尖點輥壓式核桃破殼機控制系統(tǒng)設(shè)計

郭文松+張宏+沈柳楊

摘要：針對筆者所在項目組設(shè)計的尖點輥壓式核桃破殼機，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)尖點對置輥的動輥轉(zhuǎn)速和對置輥間隙對核桃破殼效果影響較大的問題，為了對對置輥轉(zhuǎn)速和對置輥間隙進行實時控制，設(shè)計核桃破殼機的自動控制系統(tǒng)。主要完成了控制系統(tǒng)的控制方案設(shè)計、元器件的選型、電路連接圖繪制、西門子邏輯可編程控制器（簡稱PLC）控制程序編寫、上位機監(jiān)控組態(tài)軟件（簡稱MCGS）嵌入版上位機程序編寫等，經(jīng)試驗，動輥轉(zhuǎn)速誤差±0.5 r/min，間隙調(diào)整誤差±0.3 mm，控制系統(tǒng)可以滿足控制要求。

關(guān)鍵詞：核桃；尖點輥壓式；破殼機；控制系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： S226.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0193-04

新疆是國內(nèi)薄皮核桃的重要種植區(qū)，新疆核桃種植又主要集中于南疆地區(qū)，南疆溫宿縣的溫185以個大、皮薄、出油率高而聞名新疆內(nèi)外[1]。近年來，核桃精深加工成為促進核桃產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重點方向[2-4]。為了提高核桃的破殼效率，傳統(tǒng)的人工破殼方法已遠遠不能滿足產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需求，核桃機械破殼具有破殼效率高、成本低、勞動強度低等優(yōu)點。核桃機械破殼是核桃產(chǎn)業(yè)的必然趨勢，目前核桃破殼方法主要有擠壓法、滾壓法、撞擊法、碾搓法、剪切法、搓撕法等[5-9]。

綜合各種核桃破殼方法的優(yōu)缺點，筆者所在項目組設(shè)計了尖點輥壓式核桃破殼機。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，破殼機對置輥中動輥轉(zhuǎn)速和對置輥壓輥的間隙對核桃破殼效果影響很大，本研究擬設(shè)計一種可以對動輥轉(zhuǎn)速和對置輥間隙實時監(jiān)控的自動控制系統(tǒng)。

1控制要求分析

1.1尖點輥軋式破殼機工作過程

尖點輥壓式核桃破殼機由進料裝置、分級裝置、導(dǎo)流裝置、尖點對輥破殼裝置（在對置輥上按一定排列方式增加帶尖的凸起，以達到更佳的破殼效果）、間隙調(diào)節(jié)裝置、集料裝置等部分組成，其整體的結(jié)構(gòu)大致如圖1所示，核桃由入口進入破殼機，然后進入分級裝置分級，分級后的核桃在重力作用下沿導(dǎo)流裝置進入尖點對輥破殼裝置，核桃在對置輥和尖點的擠壓作用下達到破殼的目的。

1.2控制要求

核桃破殼機在工作時，尖點對置輥起到破殼作用，由于負載并不均勻、穩(wěn)定（核桃喂入量不穩(wěn)定），會導(dǎo)致擠壓輥的轉(zhuǎn)速不恒定，這樣會在一定程度上影響破殼效果，而且在核桃破殼試驗過程中需要經(jīng)常對轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，并進行實時監(jiān)控，因此主要控制要求：能夠無級調(diào)控擠壓輥的轉(zhuǎn)速，并可使擠壓輥轉(zhuǎn)速實現(xiàn)恒值控制。

對置輥壓輥的間隙大小影響核桃的通過性和破殼效果。間隙過大，核桃受不到對置輥的擠壓作用；間隙過小，核桃無法通過對置輥或者核桃被擠壓變形過大，導(dǎo)致過度破殼。因此破殼試驗過程中另一要求為對置輥間隙可快速、準確調(diào)整。核桃破殼機的整機結(jié)構(gòu)見圖2。

