PLC在農產品加工機械自動化控制中的應用探究*

馮燕萍 ，劉鴻茂 ，樊 琦

（撫州職業技術學院，江西 撫州 344000）

1 PLC的構成及各部分功能

1.1 中央處理單元（CPU）

該模塊是PLC的重要成分，是控制中心。根據所具有的功能，實現如下任務：采集且保存使用者程序及信息；檢查I/O、電源等的狀態，且能診斷語法錯誤[1]；在運行后，以掃描的形式接收輸入設備的狀態與信息；讀取使用者程序，根據指令執行邏輯執行操作命令；結合執行結果，調整狀態輸出，達到輸出控制、信息通信的目的[2]。

1.2 存儲器

1）系統程序存儲器。它與PLC功能有關，對于程序來講，不能通過使用者更改，所用的儲存器是ROM或EPROM。2）用戶程序存儲器。使用者結合功能需求而設置的運用程序，用戶程序保存于該儲存器中。因要常常改動、調試，所用的儲存器一般是RAM。因其掉電會丟失信息，所以配置后備電源來進行保護，避免在掉電的情況下，影響程序正常運行。調試結束，為保持原狀，寫入EPROM[3]。3）運行數據存儲器。對于運行數據來講，它是常常更改、存取的信息，其保存于RAM中，以滿足存取需要。在存儲區，寄存器用于保存繼電器的開關狀態信息。數據表用于保存數據，保存可變參數值，如計數器的設定值。

1.3 I/O單元

PLC利用此模塊和生產現場關聯，輸入單元接收指令及狀態數據，并且控制信號，利用濾波等轉換成能處理的信號。針對弱電控制信號，輸出單元利用隔離等方法，來調整成強電信號，進而驅動執行元件。

2 PLC的工作原理

控制任務的完成離不開硬件支撐，利用用戶程序來完成控制任務，這與計算機運行原理類似。PLC的工作原理，是構建于計算機運行原理的。然而，因早期的PLC是基于繼電器系統得以發展的，旨在完成開關量順序控制，所以PLC并非像計算機那樣運行，而是巡回掃描的運行機制。PLC巡回掃描，就是對程序巡回實施的方式[4]。實現控制的過程通常為：輸入刷新—啟動使用者程序—輸出刷新—重新輸入—再啟動使用者程序—再輸出，反復循環開展。并且，系統還將進行公共處理，如通信處理。所以，PLC可當作一種掃描設備，啟動后，循環掃描且執行任務。從一點開始，通過掃描又返回該點的過程，也就是一個掃描周期。

通電后，先初始化，查看I/O單元銜接狀況。基于初始化操作，步入掃描周期。一般包含以下成分：1）確保公共操作。其屬于自動檢查行為，如果出現異常，除燈亮外，也判斷故障性質。對于一般故障，釋放報警信號，等待解決；針對較大故障，立刻停止程序。此部分掃描時長一般不變，與計算機種類有關[5]。2）數據I/O操作，此部分并非所有系統都有，占用時間不固定。其包含兩類操作：首先，采樣輸入信號；其次，送出處理結果。3）用戶程序的實施，此部分掃描時間不固定，因程序有長短之分，掃描時間也便出現改變[6]。

3 PLC在農產品加工機械自動化控制中的應用

3.1 農機自動化控制方案對比

農業機械自動控制一般選擇單片機、PLC等方案。方案的選取，應全面考慮有關因素，包括適用場所、成本及硬軟件設計等[7]。以下是分析對比：

1）單片機控制方案。適用于空間不大、嵌入式控制；信息保存及處理水平一般；專門使用的開發工具，第三方軟件不多；硬件線路設置與調試；需布置外圍接口電路和軟件；開發成本較大；開發周期較長；抗干擾能力不強[8]。

2）PLC控制方案。適用于移動式控制；信息保存和處理水平一般；系統比較封閉，編程易學；需進行硬件選型及配套，設計不復雜；帶有輸入及輸出接口，可根據需要添加模塊；小批量開發成本小，大批量成本高；開發周期短；抗干擾能力較強。

