基于PLC的棉花秸稈打包機控制系統設計研究

余智勇

（神木職業技術學院機電工程系，陜西 神木 719300）

可編程邏輯控制器（Programmable logic controller，PLC）已成功應用于秸稈打包機控制系統設計[1-4]中，不僅可以保證系統自動化控制，還能采用遠程診斷的方式實時分析和解決系統故障，提高系統運行的穩定性，保證生產效率和效果，降低系統故障維修成本和生產成本。但目前尚無針對棉花秸稈打包的相關研究。因此，為了滿足棉花副產品加工企業的生產需求，科學設計基于PLC的棉花秸稈打包機控制系統是相關人員應該思考的問題。

1 系統工作原理

針對棉花秸稈具有莖稈細長、含水量較高、韌性強等特點，完成了基于PLC的棉花秸稈（初步切碎后）打包機控制系統的科學設計，同時對喂料裝置調速器和打包桶的轉速進行調控，以達到均勻鋪墊處理棉花秸稈碎料的目的，避免因棉花秸稈局部堆積而對壓板造成損壞。此外，利用液壓缸對棉花秸稈進行壓縮打包處理，并利用排水濾網排出棉花秸稈內過多的水分，以滿足干燥處理棉花秸稈的目的。在打包桶的具體設計中，主要利用關門打包的方式，盡可能降低整個打包機的尺寸，從而提高該系統的整體運行性能。最后，將捆扎處理后的棉花秸稈推送到指定的運輸帶，由運輸帶將其運走，棉花秸稈打包操作結束。該棉花秸稈打包機控制系統主要借助PLC編制程序，可實現對棉花秸稈的自動化打包處理。

2 系統硬件設計

基于PLC的棉花秸稈打包機控制系統結構示意圖見圖1。從圖1可以看出，系統硬件主要由PLC（主機與擴展模塊）、現場執行元件（模擬量輸入輸出模塊）、現場信號（開關量輸入／輸出擴展模塊）和人機界面4個部分組成。

圖1 棉花秸稈打包機控制系統硬件設計示意圖[5]

2.1 PLC選型

優先選用DVP-80EH00R2系列PLC。該型號的PLC所采用的輸入、輸出模式主要以40路為主，具有信息存儲量大、運算高效便捷、易擴展等特征[6]，完全符合棉花秸稈打包機控制系統擴展功能開發的相關標準和要求。

2.2 模擬量輸入輸出模塊設計

模擬量輸入輸出模塊作為系統硬件設計的核心和關鍵，在其具體設計中，主要做好對控制系統（I/O）相關設備的合理分配，I/O分配表是后期PLC控制系統程序編寫以及現場接線操作的依據。因此，為了保證棉花秸稈打包機的自動化控制效果[7]，現列出如表1所示的輸入信號分配表和表2所示的輸出信號分配表。此外，在起動、保持、停止（起保停）電路的具體設計中，主要借助于線圈、觸點相關的指令，完成對此電路的科學編程。同時，應嚴格按照控制系統進行編程，精確把控PLC控制系統的整個自動化控制過程，根據表1、表2所示的I/O分配表完成對順序功能的設計。

表1 輸入信號分配表

表2 輸出信號分配表

2.3 開關量輸入／輸出擴展模塊設計

根據棉花秸稈打包機控制系統的使用需求，利用DVP-80EH00R2系列PLC，在結合開關量輸入、輸出相關標準和要求的基礎上，設置如表3所示的16HM1lN型開關量輸入擴展模塊與08HNIllR型開關量輸出擴展模塊。

表3 不同擴展模塊對比

2.4 人機界面設計

該系統以使用DOP-A80THTD1型8英寸人機界面為主。該類型界面具有分辨率高、信息存儲量大、串行通信能力強、操作簡單等優點，可在任何工作環境中應用。

3 系統主要結構與功能設計

3.1 整體結構設計

棉花秸稈打包機系統主要由6部分組成，分別是喂料裝置、捆扎裝置、動力裝置、壓縮裝置、傳送裝置和控制箱[8]。整機結構簡圖見圖2。

圖2 棉花秸稈打包機整機結構簡圖

3.2 喂料裝置設計

喂料裝置主要由料斗箱和喂料輪2個部分組成。喂料輪主要由含有6個葉片的鐵輪組成，將其安裝在料斗箱出口處，借助PLC控制系統程序對電動機進行開啟操作，并結合電動機的實際轉速對喂料速度進行科學控制[9]。當電動機停止運行時，喂料輪可以及時收集棉花秸稈碎塊，避免碎塊滑出。同時，通過控制PLC喂料輪轉速對棉花秸稈喂入量進行調整，以滿足相關企業的生產需求。打包喂料量（V，m3）計算公式為V＝ant（a代表喂料喂入效率，m3·r－1；n代表轉速，r·min－1；t代表單次運轉喂料時間，min）。

3.3 壓縮和傳送裝置設計

壓縮裝置主要由壓板、液壓缸和打包桶3個部分組成；其中打包桶上安裝2種設備，分別是開門鎖和推包叉。當棉花秸稈打包處理結束后，PLC控制系統程序對開門鎖進行自動化控制[5]，使其處于打開狀態，確保打包桶能夠順利地開門出包。此外，還要借助推包叉對鉸鏈進行轉動操作，實現對棉花秸稈包的快速推出，確保其安全、可靠地轉移到傳送帶上，以達到連續打包的目的[10]。傳送裝置開門鎖的結構功能圖見圖3。

圖3 開門鎖的結構功能圖

3.4 捆扎裝置設計

捆扎裝置主要用于對打包完畢的棉花秸稈進行捆扎處理。該裝置需要利用PLC控制系統，對捆扎輪進行控制，將打包好的棉花秸稈捆扎于指定位置后[11]，將其反向收緊，當鋼扣扣緊后，利用剪切裝置，剪斷棉花秸稈包上的捆扎帶，即完成一次智能化捆扎。隨后，在PLC控制系統程序不斷運行下，該裝置循環進行捆扎工作。捆扎裝置的結構圖見圖4。

圖4 捆扎裝置的結構圖

4 系統測試

為了驗證基于PLC的棉花秸稈打包機控制系統的穩定性和可靠性，對該系統進行了調試試驗：首先，將該系統的工作壓力和額定功率分別設置為19.6 MPa、5kW；然后，將自動打包機的直徑和高度分別設置為46cm、66cm，根據棉花秸稈打包需求，利用PLC控制系統相關程序以及行程開關[12]，完成對成包高度的合理調控。在每次打包處理期間，其切塊含水量會呈現出一定程度的波動，但是該系統整體工作效率一直維持在1.2 ～1.5 t·h－1。這說明系統運行正常穩定，完全符合棉花秸稈打包處理需求。

5 小結

目前，大部分棉花秸稈打包機主要利用繼電器控制系統，這種系統穩定性和可靠性較差，難以滿足棉花生產需求。而利用PLC對棉花秸稈打包機進行改造后，系統運行性能尤其是穩定性和可靠性得以顯著提升，可提高棉花副產品開發利用企業的生產效率和效果，為實現企業社會效益和經濟效益的最大化提供有力的保障。