陳金成+紀超+李亞雄

摘要：為了實現(xiàn)機采棉關(guān)鍵加工過程的自動化控制，實現(xiàn)“因花配車”，提升機采棉加工質(zhì)量，提出了機采棉籽棉清理與軋花聯(lián)動控制系統(tǒng)的架構(gòu)及應(yīng)用實施方案。通過分析機采棉加工工藝流程，確定影響棉花加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在建立控制系統(tǒng)總體構(gòu)架的基礎(chǔ)上，提出籽棉清理與軋花聯(lián)動控制策略，并規(guī)劃了控制系統(tǒng)上下位機軟件方案。結(jié)果表明，應(yīng)用該控制系統(tǒng)后，生產(chǎn)線節(jié)能10.4%，有效報警率達96%，故障處理時間減少40%，設(shè)備零部件損壞率降低30%，生產(chǎn)線實時管理效率提高70%。機采棉籽棉清理與軋花聯(lián)動控制系統(tǒng)能夠有效地改善加工設(shè)備作業(yè)性能，提高生產(chǎn)線自動化水平，實現(xiàn)節(jié)能增效，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：機采棉；籽棉清理；軋花；聯(lián)動控制；因花配車

中圖分類號： S226.7 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0346-04

近年來，采棉機在新疆地區(qū)得到了大力推廣，原棉產(chǎn)量中機采棉所占比重也逐年遞增。如何優(yōu)化機采棉加工工藝、提高原棉加工品質(zhì)，越來越受到大家的重視。目前，機采棉加工作業(yè)已實現(xiàn)機械電氣化，各加工設(shè)備相互獨立、工序繁多、操作復(fù)雜、不具備聯(lián)動自檢功能，故仍需要大量人力輔助管控；此外，由于加工設(shè)備工作參數(shù)固化，難以通過實際工況進行實時調(diào)整，在棉量波動時易造成能耗浪費，并且難以通過“因花配車”的方式針對不同品質(zhì)的原棉進行參數(shù)優(yōu)化。因此，優(yōu)化機采棉加工設(shè)備控制策略，提升全程作業(yè)自動化水平，在提高機采加工效率和產(chǎn)量的同時，降低能耗、改善棉花加工質(zhì)量，成為機采棉加工產(chǎn)業(yè)中亟待攻克的新課題。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對棉花加工設(shè)備性能改進方面的理論研究較多，對烘干機[1-3]、籽清機[4-6]、軋花機[7-9]、皮清機[10-12]等的機械結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)優(yōu)化分析，建立了各加工設(shè)備作業(yè)參數(shù)與棉花纖維長度、含雜率、色澤特征等品質(zhì)指標間的關(guān)系模型[13-14]，淺析了如何通過設(shè)備調(diào)整降低能耗、成本的控制策略[15]。上述研究主要以單一功能設(shè)備為研究對象，集中于機、棉關(guān)系的理論建模與設(shè)備內(nèi)部參數(shù)優(yōu)化控制2個方面，故涉及各設(shè)備間聯(lián)調(diào)控制與整體布控方面的研究較少。從實際生產(chǎn)調(diào)研結(jié)果來看，國內(nèi)多采用在機械設(shè)備中加裝電氣元件進行控制，但僅實現(xiàn)了部分獨立設(shè)備的電氣制動和過載保護。并且，對于機采棉加工運行中的設(shè)備實時運行的狀態(tài)（如軸溫過高等）和潛在的問題（如摩擦起火等）不能得以及時控制或警示，尚缺少棉花質(zhì)量的在線監(jiān)測功能，全局布控效果并不好。

