一種基于PLC控制的三工位氣動裝袋機設計

黃雙成， 郜海超， 王麗余， 張 軍

(1.河南應用技術職業(yè)學院 機電工程學院， 河南 鄭州 450042；2.西峽神威機械設備有限公司， 河南 西峽 474550)

引言

食用菌產(chǎn)業(yè)歷經(jīng)了幾十年的發(fā)展，經(jīng)歷了“一家一戶，房前屋后”，到集約化、標準化生產(chǎn)，再到引進國外技術發(fā)展工廠化生產(chǎn)，最終形成了傳統(tǒng)栽培與現(xiàn)代化生產(chǎn)并駕齊驅(qū)的產(chǎn)業(yè)格局[1]，伴隨我國農(nóng)業(yè)供給側改革的不斷推進，食用菌行業(yè)步入產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化的新軌道，食用菌工廠化已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必然趨勢[2]。

食用菌工廠化生產(chǎn)是模擬生態(tài)環(huán)境、智能化控制、自動化機械作業(yè)于一體的生產(chǎn)方式[3]。盡管我國食用菌品種眾多，但目前仍以木腐菌生產(chǎn)為主，草腐菌所占比重較小[4]。在木腐菌生產(chǎn)過程中，不管是工廠化還是其他生產(chǎn)方式，拌料、裝袋、滅菌、接種、培育及出菇管理[5]等主要環(huán)節(jié)都是必須實施。其中裝袋環(huán)節(jié)是勞動力需求最密集，勞動強度最大的工序之一，是制約木腐菌生產(chǎn)的關鍵因素之一，文獻[6]利用SolidWorks軟件對螺旋送料進行了模擬和動力分析,為仿生裝袋結構提供了理論依據(jù)；文獻[7]在結構和理論基礎上添加了離合器，讓裝袋具有自動定量功能；文獻[8]分析了當前食用菌培養(yǎng)料裝袋機主要類型，并對立式和臥式裝袋機進行了性能分析；文獻[9]通過單片機控制電動機正反轉(zhuǎn)配合絞龍裝置完成裝袋，同時使用傳感器，使裝袋機具有自動定量和安全防護；文獻[10]引入氣動系統(tǒng)更換了電動機驅(qū)動方式，使產(chǎn)品結構簡單，易于調(diào)試和產(chǎn)品升級。上述文獻都是在裝袋機的操作、安全和效率上升級和改善，并沒有在安全和效率本質(zhì)上得到解決。結合當前食用菌的生產(chǎn)現(xiàn)狀和工廠化生產(chǎn)需求，考慮到氣動技術的高效、安全、低成本的特征[11]，同時具有結構簡單、動作迅速、重量輕和無污染的優(yōu)點[12-14]，設計并制作了一種基于PLC三工位氣動裝袋機，采用三工位布局使套袋和裝袋工序從結構上分開，從結構上徹底改變因工序重疊造成的安全問題，同時各工序獨立運行，沒有等待時間，提升設備工作效率。

1 三工位氣動裝袋裝置組成和工作原理

本系統(tǒng)是針對食用菌生產(chǎn)過程中為裝袋操作的專用設備。料袋規(guī)格為直徑18 cm,長度為58 cm的一端封口的塑料袋。

1.1 三工位氣動裝袋裝置的組成

食用菌代替料栽培裝袋主要工作是將木腐混合料(主要是木屑、麥麩、石膏粉、水等混合物)裝入一定直徑和長度的塑料袋中，且硬度均勻適中，袋口截面整齊。該裝置主要由機器機架、三工位轉(zhuǎn)盤裝置(內(nèi)含絞龍裝置、電磁離合器、轉(zhuǎn)動氣缸和3個套筒)、尾座移動氣缸(抱筒)、位置傳感器系統(tǒng)(內(nèi)含前、中、后3個裝袋位置感器和1個轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動定位傳感器)以及其他輔助裝置等幾部分組成，詳細如圖1所示。

