基于PLC的棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計研究

余智勇

（神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西 神木 719300）

可編程邏輯控制器（Programmable logic controller，PLC）已成功應(yīng)用于秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[1-4]中，不僅可以保證系統(tǒng)自動化控制，還能采用遠(yuǎn)程診斷的方式實(shí)時分析和解決系統(tǒng)故障，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證生產(chǎn)效率和效果，降低系統(tǒng)故障維修成本和生產(chǎn)成本。但目前尚無針對棉花秸稈打包的相關(guān)研究。因此，為了滿足棉花副產(chǎn)品加工企業(yè)的生產(chǎn)需求，科學(xué)設(shè)計基于PLC的棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)是相關(guān)人員應(yīng)該思考的問題。

1 系統(tǒng)工作原理

針對棉花秸稈具有莖稈細(xì)長、含水量較高、韌性強(qiáng)等特點(diǎn)，完成了基于PLC的棉花秸稈（初步切碎后）打包機(jī)控制系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計，同時對喂料裝置調(diào)速器和打包桶的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到均勻鋪墊處理棉花秸稈碎料的目的，避免因棉花秸稈局部堆積而對壓板造成損壞。此外，利用液壓缸對棉花秸稈進(jìn)行壓縮打包處理，并利用排水濾網(wǎng)排出棉花秸稈內(nèi)過多的水分，以滿足干燥處理棉花秸稈的目的。在打包桶的具體設(shè)計中，主要利用關(guān)門打包的方式，盡可能降低整個打包機(jī)的尺寸，從而提高該系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能。最后，將捆扎處理后的棉花秸稈推送到指定的運(yùn)輸帶，由運(yùn)輸帶將其運(yùn)走，棉花秸稈打包操作結(jié)束。該棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)主要借助PLC編制程序，可實(shí)現(xiàn)對棉花秸稈的自動化打包處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于PLC的棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。從圖1可以看出，系統(tǒng)硬件主要由PLC（主機(jī)與擴(kuò)展模塊）、現(xiàn)場執(zhí)行元件（模擬量輸入輸出模塊）、現(xiàn)場信號（開關(guān)量輸入／輸出擴(kuò)展模塊）和人機(jī)界面4個部分組成。

圖1 棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計示意圖[5]

2.1 PLC選型

優(yōu)先選用DVP-80EH00R2系列PLC。該型號的PLC所采用的輸入、輸出模式主要以40路為主，具有信息存儲量大、運(yùn)算高效便捷、易擴(kuò)展等特征[6]，完全符合棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)擴(kuò)展功能開發(fā)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2.2 模擬量輸入輸出模塊設(shè)計

模擬量輸入輸出模塊作為系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心和關(guān)鍵，在其具體設(shè)計中，主要做好對控制系統(tǒng)（I/O）相關(guān)設(shè)備的合理分配，I/O分配表是后期PLC控制系統(tǒng)程序編寫以及現(xiàn)場接線操作的依據(jù)。因此，為了保證棉花秸稈打包機(jī)的自動化控制效果[7]，現(xiàn)列出如表1所示的輸入信號分配表和表2所示的輸出信號分配表。此外，在起動、保持、停止（起保停）電路的具體設(shè)計中，主要借助于線圈、觸點(diǎn)相關(guān)的指令，完成對此電路的科學(xué)編程。同時，應(yīng)嚴(yán)格按照控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，精確把控PLC控制系統(tǒng)的整個自動化控制過程，根據(jù)表1、表2所示的I/O分配表完成對順序功能的設(shè)計。

表1 輸入信號分配表

表2 輸出信號分配表

2.3 開關(guān)量輸入／輸出擴(kuò)展模塊設(shè)計

根據(jù)棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)的使用需求，利用DVP-80EH00R2系列PLC，在結(jié)合開關(guān)量輸入、輸出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求的基礎(chǔ)上，設(shè)置如表3所示的16HM1lN型開關(guān)量輸入擴(kuò)展模塊與08HNIllR型開關(guān)量輸出擴(kuò)展模塊。

