基于PLC控制的水果分揀自動線系統設計

李 梅，李雅瓊

（阜陽職業技術學院 工程科技學院，安徽 阜陽236031）

目前我國水果產業在水果產量和品質逐年遞增的情況下，總的收入卻一直提不上來的主要原因是我國的水果產后處理水平不足.與眾多產后處理流程比如上線、清洗、打蠟、烘干等較為容易實現的操作相比較，水果的分揀相對復雜，其技術也是水果產后處理的關鍵.目前的水果分揀技術有的較為簡單無法滿足精細分揀的需要，有的較為復雜，成本較高.筆者介紹的這種新型的基于PLC控制的水果分揀自動線系統使用2種檢測方式，3個機械手，4條傳送帶同時對水果的重量和外部品質進行分揀，提高水果分揀的質量，這在當前以機械式分揀為主要分揀技術的國內，具有一定的經濟和社會價值.［1］

1 系統整體功能

整個系統的總體布局如圖1所示，由供料單元通過供料傳送帶進行供料，在傳送帶1進口處安裝一個傳感器，當傳感器檢測有信號說明傳送帶1上有水果來料，這時傳感器發出信號通知PLC可以控制傳送帶1的電機運行，當水果運行至稱重檢測單元時，稱重傳感器會對水果的重量進行分析計算，由計算的結果發出通知，控制機械手1將一級水果抓舉到傳送帶3，二級水果抓舉到傳送帶2上面，另外一級則隨著傳送帶1運行至包裝1進行包裝.抓舉到傳送帶2和傳送帶3上面的水果，在傳送帶2和傳送帶3進口處的傳感器檢測水果到位后，PLC收到傳感器發出的信號可以控制傳送帶2和傳送帶3的電機運行，當水果進入紅外檢測單元時，對水果的外部品質進行檢測.檢測出來的水果分別由傳送帶2、傳送帶3、機械手2和機械手3分別送至包裝2、3、4、5進行包裝.這樣，通過該自動線系統的分揀，水果將會被分為5個級別，提高了水果分揀的品質，滿足水果分揀的要求.

圖1 水果分揀自動線系統總體布局圖

2 系統硬件設計

和大多數自動生產線一樣，基于PLC控制的水果分揀自動線系統要實現自動生產過程中的控制、運轉、驅動和檢測等功能，其硬件就必須包括以下幾個部分：檢測機構、用于運行的機械本體機構、PLC的CPU、PLC的I/O接口部分以及相應的執行機構等五部分［2］，如圖2所示.

圖2 水果分揀自動線各部分的聯系圖

系統硬件中的傳感器用于檢測自動線上水果的壓力大小（測量重量）、來料的位置等信號信息，將采集的信號交給PLC的CPU等信息處理部件進行分析處理.［3］水果分揀自動線系統的驅動功能是由機械手、電動機等執行部件來實現的，其機械部分是水果分揀自動線的主體部分.因此，水果分揀自動線系統的硬件主要是由傳感器、PLC控制部分、系統的執行機構、PLC相互之間的通信系統等構成，根據原來設定的功能和檢測到的結果進行自動運行.

2.1 PLC控制及系統通信模塊

PLC是整個系統的核心環節，它不僅擔負著對輸入信號進行分析處理和對執行機構進行驅動的重任，還承擔著各個單元之間進行聯機控制的任務.基于PLC控制的水果分揀自動線系統的各個單元之間通過通信的手段實現信息的交換，提高了設備的可控性，實現“集中處理，分散控制”.系統采用S7-200 PLC，它的CPU有兩個端口，分別是端口0和端口1，用來實現CPU之間PPI通信，PPI通信是S7-200默認的通信方式.圖 3是系統的 PPI網絡圖［4］.

圖3 水果分揀自動線系統的PPI網絡圖

2.2 傳感器檢測模塊

系統中的檢測部分是由各類傳感器組成的，主要有用于檢測重量的傳感器、用于檢測位置的傳感器和用于檢測水果外部品質的傳感器.這些傳感器能感受規定的被測量的信息，比如被測的壓力的變化、溫度的變化并將這些信息轉換成方便檢測的電信號進行輸出，就像人的感官器官一樣感覺出外界事物的變化，是系統中的檢測元件［3］.

2.2.1 稱重傳感器

系統采用了電阻應變式傳感器.為了解決環境溫度的影響，這里的電阻應變式傳感器選擇的是可用于皮帶秤的懸臂梁式稱重傳感器JHBL-1［5］.它能夠將水果的重力大小轉化為應變片的拉伸或壓縮的幅度的變化，該變化會改變應變片電阻的大小，然后再由測量電路將應變片電阻的變化轉換成電壓或電流的變化，最后送入顯示或記錄儀來反映或記錄構件材料應力的大小.將電阻值轉化為電壓信號的電路為惠斯登電橋.

2.2.2 光電式接近開關

通常使用的光電式接近開關都是由光發射器和光接收器兩個部分構成的.其中，光發射器發射的光照射到被檢測物體后，光的一部分或者全部會被遮擋或反射，然后由相應電路對光的反射情況進行分析控制，從而檢測物體的有無.對射式、回歸反射式和漫射式是按照光接收器接收光的方式的不同進行分類的 3種光電接近開關類型［4］.

