水果重量分級控制系統(tǒng)設計與分析*

張靜靜，劉智豪，萬宏強

(1.西安工業(yè)大學 機電工程學院，西安 710021；2.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 智能制造學院，西安 710300)

水果成為日常生活必不可少的一部分，而水果從采摘到銷售會經過一系列的程序，而其中分級就是一個必不可少的步驟，直接會影響果農的直接經濟效益。由于國內外種植規(guī)模的差異，我國的水果分級方式依靠人工，這不僅增加了人工成本、也對分級精確效果帶來影響[1-2]。

因此，針對水果分級設備做了許多研究，文獻[3]針對哈密瓜設計了一款基于機器視覺的分級設備，并提出一種基于單滾子斜面推動原理的設計方法，可以完成哈密瓜在輸送過程中的旋轉動作，以便于哈密瓜的連續(xù)檢測。文獻[4]等人設計了一款基于PLC控制的蜜柚分級設備，可將蜜柚在大小分級完成的基礎上再進行重量分級，可將其分為三個等級。文獻[5]針對獼猴桃設計了一款基于PLC控制的分級設備，將獼猴桃根據(jù)重量進行分級，整個設備可由MCGS HMI觸摸屏模塊進行可視化操作控制，并增加語音輸出功能以提高其使用性。文獻[6]對目前水果品質檢測分級中所采用的多傳感信息融合技術進行了論述介紹，為水果分級設備的設計提供了參考。文獻[7]設計的水果分級系統(tǒng)，在對水果圖像采集后根據(jù)其外觀特性等信息對水果進行實時檢測分級，該設備以PLC控制器，結合組態(tài)王和MATLAB軟件完成通信，實現(xiàn)對整個設備系統(tǒng)的控制。文獻[8]設計了一種可以實現(xiàn)在線對蘋果進行采摘并分級的系統(tǒng)，可根據(jù)蘋果的重量和外觀顏色兩個特征對蘋果進行分級，很好的解決了自動化程度不足和在線分級的問題。

結合以上研究，可以發(fā)現(xiàn)我國所銷售的水果大多都是先根據(jù)尺寸進行等級劃分，再進行稱重打包銷售，這造成人工成本高，包裝重量誤差大的問題[9-10]。果農分級按包銷售，要求每包重量相同，以提高銷售效率。因此，文中提出在已完成尺寸劃分的基礎上再進行多等級重量劃分包裝的方法。

1 水果稱重分級設備

圖1為水果稱重分級設備，包括對水果的整理、稱重、分級、收集幾個部分，各部分相互配合，最終得到相同重量的水果包裝。為了適應不同尺寸的水果，使其有序排列，設計U型槽擋板。水果有序排列后，通過光電開關傳感器識別所在位置，再將識別信號發(fā)送到PLC控制器，進而反饋到氣缸電磁閥，經由氣缸將水果推送至下一模塊進行稱重。整理模塊如圖2所示。

1-傳送帶側擋板;2-U型槽擋板；3-電開關；4-氣缸；5-傳送帶。

稱重模塊由稱重盤、稱重盤支撐、壓力傳感器、稱重模塊固定件構成，稱重盤通過凸起固定在稱重盤支撐上，稱重盤支撐與稱重模塊固定件設計有卡槽，將壓力傳感器固定在中間。稱重模塊固定件通過螺栓固定在稱重模塊固定法蘭上，實現(xiàn)整個稱重模塊的支撐固定。稱重模塊完成對水果的稱重，并將稱重信息傳送給控制器進行等級判斷，并發(fā)指令給分級模塊和收集模塊進行水果推送接收。稱重模塊如圖3所示。

1-稱重盤； 2-稱重盤支撐； 1-固定法蘭盤；3-壓力傳感器； 2-支撐軸；4-稱重模塊固定件。 3-稱重模塊固定法蘭。(a)稱重盤組件 (b)稱重模塊支撐組件

