基于PLC的椰子剝衣機控制系統的設計

吳 迪，張寶珍，張志強，王居飛

(海南大學 機電工程學院，海口 570228)

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基于PLC的椰子剝衣機控制系統的設計

吳 迪，張寶珍，張志強，王居飛

(海南大學 機電工程學院，海口 570228)

設計了一種適用于立式椰子剝衣機的自動控制系統，該系統可使立式剝衣機實現自動化運行，提高了生產效率。在分析立式椰子剝衣機的整體結構以及工作原理的基礎上，針對該款剝衣機操控繁瑣、自動化程度低的問題，以PLC作為核心控制模塊，綜合運用系統硬件、軟件設計原理設計出一套適用于立式椰子剝衣機的自動控制系統。結果表明：該控制系統運行穩定，可使立式剝衣機的平均剝衣速度提高200%，平均剝衣破損率降低60%。

椰子剝衣機；PLC控制器；控制系統

0 引言

近年來，國內外對椰子的需求量逐年上升，且大多數椰子用于供應消費者直接飲用椰汁。為使消費者更加方便地飲用椰汁，商家必須對椰子的椰衣進行剝離。因此，椰衣的剝離效率與質量直接影響椰子的銷量。然而，當前國內外椰子銷售商及椰果加工廠仍主要采用手工方式進行椰衣的剝離，此方式效率低、效果差且人工成本高。

近年來，國內外學者針對提高椰子剝衣效率的問題展開了研究[1-4]，設計出諸多用于剝離椰衣的機器，立式椰子剝衣機[5]是其中一種代表機型。該剝衣機通過電機、絲杠及滑塊等裝置驅動安裝有刀片的刀架做定軸擺動運動來對放置于套筒上的椰子進行剝衣。雖然該機實現了椰子機械化剝衣零的突破，但仍需通過人工方式[6]對剝衣機進行繁瑣的控制，加工效率仍然較低，所需投入的人工成本較高。因此，必須對該款剝衣機進行自動化改造才可以使其加工效率大幅提高。

本研究選用三菱PLC[7-9]作為控制器，以壓力傳感器、光電開關及按鈕[10-12]等元件作為控制信號[13-15]發生源，設計了立式椰子剝衣機自動控制系統。立式椰子剝衣機在安裝了該系統后，可以在沒有人工干預的條件下完成連續自動運行,其加工效率及剝衣效果大幅提高，從而更好地滿足大規模椰果加工產業的需求。

1 椰子剝衣機的結構與工作原理

1.1 椰子剝衣機的機械結構

椰子剝衣機主要由機架、電機、刀架及刀片等部件組成，如圖1所示。用于剝離椰衣的刀片通過螺栓連接在刀架上，刀架通過連桿與安裝在上部絲杠的滑塊相連，用于放置待加工椰果的套筒安裝在下部絲杠上，上部絲杠及下部絲杠通過聯軸器分別與上部電機、下部電機相連接。

1.上部電機 2.上部絲杠 3.滑塊 4.刀架 5.待加工椰果 6.下部電機 7.下部絲杠 8.套筒 9.刀片圖1 椰子剝衣機機械結構示意簡圖Fig.1 Mechanical structure schematic diagram of coconut shell dryer

1.2 椰子剝衣機的工作原理

在接通電源后，下部電機起動。如圖2所示：下部電機起動后驅動下部絲杠轉動，安裝于其上的套筒做豎直向上的直線運動并將待加工椰果托起；當椰果碰到刀片后，套筒繼續托動椰果向上運動直至刀片對椰衣的壓力達到設定值，如圖3所示。此步驟的目的是保證刀片能夠更加牢固地扎入椰衣，提高剝衣機的剝衣成功率。當刀片對椰衣的壓力達到設定值后，下部電機停止轉動，上部電機起動并驅動滑塊做豎直向下的運動帶動安裝于其上的刀架做定軸轉動。椰衣在刀架的轉動過程中被剝離，如圖4所示。椰衣被剝離后，上、下電機反向轉動，套筒和刀架開始回到初始位置；當套筒與刀架到達初始位置時，上下兩電機停止轉動，立式剝衣機的1個工作周期結束。

