基于PLC控制的氣動(dòng)扦樣管壓拔裝置設(shè)計(jì)

范灼航，楊敬君，劉躍華，羅 斌，陳俊宏，李康潤(rùn)

(廣東省儲(chǔ)備糧管理總公司東莞直屬庫，廣東 東莞 523000)

糧食倉儲(chǔ)行業(yè)肩負(fù)著保障國家糧食安全，履行實(shí)施國家糧食安全戰(zhàn)略的神圣職責(zé)，安全儲(chǔ)糧是糧食保管企業(yè)貫徹落實(shí)國家糧食安全戰(zhàn)略、守住管好“天下糧倉”的重要任務(wù)。糧食檢化驗(yàn)工作則是落實(shí)上述任務(wù)的重要一環(huán)，一批糧食檢化驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否取決于糧食樣品是否真實(shí)且具有代表性，因此，在糧倉中扦取一個(gè)具有代表性的樣品是糧食檢驗(yàn)過程中比較重要的環(huán)節(jié)[1-5]。

近年來，淺圓倉、大直徑筒倉等具有單位倉容造價(jià)低、結(jié)構(gòu)受力合理、機(jī)械化程度高、單倉容量大、占地面積小、密閉性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為我國近幾年大力發(fā)展的主力新倉型；該倉型設(shè)計(jì)倉容多為1～2萬t，裝糧高度從20～40 m不等[6-9]。

傳統(tǒng)扦樣作業(yè)時(shí)，扦樣管的下壓與抽拔都是靠人力完成，且每一截鋼管的續(xù)接都需要重新拆裝助壓器，過程繁瑣，整個(gè)取樣過程中存在工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、取樣效率低等問題，且在扦取12 m以下的糧食樣品時(shí)，需多人聯(lián)合作業(yè)才可艱難推進(jìn)，20 m以下糧食樣品扦取靠人力難以獲取[10-11]。為切實(shí)解決糧食在大型糧食庫倉倉儲(chǔ)過程中糧食樣品扦取效率低、機(jī)械化程度不高、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，廣東省儲(chǔ)備糧東莞直屬庫成立攻關(guān)研發(fā)工作小組，成功研發(fā)了一款氣動(dòng)壓拔扦樣管裝置，但第一代產(chǎn)品控制多以人工手動(dòng)操作為主，操作過程繁瑣，自動(dòng)化程度不高。

為此，通過基于PLC為主控制器，以第一代氣動(dòng)扦樣管壓拔裝置(氣動(dòng)扦樣器)為基礎(chǔ)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一套多模式一鍵控制扦樣裝置作業(yè)的電氣控制系統(tǒng)，有效降低了作業(yè)人員強(qiáng)度，提高了扦樣效率和產(chǎn)品自動(dòng)化水平。

1 半自動(dòng)氣動(dòng)扦樣器的工作原理

1.1 氣動(dòng)扦樣器的機(jī)械機(jī)構(gòu)及工作原理

氣動(dòng)扦樣器機(jī)械部分主要由支架機(jī)構(gòu)、設(shè)于支架系統(tǒng)中構(gòu)成垂直升降運(yùn)動(dòng)的壓拔機(jī)構(gòu)和用于夾緊松弛扦樣管的夾緊機(jī)構(gòu)(夾手)組成。氣動(dòng)扦樣器的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)扦樣器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

該氣動(dòng)扦樣器是采用氣動(dòng)手動(dòng)閥來控制扦樣器各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，其中手動(dòng)閥A用于控制扦樣器壓拔機(jī)構(gòu)上下運(yùn)行并帶動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)(夾手)上升或下降，手動(dòng)閥B用于控制夾手夾緊或松開扦樣管，通過上述兩大機(jī)構(gòu)的組合動(dòng)作得以實(shí)現(xiàn)扦樣管的插入或拔出，以實(shí)現(xiàn)獲取不同深度的糧食樣品。

