一种基于PLC 的高速远程控制果蔬智能分选技术研究

张 颖，程如岐，陈绍慧

（1.南开大学电子信息与光学工程学院，天津 300071；2.天津市光电传感器与传感网络技术重点实验室，天津 300071；3.天津市农业科学院信息研究所，天津 300192）

果蔬的分选是果蔬生产加工处理中重要的一道工序，分选的效果直接关系到后期包装、运输、贮藏、销售等环节的效益，影响着商品附加值的提升和农产品经济发展[1]。随着果蔬品牌化趋势发展和消费者细分越来越细化，规模化的果蔬分选及包装加工需求会大幅度持续增加[2]。果蔬分选目前主要包括两大独立要素：一是按外观品质等级分选（多为物理指标，涉及果蔬直径大小、颜色、形状、瑕疵等）[3]，一是按内部品质优劣分选（包括果蔬成熟度、糖度、霉变等）。质量大小尚可用人力分拣的工序完成，而品质好坏尤其是水果蔬菜的糖度、酸度、VC 等指标并不能依靠人力挑选评判。因此，果蔬的内在品质无损化分级一直是农产品产后商品化处理的关键，适当的内部品质分级不但便于选择合适的运输方式，延长产品的贮藏期限，更重要的是可以增加水果产品的市场竞争力[4]，提高其经济价值。以信息化及计算机技术为基础开发的果蔬品质智能化实时检测和分级系统[5]，可代替人工对果蔬品质进行检测，在果蔬品质检测领域具有较高的应用价值[6]。

国内外很多学者对可编程逻辑控制器（PLC）数据采集和监控系统开展研究，通过串口控制PLC 进行数据采集，基于现场总线搭建一个局域网[7]，用上位机或嵌入式工控机对PLC 设备进行控制，或者基于B/S 或C/S 模式设计分布式工业控制系统[8]，对分散位置的PLC 控制系统内的数据进行分析和处理[9]。果蔬分选的速度和能力是果蔬收获后必须注意的两个重要因素[10]，在此背景需求下，结合农产品智能分选技术、智慧物联网技术、PLC 自动控制技术、计算机数据处理技术[11]，设计一种可远程智能化数据处理的果蔬品质分选策略，通过分布式网络，对远程的PLC 分选装置进行实时监控，并以果蔬糖度和质量品级为例设计自动化分选的控制机制。PLC 自动分拣控制具有控制精度高、反应速度快、可靠性强的优点，可以极大程度地节省人工成本；计算机远程模型控制具有普适性强、安全性高的优点，可以实时建立各种类型的果蔬品级模型，并按照模型进行分拣，可以节省研究成本，从而解决现有果蔬品质无损分选系统中检测属性单一、分拣速度慢、管理效率低等问题，实现果蔬的智能分选。

1 高速果蔬智能分选系统的基本构成

高速果蔬智能分选远程控制系统属于分布式监控网络，主要分为远程数据中心和本地控制系统两大部分（图1），按照功能逻辑主要分为远程数据处理、智能分选控制、本地分拣系统、智能检测交互4 个层面。

图1 远程果蔬分选控制系统组成图Fig.1 Constitutional diagram of remote fruit and vegetable sorting control system

1.1 远程数据处理

远程数据处理的作用主要是通过数据存储服务器实时存储检测到的果蔬品质参数，通过计算处理服务器高速处理果蔬分选数据、动态建立果蔬模型，通过监控服务器处理用户的控制操作、实时监控分选信息等。高速的计算处理单元通过互联网与PLC 分选系统和果蔬参数的检测单元（如糖度检测单元、质量检测单元）相连，将果蔬参数与远程的果蔬品级模型参比，并对果蔬按照预置的级别进行分拣，再将分级结果传送到PLC 分拣控制单元。

1.2 智能分选控制

智能分选控制系统主要负责处理待检测对象的数据处理与级别分配，通过调用PLC 控制传输与分选，可以选择主流的西门子S7-1200 或1500 系列的PLC，选用模块SBCM01 进行通信接口扩展，IO 扩展，用于各种传感器、指示灯、编码器、伺服电机等元件的信号检测与控制。

1.3 本地分拣系统

在本地分拣系统中，通过远程的参数分析，通知伺服系统驱动分拣机构完成分拣任务。待分选的果蔬样本依次通过传输装置送到如糖度、质量等检测单元中，采集待测目标的样本信息，通过互联网传送到远程控制中心进行模型对比、分级；另一方面，根据远程控制中心的控制要求，实时调整传输速度和控制逻辑，及时准确地将待分选果蔬分发至各级输出。可以根据场地、成本、果蔬种类选择合适的传输系统，如对果蔬的糖度-质量进行分选，由于大多需要通过红外检测糖度的果蔬皮质都比较薄，就可以根据场地选择横向循环式、单向皮带反复式的传输方式，可以更好地控制传输速度。在此基础上，还可以扩展自动上果、包装等机构，扩展成多级分选系统。