1.機器機架 2.電動機 3.觸摸屏 4.三工位轉(zhuǎn)盤 5.尾座抱筒導向臺 6.尾座導軌 7.三工位旋轉(zhuǎn)氣缸 8.入料口 9.混料室 10.尾座氣缸 11.尾座抱筒圖1 三工位氣動裝袋裝置結構圖

1.2 三工位氣動裝袋裝置的工作原理

系統(tǒng)初始化完成后，三工位轉(zhuǎn)盤套筒上已套上塑料袋且其中工位套筒1(見圖2)與尾座抱筒共線。按下系啟動按鈕，電機啟動，木腐混合料由供料裝置從入料口8進入混料室9，尾座抱筒11由尾座氣缸10帶動沿尾座導軌6快速移動至轉(zhuǎn)盤前端，套在套筒外部；當套筒的前置傳感器檢測到完全裝袋位置后，該工位套筒外端面上的電磁離合器動作，帶動其內(nèi)部的絞龍旋轉(zhuǎn)，絞龍輸送混料室9內(nèi)的混合料往袋內(nèi)裝料，此時尾座抱筒11在尾座氣缸10作用下沿尾座導軌6后往尾座方向工退，利用絞龍推料移動和尾座氣缸移動的速度差完成裝袋操作(裝袋的虛實程度與兩者的速度差成正比)；當裝袋長度到達預定長度后(中置傳感器檢測到位置)，尾座暫停移動，絞龍做延時后停止工作，完成裝袋的袋口料截面收緊工作；待截面收緊完成后，尾座抱筒11快速后退，完成一次裝袋操作；尾座快退至尾部后(后置傳感器檢測到位置)，旋轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)動三工位轉(zhuǎn)盤上的工位套筒2(見圖2)與尾座共線位置，位置確定后，尾座抱筒11由尾座氣缸10帶動快速移動至轉(zhuǎn)盤前端，進行第二袋裝袋操作，依次循環(huán)，完成不停機連續(xù)裝袋操作。

1.3 三工位轉(zhuǎn)盤

三工位轉(zhuǎn)盤是系統(tǒng)的核心部件，主要由絞龍裝置、電磁離合器、轉(zhuǎn)動氣缸和3個套筒組成。詳細結構如圖2所示。

1.電磁離合器 2.三工位法蘭盤 3.絞龍裝置 4.三工位套筒1 5.三工位套筒2 6.三工位套筒3圖2 三工位轉(zhuǎn)盤結構圖

三工位轉(zhuǎn)盤裝置包含3套獨立套筒(每個裝套筒均有內(nèi)絞龍、筒端有電磁離合器)，3個獨立裝套筒在空間上間隔120°，3套獨立裝筒內(nèi)部和混料室相互貫通，三工位轉(zhuǎn)盤固定在機架上，旋轉(zhuǎn)氣缸通過法蘭盤連接，實現(xiàn)按工位轉(zhuǎn)動，同時系統(tǒng)配置有轉(zhuǎn)動到位傳感器，確保在裝袋過程中，使套筒和尾座抱筒在同一軸線上。系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)氣缸完成轉(zhuǎn)動，利用一位置傳感器檢測位置，詳細氣動回路如圖3中三工位旋轉(zhuǎn)氣缸所示。

2 三工位氣動裝袋裝置氣動回路設計

2.1 氣動回路設計

本系統(tǒng)的氣動原理如圖3所示。系統(tǒng)由氣泵、氣源兩聯(lián)件、單向節(jié)流閥、電磁換向閥、雙作用氣缸和三工位旋轉(zhuǎn)氣缸組成。

1YA、3YA:二位五通單電磁換向閥 2YA：二位三通單電磁換向閥圖3 氣動原理圖

2.2 尾座抱筒裝置

木腐菌裝袋操作的核心是尾座的水平移動和三工位套筒內(nèi)絞龍裝置旋轉(zhuǎn)的運動的合成。抱筒裝置固定在尾座的尾座氣缸上，是由上下2個半圓筒構成，由尾座氣缸帶動抱筒沿著導軌在尾座導向臺運動，完成(閉合時)合裝袋和(分開時)脫袋工作操作。尾座抱筒運動規(guī)律為：快進(上筒操作)→工退(工藝裝袋)→快退運動(脫袋)。電磁閥動作與傳感器配合情況如表1所示。氣動控制回路如圖3中尾座氣缸所示。

