辛華健 ，黃珠峰

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530200）

0 引言

水果對我國而言是一個不可缺少的農(nóng)業(yè)發(fā)展對象，在全世界的水果行業(yè)之中，有25%的水果都來自中國，所以我國有著“世界水果王國”的稱號[1]?；瘕埞趶V西有大量的種植面積，一年四季基本都可以有果銷售，但火龍果裝箱自動控制技術(shù)還未成熟，一般只能靠人力來完成分揀、計數(shù)、裝箱、搬運等煩瑣的工作[2]。

目前，在我國對水果分級的手段大多還是依靠人工完成，人工分級不僅需要大量的勞動力，而且水果分級的標準也難以控制在一個穩(wěn)定的精度，這就導(dǎo)致水果分選的效率低、成本高、不精確，沒有達到出口的標準，未能在國際水果市場上占據(jù)優(yōu)勢，大多數(shù)只能以低價在國內(nèi)銷售，降低了水果的價值，拉低了水果對經(jīng)濟發(fā)展的促進作用[3]。隨著人們生活水平的不斷提高，依靠人工的火龍果裝箱已經(jīng)滿足不了市場的供應(yīng)需求。所以，在提升火龍果的裝箱效率和質(zhì)量方面，先進行火龍果裝箱系統(tǒng)的仿真設(shè)計，實現(xiàn)裝箱的自動化，以進一步提高工作效率[4]。

1 應(yīng)用軟件概述

組態(tài)軟件是一款能夠方便使用者快速建立仿真的軟件。組態(tài)軟件以標準的工控計算機、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應(yīng)性強、開放性好、運用簡便、易于擴展、經(jīng)濟性好、開發(fā)周期短等優(yōu)點。系統(tǒng)分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次。其中監(jiān)控層是中間層，對下鏈接控制層，對上鏈接管理層，這樣不僅能實現(xiàn)對畫面的監(jiān)視和監(jiān)控，且能在自動控制系統(tǒng)中起到傳遞作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫[5]。通過在組態(tài)軟件中的畫面調(diào)節(jié)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)所要的功能，設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，試驗者提供可看的監(jiān)視畫面，充分利用圖形編輯功能，方便構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫形式顯示設(shè)備的運動狀態(tài)。使用組態(tài)軟件開發(fā)，試驗全部是通過軟件完成的，只需利用計算機現(xiàn)有的圖庫進行實物模擬，能大大降低開發(fā)經(jīng)費[6]。

組態(tài)軟件能夠支持非常多的通信協(xié)議，并且提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能[7]。對應(yīng)于原有的HMI的概念，組態(tài)軟件是一個使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具和開發(fā)環(huán)境。利用仿真畫出電動機、各類傳感器、傳送帶等設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)一套完整的火龍果裝箱操作系統(tǒng)[8]。用項目管理器構(gòu)建火龍果裝箱項目、導(dǎo)入和導(dǎo)出變量、定義項目屬性等，同時用項目瀏覽器瀏覽相應(yīng)的火龍果裝箱邏輯框圖程序與實時數(shù)據(jù)指標等；實現(xiàn)通過屏幕觀測仿真的模擬運行過程與實時狀態(tài)映像[9]。

2 裝箱系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)仿真流程

使用組態(tài)軟件仿真火龍果裝箱系統(tǒng)過程，不會受到場地的限制，通過電腦利用組態(tài)進行模擬仿真，系統(tǒng)具有開放性好、易于擴展的功能。組態(tài)還提供了一個可視化的監(jiān)控畫面，有利于在試驗過程監(jiān)控與修改各項數(shù)據(jù)。它還能與電腦的圖像處理功能配合，方便構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫的方式顯示仿真畫面的狀態(tài)[10]。當火龍果分級后，在傳送帶上運行，推桿將火龍果從主傳送帶推出并推到要裝的箱子中進行裝箱，再由箱子上方的計數(shù)傳感器記錄火龍果的數(shù)目，當數(shù)目達到3個或者設(shè)定的數(shù)據(jù)時，裝箱完成，自動啟動箱子下方的傳送帶，將箱子送走。系統(tǒng)仿真流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)仿真流程圖

2.2 系統(tǒng)仿真模型

模型簡化后大致分為四個部分：傳送帶部分、推桿部分、包裝部分、物料臺部分。

1）主傳送帶。由于整個仿真圍繞主傳送帶進行設(shè)計，定好主傳送帶就可以設(shè)計其他部件的位置。主傳送帶需要實現(xiàn)運動畫面，所以要對主傳送帶設(shè)置水平移動的距離和對應(yīng)值。

2）氣缸。氣缸作為推桿的一部分，與推桿相重合，不可移動，用顏色來表示氣體出來的方向，紅色為進氣口。

3）推桿。推桿與氣缸相接，在氣缸的作用下，實現(xiàn)推出和縮回，用于推主傳送帶上的物料，實現(xiàn)對水果的分級。要求在垂直運動寫出移動距離。

4）次傳送帶。次傳送帶與相應(yīng)的推桿口對應(yīng)，是用于送去包裝的過渡道，因距離短，選擇固定通道，不需要進行方位設(shè)計。

5）包裝機。包裝機與次傳送帶相接，作為包裝的總執(zhí)行部位，需要進行一個包裝的動作，水果送到包裝機執(zhí)行區(qū)域時，包裝機閉合包裝，閘門關(guān)閉。實現(xiàn)開關(guān)自如的功能。

