雞蛋電子稱量分級包裝生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王樹才，吳曼琳，吳 闖

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雞蛋電子稱量分級包裝生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王樹才1，吳曼琳1，吳 闖2

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430056）

雞蛋質(zhì)量分級是雞蛋生產(chǎn)加工和銷售前處理的重要工序之一，為了提高雞蛋分級的生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確率，該文研究了一種用于雞蛋電子稱量、分級包裝的同步跟蹤自動控制系統(tǒng)，由稱量部分、分級部分、裝盤部分和自動送盤部分組成。利用一種32位嵌入式RISC處理器ARM同時(shí)采集多個(gè)通道傳感器的雞蛋質(zhì)量信號并進(jìn)行處理，將處理后的信息通過并行口送到可編程邏輯控制器PLC的寄存器，PLC對雞蛋質(zhì)量進(jìn)行等級判斷。利用限位開關(guān)脈沖作為數(shù)據(jù)傳遞的觸發(fā)信號，然后利用編碼器產(chǎn)生的高速脈沖實(shí)現(xiàn)對雞蛋運(yùn)動的位置精確定位，并控制相應(yīng)的執(zhí)行元件，配合機(jī)械裝置的運(yùn)動，解決了雞蛋6排稱量轉(zhuǎn)單排線后的位置同步跟蹤、對應(yīng)電磁鐵的準(zhǔn)時(shí)動作和復(fù)位及分級之后雞蛋自動裝盤的難點(diǎn)，完成質(zhì)量采集、分級卸料、裝盤、送盤等動作，實(shí)現(xiàn)對不同質(zhì)量等級范圍雞蛋的精確分級包裝。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)測量誤差在±1 g以內(nèi)的雞蛋占85.6%，分級準(zhǔn)確率達(dá)到98%，生產(chǎn)效率為30 000枚/h，該研究結(jié)果有助于提高雞蛋分級的生產(chǎn)效率，可為雞蛋分級技術(shù)國產(chǎn)化提供參考。

控制系統(tǒng)；傳感器；包裝；分級；雞蛋；同步跟蹤

0 引 言

目前，發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的雞蛋分級包裝生產(chǎn)線效率較高[1]。MOBA公司推出的Omnia系列產(chǎn)品，是電腦控制的雞蛋分級包裝機(jī)，能對每一枚雞蛋進(jìn)行檢驗(yàn)處理。Omnia系列機(jī)器最低生產(chǎn)效率為30 000枚/h，而中國市場上主流的雞蛋稱量分級機(jī)生產(chǎn)效率為10 000~20 000枚/h[2]。中國禽蛋科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)逐漸認(rèn)識到禽蛋包裝設(shè)備的重要性，成功研制出一些中小型禽蛋處理設(shè)備，生產(chǎn)效率為5 400~20 000枚/h，如由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)和深圳市振野蛋品智能設(shè)備股份有限公司共同研制的蛋品分級機(jī)，禽蛋品質(zhì)無損檢測分級機(jī)等，已經(jīng)批量生產(chǎn)，投放市場[3]。

禽蛋分級包裝機(jī)必須能夠?qū)崟r(shí)檢測、連續(xù)跟蹤輸送線上的禽蛋的位置，使得輸送線上的禽蛋在到達(dá)相應(yīng)等級的分級口時(shí)，能夠控制落蛋器準(zhǔn)確卸下該等級的禽蛋[4-5]。黃永林等[6-7]利用接近開關(guān)和移位寄存器設(shè)計(jì)了一套同步控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水果的準(zhǔn)確自動卸果。蔡文[8]和楊春偉[9]將此同步控制系統(tǒng)應(yīng)用于禽蛋分級，研究了多通道禽蛋動態(tài)稱量及分級控制系統(tǒng)，生產(chǎn)效率5個(gè)/s，動態(tài)稱量誤差在±1.5 g之間，準(zhǔn)確率達(dá)到93%，但是分級之后需要人工揀蛋裝盤，并未實(shí)現(xiàn)雞蛋的全自動化分級包裝。本文研究了6排稱量單排自動裝托分級包裝機(jī)，采用ARM采樣稱量，PLC控制執(zhí)行元件的方法，生產(chǎn)效率為30 000枚/h，機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定，不需要人工裝盤，可以大幅度減少生產(chǎn)中所需的人力，實(shí)現(xiàn)分級、包裝一體化。本文主要研究上述系統(tǒng)的質(zhì)量采集和分級包裝自動控制裝置，以期為雞蛋分級技術(shù)國產(chǎn)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 分級包裝生產(chǎn)線的機(jī)械結(jié)構(gòu)及硬件裝置

