基于PLC控制的氣動扦樣管壓拔裝置設計

范灼航，楊敬君，劉躍華，羅 斌，陳俊宏，李康潤

(廣東省儲備糧管理總公司東莞直屬庫，廣東 東莞 523000)

糧食倉儲行業肩負著保障國家糧食安全，履行實施國家糧食安全戰略的神圣職責，安全儲糧是糧食保管企業貫徹落實國家糧食安全戰略、守住管好“天下糧倉”的重要任務。糧食檢化驗工作則是落實上述任務的重要一環，一批糧食檢化驗數據的準確與否取決于糧食樣品是否真實且具有代表性，因此，在糧倉中扦取一個具有代表性的樣品是糧食檢驗過程中比較重要的環節[1-5]。

近年來，淺圓倉、大直徑筒倉等具有單位倉容造價低、結構受力合理、機械化程度高、單倉容量大、占地面積小、密閉性能好等優點，成為我國近幾年大力發展的主力新倉型；該倉型設計倉容多為1～2萬t，裝糧高度從20～40 m不等[6-9]。

傳統扦樣作業時，扦樣管的下壓與抽拔都是靠人力完成，且每一截鋼管的續接都需要重新拆裝助壓器，過程繁瑣，整個取樣過程中存在工作人員勞動強度大、取樣效率低等問題，且在扦取12 m以下的糧食樣品時，需多人聯合作業才可艱難推進，20 m以下糧食樣品扦取靠人力難以獲取[10-11]。為切實解決糧食在大型糧食庫倉倉儲過程中糧食樣品扦取效率低、機械化程度不高、作業人員勞動強度大等問題，廣東省儲備糧東莞直屬庫成立攻關研發工作小組，成功研發了一款氣動壓拔扦樣管裝置，但第一代產品控制多以人工手動操作為主，操作過程繁瑣，自動化程度不高。

為此，通過基于PLC為主控制器，以第一代氣動扦樣管壓拔裝置(氣動扦樣器)為基礎，優化設計了一套多模式一鍵控制扦樣裝置作業的電氣控制系統，有效降低了作業人員強度，提高了扦樣效率和產品自動化水平。

1 半自動氣動扦樣器的工作原理

1.1 氣動扦樣器的機械機構及工作原理

氣動扦樣器機械部分主要由支架機構、設于支架系統中構成垂直升降運動的壓拔機構和用于夾緊松弛扦樣管的夾緊機構(夾手)組成。氣動扦樣器的機械結構示意圖如圖1所示。

圖1 氣動扦樣器機械結構圖

該氣動扦樣器是采用氣動手動閥來控制扦樣器各執行機構的動作，其中手動閥A用于控制扦樣器壓拔機構上下運行并帶動夾緊機構(夾手)上升或下降，手動閥B用于控制夾手夾緊或松開扦樣管，通過上述兩大機構的組合動作得以實現扦樣管的插入或拔出，以實現獲取不同深度的糧食樣品。

1.2 半自動氣動扦樣器的工作原理

上述氣動扦樣器雖然實現了機械替代人工作業，大大降低了作業人員的勞動強度，但其控制過程仍相對繁瑣，扦樣作業人員容易出現誤操作。因此，為優化產品性能，提高扦樣效率，在原有氣動扦樣器的基礎上嵌入了PLC電氣控制系統，整個工作流程由PLC控制，實現了半自動氣動扦樣，達到了一鍵插管或一鍵拔管的控制效果，減少扦樣作業人員操作的頻次。半自動氣動扦樣器的工作流程如圖2所示。

圖2 半自動氣動扦樣器工作流程

在操作方式上，為滿足不同作業場景的功能需要，設計了手動、自動插管和自動拔管三種控制模式，實現了分別手動單獨控制和(或)自動控制壓拔機構、夾緊機構的動作。

系統上電后，通過旋鈕選擇工作模式：①手動模式：在手動模式下可通過對應按鈕控制夾手的上升、下降、夾緊或松開；②自插模式：在自插模式下，按“一鍵啟動”按鈕，扦樣管的夾頭會自動定位扦樣管的最高位置，進行“定位→夾緊→插入→松開→定位”的循環動作，至最后一次檢測開關無法檢測到扦樣管后停止循環；③自拔模式:進入自拔模式時，夾手下降至下限位，夾手夾緊，“自拔程序”初始狀態完成，按“一鍵啟動”按鈕，扦樣器夾手上升做“拔管”動作至上限位后，夾手松開，復位至下限位并夾緊夾手，完成一次循環。

