苹果分拣机构

1、机电系统设计基础课程设计基于PLC的苹果检测及分拣系统班 级：*组 长：*组 员：*指导老师：杨*教授日 期：2015/12/20摘要 我国是苹果的生产种植大国，却不是强国，原因之一是我国对水果的品质检测及分离技术落后，因此农产品的检测以其无损，快速，自动化程度高等众多特点使其成为国内外相关学者的一个重要的研究课题。本文采用多种传感器，对贮藏期苹果的表面及内部品质进行检测，分析得出各自对应的存储特性。建立一套分拣机构与检测机构相连接。然后根据分析结果将不同的苹果进行分类储存。发挥出不同品质的苹果的最大利用率，提高苹果在市场上的竞争力。关键词：苹果；传感器；分拣系统；PLC控制目录摘要I0绪论4

2、0.1题目研究背景40.2题目介绍40.3论文结构51农产品检测技术61.1国内外农产品检测技术概述61.2检测所用传感器61.2.1X射线传感器61.2.2色彩传感器71.2.3电容传感器82分拣机构设计92.1分拣机构的结构设计92.2关键零件的零件图绘制113PLC编程控制113.1PLC编程简介113.1.1PLC技术简介113.1.2PLC的应用领域133.1.3PLC的国内外发展状况与未来展望133.2本设计的具体编程143.2.1西门子S7-200系列的编程简介143.2.2分拣机构的硬件连接163.2.3分拣机构的PLC编程194总结23参考文献25附：小组分工260绪论0.1

3、题目研究背景我国是水果的生产大国，其中苹果是我国第一大水果，其种植面积和产量都居于全国第一位，在世界范围内占据着重要的位置。特别是改革开放以来，我国实行农业结构调整政策，苹果产业已经成为农民增收的支柱性产业，在国民经济中占有举足轻重的地位。截止2010年底，我国苹果种植面积达213.91万公顷，占世界苹果种植总面积的41.32%。与此同时，我国苹果总产量为3326.33万吨，占全国水果总产量的15.54%，世界苹果总产量的42.92%，是1990年全国苹果总产量的7.7倍，并保持着年均28%的增长率。但是，我们不能被这些数字所蒙蔽，纵然中国的出口量占到世界所有出口国家的首位，但是与我国巨大的苹

4、果产量相比，出口量仅占苹果产量的3%-5%左右，而且主要出口国家集中在亚洲以及俄罗斯等中低端市场，由于产品品质、上市时间等原因，我国鲜苹果在欧美等国的高端市场占有量很小。究其原因，苹果的种植品种不合理、种植方式较为粗放、农药残留较高等，但是更深层次的原因是各个环节的技术有待提高。比如在我国水果采后，对于果品的品质检测及分离等相关的技术和配套设施就比较落后，以至于我国的优质果品无法按照其应当的价格出售，无法带来可观的经济效益。0.2题目介绍果品的品质检测及分级技术的发展和进步，对于提高我国水果质量，跨越国外技术壁垒的限制，改变我国水果在国际高端币场的不利局面，提高相关行业的市场竞争力，有重大而深

5、远的意义。使用传感器检测方式，对水果外部及内部品质进行联合检测，尽管该类方法发展时间短，也没有严格的行业标准，但是它无损，快速，自动化程度高等众多特点使其成为国内外相关学者的一个重要的研究课题，这必将为我国现代化农业的发展带来新的契机。结合检测技术对苹果进行数字化分析处理后，可以对苹果进行分级处理，在本论文中，我们自行设计一种自动控制的分拣机构，完成检测结果的对应分类，并且使用PLC控制此套分拣系统，使其实现自动化控制。对于不同品质的苹果采用不同的加工和存储，发挥每一个苹果的潜在价值。此套设备具体的工作流程如下图1：图1 设备工作流程图0.3论文结构论文在结构上共分为四个章节，各章节的主要内容

6、如下：第一章是 绪论，主要介绍了该题目的研究背景、国内外研究状况、题目研究内容、题目研究方法和论文构成等。第二章是 农产品传感器检测简介，主要包括国内外的一些常用检测方法，本实验中检测方法原理简介。主要是三种传感器的介绍。第三章是 分拣机构的设计，包括机构的设计计算过程，整个机构的结构设计三维图及关键零件的零件图。第四章是 PLC编程控制，主要包括PLC编程简介，本实验的具体编程过程、梯形图和硬件连接图。1农产品检测技术121.1国内外农产品检测技术概述近年来，随着人们对食品安全的关注程度不断提高，以及国际贸易中技术壁垒的存在，相关政府部门、生产者以及消费者对于快速、无损、便捷的检测手段的需求

