粉丝智能分拣系统的制作方法

本发明属于自动化分拣系统领域，特别涉及一种粉丝智能分拣系统。

背景技术：

粉丝作为中华民族的传统食物，在人们的日常生活中随处可见。目前粉丝的生产过程仍然采用传统的生产方式。此生产方式在粉丝的抓取，称重和定型过程中都是由人工完成，所以传统的生产粉丝存在以下弊端：食品安全难以控制、低下的生产效率、人工成本太高。尽管这种生产方式在食品加工行业持续相当长的一段时间，但是随着商品经济的发展，人们工作效率、生活水平的提高，健康生活的饮食概念已经深入人心，此生产方式终将被行业所淘汰。与此同时，设计出一套能够改变粉丝生产方式，用机械代替人工，保证食品安全，提高产品质量、生产效率、降低人工成本的自动化系统就显得颇为重要。

粉丝生产的主要流程包括：原料、辅料加水搅拌→分送浆料→自熟挤丝→连续预老化→冷冻→解冻→洗粉→滤水输送→手工定量入盒→连续自动干燥→储备→包装→成品。粉丝在解冻环节、洗粉环节、滤水输送环节的具体操作为：将解冻的粉块放入洗粉机。洗粉机里的涡轮转动带动水、粉块搅拌，促使粘连的粉丝相互散开。再把散开的粉丝连同水排进滤水输送机，滤去粉丝表面的水分。由于以上三个环节的处理使粉丝内部充满水分，所以粉丝的物理特性发生改变，其表面变得光滑，质地变得柔软难以抓取。与此同时，由于涡轮转动带动水、粉块形成搅拌，原本形状规则的粉块散开，粉丝相互缠绕在一起。

粉丝分拣机系统的设计目标是用机器代替人工完成解冻后粉丝的分拣、称重、定型工序，保证食品的安全，提高产品的质量、生产效率、降低人工成本。本设计系统要实现的功能为粉丝的定量抓取和自动定型。机械爪取粉丝时，由于粉丝相互缠绕在一起，所以通常机械爪抓取的粉丝重量会大于要求的粉丝重量。这就要通过机械爪的快速张合，产生抖动，抖掉多余的粉丝。因此，如何根据粉丝重量的误差决定机械爪的抖动时间是关键问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本次发明提供了模糊控制方法，设计了模糊控制器，该控制器的输入为粉丝重量的误差，输出为机械手的抖动时间，即利用模糊推理规则，根据抓取粉丝重量的误差变化确定机械爪的抖动时间，进而提高机械爪对粉丝抓取重量的准确性。本发明提出了一种由机械结构部分、计算机、plc、电机等组成，应用模糊控制的粉丝分拣系统。该粉丝分拣系统结构合理，功能完善。

一种粉丝智能分拣系统，由机械结构部分、计算机、smartsr30plc、ae04扩展模块、称重传感器、启动按钮、停止按钮、限位开关、机械爪、直流电机、继电器和灯光报警部分组成。

进一步地，所述机械结构部分的各部件分别制成装配部件；两条导轨通过铝型材固定形成平行位置关系，导轨上的滑块通过螺丝与机械臂的底部固定在一起；机械臂的主体骨架为12根铝型材相互固定形成的一个立方体，机械臂的手臂是由4根铝型材相互固定形成得一个矩形，其位置与立方体的上底，下底平行，此矩形结构的末端安装有滑块，滑块通过滑杆上下移动，滑杆的两端固定在机械臂主体骨架的上下两端；电机固定到机械臂主体骨架的底部，电机通过传送带带动机械臂上下移动；机械臂的手臂前端与称重传感器的顶端相连，称重传感器的底部与机械爪连接；粉丝容器设置在机械爪正下方位置与导轨在同一水平面，顶盖架的内部连接关系与机械臂的内部连接关系的不同点在于顶盖架的手臂前端连接的是顶盖；顶盖架在导轨的尾部，两者由角码和铝型材连接；转盘位于导轨的尾部，其位置与顶盖架平行，转盘、顶盖架分别连接在导轨尾部两侧；转盘与导轨由角码，铝型材连接，转盘底部由铝型材组成，电机安装在铝型材的上面，电机通过齿轮直接带动转盘转动。

