夏中峰，尚書旗，王東偉，何曉寧，尹詩洋

(青島農業(yè)大學機電工程學院，山東青島 266109)

聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織2018年《世界漁業(yè)和水產養(yǎng)殖狀況》[1]統(tǒng)計數據顯示，我國海帶養(yǎng)殖面積是47.3×103hm2，年產量為629.3萬t，海帶結平均單產20 kg/hm2左右，占世界養(yǎng)殖海帶總產量的71%[2-6]。我國農業(yè)生產結構的調整和海帶打結產業(yè)發(fā)展空間的不斷擴大，使海帶養(yǎng)殖總產量大幅提升，為我國帶來巨大的經濟效益，提供了大量的工作崗位，但也顯露出越來越多的問題[7]。目前海帶結全部是由人工打結而成，而海帶多處于潮濕、多鹽狀態(tài)，工人手指長期接觸海帶，造成嚴重損傷，甚至出現(xiàn)手指變形和指甲脫落現(xiàn)象，因此，海帶加工企業(yè)愈來愈難雇傭到嫻熟的員工[8]，勞動生產率逐漸下降，這成為制約海帶結出口的主要因素。

目前海帶自動打結機的市場尚屬空白，本文研制一套適合企業(yè)的海帶打結設備，為實現(xiàn)海帶打結的智能化生產奠定技術基礎。

1 系統(tǒng)結構及工作原理

1.1 海帶打結方法

應用仿生學模仿海帶徒手打結，分解動作如圖1所示，可分為以下四個步驟：

(1) 夾取，右手兩指夾取海帶條送至左手四指上，將海帶條平鋪至四指上；

(1)夾取 (2)纏繞 (3)打結 (4)切斷圖1 海帶徒手打結分解動作Fig. 1 Decomposition movement of manual kelp knotting

(2) 纏繞，右手兩指將海帶條圍繞左手繞1.3圈至四指內側，并使右手兩指與左手四指保持一定距離；

(3) 打結，右手兩指夾取海帶條一端繞至左手無名指與中指間并夾緊，兩手分別向相反方向運動，完成打結動作；

(4) 切斷，兩手夾住海帶兩端并在固定刀座上快速劃過，海帶被切斷，海帶結落入收集箱。

1.2 海帶自動打結機結構與原理

基于可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)的海帶自動打結機自動輸送裝置由海帶打結纏繞裝置[9-10]、海帶切斷裝置以及PLC控制系統(tǒng)組成，具體結構如圖2所示。顯示屏位于電控箱上端?？刂葡渲饕刂葡到y(tǒng)的核心控制器PLC、驅動器和直流電源開關等元器件。將編輯好的控制程序進行檢查、編譯、聯(lián)機到PLC控制器的存儲器中。自動打結原理如下：

(1)將切好的海帶條放在并排設置的10列U形槽型板上，通電之后，程序自動執(zhí)行，夾取夾手與打結夾手錐形夾同時運動至同一水平線上，壓海帶輪通過摩擦U形槽型板傳送海帶條，光電傳感器定位海帶條的初始位置。

(2)當海帶條前端到達指定位置時，夾取夾手夾住海帶條前端，圍繞打結夾手錐形夾進行360°纏繞動作，此時，夾取夾手、打結夾手錐形夾和物料進給U形槽型板相互間保持18 cm的距離和一定角度(由控制器控制夾取夾手擺動角度)，使海帶條具有一定的拉緊力，防止其脫落。

(3)當夾取夾手與打結夾手錐形夾呈90°時，夾取夾手停止運動，纏繞動作完成，此時夾取夾手圍繞打結夾手錐形夾纏繞1.3圈，海帶條形成一個封閉“Q”形環(huán)。

(4)打結夾手錐形夾夾住海帶頭，切斷夾手夾住海帶條的尾端，打結夾手錐形夾與切斷夾手相互反向用力并拉緊，形成一個完整的海帶結。最后，由切斷夾手上的切刀剪斷海帶尾部部分，海帶結自然落入收集箱。

