姚素红，陈凯峰，赵华洋
（1.江苏工程职业技术学院 计算机学院，江苏南通 215000；
2.内蒙古民族大学 工学院，内蒙古通辽 028000）
苹果分拣设备可以按一定分类方法对苹果进行自动分拣，相比传统人工分拣大大提高了工作效率，自动化程度比较高。苹果在生长过程中如果遇到冰雹和病虫害等问题时会出现缺陷，这就要求分拣设备在进行大小和重量分级的同时，也应具有对缺陷果实进行筛选的功能［1-4］。现有苹果分拣设备结构较为复杂，并且只能按照水果的大小和重量进行分类，而对于苹果品质的筛选还要依靠人工进行［5-7］，没有完全实现自动化分拣。
由此，以低成本、高效率为设计理念，开发一种基于PLC控制的苹果自动分拣系统。以苹果的尺寸和品质作为分拣控制指标，采用传感器采集苹果信息，并通过设定流程进行筛选，从而实现苹果的自动化分类。同时，该系统具有变频调速功能，在提高分拣速度的同时，减少功率损失。试验测试结果表明，系统能有效进行尺寸分类和缺陷识别，具有成本低、分拣速度快以及分类精度高等特点。
PLC控制器具有结构简单、响应速度快、控制精度高和运行稳定等优点，广泛应用于石油、钢铁、化工、电力和机械制造等领域，因此分拣结构采用PLC作为控制器进行设计［8-11］。系统主要由变频器、传送带、接近开关、电磁控制阀、光幕传感器、视觉传感器和人机界面触摸屏等部分构成，如图1所示。
图1 苹果分拣系统整体结构Fig.1 Overall structure of apple sorting system
2.1 主要元件及参数
2.1.1 PLC选择
PLC型号主要根据所使用的I/O点数选择，综合考虑选用西门子S7-1214 AC/DC/RLY，板载DI14 x 24VDC 漏型 /源型，DQ10 x 继电器和 AI2，具有结构紧凑、功能丰富和配置灵活等优点［12］，其I/O分配如表1所示［13-14］。
表1 PLC I/O分配表Tab.1 PLC I/O allocation table
2.1.2 控制系统的选择
光幕传感器是由1个发射端和1个接收端组成。当发射端发射的红外线与接收端对射时，形成1个光幕。当有物体放置在光幕中时，会遮挡一部分发射端发射的光线，使接收端不能接收，此时，光栅通过通道扫描计算出被遮挡的光束数量，从而计算出物体的长度或者宽度数据。当扫描完成后根据系统定义输出1个信号，可以是数字量，也可以是模拟量［15-17］。通过光幕传感器计算出的苹果尺寸，以90 mm外径作为尺寸分类标准。选择光幕传感器的型号为施特安邦的STC-D3210。
接近开关的作用主要是检测苹果运行状态，当苹果到达设定位置后，给PLC信号，驱动气缸动作。综合考虑作用及价格因素，选择欧姆龙E2E-X2D1N型接近开关，传感器为NPN型。
视觉传感器的作用是对尺寸合格的苹果进行外观检测，检测合格后输出信号，控制气缸动作。根据苹果的外观复杂度，为提高扫描效果，视觉传感器选择高精度CCD工业相机。通过检测图像的色块，对苹果是否有缺陷进行检测，并且基于深度学习的苹果外观分级技术，以提高分类准确率。
2.1.3 动作系统的选择
气缸主要作用是根据电磁阀发出的控制指令，使活塞运动，推动苹果进入相对应的存放箱，实现自动化分拣。分拣装置对气缸推力要求不高，但是对位置精度要求比较高，因此设计采用亚德客SC 50-100型标准气缸。该气缸采用高精度铝合金缸体，运动平稳、控制精度高，在最大行程也可以轻松满足需求［18-23］。电磁阀根据气缸的数量和PLC的输出电压，选择亚德客5位4V210阀组，配8 mm接头。由于装置对传送带运行的精度要求不高，因此选择普通的变频器和三相异步电机即可满足传送带的输送任务。
2.2 系统控制软件设计
按质量不同将苹果分拣成6个结果：尺寸优等和品质优等、尺寸中等和品质优等、尺寸差等和品质优等、尺寸优等和品质差等、尺寸中等和品质差等、尺寸差等和品质差等，分别用一类果、二类果、三类果、四类果、五类果和六类果表示。
分拣系统的控制流程：首先进行苹果的下放，然后对苹果的尺寸进行检测，如果＜90 mm，则由传送带直接传送到末端的三类果和六类果检测处；
如果在90～120 mm，则由传送带直接传送到中间的二类果和五类果检测处；
如果＞120 mm，则由传送带直接传送到首端的一类果和四类果检测处。检测完成后，苹果将会被气缸推送到传输通道，进行品质的检测，如不合格，将会由对应气缸推送到对应存放箱处。具体控制流程如图2所示。
图2 苹果分拣控制流程Fig.2 Apple sorting control process
2.3 关键控制过程分析
