5XF-60型馬鈴薯清選機(jī)智能控制系統(tǒng)的研制

吳峰倩，于文強(qiáng)，紀(jì)曉磊，李學(xué)強(qiáng)

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司，山東 樂(lè)陵 253600)

0 引言

馬鈴薯是世界上僅次于小麥、水稻和玉米之后的第四大糧食作物[1-3]，中國(guó)也是世界上馬鈴薯總產(chǎn)最多和消費(fèi)最大的國(guó)家。盡管我國(guó)馬鈴薯的播種面積和產(chǎn)量很多，然而在馬鈴薯機(jī)械化程度上相對(duì)落后，因此實(shí)現(xiàn)馬鈴薯全程機(jī)械化迫在眉睫。

馬鈴薯農(nóng)機(jī)產(chǎn)品主要分為馬鈴薯播種機(jī)械、中期管理機(jī)械和后期收獲及其馬鈴薯倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械。目前，馬鈴薯從前期播種到收獲階段的機(jī)械發(fā)展較為成熟，但倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備比較匱乏[4-6]。馬鈴薯收獲后需要根據(jù)客戶的需求進(jìn)行大小分級(jí)，以達(dá)到客戶的最大利潤(rùn)，但在我國(guó)大部分地區(qū)，尤其是在馬鈴薯種植面積比較大的內(nèi)蒙古地區(qū)，仍靠人工來(lái)清選，不僅效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，清選效果也不佳。馬鈴薯清選裝備能夠方便馬鈴薯的大量分選工作，代替了人工靠肉眼進(jìn)行清選的繁重工作，減少了勞動(dòng)力且大大提高了清選質(zhì)量[7-10]。

本文通過(guò)對(duì)馬鈴薯智能清選控制系統(tǒng)的研制，解決了馬鈴薯清選機(jī)的上料流量輸送不穩(wěn)定及清選輥軸間距調(diào)節(jié)不便的問(wèn)題。其根據(jù)主輸送線上料速度改變上料流量的穩(wěn)定性，經(jīng)傳感器采集上料輸送帶松弛距離信息自動(dòng)調(diào)整輸送帶的張緊度，通過(guò)相鄰輥軸間距的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)清選狀態(tài)的可視性，提高馬鈴薯清選機(jī)的工作效率，降低薯塊破皮率，為馬鈴薯清選裝備的進(jìn)一步智能化研究提供了參考，對(duì)馬鈴薯清選裝備的設(shè)計(jì)優(yōu)化有著重要的意義[11]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

馬鈴薯清選機(jī)主要由主輸送線上料裝置、一級(jí)清選裝置、二級(jí)清選裝置、薯塊輸送線裝置及泥土雜物輸送線裝置等組成，如圖1所示。

1.主輸送線上料裝置 2.一級(jí)清選裝置 3.二級(jí)清選裝置 4.薯塊輸送線裝置 5.主機(jī)托架

工作過(guò)程中，馬鈴薯通過(guò)裝卸車倒入主輸送線裝置，主輸送線裝置由液壓系統(tǒng)控制其輸送角度，變頻電機(jī)可以根據(jù)輸送馬鈴薯的載荷量而調(diào)整其輸送速度，從而有效地提高了馬鈴薯的輸送效率。馬鈴薯由主輸送線裝置輸送到一級(jí)清選裝置，小薯塊與碎土雜質(zhì)通過(guò)分選軸間隙落到下面的輸送帶上，被輸送到下一級(jí)輸送帶，分選裝置的分選軸間隙大小由液壓系統(tǒng)控制，精確地保證了馬鈴薯大小規(guī)格的統(tǒng)一。馬鈴薯從一級(jí)清選裝置被輸送到二級(jí)清選裝置上，二級(jí)清選裝置采用橡膠彈性分離齒刷膠輪，既保證馬鈴薯不被碰傷，又能更好地將馬鈴薯表面的粘性土壤揉搓干凈；最后，清理干凈的馬鈴薯被輸送到下一級(jí)輸送線，完成分選清選的全過(guò)程。

2 清選機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及控制原理

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本系統(tǒng)主要由PLC主控制模塊、上料清選量控制模塊、輸送帶控制模塊、清選輥軸間距控制模塊、人機(jī)交互模塊，以及電源等組成。清選控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能清選控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本控制系統(tǒng)完成對(duì)上料速度、輸送帶張緊度及輥軸間距等信息的操作處理，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)行監(jiān)控界面和參數(shù)界面進(jìn)行設(shè)置，及時(shí)地顯示出檢測(cè)模塊的信息變化。