1.4 智能检测交互

通过远程数据中心的用户监控平台，设置本地分拣系统的各项控制参数，包括果蔬品质参数、分选控制参数等，可以手动建立或动态选择果蔬模型，根据目前市场上主流的检测方式，可对果蔬进行质量检测、糖度检测、外部品质检测等，可以根据需要自行扩展并与工控机进行数据交互。因此，远程果蔬分选系统具有高度的自适应性和可扩展性，可以扩展应用于多种场合。

2 PLC 自动化数据采集与机械控制

如图2 所示，PLC 程序设计采用模块化设计及梯形图实现，主要包括初始化、系统自检、变频控制、TCP/IP 通信、设备控制、故障诊断、模拟量处理、数字量处理等。本地控制模式可以分为本地模式、远程模式以及检修模式三种，启动方式则可分为自动和手动两种。当系统启动自检无故障后，选择控制模式，进入对应的控制流程。

图2 PLC 自动化数据采集与机械控制策略Fig.2 PLC automatic data acquisition and mechanical control strategy

3 果蔬智能分选控制设计

图3 为该分选系统的智能控制流程，模拟果蔬按照质量和糖度进行等级分选，通过用户监控平台设置果蔬类型：如苹果、番茄等，监控服务器处理数据，相应的果蔬分级模型即被调出，设置待分的糖度等级数M，设置待分的质量等级K，则M×K≤N，其中N 为分选输出单元所能支持的机械推臂和子传输带个数，也叫果蔬分级的最大等级数。果蔬分级模型和分选等级数调用到本地高速计算处理单元，等待分选果蔬的糖度参数、质量参数传输至本地高速计算处理单元进行参比。

图3 远程果蔬分选控制系统控制流程Fig.3 Control flow of remote fruit and vegetable sorting control system

本地高速计算处理单元接收果蔬糖度光谱参数和果蔬质量参数后，通过果蔬分级模型的参比，得到待分选果蔬的糖度分级m∈[1，M]且m 为整数，质量分级k∈[1，K]且k 为整数，在从果蔬质量检测单元输出送至分选输出单元的时间t 内，做出分级决策，并将最终的分级结果n∈[1，N] 且n 为整数传输到本地PLC 控制单元。本地PLC 控制单元根据传输单元的控制速度V 和果蔬级别n 计算出相应的果蔬该推果的位置，并在相应的果蔬到达对应第n 个子传输带位置时，控制第n 个机械推臂把果蔬推至第n 个子传输带，完成分选任务。

图4 为该分选系统中的PLC 分拣控制单元的智能测控流程，图5 为该分选系统的传输单元、分选输出单元的位置关系示意。系统根据质量分级和糖度分级在分选输出单元设计N 个级别的分级子传输带，用PLC 作为分级控制器，控制传输单元的传输速度V，及N 个机械推臂执行果蔬分级的侧推位移操作。由于N 个级别的分级子传输带位置与果蔬糖度检测单元、果蔬质量检测单元的距离是固定的，因此PLC控制单元可以根据距离计算得到每一个级别的分级子传输带所在的位置编号S1～SN，标记一个参考零点，如以果蔬质量检测单元的位置为参考零点，每个子传输带到参考零点的距离可以用D（S1）～D（SN）表示。可以用一个分度开关控制传输单元的运动，PLC控制单元每次接收一个同步脉冲后进行一次位移操作，将待分选的果蔬编辑成一个存储队列P（i），第i个果蔬的分级信息存储在存储器P（i）中，例如第i 个果蔬将要分到第ni级中，则P（i）=ni。通过ni得知第ni个子传输带的距离D（ni），PLC 控制单元通过传输单元的传输速度V 和D（ni）计算出第i 个果蔬经过果蔬质量检测后到第ni个子传输带所经过的时间ti=D（ni）/V，即第i 个果蔬在果蔬质量检测后经过ti时间，PLC 控制单元控制第ni级机械推臂推果，考虑PLC 控制单元对指令处理的时间△t，得出修正后的推臂时间ti’=ti-△t，从而减小机械推臂推果的误差，实现精准推果。将时间转换为传输单元控制传输带的分度脉冲，分度开关计算带修正的脉冲数进行相应的位移操作，当累计到足够的脉冲后，即满足分级执行条件，分选输出单元通过PLC 控制I/O 驱动第ni级的机械推臂推果，将果蔬分入对应的第ni级子传输带。

