火龙果装箱系统仿真设计*

辛华健 ，黄珠峰

（广西工业职业技术学院，广西 南宁 530200）

0 引言

水果对我国而言是一个不可缺少的农业发展对象，在全世界的水果行业之中，有25%的水果都来自中国，所以我国有着“世界水果王国”的称号[1]。火龙果在广西有大量的种植面积，一年四季基本都可以有果销售，但火龙果装箱自动控制技术还未成熟，一般只能靠人力来完成分拣、计数、装箱、搬运等烦琐的工作[2]。

目前，在我国对水果分级的手段大多还是依靠人工完成，人工分级不仅需要大量的劳动力，而且水果分级的标准也难以控制在一个稳定的精度，这就导致水果分选的效率低、成本高、不精确，没有达到出口的标准，未能在国际水果市场上占据优势，大多数只能以低价在国内销售，降低了水果的价值，拉低了水果对经济发展的促进作用[3]。随着人们生活水平的不断提高，依靠人工的火龙果装箱已经满足不了市场的供应需求。所以，在提升火龙果的装箱效率和质量方面，先进行火龙果装箱系统的仿真设计，实现装箱的自动化，以进一步提高工作效率[4]。

1 应用软件概述

组态软件是一款能够方便使用者快速建立仿真的软件。组态软件以标准的工控计算机、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、运用简便、易于扩展、经济性好、开发周期短等优点。系统分为控制层、监控层、管理层三个层次。其中监控层是中间层，对下链接控制层，对上链接管理层，这样不仅能实现对画面的监视和监控，且能在自动控制系统中起到传递作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画[5]。通过在组态软件中的画面调节监控系统，实现所要的功能，设计监控系统，试验者提供可看的监视画面，充分利用图形编辑功能，方便构成监控画面，并以动画形式显示设备的运动状态。使用组态软件开发，试验全部是通过软件完成的，只需利用计算机现有的图库进行实物模拟，能大大降低开发经费[6]。

组态软件能够支持非常多的通信协议，并且提供分布式数据管理和网络功能[7]。对应于原有的HMI的概念，组态软件是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具和开发环境。利用仿真画出电动机、各类传感器、传送带等设备，能够实现一套完整的火龙果装箱操作系统[8]。用项目管理器构建火龙果装箱项目、导入和导出变量、定义项目属性等，同时用项目浏览器浏览相应的火龙果装箱逻辑框图程序与实时数据指标等；实现通过屏幕观测仿真的模拟运行过程与实时状态映像[9]。

2 装箱系统设计

2.1 系统仿真流程

使用组态软件仿真火龙果装箱系统过程，不会受到场地的限制，通过电脑利用组态进行模拟仿真，系统具有开放性好、易于扩展的功能。组态还提供了一个可视化的监控画面，有利于在试验过程监控与修改各项数据。它还能与电脑的图像处理功能配合，方便构成监控画面，并以动画的方式显示仿真画面的状态[10]。当火龙果分级后，在传送带上运行，推杆将火龙果从主传送带推出并推到要装的箱子中进行装箱，再由箱子上方的计数传感器记录火龙果的数目，当数目达到3个或者设定的数据时，装箱完成，自动启动箱子下方的传送带，将箱子送走。系统仿真流程如图1所示。

