基于機(jī)器視覺(jué)和PLC的谷糙分級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要： 針對(duì)傳統(tǒng)谷糙分離機(jī)應(yīng)用人工調(diào)節(jié)分級(jí)板存在定位精度低、成本高、工作效率受限等弊端，提出一種基于機(jī)器視覺(jué)和PLC的谷糙分級(jí)控制系統(tǒng)。搭建嵌入式視覺(jué)檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)谷糙檢測(cè)的圖像處理算法進(jìn)行多級(jí)式遞進(jìn)融合設(shè)計(jì)，對(duì)谷糙的特征分級(jí)點(diǎn)進(jìn)行提??；基于位置偏移的方法聯(lián)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)的精確定位；結(jié)合傳感器技術(shù)，根據(jù)谷糙的重力、表面粗糙度、流量、設(shè)備振動(dòng)頻率及傾斜角等特性，在上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控下進(jìn)行設(shè)備校正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)谷糙自動(dòng)化、智能化分級(jí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該谷糙分級(jí)控制系統(tǒng)的平均定位精度為96%，回礱谷含糙率低于5%，具有良好的工作性能和穩(wěn)定性，能夠取代傳統(tǒng)人工機(jī)械操作，降低人工成本，提高工作效率，并增加大米生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞： 谷糙分級(jí)； 嵌入式； 機(jī)器視覺(jué)； 圖像處理； PLC； 電機(jī)控制； 傳感器； 人機(jī)交互

中圖分類(lèi)號(hào)： TN709?34； TP23""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A """"""""""""""""""""文章編號(hào)： 1004?373X（2024）09?0124?07

0" 引" 言

谷糙分級(jí)是在礱谷工序后的一道工序，將谷物中的糙米按照大小、形狀和質(zhì)量等指標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)和分級(jí)[1]。當(dāng)前，現(xiàn)有的谷糙分離機(jī)通過(guò)篩選、振動(dòng)等一系列工藝，雖然能夠有效地將谷物中的糙米和谷稻分離，但仍存在以下弊端：一是傳統(tǒng)的分級(jí)方法需要人工勞力且耗時(shí)，操作相對(duì)復(fù)雜，需要配備熟練人員；二是在分級(jí)效果上有一定的限制，效率低，無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。針對(duì)以上兩點(diǎn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)智能化谷糙分級(jí)，在提高谷物加工效率、提高糙米品質(zhì)、減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度和降低生產(chǎn)成本等方面具有重要的意義[2]。

近些年來(lái)，谷糙分級(jí)設(shè)備的主要研究方向還處于工作過(guò)程的模擬與仿真，以及工藝參數(shù)的研究與探討。文獻(xiàn)[3]采用流體力學(xué)和離散元法對(duì)糙米損失和稻殼滯留的氣動(dòng)分離機(jī)理進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]采用CRITIC法對(duì)分離效率和損失率進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到了谷糙分離擋板的最佳參數(shù)。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)出一種重力式谷糙分離裝置的絲桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)。文獻(xiàn)[6]通過(guò)分析重力式谷糙分離機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)最小轉(zhuǎn)動(dòng)角的變化規(guī)律，提高了谷糙分離機(jī)的傳動(dòng)性能。然而隨著機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展，這一項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用到各行各業(yè)，具有高效、高精度、高穩(wěn)定性及自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[7]。文獻(xiàn)[8]基于機(jī)器視覺(jué)卡尺工具法對(duì)軸承內(nèi)外徑進(jìn)行圓擬合，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承尺寸的快速精準(zhǔn)測(cè)量。文獻(xiàn)[9]采用嵌入式機(jī)器視覺(jué)對(duì)不同分辨率的育秧流水線(xiàn)圖像進(jìn)行采集并收集到關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，本文以大米加工中的谷糙分離機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有谷糙分離機(jī)的分料方式，將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)以及智能控制技術(shù)應(yīng)用到谷糙分離機(jī)中。首先，搭建嵌入式硬件平臺(tái)，采用多種視覺(jué)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)谷糙分級(jí)位置的定位；其次，設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)，按照通信協(xié)議接收視覺(jué)定位信息，對(duì)分級(jí)板進(jìn)行位置調(diào)整，并輔以人機(jī)交互界面，結(jié)合傳感器進(jìn)行監(jiān)控與控制，設(shè)置相關(guān)工藝參數(shù)并轉(zhuǎn)換控制指令，從人工操作向智能化方向發(fā)展，減少人為失誤，提高大米生產(chǎn)的效率及經(jīng)濟(jì)效益。