圖2 套筒上升示意簡圖Fig.2 The schematic diagram of the sleeve rise

圖3 刀片插入椰衣示意簡圖Fig.3 Insert coconut clothing the schematic diagram of the blade

圖4 剝開椰衣示意簡圖Fig.4 Schematic diagram of removing the coconut garment

2 控制系統的工作原理

立式椰子剝衣機的控制系統由主控單元(PLC)、信號輸入單元、模擬信號轉換單元及輸出控制單元組成,如圖5所示。主控單元中的PLC主要用于獲取輸入信號，并根據ROM存儲器中的程序控制輸出單元中的元件完成相應動作。信號輸入單元由按鈕、撥段開關、行程開關、壓力傳感器及光電開關等元件組成，該單元中的元件可將控制信號傳送到PLC。由于壓力傳感器只能輸出模擬量信號，此類信號無法直接被PLC所識別，因此需要通過模擬信號處理單元將模擬量信號轉換成PLC可識別的數字量信號。模擬信號處理單元包括信號放大器及電壓比較器：信號放大器用來將壓力傳感器的輸出信號進行放大，以使于電壓比較器可以檢測到該信號。電壓比較器用于將放大后的壓力傳感器電壓信號幅值與預先設定的參考電壓值相比較。如果傳感器的電壓信號幅值大于預先設定的參考電壓值，則表明刀片對椰衣的正壓力達到設定值，此時電壓比較器向PLC發出信號使其控制刀架擺動從而完成剝衣。輸出控制單元包括交流接觸器、熱繼電器，以及上、下部交流電動機。交流接觸器可以對PLC的輸出信號做出響應，從而驅動兩部電機實現正、反兩方向的轉動。熱繼電器的作用是保護電機，使其避免過熱損壞。

3 控制系統的硬件電路設計及元件選型

3.1 PLC控制器的選型

選擇PLC控制器的型號時主要考慮如下幾個方面的問題：①輸入、輸出(I/O)接口數量應當比實際使用的接口數量多30%～40%，以便在系統實際工作中能夠根據需要隨時增加輸入信號源；②具有兩個或兩個以上的DC24V供電端口，以便為光電管及壓力傳感器提供電源；③具有擴展接口，以便后期開發。綜合考慮上述問題，可確定本控制系統所使用的PLC型號為三菱FX2N-64MR-001。該型號PLC的特性如表1所示。

圖5 椰子剝衣機控制系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of coconut shell dryer control system表1 控制元件型號及參數表Table 1 Control component model and the parameter list

元件名稱型號特性按鈕正泰NP2-BW3462工作電壓:DC24V配備LED指示燈壓力傳感器啟力方S型量程:0～200kg激勵電壓:DC5V～DC15V采樣率:1000Hz光電開關歐姆龍E3Z-D61供電電壓DC12-24V輸出方式NPN晶體管反射形式漫反射行程開關德力西LX19-121滾輪裝在傳動桿外側能自動復位,傳動桿最大擺角20°5擋轉換開關LW6D-3可完成5種工作模式轉換熔斷器正泰RT28-32額定電流:2A、6A(2A熔斷器安裝于主電路,用于保護電機;6A熔斷器安裝于控制電路,用于保護PLC)熔斷器底座正泰RT28N-32X用于容納配套熔斷器交流接觸器正泰CJX2-1210線圈工作電壓:AC24V額定電流:12A觸點形式:3常開1常閉按鈕正泰NP2-BW3462工作電壓:DC24V配備LED指示燈

續表1

3.2 傳感器的型號選擇

本控制系統使用的傳感器包括光電開關及壓力傳感器：光電開關用于檢測套筒上是否已放置待加工的椰果；壓力傳感器用于測量刀片對椰衣的壓力。本控制系統采用的光電開關型號為OMRON E3Z-D61，具有響應時間短、安裝簡單的特點(其信號輸出端可直接接入PLC的輸入端子上，不需進行信號轉換)。此外，該款光電開關還配有靈敏度調節螺母，可以方便地對感光靈敏度進行調節。壓力傳感器選用啟力公司生產的圓S型傳感器，量程為0～200kg。該傳感器具有采樣率高、零漂小及電壓范圍寬的特點，可以滿足椰子剝衣機的控制要求。