进一步地，控制系统由上位机系统和下位机系统组成，上下位机系统之间采用opc协议进行通信，上位机系统为安装有windows操作系统的计算机，下位机系统由西门子smart-sr30plc、ae04拓展模块、称重传感器、继电器、直流电机、限位开关、起停按钮组成。

上位机界面通过启动和停止按钮操控系统的运行；

下位机采用西门子smart-sr30plc为核心控制器，通过控制继电器的吸合进而实现机械爪动作，机械臂在二维空间运动和粉丝成型；ae04拓展模块将从称重传感器测得的信号转换0-10v的电压信号给入plc，因此plc获得抓取粉丝的重量。

进一步地，硬件设计包括控制器及扩展模块、称重传感器及其变送器、电机（4）、辅助硬件。

进一步地，控制器及扩展模块的设计如下：

控制系统中需要用到数字量输入信号8路，包括启动、停止按钮各1路，每个限位开关输入1路，共6路。数字量输出8路，包括3个直流电机的运转方向控制6路，1路用于控制机械爪的张合和1路运行指示灯输出；模拟量输入1路，模拟量输出1路；控制器采用220v交流电源供电，18输入/12输出的西门子公司s7-200smartsr30plc；扩展模块选择有4路模拟量输入、4路模拟量输入，24v直流供电的emae04扩展模块。

进一步地，plc控制机械爪抓取粉丝的重量信息全部来自称重传感器。

称重传感器使用的是电阻应变式传感器，根据本系统的具体的要求，选择蚌埠传感仪器有限公司dyly-106型称重传感器，传感器的供电电压为5~15vdc，其输出信号为0～10v标准信号；称重传感器的配套变送器选择蚌埠传感仪器有限公司的dy510型重量变送器；dy510变送器将力学量转换成标准电流、电压信号输出，可切换0-5v/0-10v；可直接与自动控制设备plc连接；具备标准信号外调零、外调增益功能，输入过保护，输出短路保护。

进一步地，本系统采用直流电机作为系统的被控对象；直流电机选择xd-37gb555型直流减速电机，转速为100r/min。

进一步地，辅助硬件设计中的继电器型号为my4n-j；通过3d打印技术增加了机械爪的分支结构。

进一步地，软件设计包括以下程序部分

（1）机械爪抖动程序

机械爪的抖动是通过控制继电器短时间内快速吸合和断开来实现的，机械爪抖动的时间为模糊控制器的输出值；

（2）粉丝重量获取程序

对于模拟量输入模块，0-10v的模拟量信号对应数据0-27648，因此需要将得到的数字量转换为实际的重量方便读取和计算；

s7-200smartplc不允许整形数据直接转换为将浮点数，所以先将模拟量通道aiw16的值通过i_di指令转换为双字类型，存放到寄存器中；通过di_r再将寄存器中的值转换为浮点数，提高数据的精度；将寄存器除以17648得到输入值占整个输入范围的百分比；然后乘以1000得到重量的实际值，单位为克（g）。

（3）机械爪抖动时间的模糊控制程序

采用模糊控制方法；其中模糊控制器的输入为粉丝重量的误差，输出为机械手的抖动时间，利用模糊推理规则，根据抓取粉丝重量的误差变化确定机械爪的抖动时间，进而提高机械爪对粉丝抓取重量的准确性；。

（4）上位机设计

上位机界面使用wincc进行组态，使用opc进行通信协议和s7-200pcaccesssmart建立wincc和s7-200smart之间的通信；上位机界面分为自动监控和手动操作两部分，自动监控可以通过启动和停止按钮来控制系统的自动运行，在系统运行时，画面会实时显示粉丝的重量，同时也可对所需粉丝重量进行预设置；手动操作应用在系统检测与维修阶段，通过按钮来控制各个机械臂的运动和机械爪的吸合；同时具有历史数据记录功能，可以将每次的粉丝重量进行表格记录并绘制趋势图。

本发明的优点和有益效果

1）本设计的粉丝分拣系统能够在不改变粉丝长度的情况下代替人工完成粉丝分拣、称重、定型工序。保证食品安全，提高产品生产效率，降低人工成本；

2）将模糊控制应用在粉丝分拣系统中，利用模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型这一优点，通过抓取粉丝重量的偏差，控制机械爪的抖动时间，从而提高了粉丝的生产效率；

