柑橘自動分揀機的控制系統設計

陳 濤,高自成,李立君,王遠嵩

中南林業科技大學機電工程學院,湖南 長沙410004

近年來，自動化技術在工業各個領域得到了廣泛應用，柑橘領域是自動分揀技術應用中最重要及最廣泛的領域之一[1]。隨著科技進步，國內水果分級技術迅速發展，籍保平、李永華提出了在對水果圖像進行形狀和尺寸識別時，首先通過中值濾波和閡值法去除圖片中的噪音和背景信息，并轉換成二值圖像，然后邊緣提取。最后針對邊緣進行快速傅利葉變換來提取包含形狀和尺寸信息的傅利葉系數，用來作為分級標準[2-5]，為水果自動分揀提供了理論依據，提高了我國水果市場的競爭力。

為提高柑橘在國內外市場的競爭優勢[6]，設計了一款利用計算機視覺技術、PLC(Programmable Logic Controller，縮寫為：PLC)精準控制等技術的柑橘自動分揀機，該系統利用sercos 總線通訊控制各伺服電機運行，從而控制抓取動作協調同步，通過PLC 控制下料機利用給定的位置信息快速夾取。PLC 作為控制的核心，觸摸屏用來監控系統的狀態、輸出參數等[7]。通過此機器，在農業柑橘產品加工、包裝等方面能實現柑橘的自動分揀。

1 柑橘自動分揀機的結構設計

柑橘自動分揀機主要由上料機，皮帶輸送線，相機檢測，分揀機構等輔助機構組成。上料機由一個Scara(Selective compliance assembly robot arm，縮寫：Scara)四軸機器人、氣動夾爪和一些連接板構成，皮帶輸送線由伺服電機、滾筒、皮帶構成。分揀機構是由伺服電機，導軌滑塊，滑臺，同步帶，滾珠花鍵，氣動夾爪等構成的4 軸龍門結構。如圖1 所示。

柑橘自動分揀機構工作時，皮帶轉動，柑橘由Scara 機器人夾持放在皮帶上，當柑橘運送至相機正下方，相機獲取柑橘的形狀大小和位置信息，并傳送給上位機軟件處理后與所設定的標準比對、確定合適的通道，分揀機構接收到PLC 所發出的命令，快速移動抓取柑橘并放置在分配好的通道上。

圖1 柑橘自動分揀機結構Fig.1 Citrus automatic sorting machine structure

2 自動檢測分揀系統控制設計

2.1 控制系統的要求

（1）滿足上下料，相機檢測柑橘形狀大小并傳回軟件比對篩選，確定出合適通道，并分別計數。

（2）通過相機采集到柑橘所在皮帶的具體坐標和伺服電機編碼器反饋的位移，實現分揀機構快速且準確定位夾取的功能。

（3）當系統在運行過程中，實時監控各電機速度并可以根據現實狀況調整。

（4）報警功能，系統出故障時等待人工檢修復位。

2.2 控制系統的組成

根據控制系統的要求，所設計的柑橘自動分揀機構控制系統主要包括位置檢測元件，上位機，下位機，相機上位機主要用于輸入命令，并實時監測系統運行狀態，下位機選用的是PLC，主要用來接收來自上位機的信號、向上位機傳送信息，采集傳感器信號[8,9]；控制相關的執行元件。檢測元件包括接近開關、光電開關、限位開關，用于檢測工件的位置；對通過不同通道的柑橘分別進行計數；監測各軸處于安全位置。執行元件是由9 個驅動器和伺服電機構成，用于接收PLC 命令并執行。

2.3 系統總體結構

根據控制系統的要求，以及所確定的硬件，控制系統的組成圖如圖2 所示。

圖2 系統硬件總體結構Fig.2 Overall structure of system hardware

2.4 控制系統硬件的選型

上位機觸摸屏是目前最簡單、最方便、最直接的人機交互方式，用戶在通過觸摸屏輸入控制指令的同時也可以對現場的運行情況進行實時監測[10]。為保證設備能夠穩定可靠的運行，同時考慮到成本等特點，該柑橘自動分揀的控制系統中上位機選用的是MT4414T 觸摸屏。該觸摸屏顯示清晰、反應靈敏、性價比高，且能夠實現該分揀機構的控制要求[11]。

下位機選擇的是型號CML45 的博士PLC，該PLC 通過sercos 總線控制，至多能同時協同控制64 個驅動器，同時還兼容與Scara 機器人聯動的模塊，能夠較好滿足工作要求。

2.5 控制系統軟件的設計

柑橘自動分揀機的控制系統軟件的設計主要包括前處理、軟件編寫、軟件調試運行。前處理就是要與機械工程師不斷溝通，確定系統的工作過程以及實現工作過程的機械結構、系統的工藝流程。設計編寫控制流程圖如圖3 所示。

系統采用順序控制設計法進行程序編程，根據工序和流程圖編寫程序，包含復位程序、自動化程序、嵌入的相機檢測程序、報警程序等，圖4 所示是一段自動運行程序代碼。

在程序編寫完成后，要進行觸摸屏界面設計[13]（如圖5），設計完成后，將控制系統構件合理安裝在電控柜內（如圖6），并與其他組件正確連接。最后對柑橘自動分揀機進行多次調試，對程序進行不斷的優化和完善，確保能完美達到要求。

圖3 PLC 流程圖Fig.3 PLC flow chart

圖4 自動運行代碼Fig.4 Automatic operation code

圖5 人機界面Fig.5 Human-computer interface

圖6 控制系統布局圖Fig.6 Control system layout diagram

3 結語

柑橘自動分揀機構是由機械，PLC，電氣和觸摸屏等元件構成的復雜的機電一體化設備，綜合運用了人機交互技術、PLC 技術、伺服驅動技術、視覺技術將9 軸協調聯動[13]，并完成了智能視覺比對篩選、智能快速分揀、實時狀態監控顯示等功能，既保證了系統動作之間嚴格的邏輯關系，也保證了操作過程的可視化和系統的安全性。