1" 分級(jí)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1" 裝置結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)大米加工高質(zhì)量的生產(chǎn)，行業(yè)制定標(biāo)準(zhǔn)GB/T 265590—2011《糧油機(jī)械?重力谷糙分離機(jī)》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)谷糙分離機(jī)的作業(yè)要求如表1所示。

針對(duì)上述重力谷糙分離機(jī)的工藝需求，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)和PLC的谷糙分級(jí)控制系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械系統(tǒng)、視覺(jué)定位系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)三個(gè)部分，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)械系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其主要由進(jìn)料勻料裝置、分料裝置、分離箱體、出料裝置、吸風(fēng)除塵機(jī)構(gòu)、支承調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、偏心傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)座等組成。電動(dòng)機(jī)配備功率為3 kW，轉(zhuǎn)速范圍為（300±5）r/min，吸風(fēng)量達(dá)170×2 m3。支承調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括兩組支承桿、支承軸和偏心升降機(jī)構(gòu)。通過(guò)連接小軸承座和支承架，以及連接大軸承座和機(jī)座，形成一個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)，使得分離箱體的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且一致，并保持左右對(duì)稱(chēng)。由電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)平衡皮帶輪，實(shí)現(xiàn)分離箱體橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。偏心升降機(jī)構(gòu)具備可調(diào)節(jié)分離箱體橫向傾角（7°～11°）的靈活性，以滿(mǎn)足所需的工藝效果。

原有谷糙分離機(jī)的進(jìn)料口流量以及分級(jí)板位置都是由人工根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)搖桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此進(jìn)行改進(jìn)，由視覺(jué)系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)來(lái)代替人工調(diào)節(jié)進(jìn)料流量及分級(jí)位置，同時(shí)優(yōu)化電氣控制系統(tǒng)，減少人為誤差，提高工作效率與質(zhì)量。

1.2" 工作原理

作業(yè)時(shí)，谷糙混合物通過(guò)傳輸管道運(yùn)送到進(jìn)料口，經(jīng)進(jìn)料勻料裝置流到分離篩面，利用谷糙混合物中糙米和稻谷的比重、摩擦系數(shù)、粒度等物理參數(shù)的不同，在做正弦運(yùn)動(dòng)的分離篩作用下，混合物便產(chǎn)生物料間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在雙向傾斜裝置的分離篩以及篩面魚(yú)鱗凸點(diǎn)的往復(fù)作用下，使糙米斜向上移；與篩面不接觸的稻谷，則向下斜移，達(dá)到依質(zhì)分離，分別滑向谷物出口處。

在兩個(gè)篩體之間搭建嵌入式視覺(jué)平臺(tái)，用于對(duì)可見(jiàn)光范圍內(nèi)谷糙的檢測(cè)與分級(jí)。ARM處理器設(shè)置在控制柜外，以防止電磁干擾。攝像頭固定在控制柜的上方，用于檢測(cè)稻谷的特征。由于谷糙分離機(jī)不存在高度限制，為了獲取所需的谷糙信息，視覺(jué)定位系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為高度與角度可調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)中拍攝高度為20 cm，幀率為15 f/s，視野范圍包含了谷糙的分級(jí)位置。攝像頭獲取圖像的分辨率是800像素×480像素，通過(guò)圖像處理算法，其圖像分辨率與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)圖像做比例運(yùn)算，可以推算出實(shí)際分級(jí)點(diǎn)位置。通過(guò)Modbus通信協(xié)議將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)獲得的定位信息傳輸給控制系統(tǒng)；PLC根據(jù)該信息控制分級(jí)板偏移以實(shí)現(xiàn)谷糙分級(jí)，同時(shí)設(shè)計(jì)人機(jī)交互組態(tài)界面作為上位機(jī)，使用相關(guān)功能模塊與現(xiàn)場(chǎng)工控設(shè)備建立連接，獲取傳感信息并驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行流量、傾角以及分級(jí)操作，進(jìn)行微調(diào)以補(bǔ)償誤差，返回相應(yīng)結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)智能化谷糙分級(jí)。

