遙控糧情巡查機(jī)器的研究和設(shè)計

Research and design of remote control grain situation inspection machine

◎張志偉，張青峰，楊衛(wèi)東（杭州市糧食收儲有限公司良渚分公司，杭州　311199）

Zhang Zhiwei，Zhang Qingfeng，Yang Weidong（grain purchasing and storge company limited liangzhu branch,hangzhou 311199, China）

遙控糧情巡查機(jī)器的研究和設(shè)計

Research and design of remote control grain situation inspection machine

◎張志偉，張青峰，楊衛(wèi)東
（杭州市糧食收儲有限公司良渚分公司，杭州311199）

Zhang Zhiwei，Zhang Qingfeng，Yang Weidong
（grain purchasing and storge company limited liangzhu branch,hangzhou 311199, China）

摘要：近年來，由于儲糧量的不斷加大，安全事故也時有發(fā)生，給社會和家庭帶來了嚴(yán)重?fù)p失。特別是觸及危險性、有限空間、高空作業(yè)、易燃易爆等場所，機(jī)器換人已是社會發(fā)展的大勢所趨。遙控糧情巡查機(jī)器是專門針對糧食儲備行業(yè)涉及的上述一系列問題而量身定制的一款新型機(jī)器設(shè)備，它的誕生將改變糧食儲備行業(yè)以人力進(jìn)倉巡查巡檢為主的歷史。所以，在一定意義上也是為糧食儲備工作的一次革命。

遙控糧情巡查機(jī)器不但能在糧面自由行走，還能完成糧情巡檢、糧面下取樣、糧情反饋等功能，而且操作簡單、方便、靈活、可靠性高等優(yōu)點，是糧食儲備行業(yè)理想的機(jī)器換人產(chǎn)品（如外形圖4）。

關(guān)鍵詞：糧面行走機(jī)構(gòu)；糧面下取樣機(jī)構(gòu)；糧情反饋裝置；PLC控制系統(tǒng)

Abstract：In recent years, due to the increasing amount of grain storage, safety acci?dents also happen from time to time, which has brought serious damages to society and family. Especially the places where can touch dangerousness,confined spaces, aerial work, flammable and combustibleand other dangerous places, taking place of people with ma?chines has been the main stream of the social development. Remote control grain situa?tion inspection machine is a new machinery equipment which isspecially designed for the above mentioned problems in grain reserves industry, and its emergence will change the history that it gives priority toputting grains in storehouse and patrol inspection with man?power in grain reserves industry. Therefore, in a sense, it is also a revolution of working for grain reserves.

Remote control grain situation inspection machine can not only walk freely in grain surface but also finish the inspection of grain situation, sampling under grain surface, grain situation feed?back and other functions. At the same time, its operation is simple, convenient, flexible, highly re?liable, etc, so it is an ideal product of taking place of people with machines in grain reserves in?dustry (see theoutside view and the left and right view).

Key words：grain surface traveling mechanism；sampling mechanism under grain surface；grain situation feedback device；PLC control system

民以食為天，食以糧為安。隨著糧食儲備的擴(kuò)大，倉容、倉貌等不斷的變化，給糧食儲備工作帶來一定的挑戰(zhàn)。遠(yuǎn)程遙控糧情巡查機(jī)器就是針對有限空間、粉塵擴(kuò)散、倉內(nèi)缺氧、人員被埋等危險隱患而設(shè)計的一款機(jī)器設(shè)備。

遠(yuǎn)程遙控糧情檢查機(jī)器的組成主要有機(jī)械控制部分、電氣控制部分和監(jiān)控部分組成。其中機(jī)械部分又分為行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、取樣機(jī)構(gòu)；反饋部分包括攝像發(fā)送裝置和成像接收裝置等組成；電氣控制部分PLC包括軟件和硬件部分

