基于PLC的茯苓自動(dòng)去皮機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王文杰，鄭志安，吳敏，陳兵旗，張雄楚，姜大龍

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京市，100083； 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展研究中心，北京市，100083)

0 引言

茯苓，為多孔菌科真菌茯苓Poria cocos (Schw.) Wolf的干燥菌核[1]，是我國(guó)大宗中藥原料，在中醫(yī)臨床配方中茯苓的配伍率高于70%，以茯苓為原料的中成藥達(dá)293種[2]，以茯苓為原料的保健食品有776個(gè)[3]。茯苓野生資源主要分布于亞洲、美洲、大洋洲中低緯度地區(qū)，中國(guó)茯苓主產(chǎn)于湖北、安徽、云南、貴州等地，約占世界總產(chǎn)量的70%[4]。國(guó)內(nèi)茯苓平均年需要量10 000～12 000 t[5]。茯苓去皮是滿足市場(chǎng)需求以及加工過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，去皮可以提升茯苓的色澤、品相，提高其附加值。目前在茯苓的加工各環(huán)節(jié)中，發(fā)汗、切制、干燥等環(huán)節(jié)技術(shù)較為成熟，茯苓去皮環(huán)節(jié)仍然依靠人工完成，機(jī)械化程度低，存在去皮勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低以及人工成本高等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了茯苓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

有不少學(xué)者對(duì)茯苓的去皮加工技術(shù)進(jìn)行了研究，但僅局限于機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)。吳德玲等[6]發(fā)明一種茯苓去皮裝置，該裝置通過(guò)茯苓旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、切削機(jī)構(gòu)的勻速直線運(yùn)動(dòng)和徑向仿型運(yùn)動(dòng)完成茯苓去皮工作；李躍娟[7]發(fā)明了一種茯苓切片式去皮裝置，該裝置對(duì)茯苓進(jìn)行等厚度切片，然后采用刮削方式貼近茯苓雙邊和頂端進(jìn)行去皮；楊雪芹等[8]發(fā)明了一種茯苓剝皮輔助加工裝置，采用刮削方式，運(yùn)用支撐伸縮筒、彈簧以及刮削機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿形去皮。以上研究主要集中于茯苓去皮裝置的設(shè)計(jì)，與茯苓去皮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的研究十分匱乏。

本文設(shè)計(jì)了基于PLC的茯苓自動(dòng)去皮機(jī)控制系統(tǒng)，融合視覺(jué)傳感器以及計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，分析控制流程并設(shè)計(jì)完成控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，通過(guò)操作人機(jī)交互界面，自主選擇茯苓去皮機(jī)工作模式，在實(shí)現(xiàn)對(duì)茯苓去皮執(zhí)行元件精確控制的同時(shí)，智能監(jiān)控茯苓去皮過(guò)程，保證去皮動(dòng)作的平穩(wěn)性、流暢性與準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)化工作過(guò)程，提升去皮工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 茯苓自動(dòng)去皮機(jī)整體結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

茯苓自動(dòng)去皮機(jī)采用GD-80F型福馬腳輪，安裝于機(jī)械底部，便于調(diào)節(jié)高度、固定以及位置移動(dòng)。所設(shè)計(jì)的茯苓自動(dòng)去皮機(jī)主要由PLC控制器、視覺(jué)傳感器、去皮裝置、夾持裝置、步進(jìn)電機(jī)、無(wú)刷電機(jī)、觸摸屏、滾動(dòng)絲桿等組成，如圖1所示。