分級模塊由固定件、分級氣缸、水果滑道構成，分級模塊固定件通過螺栓固定在稱重模塊固定法蘭上，分級模塊固定件上留有螺栓口，可以對分級氣缸支架進行固定，分級氣缸后端與分級氣缸支架連接，可以進行一定角度的調整，改變分級氣缸頂端位置，更好適應不同尺寸水果。在收集模塊將對應等級的收集盒旋轉至水果滑道口處，分級氣缸將稱重盤上的水果推送至收集盒內。收集部分由下旋轉盤、上旋轉盤、收集盒構成，下旋轉盤通過螺釘和大齒輪固定，收集盒通過螺栓與上下旋轉盤進行固定，齒輪的轉動帶動收集部分旋轉，雙層旋轉盤設計，可以增大收集盒的承載力。分級和收集模塊如圖4～5所示。

1-分級氣缸支架；2-分級氣缸；3-分級模塊固定件。

1-伺服電機； 2-收集盒；3-下旋轉盤；4-上旋轉盤；5-固定法蘭；6-轉軸。

2 控制系統(tǒng)設計

在機械結構設計完成后，選擇西門子S7-00系列的224晶體管型PLC控制器進行邏輯程序編寫，主要包括氣動控制、稱重分級模塊、收集盒標記幾大部分。在對主控器件PLC控制器進行合理選型后，根據(jù)前期確定的控制需求，對所選的PLC控制器的I/O端口進行分配。具體的I/O端口分配見表1。

表1 PLC I/O端口分配Tab.1 PLC I/O port allocation

依托合理分配的I/O端口進行PLC控制器的端子圖設計，根據(jù)所設計的端子圖進行實物接線，為保證功能實現(xiàn)而在PLC控制器輸出端加載10個中間繼電器。整體設備的邏輯控制流程描述如下：① 按下啟動按鈕；② 出料氣缸打開；③ 傳送帶電機啟動；④ 光電傳感器識別水果；⑤ 推送氣缸推送；⑥ 壓力傳感器等級判斷；⑦ 步進電機旋轉；⑧ 分級氣缸推送；⑨ 收集箱收集水果。

2.1 氣動控制

在水果稱重分級設備中，執(zhí)行部件為小型直推氣缸，以空氣壓縮機提供動力，通過PLC控制器對電磁閥的電路通斷進行控制，間接控制對應的氣缸，并在氣缸通氣口安裝空氣節(jié)流閥，通過旋轉節(jié)流閥調節(jié)氣缸控制氣流大小，從而達到控制速度的目的，更好的適應不同的工作環(huán)境。設備氣動系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 設備氣動系統(tǒng)原理圖

2.2 稱重分級模塊控制

由于稱重傳感器的輸出信號是與載荷成正比的電壓信號，PLC控制器的模擬量輸入模塊無法識別處理，因此需要增加稱重變送器用以將傳感器的輸出信號放大為0～10 V/4～20 mA的標準工業(yè)信號，以便于PLC控制器模擬量模塊控制分級處理?？刂品旨壱螅簩⑺罁?jù)重量進行四個等級的劃分，之后再推送至收集盒內，應保證每個盒子內有四個不同等級的水果。將稱重的電流信號轉化為數(shù)字量，進行存儲，依據(jù)所設定的重量等級進行比較完成重量區(qū)間分級；其次是對收集盒內工位儲存狀態(tài)的判斷；進而完成不同等級的水果對目標盒的判斷。

變送器輸出信號與被測量值的關系為

(1)

式中：I0為變送器輸出信號值；x為被測重量值；Lmax、Lmin為變送器測量范圍的上下限；Imax、Imin為變送器輸入信號的上下限。

將輸入的模擬量電流AIW轉化成數(shù)字量傳送到VW100存儲區(qū)中，所輸入的信號僅為整數(shù)，需轉換為雙整數(shù)，進而轉換為浮點數(shù)，根據(jù)式(1)進行浮點數(shù)計算，轉化為實際測量數(shù)據(jù)予以輸入判斷。水果進入稱重盤內會有抖動，造成稱重傳感器的輸出信號存在誤差，因此接通延時定時器T38以增加1.5 s延時，以確保傳送信號的穩(wěn)定性，并將稱重信號儲存在M0.1內部寄存器中并置位保持。以下四個等級均與此類似，即M0.1內部寄存器儲存A等級的重量信號，M0.2內部寄存器儲存B等級信號，M0.3內部寄存器儲存C等級重量信號，M0.4內部寄存器儲存D等級重量信號。