3）本次设计的系统能适应环境复杂的生产现场，结构简单，运行稳定，经济成本低。

附图说明

图1为粉丝分拣系统的整体结构图；

图2为粉丝分拣系统的功能图；

图3为粉丝分拣系统的整体工作流程图；

图4为粉丝抓取及定量结构3d结构图；

图5为粉丝定型结构3d结构图；

图6为粉丝分拣定型系统总体机械结构图；

图7为控制系统结构图；

图8为plc及拓展模块外部接线图；

图9为压力传感器与重量变送器接线图；

图10为直流电机正反转接线图；

图11为机械爪抖动流程图；

图12为粉丝重量获取流程图；

图13为机械爪抖动时间的模糊控制流程图；

图14为监控界面图；

图15为粉丝重量记录及趋势图；

图中：1为滑块；2为滑杆;3为顶盖；4为电机；5为转盘；6为机械爪；7为称重传感器；8为导轨；9为顶盖架；10为机械臂；11为粉丝容器。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合附图及实施例对本发明进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例：

1.整体结构设计

本设计的粉丝分拣系统主要由机械结构部分、计算机、smartsr30plc、ae04扩展模块、称重传感器7、启动按钮、停止按钮、限位开关、机械爪6、直流电机4、继电器和灯光报警等部分组成，如下图1所示为粉丝分拣系统的整体结构图。

2.整体功能设计

本设计的粉丝分拣系统的整体功能主要由粉丝定量抓取和粉丝成型两部分组成，如下图2所示为粉丝分拣系统的功能图。

3.整体工作流程

该粉丝分拣系统在上电之后首先执行复位程序，然后对粉丝进行定量抓取，如果粉丝重量高于设定范围，则机械爪6抖动；如过粉丝重量低于设定范围，则重新进行抓取；如果抓取粉丝重量符合设定范围，则将粉丝放入到成型粉丝容器11中，旋转成型。如下图3所示为粉丝分拣系统的整体工作流程图。

4.机械机构设计

本设计采用自底而上的装配方法，先将零件装配成功能不同的部件，再统一装配成整体。在装配时，将粉丝分拣整型系统分为机械臂10、导轨8、顶盖架9、转盘5等分别制成装配部件，最后进行统一装配。

粉丝的抓取由机械臂10和导轨8完成，其结构如图4所示。当粉丝抓取后放到指定粉丝容器11中，待顶盖3下降一定距离后，转盘5电机4启动，带动粉丝容器11一起高速转动，顶盖3起到防止粉丝在高速旋转中飞出粉丝容器11的作用。机械结构主要包括顶盖架9和转盘5，3d建模如图5所示。系统整体机械结构如图6所示。

5.控制系统设计

粉丝分拣系统主要由上位机系统和下位机系统组成，上下位机系统之间采用opc协议进行通信，上位机系统为安装有windows操作系统的计算机，下位机系统由西门子smart-sr30plc、ae04拓展模块、称重传感器7、继电器、直流电机4、限位开关、起停按钮等组成。如图7所示为控制系统结构图。

上位机界面通过启动和停止按钮操控系统的运行，在系统运行中时，上位机监控画面会实时显示粉丝的重量，同时也可对所需粉丝重量进行预设设置，以适应不同的生产需求。上位机具有历史数据记录功能，可以将每次的粉丝重量进行表格记录并绘制趋势图，便于观察和设备调试。

下位机采用西门子smart-sr30plc为核心控制器，通过控制继电器的吸合进而实现机械爪6动作，机械臂10在二维空间运动和粉丝成型。ae04拓展模块将从称重传感器7测得的信号转换0-10v的电压信号给入plc，因此plc获得抓取粉丝的重量。

6.硬件设计

（1）控制器及扩展模块的设计

控制系统中需要用到数字量输入信号8路，包括启动、停止按钮各1路，每个限位开关输入1路，共6路。数字量输出8路，包括3个直流电机4的运转方向控制6路，1路用于控制机械爪6的张合和1路运行指示灯输出。模拟量输入1路，模拟量输出1路。控制器采用220v交流电源供电，18输入/12输出的西门子公司s7-200smartsr30plc。扩展模块选择有4路模拟量输入、4路模拟量输入，24v直流供电的emae04扩展模块。plc及拓展模块外部接线图如图8所示。

