基于S7-300 PLC和Matlab的蘋果自動分級系統設計

劉忠超，劉勇軍，常有周

(1.南陽理工學院電子與電氣工程學院，河南南陽 473004； 2.西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌 712100)

我國是水果生產大國，蘋果是我國產量最大的水果，已經成為我國農村經濟的一大支柱產業，為促進農民增收、擴大城鄉居民就業和改善生態環境作出了積極貢獻[1]。雖然我國蘋果產量很大，但參與國際貿易的比例一直很低，出口量不到國際水果貿易的3%，主要以本國消費為主，其中一個重要原因就是采后商品化處理落后，外觀質量較差，導致蘋果的市場競爭力比較弱。分級是蘋果商品化處理的重要環節，通過分級可以提高蘋果產值。傳統蘋果分級依靠人工操作和判定，具有較大的主觀性，因此建立高效的自動化分級體系勢在必行[2]。本研究提出了一種基于西門子S7-300 PLC和Matlab的蘋果分級系統，實現了蘋果的自動化分級，減輕了人工分級的勞動強度，提升了蘋果產后的質量。

1 系統總體設計

蘋果自動分級系統主要由圖像采集裝置、圖像處理計算機、PLC控制分級系統以及上位機監控系統組成。系統工作原理如圖1所示。圖像采集部分由USB攝像頭、激光對射傳感器和光源組成。蘋果傳送裝置由電機、傳送帶等組成，同時機械手、激光對射傳感器、推料氣缸組成執行裝置，激光對射傳感器連接到S7-300 PLC控制器輸入端，檢測蘋果位置并控制計算機對蘋果圖像實時采集、處理分析，同時通過OPC技術將處理結果傳送到WinCC組態軟件設計的上位機分級監控系統，最后由組態軟件將處理結果傳遞給PLC控制分級推出氣缸動作，從而組成一個完整的蘋果自動分級系統[3]。

2 系統硬件設計

根據蘋果自動分級原理，系統整體硬件結構如圖2所示。蘋果自動分級系統通過傳送裝置輸送蘋果，采用西門子S7-300 PLC作為控制器，激光對射傳感器檢測蘋果位置信號，USB攝像頭采集圖像，機械手推料氣缸完成分級執行機構。上位機由Matlab圖像采集處理系統和WinCC遠程監控系統組成[4]。

2.1 微控制器選擇

德國西門子S7系列PLC具有極高的性價比，市場占有率高。系統采用S7-300 PLC作為控制器[5]。蘋果分級系統主要由位置開關量、光電信號等數字信號的采集，因此用到西門子SM321數字量輸入模塊和SM322數字量輸出模塊。S7-300 PLC硬件組態配置如圖3所示。

2.2 USB攝像頭

蘋果圖像采集通過海康威視DS-2CS5432B-S攝像頭獲取，其USB接口方便與上位機的連接。其最高分辨率可達1 920×1 080像素，顯示幀率為30幀/s，最低光照要求為 0.1 lx，能夠滿足對蘋果圖像采集的要求。

2.3 激光對射傳感器

系統采用M12激光對射傳感器來檢測蘋果位置信號并傳遞給PLC，其感應距離為0～30 m，工作電壓為直流電10～30 V，采用24 V開關電源為其供電。該傳感器輸出為NPN型，檢測到蘋果信號時輸出電壓為低電平。而系統所用的SM321數字量輸入模塊屬于漏型輸入，電流從PLC的輸入端流進，從公共端流出[6]。因此需要將NPN型傳感器轉換為PNP型，轉換電路如圖4所示。PNP型集電極開路輸出為高電平，當輸出OUT端和PLC輸入相連時，電流從PLC的輸入端流入，從PLC的公共端流出，可以方便地與S7-300 PLC連接。

3 系統軟件設計

3.1 S7-300 PLC控制系統軟件設計

S7-300 PLC是蘋果分級系統的控制核心，主要完成機械手抓取控制、與上位機監控組態軟件通信、控制推料氣缸動作等。系統主程序流程如圖5所示。

3.2 Matlab蘋果圖像處理系統設計

Matlab是一種高度集成的數值運算和可視化軟件，不僅能夠進行科學計算、矩陣變換、信號處理、圖像處理，還能夠創建用戶界面。按照新鮮蘋果分級的GB 10651—1989標準，蘋果大小是其分級的一個重要依據[7]。Matlab程序設計包括與WinCC組態軟件通信程序、讀取和處理蘋果圖像程序。蘋果圖像處理程序流程如圖6所示。

3.3 WinCC上位機監控系統設計

為實現蘋果分級遠程上位機監控，采用工控組態軟件WinCC來開發蘋果分級監控系統。WinCC全面支持OPC通信標準。系統采用WinCC作為OPC服務器，Matlab蘋果圖像處理系統作為OPC客戶端，通過OPC實現了兩者之間的數據傳遞[9-10]。其WinCC和Matlab通信流程如圖7所示。

4 系統功能測試

(1)如圖8所示為系統中Matlab采集的蘋果原始圖像和一系列處理后的圖像。通過中值濾波、二值化處理和取反填充后圖像顯得輪廓分明，便于后續計算處理。

(2)S7-300 PLC控制器根據Matlab處理的蘋果圖像數據來進行分級判別進而執行分級動作，并通過WinCC實時遠程監控系統運行。其蘋果面積大小的數據傳輸及其歷史曲線如圖9所示。

(3)分級系統運行時如出現進料堵塞、運輸皮帶等故障會產生報警信號，操作人員撥動切除報警器旋鈕即可切除報警；同樣，在分級箱當中有一個裝滿時，蜂鳴器指示燈亮，并產生蜂鳴信號，工作人員撥動切除蜂鳴器旋鈕即可解除報警(圖10)。

5 結論

本研究提出了一種基于S7-300 PLC和WinCC組態軟件的蘋果自動分級系統，設計了蘋果分級的控制系統，可根據分級標準對蘋果進行快速分級。

借助于Matlab強大的圖像處理能力，設計了蘋果分級特征提取處理系統，實現了對蘋果大小和形狀的識別、處理，實現了對蘋果的無損檢測，減少了對蘋果果實的損傷。

基于OPC技術，實現了PLC和Matlab之間的通信，Matlab負責蘋果圖像采集處理，PLC負責系統控制，系統實時性好，處理速度快，提高了蘋果分級的自動化水平，具有實際推廣應用價值。