表1 電磁閥與傳感器情況

3 三工位氣動裝袋裝置電氣控制系統(tǒng)設計

3.1 PLC選型與I/O分配

三工位氣動裝袋裝置的電機為1.0 kW三相交流電機，氣泵電機220 V外部電源供電，傳感器采用三線制金屬式接近開關，電磁離合器采用24 V干式單片電磁離合器，工作溫度-20～50 ℃，工作頻率是60～100次/min。根據(jù)控制要求，需要輸入8路，輸出8路，輸入、輸出具體分配見表2。系統(tǒng)選用抗擾能力強，工作可靠，性價比較高的信捷XC3-24R-E，該型號PLC有14 路輸入，10 路輸出。PLC控制系統(tǒng)接線圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)接線圖

表2 三工位氣動裝袋裝置控制系統(tǒng)I/O分配表

3.2 PLC程序設計

根據(jù)設備工作情況以及裝袋的工藝控制要求，PLC采用邏輯和順序控制形式編寫程序，功能圖如圖5所示。

圖5 PLC控制功能圖

此外系統(tǒng)添加觸摸屏，更加直觀的顯示設備的工作狀態(tài)，方便系統(tǒng)相關參數(shù)的修改與設定。觸摸屏界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)觸摸屏界面

本系統(tǒng)控制的時序性要求精準，位置度要求準確，PLC控制與傳感器的結合很好地解決了這一點，同時在裝袋完成時添加延時程序，保證裝袋工藝，達到袋基的硬度均勻，且封口處斷面平整，便于后期封口操作。此外系統(tǒng)還使用觸摸屏，讓系統(tǒng)相關參數(shù)得以顯示，提高了系統(tǒng)的科技感和設備參數(shù)調(diào)整的方便性。

3 結論

目前該裝置已研制成功，在河南香菇主產(chǎn)區(qū)西峽的幾個食用菌生產(chǎn)基地完成測試，成為公司的定型產(chǎn)品。該氣動裝袋裝置具有以下特征：

(1) 采用氣動實現(xiàn)，充分發(fā)揮了氣壓系統(tǒng)動作迅速，無污染的特征。此外抱筒裝置前進或者后退速度以及裝袋實虛程度，可以通過調(diào)節(jié)在氣路上排氣閥、節(jié)流閥進行相關工藝參數(shù)調(diào)整，方便，避免電氣參數(shù)調(diào)整或者結構設計，讓設備具有結構簡單、成本低、操作方便優(yōu)點；

(2) 三工位的設計布局，在空間上使套袋工序和裝袋2個工序完全錯開，解決傳統(tǒng)裝袋機上套袋和裝袋的工序重合，由于系統(tǒng)故障或者不穩(wěn)定因素給套袋操作者造成嚴重的人身安全事故，從結構上徹底解決了傳統(tǒng)裝袋機因工序位置重合而形成不安全問題；

(3) 旋轉(zhuǎn)氣缸配合三工位轉(zhuǎn)盤，使套袋和裝袋2個工藝在空間上完全錯開，讓套袋和裝袋工藝操作能同時進行，提升設備的效率，相同情況下，與傳統(tǒng)單筒結構相比，減少時間等待，使裝袋效率得以提升；同時氣動+三工位組合，簡化系統(tǒng)的結構，減輕系統(tǒng)的總體重量，便于轉(zhuǎn)場作業(yè)，增加設備的靈活度。

綜上述基于PLC控制的三工位氣動裝袋裝置，大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)安全性，提生了生產(chǎn)效率，促進食用菌生產(chǎn)和食用菌生產(chǎn)的工廠化進程 。