水果食品称重分选机控制系统设计

武海军

乌海职业技术学院（乌海 016000）

随着人民生活水平的提高和食品安全意识的不断提高，水果消费者对于水果的品质和安全性要求也越来越高[1-2]。我国水果产量稳居世界第一位，并且我国水果品种繁多，在国家政策的帮助下，水果的发展前景广阔。但我国水果商品化手段较为落后，在水果生产过程中通常需要从国外引进一些先进的分选设备对水果进行分选，我国水果种类众多，因此，从国外引进的设备往往具有一些局限性[3]。

水果采摘后需要对其进行上料、清洗、分选、包装等处理，而水果分选是采摘后加工中的关键环节，水果分级是对不同特点的水果进行挑选并分类储存。目前我国大多数水果加工企业通常采用人工分选法进行挑选，也是我国应用最为广泛的一种分级方法[4-5]。人工分选主要通过工人的主观视觉判断水果的大小、形状、色泽等进行挑选。但人工分选受主观因素响应较大，该方法主要依赖于个人视力、颜色分辨率、空间光照等因素影响，从而使得人工分选准确率较低，分选效率较低，工人劳动强度也较大，人工成本较高[6]。

电子称重分选机的核心是利用称重传感器对水果质量进行采集，通过水果分选的标准通过程序进行编程，利用程序的判断将不同质量的水果进行分级。此次研究的电子称重水果分选机主要包括生产线支架、传送装置、称重系统、水果挑选设备。机械传动为整条生产线提供动力，并完成水果的输送。

在现有研究的基础上，提出了一种基于PLC的水果食品称重分选机控制系统，利用称重传感器对水果质量进行采集并传送到PLC中，再通过PLC编程实现水果分选。

1 称重分选机工作原理

根据分选工艺要求，采用的称重传感器为压力式采集传感器以及采用气缸和传送带的分选系统。称重传感器通过压力信号将其转化为电压信号，通过PLC的模拟量采集模块将信号采集到PLC的CPU中[6-11]，通过数据处理将质量信号进行处理并与设定的目标质量进行比较，当质量符合所设定的挑选质量时，则PLC发出指令控制挑选结构将水果挑出并放入相应的储物箱中，从而完整一个完整的分选过程，分选机控制原理如图1所示。

图1 分选机控制原理

研究的自动称重分选机机械部分主要包括传送带、控制箱、气缸以及托架等。而电气部分主要包括PLC、触摸屏、称重传感器、光电开关、限位开关、电磁阀以及调频电机等。通过触摸屏对分选机运行状态进行监控，控制系统的核心则为PLC。

2 控制系统硬件结构

根据水果分选机工艺特点以及电气控制系统的具体要求，分选机控制系统采用PLC和人机触摸屏相结合的形式，该控制系统由于采用PLC作为控制器，稳定性高，能够根据分选机特性进行适当扩展，控制系统硬件结构如图2所示。

图2 控制系统硬件结构

为了实现分选机的高效控制以及各机构状态的有效监控，控制系统采用多级控制方法进行设计，主要包括管理级、协调级以及执行级的三级递阶控制。三级递阶控制是将控制系统分割成多个子系统，由多个子系统组成分选机的整个系统。该控制方法具有局部故障不影响整体系统、灵活性高、可靠性高等优点。

采用西门子KTP1200触摸屏作为整个控制系统的管理级。该管理级主要负责监控整个系统的运行状态，并采集各执行机构的动作情况。触摸屏中包含各个功能画面的切换，通过不同的虚拟按键实现PLC命令的下发，以实现预定控制目标。

协调级作为递阶控制系统的次高级，该级主要负责协调各子任务的执行，PLC主要负责称重分选机各个工位中传感器信息的采集，并实现变频电机的速度控制。以分选机变频电机、传感器、气缸、电磁阀等执行器作为递阶控制系统的第三级。

控制系统主要组成为：

1) 核心控制器：核心控制器主要由PLC和触摸屏组成，PLC通过梯形图控制程序下发动作指令，并将传感器信息进行采集，根据各执行机构的反馈状态协调各执行机构进行动作。

2) A/D采集模块，A/D采集模块主要负责将称重分选机中的质量模拟量信息进行采集并实现模拟量到数字量的转化，最终由PLC完成。

3) 触摸屏：触摸屏主要负责分选机参数的设定、数据监控以及故障监控。

3 控制系统设计

水果食品称重分选机控制系统软件采用模块化设计方法进行设计，其中主控模块主要负责组织各子模块的运行，以及各模块之间的协调和通讯；其中触摸屏程序主要实现数据处理与显示采集重量传感器信号并对其进行显示。PLC程序由主程序、数据初始化程序、Modbus通讯程序以及报警中断程序，程序结构流程如图3所示。

图3 程序结构

图4 触摸屏画面

为了实现分选机的有效控制，对分选机运行状态进行实时监控，采用人机触摸屏作为分选机上位机，并通过串口通信的方式实现与PLC通信。设计的触摸屏界面主要由主窗口、参数设置窗口以及其他人机界面组成，触摸屏画面如图关系如图4所示。

4 结语

以水果食品称重分选机为研究对象，为了提高水果加工企业生产效率，设计了一种基于PLC和触摸屏的水果食品称重分选机控制系统。介绍了称重分选机称重系统的工作原理，针对称重分选机的工作原理设计了分选机三级递阶控制系统硬件结构，每一级系统分配不同的任务，在硬件结构基础上设计了PLC程序以及触摸屏程序。该控制系统采用三级递阶控制系统进行设计，大大提高了整个系统的稳定性，利于后期软件和硬件维护。该控制系统能够显著提高水果分选机自动化程度，能够大大提升水果加工企业生产效率。