基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜切割機

蘇偉樂　李金燦　黎智聰　王為憑

摘 要：為提高蔬菜切割效率，設計一種基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜切割機。文中的自動切菜系統(tǒng)使用PLC、觸摸屏、網(wǎng)關作為現(xiàn)場和物聯(lián)網(wǎng)云端的控制流程執(zhí)行信號的控制核心，前端配套金屬傳感器與紅外傳感器，滿足切菜條件后由PLC輸出開關信號到變頻器，啟動切菜控制電機和傳送帶電機，實現(xiàn)自動切割與運輸蔬菜的功能。該系統(tǒng)能使用手機APP及現(xiàn)場自動控制，具有較優(yōu)的控制特性，有較好的推廣意義。

關鍵詞：蔬菜自動切割;物聯(lián)網(wǎng)云端;觸摸屏;PLC;變頻器;APP

中圖分類號：TP271文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）03-0-03

0 引 言

自動切割機是將傳統(tǒng)的手工切菜以現(xiàn)代化的自動過程完成的替代品，可以將投入的蔬菜切成粒、片、塊等形狀。人長久保持切菜動作難免會麻木出錯，影響菜品質(zhì)量和產(chǎn)生人身傷害風險。在講究效率和以人為本的現(xiàn)代社會，依靠人力去處理大量的蔬菜是不可取的，因此蔬菜的自動切割處理越發(fā)引人關注[1-2]。本設計是結合省級大創(chuàng)項目而確定的設計類課題，設計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)瓜類蔬菜的高效切片或切塊。

經(jīng)調(diào)研、討論確定設計方案：在手動啟停與恒速的切割機基礎上，加裝金屬傳感器與紅外傳感器，實現(xiàn)滿足條件的啟動與不滿足條件的停機及切菜傳菜速度可調(diào)，并將系統(tǒng)運轉(zhuǎn)信息通過PLC采集后發(fā)送到觸摸屏和網(wǎng)關上云，從而實現(xiàn)現(xiàn)場與云端監(jiān)控[3]。

采用信捷XC3標準系列的PLC，實現(xiàn)邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)等功能，這是整個系統(tǒng)的核心。此外，在RS 485通信協(xié)議下，網(wǎng)關可以實時獲取PLC內(nèi)部元件的工作狀態(tài)，從而在云端后臺實時監(jiān)控系統(tǒng)[4-5]。

1 系統(tǒng)總體方案

本設計主要根據(jù)蔬菜自動切割系統(tǒng)的工作原理，PLC的工作原理，以及傳感器前端檢測與信號輸出原理，進行軟硬件以及人機界面設計，在自動化和安全性上能達到既定的目標。

蔬菜切割和傳送是設計的關鍵，力求做到蔬菜切割均勻;其次是安全性問題，只要有人操作的地方就要添加防止誤傷人體的功能;然后是整套設備的體積問題，如果太大將不實用;最后是添加物聯(lián)網(wǎng)控制監(jiān)測[6]。

綜上，所需設備及技術包括：電氣控制部分有空氣開關、信捷PLC以及模擬量輸出模塊、信捷觸摸屏、變頻器、電源模塊、對射型紅外柵欄傳感器、金屬渦流傳感器，需要掌握電氣控制技術、組態(tài)設計技術、變頻器外部信號輸入啟動和調(diào)頻技術、低壓電路回路接線技術;切割部分有2臺單進單出單相電機、傳送帶、金屬機架與部件、動力輸出帶以及鏈條、龍門吊型切刀;創(chuàng)新功能部分有人防安全設置、物聯(lián)網(wǎng)功能，需要根據(jù)現(xiàn)有基礎結合實際要求進行添加控制功能的理念和能力。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 PLC選型及I/O接線

根據(jù)系統(tǒng)工藝、運行要求，確定PLC型號為信捷XC3-32R-E，輸入/輸出I/O的點數(shù)為16 /16點，并根據(jù)控制變頻器的需要，選擇了模擬量輸出擴展BD板。PLC的I/O接線圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 硬件設計

