基于PLC的煙框物流打包機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 鑫， 楊永發(fā)， 楊大寶

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650244)

煙草產(chǎn)業(yè)是云南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，云南地區(qū)得天獨(dú)厚的自然地理環(huán)境與氣候條件使得煙葉產(chǎn)量占全國45%左右，同時(shí)也是全國最大的優(yōu)質(zhì)烤煙產(chǎn)區(qū)。煙葉收購站在收煙期間，平均每個(gè)煙站要收購21 900擔(dān)左右，煙葉經(jīng)過初烤、復(fù)烤、分級后需對煙葉進(jìn)行打包運(yùn)輸[1]。在打包運(yùn)輸過程中，目前煙站對于煙葉的打包方式仍然使用傳統(tǒng)麻袋打包模式，此模式工序繁瑣、人力消耗大并且需要單獨(dú)對煙包進(jìn)行稱重作業(yè)，從而導(dǎo)致煙葉倉儲(chǔ)空間不足以及運(yùn)輸物流緩慢等問題。為解決此問題，煙葉收購站積極開展智能收購項(xiàng)目，其中包括框欄運(yùn)輸，即使用統(tǒng)一的儲(chǔ)煙框運(yùn)輸煙葉。為此需要設(shè)計(jì)一種煙框物流打包機(jī)具，PLC控制系統(tǒng)則成為煙框物流打包機(jī)重要設(shè)計(jì)之一。

PLC全稱為可編程邏輯控制器，可以存儲(chǔ)操作指令，通過數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)控制機(jī)器運(yùn)行[2]。近幾年P(guān)LC控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于打包機(jī)具，國內(nèi)目前的打包機(jī)具大部分是針對秸稈類植物，對于適用于復(fù)烤后煙葉打包的機(jī)具還很少見，所以科學(xué)地設(shè)計(jì)一種適用于煙葉打包機(jī)的控制系統(tǒng)是科研人員應(yīng)該考慮的問題。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的煙框物流打包機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煙葉的壓縮打包與稱重一體化工序，提高煙葉的打包以及物流運(yùn)輸效率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作流程

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)組成

本設(shè)計(jì)主要由5部分組成：機(jī)架、壓縮裝置、稱重裝置、橫向移動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)。煙框物流打包機(jī)示意圖如圖1所示，儲(chǔ)煙框示意圖如圖2所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 儲(chǔ)煙框示意圖

1.2 工作流程介紹

由于復(fù)烤后的煙葉體型大且易碎，所以統(tǒng)一要求煙片底部朝向儲(chǔ)煙框外側(cè)，煙片頂部朝向儲(chǔ)煙框內(nèi)側(cè)，由人工進(jìn)行添加煙葉以及儲(chǔ)煙框的定位，由人工操作叉車將儲(chǔ)煙框送入打包腔，儲(chǔ)煙框與機(jī)架底部四個(gè)定位腳配合進(jìn)行定位，其余部分控制如下：

(1)稱重裝置：當(dāng)煙框在左工位定位完成時(shí)，稱重裝置升起完成對煙框重量的稱重并清零，稱重裝置降下，向儲(chǔ)煙框內(nèi)加煙葉為壓縮打包做準(zhǔn)備。

(2)移動(dòng)裝置：壓縮裝置初始位置在右工位，當(dāng)左工位完成加煙葉工作時(shí)，壓縮裝置開始從右工位向左工位平移，當(dāng)平移到打包腔正中央時(shí)停止。

(3)壓縮裝置：壓板下降對煙葉壓縮，并且保壓一段時(shí)間然后升起。稱重裝置升起對壓縮后的煙葉進(jìn)行稱重工序，此時(shí)壓縮裝置處于空擋期，這時(shí)右工位重復(fù)定位、稱重、加煙工序，壓板升起轉(zhuǎn)向右工位開始壓縮工序。

反復(fù)對煙葉進(jìn)行壓縮與稱重直到煙葉重量600 kg，誤差不能超過0.1 kg，對打包完成的煙葉進(jìn)行儲(chǔ)藏。工作流程圖如圖3所示。