位于傳送帶1、2、3初始位置端，系統用來檢測水果是否到位的光電傳感器是一個可見光光電漫反射式的紅外線M18光電接近開關SYM18J-D50N1，工作時接近開關的光發射器始終發射光線，當傳送帶上沒有水果時，發射器發出去的光不會被反射回光接收器，此時光電開關處于常態，不動作；反之若水果進入到傳送帶上的接近開關的位置時，由于水果的遮擋，發射器發出的光有一部分就會被反射回光接收器，當接收器接受到發射回來的光就會使接近開關動作而改變輸出狀態.當水果進入到傳送帶1、2、3時，傳送帶1、2、3初始位置端的光發射器發出的光線遇到水果會反射回光接收器，光電式接近開關就會輸出信號至PLC的輸入端，使PLC的輸入接口部分的數據發生改變，從而啟動傳送帶，控制傳送帶運轉.

2.2.3 光纖傳感器

水果在經過傳送帶2和傳送帶3的時候會進行第二輪品質的分揀，即外觀品質分揀.一般的外觀品質分揀有兩種方式分別是光電式色澤分選法和計算機圖像處理分選法.由于葉綠素的吸光性，水果的外部顏色的差異導致水果在被一定光照射的時候反射回來的光的波長就不同，這是光電式色澤法分揀水果外部品質的依據.通常會結合傳感器使用，用光電二極管將反射回來的光轉變為電信號，再根據電信號的大小來判別果皮的顏色［5］.本系統采用光纖傳感器作為紅外檢測單元的檢測器件來進行水果外部品質的判別.

如圖4光纖傳感器的電路［6］所示，將一定波長的光通過光纖傳感器的透光元件發出，并傳送至光纖頭照射水果，水果的顏色不同對不同波長的光的反射強度就不同，導致反射光的波長就不一樣，反射出來的不同波長的光經過光纖傳送至受光元件，然后由傳感器的檢測電路部分將不同的反射光信號轉換為電流信號，進而可以通過電路中電流的大小來判斷水果的外觀品質.

圖4 光纖傳感器的電路

2.3 執行機構模塊

在水果分揀自動生產線中，有許多機械運動的控制，比如運動速度的控制、位置的控制、方向的控制、先后順序的控制等，這些控制都是由PLC結合變頻器和觸摸屏等機構通過控制伺服驅動器與伺服電機以及三相異步電動機的運行來完成的.傳送帶1、2、3的運動控制是由三相交流異步電動機拖動，其速度的大小由變頻器來控制.機械手輸送單元的控制由伺服驅動器來完成.

2.3.1 三相異步電動機

三相異步電動機在傳送單元中使用.由變頻器、組態和PLC三者結合通過改變頻率的方式使三相異步電動機具有不同的轉速來配合機械手輸送帶單元的運行速度.圖5是變頻器與三相異步電動機的接線圖.

圖5 變頻器與三相異步電動機的接線圖

2.3.2 伺服電機和伺服驅動器

在水果分揀自動生產線中，采用伺服電機來實現對機械手單元的機械手的運動控制.伺服電機內部的轉子是永久磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，電機自帶的編碼器同時將反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，相應地調整轉子轉動的角度［6］.筆者采用松下MHMD022PIU永磁同步交流伺服電機帶動機械手的運行，驅動器使用的是MADDTl207003全數字交流永磁同步伺服驅動器.

3 系統聯機控制程序設計及組態界面制作

3.1 聯機控制程序設計

系統的軟件程序設計較為單一，這里不再詳述了.作為一個自動線系統，每一個單站單元通過PLC的PPI通信實現系統聯機的控制功能.聯機狀態時有兩點不同之處：①需要等待PLC主站發出的指令；②各個工作站之間要進行實時的數據交換，并由主站的PLC確定程序的流向等.

作為主站，系統聯機運行時，除了要考慮自身的運行以外，還要監控到各站的準備和運行狀態等.具體內容為：每次系統開始運行前，都要檢查各站PLC通信連接情況，調用通信子程序等來完成；每次系統開始運行前，都要檢查系統的工作模式，完成對系統中所有站點的聯機方式的邏輯判斷.也就是說系統啟動前，所有的站點都應該要處于聯機狀態；每次系統開始運行前，在判斷系統中各站是否處于聯機狀態后，還要檢查各站是否在初始狀態，比如機械手是否處于原點位置等，也就是系統中各站的初態檢查和就緒檢查.

3.2 系統組態界面制作

本系統組態監控界面窗口具有下列功能：具有系統的開始、停止和復位信號；具有系統單機和聯機模式切換信號；具有手動輸入變頻器的頻率大小信號的設定，能夠在組態界面中直接設置輸入變頻器頻率；各站和系統運行正常與否指示燈；各工作站運行指示燈、方式選擇信號、故障報警指示等.制作如圖6所示的監控界面，其中左右分別是各單元畫面和全線運行畫面.畫面和元件制作分為新建畫面以及屬性設置、制作文字框圖、狀態指示燈、切換旋鈕、數值輸入框、數據顯示、矩形框等8部分.這里以供料單元組態為例，介紹指示燈的制作設置方法，共分為四步：①單擊插入元件圖標，找出如圖6所示的指示燈，按“確認”按鈕，雙擊指示燈；②在數據對象標簽頁，點擊填充顏色中的右上角的“？”按鈕，從變量選擇中選出“單機/全線_供料”數據對象；③點擊 “”按鈕，在選擇填充顏色標簽頁選擇白色，分別設置分段點0和分段點1的顏色分別為白色和綠色.

圖6 水果分揀自動線系統監控界面

4 結語

基于PLC控制的水果分揀自動線系統使用2種檢測方式，3個機械手，4條傳送帶對水果的重量和外部品質進行分揀，提高水果分揀的品質，達到了根據水果的重量和外部品質進行精細分揀水果的目標.筆者介紹了該系統的設計方法并說明了整個系統的硬件結構及聯機控制和組態監控界面的制作，對水果分揀生產線的推廣應用有一定的研究價值.