農產品精確稱重分揀機控制及模擬仿真調試

山東省平邑縣農機發展促進中心 王雷

隨著人們生活水平的提高，對農產品比如水果、海產品、某些品種的蔬菜等的規格重量統一性的要求也提高了，產生了對農產品按重量規格分類分級的需求。本文研究設計了一種按重量分級分揀的自動化裝置，大大提高了工作效率和分類準確性。

1 整個裝置的機械結構及工作原理

這個裝置采用小型皮帶機作為傳送和稱量的載體，左側為從動輪安裝了編碼器，右側為主動輪由電機減速機驅動，皮帶橫向兩側安裝擋料板防止被測產品掉落。從動輪為進料端，產品間隔一定距離挨個進入進料端，距離從動輪一定距離的皮帶底部安裝有稱重傳感器，離開一定距離是為了排除進料時產品的沖擊給稱重帶來的影響。稱重傳感器之后的一定距離，在皮帶一側或兩側的擋料板上間隔一定距離開設若干分揀口，每個分揀口都可以提前設定好接受產品的重量區間，進入這個重量區間的產品會被相應分揀裝置接收。分揀口數量決定了產品分級的數量，分級數量等于分揀口數量加一，因為產品可以不經任何分揀口從輸送帶尾端排出。在每個分揀口處安裝一個分揀撥板，分揀撥板由氣缸控制可以旋轉一定角度，氣缸的進氣管設有調壓閥和節流閥，以調節分揀撥板打開關閉的力度和速度，在避免碰傷產品的同時保持一定的動作速度。分揀撥板打開時就會擋住并接受傳送帶上的產品，關閉時就會直接將產品送入分揀口的落料收集斗，并且關閉分揀口，與擋料板平齊避免阻擋產品的通過。當產品依次通過傳感器時，傳感器就會捕捉到產品重量信號和它的整個變化過程，送入PLC 現場控制器，PLC 通過記錄、計算產品重量和位置信息，確定每個產品該送入哪個分揀口，當產品運行到相應分揀口前，分揀撥板會提前打開接受產品，產品進入相應分揀口位置后關閉分揀口收回分揀撥板。由于每個產品都經過精確測量稱重，每個分揀口都按設定和測量的產品重量區間接受產品，因而快速實現了按重量對產品的準確分級。

我們采用了西門子型號為s7-224xp 的PLC 作為主控制器，它自帶兩路模數轉換通道，方便接入稱重信號。為了方便裝置的調試，我們在分級分揀控制程序中加入了自動模擬稱重信號的隨機重量子程序，這部分程序模擬了貨物進入裝置稱量模擬量信號變化的過程，從而不用接入任何實際設備和傳感器只用PLC 就可實現仿真模擬調試。

圖1 皮帶分揀裝置示意圖

2 控制程序的整體思路是

（1）利用中斷程序模擬貨物投放后逐漸接近然后遠離稱重傳感器造成稱量信號變化的過程。本例利用一個時間中斷（模擬重量中斷）近似按照正弦函數的規律模擬稱重信號的變化。

實際稱量過程中貨物被投放到稱量皮帶投料口處，經過皮帶的傳送逐漸接近并到達稱重傳感器的正上方再遠離傳感器。我們近似認為傳感器接收到的是一個上升段加一個下降段組成的正弦波，函數最小值為0，最大值為貨物重量值，通過正弦波模擬一件貨物通過傳感器的過程。

圖2 控制流程示意圖

（2）再利用另一個時間中斷（采樣中斷子程序）不斷提取上面那個模擬重量信號的寄存器值，并記錄采樣過程的最大值；同時在該中斷中設置一模擬皮帶編碼器的寄存器，使其自加一個數值，這個位移寄存器就會不斷增加以此模擬皮帶的位移，記錄貨物位置值。當測量的重量值不斷增大時，則不斷更新存儲該稱重最大值及對應皮帶移動位置值。當連續多個采樣周期寄存器數值小于最大值時（進入衰減周期），則判定該最大值就是被測貨物的重量，把該值按照需要的貨物等級分類規則計算生成一個分類號，記錄進類型循環隊列，程序根據分類號確定將要觸發哪一個分揀口的驅動機構的開啟動作。程序將確定獲取到最大稱重值時對應的位置值記錄進位置循環隊列，根據分類號、位置值計算確定將要打開對應分揀口的開啟時間。當衰減周期大于一定數值后，測量的重量值又重新增大時則清零最大值，其代表一件貨物的稱重測量已結束，開啟下一貨物的測量。

（3）上述兩個循環隊列具有相同的長度，相當于兩個數組，同一位置的數組元素代表同一個貨物的兩個屬性，一個記錄貨物的類型，一個記錄貨物的位置。數組的長度決定了可以處理的同時存在于皮帶上的貨物的最大量。在s7200 中可以利用指針來尋址讀寫的方式循環地利用該數組空間。它們的起始地址不同，但相同數組編號的數據是對應同一目標貨物。

