基于PLC控制的水果分揀自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 梅，李雅瓊

（阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程科技學(xué)院，安徽 阜陽(yáng)236031）

目前我國(guó)水果產(chǎn)業(yè)在水果產(chǎn)量和品質(zhì)逐年遞增的情況下，總的收入?yún)s一直提不上來(lái)的主要原因是我國(guó)的水果產(chǎn)后處理水平不足.與眾多產(chǎn)后處理流程比如上線(xiàn)、清洗、打蠟、烘干等較為容易實(shí)現(xiàn)的操作相比較，水果的分揀相對(duì)復(fù)雜，其技術(shù)也是水果產(chǎn)后處理的關(guān)鍵.目前的水果分揀技術(shù)有的較為簡(jiǎn)單無(wú)法滿(mǎn)足精細(xì)分揀的需要，有的較為復(fù)雜，成本較高.筆者介紹的這種新型的基于PLC控制的水果分揀自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)使用2種檢測(cè)方式，3個(gè)機(jī)械手，4條傳送帶同時(shí)對(duì)水果的重量和外部品質(zhì)進(jìn)行分揀，提高水果分揀的質(zhì)量，這在當(dāng)前以機(jī)械式分揀為主要分揀技術(shù)的國(guó)內(nèi)，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值.［1］

1 系統(tǒng)整體功能

整個(gè)系統(tǒng)的總體布局如圖1所示，由供料單元通過(guò)供料傳送帶進(jìn)行供料，在傳送帶1進(jìn)口處安裝一個(gè)傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)有信號(hào)說(shuō)明傳送帶1上有水果來(lái)料，這時(shí)傳感器發(fā)出信號(hào)通知PLC可以控制傳送帶1的電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)水果運(yùn)行至稱(chēng)重檢測(cè)單元時(shí)，稱(chēng)重傳感器會(huì)對(duì)水果的重量進(jìn)行分析計(jì)算，由計(jì)算的結(jié)果發(fā)出通知，控制機(jī)械手1將一級(jí)水果抓舉到傳送帶3，二級(jí)水果抓舉到傳送帶2上面，另外一級(jí)則隨著傳送帶1運(yùn)行至包裝1進(jìn)行包裝.抓舉到傳送帶2和傳送帶3上面的水果，在傳送帶2和傳送帶3進(jìn)口處的傳感器檢測(cè)水果到位后，PLC收到傳感器發(fā)出的信號(hào)可以控制傳送帶2和傳送帶3的電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)水果進(jìn)入紅外檢測(cè)單元時(shí)，對(duì)水果的外部品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè).檢測(cè)出來(lái)的水果分別由傳送帶2、傳送帶3、機(jī)械手2和機(jī)械手3分別送至包裝2、3、4、5進(jìn)行包裝.這樣，通過(guò)該自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)的分揀，水果將會(huì)被分為5個(gè)級(jí)別，提高了水果分揀的品質(zhì)，滿(mǎn)足水果分揀的要求.

圖1 水果分揀自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)總體布局圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

和大多數(shù)自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)一樣，基于PLC控制的水果分揀自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程中的控制、運(yùn)轉(zhuǎn)、驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)等功能，其硬件就必須包括以下幾個(gè)部分：檢測(cè)機(jī)構(gòu)、用于運(yùn)行的機(jī)械本體機(jī)構(gòu)、PLC的CPU、PLC的I/O接口部分以及相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等五部分［2］，如圖2所示.

圖2 水果分揀自動(dòng)線(xiàn)各部分的聯(lián)系圖

系統(tǒng)硬件中的傳感器用于檢測(cè)自動(dòng)線(xiàn)上水果的壓力大?。y(cè)量重量）、來(lái)料的位置等信號(hào)信息，將采集的信號(hào)交給PLC的CPU等信息處理部件進(jìn)行分析處理.［3］水果分揀自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功能是由機(jī)械手、電動(dòng)機(jī)等執(zhí)行部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其機(jī)械部分是水果分揀自動(dòng)線(xiàn)的主體部分.因此，水果分揀自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)的硬件主要是由傳感器、PLC控制部分、系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC相互之間的通信系統(tǒng)等構(gòu)成，根據(jù)原來(lái)設(shè)定的功能和檢測(cè)到的結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行.