（2）称重传感器7及其变送器

称重传感器7是本系统中的主要传感器。plc控制机械爪6抓取粉丝的重量信息全部来自称重传感器7，它必须要有很高的可靠性，如果称重传感器7出错，将影响整个系统运行的稳定性和精确性，因此称重传感器7的选用非常关键。

称重传感器7使用的是电阻应变式传感器。根据本系统的具体的要求，选择蚌埠传感仪器有限公司dyly-106型称重传感器7，传感器的供电电压为5~15vdc，其输出信号为0～10v标准信号。称重传感器7的配套变送器选择蚌埠传感仪器有限公司的dy510型重量变送器。dy510变送器将力学量转换成标准电流、电压信号输出，可切换0-5v/0-10v。可直接与自动控制设备plc连接。具备标准信号外调零、外调增益功能，输入过保护，输出短路保护。压力传感器与重量变送器的接线图如图9所示。

（3）电机4的选择

本开发系统需要的电机4数量较多，在考虑了电机4转速，负载，反应速度，经济成本这四点因素后，本系统采用直流电机4作为系统的被控对象。直流电机4选择xd-37gb555型直流减速电机4，转速分别有100r/min和300r/min两种。直流电机4的正反转接线图如图10所示。

（4）其他硬件设计

继电器在本设计系统中起到不可忽视的重用，plc通过控制继电器的吸合，进而完成电机4的起、停和机械爪6的抓取，抖动等设定动作。本设计系统选择的继电器型号为my4n-j。

本次设计中机械爪6完成粉丝的抓取工作，根据粉丝的物理特性及设计要求选择了一款机械结构简单、控制容易的机械爪6，并根据实际的抓取效果，通过3d打印技术增加了机械爪6的分支结构。

7软件设计

（1）机械爪6抖动程序

粉丝在抓取过程中会有抓取重量大于需求重量的情况，这时就需要通过机械爪6的抖动去除多余的粉丝。机械爪6的抖动是通过控制继电器短时间内快速吸合和断开来实现的，机械爪6抖动的时间为模糊控制器的输出值。机械爪6抖动的控制流程如图11所示。

（2）粉丝重量获取程序

对于模拟量输入模块，0-10v的模拟量信号对应数据0-27648，因此需要将得到的数字量转换为实际的重量方便读取和计算。粉丝重量获取流程图如图12所示。

s7-200smartplc不允许整形数据直接转换为将浮点数，所以先将模拟量通道aiw16的值通过i_di指令转换为双字类型，存放到寄存器中。通过di_r再将寄存器中的值转换为浮点数，提高数据的精度。将寄存器除以17648得到输入值占整个输入范围的百分比。然后乘以1000得到重量的实际值，单位为克（g）。

（3）机械爪6抖动时间的模糊控制程序

由于机械爪6抓取粉丝重量具有非线性的特点，且难以建立精确的数学模型，因此采用模糊控制方法。其中模糊控制器的输入为粉丝重量的误差，输出为机械手的抖动时间，利用模糊推理规则，根据抓取粉丝重量的误差变化确定机械爪6的抖动时间，进而提高机械爪6对粉丝抓取重量的准确性。机械爪6抖动时间的模糊控制流程如图13所示。

（4）上位机设计

本设计的上位机界面使用wincc进行组态，使用opc进行通信协议和s7-200pcaccesssmart建立wincc和s7-200smart之间的通信。上位机界面主要分为自动监控和手动操作两部分，自动监控可以通过启动和停止按钮来控制系统的自动运行，在系统运行时，画面会实时显示粉丝的重量，同时也可对所需粉丝重量进行预设置，以适应不同的生产需求。手动操作主要应用在系统检测与维修阶段，可以通过按钮来控制各个机械臂10的运动和机械爪6的吸合。同时具有历史数据记录功能，可以将每次的粉丝重量进行表格记录并绘制趋势图，便于观察和设备调试。系统运行过程中的监控界面如图14所示，粉丝重量记录及趋势图如图15所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。