物料視覺分揀系統的研究與開發

宮麗華

（承德應用技術職業學院，河北 承德 067000）

物料分揀系統是從眾多物料中篩選出具有某一共同特征（顏色、形狀等）的部分物料的系統。該系統普遍應用于物流行業、快遞行業、零件制造行業、交通運輸行業等[1-2]，能夠在海量的物件當中識別并分揀出相應類別的物件，提高生產效率，并降低人工成本[3]。目前，很多物料分揀系統通過工業機器人或專用的分揀裝置實現。實際生產中很多物料不存在易碎、體積大、重量大等情況，無需用機器人來分揀，利用簡單的傳送帶、視覺裝置和產品盒即可完成分揀。文章針對這類物料設計了一套簡單、高效且低成本的自動分揀系統[4]，該系統以西門子S7-1200PLC為核心控制器，運用變頻器和高速計數器控制電機運轉，進而控制傳送帶運動，使用工業視覺系統自動分揀出不同顏色的物料。

1 視覺分揀系統的硬件結構

視覺分揀控制系統[5-6]的功能是把待加工物料傳送到視覺檢測區域內，完成物料的視覺檢測，然后對檢測完成后的物料進行分類分揀。視覺分揀控制系統主要由皮帶傳送機構、視覺系統、電磁閥組、變頻器、三相異步電機、光電傳感器、推料氣缸、接線端口、底板等組成，如圖1所示。

圖1 視覺分揀系統硬件結構圖

1.1 皮帶傳送機構

皮帶傳送機構用于傳送物料，把物料傳送到視覺相機下方進行視覺分揀，并傳送通過視覺檢測的物料。它主要由傳送帶、編碼器、三相異步電機等組成。皮帶傳送機構的工作原理是三相異步電機通過聯軸器帶動皮帶轉動，物料便可以在皮帶上水平移動。分揀模塊用來檢測入料口上有無物料的光電開關是一個圓柱形漫射式光電接近開關，工作時發出光線，檢測是否有物料存在，該光電開關選用SICK公司生產的GRTE18S-N1317型光電開關。傳送機構末端安裝一個光纖傳感器，用于檢測物料是否到達皮帶末端位置。

1.2 變頻器與三相異步電機

變頻器是通過改變電動機工作電源的頻率來控制交流電動機的電力控制設備。三相異步電動機用來拖動傳送帶運動，進而實現物料的移動。變頻器專門用來控制三相異步電動機，通過對PLC編程與變頻器設置實現對異步電動機的控制。變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電動機工作電源的頻率來更好地控制交流電動機的電力控制設備，以便改進過程控制、節約能源、降低系統維護成本等[3]。變頻器接線圖如圖2所示。

本項目中使用VB5N-20P7變頻器來控制三相異步電機。變頻器的CI端接模擬量輸入信號，跳線選擇輸入電壓（0~10 V）和輸入電流（4 mA~20 mA），此信號由PLC的模擬量輸出端提供。通過變頻器面板可設置電機的正轉、反轉、停止、點動等參數并監控電動機狀態。

1.3 編碼器與高速計數器

高速計數器應用在普通計數器達不到速度要求的場合，或者配合編碼器應用在長度計算等場合。PLC的普通計數器的計數速度與CPU掃描周期有關。每經過一個掃描周期，CPU讀取一次被測信號，并捕捉被測信號的上升沿，被測信號頻率高于CPU掃描頻率時，會丟失計數脈沖，因此普通計數器的最高工作頻率一般僅有幾十赫茲。本次項目以西門子S7-1200PLC作為控制核心，使用的CPU是1215C，提供6個高速計數器HSC1至HSC6。HSC指令有4種工作模式：內部方向控制的單相計數器、外部方向控制的單相計數器、兩路脈沖輸入的雙相計數器和AB相正交計數器[7]。使用前先組態高速計數器，啟用并設置HSC1的計數類型、工作模式、計數方向、初始計數器值等。

編碼器是通過光電轉換，將輸出至軸上的機械、幾何位移量轉換成脈沖或數字信號的傳感器，主要用于位置、速度、角度等的測量。本項目需要定位物料的位置，使用相位差90°的具有A、B兩相的通用型旋轉編碼器，此編碼器安裝到傳送帶主動軸上。PLC通過高速計數器讀出編碼器輸出的脈沖個數，實現物料與傳送帶起點距離的測量，計算出物料在傳送帶上的位置，以便觸發視覺分揀。根據產生脈沖方式的不同，可將編碼器分為增量式、絕對式、復合式。本次使用的是增量式旋轉編碼器，利用光電轉換原理輸出A、B、Z三組方波脈沖，其中A、B兩組脈沖的相位差是90°，用于辨別方向。當A相超前B相時為正轉，當B相超前A相時為反轉。Z相為編碼器每轉一圈產生一個脈沖，用于定位基準點。編碼器的三相脈沖采用NPN型集電極開路輸出，分辨率為500 P/R（脈沖/旋轉），工作電源為DC 12 V~24 V。

1.4 視覺分揀機構

視覺分揀機構用于對物料進行視覺分揀分類，它主要由推料氣缸、視覺檢測本體、安裝板等組成[8-9]。視覺分揀機構的工作原理是當物料到達視覺檢測區域后，在不停止皮帶轉動的情況下，對物料進行顏色或者形狀的區分。當檢測到目標物料時，推料氣缸動作，將物料推入廢料槽中。

