és termelékenységét.
A Terméklista-funkcióban adatokat vihetünk fel a különböző terméktípusokhoz tartozó beállításokat tartalmazó adatbázisba. Függetlenül attól, hogy különböző termékeket vagy ugyanannak a terméknek különböző variánsait vizsgáljuk, a TIViS segítségével korlátlan számú tételt definiálhattunk. A vizsgálat beindítását követően egyszerűen kiválaszthatjuk a megfelelő terméket (automatikusan vagy manuálisan), és a kezelőnek nem szükséges nehézkesen beállítani az egyes paramétereket.
A Termékbeállítások-funkcióban határozhatók meg az egyes számított paraméterek feldolgozásához és értékeléséhez szükséges beállítások. A jól rendezett és interaktív beállítófelület online- és offline-módban is futhat. Online-módban a gyártósoron futó termékekről – az alapértelmezett értékek alapján – másodpercenként három képből számítja ki a rendszer a paramétereket. Ily módon a kezelő valós időben módosíthatja a beállításokat anélkül, hogy hatással lenne a termelésre. Ha a kezelő elégedett a paraméterek módosításával, akkor alkalmazhatja őket, és innen kezdve minden termék vizsgálata a módosított beállítások figyelembevételével fog megtörténni. Ha a kezelő nem alkalmazza a módosításokat, akkor az eredeti beállítások maradnak érvényben. Offline-módban a beállításokat az adatbázisban – a számítógép merevlemezén mentett – szabadon választott termék képein végezhetjük el. Ez akkor is lehetséges, miközben a háttérben a vizsgálat teljes kapacitással fut.
A TIViS előnyei
A TIViS-t a legmagasabb szintű vevői igények kielégítésére terveztük, amelyek jelentős értékeket képviselnek az adatfeldolgozás különböző megjelenítő eszközei, illetve funkciói és az archiválás terén. Minden ügyfél számára optimalizált megoldást nyújt, különösen az egyedi terméktípusokhoz kifejlesztett, speciális algoritmusok révén. Ez az a megközelítés, ami lehetővé teszi a maximális megbízhatóság elérését az adatfeldolgozás és értékelés megfelelő sebessége mellett.
A National Instruments eszközeinek használatával a rendszer nyitott a további bővítésekre, az új terméktípusok (gyermekpelenkák, más típusú egészségügyi betétek stb.) miatti funkcionális módosításokra, továbbá a gyártási folyamatmenedzselés, a statisztikai folyamatirányítás, a watchdog-használat (nem kívánt kockázatok figyelése és jelzése) területein történő fejlesztésekre és a más rendszerekkel megvalósuló integrációra.
National Instruments Hungary Kft.
1117 Budapest Neumann J. u. 1/E 2. em. (Infopark E ép.)
Tel.: +36 1 481 1400
Fax: +36 1 203 3490
E-mail:
www.hungary.ni.com
Szakmai tanácsadás: 06 80 204 704
Technikai kérdések:
