福橘大小自动分选控制系统的设计与实现

刘现 李传辉 黄语燕 蔡淑芳

摘 要：为了降低福橘分选的劳动力成本，提高分选效率和精度，以维控LEVI777A型触摸屏为人机界面，台达DVP12SA211T可编程控制器为控制核心，构建了一套基于机器视觉的福橘大小自动分选控制系统。该系统运行稳定、操作简便、人机界面友好，实现了福橘的自动化分选，有效提高了分选的精度与效率，降低了劳动力成本，具有良好的科研和经济价值。

关键词：福橘;分选;系统

福橘是我国橘类中上品，同时也是福州市的市果和传统名果[1]，果实呈扁圆形，色泽朱红，鲜艳可人，栽培历史悠久，久负盛誉[2]。福橘在农历春节前后上市，由于色泽鲜红、皮薄汁多、果香汁甜、甜酸适口，又与“福、吉”谐音，寓纳福招吉、福寿吉祥之意，备受群众喜爱，成为春节果品种的重要角色。

水果分选是水果采后加工一个十分重要的环节，它可以使水果在销售时具有较高的均匀度，从而更加吸引消费者，以提高其经济价值。发达国家的经验表明，水果产值大部分是由采后处理和加工创造出来的[3]。目前，福橘分选大多采用人工挑拣方法，该方法劳动强度大，分选成本高，容易受人为主观因素影响，分选误差大，工作效率低[4]。机械分级法一般从大小、重量等方面对水果加以分级，分级时容易对水果造成损伤，常用的设备有果径大小分级机、果实质量分级机。葛纪帅等[5]设计了一种基于智能称重可用于多种类球型水果实时、动态检测的分级生产线。机器视觉技术又称为计算机视觉技术，是一门涉及人工智能、计算机科学、图像处理等多个领域的交叉学科[6]，利用其对水果加以分级具有客观、无损、自动、高效等优点[7]，已经在苹果、梨、脐橙等水果的分选上得到广泛的应用。冯斌等[8]通过机器视觉技术获取水果的图像并检测水果的大小;刘新庭等[9]设计了一套基于图像处理的苹果大小分选系统，分选的准确率为96.67%。

为了大幅提高福橘分选效率和精度，提升其在产后加工阶段的经济价值，本课题组设计了一套福橘自动分选控制系统，基于机器视觉技术实现福橘大小的自动分选，大幅提高了分选的工作效率，降低了劳动力成本，增加了果农的收入，具有良好的经济效益。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件结构

水果分选机上配置有图像采集装置，依据水果的图像采用机器视觉技术进行大小分选。分选机通常由上果段、分选段和分果出口段组成。在上果阶段，系统开启时由PLC控制电机的开启来带动传送链条转动，负责上果的工作人员往自动上果机的上果台上倒入福橘，自动上果机将福橘运送至水果分选机的果盘中，分选机输送链条承载着果盘均匀地向前输送，分选阶段是最为关键的一个阶段。工作人员事先在触摸屏人机界面上配置好每个等级的大小分选区间等参数，这些参数保存在触摸屏中。系统开启后，PLC通过RS485读取触摸屏上的参数信息，待装载着福橘的果盘向前输送到达图像采集位置时触发图像采集装置内的相机进行图像采集，采集到的福橘图像传输至上位机中，上位机基于福橘的图像采用机器视觉技术进行大小检测，检测结果传送至PLC上，PLC与预先在触摸屏上设定的大小分选区间参数进行比较，确认此福橘的大小等级，PLC将等级信息保存于其存储空间中以便在分果段进行正确分果，同时系统安装有重量传感器，记录重量信息，以便用户统计分析分選的数据。在分果阶段，PLC调用存储在其中的等级信息，当所对应的果盘到达等级信息相应的分果槽时，PLC控制输出驱动板，驱动板驱动电磁推杆动作，使果盘发生倾斜，福橘顺势滚入果槽中完成分选。

1.2 电气控制

控制系统以触摸屏为人机界面，PLC为控制核心，触摸屏和PLC之间通过RS485进行通信，系统内部安装DC24V开关电源，执行机构包括电机和用于分果的电磁推杆，传感器部分为称重传感器，用于记录重量数据，以便用户统计分析，安全部分为总开漏保。

