基于PLC的花生分裝機控制系統(tǒng)開發(fā)*

李醫(yī)中，劉寶林

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，鄭州 450002；2.河南航天液壓氣動技術(shù)有限公司，鄭州 451191）

0 引言

花生在古代被稱為長生果，其作為我國的重要農(nóng)產(chǎn)品之一，與人民的生活息息相關(guān)。而人們喜愛的花生果實卻是埋在土壤中的，因此，人們在完成花生果實的收獲、晾干之后，如篩分不夠仔細，在分裝時易存在較多的泥沙、秸稈等多余物，這就造成了分裝后的諸多不便，并且稱重時也只能按毛重計算。又由于在花生分裝時的工作環(huán)境粉塵較大，分裝環(huán)境不太友好，因此，為了減輕人工勞動強度，提高生產(chǎn)效率，減少粉塵作業(yè)時對人體的侵害，本研究通過機電一體化集成技術(shù)，設(shè)計一套以可編程控制器（PLC）技術(shù)為控制核心的全自動篩選、多余物去除及稱重為一體的實時控制系統(tǒng)。

國內(nèi)外對于PLC為控制核心的控制系統(tǒng)進行了大量的研究實踐。丁惠中[1]研究了基于PLC的交流伺服控制系統(tǒng)電氣實現(xiàn)，常輝、岳玉霞[2-3]研究了可編程控制器的應(yīng)用，任少偉等[4]對稱量控制系統(tǒng)的應(yīng)用進行了研究。上述文獻雖然基本闡述了基于PLC的控制系統(tǒng)基本應(yīng)用方法，但都不曾對花生附著的多余物進行去除并完成稱重的整體控制要求進行應(yīng)用實踐。

本文中的花生機分裝控制系統(tǒng)主要以PLC控制器作為控制系統(tǒng)核心，以固高GSHD-0062AAP1型高性能伺服驅(qū)動器作為伺服電機控制紐帶，以伺服電機附帶的增量式編碼器提供的反饋信號構(gòu)成控制閉環(huán)回路，最終控制電機、氣缸等執(zhí)行部件按實際需求完成執(zhí)行動作。同時，該控制系統(tǒng)設(shè)計了良好的人機界面完成對整機的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，PLC S7-200附帶了較為強大的通信能力，對現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)是十分有利的，后期，如有需求，可以實現(xiàn)多型設(shè)備間的聯(lián)結(jié)，于自動化生產(chǎn)建立有利。最后，本文中的控制系統(tǒng)設(shè)計并完善了聲光報警系統(tǒng)，以期實現(xiàn)在整機運行時的安全保證。

1 花生分裝機結(jié)構(gòu)組成

花生分裝機采用縱列式布置，前端布置有主控制面板，完成整機調(diào)試后，按順序啟動各控制開關(guān)，首先，打開供料開關(guān)，待供料口打開后，待分裝花生會在重力作用下漸次從料斗中流入振動篩，經(jīng)過一定時間的振動篩分后，完成泥沙、秸稈等各類較重附著物的去除；之后，花生進入雜物吹除區(qū)，吹除如較輕的秸稈、葉片等附著雜物；再后，吹除潔凈的花生進入分流區(qū)進行分流打包；最后，由稱重系統(tǒng)進行稱重后移出分裝機。花生分裝機整機結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 花生分裝機整機結(jié)構(gòu)

2 花生分裝機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

花生分裝機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括核心處理器PLC、交流控制器、電機驅(qū)動器、輸入輸出控制擴展模塊、增量式編碼器、聲光報警傳感器及各型伺服電機等[5]。花生機分裝控制系統(tǒng)將PLC S7-200作為整機控制系統(tǒng)的中置控制器，連接有光電傳感器和電機驅(qū)動器，并且可以通過電子觸摸屏的交互實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時控制。預(yù)先在上位機的編程中采用梯形圖寫入控制程序，系統(tǒng)通電后，PLC能夠根據(jù)程序內(nèi)部邏輯指令自動遍檢各接入點實時使能狀態(tài)，并通過光電傳感器輸出各控制點位反饋信息，如果有信號寫入，則將任務(wù)傳輸?shù)絇LC，最后按照主程序指令順序調(diào)用各子程序，根據(jù)主程序基本流程完成控制系統(tǒng)中各執(zhí)行元器件的交互、協(xié)同，最后控制系統(tǒng)實時控制花生分裝機整機平穩(wěn)運行。

