夏中峰，尚書旗，王東偉，何曉寧，尹詩洋

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266109)

聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織2018年《世界漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖狀況》[1]統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國海帶養(yǎng)殖面積是47.3×103hm2，年產(chǎn)量為629.3萬t，海帶結(jié)平均單產(chǎn)20 kg/hm2左右，占世界養(yǎng)殖海帶總產(chǎn)量的71%[2-6]。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和海帶打結(jié)產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間的不斷擴(kuò)大，使海帶養(yǎng)殖總產(chǎn)量大幅提升，為我國帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，提供了大量的工作崗位，但也顯露出越來越多的問題[7]。目前海帶結(jié)全部是由人工打結(jié)而成，而海帶多處于潮濕、多鹽狀態(tài)，工人手指長期接觸海帶，造成嚴(yán)重?fù)p傷，甚至出現(xiàn)手指變形和指甲脫落現(xiàn)象，因此，海帶加工企業(yè)愈來愈難雇傭到嫻熟的員工[8]，勞動生產(chǎn)率逐漸下降，這成為制約海帶結(jié)出口的主要因素。

目前海帶自動打結(jié)機(jī)的市場尚屬空白，本文研制一套適合企業(yè)的海帶打結(jié)設(shè)備，為實現(xiàn)海帶打結(jié)的智能化生產(chǎn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 海帶打結(jié)方法

應(yīng)用仿生學(xué)模仿海帶徒手打結(jié)，分解動作如圖1所示，可分為以下四個步驟：

(1) 夾取，右手兩指夾取海帶條送至左手四指上，將海帶條平鋪至四指上；

(1)夾取 (2)纏繞 (3)打結(jié) (4)切斷圖1 海帶徒手打結(jié)分解動作Fig. 1 Decomposition movement of manual kelp knotting

(2) 纏繞，右手兩指將海帶條圍繞左手繞1.3圈至四指內(nèi)側(cè)，并使右手兩指與左手四指保持一定距離；

(3) 打結(jié)，右手兩指夾取海帶條一端繞至左手無名指與中指間并夾緊，兩手分別向相反方向運(yùn)動，完成打結(jié)動作；

(4) 切斷，兩手夾住海帶兩端并在固定刀座上快速劃過，海帶被切斷，海帶結(jié)落入收集箱。

1.2 海帶自動打結(jié)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

基于可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)的海帶自動打結(jié)機(jī)自動輸送裝置由海帶打結(jié)纏繞裝置[9-10]、海帶切斷裝置以及PLC控制系統(tǒng)組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。顯示屏位于電控箱上端?？刂葡渲饕刂葡到y(tǒng)的核心控制器PLC、驅(qū)動器和直流電源開關(guān)等元器件。將編輯好的控制程序進(jìn)行檢查、編譯、聯(lián)機(jī)到PLC控制器的存儲器中。自動打結(jié)原理如下：

(1)將切好的海帶條放在并排設(shè)置的10列U形槽型板上，通電之后，程序自動執(zhí)行，夾取夾手與打結(jié)夾手錐形夾同時運(yùn)動至同一水平線上，壓海帶輪通過摩擦U形槽型板傳送海帶條，光電傳感器定位海帶條的初始位置。

(2)當(dāng)海帶條前端到達(dá)指定位置時，夾取夾手夾住海帶條前端，圍繞打結(jié)夾手錐形夾進(jìn)行360°纏繞動作，此時，夾取夾手、打結(jié)夾手錐形夾和物料進(jìn)給U形槽型板相互間保持18 cm的距離和一定角度(由控制器控制夾取夾手?jǐn)[動角度)，使海帶條具有一定的拉緊力，防止其脫落。

(3)當(dāng)夾取夾手與打結(jié)夾手錐形夾呈90°時，夾取夾手停止運(yùn)動，纏繞動作完成，此時夾取夾手圍繞打結(jié)夾手錐形夾纏繞1.3圈，海帶條形成一個封閉“Q”形環(huán)。

(4)打結(jié)夾手錐形夾夾住海帶頭，切斷夾手夾住海帶條的尾端，打結(jié)夾手錐形夾與切斷夾手相互反向用力并拉緊，形成一個完整的海帶結(jié)。最后，由切斷夾手上的切刀剪斷海帶尾部部分，海帶結(jié)自然落入收集箱。

