PLC在農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械自動(dòng)化控制中的應(yīng)用探究*

馮燕萍 ，劉鴻茂 ，樊 琦

（撫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 撫州 344000）

1 PLC的構(gòu)成及各部分功能

1.1 中央處理單元（CPU）

該模塊是PLC的重要成分，是控制中心。根據(jù)所具有的功能，實(shí)現(xiàn)如下任務(wù)：采集且保存使用者程序及信息；檢查I/O、電源等的狀態(tài)，且能診斷語法錯(cuò)誤[1]；在運(yùn)行后，以掃描的形式接收輸入設(shè)備的狀態(tài)與信息；讀取使用者程序，根據(jù)指令執(zhí)行邏輯執(zhí)行操作命令；結(jié)合執(zhí)行結(jié)果，調(diào)整狀態(tài)輸出，達(dá)到輸出控制、信息通信的目的[2]。

1.2 存儲(chǔ)器

1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。它與PLC功能有關(guān)，對于程序來講，不能通過使用者更改，所用的儲(chǔ)存器是ROM或EPROM。2）用戶程序存儲(chǔ)器。使用者結(jié)合功能需求而設(shè)置的運(yùn)用程序，用戶程序保存于該儲(chǔ)存器中。因要常常改動(dòng)、調(diào)試，所用的儲(chǔ)存器一般是RAM。因其掉電會(huì)丟失信息，所以配置后備電源來進(jìn)行保護(hù)，避免在掉電的情況下，影響程序正常運(yùn)行。調(diào)試結(jié)束，為保持原狀，寫入EPROM[3]。3）運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。對于運(yùn)行數(shù)據(jù)來講，它是常常更改、存取的信息，其保存于RAM中，以滿足存取需要。在存儲(chǔ)區(qū)，寄存器用于保存繼電器的開關(guān)狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)表用于保存數(shù)據(jù)，保存可變參數(shù)值，如計(jì)數(shù)器的設(shè)定值。

1.3 I/O單元

PLC利用此模塊和生產(chǎn)現(xiàn)場關(guān)聯(lián)，輸入單元接收指令及狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且控制信號，利用濾波等轉(zhuǎn)換成能處理的信號。針對弱電控制信號，輸出單元利用隔離等方法，來調(diào)整成強(qiáng)電信號，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。

2 PLC的工作原理

控制任務(wù)的完成離不開硬件支撐，利用用戶程序來完成控制任務(wù)，這與計(jì)算機(jī)運(yùn)行原理類似。PLC的工作原理，是構(gòu)建于計(jì)算機(jī)運(yùn)行原理的。然而，因早期的PLC是基于繼電器系統(tǒng)得以發(fā)展的，旨在完成開關(guān)量順序控制，所以PLC并非像計(jì)算機(jī)那樣運(yùn)行，而是巡回掃描的運(yùn)行機(jī)制。PLC巡回掃描，就是對程序巡回實(shí)施的方式[4]。實(shí)現(xiàn)控制的過程通常為：輸入刷新—啟動(dòng)使用者程序—輸出刷新—重新輸入—再啟動(dòng)使用者程序—再輸出，反復(fù)循環(huán)開展。并且，系統(tǒng)還將進(jìn)行公共處理，如通信處理。所以，PLC可當(dāng)作一種掃描設(shè)備，啟動(dòng)后，循環(huán)掃描且執(zhí)行任務(wù)。從一點(diǎn)開始，通過掃描又返回該點(diǎn)的過程，也就是一個(gè)掃描周期。

通電后，先初始化，查看I/O單元銜接狀況?；诔跏蓟僮鳎饺霋呙柚芷?。一般包含以下成分：1）確保公共操作。其屬于自動(dòng)檢查行為，如果出現(xiàn)異常，除燈亮外，也判斷故障性質(zhì)。對于一般故障，釋放報(bào)警信號，等待解決；針對較大故障，立刻停止程序。此部分掃描時(shí)長一般不變，與計(jì)算機(jī)種類有關(guān)[5]。2）數(shù)據(jù)I/O操作，此部分并非所有系統(tǒng)都有，占用時(shí)間不固定。其包含兩類操作：首先，采樣輸入信號；其次，送出處理結(jié)果。3）用戶程序的實(shí)施，此部分掃描時(shí)間不固定，因程序有長短之分，掃描時(shí)間也便出現(xiàn)改變[6]。

