董永強(qiáng)

(許昌學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

花生在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，是重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物，在國(guó)際市場(chǎng)上占據(jù)較大的份額和優(yōu)勢(shì)[1].花生剝殼后不僅能直接食用，而且還可以經(jīng)深加工后制成各種制品.近年來(lái)，花生的分揀、裝卸、剝殼等研究成果比較多，文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種帶自適應(yīng)系統(tǒng)的花生種子剝殼機(jī)，可以有效降低果仁破損率，提高剝凈率.文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種鏟篩組合式花生分段收獲機(jī)，可一次性完成挖掘、去土、送秧等工序，落果率和破損率均大大降低.文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種雙篩體多功能花生收獲機(jī)以解決常見(jiàn)的收獲機(jī)功能單一、適應(yīng)性差及振動(dòng)大等問(wèn)題.本文針對(duì)某廠的花生篩土、剝殼、果仁分揀、封裝和運(yùn)輸生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)了PLC控制系統(tǒng)，以期提高該生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，從而降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)速度和效率.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以PLC為控制中心，以組態(tài)王軟件為上位機(jī)，通過(guò)限位開(kāi)關(guān)等控制電磁閥、篩土電機(jī)、剝殼電機(jī)、皮帶電機(jī)、分揀電機(jī)、封裝電機(jī)、運(yùn)料小車的運(yùn)動(dòng)，花生篩土、剝殼、果仁分揀、封裝和運(yùn)輸，并能在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警.系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)

1.1 器件選型及電路設(shè)計(jì)

1.1.1 PLC選型

圖2 S7-200 CPU226

控制系統(tǒng)的輸入/輸出口(I/O)共23個(gè)，即11個(gè)輸入端口和12個(gè)輸出端口.硬件部分選用西門(mén)子S7-200 CPU226(圖2)，該P(yáng)LC共有24個(gè)輸入接口、16個(gè)輸出接口、兩個(gè)9針RS-485接口、13 000個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間，且自帶兩組模擬量輸入和一組模擬量輸出模塊.因此能夠滿足系統(tǒng)控制需要，且性價(jià)比較高[5].

1.1.2 主電路原理圖

該花生分揀裝卸控制系統(tǒng)需要篩土電機(jī)、剝殼電機(jī)、皮帶電機(jī)、分揀電機(jī)、封裝電機(jī)和運(yùn)料電機(jī)等，主電路原理圖如圖3所示.

圖3 主電路原理圖

1.1.3 電動(dòng)機(jī)的選型

經(jīng)過(guò)計(jì)算后，在花生篩土和分揀環(huán)節(jié)，所選電機(jī)型號(hào)為Y132S-6，功率為3 kW、轉(zhuǎn)速為960 r/mim；在剝殼環(huán)節(jié)，選用功率為4 kW、轉(zhuǎn)速為1 440 r/min、額定電壓為380 V、額定電流為8.8 A、電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y2-112M-4的三相異步電機(jī)；在皮帶輸送花生果仁到出料口24的過(guò)程中，使用的是興運(yùn)500的帶式輸送機(jī)，其輸送能力為10 t/h，故選擇電機(jī)型號(hào)為Y132S-6；封裝機(jī)為博華DCS-60系列，其功率為3.3 kW，封裝速度為300-600包/時(shí)，所以采用功率為4 kW的Y112M-2電機(jī)；在運(yùn)料小車輸送裝袋花生的過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)袋重為25 kg，運(yùn)料小車重50 kg，地面與小車輪胎的摩擦系數(shù)為0.3，輸送速度為1 m/s，則運(yùn)料小車需要的功率為225 W，因此選擇型號(hào)為Y80M1-2、功率為750 W的電機(jī).

1.2 篩網(wǎng)設(shè)計(jì)

由于帶殼花生的直徑約為1 cm，而大果仁直徑一般大于0.6 cm，小果仁直徑小于0.6 cm.篩土環(huán)節(jié)主要是過(guò)濾掉紅土和細(xì)小雜質(zhì)，所以選用直徑為5 mm的單層結(jié)構(gòu)篩框，長(zhǎng)×寬約為2 000×1 000 mm.剝殼環(huán)節(jié)選用的振動(dòng)篩是為了過(guò)濾掉已經(jīng)剝殼的花生果仁，因此選用篩框的長(zhǎng)、寬為500 mm和300 mm的雙層單篩結(jié)構(gòu).第一、二層圓孔篩，篩孔直徑分別為9 mm和5 mm.防止花生仁堵住網(wǎng)孔，內(nèi)層設(shè)置碰撞球，篩選環(huán)節(jié)篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 PLC I/O地址分配及端口接線

I/O地址是PLC和外部設(shè)備之間聯(lián)系的主要通道，通過(guò)對(duì)該生產(chǎn)線及控制系統(tǒng)中各類輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，并在PLC里分配不同的地址，來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC和外部設(shè)備之間信息交換，可以使PLC準(zhǔn)確無(wú)誤地控制外部輸出設(shè)備.

