基于PLC控制的水果稱重分級設備設計

萬宏強，楊路凡，劉智豪，蘇米蘭

（西安工業大學 機電工程學院，西安 710021）

0 引言

水果作為生活飲食中不可或缺的一部分，需求量不斷增加，種植面積也不斷擴大，使得我國水果需求量和種植面積都處于領先位置，但相比于歐美等水果產業大國，由于對果品的后期處理及優化手段落后，標準化缺失，致使其價值得不到凸顯，其中等級分類作為一個關鍵步驟存在于諸多后期處理中[1-3]。而在城市里以超市、水果店為主導的水果銷售，水果的品質好壞、水果的等級分配、水果的稱重等步驟往往都需要大量的人工參與，人工成本的增加使得水果的銷售成本增加，此時超市則往往會通過提高水果售價的方式將成本轉移到消費者身上，水果價格的增長就會降低部分消費者的購買欲望，造成水果的滯銷[4-5]。

針對果品分級，我國也進行了許多研究，朱培逸等[6]基于PLC控制、組態王界面設計研發了一款可對水果進行品質檢測跟蹤、等級分配的控制系統。吳疆等[7]基于三菱PLC對多傳感器、氣缸進行控制，設計一款蜜柚分級設備，可在大小分級基礎上，再按照質量進行分級，最終獲得不同的3個等級。紀娜[8]基于PLC控制，針對獼猴桃果實設計了一款稱重分級設備，可通過MCGS觸摸屏進行上位機操作，并配有語音輸出模塊，增加了使用的便利性。任杰等[9]采用三菱FX-2N小型PLC為控制元件，設計了一款可將水果分為大中小3個等級的機械設備。周麗琴[10]設計了一款水果采摘分級裝置，在采摘過程中完成對水果的分級，極大地提高了分級效率。但以上水果分級設備都存在著占地面積大、分級不徹底的問題。

因此，研制一款應用于超市、水果店等果品銷售點，可對水果由大包裝到小袋包裝自動化分級的設備就顯得尤為重要。該設備可以為水果分級包裝提供一種新的途徑，降低人工成本，提高銷售效率，緩解人員密集區排隊的壓力，促進國內果品分級標準化的發展。

1 整體方案設計

設備對類球型水果依據質量進行分級，可得到4個不同等級范圍，根據控制要求可對水果進行釋放。整體設備以西門子PLC S7-200、CPU224XP為主控元件，通過程序編寫、氣動控制實現整個分級過程。設備分為整理、稱重、分級、儲存、收集等5部分。水果進入整理單元呈有序排列，氣缸根據所設定時間對水果進行推送，通過滑道逐一單個進入稱重單元進行稱重；控制器對稱重信號進行處理，進行等級判斷并反饋給分級單元進行分級處理，分級水果進入儲存單元暫存，根據控制要求，可釋放水果到收集單元中。整體設備運動流程如圖1所示。

圖1 整體設備運動流程

2 機械結構設計

根據功能要求對設備體結構進行設計，并基于SolidWorks三維建模軟件對整理設備進行模擬樣機裝配。整體框架使用T形槽鋁材搭建，結構穩定簡單，其中整理單元主要通過擋板與傳送帶的結合，達到水果有序排列的效果，通過PLC對電磁閥的控制完成水果各單元的推送。稱重單元主要包括壓力傳感器和稱重盤，傳感器接收到壓力信號，轉換為電信號輸出給控制器，控制器進行等級判斷，并反饋給分級單元進行分級處理。分級單元主要包括固定支架和氣缸，可將水果依據質量分為4個等級，不同等級設置有對應的氣缸，可將稱重盤上的水果推送到對應的儲存單元S形滑道內。儲存單元主要包括S形滑道和氣缸，起存儲水果的作用，底端氣缸可根據控制要求對滑道內水果進行推送。收集單元主要包括電動機、不完全齒輪和旋轉盤，不完全齒輪在電動機的帶動下可實現5個工位的間歇運動，通過PLC對電動機的控制，實現旋轉盤的旋轉，配合儲存單元氣缸的推送，完成收集單元對不同等級水果的接收。水果質量分級設備三維模型如圖2所示。

