機(jī)器學(xué)習(xí)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

倍福中國(guó)

在中國(guó)任意規(guī)模的食品商店和超市中，幾乎都可以看到方便面的身影。國(guó)內(nèi)一家大型方便面制造商為了減少帶有封包瑕疵的產(chǎn)品流入市場(chǎng)，降低客戶(hù)對(duì)包裝瑕疵的投訴率，決定使用包括 TwinCAT 機(jī)器學(xué)習(xí)產(chǎn)品在內(nèi)的倍福控制技術(shù)，使其方便面外包裝質(zhì)量可以得到實(shí)時(shí)可靠的智能化檢測(cè)。

天津豐昱菱控機(jī)電設(shè)備有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：天津豐昱）是一家專(zhuān)注工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的系統(tǒng)集成商，與中國(guó)最大的快捷食品和飲品生產(chǎn)企業(yè)之一簽訂合同，為其提供最先進(jìn)的包裝檢測(cè)系統(tǒng)。這家食品制造商擁有世界上產(chǎn)能最大的方便面生產(chǎn)線(xiàn)，每條生產(chǎn)線(xiàn)的平均產(chǎn)量可達(dá)每分鐘 500 包，年總產(chǎn)量高達(dá) 48 億包。

包裝并封口是方便面生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于袋裝方便面來(lái)說(shuō)，其包裝袋內(nèi)通常裝有面餅，以及若干裝有干調(diào)料、調(diào)味醬和脫水蔬菜等佐料的獨(dú)立小包裝袋。在包裝生產(chǎn)線(xiàn)上，這些獨(dú)立包裝的一袋袋小調(diào)料包先會(huì)被有序地放置在流水線(xiàn)上高速運(yùn)動(dòng)的面餅上，再一起進(jìn)入橫切封包機(jī)進(jìn)行包裝和封口等工作。

在生產(chǎn)的過(guò)程中，總會(huì)因?yàn)楦鞣N不可控的因素，出現(xiàn)小調(diào)料包掉落在兩個(gè)面餅之間，被切刀一分為二，分裝在前后兩袋方便面中的情況。而由此生產(chǎn)出來(lái)的瑕疵品會(huì)引起消費(fèi)者投訴，讓生產(chǎn)廠(chǎng)家聲譽(yù)受損。

因此，生產(chǎn)廠(chǎng)家為了降低客訴率，就必須想辦法減少瑕疵品的流出。為了盡可能地阻止瑕疵品流入市場(chǎng)，方便面生產(chǎn)商使用了延遲時(shí)間非常短的全自動(dòng)質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備。天津豐昱在這個(gè)項(xiàng)目中幫助最終用戶(hù)快速實(shí)施了高性能的質(zhì)量控制系統(tǒng)。

他們先研究了封包機(jī)的機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)。據(jù)天津豐昱介紹，在這個(gè)過(guò)程中他們發(fā)現(xiàn)，由于倍福產(chǎn)品和技術(shù)具有良好的開(kāi)放性和靈活性，非常適合用于采集所需的分析數(shù)據(jù)。他們?cè)诜獍鼨C(jī)內(nèi)安裝了幾個(gè)傳感器，并利用 TwinCAT Scope View 快速而方便地采集到第一批數(shù)據(jù)，以進(jìn)行樣機(jī)分析。

通過(guò)隨后的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)切刀切中調(diào)味包時(shí)，在采集的數(shù)據(jù)中會(huì)觀測(cè)到一定的擾動(dòng)。然而，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，使用傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法無(wú)法可靠地檢測(cè)出造成瑕疵品的擾動(dòng)因素。因?yàn)檫@里需要考慮一些不確定性因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響，如震動(dòng)、包裝材質(zhì)的變化、傳送帶的速度變化和切刀應(yīng)力的變化，等等。此分析應(yīng)用要求非常嚴(yán)苛，因此，天津豐昱決定使用 TwinCAT 機(jī)器學(xué)習(xí)軟件來(lái)解決這一難題。

