基于PLC的山核桃破殼自動化生產線控制系統研究

趙艷莉 趙 倩 李志強

(1.鄭州財稅金融職業學院，河南 鄭州 450000；2.河南科技大學，河南 洛陽 471000；3.鄭州大學，河南 鄭州 450001)

山核桃果殼堅硬、厚實、形狀不規則，內部有多處分離，殼間間隙小，加工難度大。目前，中國山核桃的初加工技術和設備相對落后，核桃破殼取仁仍以人工為主[1]。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、操作簡單、易維護等優點，作為控制器在自動化生產線中應用廣泛。

目前，國內外有許多學者對山核桃破殼自動化生產線進行研究。丁冉等[2]提出了一種敲擊式核桃破殼機的新方案，并建立數學模型進行分析。結果表明，直徑為18～22 mm核桃破殼率為99.41%，損傷率為6.25%。劉佳等[3]分析了國內外核桃壓榨機的結構、工作原理和特點，指出了核桃破殼機存在的問題，為解決核桃深加工技術和產業發展的瓶頸提供了依據。程國梁等[4]提出了一種擠壓破殼機的設計方案，設計了喂料機構、破殼機構、傳動機構等。結果表明，該設計簡單易行，核桃破殼率達到100%，整仁率為77.58%。石明村等[5]提出了一種凸輪搖桿雙向擠壓破殼機的設計方案，設計了喂料、破殼等機構。結果表明，相比于傳統方法，破殼率和露核率都得到大幅提高，破殼率為92.36%，露核率為84.69%。雖然自動化生產線可以實現核桃破殼，但也存在破殼率低、效率差等問題，破殼效果并不理想，適應性有待進一步提高。

在此基礎上，針對山核桃破殼自動生產線，研究提出了一種基于PLC控制技術的山核桃破殼自動生產線控制系統。以PLC為核心完成整個山核桃破殼自動化生產線的控制，包括破殼機、風選機、破殼分離機、色選機等設備，通過試驗進行分析，旨在為食品自動化生產提供一定的參考。

1 食品自動化生產線概述

山核桃破殼自動生產線生產流程為：破殼機→風選機1→色選機→分離機1→風選機2→色選機→分離機2再經過分級→風選→色選，循環這一過程。山核桃破殼自動生產線控制系統輸入輸出需求功能如表1所示。

表1 輸入輸出需求功能

為實現上述流程設計開發的山核桃破殼自動生產線控制系統結構如圖1所示。PLC作為整個系統的核心控制單元，輸入為開關和觸摸屏，輸出為接觸器、繼電器等硬件。基于PLC的山核桃破殼自動生產線控制系統主要由破殼機、風選機、破殼分離機、色選機等設備組成[6]。核桃破殼和核桃仁分離是整個山核桃生產線的重要環節，文中通過變頻器進行控制。固定在風選機和分離機上的傳感器通過變送器將0～10 V的A/D輸出電壓信號轉換到PLC中，PLC采集該模擬量，通過PID控制器控制改變各機械模塊的運動狀態[7]。分別對應變頻器頻率0～50 Hz和電機轉速0～1 500 r/min。

圖1 山核桃破殼自動生產線控制系統結構

2 控制系統設計

2.1 主要器件選型

2.1.1 PLC選型 根據自動化生產線的工藝要求，計算控制系統所需的輸入輸出信號總數，選擇S7-200 PLC CPU226CN作為系統的控制中心。該型號PLC具有輸入24個，輸出16個。還可以擴展模擬輸入8個，輸出4個。存儲容量為16 384 b。滿足該控制系統的各項指標要求[8]。

2.1.2 觸摸屏選擇 選擇SMART LINE1000觸摸屏，實現人機交互。主要用于顯示生產過程的運行狀態，并設置報警閾值。觸摸屏提供直觀的圖像，圖像質量清晰，用于山核桃破殼生產線的信息交換和監控[9]。

