專利名稱：基于可見近紅外光譜的水果糖酸度分選生產(chǎn)線控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水果內(nèi)部酸糖度光譜分選生產(chǎn)線的控制裝置，屬農(nóng)林水果在線無損檢
測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人們生活水平的不斷提高，消費者在選購水果時不僅注重大小，顏色和外形 等外部品質(zhì)，而且更注重口感、糖度和酸度等內(nèi)部品質(zhì)。目前國外水果采摘后分選，開始由 外部品質(zhì)檢測向內(nèi)外部兼顧的全品質(zhì)檢測。近紅外光譜診斷技術(shù)是既檢測水果內(nèi)部品質(zhì) 又不破壞水果的新技術(shù)，日本、美國、比利時、新西蘭、以色列等國已將該技術(shù)投入到農(nóng)產(chǎn)品 產(chǎn)后處理過程中。國內(nèi)使用近紅外光譜對農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)分析，主要集中在谷物和部分果 蔬內(nèi)部品質(zhì)實驗分析上，而對內(nèi)部品質(zhì)的糖度、酸度、硬度和VC含量等的檢測裝置鮮有報 道。國內(nèi)引進的農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)近紅外光譜檢測設(shè)備，大部分是高精實驗室光譜分析儀器， 除檢測成本高，時間長外，更不適合實時高速作業(yè)的生產(chǎn)線。因此，綜合應(yīng)用近紅外光譜，機 械電子，自動化控制和化學(xué)計量等多學(xué)科技術(shù)，對水果進行全品(包括外部和內(nèi)部品質(zhì))分 選，滿足水果產(chǎn)后及大規(guī)模商品化需求已迫在眉睫。 美國專利NO. 4883953， NO. 5089701分別介紹了對于不同的檢測水果，如哈密瓜， 柑桔，蘋果等，運用不同的光譜波段進行了水果內(nèi)部品質(zhì)檢測裝置的開發(fā)，但沒有充分考慮 水果檢測外部信號和邏輯器件對控制的干擾。公告號CN2779390的中國專利公開了一種近 紅外水果糖酸度分析用檢測裝置，沒有涉及產(chǎn)后水果的分選和控制裝置。公告號2553907 中國專利、公告號2555109的中國專利、公開號1394699的中國專利、公告號2555110的中 國專利公開了基于水果機器視覺生產(chǎn)線的分選裝置，利用圖像處理對水果形狀，大小，色 澤，表皮光滑度等外部品質(zhì)進行分選，但均采用單片機實現(xiàn)自動控制，容易受到邏輯器件的 干擾，造成控制的紊亂。公告號100449301的中國專利公開了多級輸送及分選的光特性水 果內(nèi)部品質(zhì)分選裝置，但控制系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性受限于外圍分選邏輯器件的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于綜合應(yīng)用可見近紅外光譜，機械電子，自動控制等多學(xué)科技術(shù)， 利用可見近紅外反射光譜對水果內(nèi)部糖酸度進行在線檢測與分選，結(jié)合可靠性強的PLC進 行水果隊列等級的賦值、移位控制、標(biāo)記的提取、比較判斷等處理，實現(xiàn)快速智能化水果內(nèi) 部糖酸度動態(tài)在線檢測與分選。 本發(fā)明的技術(shù)方案是由本發(fā)明提供一種基于可見近紅外光譜的水果內(nèi)部糖酸度 分選生產(chǎn)線控制裝置，通過本發(fā)明的裝置采集水果的漫反射近紅外光譜，并利用預(yù)先建立 的水果內(nèi)部糖酸度預(yù)測數(shù)學(xué)模型，計算出水果內(nèi)部的糖酸度含量，并結(jié)合自動控制技術(shù)，實 現(xiàn)水果內(nèi)部糖酸度的在線檢測與自動化分選。 本發(fā)明一種基于可見近紅外光譜的水果內(nèi)部糖酸度分選生產(chǎn)線控制裝置由硬件 裝置和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。
