基于PLC的茯苓自動去皮機控制系統設計*

王文杰，鄭志安，吳敏，陳兵旗，張雄楚，姜大龍

(1. 中國農業大學工學院，北京市，100083； 2. 中國農業大學中國農業機械化發展研究中心，北京市，100083)

0 引言

茯苓，為多孔菌科真菌茯苓Poria cocos (Schw.) Wolf的干燥菌核[1]，是我國大宗中藥原料，在中醫臨床配方中茯苓的配伍率高于70%，以茯苓為原料的中成藥達293種[2]，以茯苓為原料的保健食品有776個[3]。茯苓野生資源主要分布于亞洲、美洲、大洋洲中低緯度地區，中國茯苓主產于湖北、安徽、云南、貴州等地，約占世界總產量的70%[4]。國內茯苓平均年需要量10 000～12 000 t[5]。茯苓去皮是滿足市場需求以及加工過程的關鍵環節，去皮可以提升茯苓的色澤、品相，提高其附加值。目前在茯苓的加工各環節中，發汗、切制、干燥等環節技術較為成熟，茯苓去皮環節仍然依靠人工完成，機械化程度低，存在去皮勞動強度大、工作效率低以及人工成本高等問題，嚴重制約了茯苓產業的發展。

有不少學者對茯苓的去皮加工技術進行了研究，但僅局限于機械結構部分設計。吳德玲等[6]發明一種茯苓去皮裝置，該裝置通過茯苓旋轉運動、切削機構的勻速直線運動和徑向仿型運動完成茯苓去皮工作；李躍娟[7]發明了一種茯苓切片式去皮裝置，該裝置對茯苓進行等厚度切片，然后采用刮削方式貼近茯苓雙邊和頂端進行去皮；楊雪芹等[8]發明了一種茯苓剝皮輔助加工裝置，采用刮削方式，運用支撐伸縮筒、彈簧以及刮削機構進行仿形去皮。以上研究主要集中于茯苓去皮裝置的設計，與茯苓去皮控制系統設計相關的研究十分匱乏。

本文設計了基于PLC的茯苓自動去皮機控制系統，融合視覺傳感器以及計算機圖像處理技術，分析控制流程并設計完成控制系統總體設計方案，通過操作人機交互界面，自主選擇茯苓去皮機工作模式，在實現對茯苓去皮執行元件精確控制的同時，智能監控茯苓去皮過程，保證去皮動作的平穩性、流暢性與準確性，簡化工作過程，提升去皮工作效率，降低勞動強度。

1 茯苓自動去皮機整體結構

1.1 總體結構

茯苓自動去皮機采用GD-80F型福馬腳輪，安裝于機械底部，便于調節高度、固定以及位置移動。所設計的茯苓自動去皮機主要由PLC控制器、視覺傳感器、去皮裝置、夾持裝置、步進電機、無刷電機、觸摸屏、滾動絲桿等組成，如圖1所示。

其中PLC控制器為可編程控制器，主要通過傳感器反饋的茯苓去皮機各項參數，實現對去皮機各模塊的反饋控制，從而實現自動化控制與智能監控。選用臺達DVP-48EH00T3型PLC為控制系統的核心控制器。夾持裝置分為左、右夾持板，左夾持板游離，右夾持板位置固定；夾持裝置在步進電動機帶動下可進行轉動與水平移動；視覺傳感器負責采集茯苓表皮圖像，并將目標圖像傳至計算機圖像處理系統。采用兩相步進電機與永磁無刷電機帶動去皮執行機構完成去皮工作。去皮裝置左右移動采用線性導軌，根據裝置工作范圍確定導軌型號為HGH20CA，導軌長度為775 mm。

圖1 茯苓自動去皮機總體結構簡圖Fig. 1 Overall structure diagram of Poria cocos automatic peeling machine1.觸摸屏 2.步進電機 3.水平滑軌 4.滾動絲桿 5.右夾持板 6.傳感器安裝架 7.視覺傳感器 8.去皮裝置 9.左夾持板 10.機架 11.茯苓皮收集箱 12.PLC控制器 13.福馬腳輪