1.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

在雞蛋分級包裝過程控制中，需要對雞蛋進(jìn)行質(zhì)量檢測、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、雞蛋同步位置跟蹤，最后實(shí)現(xiàn)自動分級，生產(chǎn)線如圖1a所示。在稱量部分，由擺動從動件凸輪機(jī)構(gòu)[10-11]托持雞蛋，緩沖后接近于零速將雞蛋擱置在稱重傳感器上，課題組設(shè)計(jì)的6排零速電子稱量裝置[12-13]（專利號：201420296069.9，201420612801.9）使用ARM每次同時(shí)讀取6個(gè)稱重傳感器的數(shù)據(jù)，采用平均值濾波處理后，將質(zhì)量數(shù)據(jù)通過自由口通信協(xié)議發(fā)送給PLC；在分級部分，PLC判斷質(zhì)量數(shù)據(jù)對應(yīng)的等級，控制相應(yīng)的卸料電磁鐵啟動，推動動蛋托上部的不完全齒輪的一對外嚙合齒運(yùn)動，在嚙合齒帶動下載有雞蛋的由兩瓣組成的動蛋托張開，放下該等級雞蛋。本分級包裝生產(chǎn)線采用6′5孔紙漿蛋盤包裝，每盤裝30枚雞蛋。當(dāng)中轉(zhuǎn)蛋托上接滿6個(gè)蛋時(shí)，PLC給電機(jī)一個(gè)運(yùn)行信號，接蛋裝置向下運(yùn)動的同時(shí)向中間靠攏，接近到蛋盤時(shí)張開放蛋，雞蛋落入紙漿蛋盤，接蛋裝置復(fù)位。本分級系統(tǒng)將雞蛋分5個(gè)等級（等級1~5，見表1），每個(gè)等級上對應(yīng)6′5孔蛋盤的每排6列布置6個(gè)電磁鐵，共30個(gè)電磁鐵，要求30個(gè)電磁鐵分別在準(zhǔn)確的時(shí)刻推動動蛋托上部的嚙合齒運(yùn)動是本研究需要解決的關(guān)鍵問題，本文采用限位開關(guān)、編碼器、寄存器和固態(tài)繼電器來實(shí)現(xiàn)電磁鐵的精確動作。

a. 生產(chǎn)線三維總體結(jié)構(gòu)圖（局部放大）

a. Three-dimensional general structure diagram of production line (fractionated gain)

b. 稱量部分三維結(jié)構(gòu)圖

b. Three dimensional structure diagram of weighting part

c. 光電傳感器安裝示意圖

c Schematic diagram of photoelectric sensor installation

d 接近開關(guān)安裝位置

d. Proximity switch installation position

1. 六排上蛋部分2. 稱量部分 3. 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 4. 自動降盤部分 5. 接蛋裝置 6. 單排線上的動蛋托 7. 6′5孔蛋盤8. 接近開關(guān) 9. 裝載蛋盤部分10. 單排線送蛋11. 稱重傳感器 12. 雞蛋稱量位置 13. 緩沖裝置 14. 撥板 15. 凸輪16. 接收端口1 17. 接收端口2 18. 發(fā)射端 19. 固定接收端 20. 短柄 21. 長柄 22. 短柄接收端 23. 長柄接收端

1. Six rows of eggs 2. Weighing part 3. Turnover mechanism 4. Automatic drop down part 5. Egg connecting device 6. Dynamic single cable tray egg 7. 6×5 egg plate 8. Proximity switches 9. Load egg tray 10. Single cable to send eggs 11. Weighing sensor 12. Egg weighing position 13. Buffer device 14. Dial plate 15. Cam16. Receive port 1 17. Receive port 2 18. Transmitter end 19. Fixed receiving end 20. Short handle 21. Long handle 22. Short handle receiving end 23. Long handle receiving end

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Mechanical structure diagram

表1 雞蛋的質(zhì)量等級分類

注：數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[14]。

Note: Data from the literature [14].