本發(fā)明的硬件裝置如圖1、圖2、圖3所示。硬件裝置包括光譜采集模塊(2)、計算 機模塊(9)、分選控制模塊(29)。 所述光譜采集模塊(2)包括鹵鎢燈(20)組合光源、透鏡(21)、探頭(22)、光纖 (23)、光纖光譜儀(24)、恒流源(25);探頭(22)安裝在光照箱上(6);探頭(22)通過光纖 (23)與光纖光譜儀(24)連接；恒流源(25)與鹵鎢燈(20)組合光源連接，為光源供電。
所述計算機模塊(9)包括顯示屏(26)，主板(27)，數(shù)據(jù)存儲器(28)等；主板(27) 通過C0M 口與顯示屏(26)通信、通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)寫入/讀出數(shù)據(jù)存儲器(28)、通過USB 與光纖光譜儀通信、通過串口 RS232與PLC通信。所述分選控制模塊(29)包括PLC(10)，光電接近開關(guān)(l)，編碼盤，啟動按鈕(51)， 停止按鈕(50)，調(diào)速電位器(54)，電機(56)，變頻器(57)，旋轉(zhuǎn)電磁鐵(13， 15， 17);按鈕 (51、50)控制PLC的YO 口實現(xiàn)對變頻器控制口 FWD的控制，實現(xiàn)電機(56)的啟動和停止； 光電接近開關(guān)(1)和編碼盤對水果位置檢測，由PLC(IO)實現(xiàn)水果分選。
本發(fā)明軟件系統(tǒng)由光譜分析模塊和分選軟件模塊組成。 所述光譜分析模塊包括光譜信息的采集、轉(zhuǎn)換、讀、存、顯示、參數(shù)設(shè)置及預(yù)測等功 能； 所述分選軟件模塊包括等級的賦值、移位控制、標(biāo)記的提取、比較判斷等處理內(nèi)容。 本發(fā)明所述水果內(nèi)部糖酸度分選生產(chǎn)線控制裝置的工作過程如下 1)按下啟動按鈕(51)，生產(chǎn)線運行，調(diào)節(jié)速度，水果隨生產(chǎn)線進入可見近紅外光
譜檢測工位； 2)接近開關(guān)(1)檢測水果運動的位置信息，傳遞給PLC(IO);
3) PLC (10)每觸發(fā)一次光譜儀(24)，光譜儀就采集一次經(jīng)完整水果吸收反射后的 近紅外光譜，并將信號傳送至計算機(9)軟件的水果糖酸度模型中，預(yù)測出水果糖酸度含 量的等級； 4)計算機(9)通過RS232通信接口與PLC程序控制器(10)建立通信聯(lián)系，把等級 信號賦值給PLC; 5) PLC通過移位控制對動態(tài)移動水果進行配準(zhǔn)； 6)當(dāng)水果移動到分選口時，PLC通過對等級信號的提取、判斷及輸出控制，驅(qū)動各 分選口的旋轉(zhuǎn)電磁鐵(13、15、17)，實現(xiàn)不同等級水果的分選。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較的有益效果是，本發(fā)明水果內(nèi)部酸糖度光譜分選生產(chǎn)線的 控制裝置在可見近紅外波長范圍內(nèi)，能獲取水果的近紅外吸收光譜信息，通過本發(fā)明的控 制裝置快速大批量地完成水果內(nèi)部品質(zhì)糖酸度在線動態(tài)檢測和自動化分選，提高了水果內(nèi) 部品質(zhì)的動態(tài)檢測和分選的自動化水平，應(yīng)用于水果分選生產(chǎn)后，可以提高我國水果在國 際市場的競爭力。 本發(fā)明適用于各種水果內(nèi)部品質(zhì)的動態(tài)檢測和分選。


