一種PLC控制的兩工位自動(dòng)裝袋裝置設(shè)計(jì)

黃雙成，郜海超，趙戰(zhàn)國(guó)，劉士林，張 軍

（1.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450042；2.河南銘匠電氣有限公司，鄭州451191；3.西峽神威機(jī)械設(shè)備有限公司，河南西峽 474550）

0 引言

中國(guó)是食用菌生產(chǎn)大國(guó)，2019年我國(guó)食用菌總產(chǎn)量達(dá)3 961萬(wàn)噸［1］，居世界第一位。食用菌產(chǎn)業(yè)是一項(xiàng)富民產(chǎn)業(yè)［2］，全國(guó)有超過(guò)70%的貧困地區(qū)將食用菌產(chǎn)業(yè)作為帶動(dòng)農(nóng)民脫貧致富的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)支持［3］，食用菌產(chǎn)業(yè)自此走向了發(fā)展的快車道。

食用菌以料基劃分，主要有木腐菌和草腐菌2種。無(wú)論哪種方式，裝袋是袋料栽培的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也是用工量最多，勞動(dòng)強(qiáng)度最大的工序之一。除環(huán)境因素外，勞動(dòng)力成本已經(jīng)成為制約食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素［4］，面對(duì)農(nóng)村勞動(dòng)力短缺和當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)菌袋裝料設(shè)備研究主要以菌袋裝料作業(yè)的單工序設(shè)備為主的局面［5］，研制一種應(yīng)用于國(guó)內(nèi)農(nóng)村市場(chǎng)的袋料自動(dòng)裝袋裝置十分必要，也是推動(dòng)農(nóng)村食用菌產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵。

在食用菌袋料栽培研究基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［6］通過(guò)單片機(jī)、傳感器、電動(dòng)機(jī)配合絞龍裝置完成裝袋，提升了食用菌裝袋環(huán)節(jié)的安全性；文獻(xiàn)［7］更換驅(qū)動(dòng)方式，引入氣動(dòng)系統(tǒng)，使裝袋機(jī)在運(yùn)行、參數(shù)調(diào)整的便捷性方面得到改善；文獻(xiàn)［8］引入三工位轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，充分利用套袋工作間隙，使套袋和裝袋在空間分離，提升設(shè)備安全性，同時(shí)提升工作效率。上述文獻(xiàn)在食用菌裝袋的實(shí)現(xiàn)方式、安全性和工作效率上進(jìn)行了改善和升級(jí)，但還是手動(dòng)作業(yè)，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)套—裝一體化，裝袋的勞動(dòng)強(qiáng)度并沒(méi)有得到明顯改善，食用菌自動(dòng)裝袋設(shè)備還待繼續(xù)研究。

結(jié)合當(dāng)前農(nóng)村食用菌產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和未來(lái)工廠化需求，考慮到氣動(dòng)技術(shù)的特征和優(yōu)點(diǎn)［9］，設(shè)計(jì)一種PLC控制的兩工位自動(dòng)裝袋裝置。利用PLC控制和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)完成取袋［10］、開(kāi)口、撐袋、套袋、裝袋5個(gè)基本動(dòng)作，從而完成自動(dòng)套袋、自動(dòng)裝袋的工藝操作，徹底解決袋料栽培中裝袋環(huán)節(jié)勞動(dòng)強(qiáng)度大［11］、自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，加快食用菌產(chǎn)業(yè)裝備轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)農(nóng)村食用菌產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1 兩工位自動(dòng)裝袋裝置組成和工作原理

1.1 裝置的組成

兩工位自動(dòng)裝袋裝置主要由機(jī)架本體、觸摸屏、兩工位轉(zhuǎn)盤、自動(dòng)套袋、自動(dòng)裝袋等部分組成，見(jiàn)圖1所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of bag device

1.2 裝置的工作原理

按照人工裝袋的工藝操作規(guī)范，將兩工位自動(dòng)裝袋裝置抽象為以下幾個(gè)工藝部分：取袋→送袋→開(kāi)口→撐袋→套袋→工位盤轉(zhuǎn)動(dòng)→尾座前移→裝袋（絞龍旋轉(zhuǎn)）→成品袋入倉(cāng)等。工作流程如圖2所示。

圖2 裝袋裝置工作流程圖Fig.2 Working flow chart of bag device

裝置將混合料料基自動(dòng)裝入直徑為18 cm，長(zhǎng)58 cm塑料袋中，且裝袋硬度均勻，完成后自動(dòng)放入成品落料倉(cāng)內(nèi)。基本工作過(guò)程如下：

