董運(yùn)瑞 胡滿英 魏炎坤 冼棟梁

摘 ?要：隨著人們生活節(jié)奏的加快，人們對(duì)于自助售貨機(jī)的需求越來(lái)越大。與此同時(shí)，油炸香蕉作為一種人們所喜愛(ài)的食物，人們對(duì)于自助油炸香蕉售貨機(jī)的需求越來(lái)越高。為了能夠?yàn)槿藗兲峁┍憷?，該文介紹了一種基于臺(tái)達(dá)PLC控制的自動(dòng)油炸香蕉售貨機(jī)，通過(guò)介紹油炸香蕉售貨機(jī)的研發(fā)背景、香蕉售貨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地提出了一種自動(dòng)油炸香蕉售貨機(jī)開(kāi)發(fā)方案，并通過(guò)實(shí)物搭建驗(yàn)證了方案的可行性。

關(guān)鍵詞：PLC;驅(qū)動(dòng)電機(jī);油炸香蕉;售貨機(jī)

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著自動(dòng)售貨機(jī)的流行，越來(lái)越多的人享受到了自動(dòng)售貨機(jī)帶來(lái)的便利。各種各樣的售貨機(jī)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，也有越來(lái)越多的人投入自動(dòng)售貨機(jī)的開(kāi)發(fā)工作中。目前，市場(chǎng)上存在的自動(dòng)售貨機(jī)大部分以售賣(mài)飲料、零食為主。因此，開(kāi)發(fā)一款自動(dòng)油炸香蕉售貨機(jī)具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 油炸香蕉售貨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

油炸香蕉售貨機(jī)的結(jié)構(gòu)總體分為2個(gè)部分，第1部分集香蕉入料、輸送、切割、壓榨、油炸功能于一體，占整機(jī)的80%。第2部分是控制元件安裝區(qū)域，占整機(jī)空間的20%。實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

1.2 香蕉輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

香蕉輸送機(jī)構(gòu)由一個(gè)傳送帶和一個(gè)電機(jī)組成。傳送帶上設(shè)置有隔板，香蕉放在輸送帶上。隔板的間距約是2.5倍的香蕉直徑，留出足夠的空間放置香蕉，同時(shí)可以預(yù)防出現(xiàn)彎曲的香蕉卡在隔板間的情況。隔板的高度約為1.5倍香蕉的直徑。輸送帶的寬度選擇要略大于香蕉的平均長(zhǎng)度185 mm，因此選用210 mm寬的擋板輸送帶，根據(jù)機(jī)器大小選定輸送帶中心距為390 mm?？刂齐姍C(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一次剛好可以出來(lái)一根香蕉，即電機(jī)每轉(zhuǎn)一次輸送帶轉(zhuǎn)過(guò)的距離等于2個(gè)隔板間的距離。

1.3 香蕉切段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

香蕉切段結(jié)構(gòu)由2個(gè)部分組成，分別是切段槽和切斷刀。切斷槽上方開(kāi)口放入香蕉，切成段的香蕉從下方開(kāi)口通過(guò)柔性管道送到下部的油鍋中進(jìn)行油炸。切段槽是由一根可食用級(jí)別的304不銹鋼方管加工制成，方管與地面成一定角度傾斜安裝在機(jī)器上。切斷刀安裝在距下方出口1/4長(zhǎng)度處，切斷刀安裝在推拉式電磁推桿的推桿上。距切斷刀上方100 mm處安裝一個(gè)紅外傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)到有香蕉時(shí)，電磁推桿得電，推桿帶動(dòng)切斷刀進(jìn)行往復(fù)切斷動(dòng)作，將香蕉切成等長(zhǎng)的香蕉段。

1.4 香蕉段放置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定位放置采用XYZ三軸組合形成的龍門(mén)式直線模組，該機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和接近性好，直線模組采用絲桿傳動(dòng)，可傳遞較大扭矩。同時(shí)模仿工業(yè)三軸滑臺(tái)的模式，將Z軸滑塊與Y軸滑塊用螺栓連接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)Z軸的上下運(yùn)動(dòng)完成壓模下壓的動(dòng)作。