圖3 工作流程圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控單元選擇

本設(shè)計(jì)采用德國的西門子PLC控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)研究發(fā)展相對其他國家速度比較快，近幾年，德國西門子公司推出了一款小型PLC，型號(hào)為S7-200 SMART 系列中的CPU SR 30型，該系列型號(hào)具有高性價(jià)比、體型小、易擴(kuò)展、芯片性能好、經(jīng)濟(jì)低等特點(diǎn)。S7-200 SMART 系列中的CPU SR 30型可連接6個(gè)擴(kuò)展模塊，共有30個(gè)I/O點(diǎn)，包括12個(gè)輸出點(diǎn)和18個(gè)輸出點(diǎn)。每個(gè)串行端口4個(gè)連接，數(shù)據(jù)傳輸效率較高；具有較快的運(yùn)算和反應(yīng)速度。因此S7-200 SMART 系列中的CPU SR 30型完全可以適用于本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的需求[3]。

2.2 硬件組成方案

在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)控制系統(tǒng)要求可分為五個(gè)模塊，分別為：觸摸屏監(jiān)測模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、執(zhí)行部件模塊、傳感器模塊，各模塊功能相互協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)可靠有序的進(jìn)行。[4-6]各模塊功能如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)硬件組成方案及功能

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 I/O點(diǎn)分配

根據(jù)雙工位儲(chǔ)煙框稱重壓煙一體機(jī)的性能可知：PLC控制系統(tǒng)的共有24個(gè)開關(guān)量輸入以及11個(gè)輸出，數(shù)字量 I/O點(diǎn)的具體分配如表2所示。

表2 I/O點(diǎn)分配表

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STEP7-Mirco /WIN SMART編寫PLC核心控制器的邏輯控制程序，此軟件是基于西門子S7-200/300/400 SMART系列的編程軟件。STEP7-Micro/WIN SMART編程較為容易理解，編程效率快，其語言編程一般分為3種：梯形圖、功能塊圖和語言表，梯形圖是PLC邏輯編程中最常用的語言，功能塊圖比較適合有數(shù)字電路基礎(chǔ)的編程人員，語言表容易書寫但是不易掌握且不夠形象[7-8]。對于本文煙框物流打包機(jī)控制系統(tǒng)，主要對啟動(dòng)程序、壓縮裝置工作程序、移動(dòng)裝置工作程序、稱重裝置工作程序、復(fù)位程序及報(bào)警程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。程序控制框圖如圖4～9所示。

圖4 啟動(dòng)程序框圖

圖5 壓縮裝置工作程序框圖

圖6 移動(dòng)裝置工作程序框圖

圖7 稱重裝置工作程序框圖

圖8 復(fù)位程序框圖

圖9 報(bào)警程序框圖

3.3 人機(jī)交互界面

目前應(yīng)用最廣泛的人機(jī)交互方式就是觸摸屏人機(jī)界面，是為了方便工人操作的角度考慮。人機(jī)界面是人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息傳遞、交換信息的一種媒介[9-10]。本設(shè)計(jì)使用步科7寸的ET070觸摸屏，主要從主界面、按鈕控制界面、重量顯示界面與設(shè)備運(yùn)行界面，使用步科旗下的HMI ware2.5 編程軟件對人機(jī)界面進(jìn)行編程。工作人員可以根據(jù)需求調(diào)出操作界面，操作人員可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)行界面監(jiān)控機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)。本文人機(jī)交互界面對開機(jī)界面、按鈕控制界面、位置狀態(tài)界面、稱重界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)如圖10～13所示。

圖10 控制系統(tǒng)開機(jī)界面

圖11 按鈕控制界面

圖12 位置狀態(tài)界面

圖13 稱重界面

4 結(jié)論

針對目前煙葉打包效率低及物流緩慢等問題，本文設(shè)計(jì)了基于PLC的煙框物流打包機(jī)控制系統(tǒng)，對打包機(jī)控制系統(tǒng)的硬件、軟件、PLC控制程序以及人機(jī)交互界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了煙葉進(jìn)行打包作業(yè)時(shí)各工序的有序控制以及對整機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測，提高了打包時(shí)的作業(yè)效率以及煙葉的運(yùn)輸物流速度，為同樣需要打包作業(yè)的葉類植物的機(jī)具控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。