表3 不同擴(kuò)展模塊對比

2.4 人機(jī)界面設(shè)計

該系統(tǒng)以使用DOP-A80THTD1型8英寸人機(jī)界面為主。該類型界面具有分辨率高、信息存儲量大、串行通信能力強(qiáng)、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，可在任何工作環(huán)境中應(yīng)用。

3 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

棉花秸稈打包機(jī)系統(tǒng)主要由6部分組成，分別是喂料裝置、捆扎裝置、動力裝置、壓縮裝置、傳送裝置和控制箱[8]。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。

圖2 棉花秸稈打包機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

3.2 喂料裝置設(shè)計

喂料裝置主要由料斗箱和喂料輪2個部分組成。喂料輪主要由含有6個葉片的鐵輪組成，將其安裝在料斗箱出口處，借助PLC控制系統(tǒng)程序?qū)﹄妱訖C(jī)進(jìn)行開啟操作，并結(jié)合電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對喂料速度進(jìn)行科學(xué)控制[9]。當(dāng)電動機(jī)停止運(yùn)行時，喂料輪可以及時收集棉花秸稈碎塊，避免碎塊滑出。同時，通過控制PLC喂料輪轉(zhuǎn)速對棉花秸稈喂入量進(jìn)行調(diào)整，以滿足相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)需求。打包喂料量（V，m3）計算公式為V＝ant（a代表喂料喂入效率，m3·r－1；n代表轉(zhuǎn)速，r·min－1；t代表單次運(yùn)轉(zhuǎn)喂料時間，min）。

3.3 壓縮和傳送裝置設(shè)計

壓縮裝置主要由壓板、液壓缸和打包桶3個部分組成；其中打包桶上安裝2種設(shè)備，分別是開門鎖和推包叉。當(dāng)棉花秸稈打包處理結(jié)束后，PLC控制系統(tǒng)程序?qū)﹂_門鎖進(jìn)行自動化控制[5]，使其處于打開狀態(tài)，確保打包桶能夠順利地開門出包。此外，還要借助推包叉對鉸鏈進(jìn)行轉(zhuǎn)動操作，實(shí)現(xiàn)對棉花秸稈包的快速推出，確保其安全、可靠地轉(zhuǎn)移到傳送帶上，以達(dá)到連續(xù)打包的目的[10]。傳送裝置開門鎖的結(jié)構(gòu)功能圖見圖3。

圖3 開門鎖的結(jié)構(gòu)功能圖

3.4 捆扎裝置設(shè)計

捆扎裝置主要用于對打包完畢的棉花秸稈進(jìn)行捆扎處理。該裝置需要利用PLC控制系統(tǒng)，對捆扎輪進(jìn)行控制，將打包好的棉花秸稈捆扎于指定位置后[11]，將其反向收緊，當(dāng)鋼扣扣緊后，利用剪切裝置，剪斷棉花秸稈包上的捆扎帶，即完成一次智能化捆扎。隨后，在PLC控制系統(tǒng)程序不斷運(yùn)行下，該裝置循環(huán)進(jìn)行捆扎工作。捆扎裝置的結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 捆扎裝置的結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證基于PLC的棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對該系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)：首先，將該系統(tǒng)的工作壓力和額定功率分別設(shè)置為19.6 MPa、5kW；然后，將自動打包機(jī)的直徑和高度分別設(shè)置為46cm、66cm，根據(jù)棉花秸稈打包需求，利用PLC控制系統(tǒng)相關(guān)程序以及行程開關(guān)[12]，完成對成包高度的合理調(diào)控。在每次打包處理期間，其切塊含水量會呈現(xiàn)出一定程度的波動，但是該系統(tǒng)整體工作效率一直維持在1.2 ～1.5 t·h－1。這說明系統(tǒng)運(yùn)行正常穩(wěn)定，完全符合棉花秸稈打包處理需求。

5 小結(jié)

目前，大部分棉花秸稈打包機(jī)主要利用繼電器控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性較差，難以滿足棉花生產(chǎn)需求。而利用PLC對棉花秸稈打包機(jī)進(jìn)行改造后，系統(tǒng)運(yùn)行性能尤其是穩(wěn)定性和可靠性得以顯著提升，可提高棉花副產(chǎn)品開發(fā)利用企業(yè)的生產(chǎn)效率和效果，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的最大化提供有力的保障。