2 油炸香蕉售貨機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，電氣控制主要部分包括臺(tái)達(dá)PLC DVP48EH00T3、DVP04PT-H2模塊、PT100、伺服電機(jī)系統(tǒng)、直流電機(jī)系統(tǒng)、電磁閥、傳感器、安卓觸摸屏等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如圖2所示?？刂屏鞒虉D如圖3所示，總的控制流程是系統(tǒng)初始化，由微信支付成功信號(hào)啟動(dòng)運(yùn)行，檢測(cè)香蕉到達(dá)位置后切斷香蕉一次，滑臺(tái)移位一次，重復(fù)4次直到香蕉切斷完成并且滑臺(tái)定位結(jié)束，緊接著等待油炸結(jié)束，壓模擠壓成型啟動(dòng)出貨推桿。

2.1 香蕉分段控制的設(shè)計(jì)

紅外傳感器檢測(cè)香蕉，電磁閥推動(dòng)切刀將普通香蕉切成香蕉段，一般能分成4段。

2.2 炸籃定位控制的設(shè)計(jì)

PLC控制三軸滑臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)模塊對(duì)香蕉片進(jìn)行定位放置，伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)能夠達(dá)到精確定位的要求。其中由X軸與Y軸完成定位動(dòng)作，由Z軸完成壓模動(dòng)作。

2.3 PLC控制的設(shè)計(jì)

PLC運(yùn)行給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送高頻脈沖和方向信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比，能夠精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，從而實(shí)現(xiàn)滑塊定位。臺(tái)達(dá)PLC DVP48EH00T3具有4組高速脈沖輸出，增加了多種運(yùn)動(dòng)控制指令，支持絕對(duì)定位、相對(duì)定位以及直線或圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制功能。除此之外，還支持PLC-LINK、RS-485通信功能，無(wú)須額外的通信擴(kuò)充模塊。

2.4 PID油溫控制的設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)制作油炸香蕉，需要對(duì)油溫進(jìn)行較好的控制。根據(jù)實(shí)際要求并結(jié)合臺(tái)達(dá)PLC的功能，搭配DVP04PT-H2模塊和PT100控制油溫，其中主要是利用臺(tái)達(dá)PLC的PID指令功能來(lái)實(shí)現(xiàn)油鍋的溫控。其中PID油溫控制的關(guān)鍵在于對(duì)P、I、D等參數(shù)的整定。在整定PID控制器參數(shù)時(shí)，為了減少需要整定的參數(shù)，可以根據(jù)控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系，先采用比例積分控制器，反復(fù)調(diào)節(jié)比例系數(shù)和積分時(shí)間，例如出現(xiàn)消除誤差的速度較慢的情況時(shí)，可以適當(dāng)減小積分時(shí)間，增強(qiáng)積分作用;如果超調(diào)量仍然較大，可以考慮加入微分控制器，微分時(shí)間從0逐漸增大，反復(fù)調(diào)節(jié)控制器的比例、積分和微分部分的參數(shù)。最后得出符合工程實(shí)際需要的目標(biāo)整定參數(shù)，并通過(guò)PLC定時(shí)和復(fù)位指令的嵌套控制繼電器，從而滿足油溫相對(duì)穩(wěn)定的要求。

2.5 壓模成型的設(shè)計(jì)

工藝上，在扭矩模式下控制伺服電機(jī)穩(wěn)定輸出50N·m，帶動(dòng)壓模部件往下20 mm將香蕉段擠壓成型。

2.6 自助售貨支付的設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)際生產(chǎn)需要，選擇了安卓觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互。在安卓觸摸屏上自主開(kāi)發(fā)了微信支付平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速掃碼支付;通過(guò)RS-485串口+Modbus通信協(xié)議與PLC進(jìn)行通信，直接修改讀取PLC相關(guān)寄存器的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的效果。

3 結(jié)論

該項(xiàng)目搭建了一款自動(dòng)化油炸香蕉售貨機(jī)，采用PLC作為主控設(shè)備完成對(duì)香蕉的切段、定位、油炸、壓模的操作流程，搭配安卓觸摸屏構(gòu)建微信支付平臺(tái)并顯示過(guò)程數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]許傳遠(yuǎn)，王東瑞，蔡宇，等.基于PLC的溫度PID控制的研究與設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（25）：147.