2.2 上料主輸送線裝置及控制原理

在馬鈴薯清選機(jī)上料輸送過(guò)程中，因上料不均勻而導(dǎo)致物料堆積、過(guò)載卡停和分選效果差等問(wèn)題[12]，采用測(cè)距傳感器采集薯塊輸送厚度信號(hào)，經(jīng)可編程控制器PLC輸出指令傳送到變頻器中并作相應(yīng)的動(dòng)作，通過(guò)對(duì)輸出頻率的改變，控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足主輸送線上料清選量的要求，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯清選機(jī)智能上料。主輸送線上料裝置如圖3所示。

2.3 上料輸送帶及控制原理

馬鈴薯清選機(jī)上料輸送帶在長(zhǎng)期作業(yè)過(guò)程中受振動(dòng)、載荷過(guò)載及輸送帶松弛等因素影響易出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，故輸送帶傳動(dòng)中張緊處的調(diào)整，可以有效防止輸送帶隨時(shí)跑偏。當(dāng)測(cè)距傳感器檢測(cè)到輸送帶松弛時(shí)，可編程控制器PLC輸出指令傳送到步進(jìn)電機(jī)，將其轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度驅(qū)動(dòng)調(diào)整螺栓，從而實(shí)現(xiàn)上料輸送帶張緊度的調(diào)整。通過(guò)采用自動(dòng)張緊裝置調(diào)整輸送帶的張緊度，對(duì)防止輸送帶松弛、機(jī)架歪斜引起的跑偏發(fā)揮了良好的作用，并提高了馬鈴薯清選機(jī)上料輸送帶的平穩(wěn)性。上料輸送帶內(nèi)部視圖，如圖4所示。

1.馬鈴薯輸送帶 2.擋薯側(cè)護(hù)板 3. 擋薯底端板 4.支撐座 5.鏈條下?lián)醢?6. 配電箱固定架 7.變頻電機(jī)

1.擋板連接架 2.從動(dòng)輥軸 3.傳動(dòng)鏈條總成 4.支撐架 5.主動(dòng)四爪

2.4 清選調(diào)節(jié)裝置及控制原理

在清選作業(yè)過(guò)程中，上料主輸送線裝置將馬鈴薯輸送到清選裝置中，小薯塊和碎土雜質(zhì)經(jīng)過(guò)清選輥軸間隙落到下層輸送帶上，清選裝置的輥軸間隙大小由液壓系統(tǒng)控制，從而達(dá)到清選馬鈴薯大小規(guī)格的統(tǒng)一。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制液壓系統(tǒng)的工作時(shí)間，進(jìn)而調(diào)節(jié)清選裝置相鄰輥軸間距，提高清選輥軸間距的控制精度。清選調(diào)節(jié)裝置如圖5所示。

1.減速電機(jī) 2.主動(dòng)擋板 3.分選彈簧 4.雙連片體 5.傳動(dòng)鏈條 6.單連片體 7.支撐托桿

3 控制系統(tǒng)的硬件

3.1 主控制模塊

本控制系統(tǒng)應(yīng)用西門(mén)子S7-200系列PLC，型號(hào)為S7-200 CPU224-DC24V，具有結(jié)構(gòu)緊湊、容量大、實(shí)時(shí)性好、響應(yīng)快速及系統(tǒng)工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[13-14]，可以達(dá)到本系統(tǒng)的使用目的。

3.2 上料清選量控制模塊

3.2.1 單位時(shí)間清選量與各參數(shù)的關(guān)系

馬鈴薯上料過(guò)程中，智能控制系統(tǒng)根據(jù)薯塊堆積平均高度h’、單位時(shí)間清選量Qs及主輸送線上料速度vz三者之間的關(guān)系，通過(guò)主輸送線上料速度vz和薯塊堆積平均高度h’，計(jì)算出單位時(shí)間清選量Qs，從而能夠?qū)崿F(xiàn)主輸送線上料流量達(dá)到穩(wěn)定的效果。單位時(shí)間清選量與判定變速運(yùn)算公式為

Qs=vz·ρd·(d1+h0h’)·(h0h’)×36×10-4

(1)

h’=(h1+h2+h3+h4)/4

(2)

td=dj/vz×10-3

(3)

vz=dz·π·nz/(6×104)

(4)

fd=nz·pj/60

(5)

