萬宏強(qiáng)，楊路凡，劉智豪，蘇米蘭

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

水果作為生活飲食中不可或缺的一部分，需求量不斷增加，種植面積也不斷擴(kuò)大，使得我國(guó)水果需求量和種植面積都處于領(lǐng)先位置，但相比于歐美等水果產(chǎn)業(yè)大國(guó)，由于對(duì)果品的后期處理及優(yōu)化手段落后，標(biāo)準(zhǔn)化缺失，致使其價(jià)值得不到凸顯，其中等級(jí)分類作為一個(gè)關(guān)鍵步驟存在于諸多后期處理中[1-3]。而在城市里以超市、水果店為主導(dǎo)的水果銷售，水果的品質(zhì)好壞、水果的等級(jí)分配、水果的稱重等步驟往往都需要大量的人工參與，人工成本的增加使得水果的銷售成本增加，此時(shí)超市則往往會(huì)通過提高水果售價(jià)的方式將成本轉(zhuǎn)移到消費(fèi)者身上，水果價(jià)格的增長(zhǎng)就會(huì)降低部分消費(fèi)者的購(gòu)買欲望，造成水果的滯銷[4-5]。

針對(duì)果品分級(jí)，我國(guó)也進(jìn)行了許多研究，朱培逸等[6]基于PLC控制、組態(tài)王界面設(shè)計(jì)研發(fā)了一款可對(duì)水果進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)跟蹤、等級(jí)分配的控制系統(tǒng)。吳疆等[7]基于三菱PLC對(duì)多傳感器、氣缸進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)一款蜜柚分級(jí)設(shè)備，可在大小分級(jí)基礎(chǔ)上，再按照質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，最終獲得不同的3個(gè)等級(jí)。紀(jì)娜[8]基于PLC控制，針對(duì)獼猴桃果實(shí)設(shè)計(jì)了一款稱重分級(jí)設(shè)備，可通過MCGS觸摸屏進(jìn)行上位機(jī)操作，并配有語音輸出模塊，增加了使用的便利性。任杰等[9]采用三菱FX-2N小型PLC為控制元件，設(shè)計(jì)了一款可將水果分為大中小3個(gè)等級(jí)的機(jī)械設(shè)備。周麗琴[10]設(shè)計(jì)了一款水果采摘分級(jí)裝置，在采摘過程中完成對(duì)水果的分級(jí)，極大地提高了分級(jí)效率。但以上水果分級(jí)設(shè)備都存在著占地面積大、分級(jí)不徹底的問題。

因此，研制一款應(yīng)用于超市、水果店等果品銷售點(diǎn)，可對(duì)水果由大包裝到小袋包裝自動(dòng)化分級(jí)的設(shè)備就顯得尤為重要。該設(shè)備可以為水果分級(jí)包裝提供一種新的途徑，降低人工成本，提高銷售效率，緩解人員密集區(qū)排隊(duì)的壓力，促進(jìn)國(guó)內(nèi)果品分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展。

1 整體方案設(shè)計(jì)

設(shè)備對(duì)類球型水果依據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，可得到4個(gè)不同等級(jí)范圍，根據(jù)控制要求可對(duì)水果進(jìn)行釋放。整體設(shè)備以西門子PLC S7-200、CPU224XP為主控元件，通過程序編寫、氣動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)分級(jí)過程。設(shè)備分為整理、稱重、分級(jí)、儲(chǔ)存、收集等5部分。水果進(jìn)入整理單元呈有序排列，氣缸根據(jù)所設(shè)定時(shí)間對(duì)水果進(jìn)行推送，通過滑道逐一單個(gè)進(jìn)入稱重單元進(jìn)行稱重；控制器對(duì)稱重信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)行等級(jí)判斷并反饋給分級(jí)單元進(jìn)行分級(jí)處理，分級(jí)水果進(jìn)入儲(chǔ)存單元暫存，根據(jù)控制要求，可釋放水果到收集單元中。整體設(shè)備運(yùn)動(dòng)流程如圖1所示。

圖1 整體設(shè)備運(yùn)動(dòng)流程

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)功能要求對(duì)設(shè)備體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并基于SolidWorks三維建模軟件對(duì)整理設(shè)備進(jìn)行模擬樣機(jī)裝配。整體框架使用T形槽鋁材搭建，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定簡(jiǎn)單，其中整理單元主要通過擋板與傳送帶的結(jié)合，達(dá)到水果有序排列的效果，通過PLC對(duì)電磁閥的控制完成水果各單元的推送。稱重單元主要包括壓力傳感器和稱重盤，傳感器接收到壓力信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出給控制器，控制器進(jìn)行等級(jí)判斷，并反饋給分級(jí)單元進(jìn)行分級(jí)處理。分級(jí)單元主要包括固定支架和氣缸，可將水果依據(jù)質(zhì)量分為4個(gè)等級(jí)，不同等級(jí)設(shè)置有對(duì)應(yīng)的氣缸，可將稱重盤上的水果推送到對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存單元S形滑道內(nèi)。儲(chǔ)存單元主要包括S形滑道和氣缸，起存儲(chǔ)水果的作用，底端氣缸可根據(jù)控制要求對(duì)滑道內(nèi)水果進(jìn)行推送。收集單元主要包括電動(dòng)機(jī)、不完全齒輪和旋轉(zhuǎn)盤，不完全齒輪在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)5個(gè)工位的間歇運(yùn)動(dòng)，通過PLC對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，配合儲(chǔ)存單元?dú)飧椎耐扑?，完成收集單元?duì)不同等級(jí)水果的接收。水果質(zhì)量分級(jí)設(shè)備三維模型如圖2所示。