1.配電箱 2.物料進給U形槽型板 3.壓海帶輪 4.絲杠Ⅰ 5.標準直齒圓柱齒輪 6.步進電動機Ⅰ 7.步進電動機Ⅱ 8.步進電動機Ⅲ 9.連桿 10.鉸鏈齒輪 11.滑環(huán) 12.步進電動機Ⅳ 13.切斷標準齒輪 14.切斷夾手 15.打結夾手錐形夾 16.打結標準齒輪 17.伺服電動機Ⅰ 18.打結絲杠 19.夾取夾手圖2 基于PLC的海帶自動打結機Fig. 2 Kelp automatic knotting machine based on PLC

1.3 關鍵工作部件結構與控制策略

1.3.1 纏繞裝置結構與控制

打結纏繞裝置結構如圖3所示，伺服電動機通過標準圓柱齒輪驅動絲杠，電動夾手錐形夾安裝在絲杠上，并由伺服電動機驅動其前后移動。電動夾手和伺服電動機安裝在深溝球套筒上，并和安裝在套筒里面的打結夾手錐形夾相互配合完成夾取動作，套筒中間開有直徑約為67 mm的中心孔，電動夾手焊接在深溝球軸承上，便于夾取、纏繞海帶。

1.打結絲杠 2.纏繞標準圓柱齒輪 3.夾取伺服電動機Ⅱ 4.夾取夾手 5.打結夾手錐形夾 6.鉛塊 7.打結標準圓柱齒輪 8.伺服電動機Ⅰ圖3 纏繞裝置結構Fig. 3 Structure of winding device

通過編寫PLC主程序控制，采用慢速前進、快速收回運動方式，推動絲杠連接的電動錐形夾前進，調動絲杠的前后移動位置，根據海帶厚度使用驅控一體、夾持力穩(wěn)定的電動夾手完成海帶纏繞動作，其目的是防止海帶表面營養(yǎng)缽體“甘露醇”的損壞。這種打結纏繞方式可以實現(xiàn)精準、快速打結纏繞，有效提高成結率。

1.3.2 切斷裝置結構與控制

切斷裝置結構如圖4所示，主動齒輪I與從動齒輪Ⅱ安裝在絲杠裝置上，絲杠安裝在由并排放置的兩個深溝球軸承上，在絲杠右端頂部位置安裝一個電動夾手，并在電動夾手中心位置連接一個電動切刀，其目的是在完成1.3.1節(jié)纏繞動作后，夾住并切斷海帶條尾端部分，使海帶結落入收納箱。

PLC控制程序編程時，需要調用PLC屬性參數，在步進時序順控指令的配合下，設計海帶打結切斷控制程序。采用多個基準定時器，通過軟件分析各輸出狀態(tài)，達到時序控制，實現(xiàn)全自動打結工序。

1.主動齒輪I 2.滑動軸承 3.切斷絲杠 4.切斷夾手

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

本設計以PLC為控制核心，利用控制技術、人機協(xié)作技術、遠程遙控技術進行開發(fā)，PLC控制系統(tǒng)核心部分由硬件與軟件兩部分構成。硬件主要包括PLC、人機界面(觸摸屏)、伺服電動機、EFG-8電動夾手(NPN型)、24 V直流電源、起始開關、滑環(huán)、步進電動機、YBLX-ME型行程開關、漫反射光電傳感器等。系統(tǒng)通過人機界面設定海帶打結的作業(yè)參數，3個電動夾手和電動機有機結合，確保海帶打結準確，并可通過傳感器識別海帶結、計算打結數量，傳送到人機界面。系統(tǒng)硬件組成及其電氣控制原理如圖5、圖6所示。

圖5 PLC控制系統(tǒng)組成Fig. 5 Composition of PLC control system

圖6 海帶自動打結機電氣控制原理Fig. 6 Electric control principle diagram of kelp automatic knotting machine

在現(xiàn)場操作控制中，還包括打結部分的極限位置、壓輪、打結、纏繞、移動、伸縮電動機、夾持電動機、錐形夾電動機、切斷電動機等的控制參數。具體的輸入輸出參數對應關系如表1所示。