3.3 外圍控制電路元件的選擇

椰子剝衣機所使用的電機型號為OV400-A。該三相異步交流電動機的額定電壓為AC380V，額定功率0.4kW，頻率50Hz，工作電流1.1A。根據電動機的額定電流，可以確定交流接觸器的額定電流應大于7.7A，因此正泰CJ-0901接觸器可滿足要求。由于CJ-0901交流接觸器的線圈吸合功率較大，PLC自帶的輸出端電源無法驅動其正常工作，因此需在PLC輸出端串聯交流變壓器為接觸器供電，交流變壓器功率為200W。此外，還需連接合適的熔斷器、熱繼電器及浪涌吸收器等元件來對控制電路進行必要的電氣保護。表1為所需控制元件的型號及參數列表。

3.4 控制系統硬件電路設計

控制系統的硬件電路包括電機接線圖和控制電路兩部分。電機接線圖包括上部電機M1和下部電機M2的接線圖。上部電機的正反轉分別由接觸器KM1、KM2控制，下部電機的正反轉分別由接觸器FR2分別用于保證電機不會因過流及過熱而損壞。電動機主電路由KM3、KM4控制，熔斷器FU1～FU6及熱繼電器FR1、FR2分別用于保證電機不會因過流及過熱而損壞。圖6為電動機主電路圖。

圖6 電動機接線圖Fig.6 Motor wiring diagram

圖7為椰子剝衣機控制電路圖，包括PLC輸入、輸出部分電路圖。PLC的Y0--Y3輸出觸點分別與接觸器KM1--KM4的吸合線圈相接并采用交流變壓器對其進行吸合功率補償。為保證同一部電機的正轉與反轉不會同時進行，還應使用KM1、KM2、KM3、KM4接觸器的常閉觸點實現對每部電機的正反轉運行的互鎖。SQ1--SQ4為行程開關，用于檢測椰子剝衣機刀架及套筒所處的位置并對相應電機進行控制。其中，SQ1、SQ2分別用于檢測刀架是否到達初始位置及極限位置(當刀架張開角度為設定值時上部滑塊所在位置)，SQ3、SQ4分別用于檢測套筒是否到達初始位置及上升極限位置。為使剝衣機運行的自動化程度更高，本控制系統安裝有壓力傳感器YK1及光電開關GK1。光電開關GK1安裝在套筒內部，用于檢測是否有椰果放置在套筒上；當有椰果被放置在套筒上，GK1向PLC發出信號啟動剝衣機。壓力傳感器YK1用于檢測刀片對椰果表皮施加的正壓力，當正壓力達到一定范圍時，PLC控制刀架張開從而使剝衣機剝下椰衣。由于壓力傳感器輸出信號為模擬量，因此還需安裝電壓比較器及信號放大器將模擬量轉換成數字量才可被PLC識別，從而控制剝衣機運行。此外，本控制系統為方便調整維護還設置了工作模式選擇撥段開關SA1。工作模式總共包括5種：手動運行、自動運行、單步運行、單周期運行以及回原點運行。SB1為手動運行方式停止按鈕；SB2～SB5分別為上下兩電機在手動運行過程中的正反轉控制按鈕；SB6、SB7分別為回原點啟動及自動運行啟動控制按鈕；SB8用于控制機器在回原點或自動運行的過程中停止運轉。

3.5 模擬信號處理單元設計

模擬信號處理單元主要用于將壓力傳感器輸出的毫伏級模擬信號放大并轉換成數字信號(開關量)，使該信號可以被PLC所識別。該單元由信號放大器和電壓比較器組成，圖8、圖9分別為信號放大器和電壓比較器的電路圖。信號放大器通過信號輸入端接收傳感器輸出的毫伏電壓信號，放大運算器將該毫伏信號(4～20mV)放大100倍后輸入電壓比較器(電壓比較精度為0.1V)的輸入端。電壓比較器通過LM393芯片將放大后的電壓值Uin與參考電壓值Ur比較：當Uin>Ur時，表明刀片已扎入椰衣足夠的深度，此時輸出端繼電器線圈得電，觸點閉合，PLC中X004端子可對該數字信號進行接收。