因此，為解決國內(nèi)機采棉加工設(shè)備面臨的生產(chǎn)效率低、設(shè)備故障率高、能耗高、勞動強度大、自動化水平低等問題，需要從機采棉加工生產(chǎn)線整體角度出發(fā)，將各設(shè)備單元進行聯(lián)結(jié)，進行一體化管控。尤其對籽棉清理和軋花2個影響加工品質(zhì)的核心工藝環(huán)節(jié)的各類設(shè)備進行聯(lián)動控制，實現(xiàn)籽棉清理和軋花設(shè)備等相關(guān)參數(shù)的檢測和控制，并根據(jù)軋花的反饋信號自動調(diào)整籽棉清理設(shè)備關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)速、工位等重要參數(shù)，使籽棉在棉纖維不受損傷的前提下降低雜質(zhì)含量，回潮率控制在合理范圍，并實現(xiàn)徹底開松，為軋花機提供最理想狀態(tài)的籽棉。

1 籽棉清理和軋花工藝與控制參數(shù)的分析

1.1 籽棉清理和軋花工藝

籽棉清理和軋花工藝流程如圖1所示。其中，籽棉清理機和軋花機分別為籽清工藝和軋花工藝中的核心設(shè)備，其作業(yè)參數(shù)直接決定了所產(chǎn)皮棉最終的含雜率、纖維長度等重要品質(zhì)指標。

1.2 參數(shù)的分析選定

節(jié)能提效、減少故障率和提高皮棉質(zhì)量是聯(lián)動控制系統(tǒng)的主要目標，其待研究設(shè)備參數(shù)的選定與調(diào)整也應(yīng)為上述目標服務(wù)。

1.2.1 節(jié)能提效

棉花喂入量和回潮率分別是影響設(shè)備運轉(zhuǎn)載荷與烘干塔熱量進入量的關(guān)鍵因素，對應(yīng)設(shè)備的轉(zhuǎn)速應(yīng)與喂入量相匹配，參考喂入量變化，進行轉(zhuǎn)速實時調(diào)節(jié)，從而降低設(shè)備運轉(zhuǎn)能耗；同理烘干塔內(nèi)總熱量也應(yīng)隨回潮率變化做出實時反應(yīng)，并保證回潮率一直處于恒定區(qū)間。

1.2.2 減少故障率

為了減少停車次數(shù)，提高加工效率，需對棉加工設(shè)備的常見故障進行預(yù)警監(jiān)測，如軸承磨損、摩擦起火、原棉擁堵等情況。實際工況中可通過檢測加工設(shè)備的軸承溫度、轉(zhuǎn)速、工作電流等參數(shù)獲知，并利用聲光報警提示操作者及時進行設(shè)備維護。

1.2.3 提高皮棉質(zhì)量

含雜率、回潮率、斷裂強度比等是皮棉品質(zhì)的重要指標，不僅是重要的監(jiān)測對象，而且是調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)所需的參考值。籽棉清理機、軋花機以及加濕器等關(guān)鍵設(shè)備運轉(zhuǎn)的速度及相關(guān)部件的工位間隙均是影響上述重要指標的關(guān)鍵參數(shù)，同樣也是需要進行實時調(diào)節(jié)的對象。

根據(jù)上述分析，選定軸溫、軸速、工位距離、濕度、電流、風(fēng)壓、火星、作業(yè)場景等作為監(jiān)測對象，并分別利用溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、壓力計以及攝像機等多種傳感器進行信息獲取。參考所測定的皮棉回潮率、含水率、含雜率、色度等指標值，對上述監(jiān)測對象進行實時調(diào)整，以期獲得最佳設(shè)備作業(yè)參數(shù)，提高加工質(zhì)量、降低能耗、減少故障發(fā)生。

