許鋮溶，張寶珍，樊軍慶，向歡浩，楊東生，李敬祥

(海南大學(xué) 機電工程學(xué)院，?？?570100)

椰子既是熱帶木本油料作物，也是食品能源作物,用途十分廣泛,綜合利用經(jīng)濟價值極高，享有“寶樹”的美譽[1]。椰子的種植在我國已經(jīng)有 2 000年的歷史，主要分布在海南省，椰子從內(nèi)到外主要分為椰汁、椰肉、椰殼和椰衣。其中椰汁可制成飲料、椰子酒、椰子醋等多種產(chǎn)品[2];椰衣纖維可以加工成各種產(chǎn)品，如家具、棒子、椰衣席等；椰殼可做成活性炭，用于凈水、脫色等；椰肉可加工成椰干，也可榨油。椰子的出油率高達60%，與油棕仁(46%)、花生仁(44%)、大豆(17%)相比有著很大的優(yōu)勢[3]。

椰子油提取過程中先要將椰子殼肉進行分離。目前，國內(nèi)主要采用人工的手段實現(xiàn)椰肉和椰殼的分離，不僅效率低、容易污染椰肉，而且工作時容易造成人身傷害。本課題組在對椰子殼肉分離機機械部分設(shè)計[4-6]的基礎(chǔ)上，設(shè)計了電氣自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠適應(yīng)不同大小的椰果，而且實現(xiàn)切割過程全自動，極大地提高了工作效率。

1 椰子殼肉分離機的工作過程

椰子殼肉分離機機械部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機架、電機、切刀、彈簧、絲桿與傳動螺母等組成。按功能可分為壓緊機構(gòu)、滾筒機構(gòu)、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、升降機構(gòu)、切割機構(gòu)。其中聯(lián)軸器的作用是聯(lián)結(jié)電機與傳動絲桿，電機通過絲桿帶動傳動螺母的移動，實現(xiàn)壓頭與切割臺的升降。轉(zhuǎn)動電機通過傳動齒輪副帶動轉(zhuǎn)盤低速旋轉(zhuǎn)。電動推桿的進退動作是由電機驅(qū)動減速齒輪從而帶動螺桿、螺母完成。當電機正轉(zhuǎn)時，推桿推出，反轉(zhuǎn)時，推桿退回。滾筒機構(gòu)位于椰果(本文將已經(jīng)剝?nèi)ヒ碌囊咏y(tǒng)稱為椰果)左側(cè)，由2個滾筒、1個電動推桿、2個套筒、1個壓力傳感器、1個鐵板、2對滾筒支架組成，滾筒支架焊接在鐵板右側(cè)，套筒焊接在鐵板左側(cè)且固定在機架上，由電動推桿作為動力，推動滾筒接觸椰果,滾筒可以防止椰果在切割過程中向左滑出。

椰子殼肉分離機開始工作時，啟動電源，壓力傳感器6、11、32與位移傳感器19、38開始采集數(shù)據(jù)。先將椰果15放入轉(zhuǎn)盤16中，轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇自動工作方式，壓緊電機1啟動，驅(qū)動傳動絲桿39使壓頭8向下運動，直到壓力傳感器6所測得的壓力達到設(shè)定值，之后壓緊電機1停止運行，轉(zhuǎn)動電機18啟動，帶動傳動齒輪副17，使固定在轉(zhuǎn)盤上的椰果15低速旋轉(zhuǎn)，推桿電機14啟動，滾筒10左移，直到壓力傳感器11達到設(shè)定值，推桿電機14停止運行。由于初始位置時，壓頭8與轉(zhuǎn)盤16的凹處距離固定為240 mm，經(jīng)過PLC處理，將該距離減去壓頭壓緊椰果時壓頭的位移量就能得到椰果的高度，切割臺26處于初始位置時，切刀34與椰果15底部處于同一水平線，令切割臺26上升高度為椰果15高度的一半，則可以滿足切口直徑盡可能大的要求。

接著再由PLC控制升降電機21，驅(qū)動傳動絲桿20，升高切割臺26。在位移傳感器19檢測切割臺26到達椰果的一半高度后，升降電機21停止運行，切割電機33開始運行，并由推桿電機31驅(qū)動電動推桿30，通過滑軌27和滑塊28帶動切割電機33推進，當切刀34接觸到椰果15時，此時壓力傳感器32還未達到設(shè)定值，直到切刀34上的限位板接觸到椰果15，且壓力值達到設(shè)定值時，推桿電機31停止運行。并通過PLC的定時器設(shè)定停止時間，該時間長度應(yīng)略大于椰果15旋轉(zhuǎn)一周的時間。

完成切割工作后，轉(zhuǎn)動電機18與切割電機33停止運行，之后推桿電機31反向運行，切割電機33左移，直到碰觸到行程開關(guān)29時停止，推桿電機14反向運行，滾筒10右移，直到碰觸到行程開關(guān)13時停止，升降電機21反向運行，切割臺26下降，直到碰觸到行程開關(guān)23時停止，壓緊電機1反向運行，壓頭8上升，直到碰觸到行程開關(guān)4時停止。當4個行程開關(guān)都接觸時，則視為一個工作周期結(jié)束，機械回到初始位置,之后將切割好的椰子統(tǒng)一冷凍,集中送往椰肉加工中心。由于已經(jīng)切割完成的椰果切口處位于最大直徑處，因此可輕松地將椰殼分離，取出完整的球形椰肉。

