基于PLC的椰子殼肉分離機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

許鋮溶，張寶珍，樊軍慶，向歡浩，楊東生，李敬祥

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海口 570100)

椰子既是熱帶木本油料作物，也是食品能源作物,用途十分廣泛,綜合利用經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高，享有“寶樹”的美譽(yù)[1]。椰子的種植在我國(guó)已經(jīng)有 2 000年的歷史，主要分布在海南省，椰子從內(nèi)到外主要分為椰汁、椰肉、椰殼和椰衣。其中椰汁可制成飲料、椰子酒、椰子醋等多種產(chǎn)品[2];椰衣纖維可以加工成各種產(chǎn)品，如家具、棒子、椰衣席等；椰殼可做成活性炭，用于凈水、脫色等；椰肉可加工成椰干，也可榨油。椰子的出油率高達(dá)60%，與油棕仁(46%)、花生仁(44%)、大豆(17%)相比有著很大的優(yōu)勢(shì)[3]。

椰子油提取過程中先要將椰子殼肉進(jìn)行分離。目前，國(guó)內(nèi)主要采用人工的手段實(shí)現(xiàn)椰肉和椰殼的分離，不僅效率低、容易污染椰肉，而且工作時(shí)容易造成人身傷害。本課題組在對(duì)椰子殼肉分離機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)[4-6]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠適應(yīng)不同大小的椰果，而且實(shí)現(xiàn)切割過程全自動(dòng)，極大地提高了工作效率。

1 椰子殼肉分離機(jī)的工作過程

椰子殼肉分離機(jī)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、電機(jī)、切刀、彈簧、絲桿與傳動(dòng)螺母等組成。按功能可分為壓緊機(jī)構(gòu)、滾筒機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)。其中聯(lián)軸器的作用是聯(lián)結(jié)電機(jī)與傳動(dòng)絲桿，電機(jī)通過絲桿帶動(dòng)傳動(dòng)螺母的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)壓頭與切割臺(tái)的升降。轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)通過傳動(dòng)齒輪副帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤低速旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)推桿的進(jìn)退動(dòng)作是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速齒輪從而帶動(dòng)螺桿、螺母完成。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，推桿推出，反轉(zhuǎn)時(shí)，推桿退回。滾筒機(jī)構(gòu)位于椰果(本文將已經(jīng)剝?nèi)ヒ碌囊咏y(tǒng)稱為椰果)左側(cè)，由2個(gè)滾筒、1個(gè)電動(dòng)推桿、2個(gè)套筒、1個(gè)壓力傳感器、1個(gè)鐵板、2對(duì)滾筒支架組成，滾筒支架焊接在鐵板右側(cè)，套筒焊接在鐵板左側(cè)且固定在機(jī)架上，由電動(dòng)推桿作為動(dòng)力，推動(dòng)滾筒接觸椰果,滾筒可以防止椰果在切割過程中向左滑出。

椰子殼肉分離機(jī)開始工作時(shí)，啟動(dòng)電源，壓力傳感器6、11、32與位移傳感器19、38開始采集數(shù)據(jù)。先將椰果15放入轉(zhuǎn)盤16中，轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇自動(dòng)工作方式，壓緊電機(jī)1啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)絲桿39使壓頭8向下運(yùn)動(dòng)，直到壓力傳感器6所測(cè)得的壓力達(dá)到設(shè)定值，之后壓緊電機(jī)1停止運(yùn)行，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)18啟動(dòng)，帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪副17，使固定在轉(zhuǎn)盤上的椰果15低速旋轉(zhuǎn)，推桿電機(jī)14啟動(dòng)，滾筒10左移，直到壓力傳感器11達(dá)到設(shè)定值，推桿電機(jī)14停止運(yùn)行。由于初始位置時(shí)，壓頭8與轉(zhuǎn)盤16的凹處距離固定為240 mm，經(jīng)過PLC處理，將該距離減去壓頭壓緊椰果時(shí)壓頭的位移量就能得到椰果的高度，切割臺(tái)26處于初始位置時(shí)，切刀34與椰果15底部處于同一水平線，令切割臺(tái)26上升高度為椰果15高度的一半，則可以滿足切口直徑盡可能大的要求。