1.1.2 硬件裝置

雞蛋從滾動蛋輥上落到稱重傳感器（型號：YZC-282，廣州蘭瑟電子科技有限公司）上時(shí)，由凸輪驅(qū)動的承載機(jī)構(gòu)對雞蛋產(chǎn)生緩沖作用，使雞蛋以接近于零速擱置在稱重傳感器上，實(shí)現(xiàn)高精度的靜止稱量。圖1b是該稱量部分示意圖，稱量部分有4組撥板，撥板轉(zhuǎn)動一圈，撥動4批共24枚雞蛋轉(zhuǎn)入單排線，所以單排線的轉(zhuǎn)速應(yīng)是6排稱量部分轉(zhuǎn)速的4倍。單排線和稱量部分由同一電機(jī)（型號：K8RG25NC-B，韓國GGM電機(jī)株式會社）帶動，變速過程由偏心鏈輪實(shí)現(xiàn)。因此單排線上電機(jī)轉(zhuǎn)動一周，撥板撥一批6枚雞蛋過來。經(jīng)仿真和實(shí)測，從雞蛋落在稱重傳感器上到被撥板撥走，撥板轉(zhuǎn)動角度為70°，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速（83.5 r/min）運(yùn)行時(shí)，雞蛋在傳感器上停留的最長時(shí)間在240 ms左右。為了確定稱量采樣時(shí)間，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝有一個(gè)光電傳感器（型號：BM3M-TDT2，奧托尼克斯上海分公司）的發(fā)射端，接收端有兩個(gè)感光端口且固定在機(jī)架上，端口1和端口2與發(fā)射端連線間夾角30°，端口1獲得信號表明雞蛋在傳感器上已穩(wěn)定，通知ARM板開始稱量；端口2獲得信號表明雞蛋正被撥走，進(jìn)入分級系統(tǒng)。端口1和端口2信號的間隔時(shí)間為雞蛋在傳感器上的穩(wěn)定時(shí)間，在此時(shí)間段中稱量采樣，如圖1c所示。

在自動裝盤部分有兩個(gè)普通電機(jī)，第一個(gè)間隙運(yùn)動，驅(qū)動鏈條將從自動降托機(jī)械落下的空蛋盤送至接蛋裝置下方，等待蛋盤裝滿雞蛋；第二個(gè)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，將裝滿雞蛋的蛋盤輸送至人工裝箱處。在第一個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部分，安裝有接近開關(guān)，用來保證中轉(zhuǎn)蛋托將雞蛋放入紙漿蛋盤時(shí)，蛋盤可以運(yùn)行到準(zhǔn)確的位置，如圖1d所示。

1.2 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.2.1 總電路示意圖

圖2為該生產(chǎn)線的電路示意圖。壓力傳感器先將每枚雞蛋的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，電壓信號通過模擬濾波器（型號：LTC1043，Linear Technology Corporation公司）進(jìn)行濾波[15-17]。濾波后的模擬信號通過AD7714（型號：AD7714，Analog Devices，Inc公司）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將數(shù)字信號發(fā)送給ARM（型號：stm32f407，意法半導(dǎo)體有限公司）。ARM在對數(shù)字信號進(jìn)行非線性校正、頻率補(bǔ)償、數(shù)字濾波等算法處理之后[18-22]，將測得數(shù)據(jù)通過自由口通信協(xié)議送到PLC，PLC針對分級標(biāo)準(zhǔn)將每個(gè)雞蛋質(zhì)量數(shù)據(jù)歸類到不同的等級并控制對應(yīng)的電磁鐵在準(zhǔn)確位置動作，使得雞蛋掉落在中轉(zhuǎn)蛋托上，同時(shí)PLC還需控制六排上蛋部分電機(jī)、單排線電機(jī)、各個(gè)分級線電機(jī)的運(yùn)行。