式中Qs—單位時(shí)間清選量(t/h)；

vz—主輸送線上料速度(m/s)；

ρd—薯堆密度(t/m3)；

d1—接收料斗上平端底部寬度(mm)；

h0—檢測(cè)模塊的安裝高度(mm)；

h’—檢測(cè)薯塊堆積平均高度(mm)；

h1、h2、h3、h4—分別為薯塊堆積高度點(diǎn)位1、2、3、4；

td—判定速度變化所需時(shí)間(s)；

dj—檢測(cè)模塊檢測(cè)寬度(mm)；

nz—變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；

dz—上料主動(dòng)鏈輪的直徑(mm)；

fd—變頻器的頻率(Hz)；

pj—變頻電機(jī)的級(jí)數(shù)。

3.2.2 上料清選量控制原理

在上料清選量控制系統(tǒng)中，可編程控制器PLC發(fā)出指令傳送到變頻器中并作相應(yīng)的動(dòng)作，經(jīng)過(guò)輸出頻率的改變，可以控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)上料清選量，但對(duì)于給定的上料清選量不能保證指令達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。若建立開(kāi)環(huán)控制，則上料清選量無(wú)法滿足控制要求，因此本文建立閉環(huán)反饋控制[15]，更好地提高上料清選量的穩(wěn)定性和控制精度。其控制結(jié)構(gòu)框圖，如圖6所示。

圖6 上料清選量控制結(jié)構(gòu)框圖

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)可編程控制器PLC，將檢測(cè)到的薯塊堆積高度信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～10V的模擬量電壓信號(hào)，模擬量電壓信號(hào)經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)，并將其輸送給CPU模塊；然后，根據(jù)預(yù)定程序，對(duì)被測(cè)量的信號(hào)給予分析、處理及比較[16]，根據(jù)設(shè)定的控制算法進(jìn)行PID運(yùn)算并輸送出控制信號(hào)，將控制信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為0～10V的電壓信號(hào)輸送到變頻器中，從而經(jīng)過(guò)頻率調(diào)節(jié)控制電機(jī)的速度，達(dá)到上料清選量的穩(wěn)定性。薯塊堆積高度可經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集傳送給上位機(jī)，并在組態(tài)界面中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

為提高系統(tǒng)的靈敏性和控制精確度，通過(guò)PLC編寫(xiě)程序調(diào)用組態(tài)王軟件的PID標(biāo)準(zhǔn)控制模塊[17]，再按照實(shí)際的工作情況加以調(diào)試處理，并對(duì)比例系數(shù)KP、積分時(shí)間常數(shù)TI、微分時(shí)間常數(shù)TD用試湊的方法調(diào)整，直調(diào)試到滿足的數(shù)值，達(dá)到馬鈴薯清選量的恒定，提高主輸送線上料清選量的穩(wěn)定性。

3.3 輸送帶控制模塊

為避免馬鈴薯上料輸送帶作業(yè)時(shí)受振動(dòng)、過(guò)載及輸送帶松弛等因素造成的跑偏現(xiàn)象，輸送帶傳動(dòng)采用自動(dòng)張緊裝置，以保證必需的初拉力。由于輸送過(guò)程中輸送帶張緊度調(diào)整幅度無(wú)需過(guò)大，因此可以使調(diào)整螺桿和步進(jìn)電機(jī)相連接，并用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)整螺栓實(shí)現(xiàn)輸送帶張緊度的調(diào)整。在輸送過(guò)程中，當(dāng)傳感器檢測(cè)到輸送帶的實(shí)際張緊度小于設(shè)定張緊度時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出故障警報(bào)信號(hào)，可編程控制器PLC輸出脈沖指令傳送到步進(jìn)電機(jī)中，將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度驅(qū)動(dòng)調(diào)整螺栓，從而實(shí)現(xiàn)上料輸送帶張緊度的調(diào)整；若輸送帶的實(shí)際張緊度不小于設(shè)定張緊度時(shí)，則輸送帶繼續(xù)正常工作。輸送帶控制流程如圖7所示。

3.4 清選輥軸間距控制模塊

3.4.1 清選輥軸間距與各參數(shù)的關(guān)系

在人機(jī)交互界面中設(shè)定相鄰輥軸間距Lz，液壓系統(tǒng)工作時(shí)，清選裝置相鄰輥軸間距的調(diào)節(jié)由液壓系統(tǒng)的運(yùn)行控制。根據(jù)液壓系統(tǒng)運(yùn)行的距離L1為設(shè)定的相鄰輥軸間距Lz與測(cè)得的初始間距Lc之差的絕對(duì)值，從液壓系統(tǒng)中獲得相應(yīng)的運(yùn)行速度v1，由此得出液壓系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間Δtw為

L1=v1Δtw×10-3

(6)

L1=|Lz-Lc|

(7)

Δtw=|Lz-Lc|/v1×10-3

(8)

