物料视觉分拣系统的研究与开发

宫丽华

（承德应用技术职业学院，河北 承德 067000）

物料分拣系统是从众多物料中筛选出具有某一共同特征（颜色、形状等）的部分物料的系统。该系统普遍应用于物流行业、快递行业、零件制造行业、交通运输行业等[1-2]，能够在海量的物件当中识别并分拣出相应类别的物件，提高生产效率，并降低人工成本[3]。目前，很多物料分拣系统通过工业机器人或专用的分拣装置实现。实际生产中很多物料不存在易碎、体积大、重量大等情况，无需用机器人来分拣，利用简单的传送带、视觉装置和产品盒即可完成分拣。文章针对这类物料设计了一套简单、高效且低成本的自动分拣系统[4]，该系统以西门子S7-1200PLC为核心控制器，运用变频器和高速计数器控制电机运转，进而控制传送带运动，使用工业视觉系统自动分拣出不同颜色的物料。

1 视觉分拣系统的硬件结构

视觉分拣控制系统[5-6]的功能是把待加工物料传送到视觉检测区域内，完成物料的视觉检测，然后对检测完成后的物料进行分类分拣。视觉分拣控制系统主要由皮带传送机构、视觉系统、电磁阀组、变频器、三相异步电机、光电传感器、推料气缸、接线端口、底板等组成，如图1所示。

图1 视觉分拣系统硬件结构图

1.1 皮带传送机构

皮带传送机构用于传送物料，把物料传送到视觉相机下方进行视觉分拣，并传送通过视觉检测的物料。它主要由传送带、编码器、三相异步电机等组成。皮带传送机构的工作原理是三相异步电机通过联轴器带动皮带转动，物料便可以在皮带上水平移动。分拣模块用来检测入料口上有无物料的光电开关是一个圆柱形漫射式光电接近开关，工作时发出光线，检测是否有物料存在，该光电开关选用SICK公司生产的GRTE18S-N1317型光电开关。传送机构末端安装一个光纤传感器，用于检测物料是否到达皮带末端位置。

1.2 变频器与三相异步电机

变频器是通过改变电动机工作电源的频率来控制交流电动机的电力控制设备。三相异步电动机用来拖动传送带运动，进而实现物料的移动。变频器专门用来控制三相异步电动机，通过对PLC编程与变频器设置实现对异步电动机的控制。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源的频率来更好地控制交流电动机的电力控制设备，以便改进过程控制、节约能源、降低系统维护成本等[3]。变频器接线图如图2所示。

本项目中使用VB5N-20P7变频器来控制三相异步电机。变频器的CI端接模拟量输入信号，跳线选择输入电压（0~10 V）和输入电流（4 mA~20 mA），此信号由PLC的模拟量输出端提供。通过变频器面板可设置电机的正转、反转、停止、点动等参数并监控电动机状态。

1.3 编码器与高速计数器

高速计数器应用在普通计数器达不到速度要求的场合，或者配合编码器应用在长度计算等场合。PLC的普通计数器的计数速度与CPU扫描周期有关。每经过一个扫描周期，CPU读取一次被测信号，并捕捉被测信号的上升沿，被测信号频率高于CPU扫描频率时，会丢失计数脉冲，因此普通计数器的最高工作频率一般仅有几十赫兹。本次项目以西门子S7-1200PLC作为控制核心，使用的CPU是1215C，提供6个高速计数器HSC1至HSC6。HSC指令有4种工作模式：内部方向控制的单相计数器、外部方向控制的单相计数器、两路脉冲输入的双相计数器和AB相正交计数器[7]。使用前先组态高速计数器，启用并设置HSC1的计数类型、工作模式、计数方向、初始计数器值等。

编码器是通过光电转换，将输出至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字信号的传感器，主要用于位置、速度、角度等的测量。本项目需要定位物料的位置，使用相位差90°的具有A、B两相的通用型旋转编码器，此编码器安装到传送带主动轴上。PLC通过高速计数器读出编码器输出的脉冲个数，实现物料与传送带起点距离的测量，计算出物料在传送带上的位置，以便触发视觉分拣。根据产生脉冲方式的不同，可将编码器分为增量式、绝对式、复合式。本次使用的是增量式旋转编码器，利用光电转换原理输出A、B、Z三组方波脉冲，其中A、B两组脉冲的相位差是90°，用于辨别方向。当A相超前B相时为正转，当B相超前A相时为反转。Z相为编码器每转一圈产生一个脉冲，用于定位基准点。编码器的三相脉冲采用NPN型集电极开路输出，分辨率为500 P/R（脉冲/旋转），工作电源为DC 12 V~24 V。

1.4 视觉分拣机构

视觉分拣机构用于对物料进行视觉分拣分类，它主要由推料气缸、视觉检测本体、安装板等组成[8-9]。视觉分拣机构的工作原理是当物料到达视觉检测区域后，在不停止皮带转动的情况下，对物料进行颜色或者形状的区分。当检测到目标物料时，推料气缸动作，将物料推入废料槽中。