1.配電箱 2.物料進(jìn)給U形槽型板 3.壓海帶輪 4.絲杠Ⅰ 5.標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪 6.步進(jìn)電動機(jī)Ⅰ 7.步進(jìn)電動機(jī)Ⅱ 8.步進(jìn)電動機(jī)Ⅲ 9.連桿 10.鉸鏈齒輪 11.滑環(huán) 12.步進(jìn)電動機(jī)Ⅳ 13.切斷標(biāo)準(zhǔn)齒輪 14.切斷夾手 15.打結(jié)夾手錐形夾 16.打結(jié)標(biāo)準(zhǔn)齒輪 17.伺服電動機(jī)Ⅰ 18.打結(jié)絲杠 19.夾取夾手圖2 基于PLC的海帶自動打結(jié)機(jī)Fig. 2 Kelp automatic knotting machine based on PLC

1.3 關(guān)鍵工作部件結(jié)構(gòu)與控制策略

1.3.1 纏繞裝置結(jié)構(gòu)與控制

打結(jié)纏繞裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，伺服電動機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪驅(qū)動絲杠，電動夾手錐形夾安裝在絲杠上，并由伺服電動機(jī)驅(qū)動其前后移動。電動夾手和伺服電動機(jī)安裝在深溝球套筒上，并和安裝在套筒里面的打結(jié)夾手錐形夾相互配合完成夾取動作，套筒中間開有直徑約為67 mm的中心孔，電動夾手焊接在深溝球軸承上，便于夾取、纏繞海帶。

1.打結(jié)絲杠 2.纏繞標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪 3.夾取伺服電動機(jī)Ⅱ 4.夾取夾手 5.打結(jié)夾手錐形夾 6.鉛塊 7.打結(jié)標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪 8.伺服電動機(jī)Ⅰ圖3 纏繞裝置結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of winding device

通過編寫PLC主程序控制，采用慢速前進(jìn)、快速收回運(yùn)動方式，推動絲杠連接的電動錐形夾前進(jìn)，調(diào)動絲杠的前后移動位置，根據(jù)海帶厚度使用驅(qū)控一體、夾持力穩(wěn)定的電動夾手完成海帶纏繞動作，其目的是防止海帶表面營養(yǎng)缽體“甘露醇”的損壞。這種打結(jié)纏繞方式可以實現(xiàn)精準(zhǔn)、快速打結(jié)纏繞，有效提高成結(jié)率。

1.3.2 切斷裝置結(jié)構(gòu)與控制

切斷裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，主動齒輪I與從動齒輪Ⅱ安裝在絲杠裝置上，絲杠安裝在由并排放置的兩個深溝球軸承上，在絲杠右端頂部位置安裝一個電動夾手，并在電動夾手中心位置連接一個電動切刀，其目的是在完成1.3.1節(jié)纏繞動作后，夾住并切斷海帶條尾端部分，使海帶結(jié)落入收納箱。

PLC控制程序編程時，需要調(diào)用PLC屬性參數(shù)，在步進(jìn)時序順控指令的配合下，設(shè)計海帶打結(jié)切斷控制程序。采用多個基準(zhǔn)定時器，通過軟件分析各輸出狀態(tài)，達(dá)到時序控制，實現(xiàn)全自動打結(jié)工序。

1.主動齒輪I 2.滑動軸承 3.切斷絲杠 4.切斷夾手

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

本設(shè)計以PLC為控制核心，利用控制技術(shù)、人機(jī)協(xié)作技術(shù)、遠(yuǎn)程遙控技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，PLC控制系統(tǒng)核心部分由硬件與軟件兩部分構(gòu)成。硬件主要包括PLC、人機(jī)界面(觸摸屏)、伺服電動機(jī)、EFG-8電動夾手(NPN型)、24 V直流電源、起始開關(guān)、滑環(huán)、步進(jìn)電動機(jī)、YBLX-ME型行程開關(guān)、漫反射光電傳感器等。系統(tǒng)通過人機(jī)界面設(shè)定海帶打結(jié)的作業(yè)參數(shù)，3個電動夾手和電動機(jī)有機(jī)結(jié)合，確保海帶打結(jié)準(zhǔn)確，并可通過傳感器識別海帶結(jié)、計算打結(jié)數(shù)量，傳送到人機(jī)界面。系統(tǒng)硬件組成及其電氣控制原理如圖5、圖6所示。

圖5 PLC控制系統(tǒng)組成Fig. 5 Composition of PLC control system

圖6 海帶自動打結(jié)機(jī)電氣控制原理Fig. 6 Electric control principle diagram of kelp automatic knotting machine

在現(xiàn)場操作控制中，還包括打結(jié)部分的極限位置、壓輪、打結(jié)、纏繞、移動、伸縮電動機(jī)、夾持電動機(jī)、錐形夾電動機(jī)、切斷電動機(jī)等的控制參數(shù)。具體的輸入輸出參數(shù)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 PLC的輸入輸出信號定義Table 1 Definition of PLC input and output signal