圖2 電路示意圖

1.2.2 雞蛋質(zhì)量信息的采集和處理

首先對稱重傳感器以10、20、50、100 g進(jìn)行線性標(biāo)定[22]，實(shí)際質(zhì)量與測量質(zhì)量在不同區(qū)間等級內(nèi)誤差均非常小，表明傳感器及硬件電路的線性度較好，可忽略由于系統(tǒng)線性度偏差造成的稱量精度誤差。然后在2個(gè)接收端的間隔時(shí)間中稱量采樣，連續(xù)采樣16個(gè)，采用平均值濾波，輸出最后的質(zhì)量數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)采用自由口通信協(xié)議，自由端口模式允許用戶程序控制S7-200 CPU的通信端口。在自由端口模式，由用戶自己定義與其他設(shè)備的通信的協(xié)議。PLC作為主站，ARM作為從站，主站主動發(fā)送請求消息，從站收到后返回響應(yīng)[24]，即每次發(fā)送6個(gè)雞蛋的質(zhì)量信息。

在S7-200和ARM之間安裝帶有MAX3232芯片的TTL轉(zhuǎn)232模塊[25]。PLC上發(fā)出的電平信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換，由TXD、RXD串口線輸入到stm32f407的內(nèi)部寄存器，stm32f407接收到信號之后，將6個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC。

ARM部分通過串口中斷接收和發(fā)送信息，設(shè)置內(nèi)部專用寄存器，PCON中的SMOD設(shè)為1，SCON置為50 H，使串口選用工作方式1，TMOD置為20 H，使用定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器，并使它工作在自動重裝載方式2，TH1置為FDH。

按照自由口通信協(xié)議，定義完整的消息報(bào)文格式，規(guī)定一次傳送8位數(shù)據(jù)位，一個(gè)起始位，一個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)，波特率9 600 bit/s。同時(shí)在發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中加入CRC校驗(yàn)碼[26]，接收方接收到后，進(jìn)行同樣的運(yùn)算，并把結(jié)果與CRC比較，如果兩者不相等，則認(rèn)為傳輸數(shù)據(jù)出錯(cuò)。對于檢驗(yàn)到出錯(cuò)的數(shù)據(jù)直接放棄，同時(shí)立即發(fā)送反饋信號要求發(fā)送方重發(fā)數(shù)據(jù)。

1.2.3 分級包裝系統(tǒng)的控制

單排線由伺服電機(jī)驅(qū)動，安裝有120線的增量式光電編碼器（型號：E50S8-120-3-T-24，奧托尼克斯上海分公司），電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，發(fā)出120個(gè)脈沖，如電機(jī)轉(zhuǎn)速為83.5 r/min，則編碼器頻率為167個(gè)脈沖/s，將此脈沖作為外部脈沖基準(zhǔn)信號頻率[27-31]。

為了實(shí)現(xiàn)雞蛋的自動分級裝托，該機(jī)器的分級控制系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)檢測、連續(xù)跟蹤單排線上的雞蛋的動態(tài)位置，當(dāng)對應(yīng)某個(gè)等級的雞蛋到來時(shí)，由繼電器（型號：固態(tài)繼電器，歐姆龍（中國）有限公司）控制的電磁鐵在這一時(shí)刻彈出，碰撞蛋托的嚙合口，雞蛋落下，做平拋運(yùn)動，落入接蛋裝置中，電磁鐵打開動蛋托的嚙合口后立即恢復(fù)原位。

靜止時(shí)，單排線上水平有110個(gè)運(yùn)行蛋托，每一個(gè)動蛋托所處的位置對應(yīng)一個(gè)工位，六排轉(zhuǎn)單排裝置將6個(gè)雞蛋放置到第3~8個(gè)動蛋托上，以六排上蛋裝置右邊放置的第一位依次命名為工位shift1、shift2、shift3、shift4……假設(shè)第一輪放置的6個(gè)雞蛋等級為shift1=1，shift2=2，shift3=3，shift4=4，shift5=5，shift6=5。

如圖3所示，在shift6前面安裝一個(gè)限位開關(guān)，動蛋托前進(jìn)一個(gè)工位，也就是兩個(gè)動蛋托之間的間隔63.5mm，計(jì)數(shù)復(fù)位一次，進(jìn)行數(shù)據(jù)依次傳遞。也就是將shift1的數(shù)值傳遞給shift2，然后賦值shift1=0，shift2的數(shù)值傳遞給shift3，賦值shift2=0…… shift6的數(shù)值傳遞給shift7，當(dāng)shift1~6都等于0時(shí)，雞蛋的質(zhì)量已經(jīng)由shift1~6傳遞到shift7~12工位上，即shift12=5，shift11=5，shift10=4，shift9=3，shift8=2，shift7=1。此時(shí)6排轉(zhuǎn)單排裝置再往單排線上放雞蛋，shift1~6又有新的質(zhì)量等級賦值，開始下一輪的數(shù)值傳遞。