控制系統(tǒng)I/O地址端口分配如表1所示.

表1 I/O地址分配表

根據(jù)I/O地址分配，PLC輸入/輸出端子接線如圖5所示.

圖5 CPU226端口接線圖

2 軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)流程圖

控制系統(tǒng)流程圖如圖6所示.其工作原理是按下啟動(dòng)按鈕SB1，系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)，電磁閥2得電.按下篩土電機(jī)啟動(dòng)按鈕，電磁閥1打開(kāi)，篩土環(huán)節(jié)開(kāi)始工作.篩土設(shè)定時(shí)間到后，剝殼電機(jī)工作，花生殼和果仁分離.剝殼設(shè)定時(shí)間到后，啟動(dòng)皮帶輸送機(jī)，皮帶工作一定時(shí)間后篩選開(kāi)始.篩選設(shè)定時(shí)間到后，封裝啟動(dòng)；達(dá)到設(shè)定重量25 kg時(shí)，稱重傳感器發(fā)出信號(hào)，電磁閥2關(guān)閉，不再進(jìn)果仁，同時(shí)電磁閥3打開(kāi)出果仁.工人在出倉(cāng)口承袋裝果仁，把稱好的袋裝花生果仁放在封裝機(jī)口處進(jìn)行封裝，封裝完后，標(biāo)準(zhǔn)袋放在運(yùn)料小車上，KM6得電，運(yùn)料小車開(kāi)始前行.當(dāng)遇到右行程開(kāi)關(guān)時(shí)，運(yùn)料小車停止前行，開(kāi)始卸標(biāo)準(zhǔn)袋.時(shí)間到后，KM7得電，小車開(kāi)始后退.后退中碰到左行程開(kāi)關(guān)時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，小車回到初始位置，進(jìn)行下一次循環(huán).在系統(tǒng)運(yùn)行中，如果要結(jié)束過(guò)程則按下停止按鈕，系統(tǒng)暫停運(yùn)行.如果出現(xiàn)故障則按下出錯(cuò)按鈕，報(bào)警指示燈亮，等待維修人員進(jìn)行處理.維修結(jié)束后，按下停止按鈕，系統(tǒng)重新啟動(dòng).

圖6 系統(tǒng)流程圖

2.2 上位機(jī)組態(tài)面畫(huà)設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件為組態(tài)王kingview7.0，運(yùn)行于windows操作系統(tǒng)，與PLC的通信采用PPI(Point-to-Point Interface)協(xié)議，在組態(tài)王通信模塊找出S7-200 PLC，設(shè)置通信方式和通信參數(shù)即可[6].通過(guò)組態(tài)可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)畫(huà)面顯示，強(qiáng)大的人機(jī)交互能力可實(shí)時(shí)采集并控制花生分揀裝卸生產(chǎn)線系統(tǒng).圖7所示的組態(tài)王監(jiān)控界面，指示燈的變化用動(dòng)畫(huà)連接里屬性變化中的填充屬性對(duì)它們是否工作進(jìn)行填充；電機(jī)工作狀態(tài)是扇葉是否旋轉(zhuǎn)來(lái)表示，這需要用到動(dòng)畫(huà)連接里位置與大小變化中的旋轉(zhuǎn)功能屬性；運(yùn)料小車用動(dòng)畫(huà)連接里屬性變化中的屬性填充、位置與大小變化中的縮放屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)；運(yùn)料小車先進(jìn)行組合成小車樣式，然后在動(dòng)畫(huà)連接中設(shè)置為水平移動(dòng).按鍵有開(kāi)始按鈕、停止按鈕、出錯(cuò)按鈕三個(gè)，分別設(shè)置按鈕的命令語(yǔ)言連接，再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在應(yīng)用程序命令語(yǔ)言中寫(xiě)出程序語(yǔ)句；最后選擇全部保存，改成View狀態(tài)，選擇創(chuàng)建的畫(huà)面名字，切換按鈕，觀察動(dòng)畫(huà)效果.在篩選環(huán)節(jié)，篩選指示燈變綠色，篩選開(kāi)始呈現(xiàn)流動(dòng)效果，篩選電機(jī)風(fēng)葉開(kāi)始旋轉(zhuǎn).當(dāng)運(yùn)料小車前行后，左行程開(kāi)關(guān)SQ1由綠變紅，小車前行指示燈變綠，表明小車開(kāi)始前進(jìn).在按下出錯(cuò)按鈕后，報(bào)警指示燈由黃色變成紫色，系統(tǒng)停止運(yùn)行.

圖7 組態(tài)王監(jiān)控界面

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是基于組態(tài)王和PLC，利用PLC的編程指令完成帶殼花生篩土、剝殼、果仁大小篩選、裝袋、封裝和小車運(yùn)料，利用組態(tài)王設(shè)計(jì)了相應(yīng)的監(jiān)控動(dòng)態(tài)畫(huà)面，利用腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了豐富的動(dòng)畫(huà)展示.該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人工操作失誤，提高了生產(chǎn)速度和效率，效果明顯.