基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜切割機

蘇偉樂　李金燦　黎智聰　王為憑

摘 要：為提高蔬菜切割效率，設(shè)計一種基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜切割機。文中的自動切菜系統(tǒng)使用PLC、觸摸屏、網(wǎng)關(guān)作為現(xiàn)場和物聯(lián)網(wǎng)云端的控制流程執(zhí)行信號的控制核心，前端配套金屬傳感器與紅外傳感器，滿足切菜條件后由PLC輸出開關(guān)信號到變頻器，啟動切菜控制電機和傳送帶電機，實現(xiàn)自動切割與運輸蔬菜的功能。該系統(tǒng)能使用手機APP及現(xiàn)場自動控制，具有較優(yōu)的控制特性，有較好的推廣意義。

關(guān)鍵詞：蔬菜自動切割;物聯(lián)網(wǎng)云端;觸摸屏;PLC;變頻器;APP

中圖分類號：TP271文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）03-0-03

0 引 言

自動切割機是將傳統(tǒng)的手工切菜以現(xiàn)代化的自動過程完成的替代品，可以將投入的蔬菜切成粒、片、塊等形狀。人長久保持切菜動作難免會麻木出錯，影響菜品質(zhì)量和產(chǎn)生人身傷害風險。在講究效率和以人為本的現(xiàn)代社會，依靠人力去處理大量的蔬菜是不可取的，因此蔬菜的自動切割處理越發(fā)引人關(guān)注[1-2]。本設(shè)計是結(jié)合省級大創(chuàng)項目而確定的設(shè)計類課題，設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)瓜類蔬菜的高效切片或切塊。

經(jīng)調(diào)研、討論確定設(shè)計方案：在手動啟停與恒速的切割機基礎(chǔ)上，加裝金屬傳感器與紅外傳感器，實現(xiàn)滿足條件的啟動與不滿足條件的停機及切菜傳菜速度可調(diào)，并將系統(tǒng)運轉(zhuǎn)信息通過PLC采集后發(fā)送到觸摸屏和網(wǎng)關(guān)上云，從而實現(xiàn)現(xiàn)場與云端監(jiān)控[3]。

采用信捷XC3標準系列的PLC，實現(xiàn)邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)等功能，這是整個系統(tǒng)的核心。此外，在RS 485通信協(xié)議下，網(wǎng)關(guān)可以實時獲取PLC內(nèi)部元件的工作狀態(tài)，從而在云端后臺實時監(jiān)控系統(tǒng)[4-5]。

1 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計主要根據(jù)蔬菜自動切割系統(tǒng)的工作原理，PLC的工作原理，以及傳感器前端檢測與信號輸出原理，進行軟硬件以及人機界面設(shè)計，在自動化和安全性上能達到既定的目標。

蔬菜切割和傳送是設(shè)計的關(guān)鍵，力求做到蔬菜切割均勻;其次是安全性問題，只要有人操作的地方就要添加防止誤傷人體的功能;然后是整套設(shè)備的體積問題，如果太大將不實用;最后是添加物聯(lián)網(wǎng)控制監(jiān)測[6]。

綜上，所需設(shè)備及技術(shù)包括：電氣控制部分有空氣開關(guān)、信捷PLC以及模擬量輸出模塊、信捷觸摸屏、變頻器、電源模塊、對射型紅外柵欄傳感器、金屬渦流傳感器，需要掌握電氣控制技術(shù)、組態(tài)設(shè)計技術(shù)、變頻器外部信號輸入啟動和調(diào)頻技術(shù)、低壓電路回路接線技術(shù);切割部分有2臺單進單出單相電機、傳送帶、金屬機架與部件、動力輸出帶以及鏈條、龍門吊型切刀;創(chuàng)新功能部分有人防安全設(shè)置、物聯(lián)網(wǎng)功能，需要根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)結(jié)合實際要求進行添加控制功能的理念和能力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 PLC選型及I/O接線

根據(jù)系統(tǒng)工藝、運行要求，確定PLC型號為信捷XC3-32R-E，輸入/輸出I/O的點數(shù)為16 /16點，并根據(jù)控制變頻器的需要，選擇了模擬量輸出擴展BD板。PLC的I/O接線圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計

