1、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)基于可編程控制器的蘋果檢測(cè)分揀系統(tǒng)等級(jí)：* *組長(zhǎng)：* *團(tuán)隊(duì)成員：* * * *講師：楊XX教授日期：2015年12月20日摘要中國(guó)是蘋果生產(chǎn)和種植大國(guó)，但不是強(qiáng)國(guó)。原因之一是我國(guó)水果質(zhì)量檢測(cè)和分離技術(shù)落后。因此，農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)以其非破壞性、快速性和高度自動(dòng)化成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的重要研究課題。本文利用多種傳感器檢測(cè)蘋果在貯藏過程中的表面和內(nèi)部品質(zhì)，并分析相應(yīng)的貯藏特性。建立一套與檢測(cè)機(jī)構(gòu)相連的分揀機(jī)構(gòu)。然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)不同的蘋果進(jìn)行分類儲(chǔ)存。充分發(fā)揮不同品質(zhì)蘋果的最大利用率，提高蘋果在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。關(guān)鍵詞：蘋果；傳感器；分揀系統(tǒng)；可編程控制器控制目錄摘要一0導(dǎo)言40.

2、1研究背景40.2主題4簡(jiǎn)介0.3紙張結(jié)構(gòu)51農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)61.1國(guó)內(nèi)外農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)概述61.2用于檢測(cè)的傳感器61.2.1X射線傳感器61.2.2顏色傳感器71.2.3電容傳感器82分揀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)92.1分揀機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)92.2零件圖關(guān)鍵零件圖113PLC編程控制113.1可編程控制器編程介紹113.1.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介113 . 1 . 2可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域133 . 1 . 3PL在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及未來(lái)展望133.2本設(shè)計(jì)的具體編程143.2.1西門子S7-200系列編程介紹143.2.2分揀機(jī)構(gòu)16的硬件連接3.2.3分揀機(jī)構(gòu)的可編程控制器編程194摘要23參考文獻(xiàn)25附件：第2

3、6組的分工0簡(jiǎn)介0.1課題的研究背景中國(guó)是一個(gè)水果生產(chǎn)大國(guó)，其中蘋果是中國(guó)最大的水果，其種植面積和產(chǎn)量居中國(guó)首位，在世界上占有重要地位。特別是改革開放以來(lái)，我國(guó)實(shí)施了農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策，蘋果產(chǎn)業(yè)成為增加農(nóng)民收入的支柱產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。截至2010年底，中國(guó)蘋果種植面積達(dá)到213.91萬(wàn)公頃，占世界蘋果總種植面積的41.32%。同時(shí)，中國(guó)蘋果總產(chǎn)量為3326.33萬(wàn)噸，占中國(guó)水果總產(chǎn)量的15.54%，占世界蘋果總產(chǎn)量的42.92%，是1990年蘋果總產(chǎn)量的7.7倍，保持了28%的年均增長(zhǎng)率。然而，我們不能被這些數(shù)字所愚弄。盡管中國(guó)的出口量在世界所有出口國(guó)中居首位，但與中國(guó)龐大的

4、蘋果產(chǎn)量相比，其出口量?jī)H占蘋果產(chǎn)量的3%-5%左右，主要出口國(guó)集中在亞洲和俄羅斯等低端市場(chǎng)。由于產(chǎn)品質(zhì)量、上市時(shí)間等原因，中國(guó)的新鮮蘋果在歐美等國(guó)家的高端市場(chǎng)份額很小。原因是蘋果種植品種不合理，種植方式粗放，農(nóng)藥殘留高，但更深層次的原因是各環(huán)節(jié)的技術(shù)有待提高。例如，我國(guó)水果收獲后，水果品質(zhì)檢測(cè)和分離等相關(guān)技術(shù)和配套設(shè)施相對(duì)落后，導(dǎo)致我國(guó)高品質(zhì)水果無(wú)法以合理的價(jià)格銷售，無(wú)法帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。0.2主題介紹水果質(zhì)量檢測(cè)與分級(jí)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)于提高中國(guó)水果的質(zhì)量，克服國(guó)外技術(shù)壁壘的限制，改變中國(guó)水果在國(guó)際高端貨幣市場(chǎng)的不利局面，提高相關(guān)產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有重大而深遠(yuǎn)的意義。水果的外部和內(nèi)部質(zhì)