3 PLC在農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

3.1 農(nóng)機(jī)自動(dòng)化控制方案對比

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制一般選擇單片機(jī)、PLC等方案。方案的選取，應(yīng)全面考慮有關(guān)因素，包括適用場所、成本及硬軟件設(shè)計(jì)等[7]。以下是分析對比：

1）單片機(jī)控制方案。適用于空間不大、嵌入式控制；信息保存及處理水平一般；專門使用的開發(fā)工具，第三方軟件不多；硬件線路設(shè)置與調(diào)試；需布置外圍接口電路和軟件；開發(fā)成本較大；開發(fā)周期較長；抗干擾能力不強(qiáng)[8]。

2）PLC控制方案。適用于移動(dòng)式控制；信息保存和處理水平一般；系統(tǒng)比較封閉，編程易學(xué)；需進(jìn)行硬件選型及配套，設(shè)計(jì)不復(fù)雜；帶有輸入及輸出接口，可根據(jù)需要添加模塊；小批量開發(fā)成本小，大批量成本高；開發(fā)周期短；抗干擾能力較強(qiáng)。

3）工控機(jī)控制方案。控制柜固定，有供應(yīng)場所；信息保存和處理水平較高；開發(fā)工具強(qiáng)大，能引用插件；無需硬件設(shè)置；針對信號收集及輸出，需添加擴(kuò)展板；開發(fā)成本較高；開發(fā)周期較短；抗干擾能力一般。可見，PLC有著開發(fā)周期較短、開發(fā)成本較低等特點(diǎn)，在單機(jī)與成套設(shè)備上的應(yīng)用優(yōu)勢突出。

3.2 PLC自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)工藝流程、功能實(shí)現(xiàn)和彼此關(guān)系，針對PLC自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)，可分成以下步驟：工序流程分析；控制流程確認(rèn)；控制方案和硬件選?。挥曹浖O(shè)計(jì)；控制功能驗(yàn)證。按照設(shè)置思路，結(jié)合實(shí)際機(jī)械（瓜子炒制機(jī)）開展設(shè)置實(shí)踐。

3.2.1 工序流程分析

流程分別是上料、炒制、加熱、卸料、除砂、拌料及出料。

3.2.2 控制流程確認(rèn)

按照工序流程和功能需求，機(jī)械需要分成兩個(gè)平行流程：一是物料運(yùn)轉(zhuǎn)流程，二是炒制溫控流程。

1）物料運(yùn)轉(zhuǎn)流程。上料階段，料斗處于下限位，反轉(zhuǎn)開關(guān)；放料階段，處于上限位，正轉(zhuǎn)開關(guān)；炒制階段，進(jìn)行炒制處理，正轉(zhuǎn)開關(guān)；卸料階段，處于清選篩，反轉(zhuǎn)開關(guān)；清選階段，除砂處理，啟停開關(guān)；拌料階段，開展拌料操作，正轉(zhuǎn)開關(guān)；出料階段，對成品進(jìn)行收集處理，反轉(zhuǎn)開關(guān)[9]。

2）溫控流程。加溫階段，燃燒器運(yùn)行，輸入、輸出量分別是開關(guān)、溫度；恒溫階段，輸入量溫度；溫度超過上限時(shí)降溫，過程描述：若燃燒器2開，關(guān)閉燃燒器2；若燃燒器1開，則關(guān)閉燃燒器1，輸出量為燃燒器1、2開關(guān)，輸入量為溫度。

3.2.3 控制方案和硬件選取

結(jié)合控制量、生產(chǎn)規(guī)模和控制需要來選取方案和硬件：

1）控制量：機(jī)械控制系統(tǒng)需要9個(gè)開關(guān)量輸出，一個(gè)模擬量輸入，兩個(gè)開關(guān)量輸入，系統(tǒng)核心功能在于流程管控、信息保存，且具有統(tǒng)計(jì)量較小的優(yōu)點(diǎn)。