切菜系統(tǒng)主要由變頻器、三相異步電機、切刀、傳送帶、金屬傳感器、紅外光柵傳感器、觸摸屏組成。

3.1.1 硬件選型

變頻器采用基于PWM控制的單相輸出的變頻器，可設(shè)置為手動控制或外部控制模式，控制模式可通過外接設(shè)備進行遠程控制進行調(diào)頻，能實現(xiàn)0～50 Hz范圍之間的頻率改變，型號分別為AT2-1500X、AT2-0450X，工作電源電壓為200 V，帶有滑差補償功能，對于沖擊性負載有良好的適應(yīng)性，可保證電機的輸出轉(zhuǎn)速恒定[7]。

觸摸屏TG765S的液晶可在環(huán)境溫度25 ℃下壽命50 000 h以上，環(huán)境運行溫度在0～50 ℃之間，存儲溫度在-20～60 ℃之間，運行濕度10%RH～90%RH（無凝露）之間，支持RS 232通信方式，可通過USB-B接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸，提高工作效率。

菜刀電機采用臥式370 W，220 V的單相電機YL90L-6。單相電機YL90系列單相雙值電容電動機的起動轉(zhuǎn)矩較大，可達40 N·m以上，滿足菜刀動力需求，額定轉(zhuǎn)速可達900 r/min。傳送帶電機采用臥式370 W，220 V的單相感應(yīng)電機YY7134，啟動轉(zhuǎn)矩達30 N·m以上，滿足傳送帶運轉(zhuǎn)需求，額定轉(zhuǎn)速[8]可達1 400 r/min。菜刀的運動方向卻是垂直雙向的，而電機的運動方向是旋轉(zhuǎn)型的，所以菜刀與電機的動力方向需要轉(zhuǎn)換，于是選用傳統(tǒng)的曲柄連桿裝置，它能相互轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)方向和垂直方向的動力。由于周長大的圓與周長小的圓旋轉(zhuǎn)同一角度，大圓的運動距離跟遠，故電機的轉(zhuǎn)子外加一個大一些的傳送帶卡槽，然后通過傳送皮帶間接傳輸動力以提高菜刀的速度。

安全蓋使用的傳感器為金屬渦流傳感器[9]。當安全蓋打開時，安全蓋上的金屬會脫離金屬渦流傳感器的檢測范圍，傳感器此時會反饋一個信號給PLC，PLC再根據(jù)程序進行停機處理。檢測蔬菜的傳感器則選用數(shù)字變頻紅外光柵探測器，紅外探測器分發(fā)送端和接收端兩部分，能在-40～70 ℃環(huán)境溫度下正常運行，且靈敏度高，僅需遮擋紅外線30 ms即可檢測出物品，探測距離大，使用低頻的紅外線進行探測，對有紅外線的家用電器無任何干擾，擁有智能光強檢測，降低功耗又可分辨出燈光和太陽光，可抗水珠、霧氣干擾，非常符合工作場景。設(shè)備開啟并運作時，當紅外探測器檢測到蔬菜，PLC會根據(jù)選擇的設(shè)置進行加工處理，如5 s未檢測到有新的物品放入，PLC會使電機進入暫時停機模式以節(jié)能。

3.1.2 硬件搭建

首先將兩個電動機以臥式方式安裝在鐵架的最下方，以避免固定電動機的螺絲在工作時避免因重力的干擾而容易出現(xiàn)松動;而且采用U型槽來固定電動機，電動機在U型槽中可以實現(xiàn)1 cm左右的微調(diào)，方便以后進行優(yōu)化。然后在鐵架上方安裝傳送帶。由于傳送帶的使用占據(jù)了蔬菜切割機的所有過程，故對傳送帶的安裝進行優(yōu)化。傳送帶的出菜口端是固定的，入菜口端則是通過較長的螺絲與帶有相應(yīng)螺絲孔的鐵桿軸之間的咬合進行拉伸固定。因此傳送帶可調(diào)節(jié)松緊度以解決傳送帶使用久后出現(xiàn)松動這一問題，且方便拆卸、清洗。在應(yīng)對較輕的蔬菜時，可將傳送帶放松一些，減小電動機的工作負荷;而在應(yīng)對較重的蔬菜時，可以適當?shù)膶魉蛶Юo[10]。