圖2 花生分裝機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 主控制器PLC

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC），一種具有微處理機的數(shù)字電子設(shè)備，用于自動化控制的數(shù)字邏輯控制器，可以將控制指令隨時加載內(nèi)存內(nèi)儲存與執(zhí)行[6]。PLC作為連接系統(tǒng)中光電傳感器與伺服驅(qū)動器的中間裝置，其特征主要表現(xiàn)為操作簡單、易于編程、模塊化結(jié)構(gòu)、較高的抗干擾性、較高的可靠性等，它能夠代替繼電器的定時、順序控制、計數(shù)及邏輯運算等功能，可實現(xiàn)系統(tǒng)的可編程控制。

本文涉及的系統(tǒng)控制主要表現(xiàn)在數(shù)字量控制，參考輸入/輸出信號的數(shù)量、類別及不同的控制要求作為控制依據(jù)，并且按照輸入/輸出點數(shù)的基本備用量準則即冗余20%～30%I/O點數(shù)，選取CPU型號為224，該型CPU具備集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30 kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器[7-8]。

2.2 驅(qū)動器、編碼器及附件

驅(qū)動器選用固高GSHD-0062AAP1型高性能伺服驅(qū)動器，該型驅(qū)動器外形輕巧，調(diào)試簡單，并且在花生機分裝控制系統(tǒng)中采用了該型驅(qū)動器的電流（轉(zhuǎn)矩）模式進行控制，輔用增量式編碼器控制電機。GSHD系列高性能伺服驅(qū)動器支持模擬量指令輸入、脈沖指令輸入及EtherCAT或gLink-II指令輸入（固高自主知識產(chǎn)權(quán)的千兆以太網(wǎng)協(xié)議）。用戶可以通過簡單易用的調(diào)試軟件DriverStudio進行驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置及驅(qū)動器調(diào)試，圖形化的軟件界面使驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置更容易，且精簡版調(diào)試軟件僅50M，極大地降低了系統(tǒng)硬件配置需求。本次采用的振動電機、輸送電機及吹除電機均采用了常用的PID速度控制閉環(huán)模式進行使能設(shè)置，具體控制閉環(huán)回路如圖3所示。

圖3 速度閉環(huán)控制回路

為及時地完成人機交互，為控制系統(tǒng)配置了TP700工業(yè)級彩色觸摸屏，該顯示器帶有PROFINET和MPI/PROFIBUS DP接口（面板集成有帶2個RJ45端口的交換機）；其擁有1600萬色LED背光，16∶9寬屏顯示，12 M用戶內(nèi)存，足以滿足人機交互所需。另外，為了滿足調(diào)試需要，還配備有手持式控制器。

3 花生機分裝系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

PLC S7-200的CPU224模塊的高頻率脈沖輸出用于控制伺服電機功能由Step7 Microwin4.0 Sp9實現(xiàn)，其能夠提供比較簡易的解決方式實現(xiàn)伺服電機的位置和速度控制，能夠達到小型機械裝置的準確定位要求[9]。

3.1 軟件編程設(shè)計

PLC的控制方式屬于存儲程序控制，其控制功能是通過存放在存儲器內(nèi)的程序來實現(xiàn)的，若要對控制功能作必要修改，只需改變控制程序即可，這就實現(xiàn)了控制的軟件化。可編程控制器的優(yōu)點在于“可”字，從軟件來講，其控制程序可編輯、可修改；從硬件上講，其外部設(shè)備配置可變。構(gòu)建一個PLC控制系統(tǒng)的重心就在于控制程序的編制，但外部設(shè)備的選用也將對程序的編制產(chǎn)生影響。因此在進行程序設(shè)計時應(yīng)結(jié)合實際需要，硬、軟件綜合考慮。

PLC控制器在完成外部接線后，可以采用多種編程指令完成程序編制并完成調(diào)試工作，本文系統(tǒng)結(jié)合花生分裝實況選用了兩種工況，分別為手動和自動兩種運行方式。在分部調(diào)試設(shè)備及試分裝時多采用手動控制，且在各子程序間設(shè)定了聯(lián)鎖保護，有效防止在手動控制時產(chǎn)生的碰撞等事故產(chǎn)生；自動控制則主要由主程序模塊、子程序模塊、手動控制模塊及伺服運行程序模塊等共同構(gòu)成。

順序控制是生產(chǎn)現(xiàn)場常見的一類控制任務(wù)，步進指令是PLC指令庫中專用于順序控制的。步進指令編程時，根據(jù)工藝流程將程序劃分為一個個獨立的程序段，執(zhí)行時，CPU嚴格按梯形圖編程順序，只有執(zhí)行完前一段程序后才能激活下一段程序，并在下一段程序執(zhí)行之前，將前面程序段復(fù)位[10-11]。因此，控制系統(tǒng)通過順序控制設(shè)計方式先單獨設(shè)計一個主程序，同時向不同子程序內(nèi)單獨放入伺服控制的對應(yīng)程序塊，系統(tǒng)軟件功能模塊包括初始化運動軸功能塊、運動軸移動功能塊、啟用功能塊及找尋參考點功能塊等。具體程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程

