福橘大小自動分選控制系統的設計與實現

劉現 李傳輝 黃語燕 蔡淑芳

摘?要：為了降低福橘分選的勞動力成本，提高分選效率和精度，以維控LEVI777A型觸摸屏為人機界面，臺達DVP12SA211T可編程控制器為控制核心，構建了一套基于機器視覺的福橘大小自動分選控制系統。該系統運行穩定、操作簡便、人機界面友好，實現了福橘的自動化分選，有效提高了分選的精度與效率，降低了勞動力成本，具有良好的科研和經濟價值。

關鍵詞：福橘;分選;系統

福橘是我國橘類中上品，同時也是福州市的市果和傳統名果[1]，果實呈扁圓形，色澤朱紅，鮮艷可人，栽培歷史悠久，久負盛譽[2]。福橘在農歷春節前后上市，由于色澤鮮紅、皮薄汁多、果香汁甜、甜酸適口，又與“福、吉”諧音，寓納福招吉、福壽吉祥之意，備受群眾喜愛，成為春節果品種的重要角色。

水果分選是水果采后加工一個十分重要的環節，它可以使水果在銷售時具有較高的均勻度，從而更加吸引消費者，以提高其經濟價值。發達國家的經驗表明，水果產值大部分是由采后處理和加工創造出來的[3]。目前，福橘分選大多采用人工挑揀方法，該方法勞動強度大，分選成本高，容易受人為主觀因素影響，分選誤差大，工作效率低[4]。機械分級法一般從大小、重量等方面對水果加以分級，分級時容易對水果造成損傷，常用的設備有果徑大小分級機、果實質量分級機。葛紀帥等[5]設計了一種基于智能稱重可用于多種類球型水果實時、動態檢測的分級生產線。機器視覺技術又稱為計算機視覺技術，是一門涉及人工智能、計算機科學、圖像處理等多個領域的交叉學科[6]，利用其對水果加以分級具有客觀、無損、自動、高效等優點[7]，已經在蘋果、梨、臍橙等水果的分選上得到廣泛的應用。馮斌等[8]通過機器視覺技術獲取水果的圖像并檢測水果的大小;劉新庭等[9]設計了一套基于圖像處理的蘋果大小分選系統，分選的準確率為96.67%。

為了大幅提高福橘分選效率和精度，提升其在產后加工階段的經濟價值，本課題組設計了一套福橘自動分選控制系統，基于機器視覺技術實現福橘大小的自動分選，大幅提高了分選的工作效率，降低了勞動力成本，增加了果農的收入，具有良好的經濟效益。

1?系統硬件設計

1.1?系統硬件結構

水果分選機上配置有圖像采集裝置，依據水果的圖像采用機器視覺技術進行大小分選。分選機通常由上果段、分選段和分果出口段組成。在上果階段，系統開啟時由PLC控制電機的開啟來帶動傳送鏈條轉動，負責上果的工作人員往自動上果機的上果臺上倒入福橘，自動上果機將福橘運送至水果分選機的果盤中，分選機輸送鏈條承載著果盤均勻地向前輸送，分選階段是最為關鍵的一個階段。工作人員事先在觸摸屏人機界面上配置好每個等級的大小分選區間等參數，這些參數保存在觸摸屏中。系統開啟后，PLC通過RS485讀取觸摸屏上的參數信息，待裝載著福橘的果盤向前輸送到達圖像采集位置時觸發圖像采集裝置內的相機進行圖像采集，采集到的福橘圖像傳輸至上位機中，上位機基于福橘的圖像采用機器視覺技術進行大小檢測，檢測結果傳送至PLC上，PLC與預先在觸摸屏上設定的大小分選區間參數進行比較，確認此福橘的大小等級，PLC將等級信息保存于其存儲空間中以便在分果段進行正確分果，同時系統安裝有重量傳感器，記錄重量信息，以便用戶統計分析分選的數據。在分果階段，PLC調用存儲在其中的等級信息，當所對應的果盤到達等級信息相應的分果槽時，PLC控制輸出驅動板，驅動板驅動電磁推桿動作，使果盤發生傾斜，福橘順勢滾入果槽中完成分選。

1.2?電氣控制

控制系統以觸摸屏為人機界面，PLC為控制核心，觸摸屏和PLC之間通過RS485進行通信，系統內部安裝DC24V開關電源，執行機構包括電機和用于分果的電磁推桿，傳感器部分為稱重傳感器，用于記錄重量數據，以便用戶統計分析，安全部分為總開漏保。