切菜系統(tǒng)主要由變頻器、三相異步電機、切刀、傳送帶、金屬傳感器、紅外光柵傳感器、觸摸屏組成。

3.1.1 硬件選型

變頻器采用基于PWM控制的單相輸出的變頻器，可設置為手動控制或外部控制模式，控制模式可通過外接設備進行遠程控制進行調(diào)頻，能實現(xiàn)0～50 Hz范圍之間的頻率改變，型號分別為AT2-1500X、AT2-0450X，工作電源電壓為200 V，帶有滑差補償功能，對于沖擊性負載有良好的適應性，可保證電機的輸出轉(zhuǎn)速恒定[7]。

觸摸屏TG765S的液晶可在環(huán)境溫度25 ℃下壽命50 000 h以上，環(huán)境運行溫度在0～50 ℃之間，存儲溫度在-20～60 ℃之間，運行濕度10%RH～90%RH（無凝露）之間，支持RS 232通信方式，可通過USB-B接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸，提高工作效率。

菜刀電機采用臥式370 W，220 V的單相電機YL90L-6。單相電機YL90系列單相雙值電容電動機的起動轉(zhuǎn)矩較大，可達40 N·m以上，滿足菜刀動力需求，額定轉(zhuǎn)速可達900 r/min。傳送帶電機采用臥式370 W，220 V的單相感應電機YY7134，啟動轉(zhuǎn)矩達30 N·m以上，滿足傳送帶運轉(zhuǎn)需求，額定轉(zhuǎn)速[8]可達1 400 r/min。菜刀的運動方向卻是垂直雙向的，而電機的運動方向是旋轉(zhuǎn)型的，所以菜刀與電機的動力方向需要轉(zhuǎn)換，于是選用傳統(tǒng)的曲柄連桿裝置，它能相互轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)方向和垂直方向的動力。由于周長大的圓與周長小的圓旋轉(zhuǎn)同一角度，大圓的運動距離跟遠，故電機的轉(zhuǎn)子外加一個大一些的傳送帶卡槽，然后通過傳送皮帶間接傳輸動力以提高菜刀的速度。

安全蓋使用的傳感器為金屬渦流傳感器[9]。當安全蓋打開時，安全蓋上的金屬會脫離金屬渦流傳感器的檢測范圍，傳感器此時會反饋一個信號給PLC，PLC再根據(jù)程序進行停機處理。檢測蔬菜的傳感器則選用數(shù)字變頻紅外光柵探測器，紅外探測器分發(fā)送端和接收端兩部分，能在-40～70 ℃環(huán)境溫度下正常運行，且靈敏度高，僅需遮擋紅外線30 ms即可檢測出物品，探測距離大，使用低頻的紅外線進行探測，對有紅外線的家用電器無任何干擾，擁有智能光強檢測，降低功耗又可分辨出燈光和太陽光，可抗水珠、霧氣干擾，非常符合工作場景。設備開啟并運作時，當紅外探測器檢測到蔬菜，PLC會根據(jù)選擇的設置進行加工處理，如5 s未檢測到有新的物品放入，PLC會使電機進入暫時停機模式以節(jié)能。

3.1.2 硬件搭建

首先將兩個電動機以臥式方式安裝在鐵架的最下方，以避免固定電動機的螺絲在工作時避免因重力的干擾而容易出現(xiàn)松動;而且采用U型槽來固定電動機，電動機在U型槽中可以實現(xiàn)1 cm左右的微調(diào)，方便以后進行優(yōu)化。然后在鐵架上方安裝傳送帶。由于傳送帶的使用占據(jù)了蔬菜切割機的所有過程，故對傳送帶的安裝進行優(yōu)化。傳送帶的出菜口端是固定的，入菜口端則是通過較長的螺絲與帶有相應螺絲孔的鐵桿軸之間的咬合進行拉伸固定。因此傳送帶可調(diào)節(jié)松緊度以解決傳送帶使用久后出現(xiàn)松動這一問題，且方便拆卸、清洗。在應對較輕的蔬菜時，可將傳送帶放松一些，減小電動機的工作負荷;而在應對較重的蔬菜時，可以適當?shù)膶魉蛶Юo[10]。