2 PLC控制系統搭建

2.1 系統硬件設計

PLC是半自動氣動扦樣器電氣控制系統的核心，扦樣器的動作通過氣缸電磁閥直接和PLC的輸出端相連，控制傳輸信號采用按鈕、位置開關等直接和PLC輸入端相連，控制性能穩定可靠[12]。根據對機器需求的分析，該控制系統總共需要13個輸入點和3個輸出點。考慮到系統的穩定性和可擴展性，且整套系統的電氣控制部分應盡可能輕便小巧，故選用了FX-2N-24MR PLC控制器，其不僅支持FX-2N系列PLC的大部分功能指令，且適用GX Developer與GX Works2軟件編程、讀取、下載、檢驗、診斷、監控程序[13]。控制系統的PLC控制器輸入輸出端口的分配如表1所示。

表1 PLC控制器輸入輸出端口分配表

2.2 系統軟件設計

系統的軟件主要分為4大部分，其中包括：基礎程序、手動程序、插管程序、拔管程序、基礎程序為PLC輸出線圈直接驅動電磁閥的底層程序，是為服務其他3個程序而設計的；手動程序可通過按鈕實現夾手的夾緊或松開動作和夾手的上升或下降動作。

2.2.1自動插管程序設計

自動插入扦樣管程序設計思路如圖3所示。機器在自動插管模式時，分為兩種情況。

圖3 自動插管模式程序設計思路

第一種情況是：按下按鈕⑤(一鍵啟動)，夾手的檢測開關能檢測到扦樣管，夾手上升，若夾手上升至上限位仍能檢測到扦樣管，夾手做一次“插管”動作后，夾手松開，夾手做上述循環動作直至夾手在上升尋找扦樣管最高點時，扦樣管最高點低于夾手的上升限位，系統判斷這次循環動作為最后一次動作，斷開循環,“插管→松開”動作完成后，機器待機，待工作人員拼接好扦樣管后，按“一鍵啟動”再次啟動循環。

第二種情況是：按下按鈕⑤(一鍵啟動)，夾手的檢測開關無法檢測到扦樣管，夾手下降，若下降的過程檢測到了扦樣管且未到下限位，則執行一次第一種情況的“插管→松開”動作，完成后機器待機，若下降到下限位仍未能檢測到扦樣管，系統則判斷為無效啟動，機器待機，待工作人員拼接好扦樣管后，需按“一鍵啟動”再次啟動。

系統通過上述兩種情況能有效完成“自動尋管插管”動作，無論夾手初始位置在哪里，在給予一鍵啟動命令后，夾手都能自動尋找管子最高點，并循環完成“插管”動作，直至當前扦樣管已插到機器所能動作的最低點。

2.2.2拔管程序設計

自動拔出扦樣管程序設計思路如圖4所示。機器切換至自拔模式，夾手松開后，下降至下限位，此時存在兩種情況。

圖4 自動拔管模式程序設計思路

第一種情況是能夠檢測到扦樣管，夾手夾緊，機器“自拔”初始狀態完成，等待啟動命令。

第二種情況是未能檢測到扦樣管，但扦樣人員判斷此時夾手可以夾住扦樣管，可按按鈕⑤(一鍵啟動)，夾手夾緊，機器“自拔”初始狀態完成，等待啟動命令。

機器“自拔”初始狀態完成，等待啟動命令時，按下按鈕⑤(一鍵啟動)，夾手做一次“拔出”動作至上限位后，夾手松開，夾手下降到下限位重復判斷上述情況。

系統通過上述流程能有效完成一次“拔管”動作，且設計拔管初始狀態為夾手在下限位夾緊，便于扦樣人員拆卸扦樣管。

3 結束語

本次半自動扦樣器控制系統優化改造調試后，在裝糧品種為玉米、小麥、大麥，裝糧深度為25～35 m的淺圓倉、立筒倉開展了深層扦樣試驗，半自動氣動扦樣器操作方便，運行穩定。三種模式均能滿足使用要求，與第一代深層扦樣設備相比，大量的減少了扦樣作業人員的勞動強度和扦樣所需的時間，在實際生產中取得了良好的應用效果。