5、量由傳感器聯(lián)合檢測(cè)。雖然該方法發(fā)展時(shí)間短，沒有嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但其無(wú)損、快速、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)使其成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的重要研究課題，這將為我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇。通過對(duì)蘋果的數(shù)字化分析和處理，結(jié)合檢測(cè)技術(shù)，可以對(duì)蘋果進(jìn)行分類。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)圖1設(shè)備操作流程圖0.3紙張結(jié)構(gòu)論文在結(jié)構(gòu)上分為四章，各章的主要內(nèi)容如下：第一章為緒論，主要介紹了論文的研究背景、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究?jī)?nèi)容、研究方法和論文結(jié)構(gòu)。第二章是農(nóng)產(chǎn)品傳感器檢測(cè)的簡(jiǎn)要介紹，包括國(guó)內(nèi)外一些常用的檢測(cè)方法，以及本實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)方法的原理。主要介紹三種傳感器。第三章是分揀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程、整個(gè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三維圖和關(guān)

6、鍵零件的零件圖。第四章是可編程控制器編程控制，主要包括可編程控制器編程的簡(jiǎn)要介紹，本次實(shí)驗(yàn)的具體編程過程、梯形圖和硬件連接圖。1 .農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)121.1國(guó)內(nèi)外農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)概述近年來(lái)，隨著人們對(duì)食品安全的日益關(guān)注和國(guó)際貿(mào)易中技術(shù)壁壘的存在，政府相關(guān)部門、生產(chǎn)者和消費(fèi)者對(duì)快速、無(wú)損、便捷的檢測(cè)手段的需求日益增加。在此背景下，農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并成為檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)是在不損傷被檢測(cè)物體的前提下，利用物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)或外部特征對(duì)光、聲、熱、電、磁的反應(yīng)來(lái)檢測(cè)其性質(zhì)和數(shù)量的變化，從而獲得與農(nóng)產(chǎn)品的含量、性質(zhì)或成分相關(guān)的理化信息。農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)是一門新興的綜合性應(yīng)用學(xué)科，起源于工

7、業(yè)檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)原理的不同，無(wú)損檢測(cè)大致可分為五大類，如電性能檢測(cè)、光聲性能檢測(cè)、機(jī)器視覺技術(shù)檢測(cè)、化學(xué)性能檢測(cè)以及輻射和電磁檢測(cè)技術(shù)，涉及近超光譜成像、超聲波、紅外光譜、核磁共振、x光成像、生物傳感器、射頻識(shí)別、機(jī)器視覺等技術(shù)。1.2用于檢測(cè)的傳感器本設(shè)計(jì)采用三種傳感器分別識(shí)別蘋果的損傷、顏色和含水量，從而根據(jù)不同的特征對(duì)蘋果進(jìn)行分類和儲(chǔ)存。1.2.1X射線傳感器通過光線傳感器，我們可以發(fā)現(xiàn)蘋果表面或內(nèi)部是否有疤痕。如果有疤痕，檢測(cè)結(jié)果將被傳輸?shù)娇删幊炭刂破骺刂葡到y(tǒng)，以直接消除疤痕。x光檢測(cè)的一般過程如下：首先，設(shè)置相應(yīng)的x光源的電壓和電流參數(shù)，使x光源發(fā)出相應(yīng)能量的射線，射線穿過被檢測(cè)工件

8、并被衰減。由探測(cè)器探測(cè)到的衰減射線被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，以便根據(jù)它們的不同強(qiáng)度進(jìn)行處理。然后，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字投影值，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。然后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)不同的采集方式使用相應(yīng)的圖像重建算法對(duì)圖像進(jìn)行重建，然后根據(jù)得到的圖像的具體情況進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理；最后，對(duì)圖像進(jìn)行分析和量化，得到被檢測(cè)物體的內(nèi)部缺陷。x光成像原理：當(dāng)一種物質(zhì)通過一種均勻的物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度衰減遵循比爾定律：I=I0e-l在公式中， I穿過均勻物體后的x射線發(fā)射強(qiáng)度，ev；I0x射線入射強(qiáng)度，Ev。通過均勻物體的路徑長(zhǎng)度；衰減系數(shù)Ev/Mm；圖2 X光透視模型1.2.2顏色傳感器顏色傳感器可以檢測(cè)蘋果的顏色

