5XF-60型馬鈴薯清選機智能控制系統的研制

吳峰倩，于文強，紀曉磊，李學強

(1.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000；2.山東希成農業機械科技有限公司，山東 樂陵 253600)

0 引言

馬鈴薯是世界上僅次于小麥、水稻和玉米之后的第四大糧食作物[1-3]，中國也是世界上馬鈴薯總產最多和消費最大的國家。盡管我國馬鈴薯的播種面積和產量很多，然而在馬鈴薯機械化程度上相對落后，因此實現馬鈴薯全程機械化迫在眉睫。

馬鈴薯農機產品主要分為馬鈴薯播種機械、中期管理機械和后期收獲及其馬鈴薯倉儲機械。目前，馬鈴薯從前期播種到收獲階段的機械發展較為成熟，但倉儲設備比較匱乏[4-6]。馬鈴薯收獲后需要根據客戶的需求進行大小分級，以達到客戶的最大利潤，但在我國大部分地區，尤其是在馬鈴薯種植面積比較大的內蒙古地區，仍靠人工來清選，不僅效率低、勞動強度大，清選效果也不佳。馬鈴薯清選裝備能夠方便馬鈴薯的大量分選工作，代替了人工靠肉眼進行清選的繁重工作，減少了勞動力且大大提高了清選質量[7-10]。

本文通過對馬鈴薯智能清選控制系統的研制，解決了馬鈴薯清選機的上料流量輸送不穩定及清選輥軸間距調節不便的問題。其根據主輸送線上料速度改變上料流量的穩定性，經傳感器采集上料輸送帶松弛距離信息自動調整輸送帶的張緊度，通過相鄰輥軸間距的調節，實現清選狀態的可視性，提高馬鈴薯清選機的工作效率，降低薯塊破皮率，為馬鈴薯清選裝備的進一步智能化研究提供了參考，對馬鈴薯清選裝備的設計優化有著重要的意義[11]。

1 整機結構及工作原理

馬鈴薯清選機主要由主輸送線上料裝置、一級清選裝置、二級清選裝置、薯塊輸送線裝置及泥土雜物輸送線裝置等組成，如圖1所示。

1.主輸送線上料裝置 2.一級清選裝置 3.二級清選裝置 4.薯塊輸送線裝置 5.主機托架

工作過程中，馬鈴薯通過裝卸車倒入主輸送線裝置，主輸送線裝置由液壓系統控制其輸送角度，變頻電機可以根據輸送馬鈴薯的載荷量而調整其輸送速度，從而有效地提高了馬鈴薯的輸送效率。馬鈴薯由主輸送線裝置輸送到一級清選裝置，小薯塊與碎土雜質通過分選軸間隙落到下面的輸送帶上，被輸送到下一級輸送帶，分選裝置的分選軸間隙大小由液壓系統控制，精確地保證了馬鈴薯大小規格的統一。馬鈴薯從一級清選裝置被輸送到二級清選裝置上，二級清選裝置采用橡膠彈性分離齒刷膠輪，既保證馬鈴薯不被碰傷，又能更好地將馬鈴薯表面的粘性土壤揉搓干凈；最后，清理干凈的馬鈴薯被輸送到下一級輸送線，完成分選清選的全過程。

2 清選機關鍵結構及控制原理

2.1 控制系統結構及原理

本系統主要由PLC主控制模塊、上料清選量控制模塊、輸送帶控制模塊、清選輥軸間距控制模塊、人機交互模塊，以及電源等組成。清選控制系統總體結構如圖2所示。

圖2 智能清選控制系統結構框圖

本控制系統完成對上料速度、輸送帶張緊度及輥軸間距等信息的操作處理，并對系統實行監控界面和參數界面進行設置，及時地顯示出檢測模塊的信息變化。

2.2 上料主輸送線裝置及控制原理

在馬鈴薯清選機上料輸送過程中，因上料不均勻而導致物料堆積、過載卡停和分選效果差等問題[12]，采用測距傳感器采集薯塊輸送厚度信號，經可編程控制器PLC輸出指令傳送到變頻器中并作相應的動作，通過對輸出頻率的改變，控制變頻電機的轉速，滿足主輸送線上料清選量的要求，實現馬鈴薯清選機智能上料。主輸送線上料裝置如圖3所示。

2.3 上料輸送帶及控制原理

馬鈴薯清選機上料輸送帶在長期作業過程中受振動、載荷過載及輸送帶松弛等因素影響易出現跑偏現象，故輸送帶傳動中張緊處的調整，可以有效防止輸送帶隨時跑偏。當測距傳感器檢測到輸送帶松弛時，可編程控制器PLC輸出指令傳送到步進電機，將其轉動相應的角度驅動調整螺栓，從而實現上料輸送帶張緊度的調整。通過采用自動張緊裝置調整輸送帶的張緊度，對防止輸送帶松弛、機架歪斜引起的跑偏發揮了良好的作用，并提高了馬鈴薯清選機上料輸送帶的平穩性。上料輸送帶內部視圖，如圖4所示。