其中PLC控制器為可編程控制器，主要通過(guò)傳感器反饋的茯苓去皮機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)去皮機(jī)各模塊的反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制與智能監(jiān)控。選用臺(tái)達(dá)DVP-48EH00T3型PLC為控制系統(tǒng)的核心控制器。夾持裝置分為左、右?jiàn)A持板，左夾持板游離，右?jiàn)A持板位置固定；夾持裝置在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下可進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)與水平移動(dòng)；視覺(jué)傳感器負(fù)責(zé)采集茯苓表皮圖像，并將目標(biāo)圖像傳至計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)。采用兩相步進(jìn)電機(jī)與永磁無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)去皮執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成去皮工作。去皮裝置左右移動(dòng)采用線性導(dǎo)軌，根據(jù)裝置工作范圍確定導(dǎo)軌型號(hào)為HGH20CA，導(dǎo)軌長(zhǎng)度為775 mm。

圖1 茯苓自動(dòng)去皮機(jī)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Overall structure diagram of Poria cocos automatic peeling machine1.觸摸屏 2.步進(jìn)電機(jī) 3.水平滑軌 4.滾動(dòng)絲桿 5.右?jiàn)A持板 6.傳感器安裝架 7.視覺(jué)傳感器 8.去皮裝置 9.左夾持板 10.機(jī)架 11.茯苓皮收集箱 12.PLC控制器 13.福馬腳輪

1.2 工作原理

茯苓自動(dòng)去皮機(jī)步進(jìn)電機(jī)與無(wú)刷電機(jī)布置如圖2所示。

圖2 茯苓自動(dòng)去皮機(jī)電機(jī)布置簡(jiǎn)圖Fig. 2 Motor layout diagram of Poria cocos automatic peeling machine

當(dāng)茯苓位于兩定位夾板中間時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)3，帶動(dòng)左夾持板將茯苓夾緊，使茯苓處于水平位置；在步進(jìn)電機(jī)4帶動(dòng)下，茯苓以固定角度旋轉(zhuǎn)，更換工作表面；步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)去皮裝置完成進(jìn)給與退出動(dòng)作；步進(jìn)電機(jī)2驅(qū)動(dòng)去皮裝置實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)，永磁無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)整視覺(jué)傳感器高度以及與水平面角度，實(shí)時(shí)采集茯苓表皮圖像，利用計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行處理，計(jì)算獲取茯苓表面輪廓特征，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)特征信號(hào)驅(qū)動(dòng)永磁無(wú)刷電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)工作。操作HMI-人機(jī)交互界面，選擇去皮工作模式(手動(dòng)/自動(dòng)模式)，PLC控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)去皮執(zhí)行機(jī)構(gòu)，沿茯苓輪廓曲線自起始標(biāo)志位動(dòng)作，當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)結(jié)束標(biāo)志位時(shí)，刀具退出工作位置，茯苓旋轉(zhuǎn)一定角度更換去皮表面，清掃茯苓皮至收集箱，準(zhǔn)備下一次去皮工作。

2 控制系統(tǒng)整體方案

茯苓自動(dòng)去皮機(jī)電氣控制系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖3所示。系統(tǒng)以PLC控制器為核心[9]，主要由PLC控制器、HMI觸摸屏、開(kāi)關(guān)電源、茯苓表皮圖像采集與處理模塊以及去皮執(zhí)行模塊等組成。

圖3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig. 3 Overall structure of control system

圖像采集與處理模塊主要由視覺(jué)傳感器、USB圖像采集卡以及計(jì)算機(jī)圖像處理器組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)茯苓表皮圖像的采集、識(shí)別、定位和分析計(jì)算，獲得茯苓輪廓特征，同時(shí)將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)RS485通信端口傳輸給PLC控制器。去皮執(zhí)行模塊主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、永磁無(wú)刷電機(jī)、滾珠絲桿、水平導(dǎo)軌等，PLC控制器輸出控制指令，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成茯苓表面去皮工作。通過(guò)I/O口實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器、限位開(kāi)關(guān)、蜂鳴器控制與信息交互。HMI觸摸屏與DVP-48EH00T3型PLC通過(guò)RS485實(shí)時(shí)自動(dòng)通訊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的交互和信息交換，并通過(guò)Modbus通訊協(xié)議將PLC控制參數(shù)傳送至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)對(duì)去皮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證完成去皮工作。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制器