2.1 PLC控制及系統(tǒng)通信模塊

PLC是整個(gè)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，它不僅擔(dān)負(fù)著對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理和對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的重任，還承擔(dān)著各個(gè)單元之間進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制的任務(wù).基于PLC控制的水果分揀自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)單元之間通過(guò)通信的手段實(shí)現(xiàn)信息的交換，提高了設(shè)備的可控性，實(shí)現(xiàn)“集中處理，分散控制”.系統(tǒng)采用S7-200 PLC，它的CPU有兩個(gè)端口，分別是端口0和端口1，用來(lái)實(shí)現(xiàn)CPU之間PPI通信，PPI通信是S7-200默認(rèn)的通信方式.圖 3是系統(tǒng)的 PPI網(wǎng)絡(luò)圖［4］.

圖3 水果分揀自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)的PPI網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 傳感器檢測(cè)模塊

系統(tǒng)中的檢測(cè)部分是由各類(lèi)傳感器組成的，主要有用于檢測(cè)重量的傳感器、用于檢測(cè)位置的傳感器和用于檢測(cè)水果外部品質(zhì)的傳感器.這些傳感器能感受規(guī)定的被測(cè)量的信息，比如被測(cè)的壓力的變化、溫度的變化并將這些信息轉(zhuǎn)換成方便檢測(cè)的電信號(hào)進(jìn)行輸出，就像人的感官器官一樣感覺(jué)出外界事物的變化，是系統(tǒng)中的檢測(cè)元件［3］.

2.2.1 稱(chēng)重傳感器

系統(tǒng)采用了電阻應(yīng)變式傳感器.為了解決環(huán)境溫度的影響，這里的電阻應(yīng)變式傳感器選擇的是可用于皮帶秤的懸臂梁式稱(chēng)重傳感器JHBL-1［5］.它能夠?qū)⑺闹亓Υ笮∞D(zhuǎn)化為應(yīng)變片的拉伸或壓縮的幅度的變化，該變化會(huì)改變應(yīng)變片電阻的大小，然后再由測(cè)量電路將應(yīng)變片電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，最后送入顯示或記錄儀來(lái)反映或記錄構(gòu)件材料應(yīng)力的大小.將電阻值轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的電路為惠斯登電橋.

2.2.2 光電式接近開(kāi)關(guān)

通常使用的光電式接近開(kāi)關(guān)都是由光發(fā)射器和光接收器兩個(gè)部分構(gòu)成的.其中，光發(fā)射器發(fā)射的光照射到被檢測(cè)物體后，光的一部分或者全部會(huì)被遮擋或反射，然后由相應(yīng)電路對(duì)光的反射情況進(jìn)行分析控制，從而檢測(cè)物體的有無(wú).對(duì)射式、回歸反射式和漫射式是按照光接收器接收光的方式的不同進(jìn)行分類(lèi)的 3種光電接近開(kāi)關(guān)類(lèi)型［4］.

