一種基于PLC 的高速遠(yuǎn)程控制果蔬智能分選技術(shù)研究

張 穎，程如岐，陳紹慧

（1.南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津 300071；2.天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071；3.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息研究所，天津 300192）

果蔬的分選是果蔬生產(chǎn)加工處理中重要的一道工序，分選的效果直接關(guān)系到后期包裝、運(yùn)輸、貯藏、銷售等環(huán)節(jié)的效益，影響著商品附加值的提升和農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。隨著果蔬品牌化趨勢(shì)發(fā)展和消費(fèi)者細(xì)分越來(lái)越細(xì)化，規(guī)模化的果蔬分選及包裝加工需求會(huì)大幅度持續(xù)增加[2]。果蔬分選目前主要包括兩大獨(dú)立要素：一是按外觀品質(zhì)等級(jí)分選（多為物理指標(biāo)，涉及果蔬直徑大小、顏色、形狀、瑕疵等）[3]，一是按內(nèi)部品質(zhì)優(yōu)劣分選（包括果蔬成熟度、糖度、霉變等）。質(zhì)量大小尚可用人力分揀的工序完成，而品質(zhì)好壞尤其是水果蔬菜的糖度、酸度、VC 等指標(biāo)并不能依靠人力挑選評(píng)判。因此，果蔬的內(nèi)在品質(zhì)無(wú)損化分級(jí)一直是農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后商品化處理的關(guān)鍵，適當(dāng)?shù)膬?nèi)部品質(zhì)分級(jí)不但便于選擇合適的運(yùn)輸方式，延長(zhǎng)產(chǎn)品的貯藏期限，更重要的是可以增加水果產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[4]，提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。以信息化及計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的果蔬品質(zhì)智能化實(shí)時(shí)檢測(cè)和分級(jí)系統(tǒng)[5]，可代替人工對(duì)果蔬品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，在果蔬品質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值[6]。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)可編程邏輯控制器（PLC）數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)開展研究，通過(guò)串口控制PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，基于現(xiàn)場(chǎng)總線搭建一個(gè)局域網(wǎng)[7]，用上位機(jī)或嵌入式工控機(jī)對(duì)PLC 設(shè)備進(jìn)行控制，或者基于B/S 或C/S 模式設(shè)計(jì)分布式工業(yè)控制系統(tǒng)[8]，對(duì)分散位置的PLC 控制系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理[9]。果蔬分選的速度和能力是果蔬收獲后必須注意的兩個(gè)重要因素[10]，在此背景需求下，結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品智能分選技術(shù)、智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、PLC 自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)[11]，設(shè)計(jì)一種可遠(yuǎn)程智能化數(shù)據(jù)處理的果蔬品質(zhì)分選策略，通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)，對(duì)遠(yuǎn)程的PLC 分選裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并以果蔬糖度和質(zhì)量品級(jí)為例設(shè)計(jì)自動(dòng)化分選的控制機(jī)制。PLC 自動(dòng)分揀控制具有控制精度高、反應(yīng)速度快、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以極大程度地節(jié)省人工成本；計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程模型控制具有普適性強(qiáng)、安全性高的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)建立各種類型的果蔬品級(jí)模型，并按照模型進(jìn)行分揀，可以節(jié)省研究成本，從而解決現(xiàn)有果蔬品質(zhì)無(wú)損分選系統(tǒng)中檢測(cè)屬性單一、分揀速度慢、管理效率低等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)果蔬的智能分選。

1 高速果蔬智能分選系統(tǒng)的基本構(gòu)成

高速果蔬智能分選遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)屬于分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，主要分為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心和本地控制系統(tǒng)兩大部分（圖1），按照功能邏輯主要分為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理、智能分選控制、本地分揀系統(tǒng)、智能檢測(cè)交互4 個(gè)層面。

圖1 遠(yuǎn)程果蔬分選控制系統(tǒng)組成圖Fig.1 Constitutional diagram of remote fruit and vegetable sorting control system