2）生產(chǎn)規(guī)模：產(chǎn)品生產(chǎn)批量較小，并未掌握電路板制作設(shè)備及技術(shù)。

3）控制需求：根據(jù)單工序運(yùn)行，管控指令，能借助開關(guān)量按鍵輸入，也能借助觸摸屏輸入。

因此，方案選取確認(rèn)：采取PLC方案能達(dá)到所有控制要求。硬件選取確認(rèn)：1）主控模塊：18點(diǎn)開關(guān)量輸入，12點(diǎn)開關(guān)量輸出。2）觸摸屏：通過RS485與PLC通信。3）傳感器：PT100，三線制。4）限位開關(guān)：選擇行程開關(guān)。5）電氣參數(shù)選取及繼電器、電源設(shè)置：使用220 Ⅴ市電，對于觸摸屏和繼電器，二者的電源選擇24 Ⅴ輸出電源。

3.2.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分成兩個(gè)模塊，一是參數(shù)設(shè)計(jì)模塊，二是流程控制模塊，流程控制模塊又分為溫控流程、物料運(yùn)行流程。

第一，參數(shù)設(shè)計(jì)模塊。此模塊用來定義工序需要的參數(shù)，使機(jī)械適應(yīng)炒制流程，且配置電機(jī)。參數(shù)包括拌料與炒制時(shí)間、溫度上下限等。

第二，流程控制模塊。1）溫控流程。該流程分成兩種模式，一是自動(dòng)模式，二是人工模式。在自動(dòng)模式下，按照溫度設(shè)置，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)燃燒器的開與關(guān)；在人工模式下，運(yùn)行和停止均通過人工完成?；跍乜亓鞒讨腥紵龣C(jī)運(yùn)行的情況，為確保物料受熱均勻，若其沒有處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，則需要啟動(dòng)正轉(zhuǎn)。在自動(dòng)模式下：當(dāng)溫度小于下限時(shí)，燃燒機(jī)均運(yùn)行；當(dāng)溫度超過上限時(shí)，若燃燒機(jī)都是運(yùn)行的，則先關(guān)掉2號燃燒機(jī)，在經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后，若溫度還超過上限，那么再關(guān)掉1號燃燒機(jī)。2）物料運(yùn)行流程。物料在炒制期間，控制可分成多種模式。單工序的不間斷運(yùn)行，構(gòu)成一個(gè)組合步；全部組合步的不間斷運(yùn)行，構(gòu)成一個(gè)全過程自動(dòng)模式。若在工作前，其他單步需要先停止，那么就是互斥步。使用者借助觸摸屏進(jìn)行操作，調(diào)整步狀態(tài)位，工作完成時(shí)，復(fù)位。軟件掃描、置位時(shí)，工作；復(fù)位時(shí)，不運(yùn)行，由此控制機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)[10]。以下是各種控制模式：

①在單步控制模式下，料斗提升條件上限為開，互斥步，料斗卸料后逐漸下降；在達(dá)到規(guī)定時(shí)間時(shí)，操作結(jié)束，互斥步，料斗上升后逐漸下降，炒筒反轉(zhuǎn)；在處于下限位時(shí)，料斗不下降，互斥步，料斗上升后卸料；炒筒正向轉(zhuǎn)動(dòng)，互斥步，反轉(zhuǎn)；炒筒反向轉(zhuǎn)動(dòng)，互斥步，正向轉(zhuǎn)動(dòng)后卸料；清選，互斥步，拌料正向轉(zhuǎn)動(dòng)后反向轉(zhuǎn)動(dòng)；拌料正向轉(zhuǎn)動(dòng)，互斥步，反轉(zhuǎn)；拌料反向轉(zhuǎn)動(dòng)，互斥步，正轉(zhuǎn)。②在組合步控制模式下，單步依次完成時(shí)，自動(dòng)上料停止，互斥步，下料后炒筒反向轉(zhuǎn)動(dòng)及炒制；達(dá)到規(guī)定時(shí)間，炒制停止，互斥步，智能上下料后炒筒反向轉(zhuǎn)動(dòng)；在達(dá)到反轉(zhuǎn)、清選規(guī)定時(shí)長的情況下，下料停止，互斥步，自動(dòng)上料后拌料，正轉(zhuǎn)；在單步依次完成的情況下，拌料停止，互斥步，下料后炒筒反轉(zhuǎn)及清選。值得一提的是，全部組合步構(gòu)成全程模式，手動(dòng)停止為每一步的停止條件，全程模式與所有步互斥。

