基于PLC的椰子剝衣機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳 迪，張寶珍，張志強(qiáng)，王居飛

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228)

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基于PLC的椰子剝衣機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳 迪，張寶珍，張志強(qiáng)，王居飛

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海口 570228)

設(shè)計(jì)了一種適用于立式椰子剝衣機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使立式剝衣機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，提高了生產(chǎn)效率。在分析立式椰子剝衣機(jī)的整體結(jié)構(gòu)以及工作原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)該款剝衣機(jī)操控繁瑣、自動(dòng)化程度低的問題，以PLC作為核心控制模塊，綜合運(yùn)用系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)出一套適用于立式椰子剝衣機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可使立式剝衣機(jī)的平均剝衣速度提高200%，平均剝衣破損率降低60%。

椰子剝衣機(jī)；PLC控制器；控制系統(tǒng)

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)椰子的需求量逐年上升，且大多數(shù)椰子用于供應(yīng)消費(fèi)者直接飲用椰汁。為使消費(fèi)者更加方便地飲用椰汁，商家必須對(duì)椰子的椰衣進(jìn)行剝離。因此，椰衣的剝離效率與質(zhì)量直接影響椰子的銷量。然而，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外椰子銷售商及椰果加工廠仍主要采用手工方式進(jìn)行椰衣的剝離，此方式效率低、效果差且人工成本高。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)提高椰子剝衣效率的問題展開了研究[1-4]，設(shè)計(jì)出諸多用于剝離椰衣的機(jī)器，立式椰子剝衣機(jī)[5]是其中一種代表機(jī)型。該剝衣機(jī)通過電機(jī)、絲杠及滑塊等裝置驅(qū)動(dòng)安裝有刀片的刀架做定軸擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)來對(duì)放置于套筒上的椰子進(jìn)行剝衣。雖然該機(jī)實(shí)現(xiàn)了椰子機(jī)械化剝衣零的突破，但仍需通過人工方式[6]對(duì)剝衣機(jī)進(jìn)行繁瑣的控制，加工效率仍然較低，所需投入的人工成本較高。因此，必須對(duì)該款剝衣機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造才可以使其加工效率大幅提高。

本研究選用三菱PLC[7-9]作為控制器，以壓力傳感器、光電開關(guān)及按鈕[10-12]等元件作為控制信號(hào)[13-15]發(fā)生源，設(shè)計(jì)了立式椰子剝衣機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。立式椰子剝衣機(jī)在安裝了該系統(tǒng)后，可以在沒有人工干預(yù)的條件下完成連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行,其加工效率及剝衣效果大幅提高，從而更好地滿足大規(guī)模椰果加工產(chǎn)業(yè)的需求。

1 椰子剝衣機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 椰子剝衣機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

椰子剝衣機(jī)主要由機(jī)架、電機(jī)、刀架及刀片等部件組成，如圖1所示。用于剝離椰衣的刀片通過螺栓連接在刀架上，刀架通過連桿與安裝在上部絲杠的滑塊相連，用于放置待加工椰果的套筒安裝在下部絲杠上，上部絲杠及下部絲杠通過聯(lián)軸器分別與上部電機(jī)、下部電機(jī)相連接。

1.上部電機(jī) 2.上部絲杠 3.滑塊 4.刀架 5.待加工椰果 6.下部電機(jī) 7.下部絲杠 8.套筒 9.刀片圖1 椰子剝衣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖Fig.1 Mechanical structure schematic diagram of coconut shell dryer

