福橘大小自動分選控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉現(xiàn) 李傳輝 黃語燕 蔡淑芳

摘?要：為了降低福橘分選的勞動力成本，提高分選效率和精度，以維控LEVI777A型觸摸屏為人機(jī)界面，臺達(dá)DVP12SA211T可編程控制器為控制核心，構(gòu)建了一套基于機(jī)器視覺的福橘大小自動分選控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作簡便、人機(jī)界面友好，實現(xiàn)了福橘的自動化分選，有效提高了分選的精度與效率，降低了勞動力成本，具有良好的科研和經(jīng)濟(jì)價值。

關(guān)鍵詞：福橘;分選;系統(tǒng)

福橘是我國橘類中上品，同時也是福州市的市果和傳統(tǒng)名果[1]，果實呈扁圓形，色澤朱紅，鮮艷可人，栽培歷史悠久，久負(fù)盛譽[2]。福橘在農(nóng)歷春節(jié)前后上市，由于色澤鮮紅、皮薄汁多、果香汁甜、甜酸適口，又與“福、吉”諧音，寓納福招吉、福壽吉祥之意，備受群眾喜愛，成為春節(jié)果品種的重要角色。

水果分選是水果采后加工一個十分重要的環(huán)節(jié)，它可以使水果在銷售時具有較高的均勻度，從而更加吸引消費者，以提高其經(jīng)濟(jì)價值。發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗表明，水果產(chǎn)值大部分是由采后處理和加工創(chuàng)造出來的[3]。目前，福橘分選大多采用人工挑揀方法，該方法勞動強(qiáng)度大，分選成本高，容易受人為主觀因素影響，分選誤差大，工作效率低[4]。機(jī)械分級法一般從大小、重量等方面對水果加以分級，分級時容易對水果造成損傷，常用的設(shè)備有果徑大小分級機(jī)、果實質(zhì)量分級機(jī)。葛紀(jì)帥等[5]設(shè)計了一種基于智能稱重可用于多種類球型水果實時、動態(tài)檢測的分級生產(chǎn)線。機(jī)器視覺技術(shù)又稱為計算機(jī)視覺技術(shù)，是一門涉及人工智能、計算機(jī)科學(xué)、圖像處理等多個領(lǐng)域的交叉學(xué)科[6]，利用其對水果加以分級具有客觀、無損、自動、高效等優(yōu)點[7]，已經(jīng)在蘋果、梨、臍橙等水果的分選上得到廣泛的應(yīng)用。馮斌等[8]通過機(jī)器視覺技術(shù)獲取水果的圖像并檢測水果的大小;劉新庭等[9]設(shè)計了一套基于圖像處理的蘋果大小分選系統(tǒng)，分選的準(zhǔn)確率為96.67%。

為了大幅提高福橘分選效率和精度，提升其在產(chǎn)后加工階段的經(jīng)濟(jì)價值，本課題組設(shè)計了一套福橘自動分選控制系統(tǒng)，基于機(jī)器視覺技術(shù)實現(xiàn)福橘大小的自動分選，大幅提高了分選的工作效率，降低了勞動力成本，增加了果農(nóng)的收入，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1?系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1?系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

水果分選機(jī)上配置有圖像采集裝置，依據(jù)水果的圖像采用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行大小分選。分選機(jī)通常由上果段、分選段和分果出口段組成。在上果階段，系統(tǒng)開啟時由PLC控制電機(jī)的開啟來帶動傳送鏈條轉(zhuǎn)動，負(fù)責(zé)上果的工作人員往自動上果機(jī)的上果臺上倒入福橘，自動上果機(jī)將福橘運送至水果分選機(jī)的果盤中，分選機(jī)輸送鏈條承載著果盤均勻地向前輸送，分選階段是最為關(guān)鍵的一個階段。工作人員事先在觸摸屏人機(jī)界面上配置好每個等級的大小分選區(qū)間等參數(shù)，這些參數(shù)保存在觸摸屏中。系統(tǒng)開啟后，PLC通過RS485讀取觸摸屏上的參數(shù)信息，待裝載著福橘的果盤向前輸送到達(dá)圖像采集位置時觸發(fā)圖像采集裝置內(nèi)的相機(jī)進(jìn)行圖像采集，采集到的福橘圖像傳輸至上位機(jī)中，上位機(jī)基于福橘的圖像采用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行大小檢測，檢測結(jié)果傳送至PLC上，PLC與預(yù)先在觸摸屏上設(shè)定的大小分選區(qū)間參數(shù)進(jìn)行比較，確認(rèn)此福橘的大小等級，PLC將等級信息保存于其存儲空間中以便在分果段進(jìn)行正確分果，同時系統(tǒng)安裝有重量傳感器，記錄重量信息，以便用戶統(tǒng)計分析分選的數(shù)據(jù)。在分果階段，PLC調(diào)用存儲在其中的等級信息，當(dāng)所對應(yīng)的果盤到達(dá)等級信息相應(yīng)的分果槽時，PLC控制輸出驅(qū)動板，驅(qū)動板驅(qū)動電磁推桿動作，使果盤發(fā)生傾斜，福橘順勢滾入果槽中完成分選。

1.2?電氣控制

控制系統(tǒng)以觸摸屏為人機(jī)界面，PLC為控制核心，觸摸屏和PLC之間通過RS485進(jìn)行通信，系統(tǒng)內(nèi)部安裝DC24V開關(guān)電源，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電機(jī)和用于分果的電磁推桿，傳感器部分為稱重傳感器，用于記錄重量數(shù)據(jù)，以便用戶統(tǒng)計分析，安全部分為總開漏保。