接著再由PLC控制升降電機(jī)21，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)絲桿20，升高切割臺(tái)26。在位移傳感器19檢測(cè)切割臺(tái)26到達(dá)椰果的一半高度后，升降電機(jī)21停止運(yùn)行，切割電機(jī)33開始運(yùn)行，并由推桿電機(jī)31驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿30，通過滑軌27和滑塊28帶動(dòng)切割電機(jī)33推進(jìn)，當(dāng)切刀34接觸到椰果15時(shí)，此時(shí)壓力傳感器32還未達(dá)到設(shè)定值，直到切刀34上的限位板接觸到椰果15，且壓力值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，推桿電機(jī)31停止運(yùn)行。并通過PLC的定時(shí)器設(shè)定停止時(shí)間，該時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)略大于椰果15旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間。

完成切割工作后，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)18與切割電機(jī)33停止運(yùn)行，之后推桿電機(jī)31反向運(yùn)行，切割電機(jī)33左移，直到碰觸到行程開關(guān)29時(shí)停止，推桿電機(jī)14反向運(yùn)行，滾筒10右移，直到碰觸到行程開關(guān)13時(shí)停止，升降電機(jī)21反向運(yùn)行，切割臺(tái)26下降，直到碰觸到行程開關(guān)23時(shí)停止，壓緊電機(jī)1反向運(yùn)行，壓頭8上升，直到碰觸到行程開關(guān)4時(shí)停止。當(dāng)4個(gè)行程開關(guān)都接觸時(shí)，則視為一個(gè)工作周期結(jié)束，機(jī)械回到初始位置,之后將切割好的椰子統(tǒng)一冷凍,集中送往椰肉加工中心。由于已經(jīng)切割完成的椰果切口處位于最大直徑處，因此可輕松地將椰殼分離，取出完整的球形椰肉。

注：1.壓緊電機(jī)；2.機(jī)架；3.聯(lián)軸器；4.行程開關(guān)；5.傳動(dòng)螺母；6.壓力傳感器；7.彈簧；8.壓頭；9.套筒；10.滾筒；11.壓力傳感器；12.電動(dòng)推桿；13.行程開關(guān)；14.推桿電機(jī)；15.椰果；16.轉(zhuǎn)盤；17.傳動(dòng)齒輪副；18.轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)；19.位移傳感器；20.傳動(dòng)絲桿；21.升降電機(jī)；22.聯(lián)軸器；23.行程開關(guān)；24.傳動(dòng)螺母；25.螺母導(dǎo)向套；26.切割臺(tái)；27.滑軌；28.滑塊；29.行程開關(guān)；30.電動(dòng)推桿；31.推桿電機(jī)；32.壓力傳感器；33.切割電機(jī)；34.帶有切刀限位板的切刀；35.限位擋塊；36.螺母導(dǎo)向套；37.行程開關(guān)；38.位移傳感器；39.傳動(dòng)絲桿。

圖1 椰子殼肉分離機(jī)示意圖

2 主電路的實(shí)現(xiàn)

壓緊電機(jī)1的正反轉(zhuǎn)分別由KM1、KM2控制，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)18的運(yùn)行由KM3控制，升降電機(jī)21的正反轉(zhuǎn)分別由KM4、KM5控制，切割電機(jī)33的運(yùn)行由KM6控制，推桿電機(jī)14的正反轉(zhuǎn)分別由KM7、KM8控制，推桿電機(jī)31的正反轉(zhuǎn)分別由KM9、KM10控制，其中熔斷器FU1～FU6及熱繼電器FR1～FR6分別用于保證電機(jī)不會(huì)過流、過熱而損壞，如圖2所示。

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

此控制系統(tǒng)共有25個(gè)開關(guān)輸入量、10個(gè)輸出量。在具體使用時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)輸入輸出點(diǎn)數(shù)不足的情況，因此需要留出余量。從可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，選擇PLC的型號(hào)為FX2N-64MR，其外部接線圖如圖3所示。

圖2 主電路圖

圖3 外部接線圖

根據(jù)椰子切割機(jī)的控制要求，有18個(gè)控制按鈕，1個(gè)2檔轉(zhuǎn)換開關(guān)，5個(gè)行程開關(guān)。輸出量包括10個(gè)輸出繼電器。對(duì)PLC的I/O進(jìn)行分配，分別如表1、表2所示。