3）工控機控制方案。控制柜固定，有供應場所；信息保存和處理水平較高；開發工具強大，能引用插件；無需硬件設置；針對信號收集及輸出，需添加擴展板；開發成本較高；開發周期較短；抗干擾能力一般。可見，PLC有著開發周期較短、開發成本較低等特點，在單機與成套設備上的應用優勢突出。

3.2 PLC自動化控制的設計思路

根據工藝流程、功能實現和彼此關系，針對PLC自動化控制設計，可分成以下步驟：工序流程分析；控制流程確認；控制方案和硬件選取；硬軟件設計；控制功能驗證。按照設置思路，結合實際機械（瓜子炒制機）開展設置實踐。

3.2.1 工序流程分析

流程分別是上料、炒制、加熱、卸料、除砂、拌料及出料。

3.2.2 控制流程確認

按照工序流程和功能需求，機械需要分成兩個平行流程：一是物料運轉流程，二是炒制溫控流程。

1）物料運轉流程。上料階段，料斗處于下限位，反轉開關；放料階段，處于上限位，正轉開關；炒制階段，進行炒制處理，正轉開關；卸料階段，處于清選篩，反轉開關；清選階段，除砂處理，啟停開關；拌料階段，開展拌料操作，正轉開關；出料階段，對成品進行收集處理，反轉開關[9]。

2）溫控流程。加溫階段，燃燒器運行，輸入、輸出量分別是開關、溫度；恒溫階段，輸入量溫度；溫度超過上限時降溫，過程描述：若燃燒器2開，關閉燃燒器2；若燃燒器1開，則關閉燃燒器1，輸出量為燃燒器1、2開關，輸入量為溫度。

3.2.3 控制方案和硬件選取

結合控制量、生產規模和控制需要來選取方案和硬件：

1）控制量：機械控制系統需要9個開關量輸出，一個模擬量輸入，兩個開關量輸入，系統核心功能在于流程管控、信息保存，且具有統計量較小的優點。

2）生產規模：產品生產批量較小，并未掌握電路板制作設備及技術。

3）控制需求：根據單工序運行，管控指令，能借助開關量按鍵輸入，也能借助觸摸屏輸入。

因此，方案選取確認：采取PLC方案能達到所有控制要求。硬件選取確認：1）主控模塊：18點開關量輸入，12點開關量輸出。2）觸摸屏：通過RS485與PLC通信。3）傳感器：PT100，三線制。4）限位開關：選擇行程開關。5）電氣參數選取及繼電器、電源設置：使用220 Ⅴ市電，對于觸摸屏和繼電器，二者的電源選擇24 Ⅴ輸出電源。

3.2.4 控制系統軟件設計

軟件設計分成兩個模塊，一是參數設計模塊，二是流程控制模塊，流程控制模塊又分為溫控流程、物料運行流程。

第一，參數設計模塊。此模塊用來定義工序需要的參數，使機械適應炒制流程，且配置電機。參數包括拌料與炒制時間、溫度上下限等。

第二，流程控制模塊。1）溫控流程。該流程分成兩種模式，一是自動模式，二是人工模式。在自動模式下，按照溫度設置，可自動實現燃燒器的開與關；在人工模式下，運行和停止均通過人工完成。基于溫控流程中燃燒機運行的情況，為確保物料受熱均勻，若其沒有處于旋轉狀態，則需要啟動正轉。在自動模式下：當溫度小于下限時，燃燒機均運行；當溫度超過上限時，若燃燒機都是運行的，則先關掉2號燃燒機，在經過規定時間后，若溫度還超過上限，那么再關掉1號燃燒機。2）物料運行流程。物料在炒制期間，控制可分成多種模式。單工序的不間斷運行，構成一個組合步；全部組合步的不間斷運行，構成一個全過程自動模式。若在工作前，其他單步需要先停止，那么就是互斥步。使用者借助觸摸屏進行操作，調整步狀態位，工作完成時，復位。軟件掃描、置位時，工作；復位時，不運行，由此控制機械運轉[10]。以下是各種控制模式：