3.2 地址分配

經(jīng)分析，花生分裝機控制系統(tǒng)包括8個輸入信號，其中，包括7個開關(guān)量輸入信號，即總開關(guān)、急停開關(guān)、供料開關(guān)、振動篩分開關(guān)、雜物吹除開關(guān)、分流開關(guān)、稱重開關(guān)，1個模擬量輸入信號，即花生分轉(zhuǎn)質(zhì)量采集；7個輸出信號，即三相電機啟停控制、振動篩分電機控制、雜物吹除電機控制、輸送電機控制、供料機構(gòu)控制、報警器及故障指示燈等。I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

3.3 PLC主程序編制

根據(jù)程序流程圖編制主程序及相關(guān)子程序塊，然后，根據(jù)I/O地址分配情況完成硬件組態(tài)，確保主流程無誤后完成主程序的編譯及各子程序的編譯。

首先調(diào)用初始化模塊，在初始化完成后，光電檢測器檢測到信號，結(jié)合固高GSHD-0062AAP1型高性能伺服驅(qū)動器運行指令完成伺服電機子程序的運行。其中，電機的運行方向與速度分別通過手動控制模塊內(nèi)的Dir與Speed控制，程序編寫時僅需通過MOV命令設(shè)定各個時刻的各種方向信號與速度值[12]，這樣就極大地簡化了控制指令的輸出，只需要給出相關(guān)參數(shù)即可。

控制向?qū)LC主程序如圖5所示。

圖5 控制向?qū)е鞒绦?/p>

4 仿真實驗與結(jié)果分析

為檢驗控制系統(tǒng)性能，本文通過工程軟件Matlab對建立的伺服控制系統(tǒng)進行了仿真，因振動篩分電機作為多余物分離的執(zhí)行電機，其分離效果會直接影響花生分裝質(zhì)量，因此，仿真選取了振動篩分伺服電機作為實驗對象。

經(jīng)研究分析，確定了仿真控制系統(tǒng)中執(zhí)行電機采用小功率機電伺服系統(tǒng)，綜合考量后，采用在信號檢測、傳遞及處理方面較好且準確性和經(jīng)濟性也不錯的電壓-轉(zhuǎn)角機電伺服控制系統(tǒng)。先確定部分參數(shù)，即取R1=1.2 MΩ，C=0.1μF，根據(jù)自動控制原理，可得PI校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：。以單位階躍信號作為控制系統(tǒng)輸入，以示波器進行記錄，可得系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線如圖6所示，其中仿真控制系統(tǒng)參數(shù)如表2。仿真實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)達到第一次穩(wěn)態(tài)值的時間為tr=1.04 s，數(shù)據(jù)表明該控制系統(tǒng)的響應(yīng)一般，但是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性較好，對于花生分裝機這類強調(diào)連續(xù)可靠運行的設(shè)備而言，系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常重要，因此，仿真的結(jié)果直觀地驗證了該系統(tǒng)能夠滿足花生分裝機實際性能要求，具備良好的應(yīng)用價值。

圖6 控制系統(tǒng)響應(yīng)波形

表2 仿真控制系統(tǒng)參數(shù)

5 結(jié)束語

目前，大部分花生分裝機采用分體式設(shè)計，控制系統(tǒng)采用簡易繼電器控制系統(tǒng)模式，架構(gòu)簡單，成本低是其優(yōu)勢，缺點則是系統(tǒng)穩(wěn)定性及自動化程度較差，尤其在智能化越來越普及的當(dāng)前情形下，該類型的分裝機已難以滿足生產(chǎn)需求。而利用PLC對花生分裝機控制系統(tǒng)進行重新設(shè)計，系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于現(xiàn)有的簡易控制系統(tǒng)，而且其與其他設(shè)備進行通信的能力得到了加強，客觀上而言，多型號生產(chǎn)設(shè)備之間能夠互聯(lián)互通是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個重要特征。因此，通過本分裝控制系統(tǒng)的開發(fā)，可以有效提升花生及同類型產(chǎn)品的分裝能力，極大減少人體面對此類較惡劣生產(chǎn)環(huán)境的工作時長，而且，在必要時更可以連接物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)該類型分裝的自動化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，為實現(xiàn)社會效益和經(jīng)濟效益最大化提供保障。