有机西红柿种植背景下基于PLC的分拣机器人控制策略研究.pdf

96 第39卷 有机西红柿种植背景下基于PLC的 分拣机器人控制策略研究 韦小芬 百色职业学院 广西百色533000 作者简介 韦小芬 1986 女 本科 讲师 研究方向为为电气自动化 基金项目 2024年广西中青年科研项目 基于机器视觉的西红柿自动分拣算法研究 24KY1544 随着农业现代化进程的推进 自动化技术在农业生 产中的应用日益广泛 特别是在果蔬分拣领域展现出了 巨大的潜力 在农业生产中 西红柿的自动化处理已成 为技术进步的重要标志 随着消费者对食品安全与环保 要求的日益提升 有机西红柿的生产与加工亟需精确且 高效的技术支持 可编程逻辑控制技术 PLC 和机器视 觉技术的结合 在自动化技术中展现出了巨大潜力 这 种技术的整合不仅能精准优化分拣过程 还能确保产品 质量与供应链的稳定 通过使用自动化技术 可以在保 障食品品质的同时 显著提升处理速度和减少人工成 本 进而提升整个产业的竞争力 1 机器视觉技术概述 机器视觉是一种模拟人眼视觉的技术 它通过计算 机来解析和理解从摄像头或传感器所捕捉到的图像 在 农业领域 尤其是在果蔬分拣过程中 机器视觉技术发 挥着至关重要的作用 这项技术能够实现对图像快速且 连续的分析 准确地对农产品进行分类和质量检测 将 机器视觉与近红外光谱技术相结合 可以进行化学分 析 检测西红柿糖分 酸度及内部水分等指标 机器视 觉系统通常包括摄像头 或其他类型的图像采集设备 图像处理硬件以及相关的软件算法 这些组件共同工 作 完成从图像采集到处理分析的全过程 2 PLC系统的基本原理和技术特点 在西红柿分拣中 PLC控制技术发挥着核心作用 其基本原理和技术特点主要体现在对输入信号的高效处 理和输出指令的准确执行上 PLC控制系统由三大部分 构成 输入模块 中央处理单元 CPU 输出模块 输 入模块负责接收来自外部的信号 这些信号既包括西红 柿的大小 形状 颜色等物理特性 也包括由化学传感 器检测到的农药残留 糖分浓度等化学特性 例如 农 药残留传感器可实时检测敌敌畏 草甘膦等物质的残留 量 并将数据传输至PLC系统 CPU结合物理和化学信 号进行逻辑处理 根据预设程序分析西红柿的品质 并 输出具体指令 输出模块则根据CPU的指令控制机械臂 或分拣门等执行元件完成分拣操作 确保农药残留超标 的西红柿被准确剔除 3 基于PLC分拣机器人的设置 3 1 机器人集成系统的设计和配置 在设计集成PLC和机器视觉的分拣机器人时 其核 心在于选择合适的硬件与软件 以确保两者间的顺畅交 互 并充分发挥各自的技术优势 机器人的PLC单元为 Siemens SIMATIC S7 1500 配备了1 5 GHz ARM Cortex A75四核处理器 8 GB DDR4内存 具有强大的 处理能力 同时 还配备了4个Ethernet IP端口及2个 Modbus TCP端口 满足了多种通信需求 此外 该PLC 单元还配置了双系统自动切换功能以增强冗余性和可靠 性 摄像头选用Basler acA2500 14gc 是一款500万像 素的CMOS传感器摄像头 支持2 592 1 944像素的高 分辨率 能够捕捉到更加清晰的图像 同时 该摄像头 还具备自动白平衡与曝光调整功能 能够适应不同的光 照环境 它通过Gigabit Ethernet接口与机器人系统连接 实现了高速 稳定的数据传输 在软件与算法方面 机器人运行在Linux环境下 使用OpenCV 4 5处理基本的图像任务 如图像预处理 特征提取等 对于复杂的学习任务则通过TensorFlow 2 4 进行 实现对图像的高精度识别和分类 用户界面技术 基于Web开发 使用ReactJS框架 支持所有主流浏览 器 用户界面能实时显示图像 分拣结果和系统日志等 信息 并允许实时更新分拣速度和标准等参数 提高了 系统的可操作性和灵活性 为确保机器人在电源中断时能持续运行 配备了 APC Smart UPS 750VA不间断电源 此外 机器人还配 置了外部NAS存储解决方案 用于备份操作数据和系统 配置 确保数据的安全性与系统的可靠运行 3 2 机器人的实时数据处理和决策支持能力 这款基于PLC的分拣机器人拥有卓越的实时数据处 理和决策支持能力 确保了西红柿分拣过程的高效性和 准确性 该机器人能够处理每秒高达500帧的图像数据 并能借助Nvidia Jetson Xavier NX模块加速图像处理任 务 该模块专为AI计算优化而设计 此外 机器人通 过内置的先进控制算法 能够根据实时图像分析的结 果 自动调整传送带的速度和分拣门的位置 确保了分 拣过程的灵活性和准确性 大大提高了分拣效率 为进 一步提升系统对食品安全的监控能力 系统还集成了化 第2期微论 广告 97 学残留物检测传感器 传感器能够检测敌敌畏 草甘 膦 乙草胺等农药残留物 通过实时监测这些化学物质 的残留情况 系统能够自动调整分拣流程 确保所有分 拣出的西红柿都符合食品安全标准 4 基于PLC的分拣机器人控制策略 4 1 