基于PLC的蘋果自動分級系統設計＊

劉哲文，王祥傲，汪先兵，梅鑫劍

基于PLC的蘋果自動分級系統設計＊

劉哲文，王祥傲，汪先兵，梅鑫劍

（滁州學院 機械與電氣工程學院，安徽 滁州 239000）

中國作為農產品生產大國，每年蘋果生產總量很大。而對于蘋果的分級，主要依靠人力進行，效率低下，因此設計自動分級系統對提高市場競爭力及縮減成本有重要意義。該系統通過PLC控制驅動器對電機進行驅動，實現尾部機械夾具的運動，通過舵機的正反轉控制機械夾具的夾取與放置，利用光電傳感技術對蘋果進行三維參數的識別。使用LabVIEW設計上位機監控軟件，通過串口與PLC進行數據交互，將現場的運行參數及機械臂各軸的運行數據呈現在監控軟件的人機交互端，并具有報表統計功能。實驗結果顯示，該系統能快速、準確地完成對蘋果自動分級處理，降低人工成本，具有一定的實用意義。

自動分級；PLC；光電傳感技術；LabVIEW

中國作為農產品生產大國，每年的蘋果生產總量穩居世界前列[1]，對促進農業發展、提高農民收入、擴大城鄉地區的經濟發展、改造生態環境等問題作出了積極貢獻。但因中國商品化理念落后，對蘋果的分級處理仍舊采用傳統的人工操作，這樣不僅耗費了大量的人力物力，同時也提高了成本，并且效率低下，導致蘋果的國際競爭力相對于其他大國來說較小。

針對此問題，劉忠超等人提出建立高效的自動化分級體系[1]。本系統利用西門子S7-1200 PLC和LabVIEW設計蘋果自動分級系統，包含自動化分級裝箱及實時監控功能，降低了產業的成本和工人工作強度，提高了國際競爭力。

1 整體方案設計

本系統總體由運動傳送裝置、三維參數測量裝置、執行裝置、PLC中控系統及上位機監控系統組成。系統工作原理如圖1所示。運動傳送裝置由傳送帶、直流電機組成，三維參數測量裝置由光電傳感器將檢測到的信號傳遞給PLC的輸入端[2]，由PLC中控系統進行數據的計算、處理并通過串口通訊技術將處理的信息傳遞給LabVIEW編寫的上位機監控系統，同時控制輸出端的信號驅動執行裝置的機械夾具、舵機、步進電機滑臺等裝置對蘋果進行分級篩選，把不同等級的蘋果裝入分級箱中，以此完成蘋果自動分級的處理[3]。

2 系統硬件組成

本系統使用西門子S7-1200 PLC作為控制的核心，DI口采集放置在不同方位的光電傳感器信號狀態以計算物體的三維參數，判斷當前物體為某一級別后，通過內部集成的高速脈沖發生器發送PTO信號[4]，通過DQ口輸出脈沖及方向信號控制步進電機電機驅動器，進而驅動軸、軸、軸方向電機進行正反轉運動將夾具運送到目標點進行夾取與放置操作。上位機監控系統由LabVIEW進行監控軟件的設計。利用PC與西門子S7-1200 PLC的以太網連接，使用封裝在西門子PLC內部的開放式通訊協議，結合LabVIEW的VISA（虛擬儀器軟件體系結構）串口連接，既可實現上位機對PLC信號的采集、讀寫與顯示[5]，又可避免接入計算機的其他儀器產生干擾。

圖1 自動分級系統

控制器采用西門子S7-1200 1214C DC/DC/DC型PLC，由24 V電壓供電，各軸的左右限位開關接于DI0.0～0.5端子上，用于測量蘋果三維參數的光電傳感器接在DI0.6～1.0端子上，DQ0.0～0.5端子提供三軸的脈沖及方向輸出，用于控制電機的正反轉及速度，精準快速地將機械夾具移送到目標位置，DQ0.6端子控制機械夾具夾取、放置物體，DQ0.7端子控制傳送帶的啟動與停止。硬件接線如圖2所示。

3 軟件設計

作為控制系統核心的PLC執行自動化系統信息的采集、計算及向上位機傳輸數據的功能。

圖2 硬件接線圖

程序流程：PLC上電運行，啟動傳送帶將蘋果運送至三維參數測量裝置，PLC采集裝置中的傳感器信號，并將數據上傳至上位機中，經過計算、判斷為蘋果進行分級，控制電機、機械夾具將蘋果放入對應分級箱后，進行下一個周期的運行。

通過寫入PLC內部的程序可對蘋果進行分級，PLC內部的數據存儲區從DI口讀取光電傳感器信號進行蘋果三維參數的測量，計算三個光電傳感器從檢測到物體到物體離開的時間，乘以傳送帶的速度可大致判斷出物體的三維參數，將測量出的參數進行模糊處理后大致分為三個等級，以此完成物體的自動分級。

上位機監控系統在LabVIEW后面板中建立VISA串口與PLC進行數據交互，從PLC的地址中讀取數據，利用VISA Read、VISA Write函數讀寫PLC的數值，寫入控件完成上下限參數的設置，前面板中由圖形信息直觀表現出系統的組成結構，顯示控件呈現系統完成任務的數量及蘋果的分級情況，最后將各數據匯總由波形圖進行記錄與顯示。

4 實驗測試

選取大小不同的200個蘋果平均分成兩組，一組采用蘋果自動分級系統進行篩選，另一組通過人工的方式進行篩選，經過測試，兩組對比的實驗數據如表1所示。

表1 自動分級與人工分級的效果對比

方式自動分級系統人工分級 用時/s4553 損傷率/（%）310 誤差/（%）215

由實驗結果可看出，本系統能快速準確地對蘋果進行自動分揀，有效降低蘋果分揀過程中的損傷率，且分揀誤差遠小于人工操作。因此，本設計可以降低蘋果的分級成本，對提升中國蘋果種植產業的市場競爭力具有一定的現實意義。

［1］劉忠超，劉勇軍，常有周.基于S7-300 PLC和Matlab的蘋果自動分級系統設計［J］.江蘇農業科學，2018，46（14）：197-200.

［2］沈燦鋼.自動物料分揀裝置的設計與實現［J］.數字技術與應用，2014（9）：148-150.

［3］王璇，劉軍弟，邵礫群，等.我國蘋果產業年度發展狀況及其趨勢與建議［J］.中國果樹，2018（3）：101-104.

［4］張旭輝.基于PC的步進電機多軸運動控制策略研究［J］.機床與液壓，2004（8）：55-56.

［5］陳剛.基于LabVIEW的多點溫度監測系統的設計［J］.民營科技，2013（12）：4.

TP23

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.009

2095－6835（2019）19－0027－02

劉哲文（1998—），男，安徽阜陽人，本科，學生，研究方向為工業自動化。

王祥傲（1983—），安徽滁州人，碩士，講師，研究方向為電氣自動化。

滁州學院大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201810377010、201810377012）；滁州學院課程綜合改革項目（編號：2016kcgg030）

〔編輯：王霞