2 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個系統(tǒng)又可分為數(shù)據(jù)采集模塊、信息傳輸模塊、信息處理與顯示模塊和動作執(zhí)行模塊（圖2）。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要通過各PLC數(shù)據(jù)采集站對各種傳感器所采集的轉(zhuǎn)速、軸溫、火星、風(fēng)壓值進行處理，并利用攝像頭監(jiān)視籽棉的流動和排雜出口狀況；信息傳輸模塊主要通過光纖或雙絞線交由交換機傳輸?shù)叫畔⑻幚砥脚_，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸；信息處理與顯示模塊主要負責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲和分析，并將所采集的數(shù)據(jù)直觀地顯示出來；控制執(zhí)行模塊主要執(zhí)行由信息處理與顯示模塊發(fā)送的指令，控制設(shè)備動作并實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動。各模塊間通過工業(yè)以太網(wǎng)進行互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳接以及設(shè)備工況的監(jiān)測、控制和聯(lián)動。

2.2 機采棉籽棉清理與軋花聯(lián)動控制策略

機采棉籽棉清理與軋花聯(lián)動控制由籽清設(shè)備與軋花設(shè)備自身的閉環(huán)反饋調(diào)控和籽棉清理設(shè)備與軋花之間的反饋聯(lián)動控制組成（圖3）。其中，籽棉含雜率主要與原棉喂入量、回潮率、籽清設(shè)備轉(zhuǎn)速和關(guān)鍵部件間隙大小有關(guān)，通過監(jiān)測控制系統(tǒng)分析優(yōu)化策略可實現(xiàn)原棉喂入量（開模機電機轉(zhuǎn)速）、籽清設(shè)備轉(zhuǎn)速或間隙以及烘干塔溫度的調(diào)控；通過檢測軋花工作箱的儲量和電流值，實現(xiàn)軋花機自身速度或工作箱的開合與籽清設(shè)備聯(lián)動控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

工業(yè)自動化軟件設(shè)計以穩(wěn)定性、響應(yīng)快、安全性和可擴展性為原則。軟件的設(shè)計主要包括下位機（PLC和觸摸屏）數(shù)據(jù)采集處理軟件設(shè)計和上位機（PC機）監(jiān)測控制軟件設(shè)計。系統(tǒng)中主要采用了歐姆龍CJ1L、CJ2M系列PLC和昆侖通態(tài)觸摸屏（TPC1561HI）作為下位機，并應(yīng)用歐姆龍PLC集成開發(fā)軟件CX-One和嵌入版MCGSE組態(tài)環(huán)境，采用梯形圖和MCGSE策略構(gòu)件及類C語言腳本進行下位機的開發(fā)；監(jiān)測控制系統(tǒng)應(yīng)用組態(tài)王集成開發(fā)環(huán)境和C語言進行開發(fā)。軋花主工藝流程監(jiān)控界面如圖4所示。

3.1 下位機檢測控制系統(tǒng)

傳感器采集信號（開關(guān)量或模擬量）送入PLC進行轉(zhuǎn)換處理，并通過以太網(wǎng)傳輸?shù)浇粨Q機或直接接入監(jiān)測控制臺完成信息的傳輸。其中，籽清控制較軋花設(shè)備距控制總臺遠，應(yīng)用光纖傳輸方式，而軋花設(shè)備控制組直接采用雙絞線接入工業(yè)交換機。監(jiān)測控制臺根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進行分析處理，并采用歐姆龍CJ2M系列PLC以RS485總線與各種不同矢量變頻器連接，通過監(jiān)測控制臺發(fā)送的命令集中控制各電機及報警裝置。

3.2 監(jiān)測控制系統(tǒng)

監(jiān)測控制系統(tǒng)主要由通信管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、能源管理模塊、設(shè)備狀態(tài)顯示模塊等組成。該系統(tǒng)由PLC、攝像頭、在線檢測裝置采集的數(shù)據(jù)通過符合TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)接口和RS485接口與插有集成數(shù)據(jù)采集卡的監(jiān)測控制系統(tǒng)通信，利用視頻數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)工廠視頻的實時監(jiān)控，利用圖像采集卡實現(xiàn)在線檢測圖像的處理與顯示。監(jiān)測控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 系統(tǒng)部署與試驗

