安徽省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站

□ 徐凱 潘汪友 周翔

近年來(lái)，基于可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）的自動(dòng)化控制技術(shù)，在農(nóng)機(jī)行業(yè)逐漸得到普及應(yīng)用。

一、自動(dòng)化控制技術(shù)在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域采用的方案分析比較

目前農(nóng)機(jī)自動(dòng)化控制多采用單片機(jī)、PLC 和工控機(jī)方案。三種方案的選擇，需綜合考慮適用場(chǎng)所、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理能力、軟硬件設(shè)計(jì)、外圍接口、開(kāi)發(fā)周期、成本等因素，分析比較見(jiàn)表1。

表1 不同控制方案分析比較

自表1 分析可見(jiàn)：PLC 具有集成度高、抗干擾性好、編程直觀易學(xué)、開(kāi)發(fā)周期短、小批量開(kāi)發(fā)成本低等特點(diǎn)，在農(nóng)產(chǎn)加工機(jī)械的單機(jī)和成套設(shè)備上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

二、農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械的設(shè)計(jì)實(shí)踐

PLC 自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)思路：按照產(chǎn)品的工序流程、需求功能實(shí)現(xiàn)及相互關(guān)系， PLC 自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)大致可分為如下步驟：1.機(jī)械運(yùn)行工序流程分析；2.控制需求確認(rèn)；3.控制方案及硬件選擇；4.軟硬件設(shè)計(jì)；5.結(jié)果驗(yàn)證。

根據(jù)PLC 自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)思路，結(jié)合具體機(jī)械（滾筒式瓜籽炒制機(jī)）進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐。

1．瓜籽炒制機(jī)運(yùn)行工序流程

該機(jī)械流程依次為自動(dòng)上料（完成后料斗歸位）、滾筒正轉(zhuǎn)（炒制）+ 燃燒器點(diǎn)火加熱、滾筒反轉(zhuǎn)卸料、振動(dòng)篩振動(dòng)清選除砂、拌料(調(diào)味)、出料。

2．控制流程確認(rèn)

根據(jù)機(jī)械運(yùn)行工序流程及功能需求。瓜籽炒制機(jī)需分為二個(gè)平行流程：物料流程和炒制溫度控制流程。兩個(gè)流程分別列表確認(rèn)如表2、表3。

表2 炒制機(jī)物料運(yùn)行流程

表3 炒制溫度控制流程

3.控制方案及硬件選擇

根據(jù)控制量和企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模及控制需求確定控制方案和PLC 等硬件選擇：

（1）控制量：分析表2 和表3，瓜籽炒制機(jī)控制系統(tǒng)需要9 個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出，2 個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入，1 個(gè)模擬量輸入，控制系統(tǒng)主要功能在于流程控制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算量較小。

（2）企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模：目前生產(chǎn)企業(yè)該產(chǎn)品生產(chǎn)批量不大，且沒(méi)有電路板生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)。

（3）控制需求：控制系統(tǒng)按單工序運(yùn)行或全自動(dòng)運(yùn)行，控制操作指令，可以通過(guò)控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量按鍵輸入，也可以通過(guò)觸摸屏或鍵盤(pán)軟輸入。

方案選擇確認(rèn)：采用SR（繼電器）型PLC 控制方案能滿(mǎn)足全部控制要求。

4.硬件配置選擇

（1）PLC 主控模塊：西門(mén)子S7—200SMART SR30，18點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入，12 點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出。

（2）觸摸屏：威綸TK6071IP，7 吋，通過(guò)RS485和PLC 通訊。

（3）熱電偶輸入擴(kuò)展模塊：西門(mén)子EMAR02,2 路輸入。

（4） 溫 度 傳 感 器：PT100，三線制。

（5）限位開(kāi)關(guān)：行程開(kāi)關(guān)，DELIXI JLXK1-111。

（6）繼電器、接觸器和電源： 繼電器、接觸器、過(guò)載保護(hù)器根據(jù)電機(jī)功率等電氣參數(shù)選擇和配置。PLC 電源采用220V 市電，觸摸屏及繼電器的電源使用PLC 自帶24V 輸出電源。

三、軟件設(shè)計(jì)