表1 PLC輸入點(diǎn)分配

續(xù)表1

名稱地址電氣元件功能SB6X007按鈕6推桿電機(jī)14正轉(zhuǎn)SB7X010按鈕7推桿電機(jī)14反轉(zhuǎn)SB8X011按鈕8推桿電機(jī)14停止SB9X012按鈕9轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)18啟動(dòng)SB10X013按鈕10轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)18停止SB11X014按鈕11升降電機(jī)21正轉(zhuǎn)SB12X015按鈕12升降電機(jī)21反轉(zhuǎn)SB13X016按鈕13升降電機(jī)21停止SB14X017按鈕14推桿電機(jī)31正轉(zhuǎn)SB15X020按鈕15推桿電機(jī)31反轉(zhuǎn)SB16X021按鈕16推桿電機(jī)31停止SB17X022按鈕17切割電機(jī)33啟動(dòng)SB18X023按鈕18切割電機(jī)33停止ST1X024行程開關(guān)4壓頭8上限位ST2X025行程開關(guān)13滾筒10左限位ST3X026行程開關(guān)23切割臺(tái)26下限位ST4X027行程開關(guān)29切割電機(jī)33左限位ST5X030行程開關(guān)37壓頭8下限位

表2 PLC輸出點(diǎn)分配

4 模擬量輸入模塊

本系統(tǒng)采用的2個(gè)模擬量輸入模塊分別為FX2N-4AD、FX2N-2AD。模塊與PLC連接及各個(gè)傳感器所對(duì)應(yīng)的通道如圖4所示。其中FX2N-4AD的3個(gè)通道均采用電流輸入，第四個(gè)通道關(guān)閉，F(xiàn)X2N-2AD的2個(gè)通道均采用電壓輸入。圖5為A/D轉(zhuǎn)換輸出特性。

圖4 模擬量輸入模塊接線圖

圖5 A/D轉(zhuǎn)換輸出特性

圖6 控制系統(tǒng)總程序

如圖5所示，通過標(biāo)定[7]，F(xiàn)X2N～4AD的模擬量輸入范圍為4～20 mA，數(shù)字量輸出范圍為0～1 000，F(xiàn)X2N-2AD模擬量輸入范圍為0～5 V，數(shù)字量輸出范圍為0～4 000，壓力傳感器的測(cè)量范圍為0～30 kg，位移傳感器的測(cè)量范圍為0～250 mm，其中壓頭與轉(zhuǎn)盤凹處的固定距離為240 mm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出為3 840。

5 程序設(shè)計(jì)

圖6為控制系統(tǒng)總程序。該控制系統(tǒng)的程序分為手動(dòng)程序、自動(dòng)程序，其中手動(dòng)程序較為簡(jiǎn)單且均采用啟保停電路，因此手動(dòng)控制部分只給出壓緊電機(jī)1的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)18啟動(dòng)、停止的程序，其他電機(jī)的手動(dòng)控制程序與之相似，這里不再贅述。圖7為自動(dòng)控制順序功能圖，當(dāng)轉(zhuǎn)移條件X0、X3成立時(shí)，兩條分支流程S20、S30同時(shí)被激活，即自動(dòng)控制模式和模擬量采樣、處理同時(shí)進(jìn)行。

圖7 自動(dòng)控制順序功能圖

6 仿真與實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用仿真軟件GX-simulator對(duì)圖7的順序功能圖進(jìn)行仿真，如圖8所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該程序能可靠地實(shí)現(xiàn)控制要求。

圖8 仿真界面

7 結(jié)束語

本文基于PLC設(shè)計(jì)了椰子殼肉分離機(jī)電氣控制系統(tǒng)，給出了主電路圖、PLC外部接線圖和自動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)了椰子殼肉分離機(jī)在自動(dòng)控制模式下進(jìn)行椰子的切割。實(shí)驗(yàn)證明椰子殼肉分離機(jī)工作可靠，自動(dòng)化程度高，殼肉分離效果好，對(duì)椰肉的破壞性小，操作簡(jiǎn)單安全，具有一定的推廣使用價(jià)值。