為了避免水滴、殘渣接觸到電機和提高切割機的清洗的簡易度，在傳送帶下方安裝一個隔絕的擋板，在擋板上面放入一個寬矮的廢棄物收集槽用以收集殘渣和水滴，收集槽可像抽屜一樣完全拉出，待清洗后再放入即可。裸露的菜刀并不安全，而全封閉的又不方便清洗、維護，故在傳送帶上方的菜刀的前后位置安裝一個凸型鐵皮，避免菜刀裸露在外面，然后在離菜刀近的出菜口端安裝上保護蓋及金屬渦流傳感器，入菜口端離菜刀較遠，需要伸入2/3的手臂才能接觸到菜刀，因此較為安全。紅外光柵則安裝在入菜口端的左右兩邊。對于PLC、變頻器、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、天線和空氣開關(guān)等器件，采用模塊化安裝，統(tǒng)一將它們安裝在全封閉的木箱中，木箱可掛于切割機的兩側(cè)，當需要進行常規(guī)檢查或者有器件損壞時，可針對性進行統(tǒng)一檢查或維修，這樣就不會出現(xiàn)因設(shè)備內(nèi)部雜亂且空間不足而難以對各個器件進行拆除、維修等問題，方便后期維護。切菜機硬件圖如圖3所示。

3.2 PLC軟件設(shè)計

程序設(shè)計需要按照作品預期想要實現(xiàn)的功能進行設(shè)

計[11]。整套程序分多個模塊，雖各自功能不同，卻又相互聯(lián)系、缺一不可。為了能達到預期的控制效果，每一項功能的程序必須細致編寫，提防在系統(tǒng)運行時可能出現(xiàn)的邏輯錯誤而導致的運行失敗。自動切菜機運轉(zhuǎn)流程如圖4所示。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)功能設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)功能在本項目的具體應(yīng)用為：在原基礎(chǔ)控制平臺上加裝廣州智嵌公司自主研發(fā)的萬能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為監(jiān)控中介，如圖5所示，利用485通信方式、Modbus通信協(xié)議對PLC的內(nèi)部寄存器與繼電器進行讀/寫操作。流程為網(wǎng)關(guān)讀取到PLC的數(shù)據(jù)先上傳到中國移動OneNET平臺，最后由智嵌公司的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺上后端做可視化[12]，如圖6所示;而寫數(shù)據(jù)則在平臺上定義按鈕路徑，通過在平臺上做相關(guān)控制操作，通過云端及手機APP開發(fā)，亦借由網(wǎng)關(guān)將控制信號傳送到PLC，再執(zhí)行相關(guān)動作，從而實現(xiàn)控制功能，如圖7所示。

3.4 系統(tǒng)調(diào)試

前期所有準備工作包括：檢測控制系統(tǒng)與主硬件完整接線、變頻器和電機及傳感器等各硬件信號響應(yīng)和輸出是否正常、PLC與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)各自程序模擬運轉(zhuǎn)正常、觸摸屏人機界面設(shè)計及連接PLC。

測試結(jié)果：控制方面，觸摸屏以及云端物聯(lián)網(wǎng)APP可以根據(jù)系統(tǒng)反饋運行條件手動啟停，以及自動進入運行與待機自循環(huán)判斷執(zhí)行環(huán)節(jié)，并能調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速;運行數(shù)據(jù)方面，在觸摸屏現(xiàn)地以及物聯(lián)網(wǎng)云端顯示。但亦存在傳送帶的工作過程不太流暢，團隊更換了其材質(zhì)以及調(diào)節(jié)松緊度，最終較好解決問題。運轉(zhuǎn)信息結(jié)合經(jīng)濟以及實用因素考慮后設(shè)定為10 s上傳1次到云端后臺，但可實時下發(fā)控制量。

4 結(jié) 語

本項目在實驗室完成了軟件虛擬運行與硬件實際運轉(zhuǎn)設(shè)計與組裝調(diào)試，實現(xiàn)了放入蔬菜后即可自動切菜的預期功能。同時也表明，PLC作為控制核心可以實現(xiàn)非常清晰的邏輯控制，搭配傳感器可以提升傳統(tǒng)控制模式的智能化水平，同時配合人機界面和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、手機APP功能或使系統(tǒng)有優(yōu)異的控制性能。

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