1.1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理的作用主要是通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器實(shí)時(shí)存儲(chǔ)檢測(cè)到的果蔬品質(zhì)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算處理服務(wù)器高速處理果蔬分選數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)建立果蔬模型，通過(guò)監(jiān)控服務(wù)器處理用戶的控制操作、實(shí)時(shí)監(jiān)控分選信息等。高速的計(jì)算處理單元通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與PLC 分選系統(tǒng)和果蔬參數(shù)的檢測(cè)單元（如糖度檢測(cè)單元、質(zhì)量檢測(cè)單元）相連，將果蔬參數(shù)與遠(yuǎn)程的果蔬品級(jí)模型參比，并對(duì)果蔬按照預(yù)置的級(jí)別進(jìn)行分揀，再將分級(jí)結(jié)果傳送到PLC 分揀控制單元。

1.2 智能分選控制

智能分選控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)處理待檢測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)處理與級(jí)別分配，通過(guò)調(diào)用PLC 控制傳輸與分選，可以選擇主流的西門子S7-1200 或1500 系列的PLC，選用模塊SBCM01 進(jìn)行通信接口擴(kuò)展，IO 擴(kuò)展，用于各種傳感器、指示燈、編碼器、伺服電機(jī)等元件的信號(hào)檢測(cè)與控制。

1.3 本地分揀系統(tǒng)

在本地分揀系統(tǒng)中，通過(guò)遠(yuǎn)程的參數(shù)分析，通知伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)分揀機(jī)構(gòu)完成分揀任務(wù)。待分選的果蔬樣本依次通過(guò)傳輸裝置送到如糖度、質(zhì)量等檢測(cè)單元中，采集待測(cè)目標(biāo)的樣本信息，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行模型對(duì)比、分級(jí)；另一方面，根據(jù)遠(yuǎn)程控制中心的控制要求，實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸速度和控制邏輯，及時(shí)準(zhǔn)確地將待分選果蔬分發(fā)至各級(jí)輸出?？梢愿鶕?jù)場(chǎng)地、成本、果蔬種類選擇合適的傳輸系統(tǒng)，如對(duì)果蔬的糖度-質(zhì)量進(jìn)行分選，由于大多需要通過(guò)紅外檢測(cè)糖度的果蔬皮質(zhì)都比較薄，就可以根據(jù)場(chǎng)地選擇橫向循環(huán)式、單向皮帶反復(fù)式的傳輸方式，可以更好地控制傳輸速度。在此基礎(chǔ)上，還可以擴(kuò)展自動(dòng)上果、包裝等機(jī)構(gòu)，擴(kuò)展成多級(jí)分選系統(tǒng)。

1.4 智能檢測(cè)交互

通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的用戶監(jiān)控平臺(tái)，設(shè)置本地分揀系統(tǒng)的各項(xiàng)控制參數(shù)，包括果蔬品質(zhì)參數(shù)、分選控制參數(shù)等，可以手動(dòng)建立或動(dòng)態(tài)選擇果蔬模型，根據(jù)目前市場(chǎng)上主流的檢測(cè)方式，可對(duì)果蔬進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)、糖度檢測(cè)、外部品質(zhì)檢測(cè)等，可以根據(jù)需要自行擴(kuò)展并與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。因此，遠(yuǎn)程果蔬分選系統(tǒng)具有高度的自適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，可以擴(kuò)展應(yīng)用于多種場(chǎng)合。

2 PLC 自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與機(jī)械控制

如圖2 所示，PLC 程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)及梯形圖實(shí)現(xiàn)，主要包括初始化、系統(tǒng)自檢、變頻控制、TCP/IP 通信、設(shè)備控制、故障診斷、模擬量處理、數(shù)字量處理等。本地控制模式可以分為本地模式、遠(yuǎn)程模式以及檢修模式三種，啟動(dòng)方式則可分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)自檢無(wú)故障后，選擇控制模式，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的控制流程。

圖2 PLC 自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與機(jī)械控制策略Fig.2 PLC automatic data acquisition and mechanical control strategy