通過(guò)分析自動(dòng)去皮機(jī)控制系統(tǒng)的功能需求，得出該控制系統(tǒng)需要17個(gè)輸入點(diǎn)和12個(gè)輸出點(diǎn)，2個(gè)通訊端口，輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)的控制均屬于開(kāi)關(guān)量控制。因此，綜合考慮去皮機(jī)工作環(huán)境的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)成本，選擇臺(tái)達(dá)DVP-48EH00T3型PLC，輸出類型為晶體管輸出，采用RS485通訊接口，使用中可以根據(jù)需求添加輸入、輸出及通訊等擴(kuò)展模塊。

3.2 HMI觸摸屏

采用PLC控制器與HMI觸摸屏結(jié)合，利用Modbus通訊協(xié)議的方案對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)[10]。HMI觸摸屏通過(guò)RS485串口通信端口將內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC控制器，使PLC執(zhí)行相應(yīng)的操作控制程序[11]，并將去皮工作的相關(guān)信息傳輸?shù)紿MI顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。DOP-B07SS441型HMI觸摸屏產(chǎn)品分辨率為800 pixels×480 pixels，具有一個(gè)通訊接口，支持RS232/422/485通訊，DOP-B系列機(jī)種支持USB Host功能，可連接U盤(pán)、鼠標(biāo)及USB界面的打印機(jī)等周邊設(shè)備，加強(qiáng)了人機(jī)交互效果，滿足工作需要。在DOPSoft 2.00.07組態(tài)軟件中，設(shè)定本系統(tǒng)所用PLC型號(hào)、通訊端口、資料位元、停止位元、波特率以及控制器站口等參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC直接通訊[12]。

HMI觸摸屏人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)包括用戶登錄界面、監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)操作界面與警報(bào)訊息顯示界面設(shè)計(jì)。根據(jù)茯苓去皮實(shí)際需求，自動(dòng)去皮機(jī)設(shè)計(jì)為兩種工作模式，即自動(dòng)模式與手動(dòng)模式，PLC能夠高速并準(zhǔn)確接收來(lái)自HMI觸摸屏的手動(dòng)/自動(dòng)工作模式選擇、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度、夾持裝置松開(kāi)和夾緊等程序控制命令和參數(shù)設(shè)定信號(hào)。為了保證操作過(guò)程安全進(jìn)行，還需設(shè)置急停按鈕與故障報(bào)警裝置。綜上，HMI觸摸屏操作界面實(shí)現(xiàn)了控制按鈕、指示燈、緊急中斷、觸摸校正以及故障警報(bào)訊息彈出等功能。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在茯苓自動(dòng)去皮機(jī)中，夾持裝置的夾持和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作、去皮裝置的進(jìn)給與退刀、左右移動(dòng)均需要步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移，與驅(qū)動(dòng)器電路組成數(shù)字式開(kāi)環(huán)控制元件[13]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)及電機(jī)所帶動(dòng)的夾持裝置位移和速度的精確控制，成本低并且可靠性高，考慮到去皮刀具需要在高速工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，效率要求高，因此選擇永磁無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)去皮刀具轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

p——脈沖頻率，Hz；

θe——電機(jī)固有步距角，取值1.8°；

m——細(xì)分?jǐn)?shù)，整步為1。

本控制系統(tǒng)采用的電機(jī)型號(hào)與參數(shù)如表1所示。PLC通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)以及永磁無(wú)刷電機(jī)的精確控制，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，實(shí)現(xiàn)水平方向的定位。

表1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)型號(hào)與參數(shù)Tab. 1 Motor model and parameters of drive system