1.2 工作原理

茯苓自動去皮機步進電機與無刷電機布置如圖2所示。

圖2 茯苓自動去皮機電機布置簡圖Fig. 2 Motor layout diagram of Poria cocos automatic peeling machine

當茯苓位于兩定位夾板中間時，控制器驅動步進電機3，帶動左夾持板將茯苓夾緊，使茯苓處于水平位置；在步進電機4帶動下，茯苓以固定角度旋轉，更換工作表面；步進電機1帶動去皮裝置完成進給與退出動作；步進電機2驅動去皮裝置實現左右移動，永磁無刷電機帶動刀具轉動。調整視覺傳感器高度以及與水平面角度，實時采集茯苓表皮圖像，利用計算機圖像處理系統對目標圖像進行處理，計算獲取茯苓表面輪廓特征，PLC控制系統根據特征信號驅動永磁無刷電機與步進電機工作。操作HMI-人機交互界面，選擇去皮工作模式(手動/自動模式)，PLC控制系統驅動去皮執行機構，沿茯苓輪廓曲線自起始標志位動作，當刀具到達結束標志位時，刀具退出工作位置，茯苓旋轉一定角度更換去皮表面，清掃茯苓皮至收集箱，準備下一次去皮工作。

2 控制系統整體方案

茯苓自動去皮機電氣控制系統總體架構，如圖3所示。系統以PLC控制器為核心[9]，主要由PLC控制器、HMI觸摸屏、開關電源、茯苓表皮圖像采集與處理模塊以及去皮執行模塊等組成。

圖3 控制系統總體結構Fig. 3 Overall structure of control system

圖像采集與處理模塊主要由視覺傳感器、USB圖像采集卡以及計算機圖像處理器組成，實現對茯苓表皮圖像的采集、識別、定位和分析計算，獲得茯苓輪廓特征，同時將圖像數據通過RS485通信端口傳輸給PLC控制器。去皮執行模塊主要包括電機驅動器、步進電機、永磁無刷電機、滾珠絲桿、水平導軌等，PLC控制器輸出控制指令，電機驅動器帶動執行機構完成茯苓表面去皮工作。通過I/O口實現對繼電器、限位開關、蜂鳴器控制與信息交互。HMI觸摸屏與DVP-48EH00T3型PLC通過RS485實時自動通訊，實現系統與用戶之間的交互和信息交換，并通過Modbus通訊協議將PLC控制參數傳送至各執行機構，同時對去皮機運行狀態進行實時監控，保證完成去皮工作。

3 硬件設計

3.1 PLC控制器

通過分析自動去皮機控制系統的功能需求，得出該控制系統需要17個輸入點和12個輸出點，2個通訊端口，輸入點和輸出點的控制均屬于開關量控制。因此，綜合考慮去皮機工作環境的穩定性和經濟成本，選擇臺達DVP-48EH00T3型PLC，輸出類型為晶體管輸出，采用RS485通訊接口，使用中可以根據需求添加輸入、輸出及通訊等擴展模塊。

3.2 HMI觸摸屏

采用PLC控制器與HMI觸摸屏結合，利用Modbus通訊協議的方案對控制系統進行自動化設計[10]。HMI觸摸屏通過RS485串口通信端口將內部存儲器內的數據發送至PLC控制器，使PLC執行相應的操作控制程序[11]，并將去皮工作的相關信息傳輸到HMI顯示屏進行實時顯示。DOP-B07SS441型HMI觸摸屏產品分辨率為800 pixels×480 pixels，具有一個通訊接口，支持RS232/422/485通訊，DOP-B系列機種支持USB Host功能，可連接U盤、鼠標及USB界面的打印機等周邊設備，加強了人機交互效果，滿足工作需要。在DOPSoft 2.00.07組態軟件中，設定本系統所用PLC型號、通訊端口、資料位元、停止位元、波特率以及控制器站口等參數，即可實現觸摸屏與PLC直接通訊[12]。

