基于PLC的采棉機(jī)棉箱噴淋控制系統(tǒng)設(shè)計

王永爍,魏 敏,胡 蓉,趙慶展,余志遠(yuǎn)

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000;2.兵團(tuán)工業(yè)技術(shù)研究院,新疆 石河子 832000)

0 引言

我國棉花產(chǎn)量已居世界前列,新疆作為我國最大的棉花生產(chǎn)基地,2018年的種植面積為2 491.3khm2,總產(chǎn)量達(dá)511.1萬t,占全國棉花生產(chǎn)總量的83.8%[1]。隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高,機(jī)采棉模式在新疆得到了快速的發(fā)展。近年來,采棉機(jī)在采棉過程中發(fā)生火災(zāi)事故的次數(shù)逐年上升[2-3]。機(jī)采棉過程中,由于采摘頭摩擦、火星進(jìn)入棉箱、發(fā)動機(jī)溫度過高等原因,極易造成棉箱失火,給駕駛員和棉花采收帶來難以估量的損失。因此,如何有效地控制采棉機(jī)棉箱火情成為機(jī)采棉過程中面臨的重要問題之一。

目前,噴淋可通過降溫、增濕、隔絕空氣等方式有效控制陰燃及燃燒區(qū)域內(nèi)的火情的發(fā)展。長期以來,噴淋系統(tǒng)多用于城市建筑消防[4-5],隨著噴淋技術(shù)的發(fā)展,噴淋系統(tǒng)在小空間應(yīng)用的重要性逐步顯現(xiàn)出來,如在船舶方面的應(yīng)用[6-7]。于博文[8]等人利用GO法與層次分析法對噴淋系統(tǒng)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了定量的計算,可有效計算系統(tǒng)的可靠性。徐云輝[9]等人利用CFD數(shù)值模擬分析與正交實驗法,分析了噴嘴的噴淋特性,得到了影響噴淋流場的主次關(guān)系。張宏[10]等人分析了噴淋管路組件的阻力系數(shù),提出了管路的優(yōu)化設(shè)計參考。以往研究多為針對噴淋系統(tǒng)可靠性及相關(guān)部件優(yōu)化進(jìn)行的研究論證,缺少對自動噴淋控制系統(tǒng)的設(shè)計,針對采棉機(jī)棉箱的噴淋系統(tǒng)設(shè)計更鮮有。

本文針對采棉機(jī)棉箱箱體的特殊性,設(shè)計出一種以 PLC控制、觸摸屏為交互界面的用于采棉機(jī)棉箱的噴淋控制系統(tǒng),可實現(xiàn)在采棉機(jī)棉箱內(nèi)出現(xiàn)火情隱患時及時響應(yīng)啟動,有效地抑制棉箱火情,保障駕駛員與采棉機(jī)的安全。

1 裝置結(jié)構(gòu)及原理

噴淋控制系統(tǒng)主要由PLC、煙霧傳感器、溫度傳感器、供水電磁閥、水泵、噴嘴、儲水箱及觸摸屏等組成,如圖1所示。系統(tǒng)按其功能可分為噴淋與檢測控制兩個子系統(tǒng)。

1.觸摸屏 2.水箱 3.水泵 4.電磁閥 5.電磁閥集成柜 6.水管管路 7.棉箱 8.噴頭 9.傳感器 10.PLC控制器

1.1 噴淋子系統(tǒng)

噴淋子系統(tǒng)由噴嘴、水泵、電磁閥及儲水箱等構(gòu)成,共設(shè)置4條噴淋管路。根據(jù)采棉機(jī)棉箱體積,為保證在出現(xiàn)火情時可有效地控制火情,需要使噴頭在噴淋時有一定的相互重疊,以保證在噴淋范圍內(nèi)完整控制火情。

1.2 檢測控制子系統(tǒng)

檢測控制子系統(tǒng)由 PLC、傳感器模塊、繼電器及觸摸屏等構(gòu)成。傳感器模塊接入 PLC ,繼電器接入電磁閥與水泵并與PLC連接,通過PLC來控制啟停。

觸摸屏作為實現(xiàn)用戶與PLC之間的交互的設(shè)備,與PLC通過變量鏈接,實現(xiàn)信息指令的傳遞[11-12]。通過編譯觸摸屏軟件,可實現(xiàn)棉箱內(nèi)溫度、煙霧信息的實時顯示和發(fā)出報警信號,同時可通過觸摸屏對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。噴淋系統(tǒng)通過PLC設(shè)定的臨界值控制裝置的啟動,當(dāng)傳感器檢測到的參數(shù)達(dá)到臨界值時,數(shù)據(jù)通過信號線傳遞給PLC,PLC控制水泵、電磁閥打開,將水通過水管引流至噴頭。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