1. 單排線 2. 動蛋托 3. 編碼器和電機(jī) 4. 一次上6個(gè)蛋

雞蛋是在分級處從右往左逐個(gè)分級，每一個(gè)等級口有6個(gè)電磁鐵，將第一等級的6個(gè)電磁鐵命名為1A、1B、1C、1D、1E、1F，第二等級的電磁鐵為2A、2B、2C、2D、2E、2F……當(dāng)?shù)谝惠喌臄?shù)據(jù)傳到第一個(gè)等級shift29~shift34位時(shí)，shift34=5，shift33=5，shift32=4，shift31=3，shift30=2，shift29=1，對每一位進(jìn)行判斷，并且設(shè)置信號連鎖，shift29工位的雞蛋應(yīng)該落在第一等級的第一個(gè)位置。當(dāng)接蛋器空置時(shí)，電磁鐵信號處于0狀態(tài)；當(dāng)電磁鐵信號置于1時(shí)，電磁鐵彈出瞬間復(fù)位。

單排線上，動蛋托與動蛋托的間隔為63.5 mm，電機(jī)運(yùn)行速度為83.5 r/min，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，單排線前進(jìn)6個(gè)動蛋托的距離，既381 mm；PLC獲得分級信號后，電磁鐵將動蛋托的嚙合口打開，以水平速度530.225 mm/s前進(jìn)的雞蛋通過平拋運(yùn)動落到中轉(zhuǎn)蛋托中，中轉(zhuǎn)蛋托與單排線的高度差92.91 mm，則雞蛋落入中轉(zhuǎn)蛋托的時(shí)間為（其中，=92.91 mm，重力加速度= 9.8 m/s2），編碼器脈沖頻率為167個(gè)/s，此時(shí)間段內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出脈沖數(shù)為1/0.1377×167=23個(gè)。由此可見，每一個(gè)雞蛋并不是在接蛋裝置的正上方工位被電磁鐵打落，而是需要提前23個(gè)脈沖開啟電磁鐵的動作。

本分級包裝生產(chǎn)線使用的是6′5孔紙漿蛋盤包裝，當(dāng)中轉(zhuǎn)蛋托上接滿6個(gè)蛋時(shí)，PLC給電機(jī)一個(gè)運(yùn)行信號，由于蛋盤上雞蛋的間隔小于中轉(zhuǎn)蛋托的間隔，中轉(zhuǎn)蛋托向下運(yùn)動的同時(shí)向中間靠攏，接近到蛋盤時(shí)張開放蛋，雞蛋落入包裝蛋盤，中轉(zhuǎn)蛋托沿原路返回復(fù)位，此部分由電機(jī)帶動機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)（見圖1a中的6）。

當(dāng)接蛋裝置將6個(gè)蛋放置在蛋盤上，電機(jī)轉(zhuǎn)動，接近開關(guān)檢測到短軸時(shí)停止，此時(shí)蛋盤前進(jìn)一小格，也就是一個(gè)雞蛋的距離，當(dāng)裝滿5排蛋，表明整個(gè)蛋盤裝滿了，電機(jī)轉(zhuǎn)動，接近開關(guān)（如圖1d）檢測到長軸時(shí)停止，下一個(gè)空蛋盤到來準(zhǔn)備接蛋。

在接蛋裝置（圖1a中的5）之前和之后都安裝有光電傳感器，前者的作用是檢測自動降托裝置上是否還有空蛋盤，如果沒有，則報(bào)警，同時(shí)機(jī)器停止運(yùn)行；后者的作用是，檢測裝滿雞蛋的蛋盤在傳送線上是否累積，如果累積，則報(bào)警，同時(shí)機(jī)器停止運(yùn)行。

