李医中，刘宝林

（1.郑州轻工业大学机电工程学院，郑州 450002；2.河南航天液压气动技术有限公司，郑州 451191）

0 引言

花生在古代被称为长生果，其作为我国的重要农产品之一，与人民的生活息息相关。而人们喜爱的花生果实却是埋在土壤中的，因此，人们在完成花生果实的收获、晾干之后，如筛分不够仔细，在分装时易存在较多的泥沙、秸秆等多余物，这就造成了分装后的诸多不便，并且称重时也只能按毛重计算。又由于在花生分装时的工作环境粉尘较大，分装环境不太友好，因此，为了减轻人工劳动强度，提高生产效率，减少粉尘作业时对人体的侵害，本研究通过机电一体化集成技术，设计一套以可编程控制器（PLC）技术为控制核心的全自动筛选、多余物去除及称重为一体的实时控制系统。

国内外对于PLC为控制核心的控制系统进行了大量的研究实践。丁惠中[1]研究了基于PLC的交流伺服控制系统电气实现，常辉、岳玉霞[2-3]研究了可编程控制器的应用，任少伟等[4]对称量控制系统的应用进行了研究。上述文献虽然基本阐述了基于PLC的控制系统基本应用方法，但都不曾对花生附着的多余物进行去除并完成称重的整体控制要求进行应用实践。

本文中的花生机分装控制系统主要以PLC控制器作为控制系统核心，以固高GSHD-0062AAP1型高性能伺服驱动器作为伺服电机控制纽带，以伺服电机附带的增量式编码器提供的反馈信号构成控制闭环回路，最终控制电机、气缸等执行部件按实际需求完成执行动作。同时，该控制系统设计了良好的人机界面完成对整机的工作状态和数据进行实时监测，PLC S7-200附带了较为强大的通信能力，对现阶段物联网的实现是十分有利的，后期，如有需求，可以实现多型设备间的联结，于自动化生产建立有利。最后，本文中的控制系统设计并完善了声光报警系统，以期实现在整机运行时的安全保证。

1 花生分装机结构组成

花生分装机采用纵列式布置，前端布置有主控制面板，完成整机调试后，按顺序启动各控制开关，首先，打开供料开关，待供料口打开后，待分装花生会在重力作用下渐次从料斗中流入振动筛，经过一定时间的振动筛分后，完成泥沙、秸秆等各类较重附着物的去除；之后，花生进入杂物吹除区，吹除如较轻的秸秆、叶片等附着杂物；再后，吹除洁净的花生进入分流区进行分流打包；最后，由称重系统进行称重后移出分装机。花生分装机整机结构组成如图1所示。

图1 花生分装机整机结构

2 花生分装机控制系统硬件设计

花生分装机控制系统结构如图2所示，主要包括核心处理器PLC、交流控制器、电机驱动器、输入输出控制扩展模块、增量式编码器、声光报警传感器及各型伺服电机等[5]。花生机分装控制系统将PLC S7-200作为整机控制系统的中置控制器，连接有光电传感器和电机驱动器，并且可以通过电子触摸屏的交互实现控制系统的实时控制。预先在上位机的编程中采用梯形图写入控制程序，系统通电后，PLC能够根据程序内部逻辑指令自动遍检各接入点实时使能状态，并通过光电传感器输出各控制点位反馈信息，如果有信号写入，则将任务传输到PLC，最后按照主程序指令顺序调用各子程序，根据主程序基本流程完成控制系统中各执行元器件的交互、协同，最后控制系统实时控制花生分装机整机平稳运行。

图2 花生分装机控制系统结构

2.1 主控制器PLC

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行[6]。PLC作为连接系统中光电传感器与伺服驱动器的中间装置，其特征主要表现为操作简单、易于编程、模块化结构、较高的抗干扰性、较高的可靠性等，它能够代替继电器的定时、顺序控制、计数及逻辑运算等功能，可实现系统的可编程控制。

本文涉及的系统控制主要表现在数字量控制，参考输入/输出信号的数量、类别及不同的控制要求作为控制依据，并且按照输入/输出点数的基本备用量准则即冗余20%～30%I/O点数，选取CPU型号为224，该型CPU具备集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器[7-8]。

2.2 驱动器、编码器及附件

驱动器选用固高GSHD-0062AAP1型高性能伺服驱动器，该型驱动器外形轻巧，调试简单，并且在花生机分装控制系统中采用了该型驱动器的电流（转矩）模式进行控制，辅用增量式编码器控制电机。GSHD系列高性能伺服驱动器支持模拟量指令输入、脉冲指令输入及EtherCAT或gLink-II指令输入（固高自主知识产权的千兆以太网协议）。用户可以通过简单易用的调试软件DriverStudio进行驱动器参数设置及驱动器调试，图形化的软件界面使驱动器参数设置更容易，且精简版调试软件仅50M，极大地降低了系统硬件配置需求。本次采用的振动电机、输送电机及吹除电机均采用了常用的PID速度控制闭环模式进行使能设置，具体控制闭环回路如图3所示。

图3 速度闭环控制回路

为及时地完成人机交互，为控制系统配置了TP700工业级彩色触摸屏，该显示器带有PROFINET和MPI/PROFIBUS DP接口（面板集成有带2个RJ45端口的交换机）；其拥有1600万色LED背光，16∶9宽屏显示，12 M用户内存，足以满足人机交互所需。另外，为了满足调试需要，还配备有手持式控制器。