2 系统软件设计

本系统以LEVI777A触摸屏为人机界面，台达DVP12SA211T PLC为控制核心进行构建。开发环境基于Windows的中文操作系统，采用维控公司开发的LEVIStudio组态软件和台达梯形图编程软件WPLSoft。系统实现了福橘的大小自动化分选，主要功能模块包括实时状态、分级统计、参数设置、报警查询、密码修改、手动调试等。

2.1 实时状态

用户可在触摸屏上查看当前的实时分选结果，可以查看各个等级果分选的个数。

2.2 分级统计

系统具备对分选数据进行分析统计的功能，提高数据直观性和可读性，便于用户了解分选的效率。分级统计包括当日累计、阶段累计、历史累计以及趋势分布4种功能。当日累计具备统计分析当日1 d的分级数据的功能，包括统计各个等级果的分级个数、个数相应的占比和重量数据;阶段累计具备统计分析指定起始日至当天的分级数据的功能;历史累计具备统计分析历史分级数据的功能，按历史天数累计;趋势分布包括趋势统计图和统计饼图，是依据阶段统计数据而生成的，便于用户更直观的分析和查看分级数据。

2.3 参数设置

参数设置是一个十分重要的功能。每个出口参数可以按照用户需求依次设置，例如：“1～5号出果口”分别设置成：特大果、大果、中果、小果、特小果，则在1～5号出果口分选出来的分别是特大果、大果、中果、小果、特小果。

2.4 报警查询

在触摸屏报警信息界面上可以查看系统的报警记录，用户需定期查看，以便及时发现问题。

2.5 密码修改

出于安全性考虑，系统提供了密码修改的功能。不同级别的用户拥有其设定的私人密码，进入系统时需要输入密码登录后方可正常使用该系统。

2.6 手动调试

用户可通过开启手动调试功能人为地对某个组件进行调试，检测其功能是否正常。

3 实现结果

系统投入使用后，运行稳定，人机界面友好，操作便捷，能够实现实时状态、分级统计、参数设置、报警查询、密码修改、手动调试等功能，有效地满足了福橘大小自动化分选的实际生产需求。

4 结语

水果产后处理直接关系到水果的包装、运输、贮藏和销售，对水果的经济价值产生重要的影响。西方发达国家水果产后处理的比例高达80%～90%，已经基本实现了水果分选的机械化与自动化，我国水果产后分选以半机械化甚至手工分选为主，机械化处理比例还不到5%[10]。因此，研究水果分选技术以及开发自动化的水果分选机具有重要的社会经济意义。本研究基于机器视觉技术，设计并实现了福橘大小自动分选控制系统，提高了分选的精度与效率，有效提升了福橘在产后加工阶段的经济价值，增加了果农的收入，产生了良好的经济效益，值得推广应用。

参考文献：

[1]王琦，高慧颖.利用茂谷橘橙异花授粉提高福橘果实品质[J].福建农业学报，2015，30（7）：662-666.

[2]肖家沂.福橘的人文特色与药材辨析[J].中国民族民间医药杂志，2012，21（24）：60-60.

[3]张方明，应义斌.水果分级机器人关键技术的研究和发展[J].机器人技术与应用，2004，91（1）：33-37.

[4]林开颜，吴军辉.基于计算机视觉的水果分级技术研究进展[J].信息化纵横，2009（10）：1-4.

[5]葛纪帥，赵春江，黄文倩，等.基于智能称重的水果分级生产线设计[J].农机化研究，2012（1）：126-129.

[6]黎萍，朱军燕，刘燕德，等.机器视觉在农产品检测与分级中的应用与展望[J].江西农业大学学报，2005，27（5）：796-800.

[7]应义斌，饶秀勤，赵匀，等.机器视觉技术在农产品品质自动识别中的应用[J].农业工程学报，2000，16（3）：4-8.

[8]冯斌，汪懋华.基于计算机视觉的水果大小检测方法[J].农业机械学报，2003，34（1）：73-75.

[9]刘新庭，匡迎春，陈熵，等.基于最小外接圆直径的苹果分级研究[J].中国农学通报，2015，31（20）：239-243.

[10]孙学岩.基于LabVIEW的称重式水果分选机测控系统[J].安徽农业科学，2010，38（25）：13843-13844.

（责任编辑：柯文辉）