1.2 半自動(dòng)氣動(dòng)扦樣器的工作原理

上述氣動(dòng)扦樣器雖然實(shí)現(xiàn)了機(jī)械替代人工作業(yè)，大大降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，但其控制過程仍相對(duì)繁瑣，扦樣作業(yè)人員容易出現(xiàn)誤操作。因此，為優(yōu)化產(chǎn)品性能，提高扦樣效率，在原有氣動(dòng)扦樣器的基礎(chǔ)上嵌入了PLC電氣控制系統(tǒng)，整個(gè)工作流程由PLC控制，實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)氣動(dòng)扦樣，達(dá)到了一鍵插管或一鍵拔管的控制效果，減少扦樣作業(yè)人員操作的頻次。半自動(dòng)氣動(dòng)扦樣器的工作流程如圖2所示。

圖2 半自動(dòng)氣動(dòng)扦樣器工作流程

在操作方式上，為滿足不同作業(yè)場(chǎng)景的功能需要，設(shè)計(jì)了手動(dòng)、自動(dòng)插管和自動(dòng)拔管三種控制模式，實(shí)現(xiàn)了分別手動(dòng)單獨(dú)控制和(或)自動(dòng)控制壓拔機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

系統(tǒng)上電后，通過旋鈕選擇工作模式：①手動(dòng)模式：在手動(dòng)模式下可通過對(duì)應(yīng)按鈕控制夾手的上升、下降、夾緊或松開；②自插模式：在自插模式下，按“一鍵啟動(dòng)”按鈕，扦樣管的夾頭會(huì)自動(dòng)定位扦樣管的最高位置，進(jìn)行“定位→夾緊→插入→松開→定位”的循環(huán)動(dòng)作，至最后一次檢測(cè)開關(guān)無法檢測(cè)到扦樣管后停止循環(huán)；③自拔模式:進(jìn)入自拔模式時(shí)，夾手下降至下限位，夾手夾緊，“自拔程序”初始狀態(tài)完成，按“一鍵啟動(dòng)”按鈕，扦樣器夾手上升做“拔管”動(dòng)作至上限位后，夾手松開，復(fù)位至下限位并夾緊夾手，完成一次循環(huán)。

2 PLC控制系統(tǒng)搭建

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC是半自動(dòng)氣動(dòng)扦樣器電氣控制系統(tǒng)的核心，扦樣器的動(dòng)作通過氣缸電磁閥直接和PLC的輸出端相連，控制傳輸信號(hào)采用按鈕、位置開關(guān)等直接和PLC輸入端相連，控制性能穩(wěn)定可靠[12]。根據(jù)對(duì)機(jī)器需求的分析，該控制系統(tǒng)總共需要13個(gè)輸入點(diǎn)和3個(gè)輸出點(diǎn)?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，且整套系統(tǒng)的電氣控制部分應(yīng)盡可能輕便小巧，故選用了FX-2N-24MR PLC控制器，其不僅支持FX-2N系列PLC的大部分功能指令，且適用GX Developer與GX Works2軟件編程、讀取、下載、檢驗(yàn)、診斷、監(jiān)控程序[13]?？刂葡到y(tǒng)的PLC控制器輸入輸出端口的分配如表1所示。

表1 PLC控制器輸入輸出端口分配表

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要分為4大部分，其中包括：基礎(chǔ)程序、手動(dòng)程序、插管程序、拔管程序、基礎(chǔ)程序?yàn)镻LC輸出線圈直接驅(qū)動(dòng)電磁閥的底層程序，是為服務(wù)其他3個(gè)程序而設(shè)計(jì)的；手動(dòng)程序可通過按鈕實(shí)現(xiàn)夾手的夾緊或松開動(dòng)作和夾手的上升或下降動(dòng)作。