1　糧面行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

1.1行走機(jī)構(gòu)的組成

主要結(jié)構(gòu)如行走轉(zhuǎn)向裝置如圖1所示。

1.2行走機(jī)構(gòu)的工作原理

當(dāng)接收器14收到遠(yuǎn)程目標(biāo)遙控信號時，驅(qū)動電機(jī)4得電轉(zhuǎn)動，驅(qū)動減速機(jī)5轉(zhuǎn)動，減速機(jī)5和兩邊的電磁離合器16、17組合成一體，故電磁離合器同時進(jìn)行轉(zhuǎn)動，電磁離合器16、17由24V電壓控制，當(dāng)兩只離合器16、17同時得電時，兩邊離合器上連接的鏈輪即可轉(zhuǎn)動，帶動鏈輪上的鏈條12轉(zhuǎn)動，兩鏈條12的鏈輪與行走機(jī)構(gòu)的主動輪3相連接（如圖1a所示）。2只主動輪3與16只被動輪6、4塊支撐板2和2條履帶1由連接板15組成行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（如圖1a、b、c、）。在電機(jī)4的驅(qū)動下行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過兩邊履帶1和主動輪3帶動所有被動輪6轉(zhuǎn)動不停地向前或向后運行，履帶的松緊是由8只（圖1d所示）螺絲11的調(diào)節(jié)所完成的。當(dāng)電磁離合器16或17有一方失電時，電磁離合器上的鏈輪失去動力，停止轉(zhuǎn)動，而另一方的電磁離合器16 或17是一直得電的，在電機(jī)4動力的驅(qū)使下，機(jī)器的動力一直在傳輸，這樣即可以完成整臺設(shè)備不僅能夠向左或向右轉(zhuǎn)向，而且還能完成整臺設(shè)備前進(jìn)或后退的所有工作過程，能夠?qū)⒄_設(shè)備在糧倉內(nèi)糧面上任何位置去完成所有的工作要求。

圖1?。ㄐ凶咿D(zhuǎn)向裝置圖）

2　糧面取樣機(jī)構(gòu)

2.1糧面取樣機(jī)構(gòu)組成

主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　機(jī)器剖視結(jié)構(gòu)圖

2.2糧面取樣機(jī)構(gòu)工作原理

當(dāng)機(jī)械設(shè)備接到指令到達(dá)預(yù)定目標(biāo)時，接收器14收到遠(yuǎn)程目標(biāo)遙控信號時，取樣電機(jī)9得電轉(zhuǎn)動，通過鏈輪鏈條帶動減速機(jī)8轉(zhuǎn)動，由于取樣桿4與減速機(jī)8是通過蝸輪蝸桿連接方式，所以減速機(jī)8轉(zhuǎn)動驅(qū)動取樣螺旋桿4下降。取樣桿的結(jié)構(gòu)（如圖3a、b），當(dāng)取樣螺旋桿4插入到糧面下預(yù)定位置（如圖4）22時，由于取樣螺旋桿的下限位和離心電機(jī)7的電氣控制是在程序內(nèi)設(shè)置好的，所以離心電機(jī)7在取樣螺旋桿到達(dá)預(yù)定位置22時離心電機(jī)7即自動得電轉(zhuǎn)動，離心電機(jī)7和密室6組成密閉的空間，形成一定量的吸力，密室通過上面￠6軟管道5與取樣螺旋桿4相連接，當(dāng)離心電機(jī)7旋轉(zhuǎn)時通過軟管5和取樣螺旋桿即可將糧食吸入儲存罐28內(nèi)。由于儲存罐28容量和離心電機(jī)的工作時間在程序內(nèi)是設(shè)置好的，當(dāng)儲存罐28內(nèi)物料裝滿時，離心電機(jī)立即停止工作，完成吸糧取樣環(huán)節(jié)。反之，當(dāng)接收器14收到遠(yuǎn)程遙控信號時，取樣桿電機(jī)9得電反向轉(zhuǎn)動，取出取樣螺旋桿4，待取樣螺旋桿全部取出后達(dá)到最高限位14時，通過限位裝置使電機(jī)9斷電停止工作，完成一個工作循環(huán)。將設(shè)備移除倉外，通過放糧口（如圖2）30將取樣物取出，完成整個設(shè)備在倉內(nèi)的整個工作循環(huán)，取代人力的目標(biāo)。

