VOL.50NO.62019Journal of Shandong Agricultural University (Natural Science Edition )doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2019.06.009

数字优先出版:2019-12-23http://www.cnki.net

柑橘自动分拣机的控制系统设计

陈涛,高自成*,李立君,王远嵩

中南林业科技大学机电工程学院,湖南长沙410004

摘要:为提高柑橘加工行业的效益，设计了基于可编程控制器PLC 的柑橘自动分拣机的控制系统，系统利用Sercos 总线通讯精确控制各伺服电机运行，利用相机对柑橘的形状大小和位置信息进行采集，并传送给上位机处理与所设定的标准比对、分配合适的通道，通过PLC 控制下料机利用给定的位置信息快速夹取。PLC 作为控制的核心，触摸屏用来监控系统的状态，有效保证了系统的安全性。该系统能大幅度提高柑橘加工的效率。

关键词:柑橘自动分拣机;控制系统;设计

中图法分类号:S233.74文献标识码:B 文章编号:1000-2324(2019)06-0971-03

Design for the Control System of Citrus Automatic Sorter

CHEN Tao,GAO Zi-cheng *,LI Li-Jun,WANG Yuan-song

Mechanical and Electrical Engineering College/Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410040,China

Abstract:In order to improve the efficiency of citrus processing industry,we designed the control system of citrus automatic sorting machine based on PLC.The system uses sercos bus to precisely control the operation of servo motor,and the camera to collect shape and position information of citrus,then was transmitted to the PC for processing and matching with the set standards,assigning appropriate channels,and controlling the unloading machine through the PLC to quickly capture with the given position information.PLC is the core of control,the touch screen is used to monitor the status of the system,which effectively ensures the security of the system.This system can greatly improve the efficiency of the citrus processing.Keywords:Citrus automatic sorter;control system;design

近年来，自动化技术在工业各个领域得到了广泛应用，柑橘领域是自动分拣技术应用中最重要及最广泛的领域之一[1]。随着科技进步，国内水果分级技术迅速发展，籍保平、李永华提出了在对水果图像进行形状和尺寸识别时，首先通过中值滤波和阂值法去除图片中的噪音和背景信息，并转换成二值图像，然后边缘提取。最后针对边缘进行快速傅利叶变换来提取包含形状和尺寸信息的傅利叶系数，用来作为分级标准[2-5]，为水果自动分拣提供了理论依据，提高了我国水果市场的竞争力。

为提高柑橘在国内外市场的竞争优势[6]，设计了一款利用计算机视觉技术、PLC(Programmable Logic Controller ，缩写为：PLC)精准控制等技术的柑橘自动分拣机，该系统利用sercos 总线通讯控制各伺服电机运行，从而控制抓取动作协调同步，通过PLC 控制下料机利用给定的位置信息快速夹取。PLC 作为控制的核心，触摸屏用来监控系统的状态、输出参数等[7]。通过此机器，在农业柑橘产品加工、包装等方面能实现柑橘的自动分拣。

1柑橘自动分拣机的结构设计

柑橘自动分拣机主要由上料机，皮带输送线，相机检测，分拣机构等辅助机构组成。

上料机由一个Scara (Selective compliance assembly robot arm ，缩写：Scara)四轴机器人、气动夹爪和一些连接板构成，皮带输送线由伺服电机、滚筒、皮带构成。分拣机构是由伺服电机，导轨滑块，滑台，同步带，滚珠花键，气动夹爪等构成的4轴龙门结构。如图1所示。

柑橘自动分拣机构工作时，皮带转动，柑橘由Scara 机器人夹持放在皮带上，当柑橘运送至相机正下方，相机获取柑橘的形状大小和位置信息，并传送给上位机软件处理后与所设定的标准比对、确定合适的通道，分拣机构接收到PLC 所发出的命令，快速移动抓取柑橘并放置在分配好的通道上。收稿日期:2018-07-18修回日期:2018-09-08

基金项目:湖南省科技计划重点研发项目(2016NK2142);湖南省高校科技创新团队资助项目(2014207)

作者简介:陈涛(1992-),男,硕士研究生,主要从事农业机械研究.E-mail:455101324@qq.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:gzc1968@126.com

