趙云漢，龐 博，周立洋，龔章鵬，張 通，王國業(yè)

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

青貯料具有營養(yǎng)損失小、適口性好、消化率高及能夠長期保存等優(yōu)點，且需求量越來越大。青貯飼料生產(chǎn)工藝要求高，需要利用相應(yīng)的青貯機械進行加工和貯存。目前，國內(nèi)分散小地塊較多，青貯料裝袋主要由人工完成，裝袋效率低，質(zhì)量難以保證，因而對小型袋式青貯機械需求較大；國外的青貯機械發(fā)展成熟，生產(chǎn)效率高，品類功能全，已經(jīng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)機械化與自動化[1-3]。

近年來，我國政府高度重視青貯技術(shù)的發(fā)展，出臺一系列相關(guān)政策引導(dǎo)青貯向機械化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展[4]，因此開發(fā)一款適合我國國情、性能良好的青貯料裝袋機對促進我國畜牧行業(yè)的發(fā)展具有積極意義。為使青貯料裝袋機獲得良好的裝袋效果和穩(wěn)定的工作效率，開發(fā)一套適應(yīng)性強、穩(wěn)定性高的控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

當(dāng)前，控制系統(tǒng)中常用的控制主要有單片機控制、PLC控制及繼電器控制等。其中，單片機控制能力強，但開發(fā)周期長，程序不易理解，且易受外界環(huán)境的干擾，不適用于青貯行業(yè)；繼電器控制控制精度差，接線多且復(fù)雜，可靠性差，不易維護。為適應(yīng)青貯行業(yè)的工作環(huán)境并考慮到裝袋機的工作特點，選用PLC作為整機控制系統(tǒng)的控制器進行系統(tǒng)設(shè)計。

1 整機結(jié)構(gòu)

1.1 整機工藝流程

鑒于袋裝青貯料的特殊工藝要求，青貯料裝袋機集攪拌、輸送、取袋、套袋、裝料及壓實等多種功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)青貯料裝袋的一體化、自動化。整機的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 整機工藝流程圖Fig.1 Flow chart of machine process

1.2 整機結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)

整機采用立式灌裝法。出料口處于豎直方向，刈割切碎的飼草料作物經(jīng)過傳送帶運送至料箱；料箱上安裝添加劑存放裝置，將添加劑加入料箱，利用雙螺旋裝置對草料進行攪拌和輸送；取袋機構(gòu)將專用青貯袋從袋箱中取出并送到出料口處；撐袋機構(gòu)將青貯袋撐開套在出料口的桶壁上。為了保證青貯需要的厭氧環(huán)境，需將裝入袋中的碎草料進行壓實處理，采用變螺距輸送裝置安裝在出料口內(nèi)，實現(xiàn)對碎草料灌裝和壓實。裝袋結(jié)束后，將扎緊袋口的袋裝飼草料作物放在避免陽光直射的地方保存，飼草料作物即可在厭氧的環(huán)境中自行發(fā)酵完成青貯。整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.青貯袋箱 2.取袋機構(gòu) 3.料箱 4.喂料機構(gòu) 5.攪拌機構(gòu) 6.出料口 7.撐袋機構(gòu) 8.套袋機構(gòu)

整機選用壓縮空氣作為動力傳遞的工作介質(zhì)，以氣動元件作為主要執(zhí)行元件。氣動件具有無污染的特點，保證飼草料作物不受到污染，且更易實現(xiàn)裝袋機的自動化。根據(jù)青貯的工藝要求和考量經(jīng)濟效益因素，需要對裝袋機的生產(chǎn)率及裝袋質(zhì)量等指標(biāo)進行規(guī)定。本文所介紹的青貯料裝袋機的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 整機設(shè)計參數(shù)Table 1 Machine design parameters

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

整機的控制系統(tǒng)由輸入元件(行程開關(guān)、接近開關(guān)等)、控制器(PLC模塊、PLC擴展模塊)及輸出元件(氣缸、真空吸盤、變頻器、電磁閥、電機及驅(qū)動器等)構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)組成Fig.3 Consists of control systems