2主要控制方案設(shè)計

2.1控制框架

由圖3可知，本控制系統(tǒng)上位機采用上位機監(jiān)控組態(tài)軟件（簡稱MCGS）人機界面，控制器采用西門子S7-200PLC和EM235模擬量輸入輸出模塊。

對置輥中動輥的轉(zhuǎn)速控制采用閉環(huán)控制方式，以保證擠壓輥轉(zhuǎn)速的恒定。對置輥間隙的控制采用開環(huán)控制方式，利用步進電機帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)從而帶動擠壓板橫向移動，達到調(diào)整擠壓板與動輥之間間隙的目的。

2.2主要元器件選型

（1）控制器選型：本控制系統(tǒng)選擇西門子S7-200PLC，型號為CPU224，本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量 I/O 點，可連接7個擴展模塊，6個獨立的30 kHz高速計數(shù)器。由于本核桃破殼系統(tǒng)目前需要1個高速計數(shù)器接口，5個開關(guān)量輸出口，須擴展1個EM235模塊。因此本中央處理器（CPU）可以完全滿足本系統(tǒng)現(xiàn)有需求和將來的擴展需求。

（2）模擬量輸入輸出模塊選型：EM235模塊是西門子公司開發(fā)的模擬量輸入/輸出模塊，共4個輸入和1個輸出，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后的值為12位。本控制系統(tǒng)主要利用EM235模塊的輸出功能，輸出0～10 V的電壓信號對偉創(chuàng)變頻器輸出頻率進行電壓控制。

（3）人機界面選型：本控制系統(tǒng)選擇TPC1062K人機界面，該人機界面是一套以嵌入式低功耗CPU為核心（主頻400 MHz）的高性能嵌入式一體化工控機。采用12.1英寸高亮度薄膜場效應(yīng)晶體管（簡稱TFT）液晶顯示屏（分辨率 800×600），4線電阻式觸摸屏（分辨率1 024×1 024），具有良好的電磁屏蔽性與美觀堅固的鋁合金結(jié)構(gòu)。

3控制系統(tǒng)電路

圖4為變頻電機連接電路圖。連接時應(yīng)注意，本控制系統(tǒng)中驅(qū)動動輥的是變頻電機，因此應(yīng)當分別送2路380 V電源到變頻電機，1路通過變頻器進入電機以調(diào)節(jié)其速度，另1路直接接入冷卻風(fēng)扇。嚴禁就近將來自變頻器的電源引入冷卻風(fēng)扇，否則冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速受變頻器影響散熱能力，導(dǎo)致電機燒毀。

圖5為核桃破殼系統(tǒng)的電路連接圖，控制系統(tǒng)連接時只需要按照圖5連接即可使用。

4PLC程序編寫

本邏輯可編程控制器（簡稱PLC）程序主要包括對置輥間隙調(diào)整程序段和轉(zhuǎn)速采集程序段。MCGS上位機與S7-200PLC通過232串口通信，用MCGS上位機設(shè)定高速脈沖頻率和高速脈沖數(shù)量。轉(zhuǎn)速采集程序中，PLC程序執(zhí)行轉(zhuǎn)速的采集，將光電編碼器的高速脈沖計算轉(zhuǎn)化為對置輥中動輥的實時轉(zhuǎn)速，由MCGS上位機將設(shè)定轉(zhuǎn)速與實時轉(zhuǎn)速進行比較，MCGS上位機將比較后的差值經(jīng)過工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、輸入到EM235模塊、最后轉(zhuǎn)化為控制0～10 V電壓信號連接到變頻器信號輸入端以達到對動輥轉(zhuǎn)速自動控制的目的。

4.1對置輥間隙調(diào)整程序

中間觸點M0.0與MCGS核桃間隙調(diào)整界面中的啟動按鈕通信，具體程序如圖6所示連接，點擊人機界面中的啟動按鈕便可以啟動子程序SBR_0。

子程序SBR_0如圖7所示，將Q0.0的輸出選擇成為PTO高速脈沖輸出，周期以ms為單位；SMW68寄存器與人機界面中脈沖周期輸入框通信，用于寫入輸出脈沖周期；SMD72寄存器與間隙調(diào)整界面中的輸出脈沖數(shù)輸入框通信。此子程序用于向步進電機控制器發(fā)出脈沖信號，控制步進電機的轉(zhuǎn)動角度和角速度。

