水果食品稱重分選機控制系統設計

武海軍

烏海職業技術學院（烏海 016000）

隨著人民生活水平的提高和食品安全意識的不斷提高，水果消費者對于水果的品質和安全性要求也越來越高[1-2]。我國水果產量穩居世界第一位，并且我國水果品種繁多，在國家政策的幫助下，水果的發展前景廣闊。但我國水果商品化手段較為落后，在水果生產過程中通常需要從國外引進一些先進的分選設備對水果進行分選，我國水果種類眾多，因此，從國外引進的設備往往具有一些局限性[3]。

水果采摘后需要對其進行上料、清洗、分選、包裝等處理，而水果分選是采摘后加工中的關鍵環節，水果分級是對不同特點的水果進行挑選并分類儲存。目前我國大多數水果加工企業通常采用人工分選法進行挑選，也是我國應用最為廣泛的一種分級方法[4-5]。人工分選主要通過工人的主觀視覺判斷水果的大小、形狀、色澤等進行挑選。但人工分選受主觀因素響應較大，該方法主要依賴于個人視力、顏色分辨率、空間光照等因素影響，從而使得人工分選準確率較低，分選效率較低，工人勞動強度也較大，人工成本較高[6]。

電子稱重分選機的核心是利用稱重傳感器對水果質量進行采集，通過水果分選的標準通過程序進行編程，利用程序的判斷將不同質量的水果進行分級。此次研究的電子稱重水果分選機主要包括生產線支架、傳送裝置、稱重系統、水果挑選設備。機械傳動為整條生產線提供動力，并完成水果的輸送。

在現有研究的基礎上，提出了一種基于PLC的水果食品稱重分選機控制系統，利用稱重傳感器對水果質量進行采集并傳送到PLC中，再通過PLC編程實現水果分選。

1 稱重分選機工作原理

根據分選工藝要求，采用的稱重傳感器為壓力式采集傳感器以及采用氣缸和傳送帶的分選系統。稱重傳感器通過壓力信號將其轉化為電壓信號，通過PLC的模擬量采集模塊將信號采集到PLC的CPU中[6-11]，通過數據處理將質量信號進行處理并與設定的目標質量進行比較，當質量符合所設定的挑選質量時，則PLC發出指令控制挑選結構將水果挑出并放入相應的儲物箱中，從而完整一個完整的分選過程，分選機控制原理如圖1所示。

圖1 分選機控制原理

研究的自動稱重分選機機械部分主要包括傳送帶、控制箱、氣缸以及托架等。而電氣部分主要包括PLC、觸摸屏、稱重傳感器、光電開關、限位開關、電磁閥以及調頻電機等。通過觸摸屏對分選機運行狀態進行監控，控制系統的核心則為PLC。

2 控制系統硬件結構

根據水果分選機工藝特點以及電氣控制系統的具體要求，分選機控制系統采用PLC和人機觸摸屏相結合的形式，該控制系統由于采用PLC作為控制器，穩定性高，能夠根據分選機特性進行適當擴展，控制系統硬件結構如圖2所示。

圖2 控制系統硬件結構

為了實現分選機的高效控制以及各機構狀態的有效監控，控制系統采用多級控制方法進行設計，主要包括管理級、協調級以及執行級的三級遞階控制。三級遞階控制是將控制系統分割成多個子系統，由多個子系統組成分選機的整個系統。該控制方法具有局部故障不影響整體系統、靈活性高、可靠性高等優點。

采用西門子KTP1200觸摸屏作為整個控制系統的管理級。該管理級主要負責監控整個系統的運行狀態，并采集各執行機構的動作情況。觸摸屏中包含各個功能畫面的切換，通過不同的虛擬按鍵實現PLC命令的下發，以實現預定控制目標。

協調級作為遞階控制系統的次高級，該級主要負責協調各子任務的執行，PLC主要負責稱重分選機各個工位中傳感器信息的采集，并實現變頻電機的速度控制。以分選機變頻電機、傳感器、氣缸、電磁閥等執行器作為遞階控制系統的第三級。

控制系統主要組成為：

1) 核心控制器：核心控制器主要由PLC和觸摸屏組成，PLC通過梯形圖控制程序下發動作指令，并將傳感器信息進行采集，根據各執行機構的反饋狀態協調各執行機構進行動作。

2) A/D采集模塊，A/D采集模塊主要負責將稱重分選機中的質量模擬量信息進行采集并實現模擬量到數字量的轉化，最終由PLC完成。

3) 觸摸屏：觸摸屏主要負責分選機參數的設定、數據監控以及故障監控。

3 控制系統設計

水果食品稱重分選機控制系統軟件采用模塊化設計方法進行設計，其中主控模塊主要負責組織各子模塊的運行，以及各模塊之間的協調和通訊；其中觸摸屏程序主要實現數據處理與顯示采集重量傳感器信號并對其進行顯示。PLC程序由主程序、數據初始化程序、Modbus通訊程序以及報警中斷程序，程序結構流程如圖3所示。

圖3 程序結構

圖4 觸摸屏畫面

為了實現分選機的有效控制，對分選機運行狀態進行實時監控，采用人機觸摸屏作為分選機上位機，并通過串口通信的方式實現與PLC通信。設計的觸摸屏界面主要由主窗口、參數設置窗口以及其他人機界面組成，觸摸屏畫面如圖關系如圖4所示。

4 結語

以水果食品稱重分選機為研究對象，為了提高水果加工企業生產效率，設計了一種基于PLC和觸摸屏的水果食品稱重分選機控制系統。介紹了稱重分選機稱重系統的工作原理，針對稱重分選機的工作原理設計了分選機三級遞階控制系統硬件結構，每一級系統分配不同的任務，在硬件結構基礎上設計了PLC程序以及觸摸屏程序。該控制系統采用三級遞階控制系統進行設計，大大提高了整個系統的穩定性，利于后期軟件和硬件維護。該控制系統能夠顯著提高水果分選機自動化程度，能夠大大提升水果加工企業生產效率。