軟件分為兩個(gè)大的模塊：參數(shù)設(shè)置和流程控制，其中流程控制分為溫度控制流程和物料運(yùn)行流程。

1．參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置模塊用于定義控制工序需要的參數(shù)，讓機(jī)器適應(yīng)于工藝不同的物料的炒制，并匹配終端執(zhí)行單元，如電機(jī)等。主要參數(shù)有：炒制時(shí)間、清選時(shí)間、拌料時(shí)間、炒制溫度下限和上限、電機(jī)正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)延時(shí)等。

2．流程控制

分為二個(gè)并行流程：溫度控制流程和物料運(yùn)行流程。

（1）溫度控制流程。溫控流程分為自動(dòng)模式和人工模式。在自動(dòng)模式下，根據(jù)炒筒的溫度要求，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)二個(gè)燃燒器的交替開(kāi)和關(guān)。在人工模式下，二個(gè)燃燒器的開(kāi)和關(guān)均由人工控制。

在溫控模式下，只要有一個(gè)燃燒機(jī)開(kāi)啟，為了避免炒筒受熱不均，如果炒筒不是處在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，要求啟動(dòng)炒筒正轉(zhuǎn)。

自動(dòng)模式流程：當(dāng)炒筒的溫度低于溫度下限時(shí)，兩個(gè)燃燒機(jī)都開(kāi)啟；當(dāng)炒筒溫度高于溫度上限時(shí)，如果兩個(gè)燃燒機(jī)都是開(kāi)啟的，先關(guān)閉2 號(hào)燃燒機(jī)，保持1 號(hào)燃燒機(jī)繼續(xù)開(kāi)啟，經(jīng)過(guò)用戶(hù)設(shè)定的時(shí)間后，如果炒筒溫度仍然高于溫度上限，則關(guān)閉1 號(hào)燃燒機(jī)。流程圖如圖1 所示。

圖1 溫度自動(dòng)控制流程圖

（2）物料運(yùn)行流程

物料在炒制過(guò)程中，控制可分為單步、組合步及全自動(dòng)運(yùn)行三種模式。一個(gè)或幾個(gè)單工序的連續(xù)運(yùn)行為形成一個(gè)組合步，所有組合步的連續(xù)運(yùn)行組成全程自動(dòng)模式。如果在某單步開(kāi)始運(yùn)行前，其它單步必須先停止，這些必須停止的單步，稱(chēng)為該步的互斥步。各單步在系統(tǒng)中用步狀態(tài)位標(biāo)識(shí)。用戶(hù)通過(guò)觸摸屏輸入，改變各步的步狀態(tài)位，各步在運(yùn)行結(jié)束時(shí)，復(fù)位步狀態(tài)位?？刂栖浖h(huán)掃描步狀態(tài)位，步狀態(tài)位在置位時(shí)，該步運(yùn)行，復(fù)位時(shí)，該步停止，通過(guò)這種方式，控制瓜籽炒制機(jī)的運(yùn)行。單步、組合步、全自動(dòng)運(yùn)行及互斥步見(jiàn)表4。

表4 單步、組合步及互斥步

四、結(jié)果驗(yàn)證與設(shè)計(jì)中關(guān)注的問(wèn)題

1．結(jié)果驗(yàn)證

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)完成后，結(jié)合硬件電路（如圖2 所示），通過(guò)PLC 本身的狀態(tài)位指示，驗(yàn)證控制邏輯。在現(xiàn)場(chǎng)匹配了繼電器和接觸器，組成控制柜后，根據(jù)電機(jī)、物料等特點(diǎn)，設(shè)置炒制時(shí)間、清選時(shí)間和電機(jī)正反轉(zhuǎn)延時(shí)等參數(shù)，進(jìn)行控制功能驗(yàn)證。

圖2 瓜籽炒制機(jī)控制系統(tǒng)邏輯驗(yàn)證電路示意圖

2．設(shè)計(jì)中關(guān)注的問(wèn)題

（1）對(duì)同一電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的進(jìn)行控制的繼電器或接觸器，硬件設(shè)計(jì)上應(yīng)有互鎖功能，在短路時(shí)，從硬件上確保安全。為了防止硬件損壞和質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致互鎖功能失效，在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，加入了電機(jī)正反轉(zhuǎn)輸出的互鎖功能，實(shí)現(xiàn)雙重保險(xiǎn)。

（2）為了保護(hù)電機(jī)，防止電機(jī)過(guò)載，在電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，切換中間的延時(shí)時(shí)間應(yīng)滿(mǎn)足：電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)必須等電機(jī)反轉(zhuǎn)停止，反之亦然。Θ