武海軍

烏海職業(yè)技術(shù)學院（烏海 016000）

隨著人民生活水平的提高和食品安全意識的不斷提高，水果消費者對于水果的品質(zhì)和安全性要求也越來越高[1-2]。我國水果產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一位，并且我國水果品種繁多，在國家政策的幫助下，水果的發(fā)展前景廣闊。但我國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外引進一些先進的分選設(shè)備對水果進行分選，我國水果種類眾多，因此，從國外引進的設(shè)備往往具有一些局限性[3]。

水果采摘后需要對其進行上料、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)，水果分級是對不同特點的水果進行挑選并分類儲存。目前我國大多數(shù)水果加工企業(yè)通常采用人工分選法進行挑選，也是我國應(yīng)用最為廣泛的一種分級方法[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確率較低，分選效率較低，工人勞動強度也較大，人工成本較高[6]。

電子稱重分選機的核心是利用稱重傳感器對水果質(zhì)量進行采集，通過水果分選的標準通過程序進行編程，利用程序的判斷將不同質(zhì)量的水果進行分級。此次研究的電子稱重水果分選機主要包括生產(chǎn)線支架、傳送裝置、稱重系統(tǒng)、水果挑選設(shè)備。機械傳動為整條生產(chǎn)線提供動力，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控制系統(tǒng)，利用稱重傳感器對水果質(zhì)量進行采集并傳送到PLC中，再通過PLC編程實現(xiàn)水果分選。

1 稱重分選機工作原理

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將其轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過PLC的模擬量采集模塊將信號采集到PLC的CPU中[6-11]，通過數(shù)據(jù)處理將質(zhì)量信號進行處理并與設(shè)定的目標質(zhì)量進行比較，當質(zhì)量符合所設(shè)定的挑選質(zhì)量時，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)的儲物箱中，從而完整一個完整的分選過程，分選機控制原理如圖1所示。

圖1 分選機控制原理

研究的自動稱重分選機機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)頻電機等。通過觸摸屏對分選機運行狀態(tài)進行監(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)水果分選機工藝特點以及電氣控制系統(tǒng)的具體要求，分選機控制系統(tǒng)采用PLC和人機觸摸屏相結(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)分選機特性進行適當擴展，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)

為了實現(xiàn)分選機的高效控制以及各機構(gòu)狀態(tài)的有效監(jiān)控，控制系統(tǒng)采用多級控制方法進行設(shè)計，主要包括管理級、協(xié)調(diào)級以及執(zhí)行級的三級遞階控制。三級遞階控制是將控制系統(tǒng)分割成多個子系統(tǒng)，由多個子系統(tǒng)組成分選機的整個系統(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。

采用西門子KTP1200觸摸屏作為整個控制系統(tǒng)的管理級。該管理級主要負責監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并采集各執(zhí)行機構(gòu)的動作情況。觸摸屏中包含各個功能畫面的切換，通過不同的虛擬按鍵實現(xiàn)PLC命令的下發(fā)，以實現(xiàn)預(yù)定控制目標。

協(xié)調(diào)級作為遞階控制系統(tǒng)的次高級，該級主要負責協(xié)調(diào)各子任務(wù)的執(zhí)行，PLC主要負責稱重分選機各個工位中傳感器信息的采集，并實現(xiàn)變頻電機的速度控制。以分選機變頻電機、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。

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)動作指令，并將傳感器信息進行采集，根據(jù)各執(zhí)行機構(gòu)的反饋狀態(tài)協(xié)調(diào)各執(zhí)行機構(gòu)進行動作。

2) A/D采集模塊，A/D采集模塊主要負責將稱重分選機中的質(zhì)量模擬量信息進行采集并實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，最終由PLC完成。

3) 觸摸屏：觸摸屏主要負責分選機參數(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

水果食品稱重分選機控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計方法進行設(shè)計，其中主控模塊主要負責組織各子模塊的運行，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現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與顯示采集重量傳感器信號并對其進行顯示。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

為了實現(xiàn)分選機的有效控制，對分選機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，采用人機觸摸屏作為分選機上位機，并通過串口通信的方式實現(xiàn)與PLC通信。設(shè)計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為研究對象，為了提高水果加工企業(yè)生產(chǎn)效率，設(shè)計了一種基于PLC和觸摸屏的水果食品稱重分選機控制系統(tǒng)。介紹了稱重分選機稱重系統(tǒng)的工作原理，針對稱重分選機的工作原理設(shè)計了分選機三級遞階控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，每一級系統(tǒng)分配不同的任務(wù)，在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計了PLC程序以及觸摸屏程序。該控制系統(tǒng)采用三級遞階控制系統(tǒng)進行設(shè)計，大大提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利于后期軟件和硬件維護。該控制系統(tǒng)能夠顯著提高水果分選機自動化程度，能夠大大提升水果加工企業(yè)生產(chǎn)效率。