基于S7-300 PLC和Matlab的苹果自动分级系统设计

刘忠超，刘勇军，常有周

(1.南阳理工学院电子与电气工程学院，河南南阳 473004； 2.西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌 712100)

我国是水果生产大国，苹果是我国产量最大的水果，已经成为我国农村经济的一大支柱产业，为促进农民增收、扩大城乡居民就业和改善生态环境作出了积极贡献[1]。虽然我国苹果产量很大，但参与国际贸易的比例一直很低，出口量不到国际水果贸易的3%，主要以本国消费为主，其中一个重要原因就是采后商品化处理落后，外观质量较差，导致苹果的市场竞争力比较弱。分级是苹果商品化处理的重要环节，通过分级可以提高苹果产值。传统苹果分级依靠人工操作和判定，具有较大的主观性，因此建立高效的自动化分级体系势在必行[2]。本研究提出了一种基于西门子S7-300 PLC和Matlab的苹果分级系统，实现了苹果的自动化分级，减轻了人工分级的劳动强度，提升了苹果产后的质量。

1 系统总体设计

苹果自动分级系统主要由图像采集装置、图像处理计算机、PLC控制分级系统以及上位机监控系统组成。系统工作原理如图1所示。图像采集部分由USB摄像头、激光对射传感器和光源组成。苹果传送装置由电机、传送带等组成，同时机械手、激光对射传感器、推料气缸组成执行装置，激光对射传感器连接到S7-300 PLC控制器输入端，检测苹果位置并控制计算机对苹果图像实时采集、处理分析，同时通过OPC技术将处理结果传送到WinCC组态软件设计的上位机分级监控系统，最后由组态软件将处理结果传递给PLC控制分级推出气缸动作，从而组成一个完整的苹果自动分级系统[3]。

2 系统硬件设计

根据苹果自动分级原理，系统整体硬件结构如图2所示。苹果自动分级系统通过传送装置输送苹果，采用西门子S7-300 PLC作为控制器，激光对射传感器检测苹果位置信号，USB摄像头采集图像，机械手推料气缸完成分级执行机构。上位机由Matlab图像采集处理系统和WinCC远程监控系统组成[4]。

2.1 微控制器选择

德国西门子S7系列PLC具有极高的性价比，市场占有率高。系统采用S7-300 PLC作为控制器[5]。苹果分级系统主要由位置开关量、光电信号等数字信号的采集，因此用到西门子SM321数字量输入模块和SM322数字量输出模块。S7-300 PLC硬件组态配置如图3所示。

2.2 USB摄像头

苹果图像采集通过海康威视DS-2CS5432B-S摄像头获取，其USB接口方便与上位机的连接。其最高分辨率可达1 920×1 080像素，显示帧率为30帧/s，最低光照要求为 0.1 lx，能够满足对苹果图像采集的要求。

2.3 激光对射传感器

系统采用M12激光对射传感器来检测苹果位置信号并传递给PLC，其感应距离为0～30 m，工作电压为直流电10～30 V，采用24 V开关电源为其供电。该传感器输出为NPN型，检测到苹果信号时输出电压为低电平。而系统所用的SM321数字量输入模块属于漏型输入，电流从PLC的输入端流进，从公共端流出[6]。因此需要将NPN型传感器转换为PNP型，转换电路如图4所示。PNP型集电极开路输出为高电平，当输出OUT端和PLC输入相连时，电流从PLC的输入端流入，从PLC的公共端流出，可以方便地与S7-300 PLC连接。

3 系统软件设计

3.1 S7-300 PLC控制系统软件设计

S7-300 PLC是苹果分级系统的控制核心，主要完成机械手抓取控制、与上位机监控组态软件通信、控制推料气缸动作等。系统主程序流程如图5所示。

3.2 Matlab苹果图像处理系统设计

Matlab是一种高度集成的数值运算和可视化软件，不仅能够进行科学计算、矩阵变换、信号处理、图像处理，还能够创建用户界面。按照新鲜苹果分级的GB 10651—1989标准，苹果大小是其分级的一个重要依据[7]。Matlab程序设计包括与WinCC组态软件通信程序、读取和处理苹果图像程序。苹果图像处理程序流程如图6所示。

3.3 WinCC上位机监控系统设计

为实现苹果分级远程上位机监控，采用工控组态软件WinCC来开发苹果分级监控系统。WinCC全面支持OPC通信标准。系统采用WinCC作为OPC服务器，Matlab苹果图像处理系统作为OPC客户端，通过OPC实现了两者之间的数据传递[9-10]。其WinCC和Matlab通信流程如图7所示。

4 系统功能测试

(1)如图8所示为系统中Matlab采集的苹果原始图像和一系列处理后的图像。通过中值滤波、二值化处理和取反填充后图像显得轮廓分明，便于后续计算处理。

(2)S7-300 PLC控制器根据Matlab处理的苹果图像数据来进行分级判别进而执行分级动作，并通过WinCC实时远程监控系统运行。其苹果面积大小的数据传输及其历史曲线如图9所示。

(3)分级系统运行时如出现进料堵塞、运输皮带等故障会产生报警信号，操作人员拨动切除报警器旋钮即可切除报警；同样，在分级箱当中有一个装满时，蜂鸣器指示灯亮，并产生蜂鸣信号，工作人员拨动切除蜂鸣器旋钮即可解除报警(图10)。

5 结论

本研究提出了一种基于S7-300 PLC和WinCC组态软件的苹果自动分级系统，设计了苹果分级的控制系统，可根据分级标准对苹果进行快速分级。

借助于Matlab强大的图像处理能力，设计了苹果分级特征提取处理系统，实现了对苹果大小和形状的识别、处理，实现了对苹果的无损检测，减少了对苹果果实的损伤。

基于OPC技术，实现了PLC和Matlab之间的通信，Matlab负责苹果图像采集处理，PLC负责系统控制，系统实时性好，处理速度快，提高了苹果分级的自动化水平，具有实际推广应用价值。