為解決環(huán)境光的干擾、消除不必要的陰影以及低反差等問(wèn)題，本系統(tǒng)根據(jù)漫反射原理，使用“同向光源”，同時(shí)考慮到照明光源的穩(wěn)定性、成本以及使用壽命等因素，采用了具有高亮度、長(zhǎng)使用壽命、高穩(wěn)定性的LED白色條形光源，保證良好照明條件的同時(shí)，將環(huán)境光的干擾降低到最小，保證圖像采集的質(zhì)量。

2" 視覺(jué)定位系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

2.1" 視覺(jué)檢測(cè)方法

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要硬件平臺(tái)包括PC和嵌入式兩種，相比較PC端，嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)更適合生產(chǎn)線(xiàn)環(huán)境復(fù)雜及其產(chǎn)品大批量、低成本的制造行業(yè)[10?11]。系統(tǒng)不僅外觀(guān)體積小，裝卸和移動(dòng)更加方便，而且更具實(shí)時(shí)性，因此采用嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集與處理，如圖2所示。

圖像采集是定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)，圖像采集的好壞將直接影響后續(xù)圖像處理的操作。圖像采集部分主要由高性能H系列ARM處理器、CMOS攝像頭、LCD顯示器、光源組成。而對(duì)于A(yíng)RM處理器、攝像頭和光源的選型、數(shù)量以及安裝位置等，都是基于谷糙分離機(jī)的使用環(huán)境、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及精度要求決定的。

嵌入式處理器初始化各個(gè)模塊，寫(xiě)入配置信息進(jìn)行工作。經(jīng)由SCCB總線(xiàn)，CMOS攝像頭通過(guò)DCMI接口采集圖像數(shù)據(jù)，在DMA模式下，處理器將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)到SDRAM對(duì)應(yīng)的內(nèi)存空間，不經(jīng)過(guò)CPU操作控制以減少內(nèi)核負(fù)擔(dān)；NVIC中斷采用幀中斷，使能傳輸計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作并獲取幀率，每當(dāng)接收到一幀圖像數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)觸發(fā)一次中斷并執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序以捕獲圖像數(shù)據(jù)。這些圖像數(shù)據(jù)可能由于光學(xué)系統(tǒng)的像差、成像光照、圖像信號(hào)干擾以及目標(biāo)與成像設(shè)備之間的相對(duì)移動(dòng)而造成圖像噪點(diǎn)較多、特征輪廓對(duì)比度小以及重影模糊等缺陷，因此需要在嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)中進(jìn)行圖像算法處理，去除噪聲，得到稻谷的邊界及區(qū)域特征值[12]。

2.2" 圖像預(yù)處理

由于攝像頭采集到的原始圖像除了所需要處理的有關(guān)區(qū)域，可能還會(huì)包含一些無(wú)關(guān)區(qū)域，因此，需要將一些不利因素去除，從而提高圖像的處理速度。通過(guò)將攝像頭采集到的圖像進(jìn)行分割，只保留ROI區(qū)域，這樣才能保證后面對(duì)圖像的處理不受到其他非目標(biāo)區(qū)域的影響，提高特征提取的準(zhǔn)確性。因此，選擇透視變換對(duì)采集圖像標(biāo)定ROI區(qū)域，通過(guò)式（1）計(jì)算每個(gè)原始圖像像素在新平面上的坐標(biāo)：

[[x"" y"" w]=[u"" v"" w]*A] （1）

式中：[u]和[v]是原始圖像；[w]取值為1；[A=a11a12a13a21a22a23a31a32a33]，為變換矩陣。

進(jìn)行插值處理以輸出變換后的新圖像，使得圖像顯示為正常的平行視圖，其結(jié)果如圖3所示。

對(duì)于谷糙圖像進(jìn)行濾波去噪處理時(shí)，根據(jù)實(shí)際效果對(duì)比，選用雙邊濾波進(jìn)行去噪處理。利用二維高斯曲面的式（2）計(jì)算雙邊濾波所需的空間域核與圖像像素域核：