當四個等級任一等級信號接通，則通過取反指令NOT，使M0.0內部寄存器得電，繼續(xù)進行下一步工位儲存狀態(tài)確定。當分級氣缸完成推送后，產生一個下降沿，M0.1內部寄存器進行所要推送的收集盒的判斷，判斷完成后將信號置位到收集盒中，即一號盒的A等級信號存儲到M1.0內部寄存器中，二號盒的A等級信號存儲到M2.0內部寄存器中，三號盒的A等級信號存儲在M3.0內部寄存器中，四號盒的A等級信號存儲在M4.0內部寄存器中。置位完成后將M0.1內部寄存器信號復位為0。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 收集盒位置標定

水果完成重量信號存儲后，需進行目標盒的判斷，因此需對收集盒進行標定，以便于目標盒的確定。提出一種新的定位方法，使用三個鏡面式光電傳感器A、B、C對五個收集盒進行標記，三個鏡面式光電傳感器固定在水果出口滑道下方，距離旋轉軸中心距離不同，每個收集盒下方安裝對應的反射鏡面，如圖7所示。如五號盒，當同時接收到B、C對應鏡面反射信號且無A對應鏡面反射信號時，則判定為五號盒。收集盒標定方式見表2。

圖7 收集盒標定示意圖

表2 收集盒標定方式Tab.2 Calibration method of collection box

為確保收集盒停在水果滑道出口正下方，在滑道出口外緣增加正位光電傳感器，當目標收集盒與鏡面光電傳感器對應且I0.4端口閉合，此時目標收集盒恰好停在水果滑道出口處， Q0.5端口置位，然后分級氣缸動作，將水果推送至目標收集盒內，完成單果的分級。

3.2 界面實現(xiàn)及系統(tǒng)分析

在完成機械設計與邏輯控制后，為更好的增加分級設備的使用性，選擇嵌入式一體化觸摸屏來實現(xiàn)人機交互的功能。使用MCGS組態(tài)軟件對控制系統(tǒng)進行構建，設計操作界面，并與PLC控制器進行通信。系統(tǒng)主要包括主界面、參數(shù)設定界面、重量分級界面、收集盒標記界面。主界面為展示界面，點擊START按鈕后進入?yún)?shù)設定界面，進行設定操作。參數(shù)設定界面可對分級水果種類進行選擇，重量范圍進行設定，系統(tǒng)會根據(jù)不同的重量范圍進行多等級的劃分，以提高獲得相同重量分級包裝的精確度。通過啟停按鈕實現(xiàn)對設備的啟?？刂?。重量分級界面可在水果稱重后對水果重量信息、所劃分的等級、個數(shù)信息進行顯示，收集盒標定界面可對所稱重水果的目標盒進行提示，并通過不同顏色顯示每個盒內已有的等級水果，收集盒滿后，可提醒報警，并清零處理。通過對機械結構、電氣控制、人機交互界面等一系列的設計和調試，最終完成整體水果稱重分級設備的研制。

選擇最大尺寸等級的臍橙進行設備運行實驗，利用高精度電子秤對收集完成的水果組合進行測量，稱為實際重量，水果重量分級設備啟動后觸摸屏中的重量稱為測量重量，兩組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計對比，計算兩重量差值即為設備每組收集盒的重量誤差。對分級重量水果總質量和分級完成所需時間進行計算，最終得到設備的分級效率。通過實驗分析，對收集盒內水果總的實際質量和測量質量進行統(tǒng)計，得到最大誤差為16.4 g，預設質量為1 100 g，誤差范圍為1.49%。每小時可完成360 kg的臍橙分級，即分級效率可達到360 kg·h-1。

4 結 論

文中設計了一款應用于超市、水果店的水果稱重分級設備，對設備的三維模型進行搭建，對設備的邏輯控制程序進行編寫，使用MCGS組態(tài)軟件與PLC控制器，完成整個設備的設計。該設備對小型類球型水果按照其重量進行分級、收集，以獲得相同重量的分級包裝。設備的稱重范圍為0～500 g，水果分級橫徑范圍為50～100 mm，每組收集盒內稱重誤差在1.49%內，分級效率可達到360 kg·h-1，將電氣控制、人機交互技術融合為一體，增加了水果分級的便利性，減少了分級成本，提高分級包裝的精度和效率。