基于PLC的玉米秸稈打包機控制系統(tǒng)設(shè)計

李偉

[摘要]打包機是一種自動化程度較高的機械設(shè)備，在打包機控制系統(tǒng)中應(yīng)用PLC可以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，同時節(jié)省工作時間和增加產(chǎn)能。文章以玉米秸稈打包機的控制系統(tǒng)為例，利用施耐德FC2N操作平臺詳細闡述玉米秸稈打包機控制系統(tǒng)的軟硬件組成及系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)過程。

[關(guān)鍵詞]打包機;控制系統(tǒng);程序

中圖分類號：S817.124 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.201909

秸稈打包機是利用壓縮原理研制出來的，可對玉米等農(nóng)作物秸稈進行高效集約化收集打包，便于電廠焚燒發(fā)電。PLC技術(shù)給工業(yè)機器設(shè)備提供了穩(wěn)定的技術(shù)支持，應(yīng)用于打包機控制系統(tǒng)領(lǐng)域可極大地促進系統(tǒng)的可操作性和智能化。舊式機電設(shè)備用防火墻技術(shù)對操作系統(tǒng)進行保護，該技術(shù)需要大量的電子元器件支持，集成復(fù)雜且節(jié)點交會，導致發(fā)生問題的概率增大，機器的運行穩(wěn)定性降低。國產(chǎn)玉米秸稈打包機多采用人工或簡單的液壓系統(tǒng)，自動化、智能化程度不高，需要消耗大量的人力成本且打包品質(zhì)難以保證。由此可見，研究節(jié)省人力、自動智能的打包機器具有一定的實際意義。

將施耐德公司的FC2N產(chǎn)品當中的FC2N-128MR型號可編程控制器[1]作為玉米秸稈打包機控制系統(tǒng)的核心，由于打包機的操作過程需要根據(jù)打包程序進行設(shè)計，因此在編程時要使用不同的程序設(shè)計方法，例如文章中的打包機編程中使用了狀態(tài)旋移設(shè)計法和經(jīng)驗編程法，狀態(tài)旋移設(shè)計法中使用字節(jié)進梯形命令LTL的編程方法，該方法可增強程序的可操作性，同時有利于編程人員學習程序的使用方法。使用了FC系列可編程控制器的操作運行化命令JSL，進一步升級了系統(tǒng)的邏輯設(shè)計，其中打包機的自動程序和返至原點程序使用了字節(jié)進梯形命令LTL語言操作模式，另外手動程序使用了試湊法的編程方法，所使用的軟件是施耐德公司的SMOAC—FCGT/WYE—F。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

FC2N是FC系列中穩(wěn)定性最高、操作性最強的、空間最小的可編程控制器[2-3]。其接線見圖1。

設(shè)備參數(shù)：

（1）電腦：要求機型是戴爾 PC/AT（兼容），中央處理器為i5及以上，運行內(nèi)存至少為2G，推薦使用4G運行內(nèi)存。

（2）集成開發(fā)環(huán)境：使用SMOAC—FCGT/WYE—F編程軟件，該編程軟件可對FC系列PLC進行程序編制，PC機操作系統(tǒng)推薦使用WIN XP或WIN 7以上操作系統(tǒng)。

（3）接口單元：采用FC-457BRC型或AV457H/DES762旋換器（微型）或FC-256AW型SE352C/FR455旋換器（外協(xié)式），以及其他指定的旋換器。

（4）通信器材：采用FC-675CAB纜線型BG-488纜線。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計原理

狀態(tài)旋移設(shè)計法的根本是用系統(tǒng)的一個固定時間化為幾個連續(xù)的過程，每一個過程叫作為字節(jié)，同時使用編程元件（例如幫助繼電器L和狀態(tài)N）來表示每一字節(jié)。根據(jù)輸出量的過程變化可區(qū)別不同字節(jié)，輸出量的開/關(guān)的情況在不同的字節(jié)之間有所不同，在相鄰的兩字節(jié)之間的輸出量總的情況也不同。由于不同字節(jié)之間存在這種區(qū)別，因此可使得代表各字節(jié)的編程元件狀態(tài)與各輸出量狀態(tài)之間產(chǎn)生較強的代碼關(guān)聯(lián)[4]，這種關(guān)聯(lián)正是編程所需的。旋移法使用旋換條件來將標志各字節(jié)的電子元件的狀態(tài)按一定的順序變化并進行控制，使用代表各字節(jié)的電子元件控制繼電器輸出。旋換條件是系統(tǒng)從當前字節(jié)旋入下一字節(jié)的信號，旋換條件可在軟件中設(shè)置，如使用計時器、繼電器等接通產(chǎn)生旋換信號，也可使用外部硬件進行信號輸入，如開關(guān)按鈕閉合或斷開、傳感器信號等，因為旋換信號的形式不同所產(chǎn)生的功能也就不同，所以旋換條件應(yīng)根據(jù)實際需求進行設(shè)計。

