山東省平邑縣農(nóng)機(jī)發(fā)展促進(jìn)中心 王雷

隨著人們生活水平的提高，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品比如水果、海產(chǎn)品、某些品種的蔬菜等的規(guī)格重量統(tǒng)一性的要求也提高了，產(chǎn)生了對(duì)農(nóng)產(chǎn)品按重量規(guī)格分類分級(jí)的需求。本文研究設(shè)計(jì)了一種按重量分級(jí)分揀的自動(dòng)化裝置，大大提高了工作效率和分類準(zhǔn)確性。

1 整個(gè)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理

這個(gè)裝置采用小型皮帶機(jī)作為傳送和稱量的載體，左側(cè)為從動(dòng)輪安裝了編碼器，右側(cè)為主動(dòng)輪由電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，皮帶橫向兩側(cè)安裝擋料板防止被測(cè)產(chǎn)品掉落。從動(dòng)輪為進(jìn)料端，產(chǎn)品間隔一定距離挨個(gè)進(jìn)入進(jìn)料端，距離從動(dòng)輪一定距離的皮帶底部安裝有稱重傳感器，離開一定距離是為了排除進(jìn)料時(shí)產(chǎn)品的沖擊給稱重帶來(lái)的影響。稱重傳感器之后的一定距離，在皮帶一側(cè)或兩側(cè)的擋料板上間隔一定距離開設(shè)若干分揀口，每個(gè)分揀口都可以提前設(shè)定好接受產(chǎn)品的重量區(qū)間，進(jìn)入這個(gè)重量區(qū)間的產(chǎn)品會(huì)被相應(yīng)分揀裝置接收。分揀口數(shù)量決定了產(chǎn)品分級(jí)的數(shù)量，分級(jí)數(shù)量等于分揀口數(shù)量加一，因?yàn)楫a(chǎn)品可以不經(jīng)任何分揀口從輸送帶尾端排出。在每個(gè)分揀口處安裝一個(gè)分揀撥板，分揀撥板由氣缸控制可以旋轉(zhuǎn)一定角度，氣缸的進(jìn)氣管設(shè)有調(diào)壓閥和節(jié)流閥，以調(diào)節(jié)分揀撥板打開關(guān)閉的力度和速度，在避免碰傷產(chǎn)品的同時(shí)保持一定的動(dòng)作速度。分揀撥板打開時(shí)就會(huì)擋住并接受傳送帶上的產(chǎn)品，關(guān)閉時(shí)就會(huì)直接將產(chǎn)品送入分揀口的落料收集斗，并且關(guān)閉分揀口，與擋料板平齊避免阻擋產(chǎn)品的通過(guò)。當(dāng)產(chǎn)品依次通過(guò)傳感器時(shí)，傳感器就會(huì)捕捉到產(chǎn)品重量信號(hào)和它的整個(gè)變化過(guò)程，送入PLC 現(xiàn)場(chǎng)控制器，PLC 通過(guò)記錄、計(jì)算產(chǎn)品重量和位置信息，確定每個(gè)產(chǎn)品該送入哪個(gè)分揀口，當(dāng)產(chǎn)品運(yùn)行到相應(yīng)分揀口前，分揀撥板會(huì)提前打開接受產(chǎn)品，產(chǎn)品進(jìn)入相應(yīng)分揀口位置后關(guān)閉分揀口收回分揀撥板。由于每個(gè)產(chǎn)品都經(jīng)過(guò)精確測(cè)量稱重，每個(gè)分揀口都按設(shè)定和測(cè)量的產(chǎn)品重量區(qū)間接受產(chǎn)品，因而快速實(shí)現(xiàn)了按重量對(duì)產(chǎn)品的準(zhǔn)確分級(jí)。