系統(tǒng)在新疆149團安裝部署試驗，并調(diào)試成功。整個系統(tǒng)安裝檢測設(shè)備包括2組籽清設(shè)備和4組軋花設(shè)備，共安裝30個測速傳感器、20個溫度傳感器、9個火星探測器、34個變頻器、15個風(fēng)壓傳感器、8個位置傳感器、12個攝像頭、6組PLC控制器等相關(guān)配套器件，其部署安裝如圖6所示。通過現(xiàn)場加工作業(yè)效果驗證，該系統(tǒng)各模塊運行良好，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定功能，取得的成效如表1所示。

5 結(jié)論

通過分析目前機采棉加工工藝狀況，針對籽棉清理與軋花2個核心作業(yè)環(huán)節(jié)，提出了應(yīng)用自動化控制技術(shù)實現(xiàn)機采棉籽棉清理與軋花聯(lián)動控制，優(yōu)化原棉加工設(shè)備作業(yè)參數(shù)，實現(xiàn)“因花配車”，提高加工品質(zhì)。

構(gòu)建了嵌入式閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各作業(yè)設(shè)備參數(shù)實時修正。利用點對點分散式信息數(shù)據(jù)采集方式，并結(jié)合總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備的集中管控。通過現(xiàn)場加工作業(yè)效果驗證，該系統(tǒng)可有效提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能耗、減少設(shè)備故障、便于加工廠高效管理。

參考文獻：

[1]Boykin J C. The effects of dryer temperature and moisture addition on ginning energy and cotton properties[J]. Journal of Cotton Science，2005，9（3）：155-165.

[2]Byler R K. Historical review on the effect of moisture content and the addition of moisture to seed cotton before ginning on fiber length[J]. Journal of Cotton Science，2006（10）：300-310.

[3]Ray S J. Alternative configurations in a cylinder-type cleaner for seed cotton[J]. Applied Engineering in Agriculture，2006，22（5）：643-649.

[4]Le S. Cleaning performance of modified cylinder cleaners[J]. Journal of Cotton Science，2006，10（4）：273-283.

[5]Whitelock D P，Anthony W S. Evaluation of cylinder cleaner grid bar configuration and cylinder speed for cleaning of seed cotton，lint，and lint cleaner waste[J]. Applied Engineering in Agriculture，2003，19（1）：31-37.

[6]董全成，馮顯英. 基于自適應(yīng)模糊免疫PID的軋花自動控制系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29（23）：30-37.

[7]胡 燦，吳明清，陳曉川. 基于PLC技術(shù)的軋花自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J]. 農(nóng)機化研究，2015（5）：167-172.

[8]郭斌杰. 清花刺釘輥筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 中國棉花加工，2010 （2）：8-10.

[9]郭倩如. 鋸齒皮棉清理機排雜刀的調(diào)整[J]. 中國棉花加工，2007（3）：11-12.

[10]Delhom C D，Byler R K. Saw-type lint cleaner damage as related to saw speed[C]//2009 Reno，Nevada，June 21-24，2009. American Society of Agricultural and Biological Engineers，2009：096137.

[11]Delhom C D，Byler R K，Cui X，et al. Saw-type lint cleaner damage by machinery components[C]//2008 Providence，Rhode Island，June 29-July 2，2008. American Society of Agricultural and Biological Engineers，2008：084094.

[12]李 勇. 皮棉質(zhì)量評價模型與棉機變頻調(diào)速系統(tǒng)的建立[D]. 北京：清華大學(xué)，2003.

[13]丁天懷，李 勇，苗君哲，等. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的皮棉雜質(zhì)在線檢測方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19（2）：137-139.

[14]李孝華. 棉花加工對棉纖維原生品質(zhì)影響分析[J]. 中國棉花加工，2013（4）：27-28.

[15]Bennett B，Misra S，Barker G. Lint cleaning stripper-harvested cotton for maximizing producer net returns[J]. Applied Engineering in Agriculture，1997，13（4）：459-463.