一、機(jī)器學(xué)習(xí)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

瑕疵品檢測(cè)的實(shí)質(zhì)就是使用分類(lèi)器把無(wú)瑕疵和有瑕疵的產(chǎn)品區(qū)分開(kāi)來(lái)。如果使用基于 ML 的分類(lèi)器，需要基于樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練一個(gè)數(shù)學(xué)模型，從而無(wú)需顯式編程就能做出正確的決策。

倍?？梢蕴峁└鞣N工具和開(kāi)放接口，支持從數(shù)據(jù)采集和模型訓(xùn)練，到將調(diào)整好的模型直接部署到控制系統(tǒng)中等整個(gè)工程周期：

1、數(shù)據(jù)采集：

數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量對(duì)采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用場(chǎng)景具有決定性的影響。倍福 I/O 模塊和軟件產(chǎn)品種類(lèi)繁多，幾乎可以滿(mǎn)足采集任何種類(lèi)數(shù)據(jù)的要求。TwinCAT 軟件中的各種功能插件，如 Scope View、Database Server、Data Agent 和 Analytics Logger 等工具可以采集并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到工業(yè) PC、本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)或者云端。

2、模型訓(xùn)練：

通常需要先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)分析或預(yù)處理，以期找到這些原始數(shù)據(jù)與期望結(jié)果的關(guān)聯(lián)性，或加強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。然后再選擇一個(gè)合適的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，并設(shè)置超參數(shù)訓(xùn)練模型。倍福推薦使用如 PyTorch、Keras、Scikit-learn等開(kāi)放的機(jī)器學(xué)習(xí)框架進(jìn)行模型訓(xùn)練。最后，將訓(xùn)練好的模型保存為 ONNX（開(kāi)放神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換格式文件）標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交換格式的文件。onNX 文件描述了訓(xùn)練好的模型的運(yùn)算和參數(shù)，然后可以轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制格式（BML）文件，更適合在 TwinCAT 中進(jìn)行序列化（即加載執(zhí)行）。

3、模型部署：

針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)（TF3800 和 TF3810）的 TwinCAT Runtime 環(huán)境，可以將訓(xùn)練好的模型文件（BML 格式）動(dòng)態(tài)加載到控制器中，模型可以在控制器中實(shí)時(shí)運(yùn)行，其執(zhí)行周期小于 1 ms。這樣可以直接處理推理結(jié)果（執(zhí)行訓(xùn)練好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型），并通過(guò)超高速 EtherCAT 通訊系統(tǒng)傳輸給輸出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

這次方便面生產(chǎn)線(xiàn)的瑕疵品識(shí)別完全依照這三步法進(jìn)行實(shí)施。

首先，使用倍福的EL1xxx 或 EL3xxx EtherCAT 數(shù)字量和模擬量輸入端子模塊結(jié)合 TwinCAT Scope View 采集傳感器數(shù)據(jù)。然后使用開(kāi)源的學(xué)習(xí)框架 Scikit-learn 訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型，并生成模型描述文件。控制系統(tǒng)中的TwinCAT Condition Monitoring可以預(yù)處理傳感器數(shù)據(jù)。然后再轉(zhuǎn)換成BML 文件，最后將該文件部署到一臺(tái)CX51xx 嵌入式控制器上運(yùn)行，借助TwinCAT Machine Learning Runtime 對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，再將推理結(jié)果經(jīng)過(guò)EL2xxx系列EtherCAT輸出量端子模塊，實(shí)時(shí)剔除瑕疵品。

據(jù)天津豐昱介紹，倍福控制技術(shù)具備系統(tǒng)開(kāi)放性?xún)?yōu)勢(shì)，可以非常輕松地與生產(chǎn)線(xiàn)上現(xiàn)有的第三方主控系統(tǒng)集成 。

