为更有效防控新冠疫情，人们无比期待疫苗早日到来。而疫苗等液体药物制剂关乎生命健康，其生产、灌装等环节的品控都极为严苛。在现代化制药企业，通常采用自动化灯检机设备对药瓶进行可见异物检测。
灯检机的检测质量和效率远胜于人工方式，但对检测设备的运动控制系统和视觉系统的精准度和稳定性也要求非常高，对机械控制器性能以及基于人工智能 (Artificial Intelligence，AI) 的机器视觉能力提出了挑战。为帮助制药企业部署高质量的灯检机设备，深圳市汇川技术股份有限公司 (以下简称 “汇川技术”) 凭借其在工业自动化控制领域丰富的经验，与深度合作伙伴英特尔一起，借助英特尔® 赛扬® 处理器、OpenVINO™ 工具套件等先进的软、硬件产品组合蕴藏的出色计算处理能力和 AI 性能优势，打造智能灯检机一站式解决方案，为加速新冠疫苗等生产提供助力。
新的解决方案不仅凭借高性能机械控制器的出色表现，令转塔、摆臂等核心设备组成的运动控制系统能为高清工业相机提供良好、稳定的拍摄窗口，也令 KINOVISION (麒麟) 视觉处理平台实现了对高清图像的快速 AI 推理分析，整个检测流程最快可在 100 毫秒内完成，解决方案的最高运行速度可达每分钟 600 瓶，且可做到零差错分类。1
智能化灯检机，加速疫苗制备的利器
为了应对肆虐的新冠肺炎疫情，多款疫苗的研发已在众多科学家和制药企业的努力下获得突破，并陆续迈入临床试验阶段。抗击疫情的迫切性对疫苗的生产提出了超乎寻常的要求，据预测，要满足每年 4-5 亿人的接种需求，年产量需达到 8-10 亿支2。
在疫苗的生产过程中，需使用安瓿瓶、西林瓶以及预灌针等容器灌装制剂；在制瓶和灌装过程中，有可能会混入玻璃、纤毛、金属屑等杂质，造成药物污染，轻则带来活性药物功效降低，严重甚至会造成医疗事故。对此问题，我国 2015 版《药典》有明确规定，药物制剂中不得检出粒径或长度大于 50 微米的可见异物。
灯检法是制药企业实施异物检测的常用方法。在过去，企业安排视力符合药典标准的操作工在暗室中使用灯检仪对容器进行逐一检查，但人工目测的方式不仅检测效率低，检测质量也更易受到视力、注意力和疲劳度等因素的影响，造成漏检、误检等问题。同时高强度用眼，对员工的视力也会造成损害。
为应对人工检测的种种弊端，近年来自动化灯检机设备在制药企业中获得越来越广泛的应用，也成为自动化制药流程的关键环节之一。如图一所示，灯检机的工作流程可分为进瓶、外观检测、旋瓶、旋瓶急停、内容检测以及分类出瓶六个主要步骤。
这六个步骤主要将由灯检机的运动控制系统和视觉系统来协同完成。如图二所示，其中运行控制系统通过一系列传动装置和逻辑控制模块，如传送带、摆臂、转塔等来实现进瓶、旋瓶、出瓶、分类等功能；而视觉系统由外观视觉检测模块和异物视觉检测模块组成，负责判定检测结果。运动控制系统和视觉系统之间，一般通过通讯总线来进行协同交互。
更快更准的检测需求，对系统提出更高挑战
与人工目测相比，灯检机在检测速度和质量上都有了质的飞跃。在检测速度上，人工方式每分钟只能检测数十瓶药剂，而灯检机则能达到每分钟数百瓶，提升十倍以上；而在检测质量上，基于高清工业相机和 AI 能力构建的视觉系统，摒除了人工模式的存在的疲劳、分心等因素影响，能够做检出和分类零差错。
但更快更准的检测也对灯检机设备的运动控制系统和视觉系统提出了高要求，简而言之，要 “更快”，就要灯检机能提供高速检测、分类能力，具备每分钟数百瓶的检测速度，意味着从旋瓶电机启动到摆臂到位、再到图像获取、实施机器视觉检测的全流程必须控制在毫秒级。因此，一系列的启动、加速、稳速、减速、停止过程，都需要相应的伺服控制系统做出精准的控制。
