歐陽竟成，湛騰西，歐先鋒，申巧巧，彭鄧華，劉志鵬，彭 鑫

(1.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006；2.復(fù)雜工業(yè)物流系統(tǒng)智能控制與優(yōu)化湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 岳陽 414006)

多成份塑料垃圾光譜分選控制原型系統(tǒng)研究

歐陽竟成1,2，湛騰西1,2，歐先鋒1，2*，申巧巧1,2，彭鄧華1,2，劉志鵬1,2，彭 鑫1,2

(1.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006；2.復(fù)雜工業(yè)物流系統(tǒng)智能控制與優(yōu)化湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 岳陽 414006)

針對(duì)多種塑料垃圾混合分選問題，設(shè)計(jì)了一種基于近紅外技術(shù)的逆料垃圾分選控制原型系統(tǒng)，各控制節(jié)點(diǎn)集成了CAN總線通信技術(shù)。在Labview環(huán)境下開發(fā)了系統(tǒng)原型，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)具有較快的控制分選速度與穩(wěn)定的通信性能。

塑料分選；控制平臺(tái)；CAN總線；近紅外技術(shù)

1981年美國(guó)回收技術(shù)公司(NRT)采用檢測(cè)PVC中的氯原子技術(shù)，開啟了X光塑料垃圾分選時(shí)代。90年代美國(guó)研發(fā)了首臺(tái)近紅外光電分選機(jī)，利用近紅外吸收光譜可以分辨出多種不同的塑料。2000—2010年，近紅外光譜分選技術(shù)有了很好的發(fā)展。意大利Montell公司制造了TiTech NIR塑料分離系統(tǒng)，德國(guó)Buhler AG公司開發(fā)了NIRIKS系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠快速鑒別廢舊塑料，被測(cè)物件的最小尺寸為4 cm×4 cm，分選速度可達(dá)每秒25個(gè)掃描數(shù)據(jù)。但我國(guó)目前尚未見報(bào)道類似完整的分離系統(tǒng)的研究工作。

本文設(shè)計(jì)了一種基于近紅外技術(shù)的多種塑料垃圾混合分選系統(tǒng)，利用塑料在近紅外波段其透射光譜吸收峰位置與強(qiáng)度的不同對(duì)塑料吸收光譜進(jìn)行區(qū)分與氣動(dòng)分選，在氣動(dòng)裝置方面采用閥島技術(shù)與氣動(dòng)智能聯(lián)動(dòng)等新技術(shù)，提高了塑料垃圾分選規(guī)模化與純度。在Labview平臺(tái)上開發(fā)了原型系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)等功能。

1 原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

原型系統(tǒng)采用上位機(jī)、下位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線組合分層結(jié)構(gòu)，上位機(jī)對(duì)下位機(jī)與CAN總線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。下位機(jī)針對(duì)3個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行并行通信，同時(shí)也在現(xiàn)場(chǎng)總線上進(jìn)行雙向通信。依據(jù)設(shè)備測(cè)量寬度不同(1～1.5 m)，光譜與氣動(dòng)組合單元將有10～15個(gè)左右不等。在此架構(gòu)下下位機(jī)可以達(dá)到5個(gè)以上。系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)由多個(gè)部分組成，各處理單元依照CAN總線通信協(xié)議與上位機(jī)或下位機(jī)進(jìn)行雙向通信[1]。上位機(jī)軟件用Labview設(shè)計(jì)界面，將接收到的數(shù)據(jù)處理后實(shí)時(shí)顯示并產(chǎn)生相關(guān)氣動(dòng)裝置控制指令達(dá)到分選的目的，組合分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 下位機(jī)任務(wù)分解

1)通過并行通信，完成規(guī)定時(shí)間的設(shè)備環(huán)境溫度、輸送帶轉(zhuǎn)速等測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或結(jié)果的輸出，便于以后對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查找，這也是測(cè)控系統(tǒng)的常規(guī)工作。