3 果蔬智能分選控制設(shè)計(jì)

圖3 為該分選系統(tǒng)的智能控制流程，模擬果蔬按照質(zhì)量和糖度進(jìn)行等級(jí)分選，通過(guò)用戶監(jiān)控平臺(tái)設(shè)置果蔬類型：如蘋果、番茄等，監(jiān)控服務(wù)器處理數(shù)據(jù)，相應(yīng)的果蔬分級(jí)模型即被調(diào)出，設(shè)置待分的糖度等級(jí)數(shù)M，設(shè)置待分的質(zhì)量等級(jí)K，則M×K≤N，其中N 為分選輸出單元所能支持的機(jī)械推臂和子傳輸帶個(gè)數(shù)，也叫果蔬分級(jí)的最大等級(jí)數(shù)。果蔬分級(jí)模型和分選等級(jí)數(shù)調(diào)用到本地高速計(jì)算處理單元，等待分選果蔬的糖度參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)傳輸至本地高速計(jì)算處理單元進(jìn)行參比。

圖3 遠(yuǎn)程果蔬分選控制系統(tǒng)控制流程Fig.3 Control flow of remote fruit and vegetable sorting control system

本地高速計(jì)算處理單元接收果蔬糖度光譜參數(shù)和果蔬質(zhì)量參數(shù)后，通過(guò)果蔬分級(jí)模型的參比，得到待分選果蔬的糖度分級(jí)m∈[1，M]且m 為整數(shù)，質(zhì)量分級(jí)k∈[1，K]且k 為整數(shù)，在從果蔬質(zhì)量檢測(cè)單元輸出送至分選輸出單元的時(shí)間t 內(nèi)，做出分級(jí)決策，并將最終的分級(jí)結(jié)果n∈[1，N] 且n 為整數(shù)傳輸?shù)奖镜豍LC 控制單元。本地PLC 控制單元根據(jù)傳輸單元的控制速度V 和果蔬級(jí)別n 計(jì)算出相應(yīng)的果蔬該推果的位置，并在相應(yīng)的果蔬到達(dá)對(duì)應(yīng)第n 個(gè)子傳輸帶位置時(shí)，控制第n 個(gè)機(jī)械推臂把果蔬推至第n 個(gè)子傳輸帶，完成分選任務(wù)。

圖4 為該分選系統(tǒng)中的PLC 分揀控制單元的智能測(cè)控流程，圖5 為該分選系統(tǒng)的傳輸單元、分選輸出單元的位置關(guān)系示意。系統(tǒng)根據(jù)質(zhì)量分級(jí)和糖度分級(jí)在分選輸出單元設(shè)計(jì)N 個(gè)級(jí)別的分級(jí)子傳輸帶，用PLC 作為分級(jí)控制器，控制傳輸單元的傳輸速度V，及N 個(gè)機(jī)械推臂執(zhí)行果蔬分級(jí)的側(cè)推位移操作。由于N 個(gè)級(jí)別的分級(jí)子傳輸帶位置與果蔬糖度檢測(cè)單元、果蔬質(zhì)量檢測(cè)單元的距離是固定的，因此PLC控制單元可以根據(jù)距離計(jì)算得到每一個(gè)級(jí)別的分級(jí)子傳輸帶所在的位置編號(hào)S1～SN，標(biāo)記一個(gè)參考零點(diǎn)，如以果蔬質(zhì)量檢測(cè)單元的位置為參考零點(diǎn)，每個(gè)子傳輸帶到參考零點(diǎn)的距離可以用D（S1）～D（SN）表示?？梢杂靡粋€(gè)分度開關(guān)控制傳輸單元的運(yùn)動(dòng)，PLC控制單元每次接收一個(gè)同步脈沖后進(jìn)行一次位移操作，將待分選的果蔬編輯成一個(gè)存儲(chǔ)隊(duì)列P（i），第i個(gè)果蔬的分級(jí)信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器P（i）中，例如第i 個(gè)果蔬將要分到第ni級(jí)中，則P（i）=ni。通過(guò)ni得知第ni個(gè)子傳輸帶的距離D（ni），PLC 控制單元通過(guò)傳輸單元的傳輸速度V 和D（ni）計(jì)算出第i 個(gè)果蔬經(jīng)過(guò)果蔬質(zhì)量檢測(cè)后到第ni個(gè)子傳輸帶所經(jīng)過(guò)的時(shí)間ti=D（ni）/V，即第i 個(gè)果蔬在果蔬質(zhì)量檢測(cè)后經(jīng)過(guò)ti時(shí)間，PLC 控制單元控制第ni級(jí)機(jī)械推臂推果，考慮PLC 控制單元對(duì)指令處理的時(shí)間△t，得出修正后的推臂時(shí)間ti’=ti-△t，從而減小機(jī)械推臂推果的誤差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)推果。將時(shí)間轉(zhuǎn)換為傳輸單元控制傳輸帶的分度脈沖，分度開關(guān)計(jì)算帶修正的脈沖數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的位移操作，當(dāng)累計(jì)到足夠的脈沖后，即滿足分級(jí)執(zhí)行條件，分選輸出單元通過(guò)PLC 控制I/O 驅(qū)動(dòng)第ni級(jí)的機(jī)械推臂推果，將果蔬分入對(duì)應(yīng)的第ni級(jí)子傳輸帶。