7、与日俱增。在这种背景下，农产品检测技术应运而生并成为当前检测领域的研究重点。农产品检测技术是以不损坏被检测对象为前提，利用被测物内部结构或者外部特征所引起的对光、声、热、电、磁等反应，获取与农产品有关的内容、性质或成分等物理、化学信息，来探测其性质和数量的变化，农产品无损检测是一门新兴的综合性应用学科，它起源于工业检测，根据检测原理不同，无损检测大致可分为电学特性检测法、光声学特性检测法、机器视觉技术检测方法、化学特性检测法、射线与电磁检测技术等五大类，涉及近高光谱成像、超声波、红外光谱、核磁共振、X光成像、生物传感器、射频识别、机器视觉等技术。1.2检测所用传感器本设计中共采用了三种传感器，

8、分别对苹果的伤损情况、色泽以及水分含量进行鉴定，从而根据不同的特性对苹果进行分类存储。1.2.1X射线传感器通过射线传感器我们可以发现苹果表面或者内部是否有伤疤存在，如果有伤疤，将检测结果传到PLC控制系统将其直接剔除掉。X射线检测的一般过程为：首先，设置射线源的相应电压电流参数使射线源发出相应能量的射线，射线穿过待测工件发生衰减，探测器探测到衰减后的射线根据其强度不同转化为相应的电信号进行处理：然后经数据采集系统的模数(A/D)转化为数字形式的投影值，并传送给计算机，由计算机存储起来。然后计算机系统根据采集模式的不同采用相应的图像重建算法重建图像，之后所得图片的具体情况进行相应的图像处理；最

9、后对图像进行分析量化，得出被检测物体的内部缺陷情况。X射线成像原理:当物质穿过均匀物质时,其强度衰减遵循Beer定律：I=I0e-l公式中: I 穿过均匀物体后,X线出射时的强度，Ev；I0X线入射时的强度，Ev;l穿过均匀物体的路径长度，Mn;衰减系数Ev/Mm。图2 X射线穿透模型1.2.2色彩传感器通过色彩传感器可以将苹果的色泽进行检测，然后将检测结果传到PLC控制系统，根据不同结果进行分类，输送到下一个环节。色彩传感器分为三种不同类型：光到光电流转换，光到模拟电压转换，光到数字转换。使用的是人眼检测色彩的基本原理。颜色传感器一直用装配线来检测特定的组件。颜色传感器的挑战是检测微妙差异相

10、似或高度反光的颜色。电子技术的发展,光学,软件促进颜色传感器发展。这项技术使得更敏感的传感器,可以忽略光泽和区别出微妙的色调。可以调整方便灵活的制造和精确的色彩校正。一个典型的颜色传感器具有高强度白光LED,光在目标项目调制。反射从目标是分析的成分红,绿,蓝(RGB)值和强度。此信息用于验证正确的部分和组装,准确控制制成品的颜色。如果传感器有多个通道,它可以被编程来识别多种颜色一个颜色在每个频道,每个频道信号是一个离散报警输出。这一技术使简单的颜色识别或匹配,比如排序或部分识别功能,通过/失败标准是足够的。图3 色彩传感器的工作原理图1.2.3电容传感器通过电容传感器可以将苹果的内部的水分程度

11、进行检测，然后将检测结果传到PLC控制系统，根据不同结果进行分类，完成整个流程。电容测量技术近几年来有了很大进展，它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。由于电容式传感器具有一系列突出的优点：如结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量等。这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的出现，将得到进一步的体现。而它存在的分布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服，因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。电容式传感器是一种具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介