一般地，置于转塔上的药瓶在离心状态下更易检出杂质，所以灯检机会通过转塔的连续运行来获得离心状态。当瓶体进入异物检测区域时，灯检机则需要通过摆臂运动，使瓶体从旋瓶状态进入急停状态，供安置在摆臂上的高清工业相机进行拍照。这其中，如图三所示，相机和光源被固定在摆臂上，而被检物则固定于转塔上。因此在系统运行中，若想得到用于视觉检测的清晰照片，相机触发拍照的时机必须控制在与被检物相对速度为零的时刻，这就要 “更准”。
在有限的时间窗口，系统要实现对摆臂更准的控制，一方面，意味着在不同的速度下，相机拍摄的被检物位置每次基本相同，不越出拍照区域造成漏检；另一方面，在摆臂高速的往复运行中，系统需要在保证更小的振动来提升拍摄清晰度。
面对以上需求，制药企业如果分别采购传动设备、伺服系统和视觉检测设备，无疑会面临系统间的协同问题。在有效拍摄、检测识别窗口仅仅只有几十毫秒的情况下，系统间的微小失步，都可能造成连续的漏检。但要在单一设备中实现以上全部能力也并非易事。首先，只有当各设备间的同步周期达到毫秒级，才能实现转塔、摆臂等设备的精准同步，这需要控制器具备更强劲的计算处理能力；其次，药瓶中可见异物的检测，也需要在几十毫秒内就完成，这对视觉系统的算法和算力提出了更大挑战。
为帮助制药企业获得更高效的液体药物制剂检测能力，从而为新冠疫苗的高质量、快速制备提供坚实基础，长期耕耘于工业自动化领域的汇川技术与英特尔一起，以基于英特尔® 赛扬® 处理器和英特尔® 工业边缘控制平台的 AC801 机械控制器为核心，结合基于英特尔® 酷睿™ 处理器以及 OpenVINO™ 工具套件的 KINOVISION (麒麟) 视觉控制器平台，打造一站式、智能化的灯检机解决方案。
汇川技术打造一站式智能化灯检机解决方案
如图四所示，汇川技术灯检机整体解决方案由 AC801 高性能智能机械控制器、KINOVISION 工业视觉控制器、IT7000 高性能 HMI 平台，以及一系列由 SV660N 总线伺服器与高性能电机构成的模块组成。
其中，由英特尔® 赛扬™ 处理器提供计算处理能力，并结合英特尔® 工业边缘控制平台打造的 AC801 高性能智能机械控制器，一方面集成了 EtherCAT 总线，使得最大主站带轴能力达 48 轴，总线同步周期可达 1 毫秒；另一方面支持 EtherNet/IP、OPC/UA、ModbusTCP 等多种通信协议，方便用户构建多层次网络，配合 SV660N 总线伺服器等设备，能实现灯检系统各模块的快速响应和协同。
另外，作为英特尔在工控领域的算力先锋，英特尔® 赛扬™ 处理器不仅具备强劲算力，而且支持 DDR4，能够以优化的 I/O 和内存选项来助力用户更快地传输数据，同时还提供了一系列安全技术来保障系统的高可用性。
此外，与 AC801 控制器相配套的 SV660N 高性能伺服器和高精度 DDR (直接驱动旋转) 电机，具备高响应、高精度、低抖动和易调试等特性，让灯检机控制精度更高、作业过程更稳定。值得一提的是，在该方案中，DDR 电机的负载连接面轴向、径向跳动可低至 5 微米，能为灯检机定制更高转矩的摆臂工位。
通过上述设备的协同工作，新方案中的灯检机能让摆臂在高速往复运行中获得更长的同步区，并通过最小加速度的设计来减小振动，从而让速度更稳定，为置于摆臂上的高清工业相机提供了更长的拍摄窗口，有助于获得清晰的被检物图像，供视觉检测使用。
