李 梅，李雅琼

（阜阳职业技术学院 工程科技学院，安徽 阜阳236031）

目前我国水果产业在水果产量和品质逐年递增的情况下，总的收入却一直提不上来的主要原因是我国的水果产后处理水平不足.与众多产后处理流程比如上线、清洗、打蜡、烘干等较为容易实现的操作相比较，水果的分拣相对复杂，其技术也是水果产后处理的关键.目前的水果分拣技术有的较为简单无法满足精细分拣的需要，有的较为复杂，成本较高.笔者介绍的这种新型的基于PLC控制的水果分拣自动线系统使用2种检测方式，3个机械手，4条传送带同时对水果的重量和外部品质进行分拣，提高水果分拣的质量，这在当前以机械式分拣为主要分拣技术的国内，具有一定的经济和社会价值.［1］

1 系统整体功能

整个系统的总体布局如图1所示，由供料单元通过供料传送带进行供料，在传送带1进口处安装一个传感器，当传感器检测有信号说明传送带1上有水果来料，这时传感器发出信号通知PLC可以控制传送带1的电机运行，当水果运行至称重检测单元时，称重传感器会对水果的重量进行分析计算，由计算的结果发出通知，控制机械手1将一级水果抓举到传送带3，二级水果抓举到传送带2上面，另外一级则随着传送带1运行至包装1进行包装.抓举到传送带2和传送带3上面的水果，在传送带2和传送带3进口处的传感器检测水果到位后，PLC收到传感器发出的信号可以控制传送带2和传送带3的电机运行，当水果进入红外检测单元时，对水果的外部品质进行检测.检测出来的水果分别由传送带2、传送带3、机械手2和机械手3分别送至包装2、3、4、5进行包装.这样，通过该自动线系统的分拣，水果将会被分为5个级别，提高了水果分拣的品质，满足水果分拣的要求.

图1 水果分拣自动线系统总体布局图

2 系统硬件设计

和大多数自动生产线一样，基于PLC控制的水果分拣自动线系统要实现自动生产过程中的控制、运转、驱动和检测等功能，其硬件就必须包括以下几个部分：检测机构、用于运行的机械本体机构、PLC的CPU、PLC的I/O接口部分以及相应的执行机构等五部分［2］，如图2所示.

图2 水果分拣自动线各部分的联系图

系统硬件中的传感器用于检测自动线上水果的压力大小（测量重量）、来料的位置等信号信息，将采集的信号交给PLC的CPU等信息处理部件进行分析处理.［3］水果分拣自动线系统的驱动功能是由机械手、电动机等执行部件来实现的，其机械部分是水果分拣自动线的主体部分.因此，水果分拣自动线系统的硬件主要是由传感器、PLC控制部分、系统的执行机构、PLC相互之间的通信系统等构成，根据原来设定的功能和检测到的结果进行自动运行.

2.1 PLC控制及系统通信模块

PLC是整个系统的核心环节，它不仅担负着对输入信号进行分析处理和对执行机构进行驱动的重任，还承担着各个单元之间进行联机控制的任务.基于PLC控制的水果分拣自动线系统的各个单元之间通过通信的手段实现信息的交换，提高了设备的可控性，实现“集中处理，分散控制”.系统采用S7-200 PLC，它的CPU有两个端口，分别是端口0和端口1，用来实现CPU之间PPI通信，PPI通信是S7-200默认的通信方式.图 3是系统的 PPI网络图［4］.

图3 水果分拣自动线系统的PPI网络图

2.2 传感器检测模块

系统中的检测部分是由各类传感器组成的，主要有用于检测重量的传感器、用于检测位置的传感器和用于检测水果外部品质的传感器.这些传感器能感受规定的被测量的信息，比如被测的压力的变化、温度的变化并将这些信息转换成方便检测的电信号进行输出，就像人的感官器官一样感觉出外界事物的变化，是系统中的检测元件［3］.

2.2.1 称重传感器

系统采用了电阻应变式传感器.为了解决环境温度的影响，这里的电阻应变式传感器选择的是可用于皮带秤的悬臂梁式称重传感器JHBL-1［5］.它能够将水果的重力大小转化为应变片的拉伸或压缩的幅度的变化，该变化会改变应变片电阻的大小，然后再由测量电路将应变片电阻的变化转换成电压或电流的变化，最后送入显示或记录仪来反映或记录构件材料应力的大小.将电阻值转化为电压信号的电路为惠斯登电桥.

2.2.2 光电式接近开关

通常使用的光电式接近开关都是由光发射器和光接收器两个部分构成的.其中，光发射器发射的光照射到被检测物体后，光的一部分或者全部会被遮挡或反射，然后由相应电路对光的反射情况进行分析控制，从而检测物体的有无.对射式、回归反射式和漫射式是按照光接收器接收光的方式的不同进行分类的 3种光电接近开关类型［4］.

