朱燁 洪揚(yáng) 江濤
摘要:魚(yú)體分級(jí)篩選是一種有效避免種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)、提高魚(yú)體存活率的方法,但由于國(guó)內(nèi)缺乏先進(jìn)設(shè)備,生產(chǎn)中大多以人工作業(yè)為主。針對(duì)人工操作存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、魚(yú)體損傷等問(wèn)題,研制了一種以S7-200 SMART系列PLC(programmable logic controller)為處理器、結(jié)合多步進(jìn)電機(jī)和觸摸屏界面開(kāi)發(fā)的魚(yú)體分級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用變頻調(diào)速技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速可調(diào)的功能;采用限寬調(diào)節(jié)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)體大小自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。運(yùn)用STEP 7-Micro/WIN SMART編程軟件完成控制程序的編寫(xiě),借助SIMATIC WinCC flexible 2008完成觸摸屏界面開(kāi)發(fā),運(yùn)用以太網(wǎng)通信完成觸摸屏界面對(duì)多步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)限寬調(diào)節(jié)功能。性能測(cè)試表明,在額定電壓(380 V)下,主回轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行速度可在0~50 Hz范圍內(nèi)調(diào)速,限寬可調(diào)范圍為0~40 mm,可將4種不同大小的魚(yú)進(jìn)行分級(jí)。在設(shè)定寬度下,魚(yú)體的準(zhǔn)確率在±90.0%。該控制系統(tǒng)性能可靠,適合在漁業(yè)養(yǎng)殖中推廣。
關(guān)鍵詞:魚(yú);分級(jí)篩選;S7-200 SMART PLC;步進(jìn)電機(jī);以太網(wǎng)通信;界面開(kāi)發(fā)
中圖分類號(hào):TP273? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? 文章編號(hào):1002-1302(2020)06-0204-05
隨著我國(guó)養(yǎng)殖工程技術(shù)的迅猛發(fā)展,水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)朝著精細(xì)化的方向不斷發(fā)展。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中,魚(yú)群內(nèi)生長(zhǎng)不均衡是個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題,主要表現(xiàn)為殘食[1-3]、食物競(jìng)爭(zhēng)[4-6]等。通過(guò)魚(yú)類分級(jí)篩選可以有效避免種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng),提高了魚(yú)成活率;且市場(chǎng)商品是根據(jù)魚(yú)體大小分類,也可方便將幼魚(yú)和商品魚(yú)分級(jí)。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段對(duì)魚(yú)類分級(jí)所做的研究還不是很充分,以往的手工操作不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,且由于魚(yú)類轉(zhuǎn)移速度緩慢以及操作過(guò)程中對(duì)魚(yú)體的損傷和對(duì)魚(yú)群的驚嚇等,還會(huì)帶來(lái)較高的死亡率且無(wú)法精準(zhǔn)快速地分級(jí)[7]。Johnsons在1983年設(shè)計(jì)了一種安裝在地拉網(wǎng)中用以分離鮭魚(yú)的系統(tǒng),但分離系統(tǒng)笨重,會(huì)引起魚(yú)體損傷[8];國(guó)內(nèi)早期邱洪奎等研究的活魚(yú)分級(jí)器[9]采用多斗分級(jí)裝置,不間斷分級(jí),但它要更換篩底,操作不便,自動(dòng)化程度低;王志勇等研究的魚(yú)類質(zhì)量自動(dòng)分級(jí)裝置,采用水平式調(diào)節(jié)輥間距模式篩選幼魚(yú),雖然減少勞動(dòng)力,但存在魚(yú)易脫水和魚(yú)體損傷等缺陷,不利于現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[10];鄭國(guó)富等通過(guò)改變網(wǎng)箱中柵格間距實(shí)現(xiàn)魚(yú)類分級(jí),可操作性大,但靈敏度不高[11]。因此,為了滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖需求,且要確保分級(jí)高效、減少魚(yú)體損傷,設(shè)計(jì)基于魚(yú)體厚度回轉(zhuǎn)式帶水精準(zhǔn)分級(jí)機(jī)?,F(xiàn)以回轉(zhuǎn)式分級(jí)機(jī)為研究載體,通過(guò)SMART 700 IE觸摸屏界面的開(kāi)發(fā),通過(guò)以太網(wǎng)通信,實(shí)現(xiàn)觸摸屏界面與2臺(tái)SMART系列ST30 PLC進(jìn)行信息傳輸[12-13],運(yùn)用USS協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC與V20變頻器通訊[14],實(shí)現(xiàn)對(duì)主回轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制,完成分級(jí)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
