火龍果裝箱系統仿真設計*

辛華健 ，黃珠峰

（廣西工業職業技術學院，廣西 南寧 530200）

0 引言

水果對我國而言是一個不可缺少的農業發展對象，在全世界的水果行業之中，有25%的水果都來自中國，所以我國有著“世界水果王國”的稱號[1]。火龍果在廣西有大量的種植面積，一年四季基本都可以有果銷售，但火龍果裝箱自動控制技術還未成熟，一般只能靠人力來完成分揀、計數、裝箱、搬運等煩瑣的工作[2]。

目前，在我國對水果分級的手段大多還是依靠人工完成，人工分級不僅需要大量的勞動力，而且水果分級的標準也難以控制在一個穩定的精度，這就導致水果分選的效率低、成本高、不精確，沒有達到出口的標準，未能在國際水果市場上占據優勢，大多數只能以低價在國內銷售，降低了水果的價值，拉低了水果對經濟發展的促進作用[3]。隨著人們生活水平的不斷提高，依靠人工的火龍果裝箱已經滿足不了市場的供應需求。所以，在提升火龍果的裝箱效率和質量方面，先進行火龍果裝箱系統的仿真設計，實現裝箱的自動化，以進一步提高工作效率[4]。

1 應用軟件概述

組態軟件是一款能夠方便使用者快速建立仿真的軟件。組態軟件以標準的工控計算機、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統。它具有適應性強、開放性好、運用簡便、易于擴展、經濟性好、開發周期短等優點。系統分為控制層、監控層、管理層三個層次。其中監控層是中間層，對下鏈接控制層，對上鏈接管理層，這樣不僅能實現對畫面的監視和監控，且能在自動控制系統中起到傳遞作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數據、動畫[5]。通過在組態軟件中的畫面調節監控系統，實現所要的功能，設計監控系統，試驗者提供可看的監視畫面，充分利用圖形編輯功能，方便構成監控畫面，并以動畫形式顯示設備的運動狀態。使用組態軟件開發，試驗全部是通過軟件完成的，只需利用計算機現有的圖庫進行實物模擬，能大大降低開發經費[6]。

組態軟件能夠支持非常多的通信協議，并且提供分布式數據管理和網絡功能[7]。對應于原有的HMI的概念，組態軟件是一個使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具和開發環境。利用仿真畫出電動機、各類傳感器、傳送帶等設備，能夠實現一套完整的火龍果裝箱操作系統[8]。用項目管理器構建火龍果裝箱項目、導入和導出變量、定義項目屬性等，同時用項目瀏覽器瀏覽相應的火龍果裝箱邏輯框圖程序與實時數據指標等；實現通過屏幕觀測仿真的模擬運行過程與實時狀態映像[9]。

2 裝箱系統設計

2.1 系統仿真流程

使用組態軟件仿真火龍果裝箱系統過程，不會受到場地的限制，通過電腦利用組態進行模擬仿真，系統具有開放性好、易于擴展的功能。組態還提供了一個可視化的監控畫面，有利于在試驗過程監控與修改各項數據。它還能與電腦的圖像處理功能配合，方便構成監控畫面，并以動畫的方式顯示仿真畫面的狀態[10]。當火龍果分級后，在傳送帶上運行，推桿將火龍果從主傳送帶推出并推到要裝的箱子中進行裝箱，再由箱子上方的計數傳感器記錄火龍果的數目，當數目達到3個或者設定的數據時，裝箱完成，自動啟動箱子下方的傳送帶，將箱子送走。系統仿真流程如圖1所示。