2 系統(tǒng)試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)中從養(yǎng)雞場隨機(jī)選取300個(gè)蛋，采用精度為0.1 g的電子秤稱量所得實(shí)際質(zhì)量，電子稱稱量后對蛋進(jìn)行分級標(biāo)號，（1級：質(zhì)量≥70~100 g的雞蛋4枚；2級：質(zhì)量≥63 ~70 g的雞蛋15枚；3級：質(zhì)量≥55~63 g的雞蛋130枚；4級：質(zhì)量≥50~55 g的雞蛋136枚；5級：質(zhì)量≥45~50 g的雞蛋15枚）將此批次蛋放入雞蛋分級包裝機(jī)進(jìn)行分級，結(jié)果如下。

取300枚雞蛋其中一枚的稱量采樣點(diǎn)還原質(zhì)量曲線為例，如圖4。雞蛋落到稱重傳感器上有一定的沖擊時(shí)間（圖4中1處），沖擊時(shí)間大概為70 ms，逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)間大概為70 ms（圖4中2處），在此時(shí)間內(nèi)取16個(gè)值，進(jìn)行平均值濾波。雞蛋被撥板撥走的時(shí)候，撥板對雞蛋有一個(gè)向下的分力，因此圖4中3處產(chǎn)生大幅度抖動，回落時(shí)間大概為85 ms。雖然每一枚雞蛋的質(zhì)量不同，但是還原曲線趨勢一致，上升時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、回落時(shí)間均與圖4一致，但是在軟件中不能用雞蛋落到稱重傳感器上延時(shí)70 ms后開始采樣，此種方法有可能采集到上升部分的數(shù)據(jù)，也有可能錯(cuò)過穩(wěn)定部分的數(shù)據(jù)。最后采用了轉(zhuǎn)軸上安裝有一個(gè)光電傳感器（如圖1c），用于采樣穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)。

由表2可知，測量誤差在±1 g以內(nèi)的占85.6%，誤差在±1.5 g以內(nèi)的占95.3%。取實(shí)際質(zhì)量分別為46.7、59.1、67.1 g的雞蛋代表小、中、大三類，在使用模擬濾波器和FIR低通濾波器濾去上下尖角之后，在穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)，連續(xù)采集16個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采集間隔為4 ms，取其平均值作為該雞蛋的測量質(zhì)量，下表3為試驗(yàn)中每類雞蛋的10組數(shù)據(jù)。

表2 300個(gè)雞蛋的絕對質(zhì)量誤差范圍

從表3可以看出，對同一枚雞蛋連續(xù)10次稱量，測量誤差在±1 g以內(nèi)占90%，誤差在1~1.5 g的占10%；由于A/D采樣的頻率限制，要想在穩(wěn)定采樣時(shí)間只有70 ms之內(nèi)測到盡可能多和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，經(jīng)過大量重復(fù)測量和計(jì)算，最后比較得到在此時(shí)間段內(nèi)采樣16個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，誤差最小。

表3 實(shí)際測量結(jié)果

表4中，等級2中有1個(gè)屬于等級3的雞蛋，等級3中有2個(gè)屬于等級4的雞蛋，等級4中有2個(gè)屬于等級3的雞蛋，還有1個(gè)屬于等級5的雞蛋，將被錯(cuò)誤分級的6個(gè)雞蛋挑出，可以得到正確分級率為98%；當(dāng)雞蛋的質(zhì)量恰好處于兩個(gè)等級分界線附近時(shí)，由于測量誤差，容易使得被分到錯(cuò)誤等級。如果在此區(qū)間的雞蛋較多，那么分級的正確率會降低。

表4 300個(gè)雞蛋分級

ARM將質(zhì)量信息實(shí)時(shí)傳送給PLC，由于電信號傳輸速度很快，傳輸時(shí)間忽略不計(jì)。PLC的port0口與ARM相連，port1口連接到電腦。打開電源，機(jī)器運(yùn)行時(shí)，ARM將數(shù)據(jù)送到PLC的接收緩沖區(qū)VB200，然后經(jīng)PLC判斷等級之后，送到上位機(jī)顯示（如圖5）。