①在單步控制模式下，料斗提升條件上限為開，互斥步，料斗卸料后逐漸下降；在達到規定時間時，操作結束，互斥步，料斗上升后逐漸下降，炒筒反轉；在處于下限位時，料斗不下降，互斥步，料斗上升后卸料；炒筒正向轉動，互斥步，反轉；炒筒反向轉動，互斥步，正向轉動后卸料；清選，互斥步，拌料正向轉動后反向轉動；拌料正向轉動，互斥步，反轉；拌料反向轉動，互斥步，正轉。②在組合步控制模式下，單步依次完成時，自動上料停止，互斥步，下料后炒筒反向轉動及炒制；達到規定時間，炒制停止，互斥步，智能上下料后炒筒反向轉動；在達到反轉、清選規定時長的情況下，下料停止，互斥步，自動上料后拌料，正轉；在單步依次完成的情況下，拌料停止，互斥步，下料后炒筒反轉及清選。值得一提的是，全部組合步構成全程模式，手動停止為每一步的停止條件，全程模式與所有步互斥。

第三，控制系統軟件設置中需注意的問題。對電機開展正反轉控制的繼電器，硬件設置方面要具備互鎖功能，即便在短路的情況下，也能從硬件上保證系統安全。為避免硬件損壞造成功能失效，在軟件設置中增加了互鎖功能，實現雙重保險。為保護電機，避免出現過載，在正反轉切換時，要達到延時長；正轉開啟前，需要先等反轉停止。

3.2.5 控制功能驗證

系統軟件設計結束后，根據硬件電路，由狀態位指示，檢驗控制邏輯。現場布置了繼電器等硬件設備，在組成控制柜之后，結合物料、電機等特征，設計相應參數，開展控制功能驗證。

4 PLC的未來發展方向分析

1）在網絡時代背景下，農產品加工機械需要聯網，因此對信息安全性提出了新要求。在農業信息化發展中，還應強化PLC網絡通信功能的運用，借助無線、接口技術等，因此要求PLC朝著安全化趨勢發展。由于在互聯狀態下，網絡環境較為復雜，風險系數將提升，難以確保信息安全，會給農產品加工生產控制帶來隱患。如今PLC控制系統即便集成了安保功能，但在一些方面還有待改進。在農產品加工機械耐用性研究等方面，PLC抗干擾性能較好，但各類產品有著各自工藝的不足，在農產品加工機械升級、維修等方面會面臨一定問題。加強PLC應用分析，使設備能滿足硬件要求，防止由于設備問題造成數據傳送失誤，確保系統正常運行。在智能化發展中，PLC在農產品加工機械中的運用還應做到準確控制，以便使信息能正常傳遞。

2）農業會向著高端智能化的趨勢發展，互聯網思維的應用，能促進農業智能化水平的提升，對PLC運用也會提出新要求。利用技術研究成果，PLC將得到更新，為農產品加工生產控制的自動化發展提供支持。通過集成各類技術，PLC能處理龐大信息，并返回至終端系統，為數據驅動生產模式的形成提供支撐。在PLC自動化發展中，將從產品及物聯上實現集成。PLC集多項功能于一體，應持續進行接口拓展研究，以便在時代進步下，根據設計需要實現技術更新，使技術運用符合通用、精準的要求，為智慧農業的發展提供技術支持。

5 結論

綜上所述，應用PLC開展自動化控制，可為實現控制功能提供支撐。伴隨技術的更新，PLC應用領域會得到深入拓展，以滿足人們對PLC多元化功能的需求，促進自控系統的智能化發展，從而讓自動化技術獲得長遠發展。課題組所介紹的基于PLC的農產品加工機械自動化控制系統，經過對具體機械（瓜子炒制機）的調試及測試運行，效果比較理想，且有著功能完善、便于使用、易于操作的特點，有著一定的實用價值。