表1 PLC的輸入輸出信號定義Table 1 Definition of PLC input and output signal

從表1可以看出，觸發(fā)輸入信號共3點，觸發(fā)輸出信號共17點，選用的PLC點數應大于系統(tǒng)實際使用的點數，所以本系統(tǒng)選用中達優(yōu)控公司的ZK3U-48MT型PLC，該PLC滿足開關量的輸入輸出需求及系統(tǒng)需求。另外，該PLC包括10個模擬量輸入、1個RS232通信端子接口、2個模擬量輸出及1個RS485通信端子接口，可以直接與觸摸屏通信，不需要自定義通信協(xié)議，方便調試。

2.2 硬件選型

2.2.1 PLC 控制器

PLC是工業(yè)環(huán)境中一種面向用戶采用數字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，是集通信裝置、互聯(lián)網、大數據以及自動化控制系統(tǒng)于一體的微型控制器。PLC工作時，外部電子器件連接到PLC內部存儲器中，將輸入信號進行處理，產生的輸出信號通過電子裝置控制機械動作。

本設備選用的ZK3U-48MT型PLC是一種高性能、低成本、低功耗的微處理器，與傳統(tǒng)PLC相比，該PLC硬件資源更為豐富、價格更為低廉。圖7和圖8分別為ZK3U-48MT型PLC原理和外觀圖。

圖7 ZK3U-48MT型PLC原理圖Fig. 7 PLC principle diagram of ZK3U-48MT type

圖8 ZK3U-48MT型PLC Fig. 8 PLC outside view of ZK3U-48MT type

2.2.2 ZK3U-48MT型PLC輸入接線

ZK3U-48MT型PLC接線方式分為漏型輸入和源型輸入。漏型輸入是將S/S端子與24 V端口短接，輸入時輸入端子與高電平短接，信號形成回路，從而將信號輸入到PLC。源型輸入是將S/S端子與0 V端口短接，輸入時輸入端子與高電平短接，信號形成回路，將信號輸入到PLC。本文選用漏型輸入接線法，接線如圖9所示。

圖9 PLC漏型輸入接線Fig. 9 PLC leakage type input wiring

2.2.3 ZK3U-48MT型PLC輸出接線

ZK3U-48MT型PLC輸出接線如圖10所示，采用晶體管輸出、光耦絕緣，可驅動直流負載，響應時間快。當程序中的相應軟元件Y0觸點得電時，Y0和COM端口之間形成電流回路，即電源驅動負載構成回路進行工作。

圖10 PLC輸出接線Fig. 10 PLC output wiring

2.2.4 人機界面

人機界面選用深圳市中達優(yōu)控科技有限公司生產的S700A型觸摸屏，可通過MPI/PPI通信電纜與PLC進行連接，其CPU為A8800 MHz RISC[11]，程序下載為USB SLAVE B型接口，通信端口有RS232、RS485、RS422三種。該觸摸屏采用7.0TFT 250 cd/m2高亮度液晶顯示屏(900像素×580像素)[12-13]，為4線精密電阻網絡(4H)的觸摸屏，預裝YKHMIV3.3組態(tài)軟件，具備強大的圖像顯示和數據處理功能。圖11為觸摸屏實物照片。

圖11 S700A型觸摸屏實物Fig. 11 Physical object of S700A type touch screen

2.2.5 接近開關

接近開關主要用于限位，以防止系統(tǒng)故障時工作臺受到觸碰而造成損失。本次設計所選用的電感式接近開關(圖12)主要由開關電路、放大輸出電路、振蕩器三部分組成。當金屬目標接近振蕩器產生的交變磁場時，金屬內部會形成渦流，導致振蕩衰減，直至停振。因此，當接近開關檢測到執(zhí)行機構靠近時，能夠自動切斷脈沖進給程序，使伺服電動機停止運動，保護工作臺。

