基于PLC的檳榔自動(dòng)切割機(jī)電氣控制線路的開發(fā)

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(1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 汕頭515078；2.汕頭市新?lián)P自動(dòng)化設(shè)備有限公司，廣東 汕頭 515041)

0 引言

檳榔作為一種經(jīng)濟(jì)作物，在我國(guó)南方有巨大的種植面積和產(chǎn)量。對(duì)檳榔進(jìn)行深加工能夠顯著提升其附加值，大幅提高檳榔的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。檳榔加工工藝主要包括篩選、送料、切割以及去核等，主要依靠手工操作。手工操作導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)力成本高。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械裝配的過程也在不斷完善。因此檳榔的自動(dòng)化切割也是必然的發(fā)展趨勢(shì)[2- 3]。在此，基于檳榔切割機(jī)的實(shí)際操作流程，開發(fā)基于PLC控制的自動(dòng)切割機(jī)的電氣控制線路，實(shí)現(xiàn)檳榔切割的自動(dòng)化生產(chǎn)。

1 檳榔自動(dòng)切割機(jī)的動(dòng)作流程

檳榔自動(dòng)切割機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

震動(dòng)送料斗底部安裝的震動(dòng)變壓器受控于PLC，可調(diào)節(jié)震動(dòng)強(qiáng)度，2個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別由PLC控制步進(jìn)電機(jī)控制器來調(diào)節(jié)運(yùn)送速度，使得每個(gè)檳榔能準(zhǔn)確而穩(wěn)定地送到滑槽。

圖1 檳榔自動(dòng)切割機(jī)的結(jié)構(gòu)示意

檳榔自動(dòng)切割機(jī)的切割動(dòng)作流程是:按下電源，PLC自檢，觸摸屏初始化，各機(jī)械部件復(fù)位，當(dāng)按下啟動(dòng)切割按鈕時(shí)，震動(dòng)變壓器按觸摸屏上設(shè)置的震動(dòng)頻率值開始震動(dòng)，同時(shí)2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)也按各自設(shè)定的頻率轉(zhuǎn)動(dòng)，2臺(tái)電機(jī)與傳動(dòng)皮帶構(gòu)成變速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)檳榔向滑槽傳送到定位槽上。光電傳感器感應(yīng)到檳榔落到定位槽后，送料氣缸動(dòng)作，將檳榔沿著定位槽向右推到右檔板，然后送料氣缸復(fù)位。這時(shí)，機(jī)械手的雙軸氣缸動(dòng)作使連桿下移到達(dá)檳榔所在位置，啟動(dòng)抓爪將檳榔夾緊，雙軸氣缸再使推桿上移，讓抓爪連同抓緊的檳榔一同抬高到設(shè)定位置，PLC再讓機(jī)械手的無桿氣缸動(dòng)作，推動(dòng)機(jī)械手沿橫桿向右移動(dòng)，當(dāng)抓爪移動(dòng)到切片槽上方時(shí)，停止動(dòng)作，PLC驅(qū)動(dòng)雙軸氣缸連桿下移，到達(dá)切片槽后松開抓爪，將檳榔準(zhǔn)確地放置到切片槽中。切片槽氣缸推動(dòng)切片槽移動(dòng)，使切片槽準(zhǔn)確到達(dá)切割刀正下方，此時(shí)PLC驅(qū)動(dòng)切刀氣缸動(dòng)作，推動(dòng)刀架向下運(yùn)動(dòng)將檳榔切成兩半，隨后切刀氣缸復(fù)位，同時(shí)機(jī)械手的雙軸氣缸和無桿氣缸啟動(dòng)復(fù)位程序，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手回到初始位置，馬上進(jìn)入下一個(gè)檳榔的抓取工作。PLC在檳榔被切割完成后就同時(shí)驅(qū)動(dòng)出料氣缸控制其連桿向左移動(dòng)，將己經(jīng)切割好的檳榔推到儲(chǔ)料斗后，出料氣缸自動(dòng)復(fù)位。在沒有按下觸摸屏上的停止切割按鈕時(shí)，檳榔自動(dòng)切割機(jī)會(huì)一直循環(huán)工作。按下停止切割按鈕后，切割機(jī)所有氣缸都會(huì)停止在原始位置，以備下次啟動(dòng)后繼續(xù)完成上次未完成的動(dòng)作。當(dāng)按下復(fù)位按鈕后，則所有的氣缸全部復(fù)位，這時(shí)需要人工調(diào)整機(jī)器到初始狀態(tài)，才能讓機(jī)器正常工作[4- 8]。動(dòng)作流程如圖2所示。

圖2 檳榔自動(dòng)切割機(jī)流程

2 檳榔自動(dòng)切割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制系統(tǒng)

