董永強

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

花生在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，是重要的油料作物和經(jīng)濟作物，在國際市場上占據(jù)較大的份額和優(yōu)勢[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，花生的分揀、裝卸、剝殼等研究成果比較多，文獻[2]設(shè)計了一種帶自適應(yīng)系統(tǒng)的花生種子剝殼機，可以有效降低果仁破損率，提高剝凈率.文獻[3]設(shè)計了一種鏟篩組合式花生分段收獲機，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[4]設(shè)計了一種雙篩體多功能花生收獲機以解決常見的收獲機功能單一、適應(yīng)性差及振動大等問題.本文針對某廠的花生篩土、剝殼、果仁分揀、封裝和運輸生產(chǎn)線，設(shè)計了PLC控制系統(tǒng)，以期提高該生產(chǎn)線的自動化水平，從而降低工人勞動強度，提高生產(chǎn)速度和效率.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)以PLC為控制中心，以組態(tài)王軟件為上位機，通過限位開關(guān)等控制電磁閥、篩土電機、剝殼電機、皮帶電機、分揀電機、封裝電機、運料小車的運動，花生篩土、剝殼、果仁分揀、封裝和運輸，并能在發(fā)生故障時進行報警.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

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，即11個輸入端口和12個輸出端口.硬件部分選用西門子S7-200 CPU226(圖2)，該PLC共有24個輸入接口、16個輸出接口、兩個9針RS-485接口、13 000個字節(jié)的數(shù)據(jù)儲存空間，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、剝殼電機、皮帶電機、分揀電機、封裝電機和運料電機等，主電路原理圖如圖3所示.

圖3 主電路原理圖

1.1.3 電動機的選型

經(jīng)過計算后，在花生篩土和分揀環(huán)節(jié)，所選電機型號為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、電動機型號為Y2-112M-4的三相異步電機；在皮帶輸送花生果仁到出料口24的過程中，使用的是興運500的帶式輸送機，其輸送能力為10 t/h，故選擇電機型號為Y132S-6；封裝機為博華DCS-60系列，其功率為3.3 kW，封裝速度為300-600包/時，所以采用功率為4 kW的Y112M-2電機；在運料小車輸送裝袋花生的過程中，標(biāo)準(zhǔn)袋重為25 kg，運料小車重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，則運料小車需要的功率為225 W，因此選擇型號為Y80M1-2、功率為750 W的電機.

1.2 篩網(wǎng)設(shè)計

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)主要是過濾掉紅土和細小雜質(zhì)，所以選用直徑為5 mm的單層結(jié)構(gòu)篩框，長×寬約為2 000×1 000 mm.剝殼環(huán)節(jié)選用的振動篩是為了過濾掉已經(jīng)剝殼的花生果仁，因此選用篩框的長、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，通過對該生產(chǎn)線及控制系統(tǒng)中各類輸入信號和輸出信號進行區(qū)分，并在PLC里分配不同的地址，來實現(xiàn)PLC和外部設(shè)備之間信息交換，可以使PLC準(zhǔn)確無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

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按鈕SB1，系統(tǒng)開始啟動，電磁閥2得電.按下篩土電機啟動按鈕，電磁閥1打開，篩土環(huán)節(jié)開始工作.篩土設(shè)定時間到后，剝殼電機工作，花生殼和果仁分離.剝殼設(shè)定時間到后，啟動皮帶輸送機，皮帶工作一定時間后篩選開始.篩選設(shè)定時間到后，封裝啟動；達到設(shè)定重量25 kg時，稱重傳感器發(fā)出信號，電磁閥2關(guān)閉，不再進果仁，同時電磁閥3打開出果仁.工人在出倉口承袋裝果仁，把稱好的袋裝花生果仁放在封裝機口處進行封裝，封裝完后，標(biāo)準(zhǔn)袋放在運料小車上，KM6得電，運料小車開始前行.當(dāng)遇到右行程開關(guān)時，運料小車停止前行，開始卸標(biāo)準(zhǔn)袋.時間到后，KM7得電，小車開始后退.后退中碰到左行程開關(guān)時停止運動，小車回到初始位置，進行下一次循環(huán).在系統(tǒng)運行中，如果要結(jié)束過程則按下停止按鈕，系統(tǒng)暫停運行.如果出現(xiàn)故障則按下出錯按鈕，報警指示燈亮，等待維修人員進行處理.維修結(jié)束后，按下停止按鈕，系統(tǒng)重新啟動.

圖6 系統(tǒng)流程圖

2.2 上位機組態(tài)面畫設(shè)計

組態(tài)軟件為組態(tài)王kingview7.0，運行于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].通過組態(tài)可以進行動態(tài)畫面顯示，強大的人機交互能力可實時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，指示燈的變化用動畫連接里屬性變化中的填充屬性對它們是否工作進行填充；電機工作狀態(tài)是扇葉是否旋轉(zhuǎn)來表示，這需要用到動畫連接里位置與大小變化中的旋轉(zhuǎn)功能屬性；運料小車用動畫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實現(xiàn)；運料小車先進行組合成小車樣式，然后在動畫連接中設(shè)置為水平移動.按鍵有開始按鈕、停止按鈕、出錯按鈕三個，分別設(shè)置按鈕的命令語言連接，再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，在應(yīng)用程序命令語言中寫出程序語句；最后選擇全部保存，改成View狀態(tài)，選擇創(chuàng)建的畫面名字，切換按鈕，觀察動畫效果.在篩選環(huán)節(jié)，篩選指示燈變綠色，篩選開始呈現(xiàn)流動效果，篩選電機風(fēng)葉開始旋轉(zhuǎn).當(dāng)運料小車前行后，左行程開關(guān)SQ1由綠變紅，小車前行指示燈變綠，表明小車開始前進.在按下出錯按鈕后，報警指示燈由黃色變成紫色，系統(tǒng)停止運行.

圖7 組態(tài)王監(jiān)控界面

3 結(jié)語

設(shè)計的控制系統(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、封裝和小車運料，利用組態(tài)王設(shè)計了相應(yīng)的監(jiān)控動態(tài)畫面，利用腳本語言實現(xiàn)了豐富的動畫展示.該系統(tǒng)投入運行后，大大降低了工人的勞動強度，減少人工操作失誤，提高了生產(chǎn)速度和效率，效果明顯.