注：1.壓緊電機；2.機架；3.聯(lián)軸器；4.行程開關(guān)；5.傳動螺母；6.壓力傳感器；7.彈簧；8.壓頭；9.套筒；10.滾筒；11.壓力傳感器；12.電動推桿；13.行程開關(guān)；14.推桿電機；15.椰果；16.轉(zhuǎn)盤；17.傳動齒輪副；18.轉(zhuǎn)動電機；19.位移傳感器；20.傳動絲桿；21.升降電機；22.聯(lián)軸器；23.行程開關(guān)；24.傳動螺母；25.螺母導(dǎo)向套；26.切割臺；27.滑軌；28.滑塊；29.行程開關(guān)；30.電動推桿；31.推桿電機；32.壓力傳感器；33.切割電機；34.帶有切刀限位板的切刀；35.限位擋塊；36.螺母導(dǎo)向套；37.行程開關(guān)；38.位移傳感器；39.傳動絲桿。

圖1 椰子殼肉分離機示意圖

2 主電路的實現(xiàn)

壓緊電機1的正反轉(zhuǎn)分別由KM1、KM2控制，轉(zhuǎn)動電機18的運行由KM3控制，升降電機21的正反轉(zhuǎn)分別由KM4、KM5控制，切割電機33的運行由KM6控制，推桿電機14的正反轉(zhuǎn)分別由KM7、KM8控制，推桿電機31的正反轉(zhuǎn)分別由KM9、KM10控制，其中熔斷器FU1～FU6及熱繼電器FR1～FR6分別用于保證電機不會過流、過熱而損壞，如圖2所示。

3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

此控制系統(tǒng)共有25個開關(guān)輸入量、10個輸出量。在具體使用時，可能會出現(xiàn)輸入輸出點數(shù)不足的情況，因此需要留出余量。從可靠性、經(jīng)濟性等方面考慮，選擇PLC的型號為FX2N-64MR，其外部接線圖如圖3所示。

圖2 主電路圖

圖3 外部接線圖

根據(jù)椰子切割機的控制要求，有18個控制按鈕，1個2檔轉(zhuǎn)換開關(guān)，5個行程開關(guān)。輸出量包括10個輸出繼電器。對PLC的I/O進行分配，分別如表1、表2所示。

表1 PLC輸入點分配

續(xù)表1

名稱地址電氣元件功能SB6X007按鈕6推桿電機14正轉(zhuǎn)SB7X010按鈕7推桿電機14反轉(zhuǎn)SB8X011按鈕8推桿電機14停止SB9X012按鈕9轉(zhuǎn)動電機18啟動SB10X013按鈕10轉(zhuǎn)動電機18停止SB11X014按鈕11升降電機21正轉(zhuǎn)SB12X015按鈕12升降電機21反轉(zhuǎn)SB13X016按鈕13升降電機21停止SB14X017按鈕14推桿電機31正轉(zhuǎn)SB15X020按鈕15推桿電機31反轉(zhuǎn)SB16X021按鈕16推桿電機31停止SB17X022按鈕17切割電機33啟動SB18X023按鈕18切割電機33停止ST1X024行程開關(guān)4壓頭8上限位ST2X025行程開關(guān)13滾筒10左限位ST3X026行程開關(guān)23切割臺26下限位ST4X027行程開關(guān)29切割電機33左限位ST5X030行程開關(guān)37壓頭8下限位

表2 PLC輸出點分配

4 模擬量輸入模塊

本系統(tǒng)采用的2個模擬量輸入模塊分別為FX2N-4AD、FX2N-2AD。模塊與PLC連接及各個傳感器所對應(yīng)的通道如圖4所示。其中FX2N-4AD的3個通道均采用電流輸入，第四個通道關(guān)閉，F(xiàn)X2N-2AD的2個通道均采用電壓輸入。圖5為A/D轉(zhuǎn)換輸出特性。

圖4 模擬量輸入模塊接線圖

圖5 A/D轉(zhuǎn)換輸出特性

圖6 控制系統(tǒng)總程序

如圖5所示，通過標定[7]，F(xiàn)X2N～4AD的模擬量輸入范圍為4～20 mA，數(shù)字量輸出范圍為0～1 000，F(xiàn)X2N-2AD模擬量輸入范圍為0～5 V，數(shù)字量輸出范圍為0～4 000，壓力傳感器的測量范圍為0～30 kg，位移傳感器的測量范圍為0～250 mm，其中壓頭與轉(zhuǎn)盤凹處的固定距離為240 mm時，所對應(yīng)的數(shù)字量輸出為3 840。

5 程序設(shè)計

圖6為控制系統(tǒng)總程序。該控制系統(tǒng)的程序分為手動程序、自動程序，其中手動程序較為簡單且均采用啟保停電路，因此手動控制部分只給出壓緊電機1的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動電機18啟動、停止的程序，其他電機的手動控制程序與之相似，這里不再贅述。圖7為自動控制順序功能圖，當轉(zhuǎn)移條件X0、X3成立時，兩條分支流程S20、S30同時被激活，即自動控制模式和模擬量采樣、處理同時進行。

圖7 自動控制順序功能圖

6 仿真與實驗

應(yīng)用仿真軟件GX-simulator對圖7的順序功能圖進行仿真，如圖8所示。經(jīng)實驗，該程序能可靠地實現(xiàn)控制要求。

圖8 仿真界面

7 結(jié)束語

本文基于PLC設(shè)計了椰子殼肉分離機電氣控制系統(tǒng)，給出了主電路圖、PLC外部接線圖和自動控制程序，實現(xiàn)了椰子殼肉分離機在自動控制模式下進行椰子的切割。實驗證明椰子殼肉分離機工作可靠，自動化程度高，殼肉分離效果好，對椰肉的破壞性小，操作簡單安全，具有一定的推廣使用價值。