圖1是本發(fā)明的控制裝置示意圖；
圖2是本發(fā)明的PLC接口示意 圖3是本發(fā)明的變頻器接口示意圖； 圖4是水果隊列控制原理圖； 圖5是本發(fā)明的控制裝置軟硬件組成框圖。 圖中圖號表示(l)光電接近開關(guān)；(2)光譜采集模塊；(6) 、 (7)光纖光譜儀控制 端子;(8)水果;(9)計算機模塊;(10)PLC(FX2N)程序控制器;(13)旋轉(zhuǎn)電磁鐵一 ;(15)旋
轉(zhuǎn)電磁鐵二 ； (17)旋轉(zhuǎn)電磁鐵三；(20)鹵鎢燈；(21)透鏡；(22)探頭；(23)光纖；(24)光纖 光譜儀;(25)恒流源;(26)顯示屏;(27)主板;(28)數(shù)據(jù)存儲器;(29)分選控制模塊;(50)
停止按鈕；(51)啟動按鈕；(52) 、 (53)PLC與變頻器連接端子；(54)調(diào)速電位器；(55)空氣 斷路器;(56)電機;(57)變頻器;(60)控制面板。
具體實施例方式
本發(fā)明實施例的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光照單元和光譜儀(24)構(gòu)成光譜采集模 塊(2);由計算機(9)和可編程序控制器PLC(IO)等構(gòu)成分選控制模(29)。光譜采集模塊 (2)包括4盞鹵鎢燈(20)組合光源、透鏡(21)、探頭(22)、恒流源(25)，光纖(23)、光纖光譜 儀(24);鹵鎢燈(20)，透鏡(21)，探頭(22)安裝在光照箱上；探頭(22)通過光纖(23)與光 纖光譜儀(24)連接；4盞鹵鎢燈(20)沿圓周方向成約90。均布，每盞鹵鎢燈光源的軸線與 探頭的軸線成約7。夾角。分選控制模(29)包括計算機(9)及軟件、程序控制器PLC(10)、 控制面板(60)、旋轉(zhuǎn)電磁鐵(13)、 (15)、 (17)等；控制面板(60)上的元件連接到PLC(IO) 的輸入口 ；旋轉(zhuǎn)電磁鐵連接到PLC輸出口 ，由PLC邏輯控制其各自的動作。
本發(fā)明實施例的可編程序控制器PLC接口如圖2所示，包括可編程控制器 PLC(10)、光電接近開關(guān)(1)、編碼盤、啟動按鈕(51)、停止按鈕(50)、旋轉(zhuǎn)電磁鐵(13)、 (15) 、(17)。啟動按鈕(51)和停止按鈕(50)連接在PLC(IO)的輸入口 ；旋轉(zhuǎn)電磁鐵(13)， (15)， (17)連接在PLC(IO)的各輸出口并分別安裝在分選口處；由旋轉(zhuǎn)電磁鐵推動側(cè)翻式 果盤分選水果。 本發(fā)明實施例的變頻器接口連接如圖3所示，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)線的有效控制，本 發(fā)明實施例采用變頻調(diào)速，變頻調(diào)速裝置由變頻器(57)，調(diào)速電位器(54)，電機(56)組成。 調(diào)速電位器(54)連接在變頻器(57)的控制口并固定在控制面板上(60);電機(56)連接 在變頻器(57)的輸出口，采用三角形連接；旋轉(zhuǎn)調(diào)速電位器(54)對電機(56)調(diào)速，從而對 生產(chǎn)線進行調(diào)速。 本發(fā)明實施例的水果隊列控制原理如圖4所示，水果隊列配準(zhǔn)由PLC軟元件 D0-D23， D80構(gòu)成；動態(tài)水果隊列配準(zhǔn)由PLC左移位程序?qū)崿F(xiàn)。 本發(fā)明實施例的控制裝置軟硬件組成如圖5所示，控制裝置包括硬件裝置和軟件 系統(tǒng)。硬件裝置包括光譜采集、計算機和分選控制3個功能模塊；軟件系統(tǒng)包括光譜分析和 分選軟件模塊。 下面結(jié)合圖1-5介紹工作過程 ①按下啟動按鈕(50)/停止按鈕(51)，電機(56)啟動/停止，調(diào)節(jié)調(diào)速電位器 (54)，控制生產(chǎn)線的運行速度，生產(chǎn)線正常運行，開啟光譜采集模塊(2);
