基于PLC技術(shù)的柿餅分揀系統(tǒng)研究

◎盧丹萍 黃明恒

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)院 530226）

1 引言

柿餅肉質(zhì)柔軟、清甜芳香、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，受人們的喜愛。廣西現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)柿餅產(chǎn)量最高的省區(qū)。柿餅具有一定的貯藏保鮮期，因此柿餅晾曬完成之后需快速的根據(jù)它的品相進(jìn)行分級(jí)分類，然后投放市場(chǎng)。傳統(tǒng)的柿餅分揀由人工根據(jù)大小、色澤、掛霜多少分成不同的等級(jí)，這種方式存在著生產(chǎn)效率低、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、容易引入污染等問題。

本文研究一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的柿餅分揀系統(tǒng)。機(jī)器視覺技術(shù)是指用攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)來模擬人類的視覺功能。通過工業(yè)相機(jī)獲取傳送帶上柿餅的圖像，提取出圖像中的柿餅信息，如形狀、尺寸、色澤、表面特性等，然后控制機(jī)械手完成分棟動(dòng)作。

2 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)由PLC、變頻器、傳送帶、視覺傳感器和拾取機(jī)構(gòu)組成。PLC是系統(tǒng)核心，控制各部分協(xié)調(diào)工作。變頻器控制傳送帶以一定的速度穩(wěn)定工作，帶動(dòng)期中的待檢柿餅勻速通過視覺傳感器識(shí)別區(qū)域，和拾取機(jī)構(gòu)工作區(qū)域。視覺傳感器完成柿餅圖像的采集和跟蹤分析，并把信號(hào)傳輸給PLC。拾取機(jī)構(gòu)根據(jù)PLC的指令完成柿餅的吸取，并根據(jù)不同的分類放入對(duì)應(yīng)的收集箱[1]。

圖1 系統(tǒng)框架

2.1 PLC

本設(shè)計(jì)中，PLC采用中達(dá)優(yōu)控的S-20MR-430-B型,具有12點(diǎn)輸入和16點(diǎn)輸出，2兩路AD以及2路DA。其最大的特點(diǎn)是它由MD430彩色文本顯示器與兼容S7-200系列PLC結(jié)合在一起的一體機(jī)。處理器為A8(80MHz的RISC)，DC24V供電，8000步程序容量，8000個(gè)存儲(chǔ)器。支持日歷時(shí)鐘，掉電無需電池備電。完全滿足本系統(tǒng)的需求。

2.2 視覺傳感器

視覺單元采用歐姆龍F(tuán)H-1050工業(yè)視覺系統(tǒng)主機(jī)與高速工業(yè)相機(jī)組合。訓(xùn)練階段相機(jī)采集傳送帶不同類型柿餅的視頻圖像。把柿餅分為優(yōu)質(zhì)、一般、不合格三大類。編寫腳本并設(shè)置容錯(cuò)閥值之后，視機(jī)可柿餅3種不同類型的柿餅，并給出識(shí)別結(jié)果。同時(shí)，根據(jù)拍攝的圖像的時(shí)間點(diǎn)確定各個(gè)柿餅坐標(biāo)并傳送給PLC，以便拾取裝置在合適的時(shí)刻工作[2]。

2.3 變頻器

變頻器采用西門子3210-5BB21-1UV0型,220V供電，功率1100W。該變頻器無需調(diào)試軟件，通過簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)定即可實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。直觀的LED面板顯示，可以方便地應(yīng)用于本系統(tǒng)的傳送帶驅(qū)動(dòng)。PLC可通過IO信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)該變頻器的啟停控制[3]。

2.4 拾取機(jī)構(gòu)

拾取機(jī)構(gòu)為一個(gè)二維平面內(nèi)的機(jī)械裝置，抓手末端為吸盤式設(shè)計(jì)，如圖2所示。傳送帶兩側(cè)分別為合格品收集箱和優(yōu)等品收集箱，拾取機(jī)構(gòu)安裝與兩個(gè)收集箱計(jì)傳送帶正上方。抓手可在橫梁上來回移動(dòng)，同時(shí)也可以上下移動(dòng)來吸取柿餅和釋放柿餅。拾取機(jī)構(gòu)在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制。根據(jù)PLC的控制信號(hào)完成合格品及優(yōu)等品的分揀。剩余部分為不合格品，在傳送帶末端自動(dòng)掉入不合格品收集箱[4]。

表1 I/O信號(hào)表

3 程序設(shè)計(jì)及優(yōu)化

本系統(tǒng)的程序包括變頻器驅(qū)動(dòng)、相機(jī)信號(hào)讀取、柿餅運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)計(jì)算、拾取路徑優(yōu)化、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。啟動(dòng)變頻器之后，電機(jī)帶動(dòng)傳送帶運(yùn)行，傳送帶上的柿餅經(jīng)過相機(jī)區(qū)域時(shí)，相機(jī)拍下圖像并完成識(shí)別坐標(biāo)定位等工作。當(dāng)拾取區(qū)域出現(xiàn)柿餅時(shí)，根據(jù)標(biāo)記的結(jié)果進(jìn)行拾取及分揀工序。拾取機(jī)構(gòu)由PLC控制的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器得到控制信號(hào)之后會(huì)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)軸向的步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及加減速，從而到達(dá)指定位置吸取或者釋放柿餅[5]。

本程序的難點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)追蹤。目標(biāo)跟蹤是指對(duì)圖像序列中的柿餅進(jìn)行檢測(cè)，提取，識(shí)別，并獲得各個(gè)柿餅的位置數(shù)據(jù)，并預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于本項(xiàng)目所研究的柿餅分揀系統(tǒng)，柿餅會(huì)源源不斷的進(jìn)入相機(jī)的視野，系統(tǒng)對(duì)每個(gè)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、檢測(cè)等程序并記錄結(jié)果。因此就必須確保結(jié)果與目標(biāo)的正確對(duì)應(yīng)，不能將柿餅A的處理結(jié)果記到柿餅B上。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)表明，本系能夠根據(jù)預(yù)置的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)柿餅的分揀。具有較高的準(zhǔn)確度及生產(chǎn)效率。在后續(xù)的研究中，應(yīng)著眼于分揀之后的裝箱打包及倉儲(chǔ)過程的自動(dòng)化控制。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品加工環(huán)節(jié)的自動(dòng)化控制具有一定的借鑒作用，具有較大的推廣價(jià)值。