李醫(yī)中，劉寶林

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002；2.河南航天液壓氣動(dòng)技術(shù)有限公司，鄭州 451191）

0 引言

花生在古代被稱為長生果，其作為我國的重要農(nóng)產(chǎn)品之一，與人民的生活息息相關(guān)。而人們喜愛的花生果實(shí)卻是埋在土壤中的，因此，人們?cè)谕瓿苫ㄉ麑?shí)的收獲、晾干之后，如篩分不夠仔細(xì)，在分裝時(shí)易存在較多的泥沙、秸稈等多余物，這就造成了分裝后的諸多不便，并且稱重時(shí)也只能按毛重計(jì)算。又由于在花生分裝時(shí)的工作環(huán)境粉塵較大，分裝環(huán)境不太友好，因此，為了減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，減少粉塵作業(yè)時(shí)對(duì)人體的侵害，本研究通過機(jī)電一體化集成技術(shù)，設(shè)計(jì)一套以可編程控制器（PLC）技術(shù)為控制核心的全自動(dòng)篩選、多余物去除及稱重為一體的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

國內(nèi)外對(duì)于PLC為控制核心的控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究實(shí)踐。丁惠中[1]研究了基于PLC的交流伺服控制系統(tǒng)電氣實(shí)現(xiàn)，常輝、岳玉霞[2-3]研究了可編程控制器的應(yīng)用，任少偉等[4]對(duì)稱量控制系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。上述文獻(xiàn)雖然基本闡述了基于PLC的控制系統(tǒng)基本應(yīng)用方法，但都不曾對(duì)花生附著的多余物進(jìn)行去除并完成稱重的整體控制要求進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐。

本文中的花生機(jī)分裝控制系統(tǒng)主要以PLC控制器作為控制系統(tǒng)核心，以固高GSHD-0062AAP1型高性能伺服驅(qū)動(dòng)器作為伺服電機(jī)控制紐帶，以伺服電機(jī)附帶的增量式編碼器提供的反饋信號(hào)構(gòu)成控制閉環(huán)回路，最終控制電機(jī)、氣缸等執(zhí)行部件按實(shí)際需求完成執(zhí)行動(dòng)作。同時(shí)，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)界面完成對(duì)整機(jī)的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，PLC S7-200附帶了較為強(qiáng)大的通信能力，對(duì)現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)是十分有利的，后期，如有需求，可以實(shí)現(xiàn)多型設(shè)備間的聯(lián)結(jié)，于自動(dòng)化生產(chǎn)建立有利。最后，本文中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并完善了聲光報(bào)警系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)在整機(jī)運(yùn)行時(shí)的安全保證。

1 花生分裝機(jī)結(jié)構(gòu)組成

花生分裝機(jī)采用縱列式布置，前端布置有主控制面板，完成整機(jī)調(diào)試后，按順序啟動(dòng)各控制開關(guān)，首先，打開供料開關(guān)，待供料口打開后，待分裝花生會(huì)在重力作用下漸次從料斗中流入振動(dòng)篩，經(jīng)過一定時(shí)間的振動(dòng)篩分后，完成泥沙、秸稈等各類較重附著物的去除；之后，花生進(jìn)入雜物吹除區(qū)，吹除如較輕的秸稈、葉片等附著雜物；再后，吹除潔凈的花生進(jìn)入分流區(qū)進(jìn)行分流打包；最后，由稱重系統(tǒng)進(jìn)行稱重后移出分裝機(jī)?；ㄉ盅b機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 花生分裝機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

2 花生分裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

花生分裝機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括核心處理器PLC、交流控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、輸入輸出控制擴(kuò)展模塊、增量式編碼器、聲光報(bào)警傳感器及各型伺服電機(jī)等[5]?；ㄉ鷻C(jī)分裝控制系統(tǒng)將PLC S7-200作為整機(jī)控制系統(tǒng)的中置控制器，連接有光電傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并且可以通過電子觸摸屏的交互實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。預(yù)先在上位機(jī)的編程中采用梯形圖寫入控制程序，系統(tǒng)通電后，PLC能夠根據(jù)程序內(nèi)部邏輯指令自動(dòng)遍檢各接入點(diǎn)實(shí)時(shí)使能狀態(tài)，并通過光電傳感器輸出各控制點(diǎn)位反饋信息，如果有信號(hào)寫入，則將任務(wù)傳輸?shù)絇LC，最后按照主程序指令順序調(diào)用各子程序，根據(jù)主程序基本流程完成控制系統(tǒng)中各執(zhí)行元器件的交互、協(xié)同，最后控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制花生分裝機(jī)整機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖2 花生分裝機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 主控制器PLC