[g（x，y）=12πσ2e-x2+y22σ2] （2）

式中：[σ]為方差；[x]和[y]代表像素的模板坐標(biāo)。

通過(guò)計(jì)算可得空間域核與圖像像素域核的積，即權(quán)重函數(shù)，將其與輸入像素的值相乘得到輸出像素圖像。

由于谷糙圖像和其他類(lèi)型的圖像有所不同，一幅谷糙圖像內(nèi)谷稻與糙米混雜，且顏色相近，另外加之受光照、天氣等環(huán)境因素的干擾，給后續(xù)的圖像處理工作帶來(lái)了一定的困難，特別是分割二值化的閾值選取，是圖像處理部分的一個(gè)難點(diǎn)，因此在二值化之前采用Retinex圖像增強(qiáng)算法，以增強(qiáng)圖像的對(duì)比度和亮度，并保留圖像的細(xì)節(jié)信息。這里采用改進(jìn)的Retinex算法，其基本計(jì)算公式為：

[I（x，y）=R（x，y）*L（x，y）] （3）

式中：[I（x，y）]為原始圖像；[R（x，y）]表示物體本身固有性質(zhì)的反射分量；[L（x，y）]表示光照強(qiáng)度信息的光照分量。

通過(guò)多次迭代運(yùn)算，對(duì)圖像進(jìn)行尺度分解、局部對(duì)比度增強(qiáng)和亮度調(diào)整，不斷優(yōu)化圖像的增強(qiáng)效果，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)為止。

根據(jù)實(shí)際采集到的圖像采取自適應(yīng)的OTSU迭代方法來(lái)獲取谷糙圖像的圖像分割閾值?？紤]到選取閾值的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一種尋求最優(yōu)解的過(guò)程，因此在確定最佳閾值的過(guò)程中確定實(shí)際像素?cái)?shù)非零的灰度級(jí)所對(duì)應(yīng)的類(lèi)間方差，將類(lèi)間方差最大時(shí)的灰度值作為最佳分割閾值，以此提高圖像處理的速度，實(shí)現(xiàn)谷糙圖像的快速二值化。

利用中值濾波對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理，減少噪點(diǎn)的影響；通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定各個(gè)形態(tài)學(xué)運(yùn)算的結(jié)構(gòu)、運(yùn)算順序及運(yùn)算次數(shù)；利用八鄰域法對(duì)二值圖像中所有連通域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，尋找最大連通域，即目標(biāo)結(jié)果。

最終的谷糙圖像預(yù)處理結(jié)果如圖4所示。

2.3" 圖像輪廓邊緣提取

綜合各邊緣檢測(cè)算法的效果，使用像素級(jí)的Canny邊緣檢測(cè)算法，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行濾波、梯度計(jì)算、非極大值抑制以及雙閾值參數(shù)的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)搜索等步驟，捕捉圖像中的邊緣特征，并準(zhǔn)確定位于邊緣的中心，從而獲得目標(biāo)邊緣特征。

通過(guò)邊緣檢測(cè)得到的特征曲線(xiàn)來(lái)獲取離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，即定位點(diǎn)，采用最小二乘法進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸，建立線(xiàn)性模型來(lái)描述數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布，計(jì)算公式為：

[f（xi）=WTX] （4）

式中：[X]表示整個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；[W]為[k]與[b]的加權(quán)矩陣。

通過(guò)計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到擬合直線(xiàn)的殘差得到殘差平方和，其公式為：

[E=i（f（xi）-kxi-b）2] （5）

當(dāng)殘差平方和最小時(shí)，即為最優(yōu)解，得到最佳擬合直線(xiàn)的斜率和截距，從而獲得最小二乘法直線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果，如圖5所示。

3" 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的S7?200 SMART PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，結(jié)合傳感器對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集和傳輸，通過(guò)相應(yīng)的外圍設(shè)備對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。在作業(yè)中，PLC作為獨(dú)立的模塊進(jìn)行控制的同時(shí)，可接收上位機(jī)指令進(jìn)行監(jiān)控與參數(shù)調(diào)整，完成分級(jí)過(guò)程中各部分的控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

I/O地址是控制器與外圍設(shè)備通信的基礎(chǔ)，按照控制器實(shí)際應(yīng)用需求，分配不同的變量地址來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器與其他電氣設(shè)備之間的信息傳輸，以控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。表2為控制系統(tǒng)I/O地址分配表。