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件是青貯料裝袋機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)青貯料的工藝特點，青貯料裝袋機控制系統(tǒng)硬件包括PLC及擴展模塊、電磁閥、電機、變頻器、氣缸、吸盤等。

青貯料裝袋機控制系統(tǒng)控制對象基本為電磁閥、氣缸、電機及吸盤等，控制相對簡單，因此控制器選用西門子S7-200系列PLC中的S7-200 224XP，屬于小型箱體式，且配有兩個1 000kHz的脈沖輸出口，可用來控制電機[5]。由于CPU自帶的I/O數(shù)量有限，青貯料裝袋機中需要控制的執(zhí)行元件較多，不能滿足控制的需要，所以需要對I/O進行擴展。西門子PLC擁有完備的I/O接口模塊，擁有強大的擴展能力[6]。青貯料裝袋機配備的擴展模塊為1個數(shù)字量I/O模塊EM222(8點輸出)、1個數(shù)字量I/O模塊EM223(8點輸入/8點輸出)。整機氣動元件需要由PLC自動控制，即氣動元件需要電磁閥控制。由于PLC輸出口電壓為DC24V，額定功率5W，因此選用DV24V、4.8W的電磁控制閥。由于整機每部分機構(gòu)的功能不同，電磁控制閥選用二位五通閥和三位五通閥。

在青貯料裝袋機中，伺服電機用來控制取袋機構(gòu)在豎直位置上保持精確的位置，鑒于取袋機構(gòu)具有一定的質(zhì)量和工作特點，選用低壓直流伺服電機60FSM-04030-48。該電機額定功率400W,額定力矩1.27N·m,工作電壓20～60V,額定電流11A,額定轉(zhuǎn)速3 000r/min。為了使喂料攪龍和輸送攪龍的電機具有合適的轉(zhuǎn)速，選用L6000-0022G-S2單相輸入單相輸出的變頻器對兩交流電機進行調(diào)速。該變頻器輸入電壓AC220，額定輸入電流23A,額定輸出電流12A,額定輸出功率2.2kW。整機采用氣缸作為主要的執(zhí)行元件，完成撐袋、套袋等動作。根據(jù)實際工作所需的行程及輸出力大小，同時考慮合理的安裝方式，選用的氣缸規(guī)格型號為：MA16×25、MA25×100、TN16×150、SC100×800、MA16×150、MA16×75、MA16×500。真空吸盤用于將青貯袋吸住并保持一定的吸力，使青貯袋在作水平、豎直運動時不易脫落。青貯袋為塑料材質(zhì)，質(zhì)地較軟，在吸取的過程中會產(chǎn)生褶皺，表面發(fā)生一定的變形，經(jīng)對比后選用韓國VMECA-Magic Cup系列吸盤。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

西門子S7-200 224XP型PLC基于STEP7-Micro/Win編程環(huán)境，進行程序的編程、監(jiān)控、調(diào)試。利用圖形化較好的梯形圖語言進行控制程序的編程[7]。青貯料裝袋機控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig. 4 Flow chart of main program of control system

取袋模塊進入工作模式時，需完成吸持、開口、送袋3個動作，取袋流程圖如圖5所示。

取袋模塊將青貯袋送至出料口，撐袋模塊開始工作，利用撐袋長氣缸把袋口撐開為矩形，為套袋提供良好的條件。取袋模塊流程圖如圖6所示。撐袋模塊完成后，套袋-輸送-喂料模塊開始工作，完成袋口弧形撐開，碎料輸送、攪拌。套袋-輸送-喂料模塊流程圖如圖7所示。

圖5 取袋模塊流程圖Fig.5 Taking bag module flow chart

圖6 撐袋模塊流程圖Fig.6 Flow chart of Supporting bag圖7 套袋-輸送-喂料流程圖 Fig.7 Flow chart of bagging-conveying—feeding module