圖3a　（取樣桿結(jié)構(gòu)圖）

圖3b?。ㄈ訔U結(jié)構(gòu)圖）

3　糧情反饋裝置

糧面糧情及設(shè)備的反饋是依靠設(shè)備上攜帶（如圖4）21的25X25四方形800萬像素的攝像頭進(jìn)行現(xiàn)場拍攝進(jìn)行完成的。攝像裝置安裝在設(shè)備中上部位，攝像裝置通過數(shù)據(jù)線與處理中心相聯(lián)接，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息搜集處理發(fā)射任務(wù)（如圖2）17，將糧面糧情經(jīng)過無線方式與遠(yuǎn)程接收處理設(shè)備進(jìn)行工作，接收處理設(shè)備接受后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作，接收處理器通過輸機(jī)線與一只7英寸屏幕相連接，在完成數(shù)據(jù)信息處理的同時，工作人員便能夠在遠(yuǎn)處的成像屏幕中對倉內(nèi)糧情和設(shè)備設(shè)施的所有情況進(jìn)行監(jiān)視。即達(dá)到遠(yuǎn)程安全操作監(jiān)視的效果，又可進(jìn)行倉內(nèi)各項巡查及遠(yuǎn)離危險區(qū)域便能滿足以人力為主進(jìn)倉的工作目的。

圖4　機(jī)器外形整體圖

4　PLC控制系統(tǒng)

4.1PLC的工作原理

PLC的控制功能就是通過運行用戶程序來實現(xiàn)的（如PLC流程見圖5）。它是一種存儲程序的控制器，用戶根據(jù)某一對象的具體控制要求，編制好控制程序后，用編程器將程序鍵入到PLC的用戶程序存儲器中寄存。

PLC掃描工作方式主要分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新3個階段。

（1）輸入采樣。PLC在開始執(zhí)行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序?qū)⑺休斎胄盘?，讀入到寄存輸入狀態(tài)的輸入映象寄存器中，這個過程稱為輸入采樣。PLC在運行程序時，所需的輸入信號不是現(xiàn)時取輸入端子上的信息，而是取輸入映象寄存器中的信息。在本工作周期內(nèi)這個采樣結(jié)果的內(nèi)容不會改變，只有到下一個掃描周期輸入采樣階段才被刷新。

（2）程序執(zhí)行。PLC完成了采樣工作后，按順序從0000號地址開始的程序進(jìn)行掃描執(zhí)行，并分別從輸入映象寄存器、輸出映象寄存器以及輔助繼電器中獲得所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理。再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映象寄存器中保存。但這個結(jié)果在全部程序未被執(zhí)行完畢之前不會送到輸出端子上。

（3）輸出刷新在執(zhí)行到END的命令時，即執(zhí)行完用戶所有的程序后，PLC將輸出映象寄存器中的內(nèi)容送到輸出鎖存器中進(jìn)行輸出，驅(qū)動用戶設(shè)備。