滾珠絲桿為冷軋滾珠絲桿，型號(hào)為SFU2005-5，SFU代表系列號(hào)，20代表滾珠絲桿的螺桿外徑為20 mm，05表示滾珠絲桿的導(dǎo)程為5 mm，5代表球列數(shù)，額定動(dòng)載荷為11 082 N，額定靜載荷為23 340 N，剛度為245 N/μm。行程限位開(kāi)關(guān)選擇LJE18(C)M-5N1型常開(kāi)電感式接近開(kāi)關(guān)，工作電壓為DC6～36 V，用于操作過(guò)程中的安全提醒。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用MAD970R型兩相數(shù)字式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)，基于TI公司32位DSP處理芯片的平臺(tái)，采用內(nèi)部PID電流控制算法設(shè)計(jì)，輸出電流最大值為7.0 A，輸入電壓范圍為5～50 V，步進(jìn)電機(jī)速度最高可達(dá)3 000 r/min，支持CW/CCW雙脈沖，具有優(yōu)異的性能表現(xiàn)。永磁無(wú)刷電機(jī)選用ZM-7205高性能直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，輸入最大電流值為5 A，采用AC70～230 V交流供電形式，速度范圍為100～10 000 r/min，具有更高的抗干擾性及快速響應(yīng)等性能。

3.4 圖像采集與處理模塊

圖像采集與處理模塊是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)拍攝清晰、標(biāo)準(zhǔn)的茯苓表面圖像，圖像采集卡直接決定視覺(jué)傳感器的接口類型，可以將圖像數(shù)據(jù)迅速地傳送至計(jì)算機(jī)圖像處理器進(jìn)行處理，以獲得茯苓表面特征。通過(guò)綜合比較經(jīng)濟(jì)成本、工作性能以及抗干擾性等多方面因素，選擇先進(jìn)適用的視覺(jué)傳感器與圖像采集卡。視覺(jué)傳感器選擇定制的Suntime300型USB2.0 CMOS300萬(wàn)像素彩色數(shù)字相機(jī)，配置“1/2”彩色CMOS圖像傳感器，最高分辨率為2 048 pixel×1 563 pixel，傳輸速率為16 f/s，最高幀率為60 fps，同時(shí)自帶LED光源，可編程控制茯苓表皮圖像尺寸、亮度、增益、曝光時(shí)間等，采用逐行掃描的方式，完成視頻圖像采集，圖像像素640 pixel×480 pixel，存儲(chǔ)格式為AVI，并采用USB形式以480 Mb/s的速度進(jìn)行輸出。

圖像采集卡選用USB3202型數(shù)據(jù)采集卡，有4路可編程I/O，1路32位加法計(jì)數(shù)器，各通道最大采樣頻率為250 KSps，USB總線速度為480 MB/s，轉(zhuǎn)換速率為250 kHz。

計(jì)算機(jī)圖像處理器基于Microsoft Visual Studio 2010系統(tǒng)，在通用圖像處理系統(tǒng)ImageSys的平臺(tái)上進(jìn)行算法開(kāi)發(fā)。電腦的處理器為Intel(R) Core(TM) i5-4590 CPU、主頻為3.3 GHz、內(nèi)存為8 G。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)整體流程

為保證去皮機(jī)工作過(guò)程合理、有序運(yùn)行，需要先對(duì)茯苓自動(dòng)去皮機(jī)控制程序流程進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。PLC程序開(kāi)始運(yùn)行后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置，保證所有設(shè)備在運(yùn)行之前保持在最初始的狀態(tài)，避免運(yùn)行過(guò)程紊亂，使得茯苓去皮過(guò)程無(wú)法穩(wěn)定、有序進(jìn)行。去皮機(jī)的夾持裝置以及去皮裝置均在初始位置，等待人工操作HMI觸摸屏，通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)等輸入指令。操作員在HMI觸摸屏選擇去皮工作模式后，PLC程序運(yùn)行驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)3、4，帶動(dòng)夾持裝置移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，保證夾持裝置按照要求對(duì)茯苓進(jìn)行位置固定。當(dāng)PLC控制器接收到視覺(jué)傳感器以及計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)傳輸?shù)牡毒哌M(jìn)給與退出信號(hào)后，控制永磁無(wú)刷電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)1、2，帶動(dòng)去皮裝置自起始標(biāo)志位由左向右以設(shè)定的去皮深度進(jìn)行去皮，當(dāng)?shù)竭_(dá)結(jié)束標(biāo)志位時(shí)，去皮裝置退出工作位置，單次去皮過(guò)程完成。具體去皮流程如圖4所示。

