有機(jī)西紅柿種植背景下基于PLC的分揀機(jī)器人控制策略研究.pdf

96 第39卷 有機(jī)西紅柿種植背景下基于PLC的 分揀機(jī)器人控制策略研究 韋小芬 百色職業(yè)學(xué)院 廣西百色533000 作者簡(jiǎn)介 韋小芬 1986 女 本科 講師 研究方向?yàn)闉殡姎庾詣?dòng)化 基金項(xiàng)目 2024年廣西中青年科研項(xiàng)目 基于機(jī)器視覺的西紅柿自動(dòng)分揀算法研究 24KY1544 隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn) 自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛 特別是在果蔬分揀領(lǐng)域展現(xiàn)出了 巨大的潛力 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 西紅柿的自動(dòng)化處理已成 為技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志 隨著消費(fèi)者對(duì)食品安全與環(huán)保 要求的日益提升 有機(jī)西紅柿的生產(chǎn)與加工亟需精確且 高效的技術(shù)支持 可編程邏輯控制技術(shù) PLC 和機(jī)器視 覺技術(shù)的結(jié)合 在自動(dòng)化技術(shù)中展現(xiàn)出了巨大潛力 這 種技術(shù)的整合不僅能精準(zhǔn)優(yōu)化分揀過程 還能確保產(chǎn)品 質(zhì)量與供應(yīng)鏈的穩(wěn)定 通過使用自動(dòng)化技術(shù) 可以在保 障食品品質(zhì)的同時(shí) 顯著提升處理速度和減少人工成 本 進(jìn)而提升整個(gè)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力 1 機(jī)器視覺技術(shù)概述 機(jī)器視覺是一種模擬人眼視覺的技術(shù) 它通過計(jì)算 機(jī)來解析和理解從攝像頭或傳感器所捕捉到的圖像 在 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域 尤其是在果蔬分揀過程中 機(jī)器視覺技術(shù)發(fā) 揮著至關(guān)重要的作用 這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圖像快速且 連續(xù)的分析 準(zhǔn)確地對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行分類和質(zhì)量檢測(cè) 將 機(jī)器視覺與近紅外光譜技術(shù)相結(jié)合 可以進(jìn)行化學(xué)分 析 檢測(cè)西紅柿糖分 酸度及內(nèi)部水分等指標(biāo) 機(jī)器視 覺系統(tǒng)通常包括攝像頭 或其他類型的圖像采集設(shè)備 圖像處理硬件以及相關(guān)的軟件算法 這些組件共同工 作 完成從圖像采集到處理分析的全過程 2 PLC系統(tǒng)的基本原理和技術(shù)特點(diǎn) 在西紅柿分揀中 PLC控制技術(shù)發(fā)揮著核心作用 其基本原理和技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在對(duì)輸入信號(hào)的高效處 理和輸出指令的準(zhǔn)確執(zhí)行上 PLC控制系統(tǒng)由三大部分 構(gòu)成 輸入模塊 中央處理單元 CPU 輸出模塊 輸 入模塊負(fù)責(zé)接收來自外部的信號(hào) 這些信號(hào)既包括西紅 柿的大小 形狀 顏色等物理特性 也包括由化學(xué)傳感 器檢測(cè)到的農(nóng)藥殘留 糖分濃度等化學(xué)特性 例如 農(nóng) 藥殘留傳感器可實(shí)時(shí)檢測(cè)敵敵畏 草甘膦等物質(zhì)的殘留 量 并將數(shù)據(jù)傳輸至PLC系統(tǒng) CPU結(jié)合物理和化學(xué)信 號(hào)進(jìn)行邏輯處理 根據(jù)預(yù)設(shè)程序分析西紅柿的品質(zhì) 并 輸出具體指令 輸出模塊則根據(jù)CPU的指令控制機(jī)械臂 或分揀門等執(zhí)行元件完成分揀操作 確保農(nóng)藥殘留超標(biāo) 的西紅柿被準(zhǔn)確剔除 3 基于PLC分揀機(jī)器人的設(shè)置 3 1 機(jī)器人集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置 在設(shè)計(jì)集成PLC和機(jī)器視覺的分揀機(jī)器人時(shí) 其核 心在于選擇合適的硬件與軟件 以確保兩者間的順暢交 互 