狀態(tài)旋移設(shè)計法具有悠久的歷史，其設(shè)計思想便于程序的設(shè)計，得到了廣泛的應(yīng)用，該方法的使用克服了繼電器控制系統(tǒng)的缺陷，繼電器控制中的順序控制方法使用的是有碰點的字節(jié)進式選線器或條形調(diào)節(jié)裝置，而碰點操作會消耗和磨損器件，導致系統(tǒng)的工作過程不穩(wěn)定甚至失靈。20世紀60年代設(shè)計的順序控制器的主要構(gòu)成包括一些獨立元件和一定范圍的集成電路，但這種順序控制設(shè)計的可操作性十分有限，穩(wěn)定性也不夠高，目前已基本無應(yīng)用。而因為編程控制器的設(shè)計繼承了狀態(tài)控制思想，所以在PLC中需要明確各個器件是何種狀態(tài)，為了方便程序設(shè)計和寬展用途，許多PLC廠商向用戶提供了眾多統(tǒng)一的和專門的電子元件及其開發(fā)指令和語言，如供設(shè)計順序控制程序用的順序功能圖語言，是當前梯形圖設(shè)計的主流思想，也是許多主流PLC都采用的程序設(shè)計語言，現(xiàn)已成為PLC的關(guān)鍵的工具編程語言和方法。

字節(jié)梯形命令可以叫作LTL命令，在FC系列PLC中一條RET命令，該命令可使LTL命令返至原位。有了這兩條命令為快速地編制順序控制梯形圖程序提供了便利。在KC編程軟件中可用符合JTY1241-5標準的順序功能圖（MHC）編程語言進行編程的編制，通過MHC可形成程序的命令表，對于采用其他語言編制的程序，如梯形圖、命令表，均可轉(zhuǎn)換為順序功能圖。在KC軟件中，可進行運行監(jiān)控和狀態(tài)識別等操作，在順序功能圖中均可視化地展現(xiàn)，這方便用戶觀察器件狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題并予以糾正，節(jié)省了硬件調(diào)試的時間和成本。FC2N的字節(jié)進梯形命令程序編制使得程序可讀性更強，邏輯更加清晰，同時也增強了運行的穩(wěn)定性。FC2N的狀態(tài)T0-T9用于第一字節(jié)，T10-T19用于返至首點，T20-T499是通用狀態(tài)，T500-T899有關(guān)閉電壓穩(wěn)定功能，T900-T999用于警示。在程序編制時，將這些狀態(tài)與字節(jié)進梯形命令一起組織編寫完成預(yù)定的功能。LTL碰點是利用LTL命令的狀態(tài)的常開開關(guān)，可完成對壓載的導電處理、命令條件調(diào)整和指定目標調(diào)整三種功能，當其中一字節(jié)為活動字節(jié)時，對應(yīng)的LTL碰點聯(lián)通，該字節(jié)的壓載被控制，當該字節(jié)后面的旋換信號產(chǎn)生，滿足旋換條件時，則后續(xù)字節(jié)對應(yīng)的狀態(tài)被JET命令置位，后來字節(jié)變?yōu)榛顒幼止?jié)，同時與舊操作字節(jié)對應(yīng)的情況被系統(tǒng)程序恢復(fù)就位，原活動字節(jié)對應(yīng)的LTL碰點關(guān)閉。

3 玉米秸稈打包機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 玉米秸稈打包機的基本動作

工業(yè)生產(chǎn)線上玉米秸稈打包機經(jīng)過下面的基本操作：切塊、給料、給料開關(guān)、壓力提升、首壓提升、升斗、上下旋斗、降斗、加壓右邊和左邊、扎包、頂包提升、送包布。這些操作中給料動作由電動機5M統(tǒng)一監(jiān)控。首壓泵電動機8M和電子開關(guān)T14、C25完成受壓開關(guān)的提升及升斗、降斗操作。加壓泵電動機9M和電子開關(guān)CV2、CV3完成加壓開關(guān)的提升操作。監(jiān)控油泵電動機9M完成左右旋斗電子開關(guān)CV5、CV6的操作，電子開關(guān)CV11、CV12完成頂包提升的操作、CV3完成擋料門關(guān)閉的操作、CV7完成扎包的動作、CV18完成放包布的操作。電動機7M控制左邊和右邊的加壓操作，設(shè)置的各操作到位均有機位閘和行程閘進行限位[5]。