②當(dāng)水果(8)隨機械輸送裝置進入近紅外光譜檢測工位，由鹵鎢燈(20)射出的光 線照射到水果(8)表面，經(jīng)內(nèi)部組織吸收反射，反射光經(jīng)透鏡(21)到探頭(22)，由接近開關(guān)(1)對光纖光譜儀(24)外部觸發(fā)后，通過光纖(23)進入光譜儀(24)，分光及A/D轉(zhuǎn)換后進 入計算機模塊(9)，計算機軟件自動將水果吸光度光譜帶入已建立的水果糖酸度預(yù)測模型， 計算并顯示出水果糖酸度含量的大小，分段劃分水果糖酸度等級； ③利用VB和MSComm控件，對RS232串口編程，計算機(9)通過計算判斷水果的三 個等級，分別強制PLC(IO)的軟元件M0、M1、M2置位，把等級信號傳給PLC(10)，完成對水果 等級的標(biāo)定； ④利用傳輸指令，把構(gòu)建中間橋梁的四個數(shù)100、200、300、400(空位)，傳給數(shù)據(jù) 寄存單元D80， 一旦通過標(biāo)定，每一個水果就帶上了等級標(biāo)志，在運動中，等級標(biāo)志隨著生產(chǎn) 線同步運動； ⑤程序中首先建立一組長于生產(chǎn)線檢測口到分選口長度的數(shù)據(jù)存儲單元序列
(如24)，當(dāng)接近開關(guān)1每觸發(fā)一次，D80中代表水果等級的數(shù)壓入由24個數(shù)據(jù)寄存單元
D0-D23組成的隊列右端，左移一位，水果(8)每移動一個工位，接近開關(guān)(1)被觸發(fā)一次，
D0-D23隊列左移一位，至此，水果(8)跟蹤被有效移植到PLC(IO)程序中； ⑥計算好三個分選口分別對應(yīng)的三個數(shù)據(jù)存儲單元地址，提取代表三個等級并被
賦值的數(shù)和指向的這三個數(shù)據(jù)存儲單元的數(shù)，采用比較指令，若相等，使旋轉(zhuǎn)電磁鐵(13)
上電，若不等，水果(8)隨生產(chǎn)線轉(zhuǎn)移到下一個旋轉(zhuǎn)電磁鐵(15)判斷； ⑦當(dāng)水果(8)糖酸度信息同步于水果到位時，若旋轉(zhuǎn)電磁鐵(13)上電動作，旋轉(zhuǎn)
電磁鐵(13)轉(zhuǎn)臂推動側(cè)翻式果盤側(cè)翻，把水果翻入分選口，若旋轉(zhuǎn)電磁鐵(13)不動作，則
水果隨著機械輸送系統(tǒng)輸送到向下一個分選口。
主要程序 1 、上位機與PLC的通信 利用MSComm控件的通信步驟為加入通信控件，設(shè)置通信端口號碼，設(shè)置通信協(xié) 議，設(shè)置傳輸參數(shù)，開啟通信端口 ，送出字符串。 上位機向PLC發(fā)送的報文格式如表1所示。其中，STX為開始標(biāo)志；ETS為結(jié)束標(biāo) 志；CMD為命令的ASC II碼SUMH、SUML為從CMD到ETX按字節(jié)求累加和，溢出不計。由于 每字節(jié)十六進制數(shù)變?yōu)閮勺止?jié)ASC II代碼，故和校驗為SUMH與SUMI。
表1.通訊協(xié)議
「固7， I STX CMD~~數(shù)據(jù)段~~"~~SUMH~~SUML 強制PLC的軟元件M0、 Ml、 M2、 M3觸發(fā)指令為例
定義校驗和的函數(shù)主要代碼為
觸發(fā)M0、 Ml、 M2的主要代碼為 dat=〃 7〃 +〃 0008〃 +Chr(3) ，形成M0置位指令幀；
dat=〃 7〃 +〃 0108〃 +Chr(3) ，形成Ml置位指令幀；
dat=〃 7〃 +〃 0208〃 +Chr(3) ，形成M2置位指令幀；
dat=〃 7〃 +〃 0308〃 +Chr(3) ，形成M3置位指令幀；