從表1可以看出，觸發(fā)輸入信號共3點(diǎn)，觸發(fā)輸出信號共17點(diǎn)，選用的PLC點(diǎn)數(shù)應(yīng)大于系統(tǒng)實際使用的點(diǎn)數(shù)，所以本系統(tǒng)選用中達(dá)優(yōu)控公司的ZK3U-48MT型PLC，該P(yáng)LC滿足開關(guān)量的輸入輸出需求及系統(tǒng)需求。另外，該P(yáng)LC包括10個模擬量輸入、1個RS232通信端子接口、2個模擬量輸出及1個RS485通信端子接口，可以直接與觸摸屏通信，不需要自定義通信協(xié)議，方便調(diào)試。

2.2 硬件選型

2.2.1 PLC 控制器

PLC是工業(yè)環(huán)境中一種面向用戶采用數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，是集通信裝置、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及自動化控制系統(tǒng)于一體的微型控制器。PLC工作時，外部電子器件連接到PLC內(nèi)部存儲器中，將輸入信號進(jìn)行處理，產(chǎn)生的輸出信號通過電子裝置控制機(jī)械動作。

本設(shè)備選用的ZK3U-48MT型PLC是一種高性能、低成本、低功耗的微處理器，與傳統(tǒng)PLC相比，該P(yáng)LC硬件資源更為豐富、價格更為低廉。圖7和圖8分別為ZK3U-48MT型PLC原理和外觀圖。

圖7 ZK3U-48MT型PLC原理圖Fig. 7 PLC principle diagram of ZK3U-48MT type

圖8 ZK3U-48MT型PLC Fig. 8 PLC outside view of ZK3U-48MT type

2.2.2 ZK3U-48MT型PLC輸入接線

ZK3U-48MT型PLC接線方式分為漏型輸入和源型輸入。漏型輸入是將S/S端子與24 V端口短接，輸入時輸入端子與高電平短接，信號形成回路，從而將信號輸入到PLC。源型輸入是將S/S端子與0 V端口短接，輸入時輸入端子與高電平短接，信號形成回路，將信號輸入到PLC。本文選用漏型輸入接線法，接線如圖9所示。

圖9 PLC漏型輸入接線Fig. 9 PLC leakage type input wiring

2.2.3 ZK3U-48MT型PLC輸出接線

ZK3U-48MT型PLC輸出接線如圖10所示，采用晶體管輸出、光耦絕緣，可驅(qū)動直流負(fù)載，響應(yīng)時間快。當(dāng)程序中的相應(yīng)軟元件Y0觸點(diǎn)得電時，Y0和COM端口之間形成電流回路，即電源驅(qū)動負(fù)載構(gòu)成回路進(jìn)行工作。

圖10 PLC輸出接線Fig. 10 PLC output wiring

2.2.4 人機(jī)界面

人機(jī)界面選用深圳市中達(dá)優(yōu)控科技有限公司生產(chǎn)的S700A型觸摸屏，可通過MPI/PPI通信電纜與PLC進(jìn)行連接，其CPU為A8800 MHz RISC[11]，程序下載為USB SLAVE B型接口，通信端口有RS232、RS485、RS422三種。該觸摸屏采用7.0TFT 250 cd/m2高亮度液晶顯示屏(900像素×580像素)[12-13]，為4線精密電阻網(wǎng)絡(luò)(4H)的觸摸屏，預(yù)裝YKHMIV3.3組態(tài)軟件，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。圖11為觸摸屏實物照片。

圖11 S700A型觸摸屏實物Fig. 11 Physical object of S700A type touch screen

2.2.5 接近開關(guān)

接近開關(guān)主要用于限位，以防止系統(tǒng)故障時工作臺受到觸碰而造成損失。本次設(shè)計所選用的電感式接近開關(guān)(圖12)主要由開關(guān)電路、放大輸出電路、振蕩器三部分組成。當(dāng)金屬目標(biāo)接近振蕩器產(chǎn)生的交變磁場時，金屬內(nèi)部會形成渦流，導(dǎo)致振蕩衰減，直至停振。因此，當(dāng)接近開關(guān)檢測到執(zhí)行機(jī)構(gòu)靠近時，能夠自動切斷脈沖進(jìn)給程序，使伺服電動機(jī)停止運(yùn)動，保護(hù)工作臺。

圖12 電感式接近開關(guān)Fig. 12 Inductive proximity switch

2.2.6 伺服電動機(jī)

