一種基于PLC 的高速遠程控制果蔬智能分選技術研究

張 穎，程如岐，陳紹慧

（1.南開大學電子信息與光學工程學院，天津 300071；2.天津市光電傳感器與傳感網絡技術重點實驗室，天津 300071；3.天津市農業科學院信息研究所，天津 300192）

果蔬的分選是果蔬生產加工處理中重要的一道工序，分選的效果直接關系到后期包裝、運輸、貯藏、銷售等環節的效益，影響著商品附加值的提升和農產品經濟發展[1]。隨著果蔬品牌化趨勢發展和消費者細分越來越細化，規模化的果蔬分選及包裝加工需求會大幅度持續增加[2]。果蔬分選目前主要包括兩大獨立要素：一是按外觀品質等級分選（多為物理指標，涉及果蔬直徑大小、顏色、形狀、瑕疵等）[3]，一是按內部品質優劣分選（包括果蔬成熟度、糖度、霉變等）。質量大小尚可用人力分揀的工序完成，而品質好壞尤其是水果蔬菜的糖度、酸度、VC 等指標并不能依靠人力挑選評判。因此，果蔬的內在品質無損化分級一直是農產品產后商品化處理的關鍵，適當的內部品質分級不但便于選擇合適的運輸方式，延長產品的貯藏期限，更重要的是可以增加水果產品的市場競爭力[4]，提高其經濟價值。以信息化及計算機技術為基礎開發的果蔬品質智能化實時檢測和分級系統[5]，可代替人工對果蔬品質進行檢測，在果蔬品質檢測領域具有較高的應用價值[6]。

國內外很多學者對可編程邏輯控制器（PLC）數據采集和監控系統開展研究，通過串口控制PLC 進行數據采集，基于現場總線搭建一個局域網[7]，用上位機或嵌入式工控機對PLC 設備進行控制，或者基于B/S 或C/S 模式設計分布式工業控制系統[8]，對分散位置的PLC 控制系統內的數據進行分析和處理[9]。果蔬分選的速度和能力是果蔬收獲后必須注意的兩個重要因素[10]，在此背景需求下，結合農產品智能分選技術、智慧物聯網技術、PLC 自動控制技術、計算機數據處理技術[11]，設計一種可遠程智能化數據處理的果蔬品質分選策略，通過分布式網絡，對遠程的PLC 分選裝置進行實時監控，并以果蔬糖度和質量品級為例設計自動化分選的控制機制。PLC 自動分揀控制具有控制精度高、反應速度快、可靠性強的優點，可以極大程度地節省人工成本；計算機遠程模型控制具有普適性強、安全性高的優點，可以實時建立各種類型的果蔬品級模型，并按照模型進行分揀，可以節省研究成本，從而解決現有果蔬品質無損分選系統中檢測屬性單一、分揀速度慢、管理效率低等問題，實現果蔬的智能分選。

1 高速果蔬智能分選系統的基本構成

高速果蔬智能分選遠程控制系統屬于分布式監控網絡，主要分為遠程數據中心和本地控制系統兩大部分（圖1），按照功能邏輯主要分為遠程數據處理、智能分選控制、本地分揀系統、智能檢測交互4 個層面。

圖1 遠程果蔬分選控制系統組成圖Fig.1 Constitutional diagram of remote fruit and vegetable sorting control system

1.1 遠程數據處理

遠程數據處理的作用主要是通過數據存儲服務器實時存儲檢測到的果蔬品質參數，通過計算處理服務器高速處理果蔬分選數據、動態建立果蔬模型，通過監控服務器處理用戶的控制操作、實時監控分選信息等。高速的計算處理單元通過互聯網與PLC 分選系統和果蔬參數的檢測單元（如糖度檢測單元、質量檢測單元）相連，將果蔬參數與遠程的果蔬品級模型參比，并對果蔬按照預置的級別進行分揀，再將分級結果傳送到PLC 分揀控制單元。

1.2 智能分選控制

智能分選控制系統主要負責處理待檢測對象的數據處理與級別分配，通過調用PLC 控制傳輸與分選，可以選擇主流的西門子S7-1200 或1500 系列的PLC，選用模塊SBCM01 進行通信接口擴展，IO 擴展，用于各種傳感器、指示燈、編碼器、伺服電機等元件的信號檢測與控制。

1.3 本地分揀系統

在本地分揀系統中，通過遠程的參數分析，通知伺服系統驅動分揀機構完成分揀任務。待分選的果蔬樣本依次通過傳輸裝置送到如糖度、質量等檢測單元中，采集待測目標的樣本信息，通過互聯網傳送到遠程控制中心進行模型對比、分級；另一方面，根據遠程控制中心的控制要求，實時調整傳輸速度和控制邏輯，及時準確地將待分選果蔬分發至各級輸出。可以根據場地、成本、果蔬種類選擇合適的傳輸系統，如對果蔬的糖度-質量進行分選，由于大多需要通過紅外檢測糖度的果蔬皮質都比較薄，就可以根據場地選擇橫向循環式、單向皮帶反復式的傳輸方式，可以更好地控制傳輸速度。在此基礎上，還可以擴展自動上果、包裝等機構，擴展成多級分選系統。

