范灼航，楊敬君，劉躍華，羅 斌，陳俊宏，李康潤

(廣東省儲備糧管理總公司東莞直屬庫，廣東 東莞 523000)

糧食倉儲行業(yè)肩負(fù)著保障國家糧食安全，履行實(shí)施國家糧食安全戰(zhàn)略的神圣職責(zé)，安全儲糧是糧食保管企業(yè)貫徹落實(shí)國家糧食安全戰(zhàn)略、守住管好“天下糧倉”的重要任務(wù)。糧食檢化驗(yàn)工作則是落實(shí)上述任務(wù)的重要一環(huán)，一批糧食檢化驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否取決于糧食樣品是否真實(shí)且具有代表性，因此，在糧倉中扦取一個具有代表性的樣品是糧食檢驗(yàn)過程中比較重要的環(huán)節(jié)[1-5]。

近年來，淺圓倉、大直徑筒倉等具有單位倉容造價低、結(jié)構(gòu)受力合理、機(jī)械化程度高、單倉容量大、占地面積小、密閉性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為我國近幾年大力發(fā)展的主力新倉型；該倉型設(shè)計倉容多為1～2萬t，裝糧高度從20～40 m不等[6-9]。

傳統(tǒng)扦樣作業(yè)時，扦樣管的下壓與抽拔都是靠人力完成，且每一截鋼管的續(xù)接都需要重新拆裝助壓器，過程繁瑣，整個取樣過程中存在工作人員勞動強(qiáng)度大、取樣效率低等問題，且在扦取12 m以下的糧食樣品時，需多人聯(lián)合作業(yè)才可艱難推進(jìn)，20 m以下糧食樣品扦取靠人力難以獲取[10-11]。為切實(shí)解決糧食在大型糧食庫倉倉儲過程中糧食樣品扦取效率低、機(jī)械化程度不高、作業(yè)人員勞動強(qiáng)度大等問題，廣東省儲備糧東莞直屬庫成立攻關(guān)研發(fā)工作小組，成功研發(fā)了一款氣動壓拔扦樣管裝置，但第一代產(chǎn)品控制多以人工手動操作為主，操作過程繁瑣，自動化程度不高。

為此，通過基于PLC為主控制器，以第一代氣動扦樣管壓拔裝置(氣動扦樣器)為基礎(chǔ)，優(yōu)化設(shè)計了一套多模式一鍵控制扦樣裝置作業(yè)的電氣控制系統(tǒng)，有效降低了作業(yè)人員強(qiáng)度，提高了扦樣效率和產(chǎn)品自動化水平。

1 半自動氣動扦樣器的工作原理

1.1 氣動扦樣器的機(jī)械機(jī)構(gòu)及工作原理

氣動扦樣器機(jī)械部分主要由支架機(jī)構(gòu)、設(shè)于支架系統(tǒng)中構(gòu)成垂直升降運(yùn)動的壓拔機(jī)構(gòu)和用于夾緊松弛扦樣管的夾緊機(jī)構(gòu)(夾手)組成。氣動扦樣器的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 氣動扦樣器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

該氣動扦樣器是采用氣動手動閥來控制扦樣器各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，其中手動閥A用于控制扦樣器壓拔機(jī)構(gòu)上下運(yùn)行并帶動夾緊機(jī)構(gòu)(夾手)上升或下降，手動閥B用于控制夾手夾緊或松開扦樣管，通過上述兩大機(jī)構(gòu)的組合動作得以實(shí)現(xiàn)扦樣管的插入或拔出，以實(shí)現(xiàn)獲取不同深度的糧食樣品。

1.2 半自動氣動扦樣器的工作原理

上述氣動扦樣器雖然實(shí)現(xiàn)了機(jī)械替代人工作業(yè)，大大降低了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，但其控制過程仍相對繁瑣，扦樣作業(yè)人員容易出現(xiàn)誤操作。因此，為優(yōu)化產(chǎn)品性能，提高扦樣效率，在原有氣動扦樣器的基礎(chǔ)上嵌入了PLC電氣控制系統(tǒng)，整個工作流程由PLC控制，實(shí)現(xiàn)了半自動氣動扦樣，達(dá)到了一鍵插管或一鍵拔管的控制效果，減少扦樣作業(yè)人員操作的頻次。半自動氣動扦樣器的工作流程如圖2所示。

圖2 半自動氣動扦樣器工作流程

在操作方式上，為滿足不同作業(yè)場景的功能需要，設(shè)計了手動、自動插管和自動拔管三種控制模式，實(shí)現(xiàn)了分別手動單獨(dú)控制和(或)自動控制壓拔機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)的動作。

系統(tǒng)上電后，通過旋鈕選擇工作模式：①手動模式：在手動模式下可通過對應(yīng)按鈕控制夾手的上升、下降、夾緊或松開；②自插模式：在自插模式下，按“一鍵啟動”按鈕，扦樣管的夾頭會自動定位扦樣管的最高位置，進(jìn)行“定位→夾緊→插入→松開→定位”的循環(huán)動作，至最后一次檢測開關(guān)無法檢測到扦樣管后停止循環(huán)；③自拔模式:進(jìn)入自拔模式時，夾手下降至下限位，夾手夾緊，“自拔程序”初始狀態(tài)完成，按“一鍵啟動”按鈕，扦樣器夾手上升做“拔管”動作至上限位后，夾手松開，復(fù)位至下限位并夾緊夾手，完成一次循環(huán)。

