多成份塑料垃圾光譜分選控制原型系統(tǒng)研究

歐陽竟成，湛騰西，歐先鋒，申巧巧，彭鄧華，劉志鵬，彭 鑫

(1.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006；2.復(fù)雜工業(yè)物流系統(tǒng)智能控制與優(yōu)化湖南省重點實驗室，湖南 岳陽 414006)

多成份塑料垃圾光譜分選控制原型系統(tǒng)研究

歐陽竟成1,2，湛騰西1,2，歐先鋒1，2*，申巧巧1,2，彭鄧華1,2，劉志鵬1,2，彭 鑫1,2

(1.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006；2.復(fù)雜工業(yè)物流系統(tǒng)智能控制與優(yōu)化湖南省重點實驗室，湖南 岳陽 414006)

針對多種塑料垃圾混合分選問題，設(shè)計了一種基于近紅外技術(shù)的逆料垃圾分選控制原型系統(tǒng)，各控制節(jié)點集成了CAN總線通信技術(shù)。在Labview環(huán)境下開發(fā)了系統(tǒng)原型，測試結(jié)果表明系統(tǒng)具有較快的控制分選速度與穩(wěn)定的通信性能。

塑料分選；控制平臺；CAN總線；近紅外技術(shù)

1981年美國回收技術(shù)公司(NRT)采用檢測PVC中的氯原子技術(shù)，開啟了X光塑料垃圾分選時代。90年代美國研發(fā)了首臺近紅外光電分選機，利用近紅外吸收光譜可以分辨出多種不同的塑料。2000—2010年，近紅外光譜分選技術(shù)有了很好的發(fā)展。意大利Montell公司制造了TiTech NIR塑料分離系統(tǒng)，德國Buhler AG公司開發(fā)了NIRIKS系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠快速鑒別廢舊塑料，被測物件的最小尺寸為4 cm×4 cm，分選速度可達每秒25個掃描數(shù)據(jù)。但我國目前尚未見報道類似完整的分離系統(tǒng)的研究工作。

本文設(shè)計了一種基于近紅外技術(shù)的多種塑料垃圾混合分選系統(tǒng)，利用塑料在近紅外波段其透射光譜吸收峰位置與強度的不同對塑料吸收光譜進行區(qū)分與氣動分選，在氣動裝置方面采用閥島技術(shù)與氣動智能聯(lián)動等新技術(shù)，提高了塑料垃圾分選規(guī)?；c純度。在Labview平臺上開發(fā)了原型系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達等功能。

1 原型系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

原型系統(tǒng)采用上位機、下位機、現(xiàn)場總線組合分層結(jié)構(gòu)，上位機對下位機與CAN總線節(jié)點進行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。下位機針對3個節(jié)點進行并行通信，同時也在現(xiàn)場總線上進行雙向通信。依據(jù)設(shè)備測量寬度不同(1～1.5 m)，光譜與氣動組合單元將有10～15個左右不等。在此架構(gòu)下下位機可以達到5個以上。系統(tǒng)終端節(jié)點由多個部分組成，各處理單元依照CAN總線通信協(xié)議與上位機或下位機進行雙向通信[1]。上位機軟件用Labview設(shè)計界面，將接收到的數(shù)據(jù)處理后實時顯示并產(chǎn)生相關(guān)氣動裝置控制指令達到分選的目的，組合分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 下位機任務(wù)分解

1)通過并行通信，完成規(guī)定時間的設(shè)備環(huán)境溫度、輸送帶轉(zhuǎn)速等測量數(shù)據(jù)存儲或結(jié)果的輸出，便于以后對歷史數(shù)據(jù)的查找，這也是測控系統(tǒng)的常規(guī)工作。

2)通過CAN總線與其他節(jié)點進行平臺勤務(wù)通信。

3)如遇到非典型光譜數(shù)據(jù)，下位機直接進行并行分析與比對處理，并將光譜圖像文件傳上位機建模。

圖1 原型系統(tǒng)分層組合整體結(jié)構(gòu)

1.3 上位機任務(wù)分解

1)周期任務(wù)：每250 ms對塑料垃圾原料傳送帶與分選傳送帶的轉(zhuǎn)速信號采集一次。每500 ms對溫度、氣壓信號采集一次。因為這幾個參數(shù)的慣性比較大，所以對實時性的要求不是太嚴格。

2)控制任務(wù)：根據(jù)對塑料垃圾分選光譜正確率的數(shù)據(jù)分析，對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)以保持塑料垃圾原料傳送帶轉(zhuǎn)速與識別正確率在一個合適的匹配范圍內(nèi)；另一個重要的控制任務(wù)是氣動分選聯(lián)動控制信號輸出。

3)動態(tài)顯示任務(wù)：對整個系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)動態(tài)的顯示，便于管理者掌握系統(tǒng)的狀態(tài)。動態(tài)顯示對系統(tǒng)資源的消耗較大，所以從下位機任務(wù)中分離出來，由上位機實現(xiàn)。