1.2 椰子剝衣機(jī)的工作原理

在接通電源后，下部電機(jī)起動(dòng)。如圖2所示：下部電機(jī)起動(dòng)后驅(qū)動(dòng)下部絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝于其上的套筒做豎直向上的直線運(yùn)動(dòng)并將待加工椰果托起；當(dāng)椰果碰到刀片后，套筒繼續(xù)托動(dòng)椰果向上運(yùn)動(dòng)直至刀片對(duì)椰衣的壓力達(dá)到設(shè)定值，如圖3所示。此步驟的目的是保證刀片能夠更加牢固地扎入椰衣，提高剝衣機(jī)的剝衣成功率。當(dāng)?shù)镀瑢?duì)椰衣的壓力達(dá)到設(shè)定值后，下部電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，上部電機(jī)起動(dòng)并驅(qū)動(dòng)滑塊做豎直向下的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)安裝于其上的刀架做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。椰衣在刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中被剝離，如圖4所示。椰衣被剝離后，上、下電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，套筒和刀架開始回到初始位置；當(dāng)套筒與刀架到達(dá)初始位置時(shí)，上下兩電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，立式剝衣機(jī)的1個(gè)工作周期結(jié)束。

圖2 套筒上升示意簡(jiǎn)圖Fig.2 The schematic diagram of the sleeve rise

圖3 刀片插入椰衣示意簡(jiǎn)圖Fig.3 Insert coconut clothing the schematic diagram of the blade

圖4 剝開椰衣示意簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic diagram of removing the coconut garment

2 控制系統(tǒng)的工作原理

立式椰子剝衣機(jī)的控制系統(tǒng)由主控單元(PLC)、信號(hào)輸入單元、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換單元及輸出控制單元組成,如圖5所示。主控單元中的PLC主要用于獲取輸入信號(hào)，并根據(jù)ROM存儲(chǔ)器中的程序控制輸出單元中的元件完成相應(yīng)動(dòng)作。信號(hào)輸入單元由按鈕、撥段開關(guān)、行程開關(guān)、壓力傳感器及光電開關(guān)等元件組成，該單元中的元件可將控制信號(hào)傳送到PLC。由于壓力傳感器只能輸出模擬量信號(hào)，此類信號(hào)無法直接被PLC所識(shí)別，因此需要通過模擬信號(hào)處理單元將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC可識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)。模擬信號(hào)處理單元包括信號(hào)放大器及電壓比較器：信號(hào)放大器用來將壓力傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以使于電壓比較器可以檢測(cè)到該信號(hào)。電壓比較器用于將放大后的壓力傳感器電壓信號(hào)幅值與預(yù)先設(shè)定的參考電壓值相比較。如果傳感器的電壓信號(hào)幅值大于預(yù)先設(shè)定的參考電壓值，則表明刀片對(duì)椰衣的正壓力達(dá)到設(shè)定值，此時(shí)電壓比較器向PLC發(fā)出信號(hào)使其控制刀架擺動(dòng)從而完成剝衣。輸出控制單元包括交流接觸器、熱繼電器，以及上、下部交流電動(dòng)機(jī)。交流接觸器可以對(duì)PLC的輸出信號(hào)做出響應(yīng)，從而驅(qū)動(dòng)兩部電機(jī)實(shí)現(xiàn)正、反兩方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。熱繼電器的作用是保護(hù)電機(jī)，使其避免過熱損壞。

3 控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及元件選型

3.1 PLC控制器的選型

選擇PLC控制器的型號(hào)時(shí)主要考慮如下幾個(gè)方面的問題：①輸入、輸出(I/O)接口數(shù)量應(yīng)當(dāng)比實(shí)際使用的接口數(shù)量多30%～40%，以便在系統(tǒng)實(shí)際工作中能夠根據(jù)需要隨時(shí)增加輸入信號(hào)源；②具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的DC24V供電端口，以便為光電管及壓力傳感器提供電源；③具有擴(kuò)展接口，以便后期開發(fā)。綜合考慮上述問題，可確定本控制系統(tǒng)所使用的PLC型號(hào)為三菱FX2N-64MR-001。該型號(hào)PLC的特性如表1所示。

圖5 椰子剝衣機(jī)控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of coconut shell dryer control system表1 控制元件型號(hào)及參數(shù)表Table 1 Control component model and the parameter list

