基于PLC的苹果自动分级系统设计＊

2019-10-22刘哲文王祥傲汪先兵梅鑫剑

科技与创新 2019年19期

刘哲文，王祥傲，汪先兵，梅鑫剑

基于PLC的苹果自动分级系统设计＊

刘哲文，王祥傲，汪先兵，梅鑫剑

（滁州学院机械与电气工程学院，安徽滁州 239000）

中国作为农产品生产大国，每年苹果生产总量很大。而对于苹果的分级，主要依靠人力进行，效率低下，因此设计自动分级系统对提高市场竞争力及缩减成本有重要意义。该系统通过PLC控制驱动器对电机进行驱动，实现尾部机械夹具的运动，通过舵机的正反转控制机械夹具的夹取与放置，利用光电传感技术对苹果进行三维参数的识别。使用LabVIEW设计上位机监控软件，通过串口与PLC进行数据交互，将现场的运行参数及机械臂各轴的运行数据呈现在监控软件的人机交互端，并具有报表统计功能。实验结果显示，该系统能快速、准确地完成对苹果自动分级处理，降低人工成本，具有一定的实用意义。

自动分级；PLC；光电传感技术；LabVIEW

中国作为农产品生产大国，每年的苹果生产总量稳居世界前列[1]，对促进农业发展、提高农民收入、扩大城乡地区的经济发展、改造生态环境等问题作出了积极贡献。但因中国商品化理念落后，对苹果的分级处理仍旧采用传统的人工操作，这样不仅耗费了大量的人力物力，同时也提高了成本，并且效率低下，导致苹果的国际竞争力相对于其他大国来说较小。

针对此问题，刘忠超等人提出建立高效的自动化分级体系[1]。本系统利用西门子S7-1200 PLC和LabVIEW设计苹果自动分级系统，包含自动化分级装箱及实时监控功能，降低了产业的成本和工人工作强度，提高了国际竞争力。

1 整体方案设计

本系统总体由运动传送装置、三维参数测量装置、执行装置、PLC中控系统及上位机监控系统组成。系统工作原理如图1所示。运动传送装置由传送带、直流电机组成，三维参数测量装置由光电传感器将检测到的信号传递给PLC的输入端[2]，由PLC中控系统进行数据的计算、处理并通过串口通讯技术将处理的信息传递给LabVIEW编写的上位机监控系统，同时控制输出端的信号驱动执行装置的机械夹具、舵机、步进电机滑台等装置对苹果进行分级筛选，把不同等级的苹果装入分级箱中，以此完成苹果自动分级的处理[3]。

2 系统硬件组成

本系统使用西门子S7-1200 PLC作为控制的核心，DI口采集放置在不同方位的光电传感器信号状态以计算物体的三维参数，判断当前物体为某一级别后，通过内部集成的高速脉冲发生器发送PTO信号[4]，通过DQ口输出脉冲及方向信号控制步进电机电机驱动器，进而驱动轴、轴、轴方向电机进行正反转运动将夹具运送到目标点进行夹取与放置操作。上位机监控系统由LabVIEW进行监控软件的设计。利用PC与西门子S7-1200 PLC的以太网连接，使用封装在西门子PLC内部的开放式通讯协议，结合LabVIEW的VISA（虚拟仪器软件体系结构）串口连接，既可实现上位机对PLC信号的采集、读写与显示[5]，又可避免接入计算机的其他仪器产生干扰。

图1 自动分级系统

控制器采用西门子S7-1200 1214C DC/DC/DC型PLC，由24 V电压供电，各轴的左右限位开关接于DI0.0～0.5端子上，用于测量苹果三维参数的光电传感器接在DI0.6～1.0端子上，DQ0.0～0.5端子提供三轴的脉冲及方向输出，用于控制电机的正反转及速度，精准快速地将机械夹具移送到目标位置，DQ0.6端子控制机械夹具夹取、放置物体，DQ0.7端子控制传送带的启动与停止。硬件接线如图2所示。

3 软件设计

作为控制系统核心的PLC执行自动化系统信息的采集、计算及向上位机传输数据的功能。

图2 硬件接线图

程序流程：PLC上电运行，启动传送带将苹果运送至三维参数测量装置，PLC采集装置中的传感器信号，并将数据上传至上位机中，经过计算、判断为苹果进行分级，控制电机、机械夹具将苹果放入对应分级箱后，进行下一个周期的运行。

通过写入PLC内部的程序可对苹果进行分级，PLC内部的数据存储区从DI口读取光电传感器信号进行苹果三维参数的测量，计算三个光电传感器从检测到物体到物体离开的时间，乘以传送带的速度可大致判断出物体的三维参数，将测量出的参数进行模糊处理后大致分为三个等级，以此完成物体的自动分级。

上位机监控系统在LabVIEW后面板中建立VISA串口与PLC进行数据交互，从PLC的地址中读取数据，利用VISA Read、VISA Write函数读写PLC的数值，写入控件完成上下限参数的设置，前面板中由图形信息直观表现出系统的组成结构，显示控件呈现系统完成任务的数量及苹果的分级情况，最后将各数据汇总由波形图进行记录与显示。