基于PLC控制的紅棗無損自動分揀系統(tǒng)設(shè)計

于麗麗，雷聲媛

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，陜西 榆林 719000)

0 引言

自動分揀系統(tǒng)作為先進操作工具，其分揀速度較快，能夠有效提高物流配送效率，幫助工作人員實現(xiàn)大批量以及連續(xù)性的貨物分揀。在大規(guī)模生產(chǎn)過程中，采用自動分揀流水線工作方式，可以不受人工、時間以及氣候等影響，實現(xiàn)連續(xù)工作，提升工作效率[1]。自動分揀系統(tǒng)雖能夠有效地分揀貨物，但需要在分揀之前設(shè)置輸入程序，而相對于紅棗這種表面有可能存在損壞的物品，僅使用自動分級分揀系統(tǒng)，無法對其實行有效分揀[2]。為此，如何提升產(chǎn)品無損分揀成為該領(lǐng)域研究的熱點問題。

文獻[3]設(shè)計了一種水果自動分級系統(tǒng)，用于水果的自動分級。該系統(tǒng)設(shè)計了分級系統(tǒng)的總體架構(gòu)，借助機器視覺獲取水果圖像塊，通過對圖像的不斷處理完成水果的分級。通過該方法對水果等級的劃分效果較好，但對其表面的缺陷研究較少，存在一定局限。文獻[4]設(shè)計了一種自動化分揀倉庫中多AGV調(diào)度與路徑規(guī)劃算法，通過該算法提升分揀系統(tǒng)的分揀效率。該方法通過自適應(yīng)變異和交叉概率生成初始種群，并通過交換鄰域提升操作的收斂速度，提升倉庫分揀的效率。該方法未過多考慮分揀物品等級等，仍需要進一步的改進。

基于上述方法中存在的不足，本文借助PLC設(shè)計一種紅棗無損自動分揀系統(tǒng)。通過在PLC上安裝傳感器，將提取紅棗特征輸入，檢測存在缺陷的紅棗，完成紅棗的無損分揀。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比具有一定優(yōu)勢。

1 紅棗分揀算法設(shè)計

1.1 紅棗圖像特征提取

為完成紅棗無損分揀系統(tǒng)的設(shè)計，首先提取紅棗的矩形、短軸、長軸、位置、周長以及面積等特征。

1)紅棗面積：將紅棗圖像面積作為像素點，設(shè)置其面積計算公式為

(1)

式中：1代表目標；0代表背景；f(x,y)代表像素點數(shù)量。

2)紅棗圖像位置：紅棗處于圖像內(nèi)會存在一定面積，所以定義紅棗處于圖像內(nèi)準確位置，即為圖像內(nèi)位置中心。

對于m×n大小目標，其圖像區(qū)域形心為：

(2)

(3)

3)紅棗周長：紅棗周長的計算可以將其周長通過邊界點數(shù)和進行表示[5]。

4)矩形度、長軸以及短軸：相對于橢圓來說，長軸是將橢圓兩點進行連接獲得的最長直線，但其最長線段是指經(jīng)過橢圓形中心后垂直于短軸的線；短軸線段的獲取與長軸相同[6]。

1.2 紅棗表面缺陷檢測

由于肉眼觀察存在很多限制因素，對紅棗表面的缺陷不能以定量的形式進行描述。為此，利用顏色度量，通過RGB(紅、綠、藍)以及HSV色度、顏色深淺以及亮度的空間模型顏色特征，反映紅棗表面缺陷。

1)RGB顏色空間

RGB顏色空間示意圖如圖1所示。

圖1 RGB顏色模型圖

通過分析圖1可以看出，該模型的顏色組合為紅、綠、藍三種基色，其坐標原點為(0,0,0)，三種通道像素為0，此模型通過一定權(quán)重組合表示所有顏色，即利用紅(R)、綠(G)、藍(B)進行表示，即

C=w1·R+w2·G+w3·B

(4)

式中wi代表相應(yīng)某一種顏色權(quán)重。

2)HSV顏色空間

HSV顏色的空間構(gòu)造圖如圖2所示。

圖2 HSV顏色模型圖

該模型呈現(xiàn)“倒立”錐形樣式，其底面被均勻地分成6個部分。其中，紅色是0°，以60°變換一次，每變換一次則變換一種顏色，分別為：品紅色、紅色、青色、綠色以及黃色。此模型H分量表示色調(diào)，S分量表示顏色飽和度，V分量表示顏色明亮的程度[7]。