圖1 系統仿真流程圖

2.2 系統仿真模型

模型簡化后大致分為四個部分：傳送帶部分、推桿部分、包裝部分、物料臺部分。

1）主傳送帶。由于整個仿真圍繞主傳送帶進行設計，定好主傳送帶就可以設計其他部件的位置。主傳送帶需要實現運動畫面，所以要對主傳送帶設置水平移動的距離和對應值。

2）氣缸。氣缸作為推桿的一部分，與推桿相重合，不可移動，用顏色來表示氣體出來的方向，紅色為進氣口。

3）推桿。推桿與氣缸相接，在氣缸的作用下，實現推出和縮回，用于推主傳送帶上的物料，實現對水果的分級。要求在垂直運動寫出移動距離。

4）次傳送帶。次傳送帶與相應的推桿口對應，是用于送去包裝的過渡道，因距離短，選擇固定通道，不需要進行方位設計。

5）包裝機。包裝機與次傳送帶相接，作為包裝的總執行部位，需要進行一個包裝的動作，水果送到包裝機執行區域時，包裝機閉合包裝，閘門關閉。實現開關自如的功能。

6）推桿傳感器。將傳感器放在推桿前方，推桿推到位傳感器為綠色，反之為紅色。

7）包裝指示燈。當水果傳遞到包裝機包裝位置之后，指示燈變綠，包裝機包裝水果。

8）包裝計數。在包裝機下面設置一個計數，用來計算已包裝的個數，采用文本框，選擇模擬值輸出，格式采用整數兩位，顯示格式為十進制，居左。

9）主傳送帶指示燈。其位于主傳送帶的末尾，當主傳送帶啟動時，指示燈為綠色，不工作時為紅色。

10）次等區。在仿真中，次等區的水果采用流放的方法，在經過主傳送帶時不進行分級，選擇留置到主傳送帶后的框，并給予計數設置。

11）一條等級的水果分級包裝模塊做好后，在主傳送帶依次再做出兩條相同的分級包裝模塊。制作時，由于一個變量只能對應一個圖形，在選擇變量時圖形不能選錯。

12）上料區。上料區連接的是主傳送帶前端，此仿真只顯示四種不同大小的水果，需要在上料區畫制四種不同圓形并在上料區中重疊。當檢測到某種規格的水果之后，所對應的圖形就會進行上料并到達主傳送帶。水果圖形重疊，水果圖形需要設置在進行模擬中隱含。

13）控制臺。控制臺控制整個系統的啟動和停止，需要輸入命令。

14）物料顯示。該裝置不需要動作，用指示燈來顯示檢測結果和需要分級的物料。

15）把部分器件用文本框輸入名字，完成最終模型，如圖2所示。

圖2 系統仿真模型

系統準備就緒開始運行后，仿真模型上的各個部件開始工作。火龍果經過分級系統分級后分別進入大、中、小三個通道，自動啟動傳送帶將火龍果送到箱子。當箱子上方的火龍果計數傳感器計數達到3個時，裝箱完成，送走箱子。

2.3 仿真運行調試

將程序寫入系統，驗證仿真動畫的準確性和在動畫過程中的協調性。在組態的仿真工作畫面建立中，模擬計數、裝填、放入箱子、送走箱子的完整裝箱過程，完成整個自動裝填火龍果的控制系統仿真調試。如果在調試運行中出現錯誤，則需針對存在的問題想辦法解決[11]。例如，在主傳送帶運輸物料時相對應的推桿要在準確的時間內推出，如果時間不匹配就會出現錯亂，所以要經過調試，才能運行準確、順暢[12]。調試過程中明確各部件的作用，推桿作用在物料出來時，將其推進傳送帶；指示板用來操控仿真的啟動和停止；上料區用作出料口；主傳送帶和次傳送帶主要用來運輸物料；包裝處理后送到相應的點并進行相應的統計計算[13-15]。

1）上料。進入運行界面，點擊啟動后，啟動指示燈、主傳送帶亮起，上料區檢測水果等級，相應的水果指示燈亮起，如圖3所示。2）分揀。當上料區出現水果后，停止運行。水果在上料區出現后，由主傳送帶帶動水果運行。當水果到達相應的入口時，相應推桿氣缸、指示燈亮起，推桿推出水果完成分揀，如圖4所示。3）包裝。被推進傳送帶的水果經過5 s的運行到達包裝機的包裝口，包裝指示燈亮起，開始計數，并進行包裝，如圖5所示。4）包裝完成之后，此時上料區再次進料，重復水果分級動作。上料區出現不合格果時，不合格果會由主傳送帶運送到末尾，進行流放。

圖3 上料

圖4 分揀

圖5 包裝

3 結論

在組態軟件的仿真工作畫面建立中，選擇合適的仿真元器件，建立火龍果的輸送傳動機構并實現計數、裝填、放入箱子、送走箱子的功能，完成整個自動裝填火龍果的控制系統。筆者分別運行調試了PLC控制程序和仿真畫面，最后通過組態與PLC軟件聯機調試，驗證組態仿真系統的有效性[16]。在火龍果出料時只能人為控制出什么大小的火龍果，做不到隨機出現什么大小的火龍果。運行組態的仿真畫面，經過不斷反復調試，最終實現火龍果裝箱系統的全部功能。并且火龍果裝箱機系統設計能夠非常直觀、準確地反映自動化的裝箱動作，能按照用戶需求實現一些基本功能。