2 PLC控制系統(tǒng)搭建

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

PLC是半自動氣動扦樣器電氣控制系統(tǒng)的核心，扦樣器的動作通過氣缸電磁閥直接和PLC的輸出端相連，控制傳輸信號采用按鈕、位置開關(guān)等直接和PLC輸入端相連，控制性能穩(wěn)定可靠[12]。根據(jù)對機(jī)器需求的分析，該控制系統(tǒng)總共需要13個輸入點(diǎn)和3個輸出點(diǎn)?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，且整套系統(tǒng)的電氣控制部分應(yīng)盡可能輕便小巧，故選用了FX-2N-24MR PLC控制器，其不僅支持FX-2N系列PLC的大部分功能指令，且適用GX Developer與GX Works2軟件編程、讀取、下載、檢驗(yàn)、診斷、監(jiān)控程序[13]?？刂葡到y(tǒng)的PLC控制器輸入輸出端口的分配如表1所示。

表1 PLC控制器輸入輸出端口分配表

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要分為4大部分，其中包括：基礎(chǔ)程序、手動程序、插管程序、拔管程序、基礎(chǔ)程序?yàn)镻LC輸出線圈直接驅(qū)動電磁閥的底層程序，是為服務(wù)其他3個程序而設(shè)計的；手動程序可通過按鈕實(shí)現(xiàn)夾手的夾緊或松開動作和夾手的上升或下降動作。

2.2.1自動插管程序設(shè)計

自動插入扦樣管程序設(shè)計思路如圖3所示。機(jī)器在自動插管模式時，分為兩種情況。

圖3 自動插管模式程序設(shè)計思路

第一種情況是：按下按鈕⑤(一鍵啟動)，夾手的檢測開關(guān)能檢測到扦樣管，夾手上升，若夾手上升至上限位仍能檢測到扦樣管，夾手做一次“插管”動作后，夾手松開，夾手做上述循環(huán)動作直至夾手在上升尋找扦樣管最高點(diǎn)時，扦樣管最高點(diǎn)低于夾手的上升限位，系統(tǒng)判斷這次循環(huán)動作為最后一次動作，斷開循環(huán),“插管→松開”動作完成后，機(jī)器待機(jī)，待工作人員拼接好扦樣管后，按“一鍵啟動”再次啟動循環(huán)。

第二種情況是：按下按鈕⑤(一鍵啟動)，夾手的檢測開關(guān)無法檢測到扦樣管，夾手下降，若下降的過程檢測到了扦樣管且未到下限位，則執(zhí)行一次第一種情況的“插管→松開”動作，完成后機(jī)器待機(jī)，若下降到下限位仍未能檢測到扦樣管，系統(tǒng)則判斷為無效啟動，機(jī)器待機(jī)，待工作人員拼接好扦樣管后，需按“一鍵啟動”再次啟動。

系統(tǒng)通過上述兩種情況能有效完成“自動尋管插管”動作，無論夾手初始位置在哪里，在給予一鍵啟動命令后，夾手都能自動尋找管子最高點(diǎn)，并循環(huán)完成“插管”動作，直至當(dāng)前扦樣管已插到機(jī)器所能動作的最低點(diǎn)。

2.2.2拔管程序設(shè)計

自動拔出扦樣管程序設(shè)計思路如圖4所示。機(jī)器切換至自拔模式，夾手松開后，下降至下限位，此時存在兩種情況。

圖4 自動拔管模式程序設(shè)計思路

第一種情況是能夠檢測到扦樣管，夾手夾緊，機(jī)器“自拔”初始狀態(tài)完成，等待啟動命令。

第二種情況是未能檢測到扦樣管，但扦樣人員判斷此時夾手可以夾住扦樣管，可按按鈕⑤(一鍵啟動)，夾手夾緊，機(jī)器“自拔”初始狀態(tài)完成，等待啟動命令。

機(jī)器“自拔”初始狀態(tài)完成，等待啟動命令時，按下按鈕⑤(一鍵啟動)，夾手做一次“拔出”動作至上限位后，夾手松開，夾手下降到下限位重復(fù)判斷上述情況。

系統(tǒng)通過上述流程能有效完成一次“拔管”動作，且設(shè)計拔管初始狀態(tài)為夾手在下限位夾緊，便于扦樣人員拆卸扦樣管。

3 結(jié)束語

本次半自動扦樣器控制系統(tǒng)優(yōu)化改造調(diào)試后，在裝糧品種為玉米、小麥、大麥，裝糧深度為25～35 m的淺圓倉、立筒倉開展了深層扦樣試驗(yàn)，半自動氣動扦樣器操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定。三種模式均能滿足使用要求，與第一代深層扦樣設(shè)備相比，大量的減少了扦樣作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度和扦樣所需的時間，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的應(yīng)用效果。