3)缺陷檢測

將上述RGB以及HSV的空間模型顏色特征與加權(quán)融合機制進行結(jié)合，確定紅棗缺陷。

紅棗本質(zhì)特征參數(shù)權(quán)值可以表示為

(5)

式中：ωi表示分量的權(quán)值；Ri表示兩種特征識別率。通過計算獲得融合特征Feat，得

Feat=[ω1·CColor,ω2·CTexture]

(6)

利用支持向量機分類器分類訓(xùn)練紅棗特征向量，從而實現(xiàn)缺陷檢測。支持向量機能夠很好地將非線性分類以及小樣本問題進行解決，存在較好泛化以及推廣能力，此時，紅棗缺陷檢測的決策函數(shù)為

(7)

(8)

由于徑向基核函數(shù)可以實現(xiàn)復(fù)雜非線性的分類問題，并且能夠有效訓(xùn)練參數(shù)，降低計算復(fù)雜度，能夠很好地將紅棗表面缺陷特征進行檢測[8]。

2 PLC控制的分揀系統(tǒng)設(shè)計

為了更好地將紅棗進行分揀，分揀系統(tǒng)的設(shè)計主要以功能模塊的實現(xiàn)為主。在功能模塊設(shè)置中設(shè)計了送棗、分揀紅棗、進料以及紅棗輸送功能模塊。其中送棗即為送料，分揀紅棗即為分揀功能的設(shè)置。采用氣動控制方式對這些模塊進行驅(qū)動。此外，還需要在所有模塊上安裝傳感器，以此傳輸紅棗顏色、狀態(tài)以及位置等信息，利用PLC實現(xiàn)對整體系統(tǒng)的控制。

該分揀系統(tǒng)包含PLC的控制程序、機械本體以及氣動控制。其工作流程如圖3所示。

圖3 整體系統(tǒng)的工作流程

此系統(tǒng)主要使用PLC作為控制元件，通過開關(guān)按鈕，使分揀系統(tǒng)進行回位，讓系統(tǒng)狀態(tài)回到起始設(shè)定的狀態(tài)，再利用PLC控制啟動送料模塊，運轉(zhuǎn)待料盤，進行啟動。

將啟動按鈕以及停止按鈕設(shè)置為一個按鈕，同時設(shè)計待機按鈕，系統(tǒng)可利用該按鈕對系統(tǒng)實現(xiàn)待機狀態(tài)，在待機狀態(tài)下，全部器件復(fù)位。將紅棗通過送料位置進行下料至預(yù)檢點，利用光電開關(guān)傳感器，檢測紅棗是否存在。同時，對安全以及節(jié)能等多種因素進行考慮，運行時間超過設(shè)定延遲時間后，未檢測到紅棗，送料機構(gòu)也沒有輸送紅棗，系統(tǒng)停機且報警處理[9]。

檢測設(shè)備在檢測存在紅棗時，會發(fā)送有料信號，利用PLC控制機械手臂的夾爪，對紅棗實行夾取，將機械臂提升回到起始位置，機械手會進行旋轉(zhuǎn)，抵達事先設(shè)定位置，伸出手臂將紅棗放在輸送帶上。這時傳感器會檢測是否有紅棗存在，然后輸送帶運輸紅棗，當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)存在紅棗時，機械手返回至起始位置，重復(fù)循環(huán)。

對紅棗外觀顏色以及其表皮紋路，可以利用配備的傳感器完成檢測，再采用PLC控制相對應(yīng)氣缸實現(xiàn)驅(qū)動，完成整體紅棗自動無損分揀的流程。

2.1 送料模塊

在紅棗送料模塊中，設(shè)置檢測傳感器、輸送電機以及紅棗輸送機。系統(tǒng)利用PLC對送料機的運轉(zhuǎn)進行控制，此模塊控制輸入輸出信號包含檢測是否有物料，通過反饋、啟動送料電機信號和設(shè)備啟動。

控制電機驅(qū)動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，該電機為24V的直流電機，減速機輸出轉(zhuǎn)速為8r/min。紅棗定位支架能夠固定與限制紅棗。保證可以按照預(yù)先程序，實現(xiàn)紅棗的固定輸入。

2.2 進料搬運模塊

系統(tǒng)進料搬運模塊設(shè)計，主要采用安裝支架、提升臂、起動夾爪、旋轉(zhuǎn)氣缸、位置傳感器、伸縮臂以及緩沖器等。該模塊運行過程中通過抓取、伸縮等運動完成紅棗的搬運。

