武海軍

烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院（烏海 016000）

隨著人民生活水平的提高和食品安全意識(shí)的不斷提高，水果消費(fèi)者對(duì)于水果的品質(zhì)和安全性要求也越來越高[1-2]。我國(guó)水果產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一位，并且我國(guó)水果品種繁多，在國(guó)家政策的幫助下，水果的發(fā)展前景廣闊。但我國(guó)水果商品化手段較為落后，在水果生產(chǎn)過程中通常需要從國(guó)外引進(jìn)一些先進(jìn)的分選設(shè)備對(duì)水果進(jìn)行分選，我國(guó)水果種類眾多，因此，從國(guó)外引進(jìn)的設(shè)備往往具有一些局限性[3]。

水果采摘后需要對(duì)其進(jìn)行上料、清洗、分選、包裝等處理，而水果分選是采摘后加工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，水果分級(jí)是對(duì)不同特點(diǎn)的水果進(jìn)行挑選并分類儲(chǔ)存。目前我國(guó)大多數(shù)水果加工企業(yè)通常采用人工分選法進(jìn)行挑選，也是我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的一種分級(jí)方法[4-5]。人工分選主要通過工人的主觀視覺判斷水果的大小、形狀、色澤等進(jìn)行挑選。但人工分選受主觀因素響應(yīng)較大，該方法主要依賴于個(gè)人視力、顏色分辨率、空間光照等因素影響，從而使得人工分選準(zhǔn)確率較低，分選效率較低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度也較大，人工成本較高[6]。

電子稱重分選機(jī)的核心是利用稱重傳感器對(duì)水果質(zhì)量進(jìn)行采集，通過水果分選的標(biāo)準(zhǔn)通過程序進(jìn)行編程，利用程序的判斷將不同質(zhì)量的水果進(jìn)行分級(jí)。此次研究的電子稱重水果分選機(jī)主要包括生產(chǎn)線支架、傳送裝置、稱重系統(tǒng)、水果挑選設(shè)備。機(jī)械傳動(dòng)為整條生產(chǎn)線提供動(dòng)力，并完成水果的輸送。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于PLC的水果食品稱重分選機(jī)控制系統(tǒng)，利用稱重傳感器對(duì)水果質(zhì)量進(jìn)行采集并傳送到PLC中，再通過PLC編程實(shí)現(xiàn)水果分選。

1 稱重分選機(jī)工作原理

根據(jù)分選工藝要求，采用的稱重傳感器為壓力式采集傳感器以及采用氣缸和傳送帶的分選系統(tǒng)。稱重傳感器通過壓力信號(hào)將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過PLC的模擬量采集模塊將信號(hào)采集到PLC的CPU中[6-11]，通過數(shù)據(jù)處理將質(zhì)量信號(hào)進(jìn)行處理并與設(shè)定的目標(biāo)質(zhì)量進(jìn)行比較，當(dāng)質(zhì)量符合所設(shè)定的挑選質(zhì)量時(shí)，則PLC發(fā)出指令控制挑選結(jié)構(gòu)將水果挑出并放入相應(yīng)的儲(chǔ)物箱中，從而完整一個(gè)完整的分選過程，分選機(jī)控制原理如圖1所示。

圖1 分選機(jī)控制原理

研究的自動(dòng)稱重分選機(jī)機(jī)械部分主要包括傳送帶、控制箱、氣缸以及托架等。而電氣部分主要包括PLC、觸摸屏、稱重傳感器、光電開關(guān)、限位開關(guān)、電磁閥以及調(diào)頻電機(jī)等。通過觸摸屏對(duì)分選機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，控制系統(tǒng)的核心則為PLC。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)水果分選機(jī)工藝特點(diǎn)以及電氣控制系統(tǒng)的具體要求，分選機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC和人機(jī)觸摸屏相結(jié)合的形式，該控制系統(tǒng)由于采用PLC作為控制器，穩(wěn)定性高，能夠根據(jù)分選機(jī)特性進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)分選機(jī)的高效控制以及各機(jī)構(gòu)狀態(tài)的有效監(jiān)控，控制系統(tǒng)采用多級(jí)控制方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括管理級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)以及執(zhí)行級(jí)的三級(jí)遞階控制。三級(jí)遞階控制是將控制系統(tǒng)分割成多個(gè)子系統(tǒng)，由多個(gè)子系統(tǒng)組成分選機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)。該控制方法具有局部故障不影響整體系統(tǒng)、靈活性高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

采用西門子KTP1200觸摸屏作為整個(gè)控制系統(tǒng)的管理級(jí)。該管理級(jí)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并采集各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況。觸摸屏中包含各個(gè)功能畫面的切換，通過不同的虛擬按鍵實(shí)現(xiàn)PLC命令的下發(fā)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定控制目標(biāo)。

協(xié)調(diào)級(jí)作為遞階控制系統(tǒng)的次高級(jí)，該級(jí)主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各子任務(wù)的執(zhí)行，PLC主要負(fù)責(zé)稱重分選機(jī)各個(gè)工位中傳感器信息的采集，并實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)的速度控制。以分選機(jī)變頻電機(jī)、傳感器、氣缸、電磁閥等執(zhí)行器作為遞階控制系統(tǒng)的第三級(jí)。

控制系統(tǒng)主要組成為：

1) 核心控制器：核心控制器主要由PLC和觸摸屏組成，PLC通過梯形圖控制程序下發(fā)動(dòng)作指令，并將傳感器信息進(jìn)行采集，根據(jù)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋狀態(tài)協(xié)調(diào)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。

2) A/D采集模塊，A/D采集模塊主要負(fù)責(zé)將稱重分選機(jī)中的質(zhì)量模擬量信息進(jìn)行采集并實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，最終由PLC完成。

3) 觸摸屏：觸摸屏主要負(fù)責(zé)分選機(jī)參數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)監(jiān)控以及故障監(jiān)控。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水果食品稱重分選機(jī)控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中主控模塊主要負(fù)責(zé)組織各子模塊的運(yùn)行，以及各模塊之間的協(xié)調(diào)和通訊；其中觸摸屏程序主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與顯示采集重量傳感器信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行顯示。PLC程序由主程序、數(shù)據(jù)初始化程序、Modbus通訊程序以及報(bào)警中斷程序，程序結(jié)構(gòu)流程如圖3所示。

圖3 程序結(jié)構(gòu)

圖4 觸摸屏畫面

為了實(shí)現(xiàn)分選機(jī)的有效控制，對(duì)分選機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用人機(jī)觸摸屏作為分選機(jī)上位機(jī)，并通過串口通信的方式實(shí)現(xiàn)與PLC通信。設(shè)計(jì)的觸摸屏界面主要由主窗口、參數(shù)設(shè)置窗口以及其他人機(jī)界面組成，觸摸屏畫面如圖關(guān)系如圖4所示。

4 結(jié)語

以水果食品稱重分選機(jī)為研究對(duì)象，為了提高水果加工企業(yè)生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)了一種基于PLC和觸摸屏的水果食品稱重分選機(jī)控制系統(tǒng)。介紹了稱重分選機(jī)稱重系統(tǒng)的工作原理，針對(duì)稱重分選機(jī)的工作原理設(shè)計(jì)了分選機(jī)三級(jí)遞階控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，每一級(jí)系統(tǒng)分配不同的任務(wù)，在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了PLC程序以及觸摸屏程序。該控制系統(tǒng)采用三級(jí)遞階控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利于后期軟件和硬件維護(hù)。該控制系統(tǒng)能夠顯著提高水果分選機(jī)自動(dòng)化程度，能夠大大提升水果加工企業(yè)生產(chǎn)效率。