圖7 椰子剝衣機控制電路圖Fig.7 Control circuit diagram of coconut shell dryer

圖8 信號放大器電路圖Fig.8 Circuit diagram of signal amplifier

圖9 電壓比較器電路圖Fig.9 Circuit diagram of voltage comparator

4 控制系統的軟件設計

控制系統的運行流程圖如圖10所示。當接通電

源后，PLC首先判斷光電開關是否有信號輸入，如果有則表明套筒上有待加工的椰果，隨后PLC會控制下部電機帶動套筒向上運動，將椰果托起并與刀片接觸；椰果表皮與刀片接觸后，PLC檢測電壓比較器的輸出線圈是否得電，如果得電則表明刀片已扎入椰皮最厚的深度，PLC隨即控制上部電機帶動刀架做定軸擺動，剝衣機開始對椰衣進行剝離。當上部滑塊觸碰到限位開關SQ4后表明，刀架已轉動到極限位置，此時椰衣已被剝離，PLC控制上、下部電機反轉使套筒和刀架返回初始位置。當限位開關SQ1、SQ3被觸碰后，表明套筒和刀架已到達初始位置，PLC控制上下兩電機停止運行，控制系統的工作周期結束。

圖10 控制系統工作流程圖Fig.10 The working flow chart of control system

5 立式剝衣機控制性能試驗

本研究于2015年8月在海南大學力學實驗室進行立式椰子剝衣機控制系統的運行性能試驗，目的在于進一步研究該控制系統的工作效率及穩定性。立式椰子剝衣機刀架和套筒的驅動力由三相異步交流電動機提供，電機功率為0.4kW，額定電壓為AC380V。

試驗內容分為兩個部分：①測試立式椰子剝衣機在傳統人工操作的方式下單位時間內剝離椰衣效率和破損率(如果椰球在剝衣過程中出現破裂即視為出現破損)。②試驗立式椰子剝衣機在自動控制系統的控制下單位時間內的椰衣剝離效率及破損率，試驗時間為2min。

破損率和椰衣剝離效率計算公式為

椰衣剝離效率=被剝離椰衣的椰果個數/剝衣機運行時間

破損率=(椰球破裂的椰果數量/被剝離椰衣的椰果總數)×100%

試驗分析及試驗結果如表2所示。

表2 剝衣機自動控制系統運行試驗結果

由表2可知：隨著椰果含水率的增加，立式剝衣機的剝衣效率有所降低。其原因為含水率較高的椰果的皮下椰絲纖維韌度較高，剝衣刀片所受阻力增大，導致剝衣效率下降的現象。由于PLC模塊的反應速度遠快于人腦且控制精確度更佳，因此剝衣機在自動控制下的剝衣效率及剝衣效果遠好于人工控制下所達到的效果。其中，椰衣剝離效率為手動控制下的200%，破損率僅為手動下的40%。由此可知，立式椰子剝衣機自動控制系統可大幅提高剝衣機的生產效率及加工質量。

6 結論

立式椰子剝衣機自動控制系統以PLC為核心，并輔以壓力傳感器及光電開關等元件，對剝衣機的運行進行全自動控制。該系統可大幅提高剝衣機對椰果的剝衣效率，降低椰球破損率。試驗表明：該自動控制系統可以將剝衣效率提升1倍，將破損率降低60%。該控制系統自動化程度高，運行穩定，可大幅降低人工成本。

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Design of Coconut Shell Dryer Control System Based on PLC

Wu Di, Zhang Baozhen, Zhang Zhiqiang, Wang Jufei

(Institute of Electrical and Mechanical Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

In this paper, we design the suitable for vertical coconut shell dryer automatic control system.The system can realize automation operation of vertical stripped machine to improve the production efficiency.Based on the analysis of vertical integral structure and working principle of coconut shell dryer, in view of the strip dryer control, low degree of automation of the complicated issues, this study USES PLC as the control core module, integrated use of the system hardware and software design principle to design a set of control vertical coconut shell dryer used for the automatic control system.Results show that the control system runs stably, which can make the average vertical strip dryer stripped speed increased by 200%, the average stripped damage rate reduced by 60%.

coconut shell dryer; PLC; control system

2016-05-05

海南省自然科學基金項目(20155205)

吳 迪(1989-),男，北京人，碩士研究生，(E-mail)626795635@qq.com。

張寶珍(1969-)，女，河北唐山人，副教授，碩士生導師，(E-mail)baozhen-zh@163.com。

S226.7+1

A

1003-188X(2017)06-0202-07