CN101702088B

CN101702088B - 基于可见近红外光谱的水果糖酸度分选生产线控制装置

Info

Publication number: CN101702088B
Application number: CN2009101863303A
Authority: CN
Inventors: 刘燕德; 龚志远; 孙旭东; 高荣杰; 章海亮; 周建民; 杨超
Original assignee: East China Jiaotong University
Current assignee: East China Jiaotong University
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: CN101702088A

Abstract

一种基于可见近红外光谱的水果糖酸度分选生产线控制装置，由硬件装置和软件系统所组成。硬件装置包括光谱采集(2)、计算机(9)及分选控制(29)三个模块；软件系统包括光谱分析和分选软件模块。控制装置工作过程为：按启动按钮，生产线运行，水果进入可见近红外光谱检测工位；接近开关(1)检测水果运动的位置信息，传递给PLC(10)并触发光谱仪(24)，光谱仪采集经水果反射后的可见近红外光谱，并将信号传至计算机软件的水果糖酸度模型中，检测水果糖酸度含量等级；计算机把等级信号给PLC；并通过移位控制对动态移动水果进行配准；当水果移动到分选口时，PLC通过对等级信号的提取、判断及输出控制，驱动分选口的旋转电磁铁，实现不同等级水果的分选。

Description

基于可见近红外光谱的水果糖酸度分选生产线控制装置

技术领域

本发明涉及水果内部酸糖度光谱分选生产线的控制装置，属农林水果在线无损检测技术领域。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，消费者在选购水果时不仅注重大小，颜色和外形等外部品质，而且更注重口感、糖度和酸度等内部品质。目前国外水果采摘后分选，开始由外部品质检测向内外部兼顾的全品质检测。近红外光谱诊断技术是既检测水果内部品质又不破坏水果的新技术，日本、美国、比利时、新西兰、以色列等国已将该技术投入到农产品产后处理过程中。国内使用近红外光谱对农产品内部品质分析，主要集中在谷物和部分果蔬内部品质实验分析上，而对内部品质的糖度、酸度、硬度和VC含量等的检测装置鲜有报道。国内引进的农产品内部品质近红外光谱检测设备，大部分是高精实验室光谱分析仪器，除检测成本高，时间长外，更不适合实时高速作业的生产线。因此，综合应用近红外光谱，机械电子，自动化控制和化学计量等多学科技术，对水果进行全品(包括外部和内部品质)分选，满足水果产后及大规模商品化需求已迫在眉睫。

美国专利NO.4883953，NO.5089701分别介绍了对于不同的检测水果，如：哈密瓜，柑桔，苹果等，运用不同的光谱波段进行了水果内部品质检测装置的开发，但没有充分考虑水果检测外部信号和逻辑器件对控制的干扰。公告号CN2779390的中国专利公开了一种近红外水果糖酸度分析用检测装置，没有涉及产后水果的分选和控制装置。公告号2553907中国专利、公告号2555109的中国专利、公开号1394699的中国专利、公告号2555110的中国专利公开了基于水果机器视觉生产线的分选装置，利用图像处理对水果形状，大小，色泽，表皮光滑度等外部品质进行分选，但均采用单片机实现自动控制，容易受到逻辑器件的干扰，造成控制的紊乱。公告号100449301的中国专利公开了多级输送及分选的光特性水果内部品质分选装置，但控制系统复杂，可靠性受限于外围分选逻辑器件的影响。

发明内容

本发明的目的在于综合应用可见近红外光谱，机械电子，自动控制等多学科技术，利用可见近红外反射光谱对水果内部糖酸度进行在线检测与分选，结合可靠性强的PLC进行水果队列等级的赋值、移位控制、标记的提取、比较判断等处理，实现快速智能化水果内部糖酸度动态在线检测与分选。

本发明的技术方案是：由本发明提供一种基于可见近红外光谱的水果内部糖酸度分选生产线控制装置，通过本发明的装置采集水果的漫反射近红外光谱，并利用预先建立的水果内部糖酸度预测数学模型，计算出水果内部的糖酸度含量，并结合自动控制技术，实现水果内部糖酸度的在线检测与自动化分选。

本发明一种基于可见近红外光谱的水果内部糖酸度分选生产线控制装置由硬件装置和软件系统构成。

本发明的硬件装置如图1、图2、图3所示。硬件装置包括光谱采集模块(2)、计算机模块(9)、分选控制模块(29)。

所述光谱采集模块(2)包括卤钨灯(20)组合光源、透镜(21)、探头(22)、光纤(23)、光纤光谱仪(24)、恒流源(25)；探头(22)安装在光照箱上(6)；探头(22)通过光纤(23)与光纤光谱仪(24)连接；恒流源(25)与卤钨灯(20)组合光源连接，为光源供电。