首先啟動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)，控制系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕，PLC自動(dòng)進(jìn)行上電初始化，并由變頻器控制的交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩；壓力傳感器LJC30A3通過(guò)進(jìn)料口流量采集壓力信息，從而得出有料信息。通過(guò)上位機(jī)調(diào)整流量參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DM870，控制步進(jìn)電機(jī)以調(diào)節(jié)流量板來(lái)改變進(jìn)料流量，減低回礱率。工作過(guò)程中，通過(guò)九軸加速度角度傳感器HWT901B對(duì)谷糙分離機(jī)雙篩體的傾角進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集以及上位機(jī)目標(biāo)值調(diào)整，根據(jù)PLC處理器中嵌入的信息轉(zhuǎn)變模型計(jì)算傾角與目標(biāo)值之間的偏差，將偏差信息轉(zhuǎn)為控制信號(hào)發(fā)送給變頻器MS300，變頻器通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的供電頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)傾角調(diào)整。在視覺(jué)定位操作完成后，控制系統(tǒng)對(duì)圖像采集區(qū)域的谷糙進(jìn)行分級(jí)。為了監(jiān)控谷糙分級(jí)位置并判別分級(jí)板是否在同一位置，系統(tǒng)按照流程調(diào)用算法模塊進(jìn)行決策，并對(duì)接收到的定位結(jié)果發(fā)送信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)分級(jí)操作。

3.2" 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

在嵌入式研究的基礎(chǔ)上，建立嵌入式視覺(jué)定位終端與PLC控制終端之間圖像信息的連接通信，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的具體需求，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議[13]，給出了一種基于Modbus協(xié)議的通信傳輸實(shí)現(xiàn)方案，其架構(gòu)如圖7所示。

在整個(gè)系統(tǒng)中，Modbus RTU協(xié)議使用RS 485物理層，將PLC控制終端作為上位機(jī)，接收嵌入式視覺(jué)終端串行發(fā)送的64 bit指令數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)遵循表3的報(bào)文格式。

而Modbus TCP采用TCP/IP協(xié)議作為通信介質(zhì)，只需要設(shè)置系統(tǒng)的IP地址、網(wǎng)關(guān)以及子網(wǎng)掩碼，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信[13]。觸摸屏通過(guò)傳感器監(jiān)控整個(gè)機(jī)器的部分運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)組態(tài)界面監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、發(fā)送監(jiān)控指令，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

3.3" 控制程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)選擇西門(mén)子編程軟件STEP 7?MicroWIN SMART作為控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，搭建以PLC處理器為核心的控制系統(tǒng)，以L(fǎng)AD編寫(xiě)上位機(jī)程序，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)[14]。主程序在循環(huán)處理中根據(jù)配置流程調(diào)用相應(yīng)的功能塊程序，如圖8所示，各模塊的功能在子程序中完成，實(shí)現(xiàn)對(duì)全過(guò)程的自動(dòng)控制。

谷糙分離機(jī)啟動(dòng)后，控制系統(tǒng)初始化，其中PLC啟動(dòng)比上位機(jī)快，傾角數(shù)據(jù)來(lái)不及初始化，所以對(duì)PLC進(jìn)行滯后初始化以限制數(shù)據(jù)。接著檢測(cè)料斗是否有料，分級(jí)板是否超出極限位置等，在滿(mǎn)足啟動(dòng)條件后，設(shè)置主電機(jī)自動(dòng)或手動(dòng)模式，一般默認(rèn)為自動(dòng)模式，主電機(jī)啟動(dòng)，雙篩體開(kāi)始振動(dòng)工作，并對(duì)篩體角度進(jìn)行防抖。由于左右篩體所處地面的平整度或長(zhǎng)時(shí)間積累的角度誤差會(huì)影響出料效率，因此需要進(jìn)行傾角調(diào)整。在觸摸屏初始化后，分別對(duì)傾角電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，使分級(jí)效果達(dá)到最好?？刂葡到y(tǒng)與視覺(jué)定位系統(tǒng)進(jìn)行通信，發(fā)送并接收?qǐng)?bào)文，以控制谷糙分級(jí)，直到下一工序結(jié)束。控制系統(tǒng)工作流程圖如圖9所示。