回轉(zhuǎn)式魚(yú)體分級(jí)機(jī)由變頻器調(diào)速系統(tǒng)、絲杠導(dǎo)軌和步進(jìn)電機(jī)限寬調(diào)距系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
它的主要原理是首先將電動(dòng)推桿調(diào)到設(shè)定的高度,變頻電機(jī)帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng),主軸則帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)組件轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)旋轉(zhuǎn)組件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電動(dòng)推桿帶動(dòng)凸輪調(diào)節(jié)擋板1下壓,同時(shí)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)下降,推動(dòng)彈簧推桿機(jī)構(gòu),改變內(nèi)部活動(dòng)門(mén)的開(kāi)度;其中電動(dòng)推桿(步進(jìn)電機(jī))有4個(gè),凸輪調(diào)節(jié)擋板1有3個(gè),當(dāng)?shù)?個(gè)凸輪調(diào)到設(shè)定高度,凸輪可保證當(dāng)前高度,之后調(diào)節(jié)高度是在之前調(diào)節(jié)高度基礎(chǔ)上繼續(xù)調(diào)節(jié);凸輪調(diào)節(jié)擋板2上移,帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)上升,推動(dòng)彈簧推桿機(jī)構(gòu),使得內(nèi)部活動(dòng)門(mén)復(fù)位。
回轉(zhuǎn)式魚(yú)體分級(jí)機(jī)控制系統(tǒng),主要由變頻器、回轉(zhuǎn)電機(jī)、2 臺(tái) ST30 PLC、SMART 700IE 觸摸屏界面、交換機(jī)、4個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、4個(gè)步進(jìn)電機(jī)、接近開(kāi)關(guān)等組成,控制系統(tǒng)總體框架如圖2所示。
在控制系統(tǒng)中,觸摸屏界面主要實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、步進(jìn)電機(jī)的調(diào)距控制;PLC主要通過(guò)控制變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制,控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制;接近開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的采集與處理功能;交換機(jī)主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的以太網(wǎng)通信。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
采用 S7-200 SMART系列PLC作為核心控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、步進(jìn)電機(jī)的控制以及接近開(kāi)關(guān)信號(hào)處理等功能,根據(jù)實(shí)際需要,系統(tǒng)采用晶體管輸出型CPU ST30 模塊,該模塊包含18DI、12DO,模塊集成3路頻率可達(dá)100 kHz高速脈沖輸出,支持 PWM/PTO輸出方式以及多種運(yùn)動(dòng)模式,可控制步進(jìn)電機(jī)的位置和速度。集成以太網(wǎng)端口實(shí)現(xiàn)程序的下載、調(diào)試以及其他設(shè)備進(jìn)行通信。
觸摸屏界面采用 SMART 700 IE V3觸摸屏,該觸摸屏具有工業(yè)以太網(wǎng)接口和RS485接口,可通過(guò)觸摸屏控制面板完成和PLC通信。同時(shí)可借助交換機(jī)實(shí)現(xiàn)多個(gè)PLC的通信。
限寬系統(tǒng)主要由絲杠導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成,步進(jìn)電機(jī)采用57系列步進(jìn)電機(jī),驅(qū)動(dòng)器采用SMD3506M[15],該驅(qū)動(dòng)器可達(dá) 128 細(xì)分,電流可達(dá)4.5 A,噪音小,運(yùn)行較為平穩(wěn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入端接線方式是分別將驅(qū)動(dòng)器中PUL-、DIR-連接到控制系統(tǒng)的地端;脈沖輸入信號(hào)接 PUL+端,方向信號(hào)接DIR+端,PLC輸出信號(hào)須要串聯(lián) 2 kΩ限流電阻。
變頻器調(diào)速主要由變頻器和主回轉(zhuǎn)電機(jī)組成,變頻器采用SINAMICS V20,經(jīng)濟(jì)、可靠且易于使用,選用功率為0.55 kW,主回轉(zhuǎn)電機(jī)選用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī),功率為0.37 kW,轉(zhuǎn)矩為2.5 N·m,變頻電機(jī)通風(fēng)機(jī)為0.03 kW。
控制系統(tǒng)的硬件接線圖如圖3所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括觸摸屏界面組態(tài)和 PLC程序編寫(xiě),然后對(duì)觸摸屏上參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,實(shí)現(xiàn)對(duì)主回轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制,以及對(duì)4臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度和方向進(jìn)行控制,保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。