電動夾手夾取、纏繞海帶整個行程為520 mm，要求在1 s內(nèi)完成一個夾取、纏繞的往復(fù)動作，最大夾力為0.48 N。根據(jù)以上需求，采用杭州翼志科技有限公司生產(chǎn)的一體式直流伺服電動機(jī)，型號為57AIM15，其特點(diǎn)為低噪音、低振動、高速定位、高可靠性，可根據(jù)自行設(shè)定的目標(biāo)位置在PLC上進(jìn)行比對，通過發(fā)送脈沖控制，提供方向信號與正交脈沖[14]，且具有欠壓、過壓、堵轉(zhuǎn)、過熱保護(hù)等功能。該電動機(jī)的額定功率為50 W，額定轉(zhuǎn)矩為0.48 N·m，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。

2.2.7 步進(jìn)電動機(jī)

打結(jié)與切斷海帶過程中，絲杠的行程為100 mm，最快輸送速度是88 mm/s，最大負(fù)載是0.56 kN。根據(jù)以上需求，采用江蘇美睫遜機(jī)電有限公司生產(chǎn)的直流步進(jìn)電動機(jī)，型號為RYSS57-SD。該電動機(jī)集成總線通信控制，具有接線簡潔、不丟步、低溫升、高轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速、低成本、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是一款性價比極高的運(yùn)動控制產(chǎn)品。其額定功率為100 W，額定轉(zhuǎn)矩為0.92 N·m，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min[15-16]。

2.2.8 濕度傳感器的選擇

濕度顯著影響海帶打結(jié)效率與纏繞精度，因此，濕度傳感器是一個核心元件。本文采用福建Firm威力公司的ASH12型數(shù)字濕度傳感器(圖13)，它具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)要求。

圖13 濕度傳感器Fig. 13 Humidity sensor

3 PLC控制系統(tǒng)主程序設(shè)計

3.1 程序流程設(shè)計

系統(tǒng)上電后，操作人員可以根據(jù)指示進(jìn)行操作。每次進(jìn)入相應(yīng)模式時，必須進(jìn)行一次復(fù)位指令，以確保執(zhí)行的精度。待機(jī)時，人機(jī)界面顯示主頁面歡迎界面，進(jìn)入后可選擇手動模式和自動模式。手動模式下，可手動設(shè)置電動機(jī)和夾手動作，控制精準(zhǔn)定位，以進(jìn)行精度定點(diǎn)操作[17-20]。自動模式下，只需按下啟動按鈕，系統(tǒng)就會自動進(jìn)行打結(jié)。主控制流程如圖14所示。

圖14 主控制流程Fig. 14 Main control flow chart

3.2 觸摸屏界面設(shè)計

觸摸屏界面采用YKHMI V3.3軟件繪制[21-23]，可顯示產(chǎn)量及厚度檢測。若運(yùn)行故障，故障燈點(diǎn)亮；若電機(jī)狀態(tài)、打結(jié)速度狀態(tài)、夾持狀態(tài)、啟動控制狀態(tài)均為“準(zhǔn)備就緒……”，可按下啟動按鈕啟動系統(tǒng)。選擇手動模式，進(jìn)入手動操作界面，用戶可根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)置和調(diào)試。

4 試驗驗證

為了檢驗所設(shè)計的海帶自動打結(jié)機(jī)控制系統(tǒng)的合理性與正確性，進(jìn)行了驗證試驗。試驗地點(diǎn)在山東省威海市文登開發(fā)區(qū)威海佳潤農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，試驗時間為2019年6至8月，海帶條共計800條，試驗樣機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)采用24 V直流電壓供電。

首先將切好的海帶條放入U形槽型板，驗證樣機(jī)在自動送料、自動打結(jié)、自動纏繞、自動切斷環(huán)節(jié)中各機(jī)構(gòu)間的協(xié)調(diào)性與確定性。結(jié)果表明，成結(jié)率超過90%。成結(jié)率與海帶本身的柔韌性、張緊度有一定關(guān)系，此外海帶條的長度、厚度也會影響成結(jié)率。試驗表明，海帶條長50～60 cm較為適宜。海帶條太長，會有剩余；海帶條太短，則不能進(jìn)行下一次打結(jié)。因此，本機(jī)相關(guān)機(jī)構(gòu)部件仍需調(diào)整，以進(jìn)一步完善。

5 結(jié)束語

設(shè)計了基于PLC的海帶自動打結(jié)機(jī)控制系統(tǒng)，對海帶條打結(jié)進(jìn)行了自動夾取、纏繞、打結(jié)及切斷，并對各部分的功能原理和設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，驗證試驗說明該設(shè)計合理。后期將根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)一步完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其自動化程度更高、性能更加穩(wěn)定可靠。該設(shè)計能夠滿足市場對海帶自動打結(jié)機(jī)的需求。