圖4 遠(yuǎn)程果蔬分選控制系統(tǒng)PLC 分揀控制單元的智能測(cè)控流程Fig.4 Intelligent measurement and control process of PLC sorting control unit in remote fruit and vegetable sorting control system

圖5 傳輸單元和分選輸出單元的位置關(guān)系Fig.5 Position relationship between transmission unit and sorting output unit

4 果蔬分選系統(tǒng)試驗(yàn)及結(jié)果

驗(yàn)證果蔬分選系統(tǒng)的反應(yīng)速度、分選準(zhǔn)確度，根據(jù)控制原理搭建系統(tǒng)樣機(jī)。取100 個(gè)蘋果作為目標(biāo)果蔬在分選控制系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)。待測(cè)樣本質(zhì)量在150～300 g 不等，將糖度換算為百分比后樣品的含糖量為9%～12%。因此，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求按實(shí)際情況進(jìn)行分級(jí)設(shè)置，如：試驗(yàn)中按糖度分成3 級(jí)，即高甜（11%～12%）、中甜（10%～11%）、低甜（9%～10%）；按質(zhì)量把蘋果分為大果（220～300 g）、小果（150～220 g）2 級(jí)，驗(yàn)證系統(tǒng)的控制反應(yīng)速度、分選準(zhǔn)確度。果蔬輸送單元負(fù)責(zé)為系統(tǒng)輸送果蔬，可以由人工完成，亦可以是上一級(jí)系統(tǒng)的輸出端，負(fù)責(zé)依次把果蔬放置到傳輸單元。模擬果蔬糖度檢測(cè)單元和質(zhì)量檢測(cè)單元，理想狀態(tài)下模擬檢測(cè)反應(yīng)速度延遲為0。子傳輸帶可以是下一級(jí)系統(tǒng)，也可以是直接打包裝箱。

通過(guò)用戶監(jiān)控平臺(tái)可以選擇果蔬種類，以便系統(tǒng)后臺(tái)匹配模型，如蘋果、橙子，根據(jù)數(shù)據(jù)中心的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫(kù)甚至可以細(xì)化成煙臺(tái)蘋果、阿克蘇蘋果等詳細(xì)模型，系統(tǒng)匹配到待分選樣本的數(shù)據(jù)，按照設(shè)置的級(jí)別歸屬其所在的檔位。如樣例中，可以設(shè)置待分選果蔬種類為蘋果，設(shè)置糖度分級(jí)為3，質(zhì)量分級(jí)為2，則數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器構(gòu)建一個(gè)蘋果6 級(jí)分選模型，將子傳輸系統(tǒng)分為6 個(gè)編號(hào)，即高甜大果（等級(jí)編號(hào)為1，即糖度11%～12%、質(zhì)量220～330 g）、高甜小果（等級(jí)編號(hào)為2，即糖度11%～12%、質(zhì)量150～220 g）、中甜大果（等級(jí)編號(hào)為3，即糖度10%～11%、質(zhì)量220～330g）、中甜小果（等級(jí)編號(hào)為4，即糖度10%～11%、質(zhì)量150～220 g）、低甜大果（等級(jí)編號(hào)為5，即糖度9%～10%、質(zhì)量220～330 g）、低甜小果（等級(jí)編號(hào)為6，即糖度9%～10%、質(zhì)量150～220 g）。