圖5 上位機(jī)頁面圖

3 結(jié) 論

1）配合雞蛋稱量分級包裝生產(chǎn)線機(jī)械裝置，設(shè)計(jì)了雞蛋質(zhì)量采集，分級信息傳輸，分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，送托、裝托及輸送線的同步自動控制系統(tǒng)；該系統(tǒng)采用ARM對生產(chǎn)線每排的6枚雞蛋同時(shí)進(jìn)行近似零速稱量，通過自由口通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給PLC，采用數(shù)據(jù)工位傳遞的方式按質(zhì)量等級定位雞蛋的位置，并將雞蛋的位置信息作為分級電磁鐵的驅(qū)動信號，控制電磁鐵的適時(shí)彈出和復(fù)位，實(shí)現(xiàn)了雞蛋電子稱量分級包裝生產(chǎn)線的同步跟蹤自動控制。

2）雞蛋稱量分級包裝生產(chǎn)線試驗(yàn)表明：選用的控制元件，驅(qū)動電機(jī)，各類傳感器等，安裝位置及設(shè)置合適，控制策略及控制程序等能很好控制機(jī)械裝置運(yùn)動并協(xié)調(diào)各部分動作，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的機(jī)電一體化工作；試驗(yàn)顯示，該系統(tǒng)稱量誤差小于1g的比例為85.6%，分級準(zhǔn)確率達(dá)到98%。

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Design and test of automatic control system for egg electronic weighing and grading packaging production line

Wang Shucai1, Wu Manlin1, Wu Chuang2

(1.430070,; 2.430056,)

It is generally known that egg weight classification is one of the most important processes of egg production, processing and sales. In order to improve the production efficiency and accuracy of egg grading, this paper introduces a synchronous tracking automatic control system, which is used for electronic weighing and grading packaging of eggs. This new system is based on the task group design of egg grading packaging machine, and composed of 4 parts, namely, a weighing part, a grading part, a loading plate part and an automatic feeding part. The egg grading packaging process includes egg weight detection, data processing, data communication, egg position synchronous tracking and quick boot and reset of electromagnet. Advanced RISC machines (ARM) are used to process egg weight signals collected by multiple-channel sensors, and the weight signal is intercepted in a stable period of time for about 70ms after the simulation of filter, nonlinear correction, and frequency compensation. Then the system uses the average value to perform filter processing. Firstly the processing of information is through the free port communication protocol, which is sent to the programmable logic controller (PLC) of the register; secondly, the PLC controls to start the corresponding discharge electromagnet by judging the grade of egg weights. Then, as the reference signal frequency of external pulse, the high-speed pulse produced by the encoder precisely is applied to locate the position of the movement of the egg by using the method of data location transmission. Then the corresponding actuators are controlled together with the movement of the mechanical device, and the links of weight acquisition, classification of unloading, traying and sending the disc are completed to achieve accurate grading and packing for the eggs in different weight level range. Three hundred eggs are randomly selected as the experimental samples, and electronic scale weighs actual weight and records data. After using ARM to measure the weight of the egg, the weight information is sent to PLC, which is then real-time displayed in the upper computer and compared with the actual weight. At the same time, PLC controls the corresponding discharge solenoid action, so that the eggs of different weights can fall into the egg transfer tray of corresponding level. After we finish the measurement and grading of 300 eggs, each egg is tested continuously for 10 times and the data are recorded. The experimental results show that the weighing error of this control system is between -1 and 1 g, which accounts for 85.6%; the weighing error of this control system is between -1.5 and 1.5 g, which accounts for 95.3%; and the classification accuracy rate reaches 98%. When the egg weight is at the boundary value of 2 levels, it is likely to be assigned to the wrong class because of the measurement error, which greatly affects the accuracy. The research results can help to improve the production efficiency of egg grading, which provides a reference for the localization of egg grading technology.

control systems; sensors; packaging; classification; egg; synchronous tracking

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.036

S226.5

A

1002-6819(2017)-03-0265-07

2016-07-22

2016-12-16

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303084）。

王樹才，男，湖北安陸人，教授，博導(dǎo)，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與設(shè)備。武漢，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，430070。 Email：wsc01@mail.hzau.edu.cn.

王樹才，吳曼琳，吳 闖.雞蛋電子稱量分級包裝生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(3)：265－271. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.036 http://www.tcsae.org

Wang Shucai, Wu Manlin, Wu Chuang.Design and test of automatic control system for egg electronic weighing and grading packaging production line[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 265－271. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.036 http://www.tcsae.org