圖2 水果質量分級設備三維模型

表1 水果質量分級設備主要技術參數

3 控制設計

3.1 壓力傳感器選型

稱重單元主要部件為懸臂梁式壓力傳感器。懸臂梁式壓力傳感器的工作原理是：彈性體表面貼有電阻應變片，被稱重的物體引起彈性體的形變，進而引起電阻應變片的形變，電阻的變化又可以轉化為電信號，經過單片機處理，就可以測得物體的質量。

該傳感器采用一端固定、一端加載的方式進行稱重，安裝使用方便，價格低廉，稱重精度高，且承載能力強。傳感器的選擇對于稱重精度及穩定性具有重要意義，傳感器的選型和使用應充分考慮傳感器的量程和精度及環境因素對傳感器的影響[12-13]。

壓力傳感器的輸出信號是與載荷成正比的電壓信號，PLC的模擬量輸入模塊無法識別處理，因此需要增加稱重變送器，用以將傳感器的輸出信號放大為0～10 V的標準工業信號，以便于PLC模擬量模塊控制處理分級[14]。懸臂梁壓力傳感器如圖3所示。所選稱重設備參數如表2所示。

圖3 壓力傳感器

3.2 氣動控制

水果在各單元之間的傳送都依靠小型氣缸的運動來完成，氣缸運動以空氣壓縮機作為動力源，由西門子PLC對電磁閥的啟斷電控制，來實現氣缸的開關。針對不同種類的水果，所需的氣缸速度不同，因此在氣缸底端安裝有空氣節流閥，通過氣流大小來控制氣缸動作的快慢，適應不同工作要求。氣動裝置主要技術參數如表2所示。水果質量分級設備氣動系統原理圖如圖4所示。

圖4 水果質量分級設備氣動系統原理圖

表2 稱重設備參數

表3 氣動裝置主要技術參數

3.3 設備PLC控制設計

根據設備控制系統要求，水果質量分級設備的輸入設備主要包括啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕、壓力傳感器。輸出設備主要包括傳送帶電動機、各單元氣缸電磁閥、啟動指示燈、報警指示燈、傳送帶電動機電磁抱閘等。最終統計有4個各類輸入點，14個各類輸出點。選擇西門子S7-200 224XP，有14個輸入、10個輸出，因此增加EM223擴充模塊擴充輸出端。EM223可擴充8個輸入，8個輸出DC24 V。表4所示為西門子S7-200 PLC I/O分配表。

表4 西門子S7-200 PLC I/O分配表

對PLC的I/O口進行合理分配后，根據PLC的端子圖進行正確的接線，PLC接線圖如圖5所示。

圖5 西門子PLC S7-200 接線圖

在邏輯流程完善、I/O端口分配完成后，利用SETP 7 Micro WIN SP9軟件進行PLC梯形圖的編寫。數顯對模擬量進行字節轉換，將壓力傳感器輸出的工業信號轉換為數字量進行模擬量存儲，以達到稱重的目的，再使用比較指令對水果質量進行4個等級的劃分，增加計時器以控制氣缸的推送時間，各模塊相互結合以達到分級推送的目的。部分設備分級程序如圖6所示。

圖6 部分設備分級程序

4 結語

本文介紹了一種新型水果稱重分級設備，實現全新型自動化、智能化。該稱重分機設備將傳感器、氣動控制、電氣控制等技術進行融合，可通過觸摸屏對整個設備進行啟停工作和可視化操控。采用稱重變送器將壓力傳感器的形變信號轉變放大為工業信號，以達到稱重的目的。各單元之間協調配合，保證水果平穩運輸和高效分級?？刂葡到y增加報警制動，可對傳送帶電動機電磁抱閘緊急制動，確保設備安全穩定，為水果分級市場提供一種新型分級設備。