3.4" 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面選用TPC7032Kt觸摸屏，通過(guò)運(yùn)行MCGS軟件，設(shè)計(jì)組態(tài)控制系統(tǒng)，主要包括：RS 485總線(xiàn)、Modbus總線(xiàn)外設(shè)接口部分、組態(tài)人機(jī)交互軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)檢測(cè)及控制系統(tǒng)完成集控單元信號(hào)處理、控制算法策略的實(shí)現(xiàn)。

在組態(tài)控制系統(tǒng)中采用Modbus協(xié)議和主控PLC建立通信，將組態(tài)控制系統(tǒng)分為上位機(jī)界面和下位機(jī)端，用戶(hù)通過(guò)登錄模塊進(jìn)入上位機(jī)界面，對(duì)下位機(jī)端進(jìn)行控制，登錄界面如圖10所示。針對(duì)控制系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)了監(jiān)控與控制組態(tài)界面，如圖11所示。

4" 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)算法的控制精度和穩(wěn)定性，對(duì)被測(cè)篩面圖像的定位信息進(jìn)行200次統(tǒng)計(jì)測(cè)量。由于分級(jí)位置只有[x]方向的移動(dòng)自由度，所以只對(duì)[x]方向作分析，計(jì)算校正后的位置，對(duì)應(yīng)控制分級(jí)位置，相對(duì)誤差結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，系統(tǒng)算法的定位誤差完全在允許范圍內(nèi)，定位值十分接近實(shí)際分級(jí)位置，通過(guò)計(jì)算可得平均定位精度為96%，很好地解決了定位精度問(wèn)題。

為了測(cè)試分級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)際性能指標(biāo)，對(duì)其開(kāi)發(fā)樣機(jī)MGCZ60×20×2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。啟動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)定50 Hz的電源頻率啟動(dòng)電機(jī)，設(shè)定箱體縱向傾角為8°，橫向傾角為9.5°，驅(qū)動(dòng)谷糙混合物通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入到篩面以進(jìn)行分級(jí)操作。在1 h實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，通過(guò)樣機(jī)轉(zhuǎn)向閥從特設(shè)的回礱谷出口分別取樣三次。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后的10 min左右開(kāi)始取樣，之后每隔15 min取樣一次，每次取樣兩份，每份樣品質(zhì)量約500 g左右，一份作為原始樣，即為該點(diǎn)的檢測(cè)樣品，一份作為平行樣，待實(shí)驗(yàn)結(jié)束核對(duì)無(wú)誤后處理。

4.1" 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

將回礱谷含糙率作為評(píng)價(jià)分級(jí)控制系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。從回礱谷檢測(cè)樣品中分別取試樣約100 g，揀出糙米、稱(chēng)重，按式（6）計(jì)算：

[δs=QsQ] （6）

式中：[δs]為回礱谷含糙率；[Qs]為糙米質(zhì)量；[Q]為試樣質(zhì)量。

4.2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的要求進(jìn)行取樣，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

回礱谷含糙量是指回礱谷檢測(cè)樣品中糙米的含量，回礱谷含糙率即糙米所占比例。

結(jié)果表明：回礱谷含糙量均值最大達(dá)到4.97 g，含糙率低于5%，不僅滿(mǎn)足谷糙分離機(jī)的性能指標(biāo)，而且提高了生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

5" 結(jié)" 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)谷糙分離機(jī)存在的問(wèn)題，本文提出了基于機(jī)器視覺(jué)和PLC的谷糙分級(jí)控制系統(tǒng)，以嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完整的圖像采集和處理功能，并根據(jù)其處理輸出的分級(jí)結(jié)果，采用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、智能控制技術(shù)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)節(jié)、無(wú)人工勞力的谷糙分級(jí)裝備，具有較高的可靠性，可顯著節(jié)省人力、降低設(shè)備能耗、提高設(shè)備分級(jí)效果，提高大米生產(chǎn)加工的經(jīng)濟(jì)效益。

注：本文通訊作者為齊家敏。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬(wàn)國(guó)韜，秦彥霞.一種谷糙分離的新思路[J].現(xiàn)代食品，2019（14）：8?9.

[2] 牛文俊，李璋，唐國(guó)安.利用谷糙分離技術(shù)降低谷外糙米含量的探討[J].糧食儲(chǔ)藏，2015，44（4）：54?56.