2.1.3 變頻器選型 變頻器需要考慮負荷和電機的額定電流。因此，綜合考慮變頻器額定輸出電流的計算，如式(1)所示。

ICN≥kIM，

(1)

式中：

ICN——額定輸入電流，A；

k——修正系數；

IM——變頻器負載電流，A。

變頻器的額定功率一般為電機額定值的1～2倍，計算公式如式(2)所示[10]。

(2)

式中：

PCN——變頻器的額定頻率，Hz；

PM——電機的額定輸出功率，kW；

η——電機的效率；

cosφ——電機的功率因數。

根據實際運行情況，控制系統的二級低損傷離心破殼機選用SIMENS MM440-220/3變頻器，額定功率和輸出電流分別為2.2 kW和5.9 A，風選機變頻器選用SIMEN MM440-150/3變頻器，額定功率和輸出電流分別為1.5 kW和4 A[11]。

2.2 電動機轉速控制

采用變頻器控制電動機，PLC通過模擬量控制變頻器，PLC與變頻器控制原理如圖2所示。該控制系統中使用的變頻器為SIMENS MM440[12]。

圖2 PLC與變頻器控制原理

2.3 風選機變頻調速

風選機是生產線上的風選除塵設備，在風壓作用下，殼灰和山核桃通過氣流從出料口分離[13]。基于該控制系統，提高了山核桃深加工過程中風機轉速的自動調節、風機的工作效率和破殼質量等一系列問題。基于PID控制的變頻調速系統實現對風選機的控制，控制系統命令數據通過數據通信傳輸給下位機PLC，PLC向MM440變頻器的模擬控制端輸出0～10 V電壓信號，電機由變頻器的輸出功率控制。傳感器采集電機相應模擬量，輸入下位機PLC，并通過AD轉換實時傳輸到上位機，實現對風選機風速狀態的實時監測[14]。風選機控制系統如圖3所示。選擇變頻器6SE6440-2UD21-5AA1和Y100L1-4電機(額定功率2.2 kW，額定電壓380 V，轉速1 440 r/min，Y接法)組成變頻調速系統。風壓檢測傳感器選擇PY209傳感器進行測量，PY209傳感器采用進口專用氣壓感壓芯體，具有零點、滿量程補償，溫度補償，結構小巧等優點。PID控制器參數：比例放大系數0.3，積分時間常數60，微分時間常數15。

圖3 風選機控制系統

風選機PID控制系統以實際風壓大小N(t)和規定風壓大小U(t)作為輸入量，以電機的電源電壓頻率u(t)為輸出。在該控制系統中，通過比例、積分和微分計算實際風壓與所需風壓的對比偏差e(t)，然后生成變頻器的調壓頻率u(t)，調節電機[15]。圖4為PID控制系統的結構圖。

圖4 控制結構圖

2.4 破殼分離機變頻調速

破殼分離機控制系統如圖5所示，以PLC為主控進行變頻器和電機的控制，通過沖擊力傳感器檢測電機在一定轉速下的沖擊力。經過綜合對比，選擇的沖擊力傳感器型號為LSZ-F03A，采用上下平面，具有安裝簡便，抗偏載能力強，適用于沖擊力試驗臺、撞擊力測量與控制等。額定輸出(2.85±0.02 85)mV，安全載荷150%，零點溫漂≤0.002% 額定輸出。將測量值與設定值的差值輸入主控制器PLC，經過PID控制器的簡單線性操作后，調整變頻器的頻率控制電機的轉速。

圖5 破殼分離機控制系統

3 試驗結果與分析

3.1 試驗參數

為了驗證所提控制系統的可行性和實用性，選擇了一定量的山核桃(直徑18～22 mm)進行破殼試驗，驗證是否符合設計要求。采用3組核桃，均為3 kg。破殼前山核桃含水量為14.55%～16.35%。破殼后，山核桃可分為四類：第Ⅰ類(不破殼的山核桃)、第Ⅱ類(未完全破殼，較多核桃仁嵌入)、第Ⅲ類(完全破殼，少量核桃仁嵌入)和第Ⅳ類(破殼，無核桃仁嵌入)。PC采用Intel i5處理器、16 G內存和Win10操作系統。設備參數見表2。