2?系統軟件設計

本系統以LEVI777A觸摸屏為人機界面，臺達DVP12SA211T PLC為控制核心進行構建。開發環境基于Windows的中文操作系統，采用維控公司開發的LEVIStudio組態軟件和臺達梯形圖編程軟件WPLSoft。系統實現了福橘的大小自動化分選，主要功能模塊包括實時狀態、分級統計、參數設置、報警查詢、密碼修改、手動調試等。

2.1?實時狀態

用戶可在觸摸屏上查看當前的實時分選結果，可以查看各個等級果分選的個數。

2.2?分級統計

系統具備對分選數據進行分析統計的功能，提高數據直觀性和可讀性，便于用戶了解分選的效率。分級統計包括當日累計、階段累計、歷史累計以及趨勢分布4種功能。當日累計具備統計分析當日1 d的分級數據的功能，包括統計各個等級果的分級個數、個數相應的占比和重量數據;階段累計具備統計分析指定起始日至當天的分級數據的功能;歷史累計具備統計分析歷史分級數據的功能，按歷史天數累計;趨勢分布包括趨勢統計圖和統計餅圖，是依據階段統計數據而生成的，便于用戶更直觀的分析和查看分級數據。

2.3?參數設置

參數設置是一個十分重要的功能。每個出口參數可以按照用戶需求依次設置，例如：“1～5號出果口”分別設置成：特大果、大果、中果、小果、特小果，則在1～5號出果口分選出來的分別是特大果、大果、中果、小果、特小果。

2.4?報警查詢

在觸摸屏報警信息界面上可以查看系統的報警記錄，用戶需定期查看，以便及時發現問題。

2.5?密碼修改

出于安全性考慮，系統提供了密碼修改的功能。不同級別的用戶擁有其設定的私人密碼，進入系統時需要輸入密碼登錄后方可正常使用該系統。

2.6?手動調試

用戶可通過開啟手動調試功能人為地對某個組件進行調試，檢測其功能是否正常。

3?實現結果

系統投入使用后，運行穩定，人機界面友好，操作便捷，能夠實現實時狀態、分級統計、參數設置、報警查詢、密碼修改、手動調試等功能，有效地滿足了福橘大小自動化分選的實際生產需求。

4?結語

水果產后處理直接關系到水果的包裝、運輸、貯藏和銷售，對水果的經濟價值產生重要的影響。西方發達國家水果產后處理的比例高達80%～90%，已經基本實現了水果分選的機械化與自動化，我國水果產后分選以半機械化甚至手工分選為主，機械化處理比例還不到5%[10]。因此，研究水果分選技術以及開發自動化的水果分選機具有重要的社會經濟意義。本研究基于機器視覺技術，設計并實現了福橘大小自動分選控制系統，提高了分選的精度與效率，有效提升了福橘在產后加工階段的經濟價值，增加了果農的收入，產生了良好的經濟效益，值得推廣應用。

參考文獻：

[1]王琦，高慧穎.利用茂谷橘橙異花授粉提高福橘果實品質[J].福建農業學報，2015，30（7）：662-666.

[2]肖家沂.福橘的人文特色與藥材辨析[J].中國民族民間醫藥雜志，2012，21（24）：60-60.

[3]張方明，應義斌.水果分級機器人關鍵技術的研究和發展[J].機器人技術與應用，2004，91（1）：33-37.

[4]林開顏，吳軍輝.基于計算機視覺的水果分級技術研究進展[J].信息化縱橫，2009（10）：1-4.

[5]葛紀帥，趙春江，黃文倩，等.基于智能稱重的水果分級生產線設計[J].農機化研究，2012（1）：126-129.

[6]黎萍，朱軍燕，劉燕德，等.機器視覺在農產品檢測與分級中的應用與展望[J].江西農業大學學報，2005，27（5）：796-800.

[7]應義斌，饒秀勤，趙勻，等.機器視覺技術在農產品品質自動識別中的應用[J].農業工程學報，2000，16（3）：4-8.

[8]馮斌，汪懋華.基于計算機視覺的水果大小檢測方法[J].農業機械學報，2003，34（1）：73-75.

[9]劉新庭，匡迎春，陳熵，等.基于最小外接圓直徑的蘋果分級研究[J].中國農學通報，2015，31（20）：239-243.

[10]孫學巖.基于LabVIEW的稱重式水果分選機測控系統[J].安徽農業科學，2010，38（25）：13843-13844.

（責任編輯：柯文輝）