基于S7-300 PLC和Matlab的蘋果自動分級系統(tǒng)設(shè)計

劉忠超，劉勇軍，常有周

(1.南陽理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，河南南陽 473004； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌 712100)

我國是水果生產(chǎn)大國，蘋果是我國產(chǎn)量最大的水果，已經(jīng)成為我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的一大支柱產(chǎn)業(yè)，為促進(jìn)農(nóng)民增收、擴(kuò)大城鄉(xiāng)居民就業(yè)和改善生態(tài)環(huán)境作出了積極貢獻(xiàn)[1]。雖然我國蘋果產(chǎn)量很大，但參與國際貿(mào)易的比例一直很低，出口量不到國際水果貿(mào)易的3%，主要以本國消費(fèi)為主，其中一個重要原因就是采后商品化處理落后，外觀質(zhì)量較差，導(dǎo)致蘋果的市場競爭力比較弱。分級是蘋果商品化處理的重要環(huán)節(jié)，通過分級可以提高蘋果產(chǎn)值。傳統(tǒng)蘋果分級依靠人工操作和判定，具有較大的主觀性，因此建立高效的自動化分級體系勢在必行[2]。本研究提出了一種基于西門子S7-300 PLC和Matlab的蘋果分級系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了蘋果的自動化分級，減輕了人工分級的勞動強(qiáng)度，提升了蘋果產(chǎn)后的質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

蘋果自動分級系統(tǒng)主要由圖像采集裝置、圖像處理計算機(jī)、PLC控制分級系統(tǒng)以及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。圖像采集部分由USB攝像頭、激光對射傳感器和光源組成。蘋果傳送裝置由電機(jī)、傳送帶等組成，同時機(jī)械手、激光對射傳感器、推料氣缸組成執(zhí)行裝置，激光對射傳感器連接到S7-300 PLC控制器輸入端，檢測蘋果位置并控制計算機(jī)對蘋果圖像實(shí)時采集、處理分析，同時通過OPC技術(shù)將處理結(jié)果傳送到WinCC組態(tài)軟件設(shè)計的上位機(jī)分級監(jiān)控系統(tǒng)，最后由組態(tài)軟件將處理結(jié)果傳遞給PLC控制分級推出氣缸動作，從而組成一個完整的蘋果自動分級系統(tǒng)[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)蘋果自動分級原理，系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。蘋果自動分級系統(tǒng)通過傳送裝置輸送蘋果，采用西門子S7-300 PLC作為控制器，激光對射傳感器檢測蘋果位置信號，USB攝像頭采集圖像，機(jī)械手推料氣缸完成分級執(zhí)行機(jī)構(gòu)。上位機(jī)由Matlab圖像采集處理系統(tǒng)和WinCC遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成[4]。

2.1 微控制器選擇

德國西門子S7系列PLC具有極高的性價比，市場占有率高。系統(tǒng)采用S7-300 PLC作為控制器[5]。蘋果分級系統(tǒng)主要由位置開關(guān)量、光電信號等數(shù)字信號的采集，因此用到西門子SM321數(shù)字量輸入模塊和SM322數(shù)字量輸出模塊。S7-300 PLC硬件組態(tài)配置如圖3所示。

2.2 USB攝像頭

蘋果圖像采集通過?？低旸S-2CS5432B-S攝像頭獲取，其USB接口方便與上位機(jī)的連接。其最高分辨率可達(dá)1 920×1 080像素，顯示幀率為30幀/s，最低光照要求為 0.1 lx，能夠滿足對蘋果圖像采集的要求。

2.3 激光對射傳感器

系統(tǒng)采用M12激光對射傳感器來檢測蘋果位置信號并傳遞給PLC，其感應(yīng)距離為0～30 m，工作電壓為直流電10～30 V，采用24 V開關(guān)電源為其供電。該傳感器輸出為NPN型，檢測到蘋果信號時輸出電壓為低電平。而系統(tǒng)所用的SM321數(shù)字量輸入模塊屬于漏型輸入，電流從PLC的輸入端流進(jìn)，從公共端流出[6]。因此需要將NPN型傳感器轉(zhuǎn)換為PNP型，轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。PNP型集電極開路輸出為高電平，當(dāng)輸出OUT端和PLC輸入相連時，電流從PLC的輸入端流入，從PLC的公共端流出，可以方便地與S7-300 PLC連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 S7-300 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

S7-300 PLC是蘋果分級系統(tǒng)的控制核心，主要完成機(jī)械手抓取控制、與上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件通信、控制推料氣缸動作等。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

3.2 Matlab蘋果圖像處理系統(tǒng)設(shè)計

Matlab是一種高度集成的數(shù)值運(yùn)算和可視化軟件，不僅能夠進(jìn)行科學(xué)計算、矩陣變換、信號處理、圖像處理，還能夠創(chuàng)建用戶界面。按照新鮮蘋果分級的GB 10651—1989標(biāo)準(zhǔn)，蘋果大小是其分級的一個重要依據(jù)[7]。Matlab程序設(shè)計包括與WinCC組態(tài)軟件通信程序、讀取和處理蘋果圖像程序。蘋果圖像處理程序流程如圖6所示。

3.3 WinCC上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)蘋果分級遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控，采用工控組態(tài)軟件WinCC來開發(fā)蘋果分級監(jiān)控系統(tǒng)。WinCC全面支持OPC通信標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)采用WinCC作為OPC服務(wù)器，Matlab蘋果圖像處理系統(tǒng)作為OPC客戶端，通過OPC實(shí)現(xiàn)了兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞[9-10]。其WinCC和Matlab通信流程如圖7所示。

4 系統(tǒng)功能測試

(1)如圖8所示為系統(tǒng)中Matlab采集的蘋果原始圖像和一系列處理后的圖像。通過中值濾波、二值化處理和取反填充后圖像顯得輪廓分明，便于后續(xù)計算處理。

(2)S7-300 PLC控制器根據(jù)Matlab處理的蘋果圖像數(shù)據(jù)來進(jìn)行分級判別進(jìn)而執(zhí)行分級動作，并通過WinCC實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。其蘋果面積大小的數(shù)據(jù)傳輸及其歷史曲線如圖9所示。

(3)分級系統(tǒng)運(yùn)行時如出現(xiàn)進(jìn)料堵塞、運(yùn)輸皮帶等故障會產(chǎn)生報警信號，操作人員撥動切除報警器旋鈕即可切除報警；同樣，在分級箱當(dāng)中有一個裝滿時，蜂鳴器指示燈亮，并產(chǎn)生蜂鳴信號，工作人員撥動切除蜂鳴器旋鈕即可解除報警(圖10)。

5 結(jié)論

本研究提出了一種基于S7-300 PLC和WinCC組態(tài)軟件的蘋果自動分級系統(tǒng)，設(shè)計了蘋果分級的控制系統(tǒng)，可根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)對蘋果進(jìn)行快速分級。

借助于Matlab強(qiáng)大的圖像處理能力，設(shè)計了蘋果分級特征提取處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對蘋果大小和形狀的識別、處理，實(shí)現(xiàn)了對蘋果的無損檢測，減少了對蘋果果實(shí)的損傷。

基于OPC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PLC和Matlab之間的通信，Matlab負(fù)責(zé)蘋果圖像采集處理，PLC負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制，系統(tǒng)實(shí)時性好，處理速度快，提高了蘋果分級的自動化水平，具有實(shí)際推廣應(yīng)用價值。