并充分發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 機(jī)器人的PLC單元為 Siemens SIMATIC S7 1500 配備了1 5 GHz ARM Cortex A75四核處理器 8 GB DDR4內(nèi)存 具有強(qiáng)大的 處理能力 同時(shí) 還配備了4個(gè)Ethernet IP端口及2個(gè) Modbus TCP端口 滿足了多種通信需求 此外 該P(yáng)LC 單元還配置了雙系統(tǒng)自動(dòng)切換功能以增強(qiáng)冗余性和可靠 性 攝像頭選用Basler acA2500 14gc 是一款500萬像 素的CMOS傳感器攝像頭 支持2 592 1 944像素的高 分辨率 能夠捕捉到更加清晰的圖像 同時(shí) 該攝像頭 還具備自動(dòng)白平衡與曝光調(diào)整功能 能夠適應(yīng)不同的光 照環(huán)境 它通過Gigabit Ethernet接口與機(jī)器人系統(tǒng)連接 實(shí)現(xiàn)了高速 穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸 在軟件與算法方面 機(jī)器人運(yùn)行在Linux環(huán)境下 使用OpenCV 4 5處理基本的圖像任務(wù) 如圖像預(yù)處理 特征提取等 對(duì)于復(fù)雜的學(xué)習(xí)任務(wù)則通過TensorFlow 2 4 進(jìn)行 實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的高精度識(shí)別和分類 用戶界面技術(shù) 基于Web開發(fā) 使用ReactJS框架 支持所有主流瀏覽 器 用戶界面能實(shí)時(shí)顯示圖像 分揀結(jié)果和系統(tǒng)日志等 信息 并允許實(shí)時(shí)更新分揀速度和標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù) 提高了 系統(tǒng)的可操作性和靈活性 為確保機(jī)器人在電源中斷時(shí)能持續(xù)運(yùn)行 配備了 APC Smart UPS 750VA不間斷電源 此外 機(jī)器人還配 置了外部NAS存儲(chǔ)解決方案 用于備份操作數(shù)據(jù)和系統(tǒng) 配置 確保數(shù)據(jù)的安全性與系統(tǒng)的可靠運(yùn)行 3 2 機(jī)器人的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和決策支持能力 這款基于PLC的分揀機(jī)器人擁有卓越的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處 理和決策支持能力 確保了西紅柿分揀過程的高效性和 準(zhǔn)確性 該機(jī)器人能夠處理每秒高達(dá)500幀的圖像數(shù)據(jù) 并能借助Nvidia Jetson Xavier NX模塊加速圖像處理任 務(wù) 該模塊專為AI計(jì)算優(yōu)化而設(shè)計(jì) 此外 機(jī)器人通 過內(nèi)置的先進(jìn)控制算法 能夠根據(jù)實(shí)時(shí)圖像分析的結(jié) 果 自動(dòng)調(diào)整傳送帶的速度和分揀門的位置 確保了分 揀過程的靈活性和準(zhǔn)確性 大大提高了分揀效率 為進(jìn) 一步提升系統(tǒng)對(duì)食品安全的監(jiān)控能力 系統(tǒng)還集成了化 第2期微論 廣告 97 學(xué)殘留物檢測(cè)傳感器 傳感器能夠檢測(cè)敵敵畏 草甘 膦 乙草胺等農(nóng)藥殘留物 通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些化學(xué)物質(zhì) 的殘留情況 系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整分揀流程 確保所有分 揀出的西紅柿都符合食品安全標(biāo)準(zhǔn) 4 基于PLC的分揀機(jī)器人控制策略 4 1 化學(xué)監(jiān)測(cè)反饋機(jī)制 PLC系統(tǒng)與化學(xué)傳感器的集成使分揀機(jī)器人具備了 實(shí)時(shí)化學(xué)監(jiān)測(cè)能力 化學(xué)傳感器安裝在傳送帶的關(guān)鍵位 置 能夠準(zhǔn)確檢測(cè)西紅柿表面的化學(xué)殘留物質(zhì) 不僅能 夠識(shí)別殘留物的種類 還能量化其濃度 檢測(cè)結(jié)果以數(shù) 字信號(hào)的形式傳輸至PLC的輸入模塊 PLC系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí) 