万宏强，杨路凡，刘智豪，苏米兰

（西安工业大学 机电工程学院，西安 710021）

0 引言

水果作为生活饮食中不可或缺的一部分，需求量不断增加，种植面积也不断扩大，使得我国水果需求量和种植面积都处于领先位置，但相比于欧美等水果产业大国，由于对果品的后期处理及优化手段落后，标准化缺失，致使其价值得不到凸显，其中等级分类作为一个关键步骤存在于诸多后期处理中[1-3]。而在城市里以超市、水果店为主导的水果销售，水果的品质好坏、水果的等级分配、水果的称重等步骤往往都需要大量的人工参与，人工成本的增加使得水果的销售成本增加，此时超市则往往会通过提高水果售价的方式将成本转移到消费者身上，水果价格的增长就会降低部分消费者的购买欲望，造成水果的滞销[4-5]。

针对果品分级，我国也进行了许多研究，朱培逸等[6]基于PLC控制、组态王界面设计研发了一款可对水果进行品质检测跟踪、等级分配的控制系统。吴疆等[7]基于三菱PLC对多传感器、气缸进行控制，设计一款蜜柚分级设备，可在大小分级基础上，再按照质量进行分级，最终获得不同的3个等级。纪娜[8]基于PLC控制，针对猕猴桃果实设计了一款称重分级设备，可通过MCGS触摸屏进行上位机操作，并配有语音输出模块，增加了使用的便利性。任杰等[9]采用三菱FX-2N小型PLC为控制元件，设计了一款可将水果分为大中小3个等级的机械设备。周丽琴[10]设计了一款水果采摘分级装置，在采摘过程中完成对水果的分级，极大地提高了分级效率。但以上水果分级设备都存在着占地面积大、分级不彻底的问题。

因此，研制一款应用于超市、水果店等果品销售点，可对水果由大包装到小袋包装自动化分级的设备就显得尤为重要。该设备可以为水果分级包装提供一种新的途径，降低人工成本，提高销售效率，缓解人员密集区排队的压力，促进国内果品分级标准化的发展。

1 整体方案设计

设备对类球型水果依据质量进行分级，可得到4个不同等级范围，根据控制要求可对水果进行释放。整体设备以西门子PLC S7-200、CPU224XP为主控元件，通过程序编写、气动控制实现整个分级过程。设备分为整理、称重、分级、储存、收集等5部分。水果进入整理单元呈有序排列，气缸根据所设定时间对水果进行推送，通过滑道逐一单个进入称重单元进行称重；控制器对称重信号进行处理，进行等级判断并反馈给分级单元进行分级处理，分级水果进入储存单元暂存，根据控制要求，可释放水果到收集单元中。整体设备运动流程如图1所示。

图1 整体设备运动流程

2 机械结构设计

根据功能要求对设备体结构进行设计，并基于SolidWorks三维建模软件对整理设备进行模拟样机装配。整体框架使用T形槽铝材搭建，结构稳定简单，其中整理单元主要通过挡板与传送带的结合，达到水果有序排列的效果，通过PLC对电磁阀的控制完成水果各单元的推送。称重单元主要包括压力传感器和称重盘，传感器接收到压力信号，转换为电信号输出给控制器，控制器进行等级判断，并反馈给分级单元进行分级处理。分级单元主要包括固定支架和气缸，可将水果依据质量分为4个等级，不同等级设置有对应的气缸，可将称重盘上的水果推送到对应的储存单元S形滑道内。储存单元主要包括S形滑道和气缸，起存储水果的作用，底端气缸可根据控制要求对滑道内水果进行推送。收集单元主要包括电动机、不完全齿轮和旋转盘，不完全齿轮在电动机的带动下可实现5个工位的间歇运动，通过PLC对电动机的控制，实现旋转盘的旋转，配合储存单元气缸的推送，完成收集单元对不同等级水果的接收。水果质量分级设备三维模型如图2所示。

图2 水果质量分级设备三维模型

表1 水果质量分级设备主要技术参数

3 控制设计

3.1 压力传感器选型

称重单元主要部件为悬臂梁式压力传感器。悬臂梁式压力传感器的工作原理是：弹性体表面贴有电阻应变片，被称重的物体引起弹性体的形变，进而引起电阻应变片的形变，电阻的变化又可以转化为电信号，经过单片机处理，就可以测得物体的质量。

该传感器采用一端固定、一端加载的方式进行称重，安装使用方便，价格低廉，称重精度高，且承载能力强。传感器的选择对于称重精度及稳定性具有重要意义，传感器的选型和使用应充分考虑传感器的量程和精度及环境因素对传感器的影响[12-13]。

压力传感器的输出信号是与载荷成正比的电压信号，PLC的模拟量输入模块无法识别处理，因此需要增加称重变送器，用以将传感器的输出信号放大为0～10 V的标准工业信号，以便于PLC模拟量模块控制处理分级[14]。悬臂梁压力传感器如图3所示。所选称重设备参数如表2所示。

图3 压力传感器

3.2 气动控制

水果在各单元之间的传送都依靠小型气缸的运动来完成，气缸运动以空气压缩机作为动力源，由西门子PLC对电磁阀的启断电控制，来实现气缸的开关。针对不同种类的水果，所需的气缸速度不同，因此在气缸底端安装有空气节流阀，通过气流大小来控制气缸动作的快慢，适应不同工作要求。气动装置主要技术参数如表2所示。水果质量分级设备气动系统原理图如图4所示。

图4 水果质量分级设备气动系统原理图

表2 称重设备参数

表3 气动装置主要技术参数

3.3 设备PLC控制设计

根据设备控制系统要求，水果质量分级设备的输入设备主要包括启动按钮、停止按钮、急停按钮、压力传感器。输出设备主要包括传送带电动机、各单元气缸电磁阀、启动指示灯、报警指示灯、传送带电动机电磁抱闸等。最终统计有4个各类输入点，14个各类输出点。选择西门子S7-200 224XP，有14个输入、10个输出，因此增加EM223扩充模块扩充输出端。EM223可扩充8个输入，8个输出DC24 V。表4所示为西门子S7-200 PLC I/O分配表。

表4 西门子S7-200 PLC I/O分配表

对PLC的I/O口进行合理分配后，根据PLC的端子图进行正确的接线，PLC接线图如图5所示。

图5 西门子PLC S7-200 接线图

在逻辑流程完善、I/O端口分配完成后，利用SETP 7 Micro WIN SP9软件进行PLC梯形图的编写。数显对模拟量进行字节转换，将压力传感器输出的工业信号转换为数字量进行模拟量存储，以达到称重的目的，再使用比较指令对水果质量进行4个等级的划分，增加计时器以控制气缸的推送时间，各模块相互结合以达到分级推送的目的。部分设备分级程序如图6所示。

图6 部分设备分级程序

4 结语

本文介绍了一种新型水果称重分级设备，实现全新型自动化、智能化。该称重分机设备将传感器、气动控制、电气控制等技术进行融合，可通过触摸屏对整个设备进行启停工作和可视化操控。采用称重变送器将压力传感器的形变信号转变放大为工业信号，以达到称重的目的。各单元之间协调配合，保证水果平稳运输和高效分级。控制系统增加报警制动，可对传送带电动机电磁抱闸紧急制动，确保设备安全稳定，为水果分级市场提供一种新型分级设备。