表2 設備參數

3.2 試驗分析

3.2.1 山核桃破殼率分析 自動生產控制系統將山核桃分為四類。第Ⅰ類可以概括為未破碎的山核桃；第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類可歸納為破殼山核桃。控制系統實施后的破殼率按式(3)計算。

(3)

式中：

D——破殼率，%；

M1——山核桃未破殼質量，kg；

M——山核桃總質量，kg。

為了證明所述控制系統的可行性和優越性，在3組中分別選取3 kg核桃進行試驗和測試。控制系統實施前后的破殼率如表3所示。

從表3可以看出，在實施控制系統之前，有一些未破殼的山核桃，3組試驗數據的平均值為96.00%。控制系統實施后，未破碎的山核桃為0，3組試驗數據的平均值為100%。這是因為研究的控制系統能夠利用PLC、變頻器等對生產設備的啟動和停止進行控制，并根據生產流程實現自動化控制。通過變頻器實現電機的平滑無級調速，將損傷降到最低，殼與仁完全分離。

表3 控制系統實施前后的破殼率

3.2.2 核仁損傷率分析 按式(4)計算核仁損傷率。

(4)

式中：

D1——核仁損傷率，%；

M2——山核桃核仁損傷質量，kg；

M——山核桃總質量，kg。

控制系統實施前后的損傷率如表4所示。

表4 控制系統實施前后核仁損傷率

從表4可以看出，控制系統破殼后獲得的山核桃仁主要為Ⅰ類仁和Ⅱ類仁，即1/2粒和1/4粒，質量明顯高于控制系統實施前完成的質量。這是因為控制系統通過PID調節二次離心式破殼機電機的轉速，可以獲得電機的理想運行速度，大大減少山核桃在二次破殼過程中的損壞。在山核桃破殼自動控制系統的控制下，核仁損傷率分別為5.09%，5.09%，4.89%，平均破損率為5.02%。與實施前的控制系統相比，總的核仁損傷率顯著降低，破殼生產質量得到了驗證。

3.2.3 山核桃加工效率分析 按式(5)計算加工效率。

(5)

式中：

D2——加工效率，g/s；

M3——加工山核桃質量，kg；

T——加工時間，s。

控制系統實施后山核桃加工效率如表5所示。

從表5可以看出，3個試驗組的處理效率分別為15.44，14.85，14.93 g/s，平均加工效率為15.07 g/s。表明該控制系統具有較高的加工效率，能創造更高的經濟價值。

表5 控制系統實施后加工效率

3.2.4 控制效果對比 將PLC控制山核桃破殼自動生產線與傳統的Ziegler-Nichols(ZN)參數整定法相比，單位階躍輸出響應和輸出誤差曲線對比如圖6和圖7所示，控制系統對比如表6所示。

圖6 單位階躍輸出響應

圖7 輸出誤差曲線

表6 控制結果對比

由表6可知，與傳統的ZN法相比，PLC控制的響應時間更短，而且超調量更小，使得山核桃破殼自動生產線控制可以更快地進入穩定狀態，具有更高的控制品質。

4 結論

結合目前市場上破殼設備存在的問題，提出了一種基于PLC控制技術的山核桃破殼自動生產線控制系統。PLC作為整個系統的核心控制單元，實時控制山核桃一次破殼機、殼仁分離機、離心破殼分離機、核仁色選機等設備。試驗結果表明，通過該控制系統控制的山核桃破殼自動生產線的破殼率達到100%，核桃仁破損率為5.02%，加工速率為15.07 g/s，符合核桃全自動生產線的要求。然而，研究對食品自動生產線控制系統的研究還處于初級階段，僅對單一品種的山核桃進行破殼，后期控制系統將不斷完善，提高食品自動生產線的經濟效益。