3.2 打包機規(guī)程

步驟要求：在斗體的位置正確就位后，才允許進行其他操作;在進行左右旋斗操作前，加壓、首壓應(yīng)到上面位;首壓提高和升斗同時在上面位時才可以進行左右旋斗操作。打包機的操作控制方式規(guī)定為人工操作、旋回原點、奇數(shù)字節(jié)操作、不間斷、移動原點操作、自動起動、停車。

控制操作流程：第一字節(jié)玉米秸稈原料右邊給料，原料通過傳送帶運輸至首壓上，降下給料門，這時首壓和加壓一并提高。當首壓和加壓都提高到上面位時，首壓立即升斗，當首壓提高到升斗上機同時首壓上機也已經(jīng)達到標準值時開始左右旋斗，把里面的物料分層放置攤鋪。然后首壓立即降斗，當降斗到達設(shè)計值后，原料開始右邊提高至加壓上，首壓壓低至剛開始位置時下一字節(jié)立即對原料進行扎包。當扎包結(jié)束后，預(yù)壓開始，右邊進行放包布操作，頂包放出開始放包布，包字節(jié)結(jié)束，將頂包提高，玉米包裝完畢運走，系統(tǒng)回到初始位置[6]（見圖2）。

3.3 打包機控制操作過程

本打包機中的可編程控制器的輸入/輸出繼電器地址編排見表1，包括56個輸入信號和24個輸出信號，選用施耐德公司的FC2N128MR可編程序控制器，該控制器輸入和輸出口都為79個口，符合設(shè)計要求。表中MU為位置開關(guān)，QC為按鈕，JZ為檢測開關(guān)，YV為電子開關(guān)，PO為碰電器。

打包機的操作方式包括人工操作和全自動操作。人工操作程序非常簡單明了，采用試湊法將狀態(tài)旋移圖通過狀態(tài)旋移設(shè)計法實現(xiàn)。全自動操作包括連續(xù)、奇數(shù)周期、奇數(shù)字節(jié)、自動返至原來狀態(tài)等[7]。

系統(tǒng)必須保證在PLC發(fā)生故障或在極端狀態(tài)下能迅速關(guān)閉PLC壓載電荷，采用交流接觸器PO實現(xiàn)對PLC的通斷電。在PLC開始操作時按下“壓載電荷”開關(guān)，使交流接觸器接通，外部壓載接通交流電，一旦產(chǎn)生故障，“警示關(guān)閉”按鈕啟動，立刻斷開交流接觸器。

系統(tǒng)設(shè)有5種工作模式：人工操作、奇數(shù)周期、奇數(shù)字節(jié)、不間斷和回返原點。打包機在給料門開、首壓位于下面位、加壓位于下機且加壓位于左邊機位、停止扎包、頂包位于上機且停止放包布時，系統(tǒng)位于原點狀態(tài)。

當系統(tǒng)處于奇數(shù)周期工作模式時，按下起動按鈕C26，打包機從狀態(tài)S20開始按順序功能圖的流程進工作，在做完一個周期的節(jié)點操作后，程序指針返回并停留在開始字節(jié)。當系統(tǒng)處于不間斷工作方式時，在開始狀態(tài)按下起動按鈕，打包機從初始字節(jié)開始按周期反復(fù)不間斷地工作，在最后一個周期的工作完成后，程序指針才回到并停留在初始字節(jié)。當系統(tǒng)處于奇數(shù)字節(jié)操作模式時，系統(tǒng)按照字節(jié)順序一步一步做起，從開始字節(jié)起，按一下起動按鈕，系統(tǒng)操作到下一字節(jié)，該字節(jié)的任務(wù)完成后，自動停止操作并停在該字節(jié)，因而該操作模式可用于硬件調(diào)試和故障排查，也可用于系統(tǒng)的優(yōu)化升級。在應(yīng)用奇數(shù)周期、不間斷和奇數(shù)字節(jié)操作模式之前，系統(tǒng)應(yīng)位于原點，如果該條件未達到，則需要啟動回原點操作模式。啟動原點起動按鈕C25，可使系統(tǒng)自動返回原點狀態(tài)，為操作奇數(shù)周期、不間斷和奇數(shù)字節(jié)操作模式做好調(diào)試準備。