所述计算机模块(9)包括显示屏(26)，主板(27)，数据存储器(28)等；主板(27)通过COM口与显示屏(26)通信、通过数据线将数据写入/读出数据存储器(28)、通过USB与光纤光谱仪通信、通过串口RS232与PLC通信。

所述分选控制模块(29)包括PLC(10)，光电接近开关(1)，编码盘，启动按钮(51)，停止按钮(50)，调速电位器(54)，电机(56)，变频器(57)，旋转电磁铁(13，15，17)；按钮(51、50)控制PLC的Y0口实现对变频器控制口FWD的控制，实现电机(56)的启动和停止；光电接近开关(1)和编码盘对水果位置检测，由PLC(10)实现水果分选。

本发明软件系统由光谱分析模块和分选软件模块组成。

所述光谱分析模块包括光谱信息的采集、转换、读、存、显示、参数设置及预测等功能；

所述分选软件模块包括等级的赋值、移位控制、标记的提取、比较判断等处理内容。

本发明所述水果内部糖酸度分选生产线控制装置的工作过程如下：

1)按下启动按钮(51)，生产线运行，调节速度，水果随生产线进入可见近红外光谱检测工位；

2)接近开关(1)检测水果运动的位置信息，传递给PLC(10)；

3)PLC(10)每触发一次光谱仪(24)，光谱仪就采集一次经完整水果吸收反射后的近红外光谱，并将信号传送至计算机(9)软件的水果糖酸度模型中，预测出水果糖酸度含量的等级；

4)计算机(9)通过RS232通信接口与PLC程序控制器(10)建立通信联系，把等级信号赋值给PLC；

5)PLC通过移位控制对动态移动水果进行配准；

6)当水果移动到分选口时，PLC通过对等级信号的提取、判断及输出控制，驱动各分选口的旋转电磁铁(13、15、17)，实现不同等级水果的分选。

本发明与现有技术比较的有益效果是，本发明水果内部酸糖度光谱分选生产线的控制装置在可见近红外波长范围内，能获取水果的近红外吸收光谱信息，通过本发明的控制装置快速大批量地完成水果内部品质糖酸度在线动态检测和自动化分选，提高了水果内部品质的动态检测和分选的自动化水平，应用于水果分选生产后，可以提高我国水果在国际市场的竞争力。

本发明适用于各种水果内部品质的动态检测和分选。

附图说明

图1是本发明的控制装置示意图；

图2是本发明的PLC接口示意图；

图3是本发明的变频器接口示意图；

图4是水果队列控制原理图；

图5是本发明的控制装置软硬件组成框图。

图中图号表示：(1)光电接近开关；(2)光谱采集模块；(6)、(7)光纤光谱仪控制端子；(8)水果；(9)计算机模块；(10)PLC(FX2N)程序控制器；(13)旋转电磁铁一；(15)旋转电磁铁二；(17)旋转电磁铁三；(20)卤钨灯；(21)透镜；(22)探头；(23)光纤；(24)光纤光谱仪；(25)恒流源；(26)显示屏；(27)主板；(28)数据存储器；(29)分选控制模块；(50)停止按钮；(51)启动按钮；(52)、(53)PLC与变频器连接端子；(54)调速电位器；(55)空气断路器；(56)电机；(57)变频器；(60)控制面板。

具体实施方式

本发明实施例的总体结构如图1所示，由光照单元和光谱仪(24)构成光谱采集模块(2)；由计算机(9)和可编程序控制器PLC(10)等构成分选控制模(29)。光谱采集模块(2)包括4盏卤钨灯(20)组合光源、透镜(21)、探头(22)、恒流源(25)，光纤(23)、光纤光谱仪(24)；卤钨灯(20)，透镜(21)，探头(22)安装在光照箱上；探头(22)通过光纤(23)与光纤光谱仪(24)连接；4盏卤钨灯(20)沿圆周方向成约90°均布，每盏卤钨灯光源的轴线与探头的轴线成约7°夹角。分选控制模(29)包括计算机(9)及软件、程序控制器PLC(10)、控制面板(60)、旋转电磁铁(13)、(15)、(17)等；控制面板(60)上的元件连接到PLC(10)的输入口；旋转电磁铁连接到PLC输出口，由PLC逻辑控制其各自的动作。

本发明实施例的可编程序控制器PLC接口如图2所示，包括可编程控制器PLC(10)、光电接近开关(1)、编码盘、启动按钮(51)、停止按钮(50)、旋转电磁铁(13)、(15)、(17)。启动按钮(51)和停止按钮(50)连接在PLC(10)的输入口；旋转电磁铁(13)，(15)，(17)连接在PLC(10)的各输出口并分别安装在分选口处；由旋转电磁铁推动侧翻式果盘分选水果。