2.3 系統(tǒng)電氣線路設(shè)計

青貯料裝袋機控制系統(tǒng)的控制元件較多，控制對象電磁閥、電機等與PLC的輸出口連接，所有執(zhí)行元件的動作都需要在PLC控制下完成。系統(tǒng)的電路錯綜復(fù)雜，需要對控制系統(tǒng)電氣線路進行設(shè)計，并且安裝配電箱。控制系統(tǒng)總電源為交流220V，可以為交流單相電機、變頻器提供電能，PLC控制器、伺服驅(qū)動器、繼電器、按鈕開關(guān)等利用24V穩(wěn)壓電源將220V轉(zhuǎn)化為24V直流電為各自供電?？刂葡到y(tǒng)電路圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)電路圖Fig.8 Circuit diagram of control system

伺服電機驅(qū)動取袋機構(gòu)在豎直方向做往復(fù)運動，伺服電機上的編碼器通過專用電纜與伺服驅(qū)動器連接，伺服電機的電源線通過插頭連接至伺服驅(qū)動器的接線端子上。伺服系統(tǒng)為低壓直流伺服系統(tǒng)，伺服驅(qū)動器的供電電壓為DC24～48V。本控制系統(tǒng)采用24V直流開關(guān)電源為伺服電機驅(qū)動器及伺服電機供電。PLC的高速輸出點與伺服驅(qū)動器的PLS+端連接，伺服驅(qū)動器的SON+和DIR+端直接與PLC的開關(guān)量輸出點連接。PLS-、SON-、DIR-均接電源負(fù)極。用PLC的高速輸出點控制伺服電機，接線相對步進電機較為復(fù)雜,圖9為伺服電機電路圖。

為了保證適合的裝袋壓實程度和避免物料堵塞，要求輸送攪龍和喂料攪龍的速度可調(diào)，因此利用變頻器對兩個攪龍進行調(diào)速控制。在變頻器的自動控制下，變頻器輸出端子R、T與單相電機的接線端子+、-相連，變頻器輸入端子L1、L2接220V交流單相電源，變頻器與PLC共地。X1～X4數(shù)字量輸入端子與PLC輸出口相連。其中，X1為正轉(zhuǎn)啟動信號、X2為反轉(zhuǎn)啟動信號、X3為頻率1、X4為頻率2。X3、X4的頻率可通過控制面板進行頻率參數(shù)設(shè)定。X1～X4這4個端子通過PLC控制，若接收到高電平信號，則實現(xiàn)對應(yīng)控制端口的功能。但X1與X2只能有一個起作用，不能同時使用；X3與X4同時接收到高電平信號時得到組合頻率3。圖10為變頻器電路圖。

圖9 伺服電機電路圖Fig.9 Circuit diagram of servo motor

圖10 變頻器電路圖Fig.10 Circuit diagram of inverter

3 樣機試制與試驗

青貯料裝袋機樣機如圖11所示。

圖11 青貯料裝袋機樣機Fig.11 Prototype of silage bagging machine

檢驗整機控制系統(tǒng)性能、機械結(jié)構(gòu)強度、氣動系統(tǒng)穩(wěn)定性，并對整機的工作效率進行試驗，主要包括整個工作流程完成時間、裝袋質(zhì)量、裝袋長度、裝填密度及整機效率。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 整機試驗數(shù)據(jù)表Table 2 Machine test data sheet

4 結(jié)論

1)基于PLC的控制系統(tǒng)，能夠在高溫、粉塵、振動的惡劣環(huán)境中保持良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，可實現(xiàn)取袋、撐袋、套袋過程的自動化。在整個工作過程中，無需人員輔助，提升了青貯料裝袋機的先進程度，加速了整個青貯機械自動化進程。

2)試驗過程中，從取袋、撐袋、套袋、輸送到裝料，能夠平穩(wěn)進行、效果良好，驗證了整機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

3)整機從取袋開始到裝料結(jié)束，總共花費時間為75～85s。若連續(xù)裝袋，則可達(dá)到>1t/h的生產(chǎn)率，能夠極大提升裝袋的效率，減輕勞動人員的勞動強度。執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行時間及作業(yè)時序尚有很大優(yōu)化空間，通過進一步優(yōu)化可大大提高生產(chǎn)率和降低能耗。