元件名稱型號(hào)特性按鈕正泰NP2-BW3462工作電壓:DC24V配備LED指示燈壓力傳感器啟力方S型量程:0～200kg激勵(lì)電壓:DC5V～DC15V采樣率:1000Hz光電開關(guān)歐姆龍E3Z-D61供電電壓DC12-24V輸出方式NPN晶體管反射形式漫反射行程開關(guān)德力西LX19-121滾輪裝在傳動(dòng)桿外側(cè)能自動(dòng)復(fù)位,傳動(dòng)桿最大擺角20°5擋轉(zhuǎn)換開關(guān)LW6D-3可完成5種工作模式轉(zhuǎn)換熔斷器正泰RT28-32額定電流:2A、6A(2A熔斷器安裝于主電路,用于保護(hù)電機(jī);6A熔斷器安裝于控制電路,用于保護(hù)PLC)熔斷器底座正泰RT28N-32X用于容納配套熔斷器交流接觸器正泰CJX2-1210線圈工作電壓:AC24V額定電流:12A觸點(diǎn)形式:3常開1常閉按鈕正泰NP2-BW3462工作電壓:DC24V配備LED指示燈

續(xù)表1

3.2 傳感器的型號(hào)選擇

本控制系統(tǒng)使用的傳感器包括光電開關(guān)及壓力傳感器：光電開關(guān)用于檢測(cè)套筒上是否已放置待加工的椰果；壓力傳感器用于測(cè)量刀片對(duì)椰衣的壓力。本控制系統(tǒng)采用的光電開關(guān)型號(hào)為OMRON E3Z-D61，具有響應(yīng)時(shí)間短、安裝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)(其信號(hào)輸出端可直接接入PLC的輸入端子上，不需進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換)。此外，該款光電開關(guān)還配有靈敏度調(diào)節(jié)螺母，可以方便地對(duì)感光靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)。壓力傳感器選用啟力公司生產(chǎn)的圓S型傳感器，量程為0～200kg。該傳感器具有采樣率高、零漂小及電壓范圍寬的特點(diǎn)，可以滿足椰子剝衣機(jī)的控制要求。

3.3 外圍控制電路元件的選擇

椰子剝衣機(jī)所使用的電機(jī)型號(hào)為OV400-A。該三相異步交流電動(dòng)機(jī)的額定電壓為AC380V，額定功率0.4kW，頻率50Hz，工作電流1.1A。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流，可以確定交流接觸器的額定電流應(yīng)大于7.7A，因此正泰CJ-0901接觸器可滿足要求。由于CJ-0901交流接觸器的線圈吸合功率較大，PLC自帶的輸出端電源無法驅(qū)動(dòng)其正常工作，因此需在PLC輸出端串聯(lián)交流變壓器為接觸器供電，交流變壓器功率為200W。此外，還需連接合適的熔斷器、熱繼電器及浪涌吸收器等元件來對(duì)控制電路進(jìn)行必要的電氣保護(hù)。表1為所需控制元件的型號(hào)及參數(shù)列表。

3.4 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件電路包括電機(jī)接線圖和控制電路兩部分。電機(jī)接線圖包括上部電機(jī)M1和下部電機(jī)M2的接線圖。上部電機(jī)的正反轉(zhuǎn)分別由接觸器KM1、KM2控制，下部電機(jī)的正反轉(zhuǎn)分別由接觸器FR2分別用于保證電機(jī)不會(huì)因過流及過熱而損壞。電動(dòng)機(jī)主電路由KM3、KM4控制，熔斷器FU1～FU6及熱繼電器FR1、FR2分別用于保證電機(jī)不會(huì)因過流及過熱而損壞。圖6為電動(dòng)機(jī)主電路圖。