本发明实施例的变频器接口连接如图3所示，为了实现对生产线的有效控制，本发明实施例采用变频调速，变频调速装置由变频器(57)，调速电位器(54)，电机(56)组成。调速电位器(54)连接在变频器(57)的控制口并固定在控制面板上(60)；电机(56)连接在变频器(57)的输出口，采用三角形连接；旋转调速电位器(54)对电机(56)调速，从而对生产线进行调速。

本发明实施例的水果队列控制原理如图4所示，水果队列配准由PLC软元件D0-D23，D80构成；动态水果队列配准由PLC左移位程序实现。

本发明实施例的控制装置软硬件组成如图5所示，控制装置包括硬件装置和软件系统。硬件装置包括光谱采集、计算机和分选控制3个功能模块；软件系统包括光谱分析和分选软件模块。

下面结合图1-5介绍工作过程：

①按下启动按钮(50)/停止按钮(51)，电机(56)启动/停止，调节调速电位器(54)，控制生产线的运行速度，生产线正常运行，开启光谱采集模块(2)；

②当水果(8)随机械输送装置进入近红外光谱检测工位，由卤钨灯(20)射出的光线照射到水果(8)表面，经内部组织吸收反射，反射光经透镜(21)到探头(22)，由接近开关(1)对光纤光谱仪(24)外部触发后，通过光纤(23)进入光谱仪(24)，分光及A/D转换后进入计算机模块(9)，计算机软件自动将水果吸光度光谱带入已建立的水果糖酸度预测模型，计算并显示出水果糖酸度含量的大小，分段划分水果糖酸度等级；

③利用VB和MSComm控件，对RS232串口编程，计算机(9)通过计算判断水果的三个等级，分别强制PLC(10)的软元件M0、M1、M2置位，把等级信号传给PLC(10)，完成对水果等级的标定；

④利用传输指令，把构建中间桥梁的四个数100、200、300、400(空位)，传给数据寄存单元D80，一旦通过标定，每一个水果就带上了等级标志，在运动中，等级标志随着生产线同步运动；

⑤程序中首先建立一组长于生产线检测口到分选口长度的数据存储单元序列(如24)，当接近开关1每触发一次，D80中代表水果等级的数压入由24个数据寄存单元D0-D23组成的队列右端，左移一位，水果(8)每移动一个工位，接近开关(1)被触发一次，D0-D23队列左移一位，至此，水果(8)跟踪被有效移植到PLC(10)程序中；

⑥计算好三个分选口分别对应的三个数据存储单元地址，提取代表三个等级并被赋值的数和指向的这三个数据存储单元的数，采用比较指令，若相等，使旋转电磁铁(13)上电，若不等，水果(8)随生产线转移到下一个旋转电磁铁(15)判断；

⑦当水果(8)糖酸度信息同步于水果到位时，若旋转电磁铁(13)上电动作，旋转电磁铁(13)转臂推动侧翻式果盘侧翻，把水果翻入分选口，若旋转电磁铁(13)不动作，则水果随着机械输送系统输送到向下一个分选口。

主要程序：

1、上位机与PLC的通信

利用MSComm控件的通信步骤为：加入通信控件，设置通信端口号码，设置通信协议，设置传输参数，开启通信端口，送出字符串。

上位机向PLC发送的报文格式如表1所示。其中，STX为开始标志； ETS为结束标志；CMD为命令的ASC II码：SUMH、SUML为从CMD到ETX按字节求累加和，溢出不计。由于每字节十六进制数变为两字节ASC II代码，故和校验为SUMH与SUMI。

表1.通讯协议

STX CMD 数据段 ETX SUMH SUML

强制PLC的软元件M0、M1、M2、M3触发指令为例：

定义校验和的函数主要代码为：

触发M0、M1、M2的主要代码为：

dat＝″7″+″0008″+Chr(3) ’形成M0置位指令帧；

dat＝″7″+″0108″+Chr(3) ’形成M1置位指令帧；

dat＝″7″+″0208″+Chr(3) ’形成M2置位指令帧；

dat＝″7″+″0308″+Chr(3) ’形成M3置位指令帧；

′MSComm1.Output＝Chr(2)+dat+sumchk(dat)’置位指令帧发送。

sumchk(dat)为和校验，字符7为置位指令字符，发送8000，对应M0软元件地址，完成M0的置位，若将字符改为8，则对M0软元件复位。对于多级水果，用M1-M3的置位或复位，控制其对应的发送地址为0108-0308，M0-M1023软元件置位地址按0800-0BFF推算。