二、開(kāi)放式平臺(tái)助力縮短ML算法的開(kāi)發(fā)周期

此外，開(kāi)放的 TwinCAT 平臺(tái)可以有效驗(yàn)證算法，而無(wú)需直接訪(fǎng)問(wèn)機(jī)器。在模型訓(xùn)練開(kāi)始前，生產(chǎn)設(shè)備上記錄的數(shù)據(jù)被分成訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)。先利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練 ML 模型。然后在訓(xùn)練環(huán)境中使用測(cè)試數(shù)據(jù)，以測(cè)試訓(xùn)練好的模型在未知數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)如何。

在成功移植數(shù)據(jù)預(yù)處理算法和ML算法到TwinCAT 中后，就可以進(jìn)行算法驗(yàn)證。代碼在測(cè)試系統(tǒng)或?qū)嶋H使用的嵌入式控制器或工業(yè) PC 上執(zhí)行，驗(yàn)證數(shù)據(jù)集通過(guò) TwinCAT Database Server 功能流式傳輸給 TwinCAT 實(shí)時(shí)環(huán)境，以用作虛擬數(shù)據(jù)源。采用與現(xiàn)場(chǎng)傳感器相同的采樣頻率從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)，因此可以?xún)?yōu)化模擬最終客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景。從生產(chǎn)設(shè)備采集到的新數(shù)據(jù)集在測(cè)試環(huán)境中可以用于挖掘各種應(yīng)用場(chǎng)景。最后，利用測(cè)試數(shù)據(jù)調(diào)試嵌入式控制器上的 ML 算法，對(duì)其進(jìn)行分析，以確保準(zhǔn)確可靠地執(zhí)行ML算法。

利用開(kāi)放的 TwinCAT 平臺(tái)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證 ML 算法，有效地避免了在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不必要的 ML 算法調(diào)試，從而顯著縮短了算法的開(kāi)發(fā)周期。天津豐昱強(qiáng)調(diào)，正是由于此原因，該合作項(xiàng)目的進(jìn)展幾乎未受到新冠肺炎疫情的影響。

TwinCAT 的多任務(wù)多核處理功能既保證了多個(gè) PLC 任務(wù)可在嵌入式控制器的多個(gè)處理器核中可靠執(zhí)行，又保證了多個(gè) PLC 任務(wù)之間可靠的數(shù)據(jù)交換。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這些功能只需要簡(jiǎn)單的配置和調(diào)用現(xiàn)成的 PLC 功能塊來(lái)完成，開(kāi)發(fā)成本低。在方便面生產(chǎn)項(xiàng)目中，通過(guò)采用兩個(gè) PLC 任務(wù)和兩個(gè)處理器核，可靠實(shí)現(xiàn)了上述 ML 的兩步執(zhí)行算法。

三、機(jī)器學(xué)習(xí)和基于 PC 的控制技術(shù)顯著減少工作量

通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法和數(shù)據(jù)挖掘，可以更快、更有效地解決生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題，從而降低研發(fā)成本。天津豐昱方便面生產(chǎn)線(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)證明，TwinCAT 機(jī)器學(xué)習(xí)在異常檢測(cè)方面優(yōu)于傳統(tǒng)的工程方法。借助倍福開(kāi)放的 TwinCAT 平臺(tái)，數(shù)據(jù)采集、訓(xùn)練和 ML 推理這一完整流程可以在客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。截止到 2020 年底，該質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備已在最終客戶(hù)的多條生產(chǎn)線(xiàn)上測(cè)試運(yùn)行了近 4 個(gè)月，期間沒(méi)有任何人為干預(yù)。最終客戶(hù)反饋：由于采用了倍福的開(kāi)放式解決方案，可以在不修改現(xiàn)有主控制系統(tǒng)的情況下實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)；異常包裝可以得到及時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別，從而達(dá)到了降低客訴率的目的。