數據地址=數組起始地址+偏移地址

偏移地址=數組編號×單位數據長度

每次檢測到一個新的貨物兩組數組編號同時增加，將數據記錄到下一個數組單元，當記錄到數組最后一個單元時，則將數組編號置零，將新數據從數組起始位置寫入，覆蓋原數據這樣循環往復。根據實際應用中皮帶容納存放貨物的多少并預留一定的富余量，來設置隊列數組的長度。隊列數組的長度太短會造成被分撿的貨物信息被循環覆蓋掉造成遺漏分揀，隊列數組的長度過長會造成下述隊列掃描時，占用PLC 的循環掃描時間，理論上如果占用過多的PLC 的循環掃描時間就會造成PLC 無法正常運行，從實際運行結果來看這種方法運算負擔不大。

（4）還是在第二個時間中斷中（采樣中斷子程序），遍歷一次兩個隊列數組，兩個數組一個存放貨物類型，一個存放其被檢測到時貨物的位置。有多少類型就有多少貨物出口，最后一種貨物不需要分撿，直接從皮帶排出即可。

分撿口數=貨物類型數-1

在遍歷過程中，根據稱重檢測位置到每個分揀口的距離，設定每種類型的貨物分撿驅動裝置打開和關閉時，貨物從檢測位置開始到對應分揀口移動的相對位移，當機器設計完成后這個距離是固定的，我們在模擬調試時這個距離和對應位移值（編碼器位移的差值）是可以隨意調整的。當貨物快要到達相應分揀口時，其相對位移達到分揀驅動裝置打開的設定值，貨物到達之前，相應分揀裝置打開，當貨物到達后被分揀裝置捕獲，相對位移達到分揀驅動裝置關閉的設定值時，相應分揀裝置關閉，貨物進入相應分揀口，在程序中將相應貨物標記為空。每次執行該中斷程序時都對固定長度的貨物數組進行遍歷，逐一判斷是否達到相應分揀口而執行相應分揀動作，雖然貨物標記為空后，有用的貨物數據在數組中零散分布，但也不用對貨物數組進行排序，以節省掃描時間，因為排序消耗的時間可能會更長。經過s7-224xp 實測20 個貨物數組長度的程序掃描周期也只有4 毫秒還有相當的時間富裕，完全滿足實際需要。

相對位移=位移寄存器當前位置-位置隊列中的位置

根據以上過程可知，該分選裝置程序模擬實現了自動稱重測量檢測，并按照設定的分級標準，將貨物送入相應的分揀口，實現自動分撿。程序通過s7-224xp實際調試運行通過，其中部分變量監測趨勢如圖3 所示。

圖3 部分變量監測趨勢圖

3 程序架構

3.1 主程序

（1）調用初始化子程序

（2）稱量皮帶起保停

（3）皮帶啟動時初始化并啟動所有時間中斷，皮帶停機時關閉所有時間中斷

（4）周期性模擬投放貨物，調用隨機重量子程序。

（5）設定各分揀驅動的最大開啟時間

3.2 初始化子程序

（1）兩個時間中斷初始化

（2）設置類型隊列、位置隊列起始位置

（3）設置當前位置序號、當前位置、循環次數等初始值

3.3 隨機重量子程序

（1）由正弦函數生成一個0～2 之間的重量數。

（2）再將重量數變為0～40 之間的數，初始化正弦函數起始角度-π/2(-90 度）約為1.57 弧度。

3.4 模擬重量中斷程序

此時間中斷函數每59 毫秒執行一次，按照正弦函數自變量從 -π/2～3π/2(-1.57～4.71 弧度）每次加0.07弧度，模擬貨物經過傳感器產生的測量值，此模擬函數的目的不在于精確模擬實際測量值，而在于模擬貨物投放的過程以便于檢驗和調試稱量檢測和分揀驅動觸發程序。

3.5 采樣中斷子程序

（1）掃描模擬重量寄存器，記錄重量最大值，監測到重量衰減次數大于2 時，將貨物重量最大值的類型及位置寫入隊列。當隊列指針超出隊列范圍時，將指針指向隊列開始位置；

（2）將貨物重量最大值的類型及位置寫入隊列

（3）指針偏移，模擬位移編碼遞增。

（4）檢索貨物隊列的循環，共設有20 個寄存器的隊列成員，可以根據實際需要調整大小。

①計算當前貨物類型。

②計算每個貨物的當前位置和相對位置，并根據類型和相對位置來確定各分揀驅動的打開和關閉。

③計算每個貨物隊列指針偏移量，檢索方向與加入隊列的方向相反，為遞減檢索。當偏移量為零時，將指針指向隊列末尾。

綜上所述，該分選機通過采用PLC 現場控制器加傳感器、執行器與皮帶機的這種機電一體化的方式，實現了自動按設定重量區間精確分級分揀的主要功能，并且該機采用流水線工作方式，一邊進料一邊分揀不停機工作，工作效率高，結構簡單緊湊易于維護。由于結構簡單、緊湊成本低，還便于多臺機器并聯，聯合運行實現更大規模的生產，值得推廣應用。下一步還需要進一步研究適應各種產品的進料端給料裝置，以實現全面自動化。