分析這些信號(hào)并與預(yù)設(shè)的安全閾值進(jìn)行對(duì)比 一旦發(fā)現(xiàn) 樣品的化學(xué)殘留濃度接近或超出閾值 PLC系統(tǒng)會(huì)立即 作出響應(yīng) 調(diào)整分揀參數(shù) 例如增大分揀門的分離力度 或降低傳送帶速度 以確保問題樣品被準(zhǔn)確識(shí)別和分 類 化學(xué)監(jiān)測(cè)反饋機(jī)制的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于 其持續(xù) 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與分析能力 這意味著系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)適 應(yīng)環(huán)境的變化 如環(huán)境中農(nóng)藥殘留濃度的異常升高 在 這種情況下 PLC系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)警報(bào) 提醒操作員并 暫停生產(chǎn)線 直至潛在的污染源被清除 這種反饋機(jī)制 的核心優(yōu)勢(shì)在于提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和安全性 能夠確 保所有分揀出的西紅柿符合食品安全標(biāo)準(zhǔn) 4 2 智能調(diào)節(jié)與優(yōu)化策略 智能調(diào)節(jié)與優(yōu)化策略是PLC分揀機(jī)器人系統(tǒng)的核心 功能 通過不斷學(xué)習(xí)和調(diào)整 系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的操作 條件和環(huán)境變化 智能調(diào)節(jié)與優(yōu)化策略主要包括3部 分 一是自動(dòng)調(diào)整參數(shù) 系統(tǒng)通過分析數(shù)據(jù)來優(yōu)化其參 數(shù)設(shè)置 例如調(diào)整分揀門的開閉速度或改變攝像頭的焦 距 以適應(yīng)不同大小和形狀的西紅柿 二是優(yōu)化算法 利用收集到的大量分揀數(shù)據(jù) 通過機(jī)器學(xué)習(xí)不斷優(yōu)化圖 像識(shí)別模型 例如 通過深度學(xué)習(xí)技術(shù) 系統(tǒng)可以更準(zhǔn) 確地識(shí)別西紅柿的成熟度和表面質(zhì)量 三是監(jiān)控性能 系統(tǒng)內(nèi)置的監(jiān)控工具可以實(shí)時(shí)跟蹤和評(píng)估分揀過程的效 率和準(zhǔn)確性 任何偏差都會(huì)立即報(bào)告給操作員 同時(shí)系 統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整以糾正這些偏差 4 3 自適應(yīng)反饋機(jī)制 自適應(yīng)反饋機(jī)制是PLC分揀機(jī)器人系統(tǒng)中一個(gè)先進(jìn) 的特性 它使機(jī)器人能夠根據(jù)實(shí)際操作中的反饋進(jìn)行自 我調(diào)整 自適應(yīng)反饋機(jī)制包括以下內(nèi)容 一是錯(cuò)誤反饋 處理 系統(tǒng)能夠識(shí)別操作過程中的錯(cuò)誤并立即調(diào)整 例 如 如果連續(xù)幾次分揀錯(cuò)誤 系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整相關(guān)的圖 像處理參數(shù) 如顏色閾值或大小判定標(biāo)準(zhǔn) 二是環(huán)境適 應(yīng)性 分揀機(jī)器人可以根據(jù)環(huán)境變化 如光照變化 溫 度波動(dòng)等 調(diào)整其操作參數(shù) 保證分揀過程的穩(wěn)定性和 準(zhǔn)確性 三是長期優(yōu)化 通過對(duì)操作數(shù)據(jù)持續(xù)分析 系 統(tǒng)能夠識(shí)別出潛在的改進(jìn)空間 并通過更新軟件和調(diào)整 算法來實(shí)施這些改進(jìn)方案 從而提高系統(tǒng)的整體性能 通過這些控制策略 基于PLC的分揀機(jī)器人不僅能 夠?qū)崿F(xiàn)高效率和高準(zhǔn)確率的分揀操作 還能通過智能調(diào) 節(jié)和自適應(yīng)反饋機(jī)制持續(xù)優(yōu)化其性能 以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)的高標(biāo)準(zhǔn)需求 為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化提供 