HMI觸摸屏人機交互界面設計包括用戶登錄界面、監控運行狀態操作界面與警報訊息顯示界面設計。根據茯苓去皮實際需求，自動去皮機設計為兩種工作模式，即自動模式與手動模式，PLC能夠高速并準確接收來自HMI觸摸屏的手動/自動工作模式選擇、電機轉動方向和速度、夾持裝置松開和夾緊等程序控制命令和參數設定信號。為了保證操作過程安全進行，還需設置急停按鈕與故障報警裝置。綜上，HMI觸摸屏操作界面實現了控制按鈕、指示燈、緊急中斷、觸摸校正以及故障警報訊息彈出等功能。

3.3 電機驅動模塊

在茯苓自動去皮機中，夾持裝置的夾持和旋轉動作、去皮裝置的進給與退刀、左右移動均需要步進電機提供動力，步進電機將電脈沖信號轉化為角位移或線位移，與驅動器電路組成數字式開環控制元件[13]，可以實現對步進電機及電機所帶動的夾持裝置位移和速度的精確控制，成本低并且可靠性高，考慮到去皮刀具需要在高速工況下運轉，效率要求高，因此選擇永磁無刷電機帶動去皮刀具轉動。步進電機轉速計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：n——電機轉速，r/min；

p——脈沖頻率，Hz；

θe——電機固有步距角，取值1.8°；

m——細分數，整步為1。

本控制系統采用的電機型號與參數如表1所示。PLC通過電機驅動器實現對步進電機以及永磁無刷電機的精確控制，進而驅動滾珠絲杠，實現水平方向的定位。

表1 驅動系統電機型號與參數Tab. 1 Motor model and parameters of drive system

滾珠絲桿為冷軋滾珠絲桿，型號為SFU2005-5，SFU代表系列號，20代表滾珠絲桿的螺桿外徑為20 mm，05表示滾珠絲桿的導程為5 mm，5代表球列數，額定動載荷為11 082 N，額定靜載荷為23 340 N，剛度為245 N/μm。行程限位開關選擇LJE18(C)M-5N1型常開電感式接近開關，工作電壓為DC6～36 V，用于操作過程中的安全提醒。

步進電機驅動器選用MAD970R型兩相數字式電機驅動器型號，基于TI公司32位DSP處理芯片的平臺，采用內部PID電流控制算法設計，輸出電流最大值為7.0 A，輸入電壓范圍為5～50 V，步進電機速度最高可達3 000 r/min，支持CW/CCW雙脈沖，具有優異的性能表現。永磁無刷電機選用ZM-7205高性能直流無刷電機驅動器，輸入最大電流值為5 A，采用AC70～230 V交流供電形式，速度范圍為100～10 000 r/min，具有更高的抗干擾性及快速響應等性能。

3.4 圖像采集與處理模塊

圖像采集與處理模塊是機器視覺系統的關鍵部件，負責拍攝清晰、標準的茯苓表面圖像，圖像采集卡直接決定視覺傳感器的接口類型，可以將圖像數據迅速地傳送至計算機圖像處理器進行處理，以獲得茯苓表面特征。通過綜合比較經濟成本、工作性能以及抗干擾性等多方面因素，選擇先進適用的視覺傳感器與圖像采集卡。視覺傳感器選擇定制的Suntime300型USB2.0 CMOS300萬像素彩色數字相機，配置“1/2”彩色CMOS圖像傳感器，最高分辨率為2 048 pixel×1 563 pixel，傳輸速率為16 f/s，最高幀率為60 fps，同時自帶LED光源，可編程控制茯苓表皮圖像尺寸、亮度、增益、曝光時間等，采用逐行掃描的方式，完成視頻圖像采集，圖像像素640 pixel×480 pixel，存儲格式為AVI，并采用USB形式以480 Mb/s的速度進行輸出。