1.馬鈴薯輸送帶 2.擋薯側護板 3. 擋薯底端板 4.支撐座 5.鏈條下擋板 6. 配電箱固定架 7.變頻電機

1.擋板連接架 2.從動輥軸 3.傳動鏈條總成 4.支撐架 5.主動四爪

2.4 清選調節裝置及控制原理

在清選作業過程中，上料主輸送線裝置將馬鈴薯輸送到清選裝置中，小薯塊和碎土雜質經過清選輥軸間隙落到下層輸送帶上，清選裝置的輥軸間隙大小由液壓系統控制，從而達到清選馬鈴薯大小規格的統一。通過計算機控制液壓系統的工作時間，進而調節清選裝置相鄰輥軸間距，提高清選輥軸間距的控制精度。清選調節裝置如圖5所示。

1.減速電機 2.主動擋板 3.分選彈簧 4.雙連片體 5.傳動鏈條 6.單連片體 7.支撐托桿

3 控制系統的硬件

3.1 主控制模塊

本控制系統應用西門子S7-200系列PLC，型號為S7-200 CPU224-DC24V，具有結構緊湊、容量大、實時性好、響應快速及系統工作穩定等優點[13-14]，可以達到本系統的使用目的。

3.2 上料清選量控制模塊

3.2.1 單位時間清選量與各參數的關系

馬鈴薯上料過程中，智能控制系統根據薯塊堆積平均高度h’、單位時間清選量Qs及主輸送線上料速度vz三者之間的關系，通過主輸送線上料速度vz和薯塊堆積平均高度h’，計算出單位時間清選量Qs，從而能夠實現主輸送線上料流量達到穩定的效果。單位時間清選量與判定變速運算公式為

Qs=vz·ρd·(d1+h0h’)·(h0h’)×36×10-4

(1)

h’=(h1+h2+h3+h4)/4

(2)

td=dj/vz×10-3

(3)

vz=dz·π·nz/(6×104)

(4)

fd=nz·pj/60

(5)

式中Qs—單位時間清選量(t/h)；

vz—主輸送線上料速度(m/s)；

ρd—薯堆密度(t/m3)；

d1—接收料斗上平端底部寬度(mm)；

h0—檢測模塊的安裝高度(mm)；

h’—檢測薯塊堆積平均高度(mm)；

h1、h2、h3、h4—分別為薯塊堆積高度點位1、2、3、4；

td—判定速度變化所需時間(s)；

dj—檢測模塊檢測寬度(mm)；

nz—變頻電機轉速(r/min)；

dz—上料主動鏈輪的直徑(mm)；

fd—變頻器的頻率(Hz)；

pj—變頻電機的級數。

3.2.2 上料清選量控制原理

在上料清選量控制系統中，可編程控制器PLC發出指令傳送到變頻器中并作相應的動作，經過輸出頻率的改變，可以控制變頻電機的轉速，進而調節上料清選量，但對于給定的上料清選量不能保證指令達到規定的數值。若建立開環控制，則上料清選量無法滿足控制要求，因此本文建立閉環反饋控制[15]，更好地提高上料清選量的穩定性和控制精度。其控制結構框圖，如圖6所示。

圖6 上料清選量控制結構框圖

工業控制計算機通過可編程控制器PLC，將檢測到的薯塊堆積高度信號轉化為0～10V的模擬量電壓信號，模擬量電壓信號經內部A/D轉換器轉化為數字量信號，并將其輸送給CPU模塊；然后，根據預定程序，對被測量的信號給予分析、處理及比較[16]，根據設定的控制算法進行PID運算并輸送出控制信號，將控制信號經過D/A轉換器轉化為0～10V的電壓信號輸送到變頻器中，從而經過頻率調節控制電機的速度，達到上料清選量的穩定性。薯塊堆積高度可經過數據采集傳送給上位機，并在組態界面中進行實時顯示。

為提高系統的靈敏性和控制精確度，通過PLC編寫程序調用組態王軟件的PID標準控制模塊[17]，再按照實際的工作情況加以調試處理，并對比例系數KP、積分時間常數TI、微分時間常數TD用試湊的方法調整，直調試到滿足的數值，達到馬鈴薯清選量的恒定，提高主輸送線上料清選量的穩定性。

3.3 輸送帶控制模塊

為避免馬鈴薯上料輸送帶作業時受振動、過載及輸送帶松弛等因素造成的跑偏現象，輸送帶傳動采用自動張緊裝置，以保證必需的初拉力。由于輸送過程中輸送帶張緊度調整幅度無需過大，因此可以使調整螺桿和步進電機相連接，并用步進電機驅動調整螺栓實現輸送帶張緊度的調整。在輸送過程中，當傳感器檢測到輸送帶的實際張緊度小于設定張緊度時，系統發出故障警報信號，可編程控制器PLC輸出脈沖指令傳送到步進電機中，將步進電機轉動相應的角度驅動調整螺栓，從而實現上料輸送帶張緊度的調整；若輸送帶的實際張緊度不小于設定張緊度時，則輸送帶繼續正常工作。輸送帶控制流程如圖7所示。

