基于PLC 的黑木耳全自動(dòng)菌棒打孔機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 明 ，陳棒棒

（1.阿克蘇地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，新疆阿克蘇843000；2.新疆理工學(xué)院）

黑木耳（Auricularia auricula）屬真菌類擔(dān)子菌綱，又名木耳或木菌，是一種珍貴的食藥兼用真菌[1-2]，含有豐富的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、人體必需氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有抗衰老、抗腫瘤、抗輻射、降血脂、降血糖等功效，被譽(yù)為“菌中之冠”、“素中之葷”[3-4]。黑木耳因其豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值備受歡迎，黑木耳產(chǎn)業(yè)也得到了迅速發(fā)展。目前，黑木耳后期加工已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但前期黑木耳菌棒生產(chǎn)還主要以人工為主、半機(jī)械化為輔，勞動(dòng)量較大、效率較低。基于上述問題，課題組設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)黑木耳菌棒打孔機(jī)，有效解決了菌棒打孔效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)黑木耳產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1，該黑木耳菌棒打孔機(jī)主要包括打孔針、打孔筒、氣缸、接近開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)、推送板、電容式感應(yīng)器、控制箱等。

1.2 工作原理

菌棒打孔機(jī)運(yùn)行時(shí)，步進(jìn)電機(jī)2 接收信號(hào)工作，帶動(dòng)菌棒傳送帶2 將菌棒逐個(gè)輸送至推送槽，菌棒進(jìn)入推送槽之后電容式感應(yīng)器接收信號(hào)，切斷步進(jìn)電機(jī)2 的運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)通推送氣缸工作。當(dāng)推送板至接近開關(guān)2 時(shí)，推送氣缸達(dá)到極限位開始回程，同時(shí)1 s 后打孔氣缸打孔，打孔針中部運(yùn)動(dòng)到接近開關(guān)1 后開始回程，當(dāng)推送板回到接近開關(guān)3 位置后停止，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)2 接收接近開關(guān)3 的信號(hào)，傳送下一個(gè)菌棒，菌棒打孔機(jī)進(jìn)入下一個(gè)工作周期，推送板將菌棒推送至打孔筒，同時(shí)將上一個(gè)菌棒推送至傳送帶1，以此往復(fù)工作實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)打孔。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制需求分析

該黑木耳全自動(dòng)菌棒打孔機(jī)工作時(shí)需實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)、全自動(dòng)的要求，控制需求如下：機(jī)器運(yùn)行之后，菌棒傳送帶1 持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)來傳送已打孔的菌棒；傳送帶2 需周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)送一個(gè)未打孔菌棒；推送氣缸周期性工作，主要配合傳送帶2和打孔氣缸，推送氣缸推程時(shí)傳送帶2停止工作，推送氣缸回程時(shí)，打孔氣缸運(yùn)行打孔。在此控制系統(tǒng)中，由接近開關(guān)與電容式感應(yīng)器判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否到達(dá)指定位置，具體工作流程如圖2。

2.2 控制方案設(shè)計(jì)

該黑木耳全自動(dòng)菌棒打孔機(jī)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)、傳感器模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、執(zhí)行模塊組成。其中，上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人工操作和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[5-6]；傳感器模塊主要包括接近開關(guān)和電容式感應(yīng)器，主要采集執(zhí)行模塊的位置信息；運(yùn)動(dòng)控制模塊采用西門子PLC作為核心控制器，通過指令實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制；驅(qū)動(dòng)模塊主要是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電磁閥，來控制步進(jìn)電機(jī)和氣缸的運(yùn)動(dòng)[7-8]；執(zhí)行模塊包括步進(jìn)電機(jī)、氣缸、機(jī)械機(jī)構(gòu)等，實(shí)現(xiàn)菌棒的傳輸與打孔。不同模塊之間相互協(xié)調(diào)，共同完成黑木耳菌棒的傳輸、推送、打孔等工序，控制方案如圖3。

2.3 控制硬件設(shè)計(jì)

（1）PLC。PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，在系統(tǒng)中采集、分析和處理傳感器信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合PLC功能特性，本系統(tǒng)選取輸入輸出接口為24/16 的西門子S7-200 的 PLC，CPU 型號(hào)為 226，I/O 分配如表 1，PLC 外部接線圖如圖4[9-10]。

圖3 控制方案

圖4 PLC 外部接線圖

（2）步進(jìn)電機(jī)。整個(gè)控制系統(tǒng)的輸送是由步進(jìn)電機(jī)來完成的，在傳動(dòng)帶上，全部排滿黑木耳菌棒約15個(gè)，每個(gè)菌棒質(zhì)量平均為1.25 kg，傳動(dòng)帶旋轉(zhuǎn)直徑0.2 m，傳動(dòng)效率98%（同步帶），傳動(dòng)比假定為1，則有[10]：

T=D/2×m×1/η×1/i=1.913 N·m

式中D—傳動(dòng)帶旋轉(zhuǎn)直徑（m）；m—傳動(dòng)帶上質(zhì)量（kg）；η—機(jī)械傳動(dòng)效率；i—傳動(dòng)比。

根據(jù)工作扭矩大小，選取兩臺(tái)57HS22 步進(jìn)電機(jī)，靜轉(zhuǎn)矩2.3Nom，步距角1.8，額定電流3A。選取57 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DM542，連續(xù)輸出電流為4.2 A。

（3）傳感器。本系統(tǒng)傳感器模塊主要包括接近開關(guān)與電容式感應(yīng)器，接近開關(guān)選取LJ12A3-4-Z/BX 三線NPN型金屬接近開關(guān)，檢測(cè)距離4 mm；電容式感應(yīng)器選取洛施達(dá)M18電容式非金屬接近開關(guān)，檢測(cè)距離為1～5mm，可適用于高溫、潮濕等惡劣環(huán)境，滿足該系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

程序驗(yàn)證使用TT-PLC-4 型箱式PLC 實(shí)驗(yàn)裝置，PLC控制器為西門子S7-200，CPU226CN，進(jìn)行PLC 與PC 端的通信，將程序下載至PLC 控制器中，在運(yùn)行模式下，按下開機(jī)按鈕（I0.0 輸入端）,根據(jù)菌棒打孔機(jī)工作原理，模擬輸入信號(hào)，觀察輸出指示燈的變化（工作狀態(tài)），驗(yàn)證PLC梯形圖程序的正確性，如圖5。

圖5 PLC 模擬驗(yàn)證

在圖5 中，按下啟動(dòng)按鈕，工作指示燈常亮，2 個(gè)步進(jìn)電機(jī)開始運(yùn)行，同時(shí)模擬菌棒到達(dá)指定位置，觸發(fā)非金屬接近開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)2 停止運(yùn)轉(zhuǎn)，1 秒后指示燈1（推送氣缸）亮，到達(dá)推送位置之后，指示燈1 滅，1 秒后指示燈2（打孔氣缸）亮，達(dá)到指定位置后，觸發(fā)接近開關(guān)，指示燈2滅，步進(jìn)電機(jī)2開始工作，繼續(xù)下一次操作。試驗(yàn)過程中，程序可以按照設(shè)定的工作原理進(jìn)行工作。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了黑木耳菌棒自動(dòng)打孔機(jī)構(gòu)方案，在機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，研究了一套基于西門子PLC控制器的全自動(dòng)菌棒打孔系統(tǒng)，改善了菌棒打孔作業(yè)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題。

（2）該控制系統(tǒng)包括菌棒的自動(dòng)輸送、自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)打孔，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制及輸送。通過試驗(yàn)?zāi)M，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性及穩(wěn)定性。