2)通過CAN總線與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行平臺(tái)勤務(wù)通信。

3)如遇到非典型光譜數(shù)據(jù)，下位機(jī)直接進(jìn)行并行分析與比對(duì)處理，并將光譜圖像文件傳上位機(jī)建模。

圖1 原型系統(tǒng)分層組合整體結(jié)構(gòu)

1.3 上位機(jī)任務(wù)分解

1)周期任務(wù)：每250 ms對(duì)塑料垃圾原料傳送帶與分選傳送帶的轉(zhuǎn)速信號(hào)采集一次。每500 ms對(duì)溫度、氣壓信號(hào)采集一次。因?yàn)檫@幾個(gè)參數(shù)的慣性比較大，所以對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不是太嚴(yán)格。

2)控制任務(wù)：根據(jù)對(duì)塑料垃圾分選光譜正確率的數(shù)據(jù)分析，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持塑料垃圾原料傳送帶轉(zhuǎn)速與識(shí)別正確率在一個(gè)合適的匹配范圍內(nèi)；另一個(gè)重要的控制任務(wù)是氣動(dòng)分選聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)輸出。

3)動(dòng)態(tài)顯示任務(wù)：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的顯示，便于管理者掌握系統(tǒng)的狀態(tài)。動(dòng)態(tài)顯示對(duì)系統(tǒng)資源的消耗較大，所以從下位機(jī)任務(wù)中分離出來，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。

4)數(shù)據(jù)通信任務(wù)：與下位機(jī)之間的并行通信和將系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布到其他控制臺(tái)，通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等任務(wù)。

1.4 控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與功能

各控制節(jié)點(diǎn)采用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)，利用STM32作為CPU，STM32通過總線控制器與CAN進(jìn)行接口，采樣光譜模擬信號(hào)，提取特征現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，能自舉處理光譜圖像[2]，有較大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。如果特征數(shù)據(jù)可以比對(duì)，則實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理任務(wù)全部通過現(xiàn)場(chǎng)總線完成，否則先通過下位機(jī)進(jìn)行相關(guān)并行處理。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，控制節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有如下功能：

1)依據(jù)本單元檢測(cè)到的光譜特征值，并呼叫相臨通道傳送檢測(cè)狀態(tài)與特征值，運(yùn)行關(guān)聯(lián)算法，產(chǎn)生氣動(dòng)動(dòng)作。

2)進(jìn)行總線勤務(wù)信息傳送，如本節(jié)點(diǎn)故障，臨節(jié)點(diǎn)異常呼叫等。

3)光譜特征值分析與檢測(cè)，并進(jìn)行本節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)模式識(shí)別；若識(shí)別不成功，則通過并口將光譜文件與對(duì)應(yīng)下位機(jī)進(jìn)行通信。

圖2 控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)原型開發(fā)

2.1 控制節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)

Labview是一種圖形化編程語言開發(fā)環(huán)境，簡(jiǎn)稱VI，包括3部分：前面板組件、后面板框圖程序和圖標(biāo)連接器，創(chuàng)建的程序結(jié)構(gòu)模塊化強(qiáng)，更易于理解，調(diào)試及維護(hù)。

根據(jù)上述控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，在Labview中進(jìn)行軟件開發(fā)，流程如圖3所示。

圖3 控制節(jié)點(diǎn)開發(fā)流程

1)初始化

調(diào)用CAN接口卡提供的函數(shù)庫中的VCI_OpenDevice()函數(shù)，此函數(shù)用于打開設(shè)備，依據(jù)調(diào)用返回值判斷成功與失敗。對(duì)指定的CAN接口卡進(jìn)行初始化調(diào)用VCI_InitCAN()函數(shù)[3]。

2)數(shù)據(jù)接收程序

函數(shù)庫中的接收函數(shù)為VCI_Receive()，此函數(shù)用于從指定設(shè)備上讀取數(shù)據(jù)函數(shù)，并返回實(shí)際讀取的幀數(shù)。如果返回值為0xFFFFFFFF，則表示讀取數(shù)據(jù)失敗，有錯(cuò)誤發(fā)生，此時(shí)可通過VCI_ReadErrInfo()函數(shù)來獲取錯(cuò)誤碼。