如图3所示，按下启动按钮，气缸1电磁阀动作，苹果从下料口出来，经过接近开关1，触发信号的下降沿触动气缸1电磁阀关闭和变频器正转置位，即下料口关闭和传送带继续运行。
图3 组态初始界面示意图Fig.3 Schematic diagram of initial interface of configuration
当苹果经过1#光幕传感器时，对苹果尺寸进行检测，当尺寸不合格时，光幕传感器不会发出信号，传送带一直运行，直到将苹果传送到尽头；
当尺寸＞120 mm时，1#光幕传感器发出信号，当苹果传送到接近开关2处时，将复位变频器正转，传送带停止，电磁阀发出指令控制气缸2动作，将苹果推送到一、四类果传送通道中；
当苹果尺寸在90～120 mm时，2#光幕传感器有信号，当苹果传送到接近开关7处，将复位变频器正转，传送带停止，电磁阀发出指令控制气缸6动作，将苹果推送到二、五类果传送通道中。
当气缸推出的苹果完全进入传送通道时，接近开关3，8信号会有下降沿，当下降沿被触发时，同样会驱动气缸1电磁阀运动，下料口将再次打开进行下料。
当系统第1次上电时，置位气缸3，7，10电磁阀，气缸3，7，10伸出将传送通道和视觉传感器阻挡。当苹果从传送通道运动到接近开关4，9，12处，接近开关 4，9，12 下降沿将复位气缸 3，7，10电磁阀，挡板收回，苹果进入识别区。
当视觉传感器检测达标时，相对应气缸电磁阀得电，气缸运动，将苹果从识别区推送到存放区；
当接近开关4，9，12检测到信号后，经过3S视觉传感器未达标时，将置位气缸4，8，11电磁阀，气缸4，8，11运动，将苹果从识别区推送到存放区。通过相对应接近开关的运行，检测一类果、二类果、三类果、四类果、五类果和六类果的装箱数量。
3.1 仿真分析
系统采用西门子HMI软件进行功能的仿真和测试。气缸1，3，7，10伸出，分别遮挡下料口和传送通道出口，装箱数量为0。
当设备运动时，通过人机界面监视设备运行状态，通过仿真对设备的运行进行调试，以便达到预期效果。
按下启动按钮后，气缸1缩回，苹果从下料口落到传送带上。当接近开关1感应到苹果落下后，伸出气缸1，再次关闭下料口。
在1#光幕传感器处，当尺寸＞120 mm时，触发气缸2动作；
当尺寸＜120 mm时，传感器传感器没信号，传送带将一直运行，直到把苹果运送到2#光幕传感器。在2#光幕传感器处，当尺寸＞90 mm时，触发气缸6动作；
当尺寸＜90 mm时，传感器传感器没信号，传送带将一直运行，直到把苹果运送到传送带尽头，完成尺寸大小的分拣。
当尺寸＞120 mm时，1#光幕传感器输出信号，传送带运送到接近开关2时，气缸2伸出，将苹果送入1#传送通道；
当90 mm＜尺寸＜120 mm，2#光幕传感器输出信号，传送带运送到接近开关7时，气缸6伸出，将苹果送入2#传送通道；
当尺寸＜90 mm时，将直接把苹果运送到尽头3#传送通道中。进入传送通道后，经过接近开关3，8，12，下料口将再次下料，苹果经过传送带传送。当传送到接近开关 4，9，12 处，气缸 3，7，10 缩回，苹果进入视觉传感器所在的识别区。当视觉传感器检测出结果后，1#识别区将品质合格的苹果由气缸5直接推送到一类果存放箱；
品质不合格的苹果由气缸4推送到四类果存放箱；
2#识别区将品质合格的苹果由气缸9直接推送到二类果存放箱；
品质不合格的苹果由气缸8推送到五类果存放箱；
3#识别区将品质合格的苹果由气缸12直接推送到三类果存放箱；
品质不合格的苹果由气缸11推送到六类果存放箱。当接近开关 5，6，10，11，13，14 感应到苹果到达存放箱时，装箱计数加1。
3.2 测试与结果
共挑选500个不同类型的苹果，利用系统对所选苹果进行尺寸和品质测试，结果如表2所示。
表2 测试结果Tab.2 Test results
可以看出，系统可对所选苹果进行有效分类，其中按尺寸分类准确率达到100%，按品质分类准确率达到95%以上。说明系统设计合理，安全有效。
（1）为提高苹果分拣速度和准确率，以苹果尺寸和品质作为分拣控制指标，设计一种苹果自动分拣装置。采用基于PLC的顺序控制算法，通过光幕传感器和视觉传感器对苹果当前所处位置和类别进行检测，实现不同等级苹果的自动分拣。
（2）仿真和测试结果表明：系统可以有效实现苹果快速分拣，在提高分拣效率的同时，大大提高分拣准确率。对于尺寸分类准确率达到100%，按品质分类准确率达到95%以上，整体效率达到98.8%，具有节能、高效的特点。
（3）装置具有一定扩展潜力，可对程序和设备稍加修改以实现对其它水果的分拣功能，满足不同客户群体要求，具有灵活度高的特点。
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