圖6 電動(dòng)機(jī)接線圖Fig.6 Motor wiring diagram

圖7為椰子剝衣機(jī)控制電路圖，包括PLC輸入、輸出部分電路圖。PLC的Y0--Y3輸出觸點(diǎn)分別與接觸器KM1--KM4的吸合線圈相接并采用交流變壓器對(duì)其進(jìn)行吸合功率補(bǔ)償。為保證同一部電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，還應(yīng)使用KM1、KM2、KM3、KM4接觸器的常閉觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)每部電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的互鎖。SQ1--SQ4為行程開關(guān)，用于檢測(cè)椰子剝衣機(jī)刀架及套筒所處的位置并對(duì)相應(yīng)電機(jī)進(jìn)行控制。其中，SQ1、SQ2分別用于檢測(cè)刀架是否到達(dá)初始位置及極限位置(當(dāng)?shù)都軓堥_角度為設(shè)定值時(shí)上部滑塊所在位置)，SQ3、SQ4分別用于檢測(cè)套筒是否到達(dá)初始位置及上升極限位置。為使剝衣機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)化程度更高，本控制系統(tǒng)安裝有壓力傳感器YK1及光電開關(guān)GK1。光電開關(guān)GK1安裝在套筒內(nèi)部，用于檢測(cè)是否有椰果放置在套筒上；當(dāng)有椰果被放置在套筒上，GK1向PLC發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)剝衣機(jī)。壓力傳感器YK1用于檢測(cè)刀片對(duì)椰果表皮施加的正壓力，當(dāng)正壓力達(dá)到一定范圍時(shí)，PLC控制刀架張開從而使剝衣機(jī)剝下椰衣。由于壓力傳感器輸出信號(hào)為模擬量，因此還需安裝電壓比較器及信號(hào)放大器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才可被PLC識(shí)別，從而控制剝衣機(jī)運(yùn)行。此外，本控制系統(tǒng)為方便調(diào)整維護(hù)還設(shè)置了工作模式選擇撥段開關(guān)SA1。工作模式總共包括5種：手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、單步運(yùn)行、單周期運(yùn)行以及回原點(diǎn)運(yùn)行。SB1為手動(dòng)運(yùn)行方式停止按鈕；SB2～SB5分別為上下兩電機(jī)在手動(dòng)運(yùn)行過程中的正反轉(zhuǎn)控制按鈕；SB6、SB7分別為回原點(diǎn)啟動(dòng)及自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)控制按鈕；SB8用于控制機(jī)器在回原點(diǎn)或自動(dòng)運(yùn)行的過程中停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.5 模擬信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)處理單元主要用于將壓力傳感器輸出的毫伏級(jí)模擬信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(開關(guān)量)，使該信號(hào)可以被PLC所識(shí)別。該單元由信號(hào)放大器和電壓比較器組成，圖8、圖9分別為信號(hào)放大器和電壓比較器的電路圖。信號(hào)放大器通過信號(hào)輸入端接收傳感器輸出的毫伏電壓信號(hào)，放大運(yùn)算器將該毫伏信號(hào)(4～20mV)放大100倍后輸入電壓比較器(電壓比較精度為0.1V)的輸入端。電壓比較器通過LM393芯片將放大后的電壓值Uin與參考電壓值Ur比較：當(dāng)Uin>Ur時(shí)，表明刀片已扎入椰衣足夠的深度，此時(shí)輸出端繼電器線圈得電，觸點(diǎn)閉合，PLC中X004端子可對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行接收。

圖7 椰子剝衣機(jī)控制電路圖Fig.7 Control circuit diagram of coconut shell dryer

圖8 信號(hào)放大器電路圖Fig.8 Circuit diagram of signal amplifier

圖9 電壓比較器電路圖Fig.9 Circuit diagram of voltage comparator

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖如圖10所示。當(dāng)接通電

源后，PLC首先判斷光電開關(guān)是否有信號(hào)輸入，如果有則表明套筒上有待加工的椰果，隨后PLC會(huì)控制下部電機(jī)帶動(dòng)套筒向上運(yùn)動(dòng)，將椰果托起并與刀片接觸；椰果表皮與刀片接觸后，PLC檢測(cè)電壓比較器的輸出線圈是否得電，如果得電則表明刀片已扎入椰皮最厚的深度，PLC隨即控制上部電機(jī)帶動(dòng)刀架做定軸擺動(dòng)，剝衣機(jī)開始對(duì)椰衣進(jìn)行剝離。當(dāng)上部滑塊觸碰到限位開關(guān)SQ4后表明，刀架已轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置，此時(shí)椰衣已被剝離，PLC控制上、下部電機(jī)反轉(zhuǎn)使套筒和刀架返回初始位置。當(dāng)限位開關(guān)SQ1、SQ3被觸碰后，表明套筒和刀架已到達(dá)初始位置，PLC控制上下兩電機(jī)停止運(yùn)行，控制系統(tǒng)的工作周期結(jié)束。