圖像采集卡選用USB3202型數據采集卡，有4路可編程I/O，1路32位加法計數器，各通道最大采樣頻率為250 KSps，USB總線速度為480 MB/s，轉換速率為250 kHz。

計算機圖像處理器基于Microsoft Visual Studio 2010系統，在通用圖像處理系統ImageSys的平臺上進行算法開發。電腦的處理器為Intel(R) Core(TM) i5-4590 CPU、主頻為3.3 GHz、內存為8 G。

4 控制系統軟件設計

4.1 控制系統整體流程

為保證去皮機工作過程合理、有序運行，需要先對茯苓自動去皮機控制程序流程進行規劃設計。PLC程序開始運行后，首先進行系統初始化設置，保證所有設備在運行之前保持在最初始的狀態，避免運行過程紊亂，使得茯苓去皮過程無法穩定、有序進行。去皮機的夾持裝置以及去皮裝置均在初始位置，等待人工操作HMI觸摸屏，通過按鈕開關等輸入指令。操作員在HMI觸摸屏選擇去皮工作模式后，PLC程序運行驅動步進電機3、4，帶動夾持裝置移動與轉動，保證夾持裝置按照要求對茯苓進行位置固定。當PLC控制器接收到視覺傳感器以及計算機圖像處理系統傳輸的刀具進給與退出信號后，控制永磁無刷電機與步進電機1、2，帶動去皮裝置自起始標志位由左向右以設定的去皮深度進行去皮，當到達結束標志位時，去皮裝置退出工作位置，單次去皮過程完成。具體去皮流程如圖4所示。

圖4 茯苓去皮機控制系統的PLC程序流程設計圖Fig. 4 PLC program flow chart of Poria cocos peeling machine control system

4.2 PLC控制程序設計

PLC輸入端的17個I/O觸點接在相應的開關或按鈕上，輸出端的12個I/O觸點也接到對應的控制模塊上。電氣控制結合視覺傳感器以及計算機圖像處理技術，對視覺傳感器所采集的茯苓表皮圖像處理分析得出茯苓去皮指令，PLC控制系統I/O地址分配如表2所示。通過對茯苓自動去皮機各機構動作的分析，設計以DVP-48EH00T3可編程控制器為核心的茯苓自動去皮機控制系統接線圖，如圖5所示。

運用DeltaWPLSoft2.49編寫PLC控制程序，實現對茯苓自動去皮機夾持裝置、去皮裝置、視覺傳感器、計算機圖像處理部分的邏輯控制。PLC程序主要包括初始化程序及機械控制程序，如圖6所示為部分控制梯形圖。

表2 DVP-48EH00T3控制器I/O地址分配表Tab. 2 I/O address allocationTable for DVP-48EH00T3 controller

圖5 控制系統接線圖Fig. 5 Control system wiring diagram

圖6 部分控制梯形圖Fig. 6 Partial control ladder diagram

5 試驗驗證

為驗證控制系統是否滿足茯苓去皮要求，以響應速度、運行平穩性、去皮工作效率以及損失率為評價指標進行試驗驗證。試驗中茯苓自動去皮機的去皮刀具水平移動速度穩定在10 mm/s，轉速為1 500 r/min。試驗地點位于河北某公司的試驗工廠內，溫度20 ℃、相對濕度為60%，試驗對象為安徽岳西剛采收的新鮮茯苓。

5.1 PLC控制系統試驗

將茯苓自動去皮機啟動，測試PLC控制系統的響應速度以及準確度，得到響應時間曲線，如圖7所示，經多次控制系統工作性能測試，發現茯苓自動去皮機的PLC控制系統響應速度快、精度高，誤差保持在0.03 s內，因此可以采用PLC控制系統進行控制。