' MSComml. Output = Chr (2)+dat+sumchk(dat)，置位指令幀發(fā)送。
sumchk(dat)為和校驗，字符7為置位指令字符，發(fā)送8000，對應(yīng)M0軟元件地址， 完成M0的置位，若將字符改為8，則對M0軟元件復(fù)位。對于多級水果，用Ml-M3的置位或復(fù)位，控制其對應(yīng)的發(fā)送地址為0108-0308， M0-M1023軟元件置位地址按0800-OBFF推算。
2、水果的等級標(biāo)定分級 采用數(shù)字100、200、300、400(空位)對三個等級的水果構(gòu)建中間橋梁，用軟元件 M0-M3傳輸這四個數(shù)字給D80，對不同等級水果進行標(biāo)定。程序主要代碼為:U) X2，接近開關(guān)觸發(fā)；MPS，入棧；AND MO，上位機觸發(fā)MO ;MOV K100D80 '傳輸100到D80 ;MRD，讀棧；AND Ml，上位機觸發(fā)Ml ;MOV K200D80 '傳輸200到D80 ;MRD，讀棧；AND M2，上位機觸發(fā)M2 ;MOV K300D80 '傳輸300到D80 ;MPP，出棧；AND M3，上位機觸發(fā)M3 ;MOV K400D80 '傳輸400到D80。3、水果的運動跟蹤
程序中首先建立--組長于生產(chǎn)線檢測口到分選口長度的數(shù)據(jù)存儲單元序列，當(dāng)接
近開關(guān)每觸發(fā)一次，把水果等級標(biāo)記賦值給D80并移一位。 以DO為起始位，數(shù)據(jù)存儲單元位數(shù)為24，一次移位長度為一位。 程序主要代碼為 LD X2 '接近開關(guān)觸發(fā)；WSFLP D80 DO K24 Kl '把D80中的數(shù)賦值D0，并在D0-D23中右
移位，當(dāng)移到D23后溢出。 4、水果等級的標(biāo)記提取及分選控制 比較代表三個等級并被賦值的數(shù)100、200、300和指向的這三個數(shù)據(jù)存儲單元D7、
D14、 D21的數(shù)。程序為當(dāng)D7中的數(shù)和100相等，Mil閉合；當(dāng)D14中的數(shù)和200相等，M21
閉合；當(dāng)D21中的數(shù)和300相等，M31閉合。 程序主要代碼為 LD X2 '接近開關(guān)觸發(fā)； CMP K100 D7 M10 ，比較D7與100 ; LD Mil '取輔助繼電器Mll軟元件； OUT Y4 ，輸出； CMP K200 D14 M20 '比較D14與200 ; LD M21 '取輔助繼電器M21軟元件； OUT Y5 ，輸出；CMP K300 D21 M30 ，比較D21與300 ;
LD M31 '取輔助繼電器M31軟元件； OUT Y6 '輸出。
權(quán)利要求
一種基于可見近紅外光譜的水果糖酸度分選生產(chǎn)線控制裝置，由硬件裝置和軟件系統(tǒng)所組成，其特征在于，所述硬件裝置包括光譜采集、計算機及分選控制三個功能模塊；所述的軟件系統(tǒng)包括光譜分析和分選軟件模塊；所述控制裝置的工作過程包括下列步驟按下啟動按鈕，生產(chǎn)線運行，調(diào)節(jié)速度，水果隨生產(chǎn)線進入可見近紅外光譜檢測工位；編碼盤和接近開關(guān)檢測水果運動的位置信息，傳遞給PLC；PLC每觸發(fā)一次光譜儀，光譜儀就采集一次經(jīng)完整水果吸收反射后的可見近紅外光譜，并將信號傳送至計算機軟件的水果糖酸度模型中，預(yù)測出水果糖酸度含量的等級；計算機通過RS232通信口與PLC建立通信聯(lián)系，把等級信號賦值給PLC；PLC通過移位控制對動態(tài)移動水果進行配準(zhǔn)；當(dāng)水果移動到分選口時，PLC通過對等級信號的提取、判斷及輸出控制，驅(qū)動各分選口的旋轉(zhuǎn)電磁鐵，實現(xiàn)不同等級水果的分選。