圖12 電感式接近開關Fig. 12 Inductive proximity switch

2.2.6 伺服電動機

電動夾手夾取、纏繞海帶整個行程為520 mm，要求在1 s內完成一個夾取、纏繞的往復動作，最大夾力為0.48 N。根據以上需求，采用杭州翼志科技有限公司生產的一體式直流伺服電動機，型號為57AIM15，其特點為低噪音、低振動、高速定位、高可靠性，可根據自行設定的目標位置在PLC上進行比對，通過發(fā)送脈沖控制，提供方向信號與正交脈沖[14]，且具有欠壓、過壓、堵轉、過熱保護等功能。該電動機的額定功率為50 W，額定轉矩為0.48 N·m，額定轉速為2 000 r/min。

2.2.7 步進電動機

打結與切斷海帶過程中，絲杠的行程為100 mm，最快輸送速度是88 mm/s，最大負載是0.56 kN。根據以上需求，采用江蘇美睫遜機電有限公司生產的直流步進電動機，型號為RYSS57-SD。該電動機集成總線通信控制，具有接線簡潔、不丟步、低溫升、高轉矩、高轉速、低成本、維護方便等優(yōu)點，是一款性價比極高的運動控制產品。其額定功率為100 W，額定轉矩為0.92 N·m，額定轉速為1 500 r/min[15-16]。

2.2.8 濕度傳感器的選擇

濕度顯著影響海帶打結效率與纏繞精度，因此，濕度傳感器是一個核心元件。本文采用福建Firm威力公司的ASH12型數字濕度傳感器(圖13)，它具有響應快、抗干擾能力強等特點，能夠滿足系統(tǒng)要求。

圖13 濕度傳感器Fig. 13 Humidity sensor

3 PLC控制系統(tǒng)主程序設計

3.1 程序流程設計

系統(tǒng)上電后，操作人員可以根據指示進行操作。每次進入相應模式時，必須進行一次復位指令，以確保執(zhí)行的精度。待機時，人機界面顯示主頁面歡迎界面，進入后可選擇手動模式和自動模式。手動模式下，可手動設置電動機和夾手動作，控制精準定位，以進行精度定點操作[17-20]。自動模式下，只需按下啟動按鈕，系統(tǒng)就會自動進行打結。主控制流程如圖14所示。

圖14 主控制流程Fig. 14 Main control flow chart

3.2 觸摸屏界面設計

觸摸屏界面采用YKHMI V3.3軟件繪制[21-23]，可顯示產量及厚度檢測。若運行故障，故障燈點亮；若電機狀態(tài)、打結速度狀態(tài)、夾持狀態(tài)、啟動控制狀態(tài)均為“準備就緒……”，可按下啟動按鈕啟動系統(tǒng)。選擇手動模式，進入手動操作界面，用戶可根據具體情況進行設置和調試。

4 試驗驗證

為了檢驗所設計的海帶自動打結機控制系統(tǒng)的合理性與正確性，進行了驗證試驗。試驗地點在山東省威海市文登開發(fā)區(qū)威海佳潤農業(yè)機械有限公司，試驗時間為2019年6至8月，海帶條共計800條，試驗樣機的驅動系統(tǒng)采用24 V直流電壓供電。

首先將切好的海帶條放入U形槽型板，驗證樣機在自動送料、自動打結、自動纏繞、自動切斷環(huán)節(jié)中各機構間的協(xié)調性與確定性。結果表明，成結率超過90%。成結率與海帶本身的柔韌性、張緊度有一定關系，此外海帶條的長度、厚度也會影響成結率。試驗表明，海帶條長50～60 cm較為適宜。海帶條太長，會有剩余；海帶條太短，則不能進行下一次打結。因此，本機相關機構部件仍需調整，以進一步完善。

5 結束語

設計了基于PLC的海帶自動打結機控制系統(tǒng)，對海帶條打結進行了自動夾取、纏繞、打結及切斷，并對各部分的功能原理和設計進行了詳細的闡述，驗證試驗說明該設計合理。后期將根據試驗結果進一步完善系統(tǒng)結構，使其自動化程度更高、性能更加穩(wěn)定可靠。該設計能夠滿足市場對海帶自動打結機的需求。