使用奇數(shù)向順序開關(guān)式平衡電路，可防止液壓缸或豎向移動的電子元件產(chǎn)生向下軸向移動，這種電路可以幫助提升豎向移動的電子元件在下移時的操作穩(wěn)定性。方向操作開關(guān)在利用液壓中起預(yù)防和導流油液按標準設(shè)計要求的方位出入路徑，即在油路中起調(diào)整油液移動方向的效果。滿流開關(guān)應(yīng)用到滿量油泵液壓控制器。滿流開關(guān)通常打開，隨著電子元件所需油量的升高，開關(guān)的滿流量時大時小，可以保證裝置中的壓力維持穩(wěn)定狀態(tài)。運行滿流開關(guān)裝置的壓力，即可調(diào)整系統(tǒng)的供油操作。

3.4 打包機可編程序設(shè)計

FC系列可編程序控制器的第一個狀態(tài)命令I(lǐng)ST的功能命令編號叫作FNC60，它和LTL命令共同操作，一般用來調(diào)節(jié)擁有眾多操作模式的控制系統(tǒng)的第一個狀態(tài)和設(shè)置相關(guān)的幫助繼電器的狀態(tài)，可以極大地提升優(yōu)化升級難解的順序控制程序的邏輯編制工作。本設(shè)計IST命令中的S20和S39表示在自動操作中用到的最低和最高的電子元件號，IST中的操作數(shù)通常命名為C、Y和M，原始控制數(shù)C30用來標識與操作模式有關(guān)的輸入繼電器的電子元件，從C30開始的8個輸入繼電器的作用：人工操作C30、返至原點操作C31、奇數(shù)字節(jié)運輸操作C32、奇數(shù)周期運輸C33、不間斷運行C34、返志原點操作C35、自動操作C36、停車操作C37。

C30～C34中有且只有一個位于聯(lián)通狀態(tài)，利用選擇開關(guān)以保證這5個輸入操作中只有一個狀態(tài)為ON。IST命令的執(zhí)行條件符合標準要求時，首次狀態(tài)K0～K2和下面的幫助繼電器會全自動認定為下面的特征，如果IST命令的運行狀態(tài)改成關(guān)閉，電子元件嚴禁調(diào)節(jié)M5040、啟動調(diào)節(jié)M5041、啟動脈沖M5042、LTL監(jiān)控狀態(tài)M5047、手動操作初始狀態(tài)K0、返回至首點初始狀態(tài)K1、自動操作初始狀態(tài)K2的特性還是十分穩(wěn)定。

用LTL命令編制自動程序的順序功能圖，M5041調(diào)節(jié)開始幫助繼電器和M5044首點條件幫助繼電器從自動程序的首個狀態(tài)K2調(diào)整到第二個操作模式S20。遵行規(guī)程，按照IST命令中要求的操作模式用的輸入繼電器元件號順序，使用IST命令后，系統(tǒng)的人工操作模式、自動操作模式、奇數(shù)周期模式、奇數(shù)字節(jié)模式、不間斷模式和返至原點這幾種操作模式的調(diào)整由編制程序自動運行。幫助繼電器M5040-M5042用于操作模式的調(diào)整，IST命令自動運行這些繼電器，通過系統(tǒng)程序來操作實現(xiàn)控制電路的功能的多種操作模式，無需用戶寫入。

返至首點完成繼電器M5043在系統(tǒng)返至首點時，通過用戶程序，使用SET命令使其就位。首點條件繼電器M5044在系統(tǒng)符合初始條件時為開啟狀態(tài)。

返至首點的順序功能圖中使用S10-S19，自動回到首點程序完成返至首點功能，當首點條件滿足時，繼電器M5044為ON狀態(tài)，在自動返回首點完成后，使用SET命令將M5043設(shè)置為ON，使用RST命令將回原點順序功能圖中的最后一字節(jié)S13復(fù)位。用第一狀態(tài)K0控制人工操作程序，由于人工操作程序、自動程序和回首點程序均用LTL碰點驅(qū)動，不會同時被操作，因此用LTL命令和INT命令操作時，不使用CR命令實現(xiàn)共用程序、自動程序和人工程序系統(tǒng)集群。

4 結(jié)束語

玉米秸稈打包機是當今高度自動化流水線上獨有的機器設(shè)備，它把機械、電子計算機、液壓集成為一體，然后將打包好的成品，統(tǒng)一運至電廠通過焚燒處理[8]。文章詳細闡述了玉米秸稈打包機控制系統(tǒng)基本構(gòu)成，施耐德FC2N系列PLC的功能特性和程序?qū)嶋H流程及方法。在PC機上利用施耐德公司提供的編程軟件向PLC輸入程序，該程序輸入方式很實用，降低了使用專用編程器的成本，適應(yīng)現(xiàn)代科技社會信息技術(shù)的發(fā)展和可編程控制系統(tǒng)的升級。

參考文獻

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