4)數(shù)據(jù)通信任務(wù)：與下位機之間的并行通信和將系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布到其他控制臺，通過局域網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控等任務(wù)。

1.4 控制節(jié)點結(jié)構(gòu)與功能

各控制節(jié)點采用CAN總線技術(shù)實現(xiàn)，利用STM32作為CPU，STM32通過總線控制器與CAN進行接口，采樣光譜模擬信號，提取特征現(xiàn)場比對，能自舉處理光譜圖像[2]，有較大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。如果特征數(shù)據(jù)可以比對，則實時數(shù)據(jù)處理任務(wù)全部通過現(xiàn)場總線完成，否則先通過下位機進行相關(guān)并行處理。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，控制節(jié)點應(yīng)具有如下功能：

1)依據(jù)本單元檢測到的光譜特征值，并呼叫相臨通道傳送檢測狀態(tài)與特征值，運行關(guān)聯(lián)算法，產(chǎn)生氣動動作。

2)進行總線勤務(wù)信息傳送，如本節(jié)點故障，臨節(jié)點異常呼叫等。

3)光譜特征值分析與檢測，并進行本節(jié)點現(xiàn)場模式識別；若識別不成功，則通過并口將光譜文件與對應(yīng)下位機進行通信。

圖2 控制節(jié)點結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)原型開發(fā)

2.1 控制節(jié)點軟件開發(fā)

Labview是一種圖形化編程語言開發(fā)環(huán)境，簡稱VI，包括3部分：前面板組件、后面板框圖程序和圖標連接器，創(chuàng)建的程序結(jié)構(gòu)模塊化強，更易于理解，調(diào)試及維護。

根據(jù)上述控制節(jié)點的設(shè)計方案，在Labview中進行軟件開發(fā)，流程如圖3所示。

圖3 控制節(jié)點開發(fā)流程

1)初始化

調(diào)用CAN接口卡提供的函數(shù)庫中的VCI_OpenDevice()函數(shù)，此函數(shù)用于打開設(shè)備，依據(jù)調(diào)用返回值判斷成功與失敗。對指定的CAN接口卡進行初始化調(diào)用VCI_InitCAN()函數(shù)[3]。

2)數(shù)據(jù)接收程序

函數(shù)庫中的接收函數(shù)為VCI_Receive()，此函數(shù)用于從指定設(shè)備上讀取數(shù)據(jù)函數(shù)，并返回實際讀取的幀數(shù)。如果返回值為0xFFFFFFFF，則表示讀取數(shù)據(jù)失敗，有錯誤發(fā)生，此時可通過VCI_ReadErrInfo()函數(shù)來獲取錯誤碼。

3)數(shù)據(jù)發(fā)送程序

為了能夠讓上位機進行數(shù)據(jù)發(fā)送，就必須調(diào)用CAN接口卡里面的庫函數(shù)VCI_Receive()[4]，并且返回一個實際發(fā)送的幀數(shù)。其中VCI_CAN_OBJ()函數(shù)是用來傳輸CAN的幀信息，其中參數(shù)有ID報文、TimeStamp接收的時間標識、SendType幀發(fā)送類型、RemoteFlag遠程幀、ExternFlag擴展幀等函數(shù)。

4)接口卡其他相關(guān)操作

清理緩存啟動CAN接口卡之后必須對緩沖區(qū)的上次數(shù)據(jù)進行一次清理，調(diào)用函數(shù)庫中的VCI_ClrBuffer()函數(shù)完成此功能，調(diào)用庫函數(shù)中的VCI_CloseDevie()，對設(shè)備進行關(guān)閉，依據(jù)返回值判斷關(guān)閉成功與否[5]。

2.2 系統(tǒng)控制軟件開發(fā)

1)主控界面

主控界面包括氣壓檢測、環(huán)境溫度檢測、塑料分選界面和自檢等模塊。氣壓檢測的范圍是0～1 MPa，環(huán)境溫度的檢測范圍是0～100 ℃。設(shè)計了氣壓表圖標、溫度表圖標虛擬儀器[6]。在此實驗系統(tǒng)的界面的中部，設(shè)計了PET、PVC、PP、PS、PE這5種塑料來分選按紐。自檢模塊包括光電單元自檢、氣動單元自檢、原料輸送帶自檢、分選輸送帶自檢。此外，主界面設(shè)計有時鐘系統(tǒng)的顯示。

2)光電檢測單元

主界面中的光電單元檢測模塊，可以很清楚地在控制平臺主界面查看每檢測每個光電接口單元關(guān)態(tài)。每次測完之后可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表存儲。然后按“查詢數(shù)據(jù)庫”可以查看到以前的數(shù)據(jù)，還可以顯示測量的時間點與設(shè)備狀態(tài)。