·972·山东农业大学学报(自然科学版)第50卷

2

自动检测分拣系统控制设计2.1控制系统的要求

（1）满足上下料，相机检测柑橘形状大小并传回软件比对筛选，确定出合适通道，并分别计数。

（2）通过相机采集到柑橘所在皮带的具体坐标和伺服电机编码器反馈的位移，实现分拣机构快速且准确定位夹取的功能。

（3）当系统在运行过程中，实时监控各电机速度并可以根据现实状况调整。

（4）报警功能，系统出故障时等待人工检修复位。

2.2控制系统的组成

根据控制系统的要求，所设计的柑橘自动分拣机构控制系统主要包括位置检测元件，上位机，下位机，相机上位机主要用于输入命令，并实时监测系统运行状态，下位机选用的是PLC ，主要用来接收来自上位机的信号、向上位机传送信息，采集传感器

信号[8,9]；控制相关的执行元件。检测元件包括接近开关、光

电开关、限位开关，用于检测工件的位置；对通过不同通道

的柑橘分别进行计数；监测各轴处于安全位置。执行元件是

由9个驱动器和伺服电机构成，用于接收PLC 命令并执行。

2.3系统总体结构

根据控制系统的要求，以及所确定的硬件，控制系统的

组成图如图2所示。

2.4控制系统硬件的选型上位机触摸屏是目前最简单、最方便、最直接的人机交互方式，用户在通过触摸屏输入控制指令的同时也可以对现场的运行情况进行实时监测[10]。为保证设备能够稳定可靠的运行，同时考虑到成本等特点，该柑橘自动分拣的控制系统中上位机选用的是MT4414T 触摸屏。该触摸屏显示清晰、反应灵敏、性价比高，且能够实现该分拣机构的控制要求[11]。

下位机选择的是型号CML45的博士PLC ，该PLC 通过sercos 总线控制，至多能同时协同控制个驱动器，同时还兼容与Scara 机器人联动的模块，能够较好满足工作要求。

2.5控制系统软件的设计

柑橘自动分拣机的控制系统软件的设计主要包括前处理、软件编写、软件调试运行。前处理就是要与机械工程师不断沟通，确定系统的工作过程以及实现工作过程的机械结构、系统的工艺流程。设计编写控制流程图如图3所示。

系统采用顺序控制设计法进行程序编程，根据工序和流程图编写程序，包含复位程序、自动化程序、嵌入的相机检测程序、报警程序等，图4所示是一段自动运行程序代码。

在程序编写完成后，要进行触摸屏界面设计[13]（如图5），设计完成后，将控制系统构件合理安装在电控柜内（如图6），并与其他组件正确连接。最后对柑橘自动分拣机进行多次调试，对程序进图1柑橘自动分拣机结构Fig.1Citrus automatic sorting machine structure

图2系统硬件总体结构

Fig.2Overall structure of system hardware

行不断的优化和完善，确保能完美达到要求。

IF bKin1_Auto2AND bKin1_KinOk AND

bKin1_K21_14AND NOT bManual THEN(*AND

NOT bKin1_K22_03*)

Auto2();

ELSIF NOT bKin1_Auto2THEN

iAutoStep2:=0;

END_IF

fbR_TRIG2(CLK:=bKin1_StartAuto2AND

bKin1_Auto2AND bKin1_K21_14AND NOT

bKin1_Auto1AND NOT bManual AND NOT

bMLCErr AND NOT bAllDriveErr AND NOT

bKin1_KinErr);

IF fbR_TRIG2.Q THEN

iAutoStep2:=10;

END_IF

ClearProList();

FilterLimitZone();

图3PLC流程图图4自动运行代码

Fig.3PLC flow chart Fig.4Automatic operation code

图5人机界面图6控制系统布局图

Fig.5Human-computer interface Fig.6Control system layout diagram

3结语

柑橘自动分拣机构是由机械，PLC，电气和触摸屏等元件构成的复杂的机电一体化设备，综合运用了人机交互技术、PLC技术、伺服驱动技术、视觉技术将9轴协调联动[13]，并完成了智能视觉比对筛选、智能快速分拣、实时状态监控显示等功能，既保证了系统动作之间严格的逻辑关系，也保证了操作过程的可视化和系统的安全性。

参考文献

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