工业视觉系统包括控制器、光源、相机（CCD相机和COMS相机）、镜头（定焦镜头、变倍镜头、远心镜头、显微镜头），如图3所示。视觉分拣系统的工作原理是照相机将被检测的物料拍照形成图像信号，传送给图像处理单元，图像处理单元根据物料的像素分布和亮度、颜色等信息，将图像转化为数字信号。图像处理软件对这些数字信号进行各种运算来抽取目标特征，如数量、面积、位置等，再根据人为预设的允许度和其他条件输出结果，实现自动识别。本次实训要求输出结果是颜色信息，即红色、绿色为合格品，黄色为不合格。

图3 工业视觉系统硬件组成

2 视觉分拣控制系统的功能实现

2.1 PLC资源分配

首先，对物料视觉分拣系统的微控制器PLC的I/O资源进行分配，如表1所示，实现物料视觉分拣的功能。

表1 I/O资源分配表

2.2 程序流程设计与编写

物料视觉分拣系统的软件设计主要包括初始化、视觉软件编程、高速计数器设计、设备通信设计，程序设计流程如图4所示。整个程序以高速计数器的计数器值（物料在传送带上的位置）为循环条件，执行相应动作。

图4 PLC程序设计流程图

2.3 视觉软件编程

分拣模块的视觉控制器包括图像处理单元（图像捕获卡）、图像处理软件、监视器、输入/输出单元等。相机选用的是彩色、130万分辨率的工业相机，选用SL-DF12-C型号的镜头，相机拍照时可通过微调镜头上的焦距和光圈旋钮提高图片清晰度。

颜色及形状识别的编程软件使用X-SIGHT，通过选择工业相机、设置白平衡、确定矩形区域、彩色阈值化等环节设置，对物料颜色及形状进行识别，详细制作流程如图5所示。

图5 视觉识别制作流程

2.4 PLC网络设备通信

2.4.1 PLC与变频器的通信

变频器与PLC的通信采用串口Modbus RTU协议，该协议使用RS232、RS422或RS485连接网络中的设备并进行串行数据传输。RTU运用主/从站网络，整个通信由一个主站设备（PLC）触发，从站（变频器）只能响应主站的请求。主站将请求发送到一个从站地址，并且只有该地址上的从站做出响应，其他从站不响应。首先运行指令Modbus_Comm_Load来实现网络初始化设置，如数据传输速率、奇偶校验、数据流控制等。初始化设置完毕后，运用Modbus_Master指令，让主站对从站下达命令，PLC用作Modbus RTU主站设备，与从站（变频器）进行通信。程序中需要用两个Modbus_Master指令，每个指令PLC都要先读取从站（变频器）地址，一个指令给变频器频率（电机转速），另外一个指令给变频器正转、反转、停止等命令。PLC与变频器通信程序如图6所示。

图6 PLC与变频器通信程序

2.4.2 PLC与视觉控制器的通信

PLC与视觉控制器的通信采用以太网Modbus TCP。在这里PLC作为服务器等待客户端视觉控制器的连接，因此使用指令MB_SERVER。MB_SERVER指令能够处理Modbus TCP客户端的连接请求、接收处理请求，并发送响应。首先，建立一个PLC与视觉TCP通信的数据块。其次，MB_SERVER指令的参数MB_HOLD_REG和CONNECT分别连接通信数据块中的变量Server和RCV_TCP_SJ。变量Server的数据类型是TCON_IP_v4，需要手动输入；变量RCV_TCP_SJ是视觉控制器识别出的颜色编码。这样客户端识别出的颜色就传递给了服务器PLC，PLC根据颜色编码的不同进行下一步动作。

3 系统调试

视觉分拣系统运用信捷TGM765S触摸屏进行人机交互，人机界面如图7所示，在此界面可进行手动调试。首先，初始状态下，入料检测、伸出到位等指示灯处于熄灭状态。其次，输入电机运行频率，点击电机正转或电机反转按钮进行测试。人机界面能实时监视高速计数器的计数值和视觉控制器识别出的颜色编号。

图7 触摸屏操作界面

4 总结

物料视觉分拣系统是工业生产中常见的控制系统，它以西门子S7-1200PLC为控制器，由传送和分拣两大硬件机构组成，包含视觉控制器、变频器、编码器、电磁阀组、触摸屏等设备。分拣系统的软件部分由主程序、通信程序、高速计数器程序、分拣控制程序等组成。本系统能够识别物料颜色，通过简单修改PLC程序或者视觉软件程序，改变识别分拣的颜色；此外，通过修改视觉程序还能识别出物料形状。应用物料视觉分拣系统，有利于改变传统的生产模式，提高生产效率，节约生产成本，经济效益显著。因此，大规模的现代化自动化物料传送与分拣，符合时代的发展趋势，值得广泛推广[10]。