在视觉检测流程中，汇川技术为解决方案提供了高效的视觉处理平台，其核心的 KINOVISION (麒麟) 视觉控制器能在边缘侧对被检物图像进行实时推理运算，与获得精确、高效地获得检测结果，并根据疫苗等药剂的质量状况实施快速分类。
如图五所示，视觉处理平台不仅以英特尔处理器为推理过程提供强劲算力，还通过 OpenVINO™ 工具套件的引入，大幅提升平台中 AI 模型的推理效率。作为英特尔面向高性能计算机视觉和深度学习应用推出的快速开发工具包，OpenVINO™ 工具套件除对传统 OpenCV、OpenCL™ 图像处理库的指令集进行了全方位优化外，还融合了优化视觉库 (Photography Vision Library) 以及英特尔® Media SDK 等组件，并通过内置英特尔® 深度学习部署工具 (Intel® Deep Learning Deployment Toolkit, 英特尔® DLDT) 来有效提升推理速度，为灯检机整体解决方案提供了高效、可靠的异物检测能力。
成果与展望
现在，汇川技术基于英特尔® 赛扬® 处理器、OpenVINO™ 工具套件等先进软硬件产品与技术所打造的一站式智能化灯检机解决方案，已实现了落地部署，并在多个应用中取得了显著成效，包括 1：
• 更快的检测效率：检测速度最高可达 600 瓶每分钟 (速度与被检物容量有关)；
• 更好的运行稳定性：同一速度下，被检物拍摄位置抖动不超过 8 像素；不同速度下，被检物拍摄位置不超出拍摄区域；
• 更高的检测质量：良好的运行稳定性和高效的视觉检测能力，为用户带来零差错的分瓶准确性。
在新冠疫情依然蔓延的今天，汇川技术正与英特尔一起，以先进的信息化与工控技术为抓手，借助自身丰富的自动化平台产品以及工艺算法，为高品质疫苗的快速生产提供更多可能，助力制药企业与时间赛跑，为早日战胜病毒贡献自己的力量。面向未来，汇川技术还计划与英特尔在更多领域开展深入合作，采用更多先进软硬件产品与技术，提升数据处理和 AI 能力，推进制造业的工作负载整合，助力企业加速智能化转型。
英特尔® 工业边缘控制平台 (Intel® Edge Controls for Industrial, Intel® ECS)
• 英特尔开发的英特尔® ECS 可帮助客户加速工业控制系统朝软件定义和自主系统转变的步伐。它是一个集成了实时计算、基于标准的连接、安全功能、虚拟化技术和类 IT 管理的参考平台。
• ECS 可在虚拟化和容器化环境中为独立流程用例提供实时控制，并能在虚拟化环境中实现工作负载整合，带来 IT 灵活性和 OT 可靠性。ECS 支持多个系统管理程序 (RTS、KVM、ACRN)， 其针对的是能够提供异构操作系统支持的多级控制层。
• 预先设计的管理和安全功能可为工业控制应用提供出色的创新和优化。
关于汇川技术
成立于 2003 年的深圳汇川技术股份有限公司 (SZ.300124) 是中国工业自动化控制与驱动技术领域的佼佼者，也是集驱动、控制、电机、精密机械为一体的光机电综合产品及伺服系统供应商。公司总部位于深圳，生产基地位于苏州，并在全球 20 多个国家和地区设有常驻机构和服务中心。公司专注于工业自动化控制、电机驱动、工业网络通信等技术，业务覆盖工业自动化、新能源、工业机器人等领域。汇川技术深度了解各行各业在制造升级中的需求，持续提供卓越的整体解决方案和定制化的行业标杆产品，力求为客户创造更多价值。