基于PLC果蔬包装机的控制系统设计 ——论文文档

摘 要

网络购物的飞速发展，物流行业也迅速崛起人们越来越多会选择在网络上购买水果蔬菜及其他产品。而当前市场上所流通的各种针对于果蔬的自动包装机大多只针对某一类的果蔬包装，功能局限性大，不能在物流网点广泛使用；其次现有的自动包装机构大多使用泡沫、废弃报纸作为果蔬的缓冲材料，难以被回收利用，产生大量的城市垃圾；现有的自动包装机多为包装线的形式，所需占地面积较大，不适用于各物流网点；

在这次设计中，果蔬自动包装机主要是由上料机构、物料运送机构、充气机构、下料机构等结构组成。对果蔬包装机进行设计了有槽轮上料机构设计，柔性化机械手设计、充气袋上料机构设计与下料机构设计。为了使果蔬包装机有更好的工作性能，优化果蔬自动包装机时对其结构设计与柔性化机械手设计非常重要。本次设计的果蔬自动包装机控制系统采用西门子S7-200系列PLC，其系统具有较强的抗干扰能力且运行高效稳定，而且编制梯形图较为简单易开发。经过优化后的果蔬包装机，能够极大程度减小其占地面积，同时也可以减少缓冲材料的浪费降低物流成本，也同时可以提高包装效率。

关键词： PLC 自动化 梯形图 机械设计

第二章 果蔬自动包装机整体方案设计

2.1果蔬自动包装机整体设计

根据运送的果蔬类型不同，国内已存在的果蔬自动包装机常用的有杯子类自动包装机与盘子类自动包装机等，这两种果蔬自动包装机采用不同的上料机构以适应不同种类的物料，在固定品类的物料包装领域可广泛应用；但其适用范围小，对于包装物料有严苛的要求，不能适应物流多品类物品的包装需求，多种形状的果蔬包装要求。本果蔬自动包装机结构如图2.1

2.2果蔬自动包装机工作原理

本果蔬自动包装机所要解决的问题是针对上述现有的各种果蔬自动包装机现状而提供的一种用于各种形状果蔬的包装机械，这种果蔬自动包装机适用范围广，包装效率高，缓冲材料浪费量低。本果蔬自动包装机主要由物料上料机构，充气机构，下料机构等组成。首先上料机构上料，物料由传送带运送至槽轮机构，槽轮机构旋转将物料运送至放置台，随后由气缸驱动柔性机械手抓取物料[8]；其次充气机构工作，当充气袋被充气上料机构运送到位后，手指气缸将其充气口打开，充气机构的气缸伸出并带动充气管伸出插入充气袋，开始充气；最后下料机构下料，下料口前方工作台设有翻板，物料包装完成后掉落在翻板上，翻板底部气缸伸出带动翻板倾斜，包装成品从下料口下料。

2.3果蔬自动包装机整体方案设计论证

2.3.1缓冲材料的设计方案论证

因包装对象是果蔬，在物流搬运过程中难免会有震动与碰撞，因此在包装[9]过程中需要加入缓冲材料。

方案一：采用常见的泡沫缓冲材料

泡沫缓冲材料是物流包装中的常见材料，其质量轻，可塑性强，减震[10]能力强等特质使其在工艺品与果蔬包装领域得到广泛运用。

方案二：采用一种双层充气袋

双层充气袋是近几年来流行的新型减震包装，设计有内袋与外袋，内袋两侧与外袋粘性相连，物品置于内袋中，内袋与外袋的腔体间充气，以达到空气减震的效果。

方案一与方案二相比，方案一所述泡沫缓冲材料虽然有极强的可塑性与减震能力，但因其颗粒小且轻，很难回收利用，材料难以降解等缺陷，不能满足本果蔬自动包装机的低碳要求；而方案二采用一种双层充气袋，材料运输方便，使用方法简便，包装充气等操作直接能在本果蔬自动包装机中完成；双层充气袋容易保存，具有回收以及再利用价值，能有效减少因快递包装而产生的城市垃圾。

综上所述，将采用方案二，它能满足本品果蔬自动包装机节省空间与低碳环保的设计要求。

2.3.2装夹装置的设计选择

方案一：使用市场已存在果蔬类自动包装机的柔性化装夹机构[11]，以气缸与真空吸盘为主要组成部分，解决传统机械手装夹导致装夹物品损坏的问题。

方案二：使用市场常见的机械爪，可以按照要求使手爪张开与闭合，实现物料的抓取、运送。

方案三：使用一种气缸驱动的柔性机械手[12]，其中心轴的一端设有吸盘，套筒外四周安装有活动手指，活动手指由活动手指气缸控制使活动手指抓紧或放开，其活动手指可根据物料外形自动调节手指关节闭合角度完成夹紧，以实现对于不同形状尺寸的物料抓取。