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC），一種具有微處理機(jī)的數(shù)字電子設(shè)備，用于自動(dòng)化控制的數(shù)字邏輯控制器，可以將控制指令隨時(shí)加載內(nèi)存內(nèi)儲(chǔ)存與執(zhí)行[6]。PLC作為連接系統(tǒng)中光電傳感器與伺服驅(qū)動(dòng)器的中間裝置，其特征主要表現(xiàn)為操作簡單、易于編程、模塊化結(jié)構(gòu)、較高的抗干擾性、較高的可靠性等，它能夠代替繼電器的定時(shí)、順序控制、計(jì)數(shù)及邏輯運(yùn)算等功能，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可編程控制。

本文涉及的系統(tǒng)控制主要表現(xiàn)在數(shù)字量控制，參考輸入/輸出信號(hào)的數(shù)量、類別及不同的控制要求作為控制依據(jù)，并且按照輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的基本備用量準(zhǔn)則即冗余20%～30%I/O點(diǎn)數(shù)，選取CPU型號(hào)為224，該型CPU具備集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30 kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器[7-8]。

2.2 驅(qū)動(dòng)器、編碼器及附件

驅(qū)動(dòng)器選用固高GSHD-0062AAP1型高性能伺服驅(qū)動(dòng)器，該型驅(qū)動(dòng)器外形輕巧，調(diào)試簡單，并且在花生機(jī)分裝控制系統(tǒng)中采用了該型驅(qū)動(dòng)器的電流（轉(zhuǎn)矩）模式進(jìn)行控制，輔用增量式編碼器控制電機(jī)。GSHD系列高性能伺服驅(qū)動(dòng)器支持模擬量指令輸入、脈沖指令輸入及EtherCAT或gLink-II指令輸入（固高自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的千兆以太網(wǎng)協(xié)議）。用戶可以通過簡單易用的調(diào)試軟件DriverStudio進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置及驅(qū)動(dòng)器調(diào)試，圖形化的軟件界面使驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置更容易，且精簡版調(diào)試軟件僅50M，極大地降低了系統(tǒng)硬件配置需求。本次采用的振動(dòng)電機(jī)、輸送電機(jī)及吹除電機(jī)均采用了常用的PID速度控制閉環(huán)模式進(jìn)行使能設(shè)置，具體控制閉環(huán)回路如圖3所示。

圖3 速度閉環(huán)控制回路

為及時(shí)地完成人機(jī)交互，為控制系統(tǒng)配置了TP700工業(yè)級(jí)彩色觸摸屏，該顯示器帶有PROFINET和MPI/PROFIBUS DP接口（面板集成有帶2個(gè)RJ45端口的交換機(jī)）；其擁有1600萬色LED背光，16∶9寬屏顯示，12 M用戶內(nèi)存，足以滿足人機(jī)交互所需。另外，為了滿足調(diào)試需要，還配備有手持式控制器。

3 花生機(jī)分裝系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

PLC S7-200的CPU224模塊的高頻率脈沖輸出用于控制伺服電機(jī)功能由Step7 Microwin4.0 Sp9實(shí)現(xiàn)，其能夠提供比較簡易的解決方式實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的位置和速度控制，能夠達(dá)到小型機(jī)械裝置的準(zhǔn)確定位要求[9]。

3.1 軟件編程設(shè)計(jì)

PLC的控制方式屬于存儲(chǔ)程序控制，其控制功能是通過存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的程序來實(shí)現(xiàn)的，若要對(duì)控制功能作必要修改，只需改變控制程序即可，這就實(shí)現(xiàn)了控制的軟件化。可編程控制器的優(yōu)點(diǎn)在于“可”字，從軟件來講，其控制程序可編輯、可修改；從硬件上講，其外部設(shè)備配置可變。構(gòu)建一個(gè)PLC控制系統(tǒng)的重心就在于控制程序的編制，但外部設(shè)備的選用也將對(duì)程序的編制產(chǎn)生影響。因此在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際需要，硬、軟件綜合考慮。

PLC控制器在完成外部接線后，可以采用多種編程指令完成程序編制并完成調(diào)試工作，本文系統(tǒng)結(jié)合花生分裝實(shí)況選用了兩種工況，分別為手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式。在分部調(diào)試設(shè)備及試分裝時(shí)多采用手動(dòng)控制，且在各子程序間設(shè)定了聯(lián)鎖保護(hù)，有效防止在手動(dòng)控制時(shí)產(chǎn)生的碰撞等事故產(chǎn)生；自動(dòng)控制則主要由主程序模塊、子程序模塊、手動(dòng)控制模塊及伺服運(yùn)行程序模塊等共同構(gòu)成。

順序控制是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常見的一類控制任務(wù)，步進(jìn)指令是PLC指令庫中專用于順序控制的。步進(jìn)指令編程時(shí)，根據(jù)工藝流程將程序劃分為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的程序段，執(zhí)行時(shí)，CPU嚴(yán)格按梯形圖編程順序，只有執(zhí)行完前一段程序后才能激活下一段程序，并在下一段程序執(zhí)行之前，將前面程序段復(fù)位[10-11]。因此，控制系統(tǒng)通過順序控制設(shè)計(jì)方式先單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)主程序，同時(shí)向不同子程序內(nèi)單獨(dú)放入伺服控制的對(duì)應(yīng)程序塊，系統(tǒng)軟件功能模塊包括初始化運(yùn)動(dòng)軸功能塊、運(yùn)動(dòng)軸移動(dòng)功能塊、啟用功能塊及找尋參考點(diǎn)功能塊等。具體程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程