2.2.1自動(dòng)插管程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)插入扦樣管程序設(shè)計(jì)思路如圖3所示。機(jī)器在自動(dòng)插管模式時(shí)，分為兩種情況。

圖3 自動(dòng)插管模式程序設(shè)計(jì)思路

第一種情況是：按下按鈕⑤(一鍵啟動(dòng))，夾手的檢測(cè)開關(guān)能檢測(cè)到扦樣管，夾手上升，若夾手上升至上限位仍能檢測(cè)到扦樣管，夾手做一次“插管”動(dòng)作后，夾手松開，夾手做上述循環(huán)動(dòng)作直至夾手在上升尋找扦樣管最高點(diǎn)時(shí)，扦樣管最高點(diǎn)低于夾手的上升限位，系統(tǒng)判斷這次循環(huán)動(dòng)作為最后一次動(dòng)作，斷開循環(huán),“插管→松開”動(dòng)作完成后，機(jī)器待機(jī)，待工作人員拼接好扦樣管后，按“一鍵啟動(dòng)”再次啟動(dòng)循環(huán)。

第二種情況是：按下按鈕⑤(一鍵啟動(dòng))，夾手的檢測(cè)開關(guān)無法檢測(cè)到扦樣管，夾手下降，若下降的過程檢測(cè)到了扦樣管且未到下限位，則執(zhí)行一次第一種情況的“插管→松開”動(dòng)作，完成后機(jī)器待機(jī)，若下降到下限位仍未能檢測(cè)到扦樣管，系統(tǒng)則判斷為無效啟動(dòng)，機(jī)器待機(jī)，待工作人員拼接好扦樣管后，需按“一鍵啟動(dòng)”再次啟動(dòng)。

系統(tǒng)通過上述兩種情況能有效完成“自動(dòng)尋管插管”動(dòng)作，無論夾手初始位置在哪里，在給予一鍵啟動(dòng)命令后，夾手都能自動(dòng)尋找管子最高點(diǎn)，并循環(huán)完成“插管”動(dòng)作，直至當(dāng)前扦樣管已插到機(jī)器所能動(dòng)作的最低點(diǎn)。

2.2.2拔管程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)拔出扦樣管程序設(shè)計(jì)思路如圖4所示。機(jī)器切換至自拔模式，夾手松開后，下降至下限位，此時(shí)存在兩種情況。

圖4 自動(dòng)拔管模式程序設(shè)計(jì)思路

第一種情況是能夠檢測(cè)到扦樣管，夾手夾緊，機(jī)器“自拔”初始狀態(tài)完成，等待啟動(dòng)命令。

第二種情況是未能檢測(cè)到扦樣管，但扦樣人員判斷此時(shí)夾手可以夾住扦樣管，可按按鈕⑤(一鍵啟動(dòng))，夾手夾緊，機(jī)器“自拔”初始狀態(tài)完成，等待啟動(dòng)命令。

機(jī)器“自拔”初始狀態(tài)完成，等待啟動(dòng)命令時(shí)，按下按鈕⑤(一鍵啟動(dòng))，夾手做一次“拔出”動(dòng)作至上限位后，夾手松開，夾手下降到下限位重復(fù)判斷上述情況。

系統(tǒng)通過上述流程能有效完成一次“拔管”動(dòng)作，且設(shè)計(jì)拔管初始狀態(tài)為夾手在下限位夾緊，便于扦樣人員拆卸扦樣管。

3 結(jié)束語

本次半自動(dòng)扦樣器控制系統(tǒng)優(yōu)化改造調(diào)試后，在裝糧品種為玉米、小麥、大麥，裝糧深度為25～35 m的淺圓倉、立筒倉開展了深層扦樣試驗(yàn)，半自動(dòng)氣動(dòng)扦樣器操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定。三種模式均能滿足使用要求，與第一代深層扦樣設(shè)備相比，大量的減少了扦樣作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和扦樣所需的時(shí)間，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的應(yīng)用效果。