圖2 水果質(zhì)量分級(jí)設(shè)備三維模型

表1 水果質(zhì)量分級(jí)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

3 控制設(shè)計(jì)

3.1 壓力傳感器選型

稱重單元主要部件為懸臂梁式壓力傳感器。懸臂梁式壓力傳感器的工作原理是：彈性體表面貼有電阻應(yīng)變片，被稱重的物體引起彈性體的形變，進(jìn)而引起電阻應(yīng)變片的形變，電阻的變化又可以轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)處理，就可以測(cè)得物體的質(zhì)量。

該傳感器采用一端固定、一端加載的方式進(jìn)行稱重，安裝使用方便，價(jià)格低廉，稱重精度高，且承載能力強(qiáng)。傳感器的選擇對(duì)于稱重精度及穩(wěn)定性具有重要意義，傳感器的選型和使用應(yīng)充分考慮傳感器的量程和精度及環(huán)境因素對(duì)傳感器的影響[12-13]。

壓力傳感器的輸出信號(hào)是與載荷成正比的電壓信號(hào)，PLC的模擬量輸入模塊無法識(shí)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(hào)放大為0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)，以便于PLC模擬量模塊控制處理分級(jí)[14]。懸臂梁壓力傳感器如圖3所示。所選稱重設(shè)備參數(shù)如表2所示。

圖3 壓力傳感器

3.2 氣動(dòng)控制

水果在各單元之間的傳送都依靠小型氣缸的運(yùn)動(dòng)來完成，氣缸運(yùn)動(dòng)以空氣壓縮機(jī)作為動(dòng)力源，由西門子PLC對(duì)電磁閥的啟斷電控制，來實(shí)現(xiàn)氣缸的開關(guān)。針對(duì)不同種類的水果，所需的氣缸速度不同，因此在氣缸底端安裝有空氣節(jié)流閥，通過氣流大小來控制氣缸動(dòng)作的快慢，適應(yīng)不同工作要求。氣動(dòng)裝置主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。水果質(zhì)量分級(jí)設(shè)備氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 水果質(zhì)量分級(jí)設(shè)備氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

表2 稱重設(shè)備參數(shù)

表3 氣動(dòng)裝置主要技術(shù)參數(shù)

3.3 設(shè)備PLC控制設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備控制系統(tǒng)要求，水果質(zhì)量分級(jí)設(shè)備的輸入設(shè)備主要包括啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、急停按鈕、壓力傳感器。輸出設(shè)備主要包括傳送帶電動(dòng)機(jī)、各單元?dú)飧纂姶砰y、啟動(dòng)指示燈、報(bào)警指示燈、傳送帶電動(dòng)機(jī)電磁抱閘等。最終統(tǒng)計(jì)有4個(gè)各類輸入點(diǎn)，14個(gè)各類輸出點(diǎn)。選擇西門子S7-200 224XP，有14個(gè)輸入、10個(gè)輸出，因此增加EM223擴(kuò)充模塊擴(kuò)充輸出端。EM223可擴(kuò)充8個(gè)輸入，8個(gè)輸出DC24 V。表4所示為西門子S7-200 PLC I/O分配表。

表4 西門子S7-200 PLC I/O分配表

對(duì)PLC的I/O口進(jìn)行合理分配后，根據(jù)PLC的端子圖進(jìn)行正確的接線，PLC接線圖如圖5所示。

圖5 西門子PLC S7-200 接線圖

在邏輯流程完善、I/O端口分配完成后，利用SETP 7 Micro WIN SP9軟件進(jìn)行PLC梯形圖的編寫。數(shù)顯對(duì)模擬量進(jìn)行字節(jié)轉(zhuǎn)換，將壓力傳感器輸出的工業(yè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行模擬量存儲(chǔ)，以達(dá)到稱重的目的，再使用比較指令對(duì)水果質(zhì)量進(jìn)行4個(gè)等級(jí)的劃分，增加計(jì)時(shí)器以控制氣缸的推送時(shí)間，各模塊相互結(jié)合以達(dá)到分級(jí)推送的目的。部分設(shè)備分級(jí)程序如圖6所示。

圖6 部分設(shè)備分級(jí)程序

4 結(jié)語

本文介紹了一種新型水果稱重分級(jí)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全新型自動(dòng)化、智能化。該稱重分機(jī)設(shè)備將傳感器、氣動(dòng)控制、電氣控制等技術(shù)進(jìn)行融合，可通過觸摸屏對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行啟停工作和可視化操控。采用稱重變送器將壓力傳感器的形變信號(hào)轉(zhuǎn)變放大為工業(yè)信號(hào)，以達(dá)到稱重的目的。各單元之間協(xié)調(diào)配合，保證水果平穩(wěn)運(yùn)輸和高效分級(jí)?？刂葡到y(tǒng)增加報(bào)警制動(dòng)，可對(duì)傳送帶電動(dòng)機(jī)電磁抱閘緊急制動(dòng)，確保設(shè)備安全穩(wěn)定，為水果分級(jí)市場(chǎng)提供一種新型分級(jí)設(shè)備。