3.2 地址分配

經(jīng)分析，花生分裝機(jī)控制系統(tǒng)包括8個(gè)輸入信號(hào)，其中，包括7個(gè)開關(guān)量輸入信號(hào)，即總開關(guān)、急停開關(guān)、供料開關(guān)、振動(dòng)篩分開關(guān)、雜物吹除開關(guān)、分流開關(guān)、稱重開關(guān)，1個(gè)模擬量輸入信號(hào)，即花生分轉(zhuǎn)質(zhì)量采集；7個(gè)輸出信號(hào)，即三相電機(jī)啟停控制、振動(dòng)篩分電機(jī)控制、雜物吹除電機(jī)控制、輸送電機(jī)控制、供料機(jī)構(gòu)控制、報(bào)警器及故障指示燈等。I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

3.3 PLC主程序編制

根據(jù)程序流程圖編制主程序及相關(guān)子程序塊，然后，根據(jù)I/O地址分配情況完成硬件組態(tài)，確保主流程無誤后完成主程序的編譯及各子程序的編譯。

首先調(diào)用初始化模塊，在初始化完成后，光電檢測(cè)器檢測(cè)到信號(hào)，結(jié)合固高GSHD-0062AAP1型高性能伺服驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行指令完成伺服電機(jī)子程序的運(yùn)行。其中，電機(jī)的運(yùn)行方向與速度分別通過手動(dòng)控制模塊內(nèi)的Dir與Speed控制，程序編寫時(shí)僅需通過MOV命令設(shè)定各個(gè)時(shí)刻的各種方向信號(hào)與速度值[12]，這樣就極大地簡化了控制指令的輸出，只需要給出相關(guān)參數(shù)即可。

控制向?qū)LC主程序如圖5所示。

圖5 控制向?qū)е鞒绦?/p>

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為檢驗(yàn)控制系統(tǒng)性能，本文通過工程軟件Matlab對(duì)建立的伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，因振動(dòng)篩分電機(jī)作為多余物分離的執(zhí)行電機(jī)，其分離效果會(huì)直接影響花生分裝質(zhì)量，因此，仿真選取了振動(dòng)篩分伺服電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

經(jīng)研究分析，確定了仿真控制系統(tǒng)中執(zhí)行電機(jī)采用小功率機(jī)電伺服系統(tǒng)，綜合考量后，采用在信號(hào)檢測(cè)、傳遞及處理方面較好且準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性也不錯(cuò)的電壓-轉(zhuǎn)角機(jī)電伺服控制系統(tǒng)。先確定部分參數(shù)，即取R1=1.2 MΩ，C=0.1μF，根據(jù)自動(dòng)控制原理，可得PI校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：。以單位階躍信號(hào)作為控制系統(tǒng)輸入，以示波器進(jìn)行記錄，可得系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線如圖6所示，其中仿真控制系統(tǒng)參數(shù)如表2。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到第一次穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間為tr=1.04 s，數(shù)據(jù)表明該控制系統(tǒng)的響應(yīng)一般，但是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性較好，對(duì)于花生分裝機(jī)這類強(qiáng)調(diào)連續(xù)可靠運(yùn)行的設(shè)備而言，系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常重要，因此，仿真的結(jié)果直觀地驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠滿足花生分裝機(jī)實(shí)際性能要求，具備良好的應(yīng)用價(jià)值。

圖6 控制系統(tǒng)響應(yīng)波形

表2 仿真控制系統(tǒng)參數(shù)

5 結(jié)束語

目前，大部分花生分裝機(jī)采用分體式設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)采用簡易繼電器控制系統(tǒng)模式，架構(gòu)簡單，成本低是其優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)則是系統(tǒng)穩(wěn)定性及自動(dòng)化程度較差，尤其在智能化越來越普及的當(dāng)前情形下，該類型的分裝機(jī)已難以滿足生產(chǎn)需求。而利用PLC對(duì)花生分裝機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于現(xiàn)有的簡易控制系統(tǒng)，而且其與其他設(shè)備進(jìn)行通信的能力得到了加強(qiáng)，客觀上而言，多型號(hào)生產(chǎn)設(shè)備之間能夠互聯(lián)互通是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。因此，通過本分裝控制系統(tǒng)的開發(fā)，可以有效提升花生及同類型產(chǎn)品的分裝能力，極大減少人體面對(duì)此類較惡劣生產(chǎn)環(huán)境的工作時(shí)長，而且，在必要時(shí)更可以連接物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該類型分裝的自動(dòng)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，為實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化提供保障。