基于PLC 控制的臍橙分選、包裝一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖 暢王 敏季 坤楊 凡

（1.湖北廣播電視大學(xué) 武漢430000；2.國(guó)糧武漢科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司）

中國(guó)柑橘年產(chǎn)量居世界前列，2017年我國(guó)柑橘產(chǎn)量為3816.8×104t，產(chǎn)量同比增長(zhǎng)6.27%。目前大部分仍然采用人工分級(jí)和包裝，存在處理能力不足、人工強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低等問題，嚴(yán)重制約著商品附加值的提升，阻礙農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)民收入的提高。為了解決果農(nóng)在分級(jí)、包裝過程中勞動(dòng)強(qiáng)度大，人工分級(jí)不準(zhǔn)確、水果易損傷等問題，本研究通過機(jī)電一體化控制，利用高性能可編程邏輯控制器（PLC）技術(shù)，研發(fā)并設(shè)計(jì)一套全自動(dòng)分選、套袋、裝箱和碼垛一體化實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。該自動(dòng)化生產(chǎn)線一方面大大提高生產(chǎn)率，減少勞動(dòng)力強(qiáng)度，避免二次污染，從而降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品商品化程度，延長(zhǎng)保鮮效果，增加經(jīng)濟(jì)效益。另一方面更加規(guī)范化管理柑橘流通市場(chǎng)，促進(jìn)柑橘產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，對(duì)推動(dòng)我國(guó)水果采后分選包裝的自動(dòng)化、智能化發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)組成

基于PLC控制的分選、包裝一體化生產(chǎn)系統(tǒng)由四大部分組成（圖1）。

圖1 系統(tǒng)布置圖

1.1 自動(dòng)分選裝置

采用PC-PLC主從式構(gòu)架，根據(jù)國(guó)家分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采集水果的果形、色澤、缺陷點(diǎn)、大小、軟硬度等指標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分選。

1.2 套袋裝置

套袋裝置由滑道、機(jī)械手、自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)和激光二維碼組成。

1.3 裝箱裝置

裝箱設(shè)備由全自動(dòng)開箱機(jī)、裝箱機(jī)、折蓋封箱機(jī)、噴碼機(jī)等組成。

1.4 碼垛裝置

碼垛設(shè)備由碼垛機(jī)械手，機(jī)器人夾具，輸送機(jī)，托板分配器，隔板移送機(jī)，碼垛系統(tǒng)控制系統(tǒng)、輸箱鏈道存箱量監(jiān)測(cè)裝置、報(bào)警裝置等組成。

2 系統(tǒng)工作流程

2.1 自動(dòng)分選

隨著傳感器、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)分選技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。水果分選技術(shù)也由之前的人工或純機(jī)械式的水果分選逐漸發(fā)展為基于機(jī)械視覺、計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別以及PLC 控制技術(shù)的自動(dòng)分選技術(shù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)應(yīng)用機(jī)械視覺提高水果分選的效率做了許多相關(guān)研究[1]，本設(shè)計(jì)以PLC為核心控件，結(jié)合機(jī)械視覺檢測(cè)水果品質(zhì)，其中機(jī)械視覺品種檢測(cè)由CCD 攝像頭和計(jì)算機(jī)組成。由CCD 相機(jī)采集目標(biāo)信息，轉(zhuǎn)換為圖片信號(hào)后傳遞給圖像處理系統(tǒng)。

本自動(dòng)分選裝置以GB/T12947-2008《鮮柑橘》中柑橘鮮果等級(jí)要求作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為機(jī)械自動(dòng)化分級(jí)提供指導(dǎo)。自動(dòng)分選裝置包括圖像采集部分、信息提取部分、傳送部分、控制部分、光源部分組成[2]。當(dāng)臍橙通過傳送系統(tǒng)進(jìn)入圖像采集區(qū)域后，通過機(jī)械視覺光電傳感器和壓力傳感器，采集臍橙的果形、色澤、缺陷點(diǎn)、大小、軟硬度等指標(biāo)數(shù)據(jù)[3][4]。應(yīng)用各指標(biāo)與水分、口感、視覺尺寸有較高的相關(guān)性。采集的數(shù)據(jù)信息傳遞至PLC系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行分析整理，并通過與PLC系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的等級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配，從而給分選機(jī)械指令完成分選工作，分選流程見圖2。自動(dòng)分選裝置算法客觀性強(qiáng)，避免主觀因素的影響，分選效果一致性好，效率高，實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)，并且分選標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)節(jié)，節(jié)約傳統(tǒng)人工分級(jí)水果的人力與物力。

2.2 套袋

分選好的臍橙通過傳送帶輸送到彈性泡沫棉包裹的滑道，滑道上套裝有網(wǎng)套，利用水果自身的重力自行落入網(wǎng)套內(nèi)，網(wǎng)套下端設(shè)置機(jī)械手，臍橙落袋后被包裹，然后進(jìn)行網(wǎng)套切割并完成一個(gè)水果的包裝。機(jī)械手舵機(jī)控制機(jī)械手的開關(guān)，高彈泡沫棉可以防止水果受到損傷。

圖2 分選流程圖

套袋機(jī)設(shè)置有自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)和激光二維碼，二維碼溯源系統(tǒng)給每一個(gè)產(chǎn)品設(shè)置獨(dú)立的ID，避免假冒產(chǎn)品。當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)問題時(shí)能夠做到“來源可追溯、流向可查詢、風(fēng)險(xiǎn)可防范、責(zé)任可追究、產(chǎn)品可召回”。

(1.全自動(dòng)開箱底封機(jī)；2.紙箱輸送機(jī)；3.自動(dòng)裝箱機(jī))