有力支持 5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析 5 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 為了評(píng)估PLC分揀機(jī)器人在有機(jī)西紅柿分揀中的實(shí) 際效果 設(shè)置光照條件 6 500 K白光LED燈 照度 800 lux 西紅柿品種 有機(jī)圣女果 有機(jī)牛心西紅柿 有機(jī)番茄和有機(jī)櫻桃番茄 傳送帶速度 固定為 0 5 m s 以確保攝像頭與化學(xué)傳感器均能捕捉到清晰的 數(shù)據(jù) 圖像采集與化學(xué)檢測(cè)頻率 攝像頭設(shè)置為10 fps 進(jìn)行拍攝 同時(shí)化學(xué)傳感器以1 Hz的頻率檢測(cè)農(nóng)藥 殘留 實(shí)驗(yàn)步驟主要包括 1 樣本準(zhǔn)備 每種西紅柿至 少收集200個(gè)樣本 涵蓋不同成熟度 表面缺陷及可能 的化學(xué)殘留情況 2 初步分類 人工檢查并剔除有明 顯腐爛或損傷的樣本 確保實(shí)驗(yàn)樣本具有代表性 3 機(jī)器人設(shè)置 準(zhǔn)備PLC分揀機(jī)器人并確保其處于良好的 工作狀態(tài) 4 調(diào)整PLC程序 設(shè)定顏色閾值與化學(xué)檢 測(cè)參數(shù) 以便機(jī)器人能夠準(zhǔn)確識(shí)別西紅柿的物理和化學(xué) 特性 5 實(shí)驗(yàn)執(zhí)行 將樣本通過傳送帶進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域 攝像頭與化學(xué)傳感器同步采集數(shù)據(jù) 系統(tǒng)根據(jù)分析結(jié)果 自動(dòng)分類并記錄每個(gè)樣本的分類時(shí)間 類別及化學(xué)檢測(cè) 結(jié)果 6 數(shù)據(jù)記錄與分析 采集每個(gè)樣本的多組數(shù)據(jù) 并將數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到服務(wù)器中用于統(tǒng)計(jì)分析 7 分類 標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)尺寸將西紅柿分為小 10 cm 3類 顏色分為綠色 黃色 紅色 3類 表面質(zhì)量分為優(yōu) 良 中 差4級(jí) 化學(xué)安全性 分為合格 不合格2類 5 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 使用描述性統(tǒng)計(jì)和方差分析對(duì)不同分類標(biāo)準(zhǔn)下系統(tǒng) 的表現(xiàn)進(jìn)行深入分析 結(jié)果表明 機(jī)器人在大小分類上 表現(xiàn)最佳 準(zhǔn)確率高達(dá)98 化學(xué)安全性分類的準(zhǔn)確率 達(dá)到95 顯示出化學(xué)傳感器與PLC系統(tǒng)結(jié)合的有效 性 然而 在顏色分類任務(wù)中 主要錯(cuò)誤源于成熟度邊 界不清的樣本 這表明在顏色分類上 系統(tǒng)對(duì)于某些具 有模糊邊界特征的樣本識(shí)別能力有待提升 在表面質(zhì)量 分類方面 也存在一定的誤差 主要源于細(xì)微裂紋或斑 點(diǎn)在低光照條件下難以識(shí)別 化學(xué)安全性分類中 誤檢 主要來自于化學(xué)殘留濃度接近檢測(cè)限的樣品 這說明系 統(tǒng)對(duì)于極低濃度化學(xué)殘留的檢測(cè)靈敏度還需進(jìn)一步 提高 集成先進(jìn)PLC與機(jī)器視覺技術(shù)的分揀機(jī)器人 不僅 實(shí)現(xiàn)了西紅柿分揀的自動(dòng)化和智能化 還顯著提升了操 作效率和準(zhǔn)確性 這一系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用表明 技術(shù)創(chuàng)新能有效解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的品種識(shí)別和質(zhì)量控制 等實(shí)際問題 推動(dòng)農(nóng)業(yè)向更高的自動(dòng)化和智能化水平發(fā) 展 此外 系統(tǒng)的自我優(yōu)化能力確保了長期性能的提 升 為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了持續(xù)可靠的支持 展現(xiàn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn) 代化的巨大潛力