位于傳送帶1、2、3初始位置端，系統(tǒng)用來(lái)檢測(cè)水果是否到位的光電傳感器是一個(gè)可見(jiàn)光光電漫反射式的紅外線(xiàn)M18光電接近開(kāi)關(guān)SYM18J-D50N1，工作時(shí)接近開(kāi)關(guān)的光發(fā)射器始終發(fā)射光線(xiàn)，當(dāng)傳送帶上沒(méi)有水果時(shí)，發(fā)射器發(fā)出去的光不會(huì)被反射回光接收器，此時(shí)光電開(kāi)關(guān)處于常態(tài)，不動(dòng)作；反之若水果進(jìn)入到傳送帶上的接近開(kāi)關(guān)的位置時(shí)，由于水果的遮擋，發(fā)射器發(fā)出的光有一部分就會(huì)被反射回光接收器，當(dāng)接收器接受到發(fā)射回來(lái)的光就會(huì)使接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作而改變輸出狀態(tài).當(dāng)水果進(jìn)入到傳送帶1、2、3時(shí)，傳送帶1、2、3初始位置端的光發(fā)射器發(fā)出的光線(xiàn)遇到水果會(huì)反射回光接收器，光電式接近開(kāi)關(guān)就會(huì)輸出信號(hào)至PLC的輸入端，使PLC的輸入接口部分的數(shù)據(jù)發(fā)生改變，從而啟動(dòng)傳送帶，控制傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn).

2.2.3 光纖傳感器

水果在經(jīng)過(guò)傳送帶2和傳送帶3的時(shí)候會(huì)進(jìn)行第二輪品質(zhì)的分揀，即外觀品質(zhì)分揀.一般的外觀品質(zhì)分揀有兩種方式分別是光電式色澤分選法和計(jì)算機(jī)圖像處理分選法.由于葉綠素的吸光性，水果的外部顏色的差異導(dǎo)致水果在被一定光照射的時(shí)候反射回來(lái)的光的波長(zhǎng)就不同，這是光電式色澤法分揀水果外部品質(zhì)的依據(jù).通常會(huì)結(jié)合傳感器使用，用光電二極管將反射回來(lái)的光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再根據(jù)電信號(hào)的大小來(lái)判別果皮的顏色［5］.本系統(tǒng)采用光纖傳感器作為紅外檢測(cè)單元的檢測(cè)器件來(lái)進(jìn)行水果外部品質(zhì)的判別.

如圖4光纖傳感器的電路［6］所示，將一定波長(zhǎng)的光通過(guò)光纖傳感器的透光元件發(fā)出，并傳送至光纖頭照射水果，水果的顏色不同對(duì)不同波長(zhǎng)的光的反射強(qiáng)度就不同，導(dǎo)致反射光的波長(zhǎng)就不一樣，反射出來(lái)的不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)光纖傳送至受光元件，然后由傳感器的檢測(cè)電路部分將不同的反射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，進(jìn)而可以通過(guò)電路中電流的大小來(lái)判斷水果的外觀品質(zhì).

圖4 光纖傳感器的電路

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊

在水果分揀自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)中，有許多機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制，比如運(yùn)動(dòng)速度的控制、位置的控制、方向的控制、先后順序的控制等，這些控制都是由PLC結(jié)合變頻器和觸摸屏等機(jī)構(gòu)通過(guò)控制伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)以及三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行來(lái)完成的.傳送帶1、2、3的運(yùn)動(dòng)控制是由三相交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，其速度的大小由變頻器來(lái)控制.機(jī)械手輸送單元的控制由伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成.

2.3.1 三相異步電動(dòng)機(jī)

三相異步電動(dòng)機(jī)在傳送單元中使用.由變頻器、組態(tài)和PLC三者結(jié)合通過(guò)改變頻率的方式使三相異步電動(dòng)機(jī)具有不同的轉(zhuǎn)速來(lái)配合機(jī)械手輸送帶單元的運(yùn)行速度.圖5是變頻器與三相異步電動(dòng)機(jī)的接線(xiàn)圖.

圖5 變頻器與三相異步電動(dòng)機(jī)的接線(xiàn)圖

2.3.2 伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器

在水果分揀自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)中，采用伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手單元的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制.伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永久磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)自帶的編碼器同時(shí)將反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，相應(yīng)地調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度［6］.筆者采用松下MHMD022PIU永磁同步交流伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)器使用的是MADDTl207003全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器.