第三，控制系統(tǒng)軟件設(shè)置中需注意的問題。對電機(jī)開展正反轉(zhuǎn)控制的繼電器，硬件設(shè)置方面要具備互鎖功能，即便在短路的情況下，也能從硬件上保證系統(tǒng)安全。為避免硬件損壞造成功能失效，在軟件設(shè)置中增加了互鎖功能，實(shí)現(xiàn)雙重保險(xiǎn)。為保護(hù)電機(jī)，避免出現(xiàn)過載，在正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，要達(dá)到延時(shí)長；正轉(zhuǎn)開啟前，需要先等反轉(zhuǎn)停止。

3.2.5 控制功能驗(yàn)證

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)束后，根據(jù)硬件電路，由狀態(tài)位指示，檢驗(yàn)控制邏輯?，F(xiàn)場布置了繼電器等硬件設(shè)備，在組成控制柜之后，結(jié)合物料、電機(jī)等特征，設(shè)計(jì)相應(yīng)參數(shù)，開展控制功能驗(yàn)證。

4 PLC的未來發(fā)展方向分析

1）在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代背景下，農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械需要聯(lián)網(wǎng)，因此對信息安全性提出了新要求。在農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展中，還應(yīng)強(qiáng)化PLC網(wǎng)絡(luò)通信功能的運(yùn)用，借助無線、接口技術(shù)等，因此要求PLC朝著安全化趨勢發(fā)展。由于在互聯(lián)狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)將提升，難以確保信息安全，會(huì)給農(nóng)產(chǎn)品加工生產(chǎn)控制帶來隱患。如今PLC控制系統(tǒng)即便集成了安保功能，但在一些方面還有待改進(jìn)。在農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械耐用性研究等方面，PLC抗干擾性能較好，但各類產(chǎn)品有著各自工藝的不足，在農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械升級、維修等方面會(huì)面臨一定問題。加強(qiáng)PLC應(yīng)用分析，使設(shè)備能滿足硬件要求，防止由于設(shè)備問題造成數(shù)據(jù)傳送失誤，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。在智能化發(fā)展中，PLC在農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械中的運(yùn)用還應(yīng)做到準(zhǔn)確控制，以便使信息能正常傳遞。

2）農(nóng)業(yè)會(huì)向著高端智能化的趨勢發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)思維的應(yīng)用，能促進(jìn)農(nóng)業(yè)智能化水平的提升，對PLC運(yùn)用也會(huì)提出新要求。利用技術(shù)研究成果，PLC將得到更新，為農(nóng)產(chǎn)品加工生產(chǎn)控制的自動(dòng)化發(fā)展提供支持。通過集成各類技術(shù)，PLC能處理龐大信息，并返回至終端系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)模式的形成提供支撐。在PLC自動(dòng)化發(fā)展中，將從產(chǎn)品及物聯(lián)上實(shí)現(xiàn)集成。PLC集多項(xiàng)功能于一體，應(yīng)持續(xù)進(jìn)行接口拓展研究，以便在時(shí)代進(jìn)步下，根據(jù)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)技術(shù)更新，使技術(shù)運(yùn)用符合通用、精準(zhǔn)的要求，為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

5 結(jié)論

綜上所述，應(yīng)用PLC開展自動(dòng)化控制，可為實(shí)現(xiàn)控制功能提供支撐。伴隨技術(shù)的更新，PLC應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)得到深入拓展，以滿足人們對PLC多元化功能的需求，促進(jìn)自控系統(tǒng)的智能化發(fā)展，從而讓自動(dòng)化技術(shù)獲得長遠(yuǎn)發(fā)展。課題組所介紹的基于PLC的農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)，經(jīng)過對具體機(jī)械（瓜子炒制機(jī)）的調(diào)試及測試運(yùn)行，效果比較理想，且有著功能完善、便于使用、易于操作的特點(diǎn)，有著一定的實(shí)用價(jià)值。