1.4 智能檢測交互

通過遠程數據中心的用戶監控平臺，設置本地分揀系統的各項控制參數，包括果蔬品質參數、分選控制參數等，可以手動建立或動態選擇果蔬模型，根據目前市場上主流的檢測方式，可對果蔬進行質量檢測、糖度檢測、外部品質檢測等，可以根據需要自行擴展并與工控機進行數據交互。因此，遠程果蔬分選系統具有高度的自適應性和可擴展性，可以擴展應用于多種場合。

2 PLC 自動化數據采集與機械控制

如圖2 所示，PLC 程序設計采用模塊化設計及梯形圖實現，主要包括初始化、系統自檢、變頻控制、TCP/IP 通信、設備控制、故障診斷、模擬量處理、數字量處理等。本地控制模式可以分為本地模式、遠程模式以及檢修模式三種，啟動方式則可分為自動和手動兩種。當系統啟動自檢無故障后，選擇控制模式，進入對應的控制流程。

圖2 PLC 自動化數據采集與機械控制策略Fig.2 PLC automatic data acquisition and mechanical control strategy

3 果蔬智能分選控制設計

圖3 為該分選系統的智能控制流程，模擬果蔬按照質量和糖度進行等級分選，通過用戶監控平臺設置果蔬類型：如蘋果、番茄等，監控服務器處理數據，相應的果蔬分級模型即被調出，設置待分的糖度等級數M，設置待分的質量等級K，則M×K≤N，其中N 為分選輸出單元所能支持的機械推臂和子傳輸帶個數，也叫果蔬分級的最大等級數。果蔬分級模型和分選等級數調用到本地高速計算處理單元，等待分選果蔬的糖度參數、質量參數傳輸至本地高速計算處理單元進行參比。

圖3 遠程果蔬分選控制系統控制流程Fig.3 Control flow of remote fruit and vegetable sorting control system

本地高速計算處理單元接收果蔬糖度光譜參數和果蔬質量參數后，通過果蔬分級模型的參比，得到待分選果蔬的糖度分級m∈[1，M]且m 為整數，質量分級k∈[1，K]且k 為整數，在從果蔬質量檢測單元輸出送至分選輸出單元的時間t 內，做出分級決策，并將最終的分級結果n∈[1，N] 且n 為整數傳輸到本地PLC 控制單元。本地PLC 控制單元根據傳輸單元的控制速度V 和果蔬級別n 計算出相應的果蔬該推果的位置，并在相應的果蔬到達對應第n 個子傳輸帶位置時，控制第n 個機械推臂把果蔬推至第n 個子傳輸帶，完成分選任務。

圖4 為該分選系統中的PLC 分揀控制單元的智能測控流程，圖5 為該分選系統的傳輸單元、分選輸出單元的位置關系示意。系統根據質量分級和糖度分級在分選輸出單元設計N 個級別的分級子傳輸帶，用PLC 作為分級控制器，控制傳輸單元的傳輸速度V，及N 個機械推臂執行果蔬分級的側推位移操作。由于N 個級別的分級子傳輸帶位置與果蔬糖度檢測單元、果蔬質量檢測單元的距離是固定的，因此PLC控制單元可以根據距離計算得到每一個級別的分級子傳輸帶所在的位置編號S1～SN，標記一個參考零點，如以果蔬質量檢測單元的位置為參考零點，每個子傳輸帶到參考零點的距離可以用D（S1）～D（SN）表示。可以用一個分度開關控制傳輸單元的運動，PLC控制單元每次接收一個同步脈沖后進行一次位移操作，將待分選的果蔬編輯成一個存儲隊列P（i），第i個果蔬的分級信息存儲在存儲器P（i）中，例如第i 個果蔬將要分到第ni級中，則P（i）=ni。通過ni得知第ni個子傳輸帶的距離D（ni），PLC 控制單元通過傳輸單元的傳輸速度V 和D（ni）計算出第i 個果蔬經過果蔬質量檢測后到第ni個子傳輸帶所經過的時間ti=D（ni）/V，即第i 個果蔬在果蔬質量檢測后經過ti時間，PLC 控制單元控制第ni級機械推臂推果，考慮PLC 控制單元對指令處理的時間△t，得出修正后的推臂時間ti’=ti-△t，從而減小機械推臂推果的誤差，實現精準推果。將時間轉換為傳輸單元控制傳輸帶的分度脈沖，分度開關計算帶修正的脈沖數進行相應的位移操作，當累計到足夠的脈沖后，即滿足分級執行條件，分選輸出單元通過PLC 控制I/O 驅動第ni級的機械推臂推果，將果蔬分入對應的第ni級子傳輸帶。