工業視覺系統包括控制器、光源、相機（CCD相機和COMS相機）、鏡頭（定焦鏡頭、變倍鏡頭、遠心鏡頭、顯微鏡頭），如圖3所示。視覺分揀系統的工作原理是照相機將被檢測的物料拍照形成圖像信號，傳送給圖像處理單元，圖像處理單元根據物料的像素分布和亮度、顏色等信息，將圖像轉化為數字信號。圖像處理軟件對這些數字信號進行各種運算來抽取目標特征，如數量、面積、位置等，再根據人為預設的允許度和其他條件輸出結果，實現自動識別。本次實訓要求輸出結果是顏色信息，即紅色、綠色為合格品，黃色為不合格。

圖3 工業視覺系統硬件組成

2 視覺分揀控制系統的功能實現

2.1 PLC資源分配

首先，對物料視覺分揀系統的微控制器PLC的I/O資源進行分配，如表1所示，實現物料視覺分揀的功能。

表1 I/O資源分配表

2.2 程序流程設計與編寫

物料視覺分揀系統的軟件設計主要包括初始化、視覺軟件編程、高速計數器設計、設備通信設計，程序設計流程如圖4所示。整個程序以高速計數器的計數器值（物料在傳送帶上的位置）為循環條件，執行相應動作。

圖4 PLC程序設計流程圖

2.3 視覺軟件編程

分揀模塊的視覺控制器包括圖像處理單元（圖像捕獲卡）、圖像處理軟件、監視器、輸入/輸出單元等。相機選用的是彩色、130萬分辨率的工業相機，選用SL-DF12-C型號的鏡頭，相機拍照時可通過微調鏡頭上的焦距和光圈旋鈕提高圖片清晰度。

顏色及形狀識別的編程軟件使用X-SIGHT，通過選擇工業相機、設置白平衡、確定矩形區域、彩色閾值化等環節設置，對物料顏色及形狀進行識別，詳細制作流程如圖5所示。

圖5 視覺識別制作流程

2.4 PLC網絡設備通信

2.4.1 PLC與變頻器的通信

變頻器與PLC的通信采用串口Modbus RTU協議，該協議使用RS232、RS422或RS485連接網絡中的設備并進行串行數據傳輸。RTU運用主/從站網絡，整個通信由一個主站設備（PLC）觸發，從站（變頻器）只能響應主站的請求。主站將請求發送到一個從站地址，并且只有該地址上的從站做出響應，其他從站不響應。首先運行指令Modbus_Comm_Load來實現網絡初始化設置，如數據傳輸速率、奇偶校驗、數據流控制等。初始化設置完畢后，運用Modbus_Master指令，讓主站對從站下達命令，PLC用作Modbus RTU主站設備，與從站（變頻器）進行通信。程序中需要用兩個Modbus_Master指令，每個指令PLC都要先讀取從站（變頻器）地址，一個指令給變頻器頻率（電機轉速），另外一個指令給變頻器正轉、反轉、停止等命令。PLC與變頻器通信程序如圖6所示。

圖6 PLC與變頻器通信程序

2.4.2 PLC與視覺控制器的通信

PLC與視覺控制器的通信采用以太網Modbus TCP。在這里PLC作為服務器等待客戶端視覺控制器的連接，因此使用指令MB_SERVER。MB_SERVER指令能夠處理Modbus TCP客戶端的連接請求、接收處理請求，并發送響應。首先，建立一個PLC與視覺TCP通信的數據塊。其次，MB_SERVER指令的參數MB_HOLD_REG和CONNECT分別連接通信數據塊中的變量Server和RCV_TCP_SJ。變量Server的數據類型是TCON_IP_v4，需要手動輸入；變量RCV_TCP_SJ是視覺控制器識別出的顏色編碼。這樣客戶端識別出的顏色就傳遞給了服務器PLC，PLC根據顏色編碼的不同進行下一步動作。

3 系統調試

視覺分揀系統運用信捷TGM765S觸摸屏進行人機交互，人機界面如圖7所示，在此界面可進行手動調試。首先，初始狀態下，入料檢測、伸出到位等指示燈處于熄滅狀態。其次，輸入電機運行頻率，點擊電機正轉或電機反轉按鈕進行測試。人機界面能實時監視高速計數器的計數值和視覺控制器識別出的顏色編號。

圖7 觸摸屏操作界面

4 總結

物料視覺分揀系統是工業生產中常見的控制系統，它以西門子S7-1200PLC為控制器，由傳送和分揀兩大硬件機構組成，包含視覺控制器、變頻器、編碼器、電磁閥組、觸摸屏等設備。分揀系統的軟件部分由主程序、通信程序、高速計數器程序、分揀控制程序等組成。本系統能夠識別物料顏色，通過簡單修改PLC程序或者視覺軟件程序，改變識別分揀的顏色；此外，通過修改視覺程序還能識別出物料形狀。應用物料視覺分揀系統，有利于改變傳統的生產模式，提高生產效率，節約生產成本，經濟效益顯著。因此，大規模的現代化自動化物料傳送與分揀，符合時代的發展趨勢，值得廣泛推廣[10]。