我們采用了西門子型號(hào)為s7-224xp 的PLC 作為主控制器，它自帶兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，方便接入稱重信號(hào)。為了方便裝置的調(diào)試，我們?cè)诜旨?jí)分揀控制程序中加入了自動(dòng)模擬稱重信號(hào)的隨機(jī)重量子程序，這部分程序模擬了貨物進(jìn)入裝置稱量模擬量信號(hào)變化的過(guò)程，從而不用接入任何實(shí)際設(shè)備和傳感器只用PLC 就可實(shí)現(xiàn)仿真模擬調(diào)試。

圖1 皮帶分揀裝置示意圖

2 控制程序的整體思路是

（1）利用中斷程序模擬貨物投放后逐漸接近然后遠(yuǎn)離稱重傳感器造成稱量信號(hào)變化的過(guò)程。本例利用一個(gè)時(shí)間中斷（模擬重量中斷）近似按照正弦函數(shù)的規(guī)律模擬稱重信號(hào)的變化。

實(shí)際稱量過(guò)程中貨物被投放到稱量皮帶投料口處，經(jīng)過(guò)皮帶的傳送逐漸接近并到達(dá)稱重傳感器的正上方再遠(yuǎn)離傳感器。我們近似認(rèn)為傳感器接收到的是一個(gè)上升段加一個(gè)下降段組成的正弦波，函數(shù)最小值為0，最大值為貨物重量值，通過(guò)正弦波模擬一件貨物通過(guò)傳感器的過(guò)程。

圖2 控制流程示意圖

（2）再利用另一個(gè)時(shí)間中斷（采樣中斷子程序）不斷提取上面那個(gè)模擬重量信號(hào)的寄存器值，并記錄采樣過(guò)程的最大值；同時(shí)在該中斷中設(shè)置一模擬皮帶編碼器的寄存器，使其自加一個(gè)數(shù)值，這個(gè)位移寄存器就會(huì)不斷增加以此模擬皮帶的位移，記錄貨物位置值。當(dāng)測(cè)量的重量值不斷增大時(shí)，則不斷更新存儲(chǔ)該稱重最大值及對(duì)應(yīng)皮帶移動(dòng)位置值。當(dāng)連續(xù)多個(gè)采樣周期寄存器數(shù)值小于最大值時(shí)（進(jìn)入衰減周期），則判定該最大值就是被測(cè)貨物的重量，把該值按照需要的貨物等級(jí)分類規(guī)則計(jì)算生成一個(gè)分類號(hào)，記錄進(jìn)類型循環(huán)隊(duì)列，程序根據(jù)分類號(hào)確定將要觸發(fā)哪一個(gè)分揀口的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的開啟動(dòng)作。程序?qū)⒋_定獲取到最大稱重值時(shí)對(duì)應(yīng)的位置值記錄進(jìn)位置循環(huán)隊(duì)列，根據(jù)分類號(hào)、位置值計(jì)算確定將要打開對(duì)應(yīng)分揀口的開啟時(shí)間。當(dāng)衰減周期大于一定數(shù)值后，測(cè)量的重量值又重新增大時(shí)則清零最大值，其代表一件貨物的稱重測(cè)量已結(jié)束，開啟下一貨物的測(cè)量。

（3）上述兩個(gè)循環(huán)隊(duì)列具有相同的長(zhǎng)度，相當(dāng)于兩個(gè)數(shù)組，同一位置的數(shù)組元素代表同一個(gè)貨物的兩個(gè)屬性，一個(gè)記錄貨物的類型，一個(gè)記錄貨物的位置。數(shù)組的長(zhǎng)度決定了可以處理的同時(shí)存在于皮帶上的貨物的最大量。在s7200 中可以利用指針來(lái)尋址讀寫的方式循環(huán)地利用該數(shù)組空間。它們的起始地址不同，但相同數(shù)組編號(hào)的數(shù)據(jù)是對(duì)應(yīng)同一目標(biāo)貨物。