檳榔自動(dòng)切割系統(tǒng)集成了自動(dòng)化技術(shù)、傳感器技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)。可以完成輸送、定位、自動(dòng)切割和出料整個(gè)過程。硬件系統(tǒng)主要包括震動(dòng)篩料料斗、兩級(jí)變速傳送帶、兩軸機(jī)械手、切刀系統(tǒng)、光電感應(yīng)開關(guān)、電磁閥等設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)檳榔切割的自動(dòng)控制，并滿足控制系統(tǒng)的組裝技術(shù)、安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的要求，控制系統(tǒng)所需硬件如下：可編程控制器(PLC)、步進(jìn)電機(jī)、光電開關(guān)、限位開關(guān)、電磁閥等。選擇國(guó)產(chǎn)品牌信捷XC3 型的PLC作為主控制器。電磁閥的開關(guān)由PLC控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)控制。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，如上下，左右，抓取和釋放由氣壓缸驅(qū)動(dòng)。上料氣缸、落料氣缸以及切刀氣缸的運(yùn)動(dòng)也是由氣壓缸驅(qū)動(dòng)。氣壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)由PLC控制的開關(guān)繼電器發(fā)出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)的電磁換向閥控制。定位槽、切片槽以及機(jī)械手的極限位置受到限位開關(guān)的限制。機(jī)械手、定位槽以及切片槽等可運(yùn)動(dòng)部件的極限位置由光電開關(guān)檢測(cè)，定位槽中檳榔的識(shí)別通過光電傳感器完成[9- 12]。控制系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 電氣控制系統(tǒng)框圖

2.2 I/O地址分配

輸入/輸出模塊(I/O模塊)是CPU與外部設(shè)備之間的信息交換渠道[13- 14]。輸入模塊主要用于接收按鈕、開關(guān)和各種傳感器的輸入信號(hào); 而輸出模塊可以實(shí)現(xiàn)CPU運(yùn)行程序來驅(qū)動(dòng)工作負(fù)載，例如接觸器、電磁閥和其他設(shè)備。 PLC的I/O地址根據(jù)控制要求和自動(dòng)切割機(jī)動(dòng)作過程中所需輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行分配[15- 16]。地址分配的具體細(xì)節(jié)如表1所示。

表1 I/O地址分配

為提高自動(dòng)化程度和生產(chǎn)力，主要使用限位開關(guān)、位置感應(yīng)開關(guān)與PLC配合完成物料和設(shè)備的定位檢測(cè)。其中機(jī)械手的限位開關(guān)用于檢測(cè)機(jī)械手是否升起或下落到正確的位置; 切刀上的限位開關(guān)是為了檢查對(duì)檳榔的切割是否完成。

2.3 PLC接線圖

根據(jù)PLC I/O地址分配表，控制系統(tǒng)需要的數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)為14個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)為10。根據(jù)所需輸入輸出點(diǎn)數(shù)和性價(jià)比的原則，選擇信捷PLC的XC3- E16X16YR作為主控制器。XC3- E16X16YR的數(shù)字輸入與輸出點(diǎn)數(shù)量均為16，能夠滿足控制系統(tǒng)的需要。根據(jù)I/O地址分配和PLC型號(hào)，設(shè)計(jì)PLC線路如圖4所示。

圖4 PLC線路

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)功能圖

控制系統(tǒng)的動(dòng)作流程如圖5所示。由圖5可知，控制系統(tǒng)有14個(gè)工作狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的限位開關(guān)或感應(yīng)開關(guān)是跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)的條件。在一個(gè)周期結(jié)束時(shí)，設(shè)置了單次運(yùn)行和循環(huán)運(yùn)行的轉(zhuǎn)移條件模塊。

圖5 檳榔自動(dòng)切割機(jī)動(dòng)作狀態(tài)

3.2 PLC梯形圖

檳榔自動(dòng)切割機(jī)的PLC程序主要包括主程序和初始化子程序。主程序執(zhí)行后調(diào)用單周期或循環(huán)控制程序并完成檳榔切割機(jī)自動(dòng)運(yùn)行。初始化子程序用于初始化系統(tǒng)參數(shù)，清除數(shù)據(jù)并復(fù)位執(zhí)行工作。主程序的部分PLC梯形圖如圖6所示。

圖6 部分PLC梯形圖

4 結(jié)束語

通過電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用基于PLC控制器構(gòu)建了能夠?qū)崿F(xiàn)檳榔加工中自動(dòng)送料、定位、切割和出料的完全自動(dòng)化的電氣控制系統(tǒng)。所提出的基于PLC的新型控制系統(tǒng)改善了國(guó)內(nèi)檳榔加工的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了自動(dòng)化程度和生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)也有助于提高檳榔加工的質(zhì)量。