3 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)控制程序設(shè)計(jì)及組態(tài)界面制作

3.1 聯(lián)機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)較為單一，這里不再詳述了.作為一個(gè)自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)，每一個(gè)單站單元通過(guò)PLC的PPI通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)的控制功能.聯(lián)機(jī)狀態(tài)時(shí)有兩點(diǎn)不同之處：①需要等待PLC主站發(fā)出的指令；②各個(gè)工作站之間要進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，并由主站的PLC確定程序的流向等.

作為主站，系統(tǒng)聯(lián)機(jī)運(yùn)行時(shí)，除了要考慮自身的運(yùn)行以外，還要監(jiān)控到各站的準(zhǔn)備和運(yùn)行狀態(tài)等.具體內(nèi)容為：每次系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行前，都要檢查各站PLC通信連接情況，調(diào)用通信子程序等來(lái)完成；每次系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行前，都要檢查系統(tǒng)的工作模式，完成對(duì)系統(tǒng)中所有站點(diǎn)的聯(lián)機(jī)方式的邏輯判斷.也就是說(shuō)系統(tǒng)啟動(dòng)前，所有的站點(diǎn)都應(yīng)該要處于聯(lián)機(jī)狀態(tài)；每次系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行前，在判斷系統(tǒng)中各站是否處于聯(lián)機(jī)狀態(tài)后，還要檢查各站是否在初始狀態(tài)，比如機(jī)械手是否處于原點(diǎn)位置等，也就是系統(tǒng)中各站的初態(tài)檢查和就緒檢查.

3.2 系統(tǒng)組態(tài)界面制作

本系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控界面窗口具有下列功能：具有系統(tǒng)的開(kāi)始、停止和復(fù)位信號(hào)；具有系統(tǒng)單機(jī)和聯(lián)機(jī)模式切換信號(hào)；具有手動(dòng)輸入變頻器的頻率大小信號(hào)的設(shè)定，能夠在組態(tài)界面中直接設(shè)置輸入變頻器頻率；各站和系統(tǒng)運(yùn)行正常與否指示燈；各工作站運(yùn)行指示燈、方式選擇信號(hào)、故障報(bào)警指示等.制作如圖6所示的監(jiān)控界面，其中左右分別是各單元畫(huà)面和全線(xiàn)運(yùn)行畫(huà)面.畫(huà)面和元件制作分為新建畫(huà)面以及屬性設(shè)置、制作文字框圖、狀態(tài)指示燈、切換旋鈕、數(shù)值輸入框、數(shù)據(jù)顯示、矩形框等8部分.這里以供料單元組態(tài)為例，介紹指示燈的制作設(shè)置方法，共分為四步：①單擊插入元件圖標(biāo)，找出如圖6所示的指示燈，按“確認(rèn)”按鈕，雙擊指示燈；②在數(shù)據(jù)對(duì)象標(biāo)簽頁(yè)，點(diǎn)擊填充顏色中的右上角的“？”按鈕，從變量選擇中選出“單機(jī)/全線(xiàn)_供料”數(shù)據(jù)對(duì)象；③點(diǎn)擊 “”按鈕，在選擇填充顏色標(biāo)簽頁(yè)選擇白色，分別設(shè)置分段點(diǎn)0和分段點(diǎn)1的顏色分別為白色和綠色.

圖6 水果分揀自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 結(jié)語(yǔ)

基于PLC控制的水果分揀自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)使用2種檢測(cè)方式，3個(gè)機(jī)械手，4條傳送帶對(duì)水果的重量和外部品質(zhì)進(jìn)行分揀，提高水果分揀的品質(zhì)，達(dá)到了根據(jù)水果的重量和外部品質(zhì)進(jìn)行精細(xì)分揀水果的目標(biāo).筆者介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法并說(shuō)明了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及聯(lián)機(jī)控制和組態(tài)監(jiān)控界面的制作，對(duì)水果分揀生產(chǎn)線(xiàn)的推廣應(yīng)用有一定的研究?jī)r(jià)值.