控制系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成,即硬件與軟件。其中,硬件部分主要由 PLC、傳感器、觸摸屏及繼電器等組成,如圖2所示。

系統(tǒng)運(yùn)行前,將所要設(shè)定的參數(shù)輸入到PLC當(dāng)中。系統(tǒng)工作時,通過組態(tài)軟件對溫度、煙霧進(jìn)行監(jiān)測,并通過傳感器將得到溫度、煙霧信號數(shù)值傳入PLC;當(dāng)PLC檢測到通過傳感器反饋的檢測信號所對應(yīng)的數(shù)值達(dá)到預(yù)先設(shè)定的臨界值時,開始進(jìn)行延時判定,從而排除環(huán)境等原因?qū)z測信號的干擾;當(dāng)PLC延時判定為火情發(fā)生后,PLC輸出信號控制噴淋裝置水泵及電磁閥的啟動,并同時輸出報警信號。

圖2 PLC控制系統(tǒng)組成

2.2 硬件選型

1)PLC。PLC為整個系統(tǒng)的核心,在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)收集、分析和處理傳感器信號,輸出控制信號控制水泵和電磁閥執(zhí)行相應(yīng)動作并與觸摸屏的通信[13]。PLC 具體型號依據(jù)系統(tǒng)框架要求、I/O點數(shù)、系統(tǒng)精度和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選擇[14]。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu),控制系統(tǒng)中PLC需要控制輸入點14個、輸出點5個,結(jié)合系統(tǒng)所工作的實際環(huán)境及經(jīng)濟(jì)性,PLC選用含有輸入輸出接口各17個的三菱FX2N系列的PLC,具體型號為FX2N32MR-10AD。系統(tǒng)輸入輸出分配表如表1所示。所選PLC系統(tǒng)配置靈活,操作、編程簡單,響應(yīng)速度快,備有多樣且可自由選擇的外部設(shè)備。

表1 輸入/輸出點地址分配

2)傳感器。選用的傳感器類型為溫度傳感器與煙霧傳感器,作用是將接收到的溫度與煙霧變量信號經(jīng)處理后轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)化輸出信號輸入PLC。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要,溫度傳感器選用直管封裝鉑電阻PT100溫度傳感器。該傳感器主要由熱電偶或熱電阻構(gòu)成,通過變送器將采集到的溫度轉(zhuǎn)換為電流信號傳送到PLC,傳感器最高精度可以達(dá)±0.15℃,對應(yīng)可傳感溫度-70～250℃,可用于較惡劣的環(huán)境,滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

研究表明:棉花燃燒無論是明火還陰燃狀態(tài),所產(chǎn)生的主要氣體均為CO[15],所以在系統(tǒng)設(shè)計中煙霧傳感器選用對CO敏感的MQ-7B一氧化碳?xì)怏w傳感器。該傳感器對一氧化碳的靈敏度高,電導(dǎo)率的變化由極簡單的電路實現(xiàn),通過電導(dǎo)率的變化可將檢測到的氣體濃度轉(zhuǎn)換為與之相對應(yīng)的輸出信號。

3)觸摸屏。采用的觸摸屏是顯控科技的AK-070AE。AK-070AE觸摸屏具有較高分辨率、操作簡便等優(yōu)點,在通訊方面支持一串口多協(xié)議通訊,可與多元化的控制設(shè)備進(jìn)行通訊;同時,通過HTTP協(xié)議可將HMI數(shù)據(jù)上傳到Web服務(wù)器,也可以通過Web服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)在HMI顯示。

2.3 PLC控制程序設(shè)計

PLC 程序在GX Works2 平臺操作,使用梯形圖進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)功能,其功能為狀態(tài)檢測與繼電器控制,對應(yīng)的 PLC 程序如圖3所示。

圖 3 噴淋系統(tǒng)流程

棉箱內(nèi)棉花燃燒有3種狀態(tài):一是陰燃狀態(tài);二是環(huán)境溫度達(dá)到棉箱內(nèi)籽棉及雜質(zhì)燃點的狀態(tài);三是籽棉出現(xiàn)明火燃燒狀態(tài)。這3種狀態(tài)在棉箱內(nèi)既有可能順序發(fā)生,也有可能單獨出現(xiàn)。針對這3種不同的狀態(tài)將對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的影響,系統(tǒng)對檢測裝置及PLC控制程序進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計,可及時有效地檢測棉箱內(nèi)各種情況的發(fā)生。