2?系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)以LEVI777A觸摸屏為人機(jī)界面，臺達(dá)DVP12SA211T PLC為控制核心進(jìn)行構(gòu)建。開發(fā)環(huán)境基于Windows的中文操作系統(tǒng)，采用維控公司開發(fā)的LEVIStudio組態(tài)軟件和臺達(dá)梯形圖編程軟件WPLSoft。系統(tǒng)實現(xiàn)了福橘的大小自動化分選，主要功能模塊包括實時狀態(tài)、分級統(tǒng)計、參數(shù)設(shè)置、報警查詢、密碼修改、手動調(diào)試等。

2.1?實時狀態(tài)

用戶可在觸摸屏上查看當(dāng)前的實時分選結(jié)果，可以查看各個等級果分選的個數(shù)。

2.2?分級統(tǒng)計

系統(tǒng)具備對分選數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計的功能，提高數(shù)據(jù)直觀性和可讀性，便于用戶了解分選的效率。分級統(tǒng)計包括當(dāng)日累計、階段累計、歷史累計以及趨勢分布4種功能。當(dāng)日累計具備統(tǒng)計分析當(dāng)日1 d的分級數(shù)據(jù)的功能，包括統(tǒng)計各個等級果的分級個數(shù)、個數(shù)相應(yīng)的占比和重量數(shù)據(jù);階段累計具備統(tǒng)計分析指定起始日至當(dāng)天的分級數(shù)據(jù)的功能;歷史累計具備統(tǒng)計分析歷史分級數(shù)據(jù)的功能，按歷史天數(shù)累計;趨勢分布包括趨勢統(tǒng)計圖和統(tǒng)計餅圖，是依據(jù)階段統(tǒng)計數(shù)據(jù)而生成的，便于用戶更直觀的分析和查看分級數(shù)據(jù)。

2.3?參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置是一個十分重要的功能。每個出口參數(shù)可以按照用戶需求依次設(shè)置，例如：“1～5號出果口”分別設(shè)置成：特大果、大果、中果、小果、特小果，則在1～5號出果口分選出來的分別是特大果、大果、中果、小果、特小果。

2.4?報警查詢

在觸摸屏報警信息界面上可以查看系統(tǒng)的報警記錄，用戶需定期查看，以便及時發(fā)現(xiàn)問題。

2.5?密碼修改

出于安全性考慮，系統(tǒng)提供了密碼修改的功能。不同級別的用戶擁有其設(shè)定的私人密碼，進(jìn)入系統(tǒng)時需要輸入密碼登錄后方可正常使用該系統(tǒng)。

2.6?手動調(diào)試

用戶可通過開啟手動調(diào)試功能人為地對某個組件進(jìn)行調(diào)試，檢測其功能是否正常。

3?實現(xiàn)結(jié)果

系統(tǒng)投入使用后，運行穩(wěn)定，人機(jī)界面友好，操作便捷，能夠?qū)崿F(xiàn)實時狀態(tài)、分級統(tǒng)計、參數(shù)設(shè)置、報警查詢、密碼修改、手動調(diào)試等功能，有效地滿足了福橘大小自動化分選的實際生產(chǎn)需求。

4?結(jié)語

水果產(chǎn)后處理直接關(guān)系到水果的包裝、運輸、貯藏和銷售，對水果的經(jīng)濟(jì)價值產(chǎn)生重要的影響。西方發(fā)達(dá)國家水果產(chǎn)后處理的比例高達(dá)80%～90%，已經(jīng)基本實現(xiàn)了水果分選的機(jī)械化與自動化，我國水果產(chǎn)后分選以半機(jī)械化甚至手工分選為主，機(jī)械化處理比例還不到5%[10]。因此，研究水果分選技術(shù)以及開發(fā)自動化的水果分選機(jī)具有重要的社會經(jīng)濟(jì)意義。本研究基于機(jī)器視覺技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了福橘大小自動分選控制系統(tǒng)，提高了分選的精度與效率，有效提升了福橘在產(chǎn)后加工階段的經(jīng)濟(jì)價值，增加了果農(nóng)的收入，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王琦，高慧穎.利用茂谷橘橙異花授粉提高福橘果實品質(zhì)[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報，2015，30（7）：662-666.

[2]肖家沂.福橘的人文特色與藥材辨析[J].中國民族民間醫(yī)藥雜志，2012，21（24）：60-60.

[3]張方明，應(yīng)義斌.水果分級機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究和發(fā)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2004，91（1）：33-37.

[4]林開顏，吳軍輝.基于計算機(jī)視覺的水果分級技術(shù)研究進(jìn)展[J].信息化縱橫，2009（10）：1-4.

[5]葛紀(jì)帥，趙春江，黃文倩，等.基于智能稱重的水果分級生產(chǎn)線設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012（1）：126-129.

[6]黎萍，朱軍燕，劉燕德，等.機(jī)器視覺在農(nóng)產(chǎn)品檢測與分級中的應(yīng)用與展望[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，27（5）：796-800.

[7]應(yīng)義斌，饒秀勤，趙勻，等.機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)自動識別中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2000，16（3）：4-8.

[8]馮斌，汪懋華.基于計算機(jī)視覺的水果大小檢測方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2003，34（1）：73-75.

[9]劉新庭，匡迎春，陳熵，等.基于最小外接圓直徑的蘋果分級研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2015，31（20）：239-243.

[10]孫學(xué)巖.基于LabVIEW的稱重式水果分選機(jī)測控系統(tǒng)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（25）：13843-13844.

（責(zé)任編輯：柯文輝）