3 花生机分装系统软件实现

PLC S7-200的CPU224模块的高频率脉冲输出用于控制伺服电机功能由Step7 Microwin4.0 Sp9实现，其能够提供比较简易的解决方式实现伺服电机的位置和速度控制，能够达到小型机械装置的准确定位要求[9]。

3.1 软件编程设计

PLC的控制方式属于存储程序控制，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作必要修改，只需改变控制程序即可，这就实现了控制的软件化。可编程控制器的优点在于“可”字，从软件来讲，其控制程序可编辑、可修改；从硬件上讲，其外部设备配置可变。构建一个PLC控制系统的重心就在于控制程序的编制，但外部设备的选用也将对程序的编制产生影响。因此在进行程序设计时应结合实际需要，硬、软件综合考虑。

PLC控制器在完成外部接线后，可以采用多种编程指令完成程序编制并完成调试工作，本文系统结合花生分装实况选用了两种工况，分别为手动和自动两种运行方式。在分部调试设备及试分装时多采用手动控制，且在各子程序间设定了联锁保护，有效防止在手动控制时产生的碰撞等事故产生；自动控制则主要由主程序模块、子程序模块、手动控制模块及伺服运行程序模块等共同构成。

顺序控制是生产现场常见的一类控制任务，步进指令是PLC指令库中专用于顺序控制的。步进指令编程时，根据工艺流程将程序划分为一个个独立的程序段，执行时，CPU严格按梯形图编程顺序，只有执行完前一段程序后才能激活下一段程序，并在下一段程序执行之前，将前面程序段复位[10-11]。因此，控制系统通过顺序控制设计方式先单独设计一个主程序，同时向不同子程序内单独放入伺服控制的对应程序块，系统软件功能模块包括初始化运动轴功能块、运动轴移动功能块、启用功能块及找寻参考点功能块等。具体程序流程如图4所示。

图4 程序流程

3.2 地址分配

经分析，花生分装机控制系统包括8个输入信号，其中，包括7个开关量输入信号，即总开关、急停开关、供料开关、振动筛分开关、杂物吹除开关、分流开关、称重开关，1个模拟量输入信号，即花生分转质量采集；7个输出信号，即三相电机启停控制、振动筛分电机控制、杂物吹除电机控制、输送电机控制、供料机构控制、报警器及故障指示灯等。I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

3.3 PLC主程序编制

根据程序流程图编制主程序及相关子程序块，然后，根据I/O地址分配情况完成硬件组态，确保主流程无误后完成主程序的编译及各子程序的编译。

首先调用初始化模块，在初始化完成后，光电检测器检测到信号，结合固高GSHD-0062AAP1型高性能伺服驱动器运行指令完成伺服电机子程序的运行。其中，电机的运行方向与速度分别通过手动控制模块内的Dir与Speed控制，程序编写时仅需通过MOV命令设定各个时刻的各种方向信号与速度值[12]，这样就极大地简化了控制指令的输出，只需要给出相关参数即可。

控制向导PLC主程序如图5所示。

图5 控制向导主程序

4 仿真实验与结果分析

为检验控制系统性能，本文通过工程软件Matlab对建立的伺服控制系统进行了仿真，因振动筛分电机作为多余物分离的执行电机，其分离效果会直接影响花生分装质量，因此，仿真选取了振动筛分伺服电机作为实验对象。

经研究分析，确定了仿真控制系统中执行电机采用小功率机电伺服系统，综合考量后，采用在信号检测、传递及处理方面较好且准确性和经济性也不错的电压-转角机电伺服控制系统。先确定部分参数，即取R1=1.2 MΩ，C=0.1µF，根据自动控制原理，可得PI校正环节的传递函数为：。以单位阶跃信号作为控制系统输入，以示波器进行记录，可得系统仿真响应曲线如图6所示，其中仿真控制系统参数如表2。仿真实验结果表明，系统达到第一次稳态值的时间为tr=1.04 s，数据表明该控制系统的响应一般，但是系统稳态性较好，对于花生分装机这类强调连续可靠运行的设备而言，系统的稳定性非常重要，因此，仿真的结果直观地验证了该系统能够满足花生分装机实际性能要求，具备良好的应用价值。

图6 控制系统响应波形

表2 仿真控制系统参数

5 结束语

目前，大部分花生分装机采用分体式设计，控制系统采用简易继电器控制系统模式，架构简单，成本低是其优势，缺点则是系统稳定性及自动化程度较差，尤其在智能化越来越普及的当前情形下，该类型的分装机已难以满足生产需求。而利用PLC对花生分装机控制系统进行重新设计，系统稳定性优于现有的简易控制系统，而且其与其他设备进行通信的能力得到了加强，客观上而言，多型号生产设备之间能够互联互通是现代物联网系统的一个重要特征。因此，通过本分装控制系统的开发，可以有效提升花生及同类型产品的分装能力，极大减少人体面对此类较恶劣生产环境的工作时长，而且，在必要时更可以连接物联网系统，实现该类型分装的自动化生产，提高生产效率，为实现社会效益和经济效益最大化提供保障。