圖4 茯苓去皮機(jī)控制系統(tǒng)的PLC程序流程設(shè)計(jì)圖Fig. 4 PLC program flow chart of Poria cocos peeling machine control system

4.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC輸入端的17個(gè)I/O觸點(diǎn)接在相應(yīng)的開(kāi)關(guān)或按鈕上，輸出端的12個(gè)I/O觸點(diǎn)也接到對(duì)應(yīng)的控制模塊上。電氣控制結(jié)合視覺(jué)傳感器以及計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，對(duì)視覺(jué)傳感器所采集的茯苓表皮圖像處理分析得出茯苓去皮指令，PLC控制系統(tǒng)I/O地址分配如表2所示。通過(guò)對(duì)茯苓自動(dòng)去皮機(jī)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作的分析，設(shè)計(jì)以DVP-48EH00T3可編程控制器為核心的茯苓自動(dòng)去皮機(jī)控制系統(tǒng)接線圖，如圖5所示。

運(yùn)用DeltaWPLSoft2.49編寫(xiě)PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)茯苓自動(dòng)去皮機(jī)夾持裝置、去皮裝置、視覺(jué)傳感器、計(jì)算機(jī)圖像處理部分的邏輯控制。PLC程序主要包括初始化程序及機(jī)械控制程序，如圖6所示為部分控制梯形圖。

表2 DVP-48EH00T3控制器I/O地址分配表Tab. 2 I/O address allocationTable for DVP-48EH00T3 controller

圖5 控制系統(tǒng)接線圖Fig. 5 Control system wiring diagram

圖6 部分控制梯形圖Fig. 6 Partial control ladder diagram

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證控制系統(tǒng)是否滿足茯苓去皮要求，以響應(yīng)速度、運(yùn)行平穩(wěn)性、去皮工作效率以及損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)中茯苓自動(dòng)去皮機(jī)的去皮刀具水平移動(dòng)速度穩(wěn)定在10 mm/s，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。試驗(yàn)地點(diǎn)位于河北某公司的試驗(yàn)工廠內(nèi)，溫度20 ℃、相對(duì)濕度為60%，試驗(yàn)對(duì)象為安徽岳西剛采收的新鮮茯苓。

5.1 PLC控制系統(tǒng)試驗(yàn)

將茯苓自動(dòng)去皮機(jī)啟動(dòng)，測(cè)試PLC控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及準(zhǔn)確度，得到響應(yīng)時(shí)間曲線，如圖7所示，經(jīng)多次控制系統(tǒng)工作性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)茯苓自動(dòng)去皮機(jī)的PLC控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、精度高，誤差保持在0.03 s內(nèi)，因此可以采用PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖7 控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間曲線Fig. 7 Response time curve of control system

5.2 去皮工作效率與損失率試驗(yàn)

隨機(jī)選取100個(gè)新鮮茯苓，將茯苓樣品分為2個(gè)試驗(yàn)部分，用于人工與去皮機(jī)械去皮工作效率以及損失率的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)中，每部分有10個(gè)試驗(yàn)組，依次是A～J組，每組有5個(gè)試驗(yàn)茯苓，依次連續(xù)編號(hào)，啟動(dòng)茯苓自動(dòng)去皮機(jī)，試驗(yàn)茯苓在夾持裝置的定位作用下，開(kāi)始去皮。假設(shè)在理想狀況下，手工去皮時(shí)，外表皮與白色內(nèi)核完全分離，無(wú)肉質(zhì)損失[14]。對(duì)每個(gè)茯苓樣品試驗(yàn)前的質(zhì)量和試驗(yàn)后的質(zhì)量分別稱重，通過(guò)式(2)計(jì)算得出茯苓去皮損失率，結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Test results