圖10 控制系統(tǒng)工作流程圖Fig.10 The working flow chart of control system

5 立式剝衣機(jī)控制性能試驗(yàn)

本研究于2015年8月在海南大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行立式椰子剝衣機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能試驗(yàn)，目的在于進(jìn)一步研究該控制系統(tǒng)的工作效率及穩(wěn)定性。立式椰子剝衣機(jī)刀架和套筒的驅(qū)動(dòng)力由三相異步交流電動(dòng)機(jī)提供，電機(jī)功率為0.4kW，額定電壓為AC380V。

試驗(yàn)內(nèi)容分為兩個(gè)部分：①測(cè)試立式椰子剝衣機(jī)在傳統(tǒng)人工操作的方式下單位時(shí)間內(nèi)剝離椰衣效率和破損率(如果椰球在剝衣過程中出現(xiàn)破裂即視為出現(xiàn)破損)。②試驗(yàn)立式椰子剝衣機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下單位時(shí)間內(nèi)的椰衣剝離效率及破損率，試驗(yàn)時(shí)間為2min。

破損率和椰衣剝離效率計(jì)算公式為

椰衣剝離效率=被剝離椰衣的椰果個(gè)數(shù)/剝衣機(jī)運(yùn)行時(shí)間

破損率=(椰球破裂的椰果數(shù)量/被剝離椰衣的椰果總數(shù))×100%

試驗(yàn)分析及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 剝衣機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：隨著椰果含水率的增加，立式剝衣機(jī)的剝衣效率有所降低。其原因?yàn)楹瘦^高的椰果的皮下椰絲纖維韌度較高，剝衣刀片所受阻力增大，導(dǎo)致剝衣效率下降的現(xiàn)象。由于PLC模塊的反應(yīng)速度遠(yuǎn)快于人腦且控制精確度更佳，因此剝衣機(jī)在自動(dòng)控制下的剝衣效率及剝衣效果遠(yuǎn)好于人工控制下所達(dá)到的效果。其中，椰衣剝離效率為手動(dòng)控制下的200%，破損率僅為手動(dòng)下的40%。由此可知，立式椰子剝衣機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)可大幅提高剝衣機(jī)的生產(chǎn)效率及加工質(zhì)量。

6 結(jié)論

立式椰子剝衣機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)以PLC為核心，并輔以壓力傳感器及光電開關(guān)等元件，對(duì)剝衣機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行全自動(dòng)控制。該系統(tǒng)可大幅提高剝衣機(jī)對(duì)椰果的剝衣效率，降低椰球破損率。試驗(yàn)表明：該自動(dòng)控制系統(tǒng)可以將剝衣效率提升1倍，將破損率降低60%。該控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，可大幅降低人工成本。

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Design of Coconut Shell Dryer Control System Based on PLC

Wu Di, Zhang Baozhen, Zhang Zhiqiang, Wang Jufei

(Institute of Electrical and Mechanical Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

In this paper, we design the suitable for vertical coconut shell dryer automatic control system.The system can realize automation operation of vertical stripped machine to improve the production efficiency.Based on the analysis of vertical integral structure and working principle of coconut shell dryer, in view of the strip dryer control, low degree of automation of the complicated issues, this study USES PLC as the control core module, integrated use of the system hardware and software design principle to design a set of control vertical coconut shell dryer used for the automatic control system.Results show that the control system runs stably, which can make the average vertical strip dryer stripped speed increased by 200%, the average stripped damage rate reduced by 60%.

coconut shell dryer; PLC; control system

2016-05-05

海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20155205)

吳 迪(1989-),男，北京人，碩士研究生，(E-mail)626795635@qq.com。

張寶珍(1969-)，女，河北唐山人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)baozhen-zh@163.com。

S226.7+1

A

1003-188X(2017)06-0202-07