方案一、方案二、方案三相比，方案一可稳定抓取果蔬，但仅局限于底面规则平整的果蔬，而现在物流运送工艺品、不规则果蔬的需求同样很高，方案一所述装夹机构不能完全满足包装不同形状果蔬的设计需求；方案二所述机械爪虽然能满足运料需求但是抓取力度难以控制，在抓取物料运送的过程中容易出现因装夹力度偏小使物料掉落或因装夹力度偏大使物料被机械爪损坏，从而造成不必要的损失。而方案三对于气爪进行柔性化设计，可自适应物料形状完成夹紧松开等动作，可实现对不同尺寸与形状的果蔬进行装夹运输。综上所述，将采用方案三，它能满足本果蔬自动包装机可包装不同尺寸和形状果蔬的设计要求。

2.3.3果蔬自动包装机结构设计选择

方案一：使用市场已存在包装机械的流水线模式，流水线模式是当前国内生产与包装行业最普遍的生产模式[13]，流水线分为几个不同的工作部分，分别完成特定的工作任务。

方案二：使用立式结构设计，能在小范围内完成作业，但其自动化要求较高。

方案一方案二相比，方案一所述流水线模式分工细，生产效率较高，但其所需的占地面积较大，且所需的人工也较多；而方案二所述立式结构所需的占地面积小且生产效率高，相比于方案一所述流水线模式更容易被广泛使用。

综上所述，将采用方案二，它能满足本果蔬自动包装机占地面积小的设计要求；且本果蔬自动包装机自动化程度高，能满足方案二的设计需求。

参考文献

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精益生产：果蔬自动分拣包装生产线的设计与开发

为了缩短果蔬的流通时间，保证果蔬质量，对采摘后的果蔬按大小进行分等及包装处理，达到可直接销售的程度，成为果蔬生产销售一条龙过程中不可缺少的一部分。

果蔬自动化、半自动化包装设备逐渐得到广泛使用，但以往都是靠人工分等级，既费时费工，又难以保证分等的客观性和准确性。有些企业采用机械孔式果蔬分等设备，但筛选果蔬的机械孔必须根据果蔬的种类经常更换，成本较高；同时，在分等的过程中，机械孔经常会擦伤果蔬表面，从而影响果蔬质量。

设计开发的基于图像处理的果蔬自动分等及包装生产线，是采用 CCD 图像传感器对果蔬进行图像采集，通过对采集图像进行处理和分析，计算出反映 果蔬大小的尺寸参数，来对果蔬进行大小分等，并进行包装的设备。由于分等是按尺寸大小的范围进行的，所以对图像传感器的精度和尺寸测量精度要求都不高，这样就可以大大地提高图像处理速度，提高生产线的生产率。生产线既可以对形状大体为球形的多种果蔬进行分等和包装，又不会对果蔬造成损伤；同时，还可以对果蔬产地、品种、等级、生产日期等信息进行登记管理，能够满足果蔬实际生产与流通过程中的加工处理要求。

关于拣货序列优化的研究，国内外学者已有大量研究。根据配送中心按单拣货问题特点，以订单客户的满意度为目标，建立数学模型，并设计了相应的遗传算法来求解该问题。综上可知，拣货序列与拣货效率息息相关，满意的拣货序列可以减少拣货人员的行走距离，节约拣货时间，提高拣货作业效率。拣货序列优化又与拣货模式类型密切关联。上述的拣货模式都是特定工业环境下的拣货模式，并不适用于蔬菜拣货。若将 JIT 的思想引入拣货包装作业，形成流水作业的拣货包装模式，其布局如图0。

图 0　蔬菜拣货模式布局图及蔬菜配送中心作业流程

由图可知，蔬菜的拣货和包装在同一条流水线上，拣货包装同序，因而本文是对蔬菜拣货包装序列优化进行研究。可将每条拣货包装线看作平行机，将拣货任务看作工序，考虑装车时间窗和装车顺序的蔬菜拣货包装序列优化可以看作是同时有交货期窗口和链优先约束的平行机调度问题。因此，本文研究的蔬果网上直销的流水拣货包装作业序列问题可以归结为有交货期窗口和链优先约束的平行机生产调度问题