另外，使用秒表記錄單個(gè)茯苓去皮用時(shí)，計(jì)算得出人工與去皮機(jī)械單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)，取平均值得到每一組人工和去皮機(jī)械平均單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)與用時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)。計(jì)算公式如式(3)～式(7)所示。

(2)

每一組人工和去皮機(jī)單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)

(3)

每一組人工和去皮機(jī)單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)平均值

(4)

每一組人工和去皮機(jī)單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差

(5)

每一組人工和去皮機(jī)單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)變異系數(shù)

(6)

每一組人工和去皮機(jī)單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)穩(wěn)定系數(shù)

P=1-Q

(7)

式中：M——試驗(yàn)茯苓的質(zhì)量，kg；

H——每個(gè)茯苓完成去皮所用時(shí)間，min；

hi——單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)，min；

Sl——損失率，%；

Wl——試驗(yàn)前茯苓的質(zhì)量，g；

Wk——試驗(yàn)后茯苓的質(zhì)量，g。

產(chǎn)區(qū)人工去皮時(shí)，需要經(jīng)過(guò)三道工序，且要求去皮損失率低于10%。熟練人工去皮每天工作8 h，可完成100 kg茯苓全部的去皮工作，計(jì)算可得產(chǎn)區(qū)熟練人工單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)4.8 min。

由表3可知，人工去皮時(shí)，單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)平均值為4.93 min，與產(chǎn)區(qū)熟練人工單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)基本相同，穩(wěn)定系數(shù)為88.81%，去皮損失率平均值為9.73%。去皮機(jī)去皮時(shí)，單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)平均值為3.39 min，穩(wěn)定系數(shù)為94.87%，去皮損失率平均值為9.92%。試驗(yàn)中，人工與去皮機(jī)去皮損失率均低于10%，滿足產(chǎn)地茯苓去皮加工要求；與人工去皮相比，去皮機(jī)單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)平均值顯著低于人工，去皮工作效率提升31.2%，且所有試驗(yàn)組的去皮機(jī)用時(shí)穩(wěn)定系數(shù)均高于人工去皮。

6 結(jié)論

1) 本文設(shè)計(jì)了基于PLC的茯苓自動(dòng)去皮機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)茯苓去皮執(zhí)行元件精確控制的同時(shí)，提升去皮工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)化工作過(guò)程。

2) 采用PLC控制器與HMI觸摸屏結(jié)合，借助DOPSoft 2.00.07組態(tài)軟件平臺(tái)，利用Modbus通訊協(xié)議的方案對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)茯苓去皮過(guò)程的智能操作與監(jiān)控。

3) 采用新鮮茯苓以響應(yīng)速度、運(yùn)行平穩(wěn)性、去皮工作效率以及損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：基于PLC控制的茯苓自動(dòng)去皮機(jī)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、運(yùn)行平穩(wěn)，誤差保持在0.03 s內(nèi)。去皮機(jī)去皮時(shí)，單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)平均值為3.39 min，穩(wěn)定系數(shù)為94.87%，去皮損失率平均值為9.92%，滿足產(chǎn)地茯苓去皮加工要求；與人工去皮相比，去皮機(jī)單位質(zhì)量茯苓去皮用時(shí)平均值顯著低于人工，去皮工作效率顯著提升31.2%，10個(gè)試驗(yàn)組的去皮機(jī)用時(shí)穩(wěn)定系數(shù)均高于人工去皮，且極大地簡(jiǎn)化了去皮工序，因此茯苓自動(dòng)去皮機(jī)工作更加穩(wěn)定、可靠、簡(jiǎn)單，具有加大的推廣應(yīng)用價(jià)值。