采棉機(jī)工作情況較為復(fù)雜,可能會出現(xiàn)傳感器誤報的情況。如果PLC接收到傳感器輸入的高于臨界值的信號,系統(tǒng)就立即響應(yīng),會對采棉機(jī)的正常工作有相當(dāng)大的影響。鑒于此,在PLC控制程序中對傳感器信號接收設(shè)定延時響應(yīng),當(dāng)信號持續(xù)超出設(shè)定時間(本系統(tǒng)設(shè)定延時時間為10s)時,系統(tǒng)才做出響應(yīng),可有效防止誤報情況的發(fā)生,保證采棉機(jī)的正常工作。

圖4 部分PLC控制程序

2.4 觸摸屏軟件設(shè)計

觸摸屏的軟件設(shè)計主要是為直觀地顯示系統(tǒng)的狀態(tài)及更好地實現(xiàn)與PLC進(jìn)行通訊,設(shè)計內(nèi)容主要有輸入輸出組態(tài)、功能鍵組態(tài)及文本顯示[16]。因此,應(yīng)根據(jù)實際要求設(shè)計對應(yīng)的界面、參數(shù)、PLC當(dāng)前值及報警信號向觸摸屏的輸出[17]。

根據(jù)噴淋系統(tǒng)工作要求,觸摸屏顯示分為3個部分,即控制界面、參數(shù)顯示界面及功能介紹界面。其中,控制界面(見圖5)用于控制系統(tǒng)的啟停、復(fù)位及顯示報警信號,通過控制界面的溫度變化與氣體濃度按鈕可以進(jìn)入對應(yīng)的參數(shù)顯示界面(見圖6),從而觀察到棉箱內(nèi)實時的數(shù)據(jù)變化。

圖5 控制界面

圖6 參數(shù)顯示界面

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺搭建及材料選取

試驗臺(見圖7)主要用來模擬棉箱噴淋系統(tǒng)在棉箱中將要發(fā)生火情及發(fā)生火情后所做出響應(yīng)的情況,主要由噴淋裝置、傳感器及PLC控制器部分組成,試驗材料為新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)132團(tuán)采收的籽棉。

圖7 試驗平臺

3.2 試驗?zāi)康?/h3>

試驗研究在棉箱內(nèi)棉花陰燃、溫度達(dá)到籽棉燃點及出現(xiàn)明火燃燒3種狀態(tài)下,噴淋系統(tǒng)能否及時做出響應(yīng),即噴淋系統(tǒng)的準(zhǔn)確率。

3.3 試驗方法

根據(jù)棉箱內(nèi)棉花的3種狀態(tài),試驗分為3組進(jìn)行,分別為籽棉陰燃狀態(tài)(A組)、溫度即將達(dá)到燃點狀態(tài)(B組)、籽棉明火燃燒狀態(tài)(C組)。每組試驗50次,共計150次。為減少試驗誤差,每次試驗前均對棉花進(jìn)行稱量,保證每組試驗棉花質(zhì)量均勻。每次試驗后,用風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)清理棉箱內(nèi)殘留的CO等氣體,防止其對實驗產(chǎn)生影響。

具體方式:A組將籽棉放入試驗棉箱,點燃1個小火星包入籽棉中,模擬籽棉陰燃的產(chǎn)生,觀察觸摸屏氣體濃度變化及棉箱噴淋控制系統(tǒng)是否及時響應(yīng);B組主要模擬采棉機(jī)發(fā)動機(jī)溫度對棉箱的影響,對試驗棉箱發(fā)動機(jī)部位進(jìn)行加熱,模擬發(fā)動機(jī)溫度,觀察觸摸屏溫度變化及棉箱噴淋控制系統(tǒng)是否及時響應(yīng);C組在試驗棉箱中置入火源,引燃籽棉,觀察棉箱噴淋控制系統(tǒng)是否及時響應(yīng)。

3.4 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果的評定為系統(tǒng)響應(yīng)率,即當(dāng)出現(xiàn)以上3種情況中的任意一種時系統(tǒng)所做出的正確響應(yīng)的比率,公式為

式中P—系統(tǒng)響應(yīng)率;

n—系統(tǒng)做出響應(yīng)的次數(shù);

N—系統(tǒng)試驗的總次數(shù)。

試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1)設(shè)計了一種采棉機(jī)棉箱噴淋系統(tǒng),可實現(xiàn)在棉箱出現(xiàn)火情時及時響應(yīng)控制、消滅火情,有效保證采棉機(jī)采收過程中采棉機(jī)與工作人員的安全。

2)試驗表明:在棉箱中出現(xiàn)籽棉陰燃、溫度達(dá)到籽棉及雜質(zhì)燃點及出現(xiàn)明火時,系統(tǒng)均可以及時做出響應(yīng)并對火情進(jìn)行控制處理,有效率達(dá)到85%以上。

3)棉箱噴淋系統(tǒng)采用PLC控制,且利用觸摸屏反應(yīng)棉箱內(nèi)的實時情況,適應(yīng)性強(qiáng),操作簡單。