1 果蔬分等及包装工艺设计

果蔬在采摘和人工适当处理后，放到生产线的传输带上，由间歇移动的传输带步进向前输送，传输带上设有果蔬承载随行托盘，当随行托盘载着果蔬移动到图像采集摄像头下方时，摄像头采集果蔬的图像，然后图像由系统进行快速处理，并计算出反映果蔬大小尺寸的参数。

系统会根据设定的分等条件，决定该果蔬的等级，并将处理后的果蔬图像、果蔬尺寸参数、 果蔬等级显示在显示器上；同时系统会给该果蔬一个顺序号，并把该果蔬等级和顺序号作为决定该果蔬下一步走向的依据。

果蔬承载随行托盘为一个碗状托盘，适合近球状类果蔬的输送，托盘底侧部由 4 片可 开合的叶片组成。当托盘底侧部叶片打开时，果蔬从托盘底部落下，在垂直方向上，以稳定的姿势落在包装保鲜膜上，并由包装机构自动完成包装；包装后的果蔬由系统按该果蔬的顺序号和等级，输送到指定的该等级果蔬的收集槽中，然后可进行装箱、封箱等操 作。果蔬自动分级及包装工艺过程见图 1。

图 1 果蔬自动分等及包装工艺过程

2 生产线总体方案设计

2 . 1 生产线构成

生产线主要由滚筒传输带、随行托盘、图像采集装置、图像处理系统、保鲜膜包装机构、按等级的分离机构、控制系统等构成，生产线的布局见图 2。

图 2 自动分等及包装生产线的布局

对于有些果蔬需要人工进行适当处理之后，才能分等包装，如卷心菜，在分等包装前需要将根部切齐，去掉较老的外叶等，因此本生产线采用人工对果蔬处理后，直接装载到滚筒传输带上的随行托盘中的方式上料，这样也可避免二次果蔬自动供料带来的麻烦和对果蔬表面造成的损毁。

人工上料后，生产线将自动完成图 1 中的中间几个工艺过程，由于保鲜膜包装花费时间较长，所以生产线用了 2 组保鲜膜包装机构和相应的按等级分离机构。装箱由人工完成封箱由自动封箱机完成，同时要在包装箱上人工贴上有关产地、品种、等级、数量、日期、保鲜期等果蔬信息的打印记录纸。

2 . 2 机构及工作原理

1) 滚筒传输带：输送滚筒由动力滚筒和无动力滚筒 2 部分组成。托盘的移动是由有动力滚筒驱动的，驱动速度可调；无动力滚筒主要是起到支承托盘的作用，在无动力滚筒上托盘是一个推一个前移的。通过调节动力滚筒的速度，可以平衡图像采集和保鲜膜包装的节拍。滚筒传输带输送过来的托盘，在图像采集及果蔬落下机构处均设有托盘定位机构，保证图 像采集和落下位置的准确性。

2) 随行托盘：托盘结构见图 3，由托盘架、叶片、合页、支承弹簧组成。叶片共有 4 片，在弹簧力的作用下 ,4 片叶片形成一个碗状，见图 3a 和图 3b，可以用来承载果蔬。当需要使果蔬下落到保鲜膜包装机构位置时，落下机构在气缸的作用下，向下推动叶片靠近合页的部位，使叶片绕合页轴向下翻转，果蔬落 下，托盘由支架支承，在传输带上移动。

图 3 托盘的结构示意

3) 图像采集装置：主要由 30 万像素 CCD 摄像 头，以及照明光源、托盘定位机构、拍照指令开关构成，功能就是采集果蔬的图像。

4) 图像处理系统主要是软件系统，功能是完成图像的处理，提取反映果蔬大小的参数。

5) 保鲜膜包装机构：使用已有的保鲜膜包装机 , 完成用保鲜膜包装果蔬的动作，包装后送到分离机构的传送带上。

6) 分离机构：由保鲜膜包装机运送过来的果蔬，系统将根据其顺序号、等级，通过分离机构，把果蔬推到相应的收集槽中。

7) 控制系统：由 PLC 控制系统，控制图像采集、 图像处理、以及整条生产线的各个机构动作的协调运转。

3 果蔬图像处理及参数计算

果蔬分等对图像处理精度要求不高，但要保证图像正确，并采取合适的处理方法。传送带运送过来的果蔬，从到达图像采集装置到离开的这段时间内，系统必须完成该目标果蔬的图像采集、处理和计算工作，因此必须有较高的图像处理与信息传输速度。