图1 系统仿真流程图

2.2 系统仿真模型

模型简化后大致分为四个部分：传送带部分、推杆部分、包装部分、物料台部分。

1）主传送带。由于整个仿真围绕主传送带进行设计，定好主传送带就可以设计其他部件的位置。主传送带需要实现运动画面，所以要对主传送带设置水平移动的距离和对应值。

2）气缸。气缸作为推杆的一部分，与推杆相重合，不可移动，用颜色来表示气体出来的方向，红色为进气口。

3）推杆。推杆与气缸相接，在气缸的作用下，实现推出和缩回，用于推主传送带上的物料，实现对水果的分级。要求在垂直运动写出移动距离。

4）次传送带。次传送带与相应的推杆口对应，是用于送去包装的过渡道，因距离短，选择固定通道，不需要进行方位设计。

5）包装机。包装机与次传送带相接，作为包装的总执行部位，需要进行一个包装的动作，水果送到包装机执行区域时，包装机闭合包装，闸门关闭。实现开关自如的功能。

6）推杆传感器。将传感器放在推杆前方，推杆推到位传感器为绿色，反之为红色。

7）包装指示灯。当水果传递到包装机包装位置之后，指示灯变绿，包装机包装水果。

8）包装计数。在包装机下面设置一个计数，用来计算已包装的个数，采用文本框，选择模拟值输出，格式采用整数两位，显示格式为十进制，居左。

9）主传送带指示灯。其位于主传送带的末尾，当主传送带启动时，指示灯为绿色，不工作时为红色。

10）次等区。在仿真中，次等区的水果采用流放的方法，在经过主传送带时不进行分级，选择留置到主传送带后的框，并给予计数设置。

11）一条等级的水果分级包装模块做好后，在主传送带依次再做出两条相同的分级包装模块。制作时，由于一个变量只能对应一个图形，在选择变量时图形不能选错。

12）上料区。上料区连接的是主传送带前端，此仿真只显示四种不同大小的水果，需要在上料区画制四种不同圆形并在上料区中重叠。当检测到某种规格的水果之后，所对应的图形就会进行上料并到达主传送带。水果图形重叠，水果图形需要设置在进行模拟中隐含。

13）控制台。控制台控制整个系统的启动和停止，需要输入命令。

14）物料显示。该装置不需要动作，用指示灯来显示检测结果和需要分级的物料。

15）把部分器件用文本框输入名字，完成最终模型，如图2所示。

图2 系统仿真模型

系统准备就绪开始运行后，仿真模型上的各个部件开始工作。火龙果经过分级系统分级后分别进入大、中、小三个通道，自动启动传送带将火龙果送到箱子。当箱子上方的火龙果计数传感器计数达到3个时，装箱完成，送走箱子。

2.3 仿真运行调试

将程序写入系统，验证仿真动画的准确性和在动画过程中的协调性。在组态的仿真工作画面建立中，模拟计数、装填、放入箱子、送走箱子的完整装箱过程，完成整个自动装填火龙果的控制系统仿真调试。如果在调试运行中出现错误，则需针对存在的问题想办法解决[11]。例如，在主传送带运输物料时相对应的推杆要在准确的时间内推出，如果时间不匹配就会出现错乱，所以要经过调试，才能运行准确、顺畅[12]。调试过程中明确各部件的作用，推杆作用在物料出来时，将其推进传送带；指示板用来操控仿真的启动和停止；上料区用作出料口；主传送带和次传送带主要用来运输物料；包装处理后送到相应的点并进行相应的统计计算[13-15]。

1）上料。进入运行界面，点击启动后，启动指示灯、主传送带亮起，上料区检测水果等级，相应的水果指示灯亮起，如图3所示。2）分拣。当上料区出现水果后，停止运行。水果在上料区出现后，由主传送带带动水果运行。当水果到达相应的入口时，相应推杆气缸、指示灯亮起，推杆推出水果完成分拣，如图4所示。3）包装。被推进传送带的水果经过5 s的运行到达包装机的包装口，包装指示灯亮起，开始计数，并进行包装，如图5所示。4）包装完成之后，此时上料区再次进料，重复水果分级动作。上料区出现不合格果时，不合格果会由主传送带运送到末尾，进行流放。

图3 上料

图4 分拣

图5 包装

3 结论

在组态软件的仿真工作画面建立中，选择合适的仿真元器件，建立火龙果的输送传动机构并实现计数、装填、放入箱子、送走箱子的功能，完成整个自动装填火龙果的控制系统。笔者分别运行调试了PLC控制程序和仿真画面，最后通过组态与PLC软件联机调试，验证组态仿真系统的有效性[16]。在火龙果出料时只能人为控制出什么大小的火龙果，做不到随机出现什么大小的火龙果。运行组态的仿真画面，经过不断反复调试，最终实现火龙果装箱系统的全部功能。并且火龙果装箱机系统设计能够非常直观、准确地反映自动化的装箱动作，能按照用户需求实现一些基本功能。