12、质。由两个平行板组成的电容器的电容量为式中电容极板介质的介电常数。两平行板所覆盖面积；两平行板之间的距离；电容量在此次设计中采用的是变介质型电容传感器，从而测出苹果中水分的含量变化，所以对传感器的灵敏度要求非常高。图4 变介质型电容传感器2分拣机构设计1232.1分拣机构的结构设计图5 分拣机构的总体三维图如图5所示，分拣机构主要由蓝色的送料机构和红色的传输机构两大部分组成，其中送料机构将料斗中的苹果分散后送入传输机构上，传输机构的通道宽度刚好只允许一个苹果通过，保证苹果一次通过各个检测分拣站。在检测分拣1站，利用射线传感器检测苹果伤损情况，若苹果完好无损，绿灯亮，该站分料轮不动作，顺利通过进

13、行下一站检测分拣；如果检测到苹果有伤损，红灯亮，该站产生脉冲传到分料轮的步进电机旋转90度，将伤损苹果拨到废品收集盘中。图6 分拣机构的检测分拣2站通过检测分拣1站的苹果到达检测分拣2站，如图6所示，此站利用色彩传感器检测苹果色泽，将苹果分成A和B两等。当A等时蓝灯亮，拨料板向右摆动，挡住右行通道，苹果自动进入左边通道，反之，当B等时黄灯亮，拨料板向左摆动，挡住左行通道，苹果自动进入右边通道，完成色泽分拣。图7 分拣机构的检测分拣3站色泽分拣后，左右两个通道各有一个相同的检测分拣站，分别为3站和4站，均用电容传感器检测苹果水分，分成甲乙两个等级，此处仅以如图7所示检测分拣3站进行说明，当检测到

14、苹果水分为乙等时，绿灯亮，分料轮不动作，苹果传输到尽头的收料盘中；当检测到苹果水分为甲等时，红灯亮，产生脉冲信号，传到该站步进电机，控制分料轮旋转90度，将苹果拨到旁边的收料盘中。2.2关键零件的零件图绘制分料机构的分料轮，由大小相同的4个拨盘组成，相间90度，由步进电机带动，每个脉冲旋转90度，不动作时间隙刚好可以通过苹果，具体参数如图所示：图8 分料轮的零件图3PLC编程控制43.1PLC编程简介3.1.1PLC技术简介可编程逻辑控制器，简称PLC ( Programmable logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(Int

15、ernational ElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易十与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 图9 PLC硬件结构图PLC具有以下特点：(1)可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由十采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部

16、电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。(2)配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用十各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用十各种数字控制领域。(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易十为工程技术人员接受。(4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设训一及建造的周期大

17、为缩短，同时维护也变得容易起来。(5)体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由十体积小容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.1.2PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用十钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：(1)开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用十单台设备的控制，也可用十多机群控及自动化流水线。(2)模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、

18、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程逻辑控制器处理模拟量，必须实现模拟量C(Analog)和数字量( Digital)之间的A/D转换及D/A转换。(3)运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。(4)过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。(5)数据处理现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处

19、理。(6)通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3.1.3PLC的国内外发展状况与未来展望世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计时功能。我国可编程逻辑控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程逻辑控制器。接下来在各

20、种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程逻辑控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程逻辑控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现，从产品

21、规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展，从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。目前的计算机集散控制系统DCS (Distributed Control System)中已有大量的可编程逻辑控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程逻辑控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。3.2本设计的具体编程3.2.1西门子S7-200系列的编程简介PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的。编程时要使用到各种编程元件，它们可提供无数个动合和动断触点。编程元件是指输

22、入寄存器、输出寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能存储器等。表1 S7-200系列部分编程元件的编号范围与功能说明如下表所示元件名称符号编号范围功 能 说 明输入寄存器II0.0I1.5共14点接受外部输入设备的信号输出寄存器QQ0.0Q1.1共10点输出程序执行结果并驱动外部设备位存储器MM0.0M31.7在程序内部使用，不能提供外部输出定时器256(T0T255)T0,T64保持型通电延时1msT1T4,T65T68保持型通电延时10msT5T31,T69T95保持型通电延时100msT32,T96ON/OFF延时,1msT33T36,T97T100ON/OF

23、F延时,10msT37T63,T101T255ON/OFF延时,100ms计数器CC0C255加法计数器，触点在程序内部使用高速计数器HCHC0HC5用来累计比CPU扫描速率更快的事件顺控继电器SS0.0S31.7提供控制程序的逻辑分段变量存储器VB0.0VB5119.7数据处理用的数值存储元件局部存储器LLB0.0LB63.7使用临时的寄存器，作为暂时存储器特殊存储器SMSM0.0SM549.7CPU与用户之间交换信息特殊存储器SM(只读)SM0.0SM29.7接受外部信号累加寄存器ACAC0AC3用来存放计算的中间值西门子S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其