100 個(gè)待測(cè)蘋果實(shí)際分為高甜大果12 個(gè)，高甜小果15 個(gè)，中甜大果21 個(gè)，中甜小果16 個(gè)，低甜大果15 個(gè)，低甜小果21 個(gè)。調(diào)整控制傳送帶運(yùn)行速度，分別設(shè)為低速、中速、高速3 檔，每檔分揀3 次。將100 個(gè)蘋果依次送入分選系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)分選結(jié)果正確率（表1）。

表1 果蔬智能分選控制系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of intelligent fruit and vegetable sorting control system

表1 描述了果蔬智能分選控制系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，糖度與質(zhì)量分級(jí)準(zhǔn)確度分別描述了待測(cè)蘋果糖度分級(jí)正確率和質(zhì)量分級(jí)正確率，如在第1 次低速測(cè)試中，有3 個(gè)蘋果被判斷錯(cuò)了綜合分級(jí)，其中有2 個(gè)蘋果被判斷錯(cuò)了糖度等級(jí)，有1 個(gè)蘋果被判斷錯(cuò)了質(zhì)量等級(jí)；在第3 次中速測(cè)試中，有6 個(gè)蘋果被判斷錯(cuò)了綜合分級(jí)，其中有3 個(gè)蘋果被判斷錯(cuò)了糖度等級(jí)，有4個(gè)蘋果被判斷錯(cuò)了質(zhì)量等級(jí)，則可以得知有1 個(gè)蘋果既判斷錯(cuò)了糖度又判斷錯(cuò)了質(zhì)量?？梢钥闯?，同樣的待選果蔬，速度越低分選誤差越小；而果蔬的綜合分級(jí)結(jié)果與糖度和質(zhì)量分級(jí)效果均有關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)總體分選準(zhǔn)確度≥93%，改善糖度檢測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)的算法與裝置，可以提高糖度檢測(cè)與質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確度，獲得更高的分選準(zhǔn)確率和分選效率。

5 結(jié)論

果蔬的智能化分級(jí)對(duì)于保證果蔬品質(zhì)，方便貯藏，促進(jìn)銷售，提高農(nóng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。以果蔬分選技術(shù)為視角，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制、PLC 自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理等多種現(xiàn)代化智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種可遠(yuǎn)程智慧監(jiān)控的PLC 果蔬智能分選機(jī)制。系統(tǒng)從數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)程調(diào)取果蔬品級(jí)模型，通過(guò)高速計(jì)算對(duì)比參數(shù)，控制PLC 氣動(dòng)裝置將果蔬按糖度分級(jí)和質(zhì)量分揀，實(shí)現(xiàn)可遠(yuǎn)程控制的PLC 智能果蔬分選，實(shí)時(shí)采集的果蔬參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心的果蔬品級(jí)模型能夠起到動(dòng)態(tài)反饋及調(diào)整貢獻(xiàn)。與傳統(tǒng)手工分揀方式相比，PLC 控制具有控制精度高、反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，極大程度節(jié)省了人工成本；與傳統(tǒng)本地建模方式比，遠(yuǎn)程控制普適性強(qiáng)、安全性高。該系統(tǒng)在系統(tǒng)成本、反應(yīng)速度、分揀精度、管理效率等方面均有優(yōu)勢(shì)，具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義以及廣闊的市場(chǎng)前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。