3)數(shù)據(jù)發(fā)送程序

為了能夠讓上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，就必須調(diào)用CAN接口卡里面的庫函數(shù)VCI_Receive()[4]，并且返回一個(gè)實(shí)際發(fā)送的幀數(shù)。其中VCI_CAN_OBJ()函數(shù)是用來傳輸CAN的幀信息，其中參數(shù)有ID報(bào)文、TimeStamp接收的時(shí)間標(biāo)識(shí)、SendType幀發(fā)送類型、RemoteFlag遠(yuǎn)程幀、ExternFlag擴(kuò)展幀等函數(shù)。

4)接口卡其他相關(guān)操作

清理緩存啟動(dòng)CAN接口卡之后必須對(duì)緩沖區(qū)的上次數(shù)據(jù)進(jìn)行一次清理，調(diào)用函數(shù)庫中的VCI_ClrBuffer()函數(shù)完成此功能，調(diào)用庫函數(shù)中的VCI_CloseDevie()，對(duì)設(shè)備進(jìn)行關(guān)閉，依據(jù)返回值判斷關(guān)閉成功與否[5]。

2.2 系統(tǒng)控制軟件開發(fā)

1)主控界面

主控界面包括氣壓檢測(cè)、環(huán)境溫度檢測(cè)、塑料分選界面和自檢等模塊。氣壓檢測(cè)的范圍是0～1 MPa，環(huán)境溫度的檢測(cè)范圍是0～100 ℃。設(shè)計(jì)了氣壓表圖標(biāo)、溫度表圖標(biāo)虛擬儀器[6]。在此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的界面的中部，設(shè)計(jì)了PET、PVC、PP、PS、PE這5種塑料來分選按紐。自檢模塊包括光電單元自檢、氣動(dòng)單元自檢、原料輸送帶自檢、分選輸送帶自檢。此外，主界面設(shè)計(jì)有時(shí)鐘系統(tǒng)的顯示。

2)光電檢測(cè)單元

主界面中的光電單元檢測(cè)模塊，可以很清楚地在控制平臺(tái)主界面查看每檢測(cè)每個(gè)光電接口單元關(guān)態(tài)。每次測(cè)完之后可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表存儲(chǔ)。然后按“查詢數(shù)據(jù)庫”可以查看到以前的數(shù)據(jù)，還可以顯示測(cè)量的時(shí)間點(diǎn)與設(shè)備狀態(tài)。

3)氣動(dòng)單元功能檢測(cè)

氣動(dòng)單元檢測(cè)模塊與顯示氣動(dòng)噴頭的運(yùn)行情況，可以很清楚地查看是哪個(gè)氣動(dòng)噴頭出現(xiàn)問題而不必到現(xiàn)場(chǎng)一個(gè)一個(gè)去查看問題。同時(shí)每次測(cè)完之后可以將它導(dǎo)入Excel表存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫，然后按“查詢數(shù)據(jù)庫”可以查看到以前的數(shù)據(jù)，還可以顯示測(cè)量的時(shí)間。

4)各輸送帶檢測(cè)界面與功能配置

原料輸送帶需要調(diào)試其傳送速度與光電單元識(shí)別延遲之間的匹配關(guān)系，與氣動(dòng)單元?dú)饬魉俣戎g的關(guān)系。同時(shí)需要監(jiān)控輸送帶運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，發(fā)熱狀態(tài)，生產(chǎn)率等相關(guān)數(shù)據(jù)。

上述各部分功能開發(fā)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件功能開發(fā)流程

3 測(cè)試結(jié)果與分析

按各光電單元所對(duì)應(yīng)的輸送帶位置，首選進(jìn)行單軌測(cè)試，判斷各通道光電單元與氣動(dòng)單元的動(dòng)作情況；然后，測(cè)試多軌道聯(lián)動(dòng)功能情況，結(jié)果如表1所示。