3 . 1 图像预处理

实时采集的图像上存在着许多干扰因素 (如光照变化，摄像头本身噪声等)，对图像分割、识别和信息提取具有直接的影响，因此对实时采集的图像需进行滤波处理。空间域常用的滤波算法主要有邻域平均、中值滤波和其他低通滤波技术等，其中中值滤波对脉冲状和点状、焦盐噪声有很好的抑制作用，而对图像边沿能较好的保留，因此，结合生产线采集图像的特征，采用中值滤波的方法对图像进行预处理。

3 . 2 图像分割

3. 2. 1 边缘检测及提取

要计算果蔬的尺寸参数，必须对其图像进行边缘检测和提取。图像边缘为灰度值急剧变化的部分，所以将微分作为提取函数变化部分的运算，能够在边缘检测与提取中利用。微分运算有一阶微分 (梯度运算) 和二阶微分 (拉普拉斯运算) ,这 2 种微分都可以用在边缘的检测与提取中[6 ] 。

对于一阶微分运算，人 们提出了许多边缘检测算子，如：灰度差分绝对值之和算子，灰度梯度向量平方算子，Roberts 算子，Sobel 梯度算子等，利用上述 5 种算子对果蔬图像边缘进行提取，通过比较，决定采用灰度差分绝对值之和算子进行边缘检测。灰度差分绝对值算子是根据图像灰度变化的一阶导数是否处于极值的原理进行奇异点检测的，即提取出以点 ( x , y) 为中心的 3×3 的灰度分布子集W，对点( x，y) 及其相邻 2 点作差分运算，提取该点灰度值的变化大小。运算公式如下：H ( x , y) = ∑( x , y) ∈W [| f ( x , y) - f ( x , y - 1) | + | f ( x , y) - f ( x - 1 , y) | ] (1) 式中 : f ( x , y) 为像素( x , y) 的灰度值; H ( x , y) 为灰度差分绝对值。边缘提取出来后，对边缘点进行坐标保存 (为计 算尺寸参数做准备) 。

3. 2. 2 二值化

对几种常用的二值化阈值确定算法进行研究，确 定采用类间方差法确定阈值，对果蔬图像进行二值化处理，其具体原理如下[7 ] 。求出灰度图像的归一化直方图，假定图像包含 G 级灰度(1 ,2 , …, i , …G)，占据第 i 级灰度的像素总数 有 ni 个，那么整幅图像的所有像素为 N = ∑Gi ni，则像素的出现概率为 Pi = ni N 。设要选的阈值为 T ,把所有像素分成 2 个部分 c1 和 c2 ,分别代表背景和目标。c1 代表灰度值为(1 ,2 , …T) 范围内的像素 , c2 代表灰度 值为( T + 1 , T + 2 , …, G) 范围内的像素，求出 c1 和 c2 2 部分的出现概率ω1 和ω2 及其均值μ1 和μ2 。可以证明，最优阈值 T 将使类间偏差σB 2 达到最 大 : σB 2 = ¢ 1 ¢ 2 (μ1 - μ2 ) 2 (2) 图像处理系统坐标系和处理后的卷心菜图像见 图 4。

图 4 处理后的图像

3 . 3 参数计算

果蔬尺寸参数的计算步骤如下 :

1) 比较所有边缘点 Pi ( xi , yi) 的坐标值，从中选 取横坐标极大值与极小值点 Pa ( xmax , y a ) 和 Pb ( xmin ,yb)，纵坐标极大值与极小值点 Pc ( xc , ymax ) 和 Pd ( x d , ymin ) 。

2) 根据公式 R = ( x1 - x2 ) 2 + ( y1 - y2 ) 2 ,分别 计算 Pa Pb 和 Pc Pd 之间的距离 R ab和 Rcd 。

3) 比较 Rab 和 Rcd，令 Rmax 取其中较大的值，即 Rmax = max{ Rab , Rcd } 。把 Rmax与事先设定的分等数值依次进行比较，确定出 Rmax所属的等级范围，从而对该果蔬进行分等，最后由控制系统下达指令，将该果蔬运送、分离到指定收集槽中。

4 结语

本生产线通过采集和处理果蔬图像，计算果蔬尺寸参数，实现了果蔬的自动分等和包装。生产线由 PLC控制系统控制，实现了果蔬间歇传送、图像采集、图像 处理、处理结果记录、保鲜膜包装、按等分离的自动 化，适合尺寸在 300 mm 以下的果蔬的分等包装。其 包装处理能力约为 1500 个 /小时，能够自动记录产地、等级、数量、日期等与果蔬相关的信息 ,并满足果蔬实际生产的要求。

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