數(shù)據(jù)地址=數(shù)組起始地址+偏移地址

偏移地址=數(shù)組編號(hào)×單位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

每次檢測(cè)到一個(gè)新的貨物兩組數(shù)組編號(hào)同時(shí)增加，將數(shù)據(jù)記錄到下一個(gè)數(shù)組單元，當(dāng)記錄到數(shù)組最后一個(gè)單元時(shí)，則將數(shù)組編號(hào)置零，將新數(shù)據(jù)從數(shù)組起始位置寫入，覆蓋原數(shù)據(jù)這樣循環(huán)往復(fù)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中皮帶容納存放貨物的多少并預(yù)留一定的富余量，來(lái)設(shè)置隊(duì)列數(shù)組的長(zhǎng)度。隊(duì)列數(shù)組的長(zhǎng)度太短會(huì)造成被分撿的貨物信息被循環(huán)覆蓋掉造成遺漏分揀，隊(duì)列數(shù)組的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成下述隊(duì)列掃描時(shí)，占用PLC 的循環(huán)掃描時(shí)間，理論上如果占用過(guò)多的PLC 的循環(huán)掃描時(shí)間就會(huì)造成PLC 無(wú)法正常運(yùn)行，從實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來(lái)看這種方法運(yùn)算負(fù)擔(dān)不大。

（4）還是在第二個(gè)時(shí)間中斷中（采樣中斷子程序），遍歷一次兩個(gè)隊(duì)列數(shù)組，兩個(gè)數(shù)組一個(gè)存放貨物類型，一個(gè)存放其被檢測(cè)到時(shí)貨物的位置。有多少類型就有多少貨物出口，最后一種貨物不需要分撿，直接從皮帶排出即可。

分撿口數(shù)=貨物類型數(shù)-1

在遍歷過(guò)程中，根據(jù)稱重檢測(cè)位置到每個(gè)分揀口的距離，設(shè)定每種類型的貨物分撿驅(qū)動(dòng)裝置打開和關(guān)閉時(shí)，貨物從檢測(cè)位置開始到對(duì)應(yīng)分揀口移動(dòng)的相對(duì)位移，當(dāng)機(jī)器設(shè)計(jì)完成后這個(gè)距離是固定的，我們?cè)谀M調(diào)試時(shí)這個(gè)距離和對(duì)應(yīng)位移值（編碼器位移的差值）是可以隨意調(diào)整的。當(dāng)貨物快要到達(dá)相應(yīng)分揀口時(shí)，其相對(duì)位移達(dá)到分揀驅(qū)動(dòng)裝置打開的設(shè)定值，貨物到達(dá)之前，相應(yīng)分揀裝置打開，當(dāng)貨物到達(dá)后被分揀裝置捕獲，相對(duì)位移達(dá)到分揀驅(qū)動(dòng)裝置關(guān)閉的設(shè)定值時(shí)，相應(yīng)分揀裝置關(guān)閉，貨物進(jìn)入相應(yīng)分揀口，在程序中將相應(yīng)貨物標(biāo)記為空。每次執(zhí)行該中斷程序時(shí)都對(duì)固定長(zhǎng)度的貨物數(shù)組進(jìn)行遍歷，逐一判斷是否達(dá)到相應(yīng)分揀口而執(zhí)行相應(yīng)分揀動(dòng)作，雖然貨物標(biāo)記為空后，有用的貨物數(shù)據(jù)在數(shù)組中零散分布，但也不用對(duì)貨物數(shù)組進(jìn)行排序，以節(jié)省掃描時(shí)間，因?yàn)榕判蛳牡臅r(shí)間可能會(huì)更長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)s7-224xp 實(shí)測(cè)20 個(gè)貨物數(shù)組長(zhǎng)度的程序掃描周期也只有4 毫秒還有相當(dāng)?shù)臅r(shí)間富裕，完全滿足實(shí)際需要。

相對(duì)位移=位移寄存器當(dāng)前位置-位置隊(duì)列中的位置

根據(jù)以上過(guò)程可知，該分選裝置程序模擬實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)稱重測(cè)量檢測(cè)，并按照設(shè)定的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將貨物送入相應(yīng)的分揀口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分撿。程序通過(guò)s7-224xp實(shí)際調(diào)試運(yùn)行通過(guò)，其中部分變量監(jiān)測(cè)趨勢(shì)如圖3 所示。