3.4 清選輥軸間距控制模塊

3.4.1 清選輥軸間距與各參數的關系

在人機交互界面中設定相鄰輥軸間距Lz，液壓系統工作時，清選裝置相鄰輥軸間距的調節由液壓系統的運行控制。根據液壓系統運行的距離L1為設定的相鄰輥軸間距Lz與測得的初始間距Lc之差的絕對值，從液壓系統中獲得相應的運行速度v1，由此得出液壓系統的運行時間Δtw為

L1=v1Δtw×10-3

(6)

L1=|Lz-Lc|

(7)

Δtw=|Lz-Lc|/v1×10-3

(8)

式中L1—液壓系統的運行距離(mm)；

v1—液壓系統的運行速度(m/s)；

Δtw—液壓系統的運行工作時間(s)；

Lc—測得的初始相鄰輥軸間距(mm)。

圖7 輸送帶控制流程

3.4.2 清選輥軸間距控制原理

在馬鈴薯清選工作中，清選裝置的輥軸間距采用手動調節方式，存在著清選輥軸間距控制精度低、調節繁瑣及作業效率低等問題。本文采用智能控制的方式，能夠更快捷地調節清選裝置的輥軸間距，并提高輥軸間距的控制精確度。通過PLC控制液壓缸三位四通電磁換向閥[18-19]，完成液壓缸動作的全過程，并控制液壓系統運行的工作時間，實現相鄰清選輥軸間距的調節，其控制流程如圖8所示。

可編程控制器PLC將Q0.0置位，再將Q0.1復位，則電磁閥的線圈J1帶電，J2不帶電，三位四通電磁換向閥處于左工作位，液壓缸伸出；可編程控制器PLC將Q0.0復位，再將Q0.1置位，則電磁閥的線圈J2帶電，J1不帶電，三位四通電磁換向閥處于右工作位，液壓缸收縮；可編程控制器PLC將Q0.0、Q0.1復位，則電磁閥的線圈J1、J2不帶電，三位四通電磁換向閥的工作狀態處于中間位，液壓缸停止動作，完成整個液壓缸的工作過程，并控制液壓系統的工作時間t，從而達到相鄰輥軸間距調節的目的。

圖8 清選輥軸間距控制流程

3.5 人機交互模塊

人機交互模塊主要包括對系統運行監控界面與參數設置界面的設計，通過這兩個界面窗口用戶可以實時監控清選工作的狀態，還可根據不同工作環境設置清選機各個模塊的參數化控制，提高了清選機的工作效率。

用戶根據需求在人機交互界面通過設置 “單位時間清選量”選項和“相鄰輥軸間距”選項，分別對清選機的主輸送線上料速度和液壓系統工作時間進行控制，實現清選狀態的可視性和實時性。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

在內蒙古自治區烏蘭察布市進行田間試驗， 選用額定載重30t的重型貨車，將馬鈴薯等量分組倒入所研制的5XF-60型馬鈴薯智能清選機中進行田間試驗。馬鈴薯輸送清選現場圖如圖9所示。

4.2 試驗結果

通過多次田間試驗，對多組試驗結果取均值，將試驗結果與原有手動馬鈴薯清選機工作性能進行比較分析，得出清選機改進前后的性能結果對比，結果如表1所示。

圖9 清選現場

項目單位改進前性能改進后性能最大處理能力t/h6070泥土清除率%≥ 90.0≥ 95.5清選準確率%≥ 85.0≥ 93.0傷薯率%≤ 5.0≤ 1.0

5 結論

1)上料清選量控制模塊經應用變頻調速技術，可控制清選機上料主動軸的轉速，進而調節主輸送線上料速度，實現了馬鈴薯上料清選量的穩定性。

2)利用自動張緊裝置控制輸送帶傳動，以保證輸送帶張緊度的要求，避免輸送帶因振動、過載及松弛等原因所引起的跑偏問題，提高了馬鈴薯清選機上料輸送效率。

3)通過可編程控制器PLC控制Q0.0、Q0.1的置位與復位，實現液壓缸伸縮功能，來調節清選裝置相鄰輥軸間距，提高了清選輥軸間距的控制精度。

4)田間試驗表明：改進后的5XF-60馬鈴薯智能清選機的最大處理能力、泥土清除率、清選準確率及傷薯率4項指標較原有清選機得到了極大改善，不僅提高了馬鈴薯分選效率，且有效降低了傷薯率，保證了清選質量。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0144-EA