圖5?。≒LC流程圖）

4.2PLC控制系統(tǒng)的硬件部分

本設(shè)備設(shè)計選取的plc是日本生產(chǎn)的歐姆龍CJ1系列如（CJ1—CPU外形見圖6）。下面對CJ1系列PLC做出簡要的說明。CJ1系列PLC屬于中型PLC，他的體積小、速度快為特色，具有先進(jìn)的控制功能，采用多任務(wù)結(jié)構(gòu)化編程模式，具有多個協(xié)議宏服務(wù)端口，易于聯(lián)網(wǎng)，也適用于高速脈沖輸出的系統(tǒng)。此外，豐富的CPU類型和電壓等級使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，具有很強的適應(yīng)性。①CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序和儲存數(shù)據(jù)，以便對工業(yè)自動化控制任務(wù)或過程進(jìn)行控制。②電源向CPU及其所連接的任何模塊提供電源。③外設(shè)端口是輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備（如傳感器或開關(guān)等）中采集信號，輸出部分則控制電機(jī)以及工業(yè)過程中的其他設(shè)備。④狀態(tài)信號LED指示燈顯示了CPU的工作模式（運行或停止），PLC的I/O點的當(dāng)前狀態(tài)，以及檢查出來的系統(tǒng)錯誤。⑤RS—232C端口連接到變成設(shè)備（不包括編程器）、上位機(jī)、通用外部設(shè)備、可編程終端和其他設(shè)備。⑥儲存卡指示燈MCPWR（綠）：電源供給存儲卡時亮；BUSY（橘黃）：訪問存儲卡時亮。⑦存儲卡連接器是將存儲卡連接到CPU單元。

圖6　PLC外形機(jī)圖

4.3PLC控制系統(tǒng)的軟件部分

PLC的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。

（1）系統(tǒng)程序。PLC的系統(tǒng)程序有3種類型。①系統(tǒng)管理程序。由它決定系統(tǒng)的工作節(jié)拍，包括PLC運行管理、存儲空間管理和系統(tǒng)自診斷管理。②用戶程序編輯和指令解釋程序。編輯程序能將用戶程序變?yōu)閮?nèi)碼形式以便于程序的修改、調(diào)試。解釋程序能將編程語言變?yōu)闄C(jī)器語言以便CPU操作運行。③標(biāo)準(zhǔn)子程序與調(diào)用管理程序。為提高運行速度，在程序執(zhí)行中某些信息處理或特殊運算等是通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)子程序來完成的。

（2）用戶程序。用戶程序根據(jù)系統(tǒng)配置和控制要求編輯用戶程序，是PLC應(yīng)用于工業(yè)控制的一個重要環(huán)節(jié)。PLC的編程語言多種多樣，在不同的PLC廠家，不同的系列PLC采用的編程語言不盡相同。常用的有：①梯形圖。這是目前PLC應(yīng)用最廣、最受電氣技術(shù)人員歡迎的一種編程語言。如圖7所示。PLC接線圖如圖8所示。②語句表。這是一種與匯編語言類似的編程語言，它采用助記符指令，并以程序執(zhí)行順序逐句編寫成語句表。如圖9所示。

圖7　梯形圖

圖8　PLC接線圖

圖9　I/O分配圖

5　結(jié)論

遙控糧情巡查機(jī)器的設(shè)計和研發(fā)，雖說有些功能還不夠完備，但已經(jīng)開始了糧倉巡查巡檢機(jī)器換人的先例，其優(yōu)點如下：①遙控糧情巡查機(jī)器的誕生，不僅能對糧倉內(nèi)的糧食進(jìn)行取樣檢測，了解糧倉內(nèi)糧食的儲存情況，還能提高了工作人員的工作的安全性，而且操作簡單、方便、靈活、可靠性高。②遙控糧情巡查機(jī)器不僅代替人工進(jìn)入到糧倉進(jìn)行巡查檢測，提高了糧倉的巡查效率，降低了工作人員的勞動強度，并且可長時間在糧倉內(nèi)進(jìn)行巡查，為生態(tài)儲糧、安全儲糧提供了可靠的安全保障。③遙控巡查機(jī)不僅工作可靠，效率高，還能在高溫、潮濕、多塵、有污染等惡劣環(huán)境中工作，是糧食儲備企業(yè)理想的機(jī)器換人產(chǎn)品。

張志偉（1970-），男，高級技師；專業(yè)方向為機(jī)電設(shè)備自動化控制工程。

作者簡介：

收稿日期：2015-10-08

中圖分類號：TP242.3