圖3 部分變量監(jiān)測(cè)趨勢(shì)圖

3 程序架構(gòu)

3.1 主程序

（1）調(diào)用初始化子程序

（2）稱量皮帶起保停

（3）皮帶啟動(dòng)時(shí)初始化并啟動(dòng)所有時(shí)間中斷，皮帶停機(jī)時(shí)關(guān)閉所有時(shí)間中斷

（4）周期性模擬投放貨物，調(diào)用隨機(jī)重量子程序。

（5）設(shè)定各分揀驅(qū)動(dòng)的最大開啟時(shí)間

3.2 初始化子程序

（1）兩個(gè)時(shí)間中斷初始化

（2）設(shè)置類型隊(duì)列、位置隊(duì)列起始位置

（3）設(shè)置當(dāng)前位置序號(hào)、當(dāng)前位置、循環(huán)次數(shù)等初始值

3.3 隨機(jī)重量子程序

（1）由正弦函數(shù)生成一個(gè)0～2 之間的重量數(shù)。

（2）再將重量數(shù)變?yōu)?～40 之間的數(shù)，初始化正弦函數(shù)起始角度-π/2(-90 度）約為1.57 弧度。

3.4 模擬重量中斷程序

此時(shí)間中斷函數(shù)每59 毫秒執(zhí)行一次，按照正弦函數(shù)自變量從 -π/2～3π/2(-1.57～4.71 弧度）每次加0.07弧度，模擬貨物經(jīng)過(guò)傳感器產(chǎn)生的測(cè)量值，此模擬函數(shù)的目的不在于精確模擬實(shí)際測(cè)量值，而在于模擬貨物投放的過(guò)程以便于檢驗(yàn)和調(diào)試稱量檢測(cè)和分揀驅(qū)動(dòng)觸發(fā)程序。

3.5 采樣中斷子程序

（1）掃描模擬重量寄存器，記錄重量最大值，監(jiān)測(cè)到重量衰減次數(shù)大于2 時(shí)，將貨物重量最大值的類型及位置寫入隊(duì)列。當(dāng)隊(duì)列指針超出隊(duì)列范圍時(shí)，將指針指向隊(duì)列開始位置；

（2）將貨物重量最大值的類型及位置寫入隊(duì)列

（3）指針偏移，模擬位移編碼遞增。

（4）檢索貨物隊(duì)列的循環(huán)，共設(shè)有20 個(gè)寄存器的隊(duì)列成員，可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整大小。

①計(jì)算當(dāng)前貨物類型。

②計(jì)算每個(gè)貨物的當(dāng)前位置和相對(duì)位置，并根據(jù)類型和相對(duì)位置來(lái)確定各分揀驅(qū)動(dòng)的打開和關(guān)閉。

③計(jì)算每個(gè)貨物隊(duì)列指針偏移量，檢索方向與加入隊(duì)列的方向相反，為遞減檢索。當(dāng)偏移量為零時(shí)，將指針指向隊(duì)列末尾。

綜上所述，該分選機(jī)通過(guò)采用PLC 現(xiàn)場(chǎng)控制器加傳感器、執(zhí)行器與皮帶機(jī)的這種機(jī)電一體化的方式，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)按設(shè)定重量區(qū)間精確分級(jí)分揀的主要功能，并且該機(jī)采用流水線工作方式，一邊進(jìn)料一邊分揀不停機(jī)工作，工作效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊易于維護(hù)。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊成本低，還便于多臺(tái)機(jī)器并聯(lián)，聯(lián)合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的生產(chǎn)，值得推廣應(yīng)用。下一步還需要進(jìn)一步研究適應(yīng)各種產(chǎn)品的進(jìn)料端給料裝置，以實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化。