6）推桿傳感器。將傳感器放在推桿前方，推桿推到位傳感器為綠色，反之為紅色。

7）包裝指示燈。當水果傳遞到包裝機包裝位置之后，指示燈變綠，包裝機包裝水果。

8）包裝計數(shù)。在包裝機下面設(shè)置一個計數(shù)，用來計算已包裝的個數(shù)，采用文本框，選擇模擬值輸出，格式采用整數(shù)兩位，顯示格式為十進制，居左。

9）主傳送帶指示燈。其位于主傳送帶的末尾，當主傳送帶啟動時，指示燈為綠色，不工作時為紅色。

10）次等區(qū)。在仿真中，次等區(qū)的水果采用流放的方法，在經(jīng)過主傳送帶時不進行分級，選擇留置到主傳送帶后的框，并給予計數(shù)設(shè)置。

11）一條等級的水果分級包裝模塊做好后，在主傳送帶依次再做出兩條相同的分級包裝模塊。制作時，由于一個變量只能對應(yīng)一個圖形，在選擇變量時圖形不能選錯。

12）上料區(qū)。上料區(qū)連接的是主傳送帶前端，此仿真只顯示四種不同大小的水果，需要在上料區(qū)畫制四種不同圓形并在上料區(qū)中重疊。當檢測到某種規(guī)格的水果之后，所對應(yīng)的圖形就會進行上料并到達主傳送帶。水果圖形重疊，水果圖形需要設(shè)置在進行模擬中隱含。

13）控制臺?？刂婆_控制整個系統(tǒng)的啟動和停止，需要輸入命令。

14）物料顯示。該裝置不需要動作，用指示燈來顯示檢測結(jié)果和需要分級的物料。

15）把部分器件用文本框輸入名字，完成最終模型，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)仿真模型

系統(tǒng)準備就緒開始運行后，仿真模型上的各個部件開始工作?；瘕埞?jīng)過分級系統(tǒng)分級后分別進入大、中、小三個通道，自動啟動傳送帶將火龍果送到箱子。當箱子上方的火龍果計數(shù)傳感器計數(shù)達到3個時，裝箱完成，送走箱子。

2.3 仿真運行調(diào)試

將程序?qū)懭胂到y(tǒng)，驗證仿真動畫的準確性和在動畫過程中的協(xié)調(diào)性。在組態(tài)的仿真工作畫面建立中，模擬計數(shù)、裝填、放入箱子、送走箱子的完整裝箱過程，完成整個自動裝填火龍果的控制系統(tǒng)仿真調(diào)試。如果在調(diào)試運行中出現(xiàn)錯誤，則需針對存在的問題想辦法解決[11]。例如，在主傳送帶運輸物料時相對應(yīng)的推桿要在準確的時間內(nèi)推出，如果時間不匹配就會出現(xiàn)錯亂，所以要經(jīng)過調(diào)試，才能運行準確、順暢[12]。調(diào)試過程中明確各部件的作用，推桿作用在物料出來時，將其推進傳送帶；指示板用來操控仿真的啟動和停止；上料區(qū)用作出料口；主傳送帶和次傳送帶主要用來運輸物料；包裝處理后送到相應(yīng)的點并進行相應(yīng)的統(tǒng)計計算[13-15]。

1）上料。進入運行界面，點擊啟動后，啟動指示燈、主傳送帶亮起，上料區(qū)檢測水果等級，相應(yīng)的水果指示燈亮起，如圖3所示。2）分揀。當上料區(qū)出現(xiàn)水果后，停止運行。水果在上料區(qū)出現(xiàn)后，由主傳送帶帶動水果運行。當水果到達相應(yīng)的入口時，相應(yīng)推桿氣缸、指示燈亮起，推桿推出水果完成分揀，如圖4所示。3）包裝。被推進傳送帶的水果經(jīng)過5 s的運行到達包裝機的包裝口，包裝指示燈亮起，開始計數(shù)，并進行包裝，如圖5所示。4）包裝完成之后，此時上料區(qū)再次進料，重復(fù)水果分級動作。上料區(qū)出現(xiàn)不合格果時，不合格果會由主傳送帶運送到末尾，進行流放。

圖3 上料

圖4 分揀

圖5 包裝

3 結(jié)論

在組態(tài)軟件的仿真工作畫面建立中，選擇合適的仿真元器件，建立火龍果的輸送傳動機構(gòu)并實現(xiàn)計數(shù)、裝填、放入箱子、送走箱子的功能，完成整個自動裝填火龍果的控制系統(tǒng)。筆者分別運行調(diào)試了PLC控制程序和仿真畫面，最后通過組態(tài)與PLC軟件聯(lián)機調(diào)試，驗證組態(tài)仿真系統(tǒng)的有效性[16]。在火龍果出料時只能人為控制出什么大小的火龍果，做不到隨機出現(xiàn)什么大小的火龍果。運行組態(tài)的仿真畫面，經(jīng)過不斷反復(fù)調(diào)試，最終實現(xiàn)火龍果裝箱系統(tǒng)的全部功能。并且火龍果裝箱機系統(tǒng)設(shè)計能夠非常直觀、準確地反映自動化的裝箱動作，能按照用戶需求實現(xiàn)一些基本功能。