椰青加工機電氣控制系統設計

后銘洋，張寶珍，樊軍慶，許鋮溶，曾文章

海南大學機電工程學院（海口 570100）

中國椰子的種植主要分布在海南島，其綜合經濟價值極高，是海南島主要的經濟作物。隨著“自由貿易港”的建設，持續吸引越來越多人來到海南，作為“椰城”的特色，椰子加工產品的需求量不斷攀升。椰子產品制造的第一步就是對椰子進行去皮加工處理，國內去皮加工工序主要為人工操作，不僅效率低，而且還存在一定人身安全風險。因此，提出一種加工效率高和自動化程度強的椰青加工機械。

在椰青加工機械基礎上，以PLC為控制核心，以步進電機、氣缸和切割電機為執行元件，設計出該機械的電氣控制系統。該系統能夠適應不同尺寸的椰子，實現加工過程全自動，極大提升椰子加工效率。

1 機械結構及工作原理

椰青切割機械部分的結構如圖1所示，主要由機架、機械手、垂直切割電機、步進電機等組成。其工作原理為：光電傳感器檢測到椰子時，壓緊氣缸開始啟動，將椰子壓在釘齒盤上然后收縮歸位。接著步進電機啟動，步進電機驅動輪盤旋轉120°后，升降氣缸啟動，垂直切割電機運行，圓形刀組開始旋轉下降，對椰子頂部和側面進行去皮，經過8 s后，升降氣缸收縮歸位。輪盤再次旋轉120°，機械手伸縮氣缸啟動，機械手伸出，機械手夾緊氣缸啟動，將椰子夾緊，機械手升降氣缸啟動，將椰子從釘齒盤上拔下，光電傳感器檢測到椰子被拔下時，輪盤開始旋轉120°歸位，水平切割電機啟動，同時機械手旋轉氣缸啟動（逆時針旋轉90°），在旋轉的過程中進行椰子底部去皮。旋轉到90°時，機械手夾緊氣缸收縮，放下加工好的椰子，旋轉氣缸順時針旋轉90°，機械手升降氣缸收縮，機械手下降，接近開關檢測到機械手歸位時，1個工作周期結束。

圖1 機械結構示意圖

2 控制系統總體設計

椰青加工機電氣控制系統的基本控制單元分為5個部分，按照生產順序分別為：椰子壓緊部分、輪盤轉動部分、椰子頂部和側面去皮部分、機械手部分、椰子底部去皮部分。各部分構成椰子自動加工功能。通過對椰子加工機自動控制系統的設計，將椰子加工機的工作過程改成自動化。由于機械主要以氣缸、步進電機作為執行元件，所以采用定時器作為每個工作過程完成的信號，其自動控制系統的流程圖如圖2所示。

圖2 控制流程圖

3 控制系統的設計

3.1 主電路

垂直切割電機和水平切割電機的主電路圖如圖3所示，KM1和KM2分別控制垂直切割電機和水平切割電機的運作，其中熱繼電器FR1、FR2及熔斷器FU1、FU2分別保證電機不會因為過熱和過流而損壞。

圖3 主電路圖

3.2 控制電路的實現

根據椰青加工機實際控制要求，控制外部輸入端共需要22個按鈕，1個光電傳感器，1個選擇選擇開關和1個接近開關。輸出端包括12個電磁閥，2個電機和1臺步進電機。根據控制要求對PLC的I/0進行分配，如表1所示。

表1 輸入輸出點分配表

根據PLC的I/O端口可知此控制系統需要25個輸入點、14個輸出點。在實際操控中，需要留有一些余量。從經濟性、可靠性等多方面考慮，PLC的型號選擇FX2N-64NR，控制系統外部接線如圖4所示。

圖4 外部接線圖

3.3 步進電機的控制

PLC通過接受置位的電平產生控制信號，將此控制信號傳遞給電機驅動裝置。通過PWM脈沖實現對步進電機的控制。而步進電機驅動裝置則是直接控制電機，步進電機就會被驅動從而轉動一個固定的角度，并通過控制脈沖頻率來控制電機的速度。驅動采用共陽極驅動，接線圖如圖5所示，方向+、脈沖+都接VCC；脈沖-有脈沖式工作，高電平有效，脈沖-無脈沖時鎖定電機。方向-高電平輸入或懸空時，電機正轉，低電平輸入時反轉；脫機-高電平輸入或懸空時正常工作，低電平時脫機。

圖5 步進電機接線圖

3.4 氣缸的控制

系統的氣缸氣路如圖6所示，1B1～6B1為各氣缸的磁性開關，用于檢測活塞擺動、伸出或縮回等動作是否到位，YA1～YA12為每個氣缸所對應的電磁換向閥，通過PLC控制其各電磁閥是否得電，從而決定壓縮空氣進入氣缸腔的方向。

圖6 氣缸氣路圖

4 模擬量輸入模塊

椰子加工機電氣自動控制系統采用的1個模擬量輸入模塊為FX2N-2AD。模擬量輸入模塊為FX2N-2AD功能，是把現場的接近開關和光電傳感器轉換成相應的數字信號傳輸到CPU，FX2N-2AD模塊與傳感器接線圖如圖7所示。各通道均采用電壓輸入，供電電壓DC 24 V。

圖7 FX2N-2AD原理圖

選用1個量程10 mm的光電傳感器，量程20 mm的接近開關，在編程過程中，設置BFM#0為0模式，即-10～10 V模擬量輸入，其A/D轉換輸出特性如圖8所示。

圖8 A/D轉換輸出特性圖

設B為傳感器測得的數字輸出，L1為實際量，則：

5 程序設計

根據控制要求，設計出順序功能圖，如圖9所示，分為手動控制和自動控制2個部分。X0、X31和X30閉合時，系統開始工作。采用定時器來檢測步進電機與氣缸是否完成動作。

圖9 順序功能圖

將手動程序和自動程序按順序進行疊加就是完整的總梯形圖，其中手動程序采用啟保停電路，自動控制部分程序圖如圖10所示。

圖10 程序圖

6 仿真與試驗

利用GX-Simulator對自動控制梯形圖進行仿真，如圖11所示。經仿真，該系統能很好地完成控制要求。

圖11 仿真圖

在海南大學工程中心進行椰青加工機械電氣控制系統性能的試驗，三相異步交流電機提供椰青加工機械的刀組和鋸片的驅動力，電機的額定電壓AC 380 V，功率0.4 kW。

試驗主要測試在同等時間內，椰青加工機在人工操作和自動控制系統下的加工效率與椰子破損率（椰子加工過程中出現破裂），試驗分為5組，試驗時間為3 min。

破損率和椰青加工效率計算見式（2）和（3）。

試驗結果如表2所示。

表2 運行試驗結果

在相同時間里，自動去皮的效率是手動的2倍，破損率同比減少約50%。由此可知，椰青加工機電氣控制系統可大幅增加椰青加工效率和質量，自動椰青加工效果如圖12所示。

圖12 加工效果圖

7 結語

傳統人工方式的椰青加工，在效率、成本、人身安全等方面存在缺陷，且與當前制造業向智能化、自動化轉型發展相悖。在設計的椰青加工機基礎上，設計出以PLC為核心的電氣控制系統，給出主電路圖、外部接線圖、順序功能圖等，通過PLC完成對步進電機轉向、啟停、運行時間及速度的控制及對壓緊氣缸、機械手夾緊氣缸和旋轉氣缸等的控制。經仿真和試驗，該系統可提高椰青加工的自動化程度、操作簡單方便，而且對提高產品加工效率、降低成本、減小人身風險有促進作用，具有一定工程推廣意義。