化学监测反馈机制 PLC系统与化学传感器的集成使分拣机器人具备了 实时化学监测能力 化学传感器安装在传送带的关键位 置 能够准确检测西红柿表面的化学残留物质 不仅能 够识别残留物的种类 还能量化其浓度 检测结果以数 字信号的形式传输至PLC的输入模块 PLC系统会实时 分析这些信号并与预设的安全阈值进行对比 一旦发现 样品的化学残留浓度接近或超出阈值 PLC系统会立即 作出响应 调整分拣参数 例如增大分拣门的分离力度 或降低传送带速度 以确保问题样品被准确识别和分 类 化学监测反馈机制的另一个显著优势在于 其持续 的实时数据采集与分析能力 这意味着系统能够动态适 应环境的变化 如环境中农药残留浓度的异常升高 在 这种情况下 PLC系统会自动触发警报 提醒操作员并 暂停生产线 直至潜在的污染源被清除 这种反馈机制 的核心优势在于提高了系统的适应性和安全性 能够确 保所有分拣出的西红柿符合食品安全标准 4 2 智能调节与优化策略 智能调节与优化策略是PLC分拣机器人系统的核心 功能 通过不断学习和调整 系统能够适应不同的操作 条件和环境变化 智能调节与优化策略主要包括3部 分 一是自动调整参数 系统通过分析数据来优化其参 数设置 例如调整分拣门的开闭速度或改变摄像头的焦 距 以适应不同大小和形状的西红柿 二是优化算法 利用收集到的大量分拣数据 通过机器学习不断优化图 像识别模型 例如 通过深度学习技术 系统可以更准 确地识别西红柿的成熟度和表面质量 三是监控性能 系统内置的监控工具可以实时跟踪和评估分拣过程的效 率和准确性 任何偏差都会立即报告给操作员 同时系 统会自动进行调整以纠正这些偏差 4 3 自适应反馈机制 自适应反馈机制是PLC分拣机器人系统中一个先进 的特性 它使机器人能够根据实际操作中的反馈进行自 我调整 自适应反馈机制包括以下内容 一是错误反馈 处理 系统能够识别操作过程中的错误并立即调整 例 如 如果连续几次分拣错误 系统将自动调整相关的图 像处理参数 如颜色阈值或大小判定标准 二是环境适 应性 分拣机器人可以根据环境变化 如光照变化 温 度波动等 调整其操作参数 保证分拣过程的稳定性和 准确性 三是长期优化 通过对操作数据持续分析 系 统能够识别出潜在的改进空间 并通过更新软件和调整 算法来实施这些改进方案 从而提高系统的整体性能 通过这些控制策略 基于PLC的分拣机器人不仅能 够实现高效率和高准确率的分拣操作 还能通过智能调 节和自适应反馈机制持续优化其性能 以满足现代农业 生产的高标准需求 为农业生产的自动化和智能化提供 有力支持 5 实验设计与结果分析 5 1 实验设置 为了评估PLC分拣机器人在有机西红柿分拣中的实 际效果 设置光照条件 6 500 K白光LED灯 照度 800 lux 西红柿品种 有机圣女果 有机牛心西红柿 有机番茄和有机樱桃番茄 传送带速度 固定为 0 5 m s 以确保摄像头与化学传感器均能捕捉到清晰的 数据 图像采集与化学检测频率 摄像头设置为10 fps 进行拍摄 同时化学传感器以1 Hz的频率检测农药 残留 实验步骤主要包括 1 样本准备 每种西红柿至 少收集200个样本 涵盖不同成熟度 表面缺陷及可能 的化学残留情况 2 初步分类 人工检查并剔除有明 显腐烂或损伤的样本 确保实验样本具有代表性 3 机器人设置 准备PLC分拣机器人并确保其处于良好的 工作状态 4 调整PLC程序 设定颜色阈值与化学检 测参数 以便机器人能够准确识别西红柿的物理和化学 特性 5 实验执行 将样本通过传送带进入检测区域 摄像头与化学传感器同步采集数据 系统根据分析结果 自动分类并记录每个样本的分类时间 类别及化学检测 结果 6 数据记录与分析 采集每个样本的多组数据 并将数据自动保存到服务器中用于统计分析 7 分类 标准 根据尺寸将西红柿分为小 10 cm 3类 颜色分为绿色 黄色 红色 3类 表面质量分为优 良 中 差4级 化学安全性 分为合格 不合格2类 5 2 实验结果 使用描述性统计和方差分析对不同分类标准下系统 的表现进行深入分析 结果表明 机器人在大小分类上 表现最佳 准确率高达98 化学安全性分类的准确率 达到95 显示出化学传感器与PLC系统结合的有效 性 然而 在颜色分类任务中 主要错误源于成熟度边 界不清的样本 这表明在颜色分类上 系统对于某些具 有模糊边界特征的样本识别能力有待提升 在表面质量 分类方面 也存在一定的误差 主要源于细微裂纹或斑 点在低光照条件下难以识别 化学安全性分类中 误检 主要来自于化学残留浓度接近检测限的样品 这说明系 统对于极低浓度化学残留的检测灵敏度还需进一步 提高 集成先进PLC与机器视觉技术的分拣机器人 不仅 实现了西红柿分拣的自动化和智能化 还显著提升了操 作效率和准确性 这一系统在实际生产中的应用表明 技术创新能有效解决农业生产中的品种识别和质量控制 等实际问题 推动农业向更高的自动化和智能化水平发 展 此外 系统的自我优化能力确保了长期性能的提 升 为农业生产提供了持续可靠的支持 展现了农业现 代化的巨大潜力