式中L1—液壓系統(tǒng)的運(yùn)行距離(mm)；

v1—液壓系統(tǒng)的運(yùn)行速度(m/s)；

Δtw—液壓系統(tǒng)的運(yùn)行工作時(shí)間(s)；

Lc—測(cè)得的初始相鄰輥軸間距(mm)。

圖7 輸送帶控制流程

3.4.2 清選輥軸間距控制原理

在馬鈴薯清選工作中，清選裝置的輥軸間距采用手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，存在著清選輥軸間距控制精度低、調(diào)節(jié)繁瑣及作業(yè)效率低等問(wèn)題。本文采用智能控制的方式，能夠更快捷地調(diào)節(jié)清選裝置的輥軸間距，并提高輥軸間距的控制精確度。通過(guò)PLC控制液壓缸三位四通電磁換向閥[18-19]，完成液壓缸動(dòng)作的全過(guò)程，并控制液壓系統(tǒng)運(yùn)行的工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)相鄰清選輥軸間距的調(diào)節(jié)，其控制流程如圖8所示。

可編程控制器PLC將Q0.0置位，再將Q0.1復(fù)位，則電磁閥的線圈J1帶電，J2不帶電，三位四通電磁換向閥處于左工作位，液壓缸伸出；可編程控制器PLC將Q0.0復(fù)位，再將Q0.1置位，則電磁閥的線圈J2帶電，J1不帶電，三位四通電磁換向閥處于右工作位，液壓缸收縮；可編程控制器PLC將Q0.0、Q0.1復(fù)位，則電磁閥的線圈J1、J2不帶電，三位四通電磁換向閥的工作狀態(tài)處于中間位，液壓缸停止動(dòng)作，完成整個(gè)液壓缸的工作過(guò)程，并控制液壓系統(tǒng)的工作時(shí)間t，從而達(dá)到相鄰輥軸間距調(diào)節(jié)的目的。

圖8 清選輥軸間距控制流程

3.5 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要包括對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面與參數(shù)設(shè)置界面的設(shè)計(jì)，通過(guò)這兩個(gè)界面窗口用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控清選工作的狀態(tài)，還可根據(jù)不同工作環(huán)境設(shè)置清選機(jī)各個(gè)模塊的參數(shù)化控制，提高了清選機(jī)的工作效率。

用戶根據(jù)需求在人機(jī)交互界面通過(guò)設(shè)置 “單位時(shí)間清選量”選項(xiàng)和“相鄰輥軸間距”選項(xiàng)，分別對(duì)清選機(jī)的主輸送線上料速度和液壓系統(tǒng)工作時(shí)間進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)清選狀態(tài)的可視性和實(shí)時(shí)性。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市進(jìn)行田間試驗(yàn)， 選用額定載重30t的重型貨車，將馬鈴薯等量分組倒入所研制的5XF-60型馬鈴薯智能清選機(jī)中進(jìn)行田間試驗(yàn)。馬鈴薯輸送清選現(xiàn)場(chǎng)圖如圖9所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)多次田間試驗(yàn)，對(duì)多組試驗(yàn)結(jié)果取均值，將試驗(yàn)結(jié)果與原有手動(dòng)馬鈴薯清選機(jī)工作性能進(jìn)行比較分析，得出清選機(jī)改進(jìn)前后的性能結(jié)果對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

圖9 清選現(xiàn)場(chǎng)

項(xiàng)目單位改進(jìn)前性能改進(jìn)后性能最大處理能力t/h6070泥土清除率%≥ 90.0≥ 95.5清選準(zhǔn)確率%≥ 85.0≥ 93.0傷薯率%≤ 5.0≤ 1.0

5 結(jié)論

1)上料清選量控制模塊經(jīng)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，可控制清選機(jī)上料主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)主輸送線上料速度，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯上料清選量的穩(wěn)定性。

2)利用自動(dòng)張緊裝置控制輸送帶傳動(dòng)，以保證輸送帶張緊度的要求，避免輸送帶因振動(dòng)、過(guò)載及松弛等原因所引起的跑偏問(wèn)題，提高了馬鈴薯清選機(jī)上料輸送效率。

3)通過(guò)可編程控制器PLC控制Q0.0、Q0.1的置位與復(fù)位，實(shí)現(xiàn)液壓缸伸縮功能，來(lái)調(diào)節(jié)清選裝置相鄰輥軸間距，提高了清選輥軸間距的控制精度。

4)田間試驗(yàn)表明：改進(jìn)后的5XF-60馬鈴薯智能清選機(jī)的最大處理能力、泥土清除率、清選準(zhǔn)確率及傷薯率4項(xiàng)指標(biāo)較原有清選機(jī)得到了極大改善，不僅提高了馬鈴薯分選效率，且有效降低了傷薯率，保證了清選質(zhì)量。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0144-EA