[3] CHEN P， HAN Y， JIA F， et al. Investigation of the mechanism of aerodynamic separation of rice husks from brown rice following paddy hulling by coupled CFD?DEM [J]. Biosystems engineering， 2022， 218： 200?215.

[4] MENG X， CHEN H， HAN Y， et al. Separation characteristics of white rice in an indented cylinder separator with a baffle [J]. Biosystems engineering， 2022， 216： 46?64.

[5] 陳楊華.谷糙分離試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢輕工大學(xué)，2019.

[6] 徐兵，晁東，崔清亮.6NG?16型重力式谷糙分離機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2021，59（9）：20?22.

[7] 高娟娟，渠中豪，宋亞青.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)傳媒科技，2020（7）：21?22.

[8] 鄒哲暠，曾維友.基于機(jī)器視覺(jué)的卡尺工具法軸承精密測(cè)量[J].機(jī)床與液壓，2023，51（2）：53?58.

[9] 譚穗妍，馬旭，董文浩，等.基于嵌入式機(jī)器視覺(jué)的水稻秧盤(pán)育秧圖像無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48（4）：22?28.

[10] 蔡曉軍.基于嵌入式機(jī)器視覺(jué)的多瓶口缺陷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2018，39（23）：164?169.

[11] 趙獻(xiàn)立，王志明，田鵬飛.基于嵌入式機(jī)器視覺(jué)的玉米苗分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2023，45（9）：66?70.

[12] 劉彥磊，郭濤，張世輝，等.基于PLC的相框組裝包裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2022，43（5）：205?210.

[13] 尹亮，陳貴鳳，楊曉龍，等.基于PLC的電力供電系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2022，44（8）：153?156.

[14] 劉忠超，蓋曉華.基于機(jī)器視覺(jué)和PLC的獼猴桃分級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2020，41（1）：131?135.

[15] 李雪梅，李喆，張?chǎng)危?基于機(jī)器視覺(jué)的閥口袋動(dòng)態(tài)抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2022，50（12）：77?82.

Design of husked rice grading control system based on machine vision and PLC

LI Xin1， QI Jiamin1， CHENG Hao1， WANG Yanchun2

（1. School of Mechanical Engineering， Hubei University of Arts and Sciences， Xiangyang 441053， China;

2. Hubei Hangyu Jiatai Aircraft Equipment Co.， Ltd.， Xiangyang 441025， China）

Abstract： A husked rice grading control system based on machine vision and PLC is proposed to address the drawbacks of low positioning accuracy， high cost， and limited work efficiency in the application of manual adjustment grading plates in the traditional paddy separators. An embedded visual detection platform is built， multi?level progressive fusion design is performed on the image processing algorithm for husked rice detection， and the feature grading points of husked rice is extracted. The method of linkage motor driver based on position offset achieves precise positioning of the PLC control system. By combining sensor technology and on the basis of the gravity， surface roughness， flow rate， equipment vibration frequency and tilt angle of husked rice， equipment calibration is carried out under the configuration monitoring of the upper computer， thereby achieving automation and intelligent grading of husked rice. The experimental results show that the average positioning accuracy of the husked rice grading control system is 96%， and the percent of husked rice in paddy returns to husker is less than 5%. It has good working performance and stability， can replace traditional manual mechanical operations， reduce labor costs， improve work efficiency， and increase the production efficiency of the rice production line.

Keywords： husked rice grading; embedding; machine vision; image processing; PLC; motor control; sensor; human?computer interaction

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.09.023

引用格式：李欣，齊家敏，程昊，等.基于機(jī)器視覺(jué)和PLC的谷糙分級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（9）：124?130.

收稿日期：2023?11?22"""""""""" 修回日期：2023?12?12

基金項(xiàng)目：襄陽(yáng)市科技局重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2022ABH006488）

李" 欣，等：基于機(jī)器視覺(jué)和PLC的谷糙分級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李" 欣，等：基于機(jī)器視覺(jué)和PLC的谷糙分級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李" 欣，等：基于機(jī)器視覺(jué)和PLC的谷糙分級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：李" 欣（1998—），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄苤圃臁?/p>

齊家敏（1973—），男，湖北襄陽(yáng)人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橹圃煅b備集成控制。