PLC 在農(nóng)產(chǎn)品加工機械自動化控制中的應(yīng)用設(shè)計

安徽省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站

□ 徐凱 潘汪友 周翔

近年來，基于可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）的自動化控制技術(shù)，在農(nóng)機行業(yè)逐漸得到普及應(yīng)用。

一、自動化控制技術(shù)在農(nóng)機領(lǐng)域采用的方案分析比較

目前農(nóng)機自動化控制多采用單片機、PLC 和工控機方案。三種方案的選擇，需綜合考慮適用場所、數(shù)據(jù)存儲處理能力、軟硬件設(shè)計、外圍接口、開發(fā)周期、成本等因素，分析比較見表1。

表1 不同控制方案分析比較

自表1 分析可見：PLC 具有集成度高、抗干擾性好、編程直觀易學(xué)、開發(fā)周期短、小批量開發(fā)成本低等特點，在農(nóng)產(chǎn)加工機械的單機和成套設(shè)備上的應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

二、農(nóng)產(chǎn)品加工機械的設(shè)計實踐

PLC 自動化控制的設(shè)計思路：按照產(chǎn)品的工序流程、需求功能實現(xiàn)及相互關(guān)系， PLC 自動化控制設(shè)計大致可分為如下步驟：1.機械運行工序流程分析；2.控制需求確認；3.控制方案及硬件選擇；4.軟硬件設(shè)計；5.結(jié)果驗證。

根據(jù)PLC 自動化控制設(shè)計思路，結(jié)合具體機械（滾筒式瓜籽炒制機）進行設(shè)計實踐。

1．瓜籽炒制機運行工序流程

該機械流程依次為自動上料（完成后料斗歸位）、滾筒正轉(zhuǎn)（炒制）+ 燃燒器點火加熱、滾筒反轉(zhuǎn)卸料、振動篩振動清選除砂、拌料(調(diào)味)、出料。

2．控制流程確認

根據(jù)機械運行工序流程及功能需求。瓜籽炒制機需分為二個平行流程：物料流程和炒制溫度控制流程。兩個流程分別列表確認如表2、表3。

表2 炒制機物料運行流程

表3 炒制溫度控制流程

3.控制方案及硬件選擇

根據(jù)控制量和企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模及控制需求確定控制方案和PLC 等硬件選擇：

（1）控制量：分析表2 和表3，瓜籽炒制機控制系統(tǒng)需要9 個開關(guān)量輸出，2 個開關(guān)量輸入，1 個模擬量輸入，控制系統(tǒng)主要功能在于流程控制，數(shù)據(jù)存儲和計算量較小。

（2）企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模：目前生產(chǎn)企業(yè)該產(chǎn)品生產(chǎn)批量不大，且沒有電路板生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)。

（3）控制需求：控制系統(tǒng)按單工序運行或全自動運行，控制操作指令，可以通過控制系統(tǒng)的開關(guān)量按鍵輸入，也可以通過觸摸屏或鍵盤軟輸入。

方案選擇確認：采用SR（繼電器）型PLC 控制方案能滿足全部控制要求。

4.硬件配置選擇

（1）PLC 主控模塊：西門子S7—200SMART SR30，18點開關(guān)量輸入，12 點開關(guān)量輸出。

（2）觸摸屏：威綸TK6071IP，7 吋，通過RS485和PLC 通訊。

（3）熱電偶輸入擴展模塊：西門子EMAR02,2 路輸入。

（4） 溫 度 傳 感 器：PT100，三線制。

（5）限位開關(guān)：行程開關(guān)，DELIXI JLXK1-111。

（6）繼電器、接觸器和電源： 繼電器、接觸器、過載保護器根據(jù)電機功率等電氣參數(shù)選擇和配置。PLC 電源采用220V 市電，觸摸屏及繼電器的電源使用PLC 自帶24V 輸出電源。

三、軟件設(shè)計

軟件分為兩個大的模塊：參數(shù)設(shè)置和流程控制，其中流程控制分為溫度控制流程和物料運行流程。

1．參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置模塊用于定義控制工序需要的參數(shù)，讓機器適應(yīng)于工藝不同的物料的炒制，并匹配終端執(zhí)行單元，如電機等。主要參數(shù)有：炒制時間、清選時間、拌料時間、炒制溫度下限和上限、電機正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)延時等。

2．流程控制

分為二個并行流程：溫度控制流程和物料運行流程。

（1）溫度控制流程。溫控流程分為自動模式和人工模式。在自動模式下，根據(jù)炒筒的溫度要求，自動實現(xiàn)二個燃燒器的交替開和關(guān)。在人工模式下，二個燃燒器的開和關(guān)均由人工控制。

在溫控模式下，只要有一個燃燒機開啟，為了避免炒筒受熱不均，如果炒筒不是處在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，要求啟動炒筒正轉(zhuǎn)。

自動模式流程：當炒筒的溫度低于溫度下限時，兩個燃燒機都開啟；當炒筒溫度高于溫度上限時，如果兩個燃燒機都是開啟的，先關(guān)閉2 號燃燒機，保持1 號燃燒機繼續(xù)開啟，經(jīng)過用戶設(shè)定的時間后，如果炒筒溫度仍然高于溫度上限，則關(guān)閉1 號燃燒機。流程圖如圖1 所示。

圖1 溫度自動控制流程圖

（2）物料運行流程

物料在炒制過程中，控制可分為單步、組合步及全自動運行三種模式。一個或幾個單工序的連續(xù)運行為形成一個組合步，所有組合步的連續(xù)運行組成全程自動模式。如果在某單步開始運行前，其它單步必須先停止，這些必須停止的單步，稱為該步的互斥步。各單步在系統(tǒng)中用步狀態(tài)位標識。用戶通過觸摸屏輸入，改變各步的步狀態(tài)位，各步在運行結(jié)束時，復(fù)位步狀態(tài)位?？刂栖浖h(huán)掃描步狀態(tài)位，步狀態(tài)位在置位時，該步運行，復(fù)位時，該步停止，通過這種方式，控制瓜籽炒制機的運行。單步、組合步、全自動運行及互斥步見表4。

表4 單步、組合步及互斥步

四、結(jié)果驗證與設(shè)計中關(guān)注的問題

1．結(jié)果驗證

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計完成后，結(jié)合硬件電路（如圖2 所示），通過PLC 本身的狀態(tài)位指示，驗證控制邏輯。在現(xiàn)場匹配了繼電器和接觸器，組成控制柜后，根據(jù)電機、物料等特點，設(shè)置炒制時間、清選時間和電機正反轉(zhuǎn)延時等參數(shù)，進行控制功能驗證。

圖2 瓜籽炒制機控制系統(tǒng)邏輯驗證電路示意圖

2．設(shè)計中關(guān)注的問題

（1）對同一電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的進行控制的繼電器或接觸器，硬件設(shè)計上應(yīng)有互鎖功能，在短路時，從硬件上確保安全。為了防止硬件損壞和質(zhì)量問題導(dǎo)致互鎖功能失效，在系統(tǒng)軟件的設(shè)計中，加入了電機正反轉(zhuǎn)輸出的互鎖功能，實現(xiàn)雙重保險。

（2）為了保護電機，防止電機過載，在電機正反轉(zhuǎn)切換時，切換中間的延時時間應(yīng)滿足：電機正轉(zhuǎn)啟動必須等電機反轉(zhuǎn)停止，反之亦然。Θ