表1 傳送帶與光譜識(shí)別匹配測(cè)試結(jié)果

為了專門測(cè)試傳送帶速度與光譜識(shí)別速度匹配性能，必須洗干凈塑料瓶，并去除標(biāo)簽與瓶蓋，以消除由于塑料瓶不潔導(dǎo)致的光譜識(shí)別誤差。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先可以將傳送帶速度調(diào)低，測(cè)量動(dòng)作正確率，當(dāng)繼續(xù)調(diào)低傳送帶速度，但動(dòng)作正確率不再提高時(shí)，此時(shí)的傳送帶速度即為與光譜識(shí)別的匹配速度。分選后的傳送帶不做這類匹配性實(shí)驗(yàn)，其速度滿足吞吐量的需要與平衡就可以了。當(dāng)采用實(shí)際塑料垃圾進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于受瓶蓋與標(biāo)簽及污物的影響，其動(dòng)作降正確率將略有降低。

4 結(jié)語

基于Labview虛擬儀器軟件技術(shù)及CAN總線來構(gòu)建的塑料垃圾分選原型系統(tǒng)，能夠讓控制平臺(tái)與下位機(jī)部分多節(jié)點(diǎn)、多門類測(cè)控部件之間通信，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、通信距離遠(yuǎn)、能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境、防干擾能力強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)下位機(jī)采用MSP430，價(jià)格低廉，外設(shè)器件少，較好地節(jié)省了成本。本系統(tǒng)與其他文本語言開發(fā)的系統(tǒng)相比，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)周期短，實(shí)用性較強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單方便，并且可重復(fù)開發(fā)，對(duì)軟件可以進(jìn)行及時(shí)地升級(jí)。但是，本系統(tǒng)尚不能支持在線升級(jí)功能，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)和改進(jìn)。

[1] 龔崇權(quán).基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的虛擬儀器開發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(S2):177-178.

[2] 朱海志,楊建武,孫樹文.基于現(xiàn)場(chǎng)總線與虛擬儀器的車輛監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(20):1-3.

[3] 于潔,鐘佩思.信號(hào)發(fā)生器在虛擬儀器界面中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,19(2):106-110.

[4] 范福玲,韓建勛.基于Labview的虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào),2006,17(4):26-28.

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[6] 劉連生,汪海兵.基于虛擬儀器信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào),2007,25(S1):122-123.

Research of the Multicomponent Plastic Refuses Spectrum Selection Control Prototype System

OUYANGJingcheng1,2,ZHANTengxi1,2,OUXianfeng1，2*,SHENQiaoqiao1,2,PENGDenghua1,2,LIUZhipeng1,2,PENGXin1,2

(1. College of Information & Communication Engineering, Hunan Institute of Science & Technology, Yueyang 414006, China; 2.Key Laboratory of Hunan Province on Intelligent Control and Optimization of Complex Industrial Logistics system, Yueyang 414006, China)

This paper designs a plastic refuse selection control prototype system based on near infrared technology, in which all of the control nodes integrate CAN bus communication technology. We develop this prototype system under Labview-based environment, and the results of the test show our system has a fast selection speed and stable communication performance.

plastic refuse selection; control platform; CAN bus; near infrared technology

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.016

2016-11-07

國(guó)家自然科學(xué)基金“多接口車聯(lián)網(wǎng)可變帶寬信道分配算法研究”(61300039)；湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目“塑料垃圾近紅外光電分選設(shè)備成套技術(shù)研究”(2015SK20693)

歐陽竟成(1967— )，男(漢族)，湖南平江人，副教授，博士，研究方向：智能信息處理。 歐先鋒(1983— )，男(漢族)，湖南郴州人，講師，博士，研究方向：圖像處理、視頻壓縮編碼及傳輸，通信作者郵箱：ouxf123@qq.com。

TP391

A

2095-5383(2016)04-0063-04