使用傳感器檢測全部運動位置，以此完成反饋。檢測包含：機械臂伸縮是否處于設(shè)定的位置，分別在兩個位置安裝傳感器，對機械臂運行位置至固定的位置檢測。機械夾爪的夾取以及放開紅棗，也是利用雙電控氣閥對其進行控制，在夾爪夾緊后，反饋輸出信號。

利用機械手的傳感信號對系統(tǒng)進行旋轉(zhuǎn)檢測。該設(shè)計模式是將機械臂伸縮動作，通過設(shè)置的傳感器確定進料位置，在紅棗運送過程中采用氣動完成旋轉(zhuǎn)動作緩沖的減速[10]。

利用PLC對進料機構(gòu)的夾取以及啟動控制，經(jīng)過所有開關(guān)量的信號反饋[11]，從而執(zhí)行各運行的動作，具體的控制方案流程如圖4所示。

圖4 紅棗進料搬運的流程

2.3 物料輸送以及分揀

紅棗輸送以及分揀通過電動機、料槽、電感式傳感器、缸、光電開關(guān)、節(jié)流閥、進料口的設(shè)置完成。物料輸送系統(tǒng)要對輸送帶進行檢測，觀察是否有紅棗通過，進而會給系統(tǒng)一個物品檢測信號。該區(qū)域設(shè)置傳感器對其檢測，利用機械加工進料口，檢測紅棗的進料位置。再利用料槽存放紅棗，通過傳感器檢測紅棗，具體感應(yīng)距離為10～35 mm，以實際安裝檢測距離作為標準。

通過PLC控制分揀系統(tǒng)的電機和輸送帶的變頻器。反饋紅棗是否存在損傷，通過氣缸執(zhí)行推料命令，把所需要紅棗推入待料槽內(nèi)，具體氣缸運行動作利用電控氣閥實現(xiàn)控制[12]。紅棗輸送以及分揀如圖5所示。

圖5 紅棗輸送以及分揀過程

3 實驗分析

3.1 實驗方案

為了驗證所設(shè)計系統(tǒng)的有效性，進行了實驗分析。實驗中將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某紅棗加工企業(yè)中。具體實驗環(huán)境如圖6 所示。

圖6 實驗環(huán)境

在紅棗分揀中設(shè)定紅棗分級標準，如表1所示。

表1 紅棗的分級指標 單位：mm

由于紅棗表面存在缺陷區(qū)域與最后分割面積，利用二者比值判斷紅棗是否存在嚴重缺陷，以此作為參數(shù)標準，通過檢測紅棗亮度、飽和度以及色相，確定紅棗是否存在缺陷。

3.2 實驗過程

為了更好地測試本文構(gòu)建的分揀系統(tǒng)是否達到合格標準，將5個級別紅棗分揀數(shù)量共計10 000個、摻雜存在數(shù)量不等的缺陷紅棗，并且對摻雜的紅棗進行記錄，方便實驗結(jié)束后進行結(jié)果對比。經(jīng)過統(tǒng)計缺陷面積比，在缺陷的面積比值為0.09±0.01時，觀察本文構(gòu)建的系統(tǒng)是否能夠有效分揀，并篩選出存在缺陷的紅棗。

3.3 實驗結(jié)果分析

根據(jù)上述實驗環(huán)境和參數(shù)的設(shè)置，實驗中采用對比的方法將上述樣本紅棗進行分揀，得到的實驗結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同系統(tǒng)分揀結(jié)果分析

分析圖7可以看出，本文分揀結(jié)果與人工分揀結(jié)果存在一定差別，且系統(tǒng)分揀速度要比人工分揀的速度快。這是由于所提系統(tǒng)通過圖像檢測能夠?qū)⒃久院钠茡p篩選信息具體化、數(shù)值化，使檢測閾值更加符合人工篩選結(jié)果，且通過PLC程序的控制，降低分揀耗時，驗證所設(shè)計的系統(tǒng)可提升紅棗無損自動分揀的效率。

4 結(jié)語

本文提出基于PLC控制的紅棗無損自動分揀系統(tǒng)，提取紅棗特征，并通過系統(tǒng)各模塊功能設(shè)計。借助PLC程序?qū)崿F(xiàn)紅棗的無損分揀系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)雖然可以進行表面無損分揀，在分揀中仍然存在一定不足，還需進一步研究。