2.3 裝箱

無人化裝箱系統(tǒng)包括自動(dòng)開箱、自動(dòng)裝箱、自動(dòng)封箱、箱體噴碼機(jī)和輸送線等部分。采用PLC電腦、光電傳感技術(shù)、變頻控制等實(shí)現(xiàn)機(jī)電儀一體化控制，自動(dòng)化程度高、運(yùn)行平穩(wěn)操控自如[5]。

2.3.1 全自動(dòng)開箱封底機(jī)。全自動(dòng)開箱封底機(jī)是一臺(tái)能夠自動(dòng)打開紙箱，折合下蓋，然后自動(dòng)密封下底膠帶的流水線設(shè)備。其取代了人工開箱，通過大批量紙箱自動(dòng)開箱封底，速度快，提高了效率。本機(jī)采用PLC顯示屏控制,大大方便操作和生產(chǎn)管理。

本裝置具有以下特點(diǎn)：①體積輕巧，機(jī)件性能精密耐用，運(yùn)作過程無振動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)固壽命長(zhǎng)，效率高；②同步吸取成型，折底與封底一次同步成型；③自動(dòng)調(diào)節(jié)紙箱大小，適用多種規(guī)格紙箱同時(shí)封箱；④設(shè)計(jì)合理，安裝簡(jiǎn)單。

圖4 全自動(dòng)折蓋封箱機(jī)

圖5 碼垛裝置

圖6 成品箱輸送裝置

2.3.2 自動(dòng)裝箱機(jī)。

本機(jī)按照產(chǎn)品裝箱數(shù)量要求，將輸送過來的臍橙整理排列后輸送到供箱裝置，直接自動(dòng)裝入紙箱。裝滿箱的產(chǎn)品通過滾筒輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)阶詣?dòng)折蓋封箱機(jī)進(jìn)行封箱處理。自動(dòng)裝箱機(jī)設(shè)計(jì)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、運(yùn)行可靠，能有效保證產(chǎn)品質(zhì)量。通過光監(jiān)控，達(dá)到各個(gè)動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、安全，從而提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.3.3 全自動(dòng)折蓋封箱機(jī)。

本機(jī)紙箱上蓋自動(dòng)折入，平穩(wěn)順暢，封箱作業(yè)一氣呵成，美觀省力。獨(dú)特設(shè)計(jì)貼帶器，不損傷紙箱，且折角長(zhǎng)度可以調(diào)整。配備有無膠帶報(bào)警、開門自動(dòng)停機(jī)裝置，確保生產(chǎn)安全。

2.3.4 噴碼機(jī)。噴嗎機(jī)可根據(jù)需要噴印中文、數(shù)字、日期、批號(hào)等信息，三行信息，三行噴印，適合在普通和嚴(yán)酷的生產(chǎn)環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷的動(dòng)作。具有全自動(dòng)噴頭清洗，不銹鋼外箱；中文信息編輯和顯示界面，標(biāo)準(zhǔn)電腦鍵盤，維修保養(yǎng)預(yù)警提示功能；條形碼噴印，微標(biāo)和圖文編輯，多能密碼保護(hù)系統(tǒng)；自動(dòng)計(jì)數(shù)功能，連續(xù)噴印功能，多種語言文字噴印。

2.4 碼垛裝置

成品箱從單道輸送機(jī)輸入，通過自動(dòng)控制的計(jì)數(shù)與光電感應(yīng)配合，推桿將箱體推到傳送板上，箱體排列為整齊的一層，隨即進(jìn)入碼垛。

碼垛機(jī)儲(chǔ)存垛板（托盤）可以自動(dòng)分送垛板至碼垛工位，碼垛工位前有一個(gè)等待垛板，處于等待狀態(tài)成品垛輸出后，跟隨進(jìn)入碼垛工位[6,7]。

碼垛機(jī)配備有輸箱鏈道存箱量監(jiān)測(cè)裝置，能夠通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整生產(chǎn)速度。此外，該設(shè)備配有多層報(bào)警指示燈及時(shí)提示故障的發(fā)生，并且能識(shí)別不同的故障，如須復(fù)位的故障、自動(dòng)復(fù)位的故障以及運(yùn)行指示等。當(dāng)箱垛出現(xiàn)歪、倒、散問題時(shí)能自動(dòng)停機(jī)。

2.5 控制系統(tǒng)

圖7 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)生產(chǎn)過程的詳細(xì)檢視，對(duì)生產(chǎn)程序的批次紀(jì)錄，對(duì)每一程序執(zhí)行的模式、產(chǎn)量、步驟、狀態(tài)及出現(xiàn)的報(bào)警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，設(shè)計(jì)了如圖7的自動(dòng)控制系統(tǒng)組成方案。該方案由電機(jī)啟動(dòng)變頻裝置、PLC程控、異常狀況顯示及報(bào)警、人機(jī)界面操作、計(jì)數(shù)及運(yùn)轉(zhuǎn)狀況顯示構(gòu)成。其中系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器采用變頻無級(jí)調(diào)速，工作可靠、運(yùn)行平穩(wěn)、低噪、節(jié)能。

3 結(jié)論

針對(duì)柑橘產(chǎn)業(yè)化過程中分選包裝中人工成本高、效率低、果實(shí)易損傷等問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC 控制的臍橙分選、包裝一體化生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了臍橙的分選、套袋、裝箱、碼垛等一體化作業(yè)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各自獨(dú)立，互不干擾，大大提高了工作效率，提升水果的商品化水平。

該系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)為同類型的類球類水果分選包裝設(shè)備的研發(fā)提供了借鑒，具有一定的參考價(jià)值。