图4 远程果蔬分选控制系统PLC 分拣控制单元的智能测控流程Fig.4 Intelligent measurement and control process of PLC sorting control unit in remote fruit and vegetable sorting control system

图5 传输单元和分选输出单元的位置关系Fig.5 Position relationship between transmission unit and sorting output unit

4 果蔬分选系统试验及结果

验证果蔬分选系统的反应速度、分选准确度，根据控制原理搭建系统样机。取100 个苹果作为目标果蔬在分选控制系统上进行试验。待测样本质量在150～300 g 不等，将糖度换算为百分比后样品的含糖量为9%～12%。因此，系统可以根据用户需求按实际情况进行分级设置，如：试验中按糖度分成3 级，即高甜（11%～12%）、中甜（10%～11%）、低甜（9%～10%）；按质量把苹果分为大果（220～300 g）、小果（150～220 g）2 级，验证系统的控制反应速度、分选准确度。果蔬输送单元负责为系统输送果蔬，可以由人工完成，亦可以是上一级系统的输出端，负责依次把果蔬放置到传输单元。模拟果蔬糖度检测单元和质量检测单元，理想状态下模拟检测反应速度延迟为0。子传输带可以是下一级系统，也可以是直接打包装箱。

通过用户监控平台可以选择果蔬种类，以便系统后台匹配模型，如苹果、橙子，根据数据中心的大数据存储，数据库甚至可以细化成烟台苹果、阿克苏苹果等详细模型，系统匹配到待分选样本的数据，按照设置的级别归属其所在的档位。如样例中，可以设置待分选果蔬种类为苹果，设置糖度分级为3，质量分级为2，则数据存储服务器构建一个苹果6 级分选模型，将子传输系统分为6 个编号，即高甜大果（等级编号为1，即糖度11%～12%、质量220～330 g）、高甜小果（等级编号为2，即糖度11%～12%、质量150～220 g）、中甜大果（等级编号为3，即糖度10%～11%、质量220～330g）、中甜小果（等级编号为4，即糖度10%～11%、质量150～220 g）、低甜大果（等级编号为5，即糖度9%～10%、质量220～330 g）、低甜小果（等级编号为6，即糖度9%～10%、质量150～220 g）。

100 个待测苹果实际分为高甜大果12 个，高甜小果15 个，中甜大果21 个，中甜小果16 个，低甜大果15 个，低甜小果21 个。调整控制传送带运行速度，分别设为低速、中速、高速3 档，每档分拣3 次。将100 个苹果依次送入分选系统，统计分选结果正确率（表1）。

表1 果蔬智能分选控制系统测试结果Table 1 Test results of intelligent fruit and vegetable sorting control system

表1 描述了果蔬智能分选控制系统测试结果，糖度与质量分级准确度分别描述了待测苹果糖度分级正确率和质量分级正确率，如在第1 次低速测试中，有3 个苹果被判断错了综合分级，其中有2 个苹果被判断错了糖度等级，有1 个苹果被判断错了质量等级；在第3 次中速测试中，有6 个苹果被判断错了综合分级，其中有3 个苹果被判断错了糖度等级，有4个苹果被判断错了质量等级，则可以得知有1 个苹果既判断错了糖度又判断错了质量。可以看出，同样的待选果蔬，速度越低分选误差越小；而果蔬的综合分级结果与糖度和质量分级效果均有关联，系统总体分选准确度≥93%，改善糖度检测和质量检测的算法与装置，可以提高糖度检测与质量检测的准确度，获得更高的分选准确率和分选效率。

5 结论

果蔬的智能化分级对于保证果蔬品质，方便贮藏，促进销售，提高农产品竞争力具有重要意义。以果蔬分选技术为视角，结合物联网远程控制、PLC 自动控制、计算机数据处理等多种现代化智能技术，实现了一种可远程智慧监控的PLC 果蔬智能分选机制。系统从数据中心远程调取果蔬品级模型，通过高速计算对比参数，控制PLC 气动装置将果蔬按糖度分级和质量分拣，实现可远程控制的PLC 智能果蔬分选，实时采集的果蔬参数对数据中心的果蔬品级模型能够起到动态反馈及调整贡献。与传统手工分拣方式相比，PLC 控制具有控制精度高、反应速度快的优点，极大程度节省了人工成本；与传统本地建模方式比，远程控制普适性强、安全性高。该系统在系统成本、反应速度、分拣精度、管理效率等方面均有优势，具有重要的现实指导意义以及广阔的市场前景和社会经济价值。