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可見近紅外光譜的水果糖酸度分選生產(chǎn)線控制裝置，其特征在于，所述光譜采集模塊(2)包括鹵鎢燈(20)組合光源、透鏡(21)、探頭(22)、光纖(23)、光纖光譜儀(24)、恒流源(25);探頭(22)安裝在光照箱上；探頭(22)通過光纖(23)與光纖光譜儀(24)連接；恒流源(25)與鹵鎢燈(20)組合光源連接，為光源供電；鹵鎢燈(20)組合光源共4盞，沿探頭的圓周方向成約90。間隔均布，每盞鹵鎢燈光源的軸線與探頭的軸線成約7°夾角；所述計算機模塊(9)包括顯示屏(26)，主板(27)，數(shù)據(jù)存儲器(28)等；主板(27)通過COM 口與顯示屏(26)通信、通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)寫入/讀出數(shù)據(jù)存儲器(28)、通過USB與光纖光譜儀通信、通過串口 RS232與PLC通信；所述分選控制模塊(29)包括PLC(10)，光電接近開關(guān)(l)，編碼盤，啟動按鈕(51)，停止按鈕(50)，調(diào)速電位器(54)，電機(56)，變頻器(57)，旋轉(zhuǎn)電磁鐵(13， 15， 17);啟動按鈕(51)和停止按鈕(50)連接在PLC(IO)輸入口并固定在控制面板(60)上；調(diào)速電位器(54)連接在變頻器(57)的控制口并固定在控制面板上(60);電機(56)連接在變頻器(57)的輸出口 ；旋轉(zhuǎn)電磁鐵(13、 15、 17)分別安裝在三個分選口處；按鈕(51 、50)控制PLC的YO 口實現(xiàn)對變頻器控制口 FWD的控制，實現(xiàn)電機(56)的啟動和停止；旋轉(zhuǎn)調(diào)速電位器(54)對電機(56)調(diào)速，從而對生產(chǎn)線進行調(diào)速；光電接近開關(guān)(1)和編碼盤對水果位置檢測，由PLC(10)實現(xiàn)水果分選。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可見近紅外光譜的水果糖酸度分選生產(chǎn)線控制裝置，其特征在于，所述光譜分析模塊包括光譜信息的采集、轉(zhuǎn)換、讀、存、顯示、參數(shù)設(shè)置及預(yù)測等功能；所述分選軟件模塊包括等級的賦值、移位控制、標(biāo)記的提取、比較判斷等處理內(nèi)容。
全文摘要
一種基于可見近紅外光譜的水果糖酸度分選生產(chǎn)線控制裝置，由硬件裝置和軟件系統(tǒng)所組成。硬件裝置包括光譜采集(2)、計算機(9)及分選控制(29)三個模塊；軟件系統(tǒng)包括光譜分析和分選軟件模塊?？刂蒲b置工作過程為按啟動按鈕，生產(chǎn)線運行，水果進入可見近紅外光譜檢測工位；接近開關(guān)(1)檢測水果運動的位置信息，傳遞給PLC(10)并觸發(fā)光譜儀(24)，光譜儀采集經(jīng)水果反射后的可見近紅外光譜，并將信號傳至計算機軟件的水果糖酸度模型中，檢測水果糖酸度含量等級；計算機把等級信號給PLC；并通過移位控制對動態(tài)移動水果進行配準(zhǔn)；當(dāng)水果移動到分選口時，PLC通過對等級信號的提取、判斷及輸出控制，驅(qū)動分選口的旋轉(zhuǎn)電磁鐵，實現(xiàn)不同等級水果的分選。
文檔編號G01N21/35GK101702088SQ200910186330
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者劉燕德, 周建民, 孫旭東, 楊超, 章海亮, 高榮杰, 龔志遠 申請人:華東交通大學(xué)