圖7 控制系統響應時間曲線Fig. 7 Response time curve of control system

5.2 去皮工作效率與損失率試驗

隨機選取100個新鮮茯苓，將茯苓樣品分為2個試驗部分，用于人工與去皮機械去皮工作效率以及損失率的試驗驗證。試驗中，每部分有10個試驗組，依次是A～J組，每組有5個試驗茯苓，依次連續編號，啟動茯苓自動去皮機，試驗茯苓在夾持裝置的定位作用下，開始去皮。假設在理想狀況下，手工去皮時，外表皮與白色內核完全分離，無肉質損失[14]。對每個茯苓樣品試驗前的質量和試驗后的質量分別稱重，通過式(2)計算得出茯苓去皮損失率，結果如表3所示。

表3 試驗結果Tab. 3 Test results

另外，使用秒表記錄單個茯苓去皮用時，計算得出人工與去皮機械單位質量茯苓去皮用時，取平均值得到每一組人工和去皮機械平均單位質量茯苓去皮用時與用時穩定性系數。計算公式如式(3)～式(7)所示。

(2)

每一組人工和去皮機單位質量茯苓去皮用時

(3)

每一組人工和去皮機單位質量茯苓去皮用時平均值

(4)

每一組人工和去皮機單位質量茯苓去皮用時標準差

(5)

每一組人工和去皮機單位質量茯苓去皮用時變異系數

(6)

每一組人工和去皮機單位質量茯苓去皮用時穩定系數

P=1-Q

(7)

式中：M——試驗茯苓的質量，kg；

H——每個茯苓完成去皮所用時間，min；

hi——單位質量茯苓去皮用時，min；

Sl——損失率，%；

Wl——試驗前茯苓的質量，g；

Wk——試驗后茯苓的質量，g。

產區人工去皮時，需要經過三道工序，且要求去皮損失率低于10%。熟練人工去皮每天工作8 h，可完成100 kg茯苓全部的去皮工作，計算可得產區熟練人工單位質量茯苓去皮用時4.8 min。

由表3可知，人工去皮時，單位質量茯苓去皮用時平均值為4.93 min，與產區熟練人工單位質量茯苓去皮用時基本相同，穩定系數為88.81%，去皮損失率平均值為9.73%。去皮機去皮時，單位質量茯苓去皮用時平均值為3.39 min，穩定系數為94.87%，去皮損失率平均值為9.92%。試驗中，人工與去皮機去皮損失率均低于10%，滿足產地茯苓去皮加工要求；與人工去皮相比，去皮機單位質量茯苓去皮用時平均值顯著低于人工，去皮工作效率提升31.2%，且所有試驗組的去皮機用時穩定系數均高于人工去皮。

6 結論

1) 本文設計了基于PLC的茯苓自動去皮機控制系統，實現對茯苓去皮執行元件精確控制的同時，提升去皮工作效率，降低勞動強度，簡化工作過程。

2) 采用PLC控制器與HMI觸摸屏結合，借助DOPSoft 2.00.07組態軟件平臺，利用Modbus通訊協議的方案對控制系統進行自動化設計，實現茯苓去皮過程的智能操作與監控。

3) 采用新鮮茯苓以響應速度、運行平穩性、去皮工作效率以及損失率作為評價指標進行試驗驗證。結果表明：基于PLC控制的茯苓自動去皮機控制系統響應速度快、運行平穩，誤差保持在0.03 s內。去皮機去皮時，單位質量茯苓去皮用時平均值為3.39 min，穩定系數為94.87%，去皮損失率平均值為9.92%，滿足產地茯苓去皮加工要求；與人工去皮相比，去皮機單位質量茯苓去皮用時平均值顯著低于人工，去皮工作效率顯著提升31.2%，10個試驗組的去皮機用時穩定系數均高于人工去皮，且極大地簡化了去皮工序，因此茯苓自動去皮機工作更加穩定、可靠、簡單，具有加大的推廣應用價值。