9、，然后將檢測(cè)結(jié)果傳送到PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)不同的結(jié)果進(jìn)行分類，并傳送到下一步。顏色傳感器分為三種不同的類型：光-光電流轉(zhuǎn)換、光-模擬電壓轉(zhuǎn)換和光-數(shù)字轉(zhuǎn)換。使用人眼顏色檢測(cè)的基本原理。顏色傳感器總是使用裝配線來(lái)檢測(cè)特定的組件。顏色傳感器的挑戰(zhàn)是檢測(cè)具有相似細(xì)微差別或高反射性的顏色。電子技術(shù)、光學(xué)和軟件的發(fā)展促進(jìn)了彩色傳感器的發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)使更靈敏的傳感器能夠忽略光澤并區(qū)分細(xì)微的色調(diào)。制造方便靈活，可調(diào)整精確的顏色校正。一個(gè)典型的顏色傳感器有一個(gè)高強(qiáng)度的白色發(fā)光二極管，光是在目標(biāo)項(xiàng)目調(diào)制。來(lái)自目標(biāo)的反射是對(duì)紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)值和分量強(qiáng)度的分析。該信息用于驗(yàn)證正確的零件和裝配，并準(zhǔn)確控制成

10、品的顏色。如果傳感器有多個(gè)通道，它可以被編程為識(shí)別多種顏色，每個(gè)通道一種顏色，每個(gè)通道信號(hào)是一個(gè)離散的報(bào)警輸出。這項(xiàng)技術(shù)使得簡(jiǎn)單的顏色識(shí)別或匹配，如分類或部分識(shí)別功能，合格/不合格標(biāo)準(zhǔn)就足夠了。圖3顏色傳感器工作原理圖1.2.3電容傳感器電容傳感器可以檢測(cè)蘋果中的水分含量，然后將檢測(cè)結(jié)果傳送到PLC控制系統(tǒng)，再根據(jù)不同的結(jié)果進(jìn)行分類，完成整個(gè)過程。近年來(lái)，電容測(cè)量技術(shù)取得了很大進(jìn)展，不僅廣泛應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度和加速度等機(jī)械量的精確測(cè)量，而且逐漸擴(kuò)展到壓力、差壓、液位、料位和成分含量的測(cè)量。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、分辨率高和非接觸測(cè)量等一系列突出優(yōu)點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，特別是

11、集成電路的出現(xiàn)，這些優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步得到體現(xiàn)。它的分布電容和非線性等缺點(diǎn)將不斷被克服，因此電容式傳感器在非電測(cè)量和自動(dòng)檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。電容式傳感器是一種可變參數(shù)的電容器。在大多數(shù)情況下，電容器由兩塊平行的金屬板組成，空氣作為介質(zhì)。由兩個(gè)平行板組成的電容器的電容為其中電容板介質(zhì)的介電常數(shù)。由兩個(gè)平行板覆蓋的區(qū)域；兩個(gè)平行板之間的距離；電容在本設(shè)計(jì)中，采用可變介電電容傳感器來(lái)測(cè)量蘋果中水分含量的變化，因此傳感器的靈敏度非常高。圖4可變介電電容傳感器2分揀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1232.1分揀機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖5分揀機(jī)構(gòu)整體三維示意圖如圖5所示，分揀機(jī)構(gòu)主要由兩部分組成：藍(lán)色送料機(jī)構(gòu)和紅色輸送機(jī)構(gòu)，送料機(jī)構(gòu)將料

12、斗中的蘋果分散后送至輸送機(jī)構(gòu)，輸送機(jī)構(gòu)的通道寬度只允許一個(gè)蘋果通過，從而保證蘋果一次通過每個(gè)檢查分揀站。在檢測(cè)和分類站1，通過使用射線傳感器檢測(cè)蘋果的損傷。如果蘋果完好無(wú)損，綠燈亮，則該站的分配輪不動(dòng)，成功通過下一站進(jìn)行檢測(cè)和分揀；如果檢測(cè)到損壞的蘋果并且紅燈亮，工作站產(chǎn)生的脈沖將被傳送到分配輪的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)90度，損壞的蘋果將被轉(zhuǎn)移到廢物收集盤。圖6分揀機(jī)構(gòu)的檢測(cè)和分揀2站來(lái)自第一檢測(cè)和分揀站的蘋果到達(dá)第二檢測(cè)和分揀站。如圖6所示，該站使用顏色傳感器檢測(cè)蘋果的顏色，并將蘋果分為A和b兩類。當(dāng)A等待時(shí)，藍(lán)光亮起，移料板向右擺動(dòng)，擋住右邊通道，蘋果自動(dòng)進(jìn)入左邊通道。相反，當(dāng)B等待時(shí)，黃色燈亮，移