4.2破殼機動輥轉(zhuǎn)速信號采集程序

（1）高速計數(shù)器初始化。圖8所示程序段為高速計數(shù)器初始化程序段，適用于單相計數(shù)，因此本控制系統(tǒng)只用了光電編碼器的A相輸出，定義高速計數(shù)器模式0，將HSC0的控制字節(jié)SMB37賦值16#C8，啟用高速計數(shù)器、更新初始值、設(shè)定計數(shù)方向為遞增計數(shù)，并使用SM0.1初始化高速計數(shù)器。

（2）高速輸入脈沖頻率計算。為保證瞬時脈沖采集數(shù)量的準確性及實時性，下段程序采用定時中斷0每隔250 ms更新高速輸入脈沖值HC0，并在中斷程序中應(yīng)用該數(shù)值運算得到高速輸入脈沖頻率，如圖9所示。

圖10所示為轉(zhuǎn)速計算程序，該段程序是將采集到的 250 ms 時間間隔的脈沖值HC0，轉(zhuǎn)換為1 s時間間隔的脈沖值并存放于變量寄存器VD0中，然后將1 s時間間隔的脈沖值V除以步進電機每轉(zhuǎn)1圈的步數(shù)400，然后乘60，即除以6.666 67，便得到主軸的實時轉(zhuǎn)速值，并將轉(zhuǎn)速值存放于PLC中的變量寄存器VD8中。將VD8中存放數(shù)值與MCGS人機界面中的實時轉(zhuǎn)速儀表和輸入框相連接，并在MCGS軟件實時數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計轉(zhuǎn)速值減去實時轉(zhuǎn)速值，然后將此偏差值轉(zhuǎn)化為EM235模塊中的電壓輸出，便完成了主軸轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。

5上位機程序編寫

本控制系統(tǒng)上位機程序由MCGS嵌入式版軟件開發(fā)完成，共有3個用戶操作界面，第1個為用戶登錄界面，界面設(shè)計見圖11，此界面主要是完成用戶登錄、用戶退出、用戶密碼的設(shè)定功能。

圖12為核桃破殼間隙調(diào)整界面，啟動按鈕用于啟動步進電機，方向按鈕用于選擇間隙的變化方向（步進電機的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)），伺服使能開關(guān)用于控制步進電機控制器的使能作用，由于本系統(tǒng)動輥主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)整采用了變頻器，而變頻器在使用過程中對步進電機控制器的干擾作用極其強烈，因此在調(diào)整核桃破殼間隙時增加伺服使能控制非常必要。參數(shù)設(shè)定窗口可以對絲杠導(dǎo)程、步進電機步矩角、脈沖周期等參數(shù)進行設(shè)定。

圖13為核桃破機轉(zhuǎn)速控制界面，此界面主要用于控制主軸轉(zhuǎn)速的啟停、主軸轉(zhuǎn)向、主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定和主軸實時轉(zhuǎn)速的監(jiān)控。

6結(jié)論

針對本研究設(shè)計的尖點輥壓式核桃破殼機。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)尖點對置輥中動輥轉(zhuǎn)速和對置輥壓輥的間隙對核桃破殼效果影響很大，因此本研究設(shè)計了主動輥轉(zhuǎn)速和對置輥間隙的自動控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)對動輥轉(zhuǎn)速的控制采用閉環(huán)控制系統(tǒng)方案，對置輥的間隙采用開環(huán)控制系統(tǒng)方案。利用西門子S7-200可編程控制器，編寫了轉(zhuǎn)速采集和步進電機控制程序。利用MCGS嵌入版軟件編寫了轉(zhuǎn)速和間隙的實時監(jiān)視和控制上位機程序。經(jīng)試驗表明：動輥轉(zhuǎn)速誤差 ±0.5 r/min，間隙調(diào)整誤差±0.3 mm，本控制系統(tǒng)可以滿足控制要求。

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