2、水果的等级标定分级

采用数字100、200、300、400(空位)对三个等级的水果构建中间桥梁，用软元件M0-M3传输这四个数字给D80，对不同等级水果进行标定。

程序主要代码为：

LD X2 ’接近开关触发；

MPS ’入栈；

AND M0 ’上位机触发M0；

MOV K100 D80 ’传输100到D80；

MRD ’读栈；

AND M1 ’上位机触发M1；

MOV K200 D80 ’传输200到D80；

MRD ’读栈；

AND M2 ’上位机触发M2；

MOV K300 D80 ’传输300到D80；

MPP ’出栈；

AND M3 ’上位机触发M3；

MOV K400 D80 ’传输400到D80。

3、水果的运动跟踪

程序中首先建立一组长于生产线检测口到分选口长度的数据存储单元序列，当接近开关每触发一次，把水果等级标记赋值给D80并移一位。

以D0为起始位，数据存储单元位数为24，一次移位长度为一位。

程序主要代码为：

LD X2 ’接近开关触发；

WSFLP D80 D0 K24 K1 ’把D80中的数赋值D0，并在D0-D23中右

移位，当移到D23后溢出。

4、水果等级的标记提取及分选控制

比较代表三个等级并被赋值的数100、200、300和指向的这三个数据存储单元D7、D14、D21的数。程序为当D7中的数和100相等，M11闭合；当D14中的数和200相等，M21闭合；当D21中的数和300相等，M31闭合。

程序主要代码为：

LD X2 ’接近开关触发；

CMP K100 D7 M10 ’比较D7与100；

LD M11 ’取辅助继电器M11软元件；

OUT Y4 ’输出；

CMP K200 D14 M20 ’比较D14与200；

LD M21 ’取辅助继电器M21软元件；

OUT Y5 ’输出；

CMP K300 D21 M30 ’比较D21与300；

LD M31 ’取辅助继电器M31软元件；

OUT Y6 ’输出。

Claims

1.一种基于可见近红外光谱的水果糖酸度分选生产线控制装置，由硬件装置和软件系统所组成，其特征在于，

所述硬件装置包括光谱采集、计算机及分选控制三个功能模块；

所述的软件系统包括光谱分析和分选软件模块；

所述控制装置的工作过程包括下列步骤：

按下启动按钮，生产线运行，调节速度，水果随生产线进入可见近红外光谱检测工位；

编码盘和接近开关检测水果运动的位置信息，传递给PLC；

PLC每触发一次光谱仪，光谱仪就采集一次经完整水果吸收反射后的可见近红外光谱，并将信号传送至计算机软件的水果糖酸度模型中，预测出水果糖酸度含量的等级；

计算机通过RS232通信口与PLC建立通信联系，把等级信号赋值给PLC；

PLC通过移位控制对动态移动水果进行配准；

当水果移动到分选口时，PLC通过对等级信号的提取、判断及输出控制，驱动各分选口的旋转电磁铁，实现不同等级水果的分选。

2.根据权利要求1所述的基于可见近红外光谱的水果糖酸度分选生产线控制装置，其特征在于，

所述光谱采集模块(2)包括卤钨灯(20)组合光源、透镜(21)、探头(22)、光纤(23)、光纤光谱仪(24)、恒流源(25)；探头(22)安装在光照箱上；探头(22)通过光纤(23)与光纤光谱仪(24)连接；恒流源(25)与卤钨灯(20)组合光源连接，为光源供电；卤钨灯(20)组合光源共4盏，沿探头的圆周方向成约90°间隔均布，每盏卤钨灯光源的轴线与探头的轴线成约7°夹角；

所述计算机模块(9)包括显示屏(26)，主板(27)，数据存储器(28)；主板(27)通过COM口与显示屏(26)通信、通过数据线将数据写入/读出数据存储器(28)、通过USB与光纤光谱仪通信、通过串口RS232与PLC通信；

所述分选控制模块(29)包括PLC(10)，光电接近开关(1)，编码盘，启动按钮(51)，停止按钮(50)，调速电位器(54)，电机(56)，变频器(57)，旋转电磁铁(13，15，17)；启动按钮(51)和停止按钮(50)连接在PLC(10)输入口并固定在控制面板(60)上；调速电位器(54)连接在变频器(57)的控制口并固定在控制面板上(60)；电机(56)连接在变频器(57)的输出口；旋转电磁铁(13、15、17)分别安装在三个分选口处；按钮(51、50)控制PLC的Y0口实现对变频器控制FWD的控制，实现电机(56)的启动和停止；旋转调速电位器(54)对电机(56)调速，从而对生产线进行调速；光电接近开关(1)和编码盘对水果位置检测，由PLC(10)实现水果分选。

3.根据权利要求1所述的基于可见近红外光谱的水果糖酸度分选生产线控制装置，其特征在于，

所述光谱分析模块包括光谱信息的采集、转换、读、存、显示、参数设置及预测功能；

所述分选软件模块包括等级的赋值、移位控制、标记的提取、比较判断处理内容。