位于传送带1、2、3初始位置端，系统用来检测水果是否到位的光电传感器是一个可见光光电漫反射式的红外线M18光电接近开关SYM18J-D50N1，工作时接近开关的光发射器始终发射光线，当传送带上没有水果时，发射器发出去的光不会被反射回光接收器，此时光电开关处于常态，不动作；反之若水果进入到传送带上的接近开关的位置时，由于水果的遮挡，发射器发出的光有一部分就会被反射回光接收器，当接收器接受到发射回来的光就会使接近开关动作而改变输出状态.当水果进入到传送带1、2、3时，传送带1、2、3初始位置端的光发射器发出的光线遇到水果会反射回光接收器，光电式接近开关就会输出信号至PLC的输入端，使PLC的输入接口部分的数据发生改变，从而启动传送带，控制传送带运转.

2.2.3 光纤传感器

水果在经过传送带2和传送带3的时候会进行第二轮品质的分拣，即外观品质分拣.一般的外观品质分拣有两种方式分别是光电式色泽分选法和计算机图像处理分选法.由于叶绿素的吸光性，水果的外部颜色的差异导致水果在被一定光照射的时候反射回来的光的波长就不同，这是光电式色泽法分拣水果外部品质的依据.通常会结合传感器使用，用光电二极管将反射回来的光转变为电信号，再根据电信号的大小来判别果皮的颜色［5］.本系统采用光纤传感器作为红外检测单元的检测器件来进行水果外部品质的判别.

如图4光纤传感器的电路［6］所示，将一定波长的光通过光纤传感器的透光元件发出，并传送至光纤头照射水果，水果的颜色不同对不同波长的光的反射强度就不同，导致反射光的波长就不一样，反射出来的不同波长的光经过光纤传送至受光元件，然后由传感器的检测电路部分将不同的反射光信号转换为电流信号，进而可以通过电路中电流的大小来判断水果的外观品质.

图4 光纤传感器的电路

2.3 执行机构模块

在水果分拣自动生产线中，有许多机械运动的控制，比如运动速度的控制、位置的控制、方向的控制、先后顺序的控制等，这些控制都是由PLC结合变频器和触摸屏等机构通过控制伺服驱动器与伺服电机以及三相异步电动机的运行来完成的.传送带1、2、3的运动控制是由三相交流异步电动机拖动，其速度的大小由变频器来控制.机械手输送单元的控制由伺服驱动器来完成.

2.3.1 三相异步电动机

三相异步电动机在传送单元中使用.由变频器、组态和PLC三者结合通过改变频率的方式使三相异步电动机具有不同的转速来配合机械手输送带单元的运行速度.图5是变频器与三相异步电动机的接线图.

图5 变频器与三相异步电动机的接线图

2.3.2 伺服电机和伺服驱动器

在水果分拣自动生产线中，采用伺服电机来实现对机械手单元的机械手的运动控制.伺服电机内部的转子是永久磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，电机自带的编码器同时将反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，相应地调整转子转动的角度［6］.笔者采用松下MHMD022PIU永磁同步交流伺服电机带动机械手的运行，驱动器使用的是MADDTl207003全数字交流永磁同步伺服驱动器.

3 系统联机控制程序设计及组态界面制作

3.1 联机控制程序设计

系统的软件程序设计较为单一，这里不再详述了.作为一个自动线系统，每一个单站单元通过PLC的PPI通信实现系统联机的控制功能.联机状态时有两点不同之处：①需要等待PLC主站发出的指令；②各个工作站之间要进行实时的数据交换，并由主站的PLC确定程序的流向等.

作为主站，系统联机运行时，除了要考虑自身的运行以外，还要监控到各站的准备和运行状态等.具体内容为：每次系统开始运行前，都要检查各站PLC通信连接情况，调用通信子程序等来完成；每次系统开始运行前，都要检查系统的工作模式，完成对系统中所有站点的联机方式的逻辑判断.也就是说系统启动前，所有的站点都应该要处于联机状态；每次系统开始运行前，在判断系统中各站是否处于联机状态后，还要检查各站是否在初始状态，比如机械手是否处于原点位置等，也就是系统中各站的初态检查和就绪检查.

3.2 系统组态界面制作

本系统组态监控界面窗口具有下列功能：具有系统的开始、停止和复位信号；具有系统单机和联机模式切换信号；具有手动输入变频器的频率大小信号的设定，能够在组态界面中直接设置输入变频器频率；各站和系统运行正常与否指示灯；各工作站运行指示灯、方式选择信号、故障报警指示等.制作如图6所示的监控界面，其中左右分别是各单元画面和全线运行画面.画面和元件制作分为新建画面以及属性设置、制作文字框图、状态指示灯、切换旋钮、数值输入框、数据显示、矩形框等8部分.这里以供料单元组态为例，介绍指示灯的制作设置方法，共分为四步：①单击插入元件图标，找出如图6所示的指示灯，按“确认”按钮，双击指示灯；②在数据对象标签页，点击填充颜色中的右上角的“？”按钮，从变量选择中选出“单机/全线_供料”数据对象；③点击 “”按钮，在选择填充颜色标签页选择白色，分别设置分段点0和分段点1的颜色分别为白色和绿色.

图6 水果分拣自动线系统监控界面

4 结语

基于PLC控制的水果分拣自动线系统使用2种检测方式，3个机械手，4条传送带对水果的重量和外部品质进行分拣，提高水果分拣的品质，达到了根据水果的重量和外部品质进行精细分拣水果的目标.笔者介绍了该系统的设计方法并说明了整个系统的硬件结构及联机控制和组态监控界面的制作，对水果分拣生产线的推广应用有一定的研究价值.