裝置初始化后，送料機(jī)構(gòu)將裝袋混合料（木屑、麥麩、石膏粉等）送入料斗中，入料口中的攪拌裝置將混合料推進(jìn)混料室，此時(shí)上吸盤運(yùn)行到儲(chǔ)料倉(cāng)上方，完成吸袋；并攜帶空袋運(yùn)動(dòng)至下吸盤上方，到位后下吸盤動(dòng)作完成開(kāi)袋操作；之后撐袋裝置中的上下鴨嘴向后方移動(dòng)，進(jìn)入空袋后，鴨嘴張開(kāi)完成撐袋操作；張開(kāi)后的鴨嘴沿著導(dǎo)軌向轉(zhuǎn)盤的料筒移動(dòng)，套在料筒外壁上，隨后鴨嘴快速退出完成套袋；此時(shí)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過(guò)180°，讓兩工位套筒（已套袋的料筒）與尾座抱筒共線，尾座抱筒快速套在裝袋筒上，絞龍裝置運(yùn)動(dòng)，混合料推動(dòng)尾座抱筒向后移動(dòng)，檢測(cè)裝滿后，尾座快速向后移動(dòng)，裝滿的袋子進(jìn)入成品落料倉(cāng)完成裝袋操作；與此同時(shí)兩工位的另外一個(gè)重新進(jìn)入套袋工位，進(jìn)行套袋作業(yè)，實(shí)現(xiàn)裝置在相同時(shí)間內(nèi)完成套袋和裝袋。

2 裝置的氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

裝置中絞龍裝置使用三相交流電機(jī)拖動(dòng)，其他部件均采用氣動(dòng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)氣缸完成轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，下、上吸盤開(kāi)口，鴨嘴撐袋、套袋以及抱筒的共進(jìn)和快速回退實(shí)現(xiàn)裝袋等動(dòng)作，從而完成取袋、開(kāi)袋、撐袋、套袋和裝袋等5個(gè)工藝流程自動(dòng)化作業(yè)，氣動(dòng)回路如圖3所示。

圖3 裝置氣動(dòng)回路圖Fig.3 Pneumatic circuit diagram of bag device

3 裝置電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC選型與I/O分配

根據(jù)兩工位自動(dòng)裝袋裝置的工藝需求和PLC選型的基本原則，裝置選用信捷PLC（XC3-24R-E型）做主控單元，配合電磁離合器和多個(gè)位置傳感器，同時(shí)加配I/O擴(kuò)展模塊（XCE16PXYR-E型），實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的全面控制要求，系統(tǒng)I/O分配如表1所示。

表1 裝袋裝置系統(tǒng)I/O分配表Tab.1 I/O allocation table of bag device system

3.2 裝置PLC電氣控制接線圖

根據(jù)食用菌裝袋工藝要求，按照工藝完整、時(shí)序準(zhǔn)確原則，裝置選用PLC配合傳感器、電磁閥［12］、觸摸屏等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能，其裝置控制系統(tǒng)主電路如圖4所示；裝置PLC主模塊接線如圖5所示；裝置PLC擴(kuò)展模塊接線如6圖所示。

圖4 裝置控制系統(tǒng)主電路Fig.4 Main circuit of the device control system

圖5 裝置PLC主模塊接線圖Fig.5 PLC main module wiring diagram of the device

圖6 裝置PLC擴(kuò)展模塊接線圖Fig.6 PLC expansion module wiring diagram of the device

3.3 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)裝袋裝置的工藝、時(shí)序和位置控制需求，PLC嚴(yán)格邏輯時(shí)序和位置控制要求編寫功能圖程序如圖7所示。

圖7 裝置PLC程序Fig.7 Device PLC program

為了能夠顯示裝置工作的實(shí)時(shí)狀態(tài)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，便于故障診斷，裝置采集系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵動(dòng)作和參數(shù)，通過(guò)觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)人與裝置之間的人機(jī)交互，提高裝置操作的便捷性和監(jiān)控的直觀性。裝置對(duì)套袋和裝袋2個(gè)工位的監(jiān)控，詳細(xì)界面如圖8和圖9所示。

圖8 裝置套袋環(huán)節(jié)監(jiān)控界面Fig.8 Device bagging link monitoring interface

圖9 裝置裝袋環(huán)節(jié)監(jiān)控界面Fig.9 Loading-in-bag link monitoring interface of the device

4 測(cè)試結(jié)果與結(jié)語(yǔ)

2020年12月，系統(tǒng)樣機(jī)組裝完畢在某食用菌菌袋生產(chǎn)廠進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 裝置測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical results of device test

（1）設(shè)計(jì)的兩工位自動(dòng)裝袋裝置完成組裝并進(jìn)行實(shí)踐測(cè)試，測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

（2）采用兩工位設(shè)計(jì)，充分利用套袋-裝袋工作工藝時(shí)間，提升了設(shè)備工作效率，實(shí)現(xiàn)食用菌裝袋生產(chǎn)中的套-裝一體化自動(dòng)作業(yè)，有效助推農(nóng)村食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（3）性能測(cè)試表明，兩工位自動(dòng)裝袋裝置的平均生產(chǎn)率可以達(dá)到1 070袋/h以上，套-裝袋平均成功率達(dá)90%以上，裝袋后菌袋的平均重量約為2.91 kg/袋，且裝袋質(zhì)量均勻，能滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。

綜上所述，設(shè)計(jì)的兩工位自動(dòng)裝袋裝置能有效實(shí)現(xiàn)食用菌裝袋作業(yè)過(guò)程中套-裝環(huán)節(jié)的自動(dòng)化生產(chǎn)，提升食用菌裝袋效率和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，加快農(nóng)村食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。