為了避免水滴、殘渣接觸到電機和提高切割機的清洗的簡易度，在傳送帶下方安裝一個隔絕的擋板，在擋板上面放入一個寬矮的廢棄物收集槽用以收集殘渣和水滴，收集槽可像抽屜一樣完全拉出，待清洗后再放入即可。裸露的菜刀并不安全，而全封閉的又不方便清洗、維護，故在傳送帶上方的菜刀的前后位置安裝一個凸型鐵皮，避免菜刀裸露在外面，然后在離菜刀近的出菜口端安裝上保護蓋及金屬渦流傳感器，入菜口端離菜刀較遠，需要伸入2/3的手臂才能接觸到菜刀，因此較為安全。紅外光柵則安裝在入菜口端的左右兩邊。對于PLC、變頻器、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關、天線和空氣開關等器件，采用模塊化安裝，統(tǒng)一將它們安裝在全封閉的木箱中，木箱可掛于切割機的兩側(cè)，當需要進行常規(guī)檢查或者有器件損壞時，可針對性進行統(tǒng)一檢查或維修，這樣就不會出現(xiàn)因設備內(nèi)部雜亂且空間不足而難以對各個器件進行拆除、維修等問題，方便后期維護。切菜機硬件圖如圖3所示。

3.2 PLC軟件設計

程序設計需要按照作品預期想要實現(xiàn)的功能進行設

計[11]。整套程序分多個模塊，雖各自功能不同，卻又相互聯(lián)系、缺一不可。為了能達到預期的控制效果，每一項功能的程序必須細致編寫，提防在系統(tǒng)運行時可能出現(xiàn)的邏輯錯誤而導致的運行失敗。自動切菜機運轉(zhuǎn)流程如圖4所示。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)功能設計

物聯(lián)網(wǎng)功能在本項目的具體應用為：在原基礎控制平臺上加裝廣州智嵌公司自主研發(fā)的萬能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關作為監(jiān)控中介，如圖5所示，利用485通信方式、Modbus通信協(xié)議對PLC的內(nèi)部寄存器與繼電器進行讀/寫操作。流程為網(wǎng)關讀取到PLC的數(shù)據(jù)先上傳到中國移動OneNET平臺，最后由智嵌公司的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺上后端做可視化[12]，如圖6所示;而寫數(shù)據(jù)則在平臺上定義按鈕路徑，通過在平臺上做相關控制操作，通過云端及手機APP開發(fā)，亦借由網(wǎng)關將控制信號傳送到PLC，再執(zhí)行相關動作，從而實現(xiàn)控制功能，如圖7所示。

3.4 系統(tǒng)調(diào)試

前期所有準備工作包括：檢測控制系統(tǒng)與主硬件完整接線、變頻器和電機及傳感器等各硬件信號響應和輸出是否正常、PLC與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關各自程序模擬運轉(zhuǎn)正常、觸摸屏人機界面設計及連接PLC。

測試結果：控制方面，觸摸屏以及云端物聯(lián)網(wǎng)APP可以根據(jù)系統(tǒng)反饋運行條件手動啟停，以及自動進入運行與待機自循環(huán)判斷執(zhí)行環(huán)節(jié)，并能調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速;運行數(shù)據(jù)方面，在觸摸屏現(xiàn)地以及物聯(lián)網(wǎng)云端顯示。但亦存在傳送帶的工作過程不太流暢，團隊更換了其材質(zhì)以及調(diào)節(jié)松緊度，最終較好解決問題。運轉(zhuǎn)信息結合經(jīng)濟以及實用因素考慮后設定為10 s上傳1次到云端后臺，但可實時下發(fā)控制量。

4 結 語

本項目在實驗室完成了軟件虛擬運行與硬件實際運轉(zhuǎn)設計與組裝調(diào)試，實現(xiàn)了放入蔬菜后即可自動切菜的預期功能。同時也表明，PLC作為控制核心可以實現(xiàn)非常清晰的邏輯控制，搭配傳感器可以提升傳統(tǒng)控制模式的智能化水平，同時配合人機界面和物聯(lián)網(wǎng)技術、手機APP功能或使系統(tǒng)有優(yōu)異的控制性能。

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