圖4 遠程果蔬分選控制系統PLC 分揀控制單元的智能測控流程Fig.4 Intelligent measurement and control process of PLC sorting control unit in remote fruit and vegetable sorting control system

圖5 傳輸單元和分選輸出單元的位置關系Fig.5 Position relationship between transmission unit and sorting output unit

4 果蔬分選系統試驗及結果

驗證果蔬分選系統的反應速度、分選準確度，根據控制原理搭建系統樣機。取100 個蘋果作為目標果蔬在分選控制系統上進行試驗。待測樣本質量在150～300 g 不等，將糖度換算為百分比后樣品的含糖量為9%～12%。因此，系統可以根據用戶需求按實際情況進行分級設置，如：試驗中按糖度分成3 級，即高甜（11%～12%）、中甜（10%～11%）、低甜（9%～10%）；按質量把蘋果分為大果（220～300 g）、小果（150～220 g）2 級，驗證系統的控制反應速度、分選準確度。果蔬輸送單元負責為系統輸送果蔬，可以由人工完成，亦可以是上一級系統的輸出端，負責依次把果蔬放置到傳輸單元。模擬果蔬糖度檢測單元和質量檢測單元，理想狀態下模擬檢測反應速度延遲為0。子傳輸帶可以是下一級系統，也可以是直接打包裝箱。

通過用戶監控平臺可以選擇果蔬種類，以便系統后臺匹配模型，如蘋果、橙子，根據數據中心的大數據存儲，數據庫甚至可以細化成煙臺蘋果、阿克蘇蘋果等詳細模型，系統匹配到待分選樣本的數據，按照設置的級別歸屬其所在的檔位。如樣例中，可以設置待分選果蔬種類為蘋果，設置糖度分級為3，質量分級為2，則數據存儲服務器構建一個蘋果6 級分選模型，將子傳輸系統分為6 個編號，即高甜大果（等級編號為1，即糖度11%～12%、質量220～330 g）、高甜小果（等級編號為2，即糖度11%～12%、質量150～220 g）、中甜大果（等級編號為3，即糖度10%～11%、質量220～330g）、中甜小果（等級編號為4，即糖度10%～11%、質量150～220 g）、低甜大果（等級編號為5，即糖度9%～10%、質量220～330 g）、低甜小果（等級編號為6，即糖度9%～10%、質量150～220 g）。

100 個待測蘋果實際分為高甜大果12 個，高甜小果15 個，中甜大果21 個，中甜小果16 個，低甜大果15 個，低甜小果21 個。調整控制傳送帶運行速度，分別設為低速、中速、高速3 檔，每檔分揀3 次。將100 個蘋果依次送入分選系統，統計分選結果正確率（表1）。

表1 果蔬智能分選控制系統測試結果Table 1 Test results of intelligent fruit and vegetable sorting control system

表1 描述了果蔬智能分選控制系統測試結果，糖度與質量分級準確度分別描述了待測蘋果糖度分級正確率和質量分級正確率，如在第1 次低速測試中，有3 個蘋果被判斷錯了綜合分級，其中有2 個蘋果被判斷錯了糖度等級，有1 個蘋果被判斷錯了質量等級；在第3 次中速測試中，有6 個蘋果被判斷錯了綜合分級，其中有3 個蘋果被判斷錯了糖度等級，有4個蘋果被判斷錯了質量等級，則可以得知有1 個蘋果既判斷錯了糖度又判斷錯了質量。可以看出，同樣的待選果蔬，速度越低分選誤差越小；而果蔬的綜合分級結果與糖度和質量分級效果均有關聯，系統總體分選準確度≥93%，改善糖度檢測和質量檢測的算法與裝置，可以提高糖度檢測與質量檢測的準確度，獲得更高的分選準確率和分選效率。

5 結論

果蔬的智能化分級對于保證果蔬品質，方便貯藏，促進銷售，提高農產品競爭力具有重要意義。以果蔬分選技術為視角，結合物聯網遠程控制、PLC 自動控制、計算機數據處理等多種現代化智能技術，實現了一種可遠程智慧監控的PLC 果蔬智能分選機制。系統從數據中心遠程調取果蔬品級模型，通過高速計算對比參數，控制PLC 氣動裝置將果蔬按糖度分級和質量分揀，實現可遠程控制的PLC 智能果蔬分選，實時采集的果蔬參數對數據中心的果蔬品級模型能夠起到動態反饋及調整貢獻。與傳統手工分揀方式相比，PLC 控制具有控制精度高、反應速度快的優點，極大程度節省了人工成本；與傳統本地建模方式比，遠程控制普適性強、安全性高。該系統在系統成本、反應速度、分揀精度、管理效率等方面均有優勢，具有重要的現實指導意義以及廣闊的市場前景和社會經濟價值。