24、中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四中基本型号。表2 S7-200的基本指令简表助记符节点命令功能说明LDLDNNN装载(开始的常开触点)取反后装载(开始的常闭触点)AANNN与(串联的常开触点)取反后与(串联的常闭触点)OONNN或(并联的常开触点)取反后或(并联的常闭触点)EUED上升沿检测下降沿检测=N赋值SRS_BIT,NS_BIT,N置位一个区域复位一个区域SHRBDATA,S_BIT,N移位寄存器SRBSLBOUT,NOUT,N字节右移N位字节左移N位RRBRLBOUT,NOUT,N字节循环右移N位字

25、节循环左移N位TON TOFTxxx,TPTxxx,TP通电延时定时器断电延时定时器CTUCTDCxxx,PVCxxx,PV加计数器减计数器END程序的条件结束STOP切换到STOP模式JMPN跳到指定的标号ALDOLD电路块串联电路块并联3.2.2分拣机构的硬件连接（1）分拣机构的外部接线图如图10所示：图10 S7-200的外部接线图SB6、SB4和SB2为启动按钮，SB1、SB3和SB5为停止按钮，有伤损、色泽A、色泽B、A+甲和B+甲分别由传感器传出的脉冲信号控制，其所属接触器和对应的地址如图所示。（2）分拣机构的电气控制原理图为：图11 分拣机构的电气控制原理图电机M1功率较大，带动

26、送料机构，采用Y启动，电机M2功率稍小，带动传输机构，直接启动即可，电机M3、M4、M5和M6为步进电机，分别带动对应的分拣装置，考虑到工作流程和节能效率的问题，启动时先打开步进电机和检测分拣站的总开关SB6，再按开关SB4启动传输电机M2，最后按开关SB2启动送料电机M1，以防止苹果堆积；关闭时先关闭送料电机，再关闭传输电机，最后关闭步进电机和检测分拣站的总开关，保证线上苹果全部完成分拣，并且一定程度上节省能源，减少电机空转。如果不按上述所说顺序进行操作，按钮将不起作用，起到保护作用，主电路如图12所示，变压器及指示灯如图12所示，控制辅助电路如图14所示。图12 分拣机构的主电路图13 变

27、压器及指示灯等辅助指示电路按SB6，线圈KM5通电，开关KM5闭合自锁，步进电机和检测分拣站的总开关闭合；苹果有伤损时，线圈KM6通电，开关KM6闭合；苹果色泽为A时，线圈KM7通电，开关KM7闭合；苹果色泽为B时，线圈KM8通电，开关KM8闭合；色泽为A的苹果含水量为甲时，线圈KM9通电，开关KM9闭合；色泽为B的苹果含水量为甲时，线圈KM10通电，开关KM10闭合；按SB4（开关KM5已闭合），线圈KM4通电，开关KM4闭合自锁，传输电机工作；按SB2（开关KM4已闭合），线圈KM1通电，开关KM1闭合自锁；同时线圈KM3通电，常闭开关KM3断开，常开开关KM3闭合，电机M1形成Y形连接；

28、同时线圈KT通电，时间到后常闭开关KT断开，切断线圈KM3，常开开关KT闭合，线圈KM2通电，常开开关KM2闭合，形成形连接，同时常闭开关KM2断开，切断线圈KT，完成送料电机的Y启动并稳定运行；按SB1，线圈KM1断电，开关KM1断开，送料电机停止；按SB3（开关KM1已断开），线圈KM4断电，开关KM4断开，传输电机停止；按SB5（开关KM4已断开），线圈KM5断开，开关KM5断开，步进电机和检测分拣站的分拣开关断开；图14 分拣机构的辅助控制电路3.2.3分拣机构的PLC编程（1）分拣系统的梯形图的输入输出口对应表如下：表3 输入输出口对应表（2）分拣系统的梯形图（3）分拣系统的语句表为：网络1LD I0.0S Q0.0，1网络2LD I0.1A Q0.0S M0.0，1网络3LD I0.2O Q0.1A M0.0LPSTON T37+100LRD= Q0.1LPP AN T37= Q0.2网络4LD T37O M0.1S M0