3)氣動單元功能檢測

氣動單元檢測模塊與顯示氣動噴頭的運行情況，可以很清楚地查看是哪個氣動噴頭出現(xiàn)問題而不必到現(xiàn)場一個一個去查看問題。同時每次測完之后可以將它導(dǎo)入Excel表存儲進數(shù)據(jù)庫，然后按“查詢數(shù)據(jù)庫”可以查看到以前的數(shù)據(jù)，還可以顯示測量的時間。

4)各輸送帶檢測界面與功能配置

原料輸送帶需要調(diào)試其傳送速度與光電單元識別延遲之間的匹配關(guān)系，與氣動單元氣流速度之間的關(guān)系。同時需要監(jiān)控輸送帶運行時長，發(fā)熱狀態(tài)，生產(chǎn)率等相關(guān)數(shù)據(jù)。

上述各部分功能開發(fā)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件功能開發(fā)流程

3 測試結(jié)果與分析

按各光電單元所對應(yīng)的輸送帶位置，首選進行單軌測試，判斷各通道光電單元與氣動單元的動作情況；然后，測試多軌道聯(lián)動功能情況，結(jié)果如表1所示。

表1 傳送帶與光譜識別匹配測試結(jié)果

為了專門測試傳送帶速度與光譜識別速度匹配性能，必須洗干凈塑料瓶，并去除標簽與瓶蓋，以消除由于塑料瓶不潔導(dǎo)致的光譜識別誤差。實驗時，首先可以將傳送帶速度調(diào)低，測量動作正確率，當繼續(xù)調(diào)低傳送帶速度，但動作正確率不再提高時，此時的傳送帶速度即為與光譜識別的匹配速度。分選后的傳送帶不做這類匹配性實驗，其速度滿足吞吐量的需要與平衡就可以了。當采用實際塑料垃圾進行實驗時，由于受瓶蓋與標簽及污物的影響，其動作降正確率將略有降低。

4 結(jié)語

基于Labview虛擬儀器軟件技術(shù)及CAN總線來構(gòu)建的塑料垃圾分選原型系統(tǒng)，能夠讓控制平臺與下位機部分多節(jié)點、多門類測控部件之間通信，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、通信距離遠、能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境、防干擾能力強、安全性高等優(yōu)點，同時下位機采用MSP430，價格低廉，外設(shè)器件少，較好地節(jié)省了成本。本系統(tǒng)與其他文本語言開發(fā)的系統(tǒng)相比，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)周期短，實用性較強，數(shù)據(jù)處理簡單方便，并且可重復(fù)開發(fā)，對軟件可以進行及時地升級。但是，本系統(tǒng)尚不能支持在線升級功能，需要進行進一步的研發(fā)和改進。

[1] 龔崇權(quán).基于現(xiàn)場總線技術(shù)的虛擬儀器開發(fā)[J].微計算機信息,2006,22(S2):177-178.

[2] 朱海志,楊建武,孫樹文.基于現(xiàn)場總線與虛擬儀器的車輛監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計算機信息,2006,22(20):1-3.

[3] 于潔,鐘佩思.信號發(fā)生器在虛擬儀器界面中的設(shè)計與實現(xiàn)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,19(2):106-110.

[4] 范福玲,韓建勛.基于Labview的虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計[J].中原工學(xué)院學(xué)報,2006,17(4):26-28.

[5] 李廣才,聶東.一種新型多功能虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計[J].肇慶學(xué)院學(xué)報,2008,29(2):25-28.

[6] 劉連生,汪海兵.基于虛擬儀器信號發(fā)生器設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國民航大學(xué)學(xué)報,2007,25(S1):122-123.

Research of the Multicomponent Plastic Refuses Spectrum Selection Control Prototype System

OUYANGJingcheng1,2,ZHANTengxi1,2,OUXianfeng1，2*,SHENQiaoqiao1,2,PENGDenghua1,2,LIUZhipeng1,2,PENGXin1,2

(1. College of Information & Communication Engineering, Hunan Institute of Science & Technology, Yueyang 414006, China; 2.Key Laboratory of Hunan Province on Intelligent Control and Optimization of Complex Industrial Logistics system, Yueyang 414006, China)

This paper designs a plastic refuse selection control prototype system based on near infrared technology, in which all of the control nodes integrate CAN bus communication technology. We develop this prototype system under Labview-based environment, and the results of the test show our system has a fast selection speed and stable communication performance.

plastic refuse selection; control platform; CAN bus; near infrared technology

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.016

2016-11-07

國家自然科學(xué)基金“多接口車聯(lián)網(wǎng)可變帶寬信道分配算法研究”(61300039)；湖南省科技計劃項目“塑料垃圾近紅外光電分選設(shè)備成套技術(shù)研究”(2015SK20693)

歐陽竟成(1967— )，男(漢族)，湖南平江人，副教授，博士，研究方向：智能信息處理。 歐先鋒(1983— )，男(漢族)，湖南郴州人，講師，博士，研究方向：圖像處理、視頻壓縮編碼及傳輸，通信作者郵箱：ouxf123@qq.com。

TP391

A

2095-5383(2016)04-0063-04