13、料板向左擺動(dòng)，擋住左邊通道，蘋果自動(dòng)進(jìn)入右邊通道完成顏色分類。圖7分揀機(jī)構(gòu)的3個(gè)工位的檢測(cè)和分揀顏色分類后，左右通道有相同的檢測(cè)和分類站，分別為3站和4站。它們都使用電容傳感器來(lái)檢測(cè)蘋果水分，蘋果水分分為兩個(gè)等級(jí)，A和b。這里，只有圖7所示的3個(gè)檢測(cè)和分揀站分料機(jī)構(gòu)的分料輪由四個(gè)大小相同的轉(zhuǎn)盤組成，轉(zhuǎn)盤之間相隔90度，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。每一個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)90度，當(dāng)蘋果不動(dòng)的時(shí)候，這個(gè)間隙就可以穿過蘋果。具體參數(shù)如圖所示：圖8分電器輪零件圖3PLC編程控制43.1可編程控制器編程介紹3 . 1 . 1液相色譜技術(shù)簡(jiǎn)介可編程控制器是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型工業(yè)控制設(shè)備。在國(guó)際電氣委員會(huì)1987年發(fā)布的可

14、編程邏輯控制器標(biāo)準(zhǔn)草案中，可編程邏輯控制器的定義如下?？删幊踢壿嬁刂破魇且环N專門為工業(yè)環(huán)境中的數(shù)字操作而設(shè)計(jì)的電子設(shè)備。它采用可編程存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)和算術(shù)運(yùn)算的指令，并可通過數(shù)字或模擬輸入輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其相關(guān)外圍設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)展其功能的原則。圖9可編程控制器硬件結(jié)構(gòu)圖可編程邏輯控制器具有以下特點(diǎn)：(1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)和嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采用先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，可靠性高。另外，可編程控制器具有硬件故障自檢測(cè)功能，當(dāng)

15、故障發(fā)生時(shí)，可及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。(2)配套設(shè)施齊全，功能完善，適用性強(qiáng)迄今為止，可編程控制器已形成大、中、小型系列產(chǎn)品?？捎糜谑N不同規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。現(xiàn)代可編程控制器除了具有邏輯處理功能外，還具有完善的數(shù)據(jù)操作能力，可用于十種數(shù)字控制領(lǐng)域。(3)易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，可編程控制器是工礦企業(yè)的工業(yè)控制設(shè)備。其界面簡(jiǎn)單，編程語(yǔ)言容易被工程師和技術(shù)人員接受。(4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)工作量小，維護(hù)方便，易于改造?？删幊炭刂破饔么鎯?chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備的外部接線，大大縮短了培訓(xùn)和建立控制系統(tǒng)的周期，使維護(hù)更加容易。(5)體積小、重量輕、能耗低以超小型可編程

16、控制器為例，新生產(chǎn)的產(chǎn)品底部尺寸小于100毫米，重量小于150克，功耗只有幾瓦。它體積小，易于安裝在機(jī)器上，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。3 . 1 . 2可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域目前，可編程控制器已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外十大行業(yè)，如鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、紡織、交通、環(huán)保等。使用情況大致可以概括如下：(1)開關(guān)量的邏輯控制這是可編程控制器最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制和順序控制。它可以由十個(gè)單一的設(shè)備控制，或由十多組機(jī)器和汽車生產(chǎn)線控制。(2)模擬控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度，這些都是模擬量。為了使可編程邏輯控制器處理模擬量，需要實(shí)現(xiàn)模擬量C和數(shù)字量之間的A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。(3)運(yùn)動(dòng)控制可編程控制器可用于控制圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)。在控制機(jī)構(gòu)配置方面，早期直接用于開關(guān)量的輸入輸出模塊與位置傳感器和執(zhí)行器相連，但現(xiàn)在一般使用特殊的運(yùn)動(dòng)控制模塊。(4)過程控制過程控制是指溫度、壓力、流量和其他模擬量的閉環(huán)控制。作為一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，可編程控制器可以編寫各種控制算法程序來(lái)完成閉環(huán)控制。(5)數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代可編程控制器具有數(shù)學(xué)運(yùn)算(包括矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序