基于PLC的花生分拣装卸控制系统设计

2022-10-14董永强

许昌学院学报 2022年5期

董永强

(许昌学院电气与机械工程学院，河南许昌 461000)

花生在我国农业生产中占有重要地位，是重要的油料作物和经济作物，在国际市场上占据较大的份额和优势[1].花生剥壳后不仅能直接食用，而且还可以经深加工后制成各种制品.近年来，花生的分拣、装卸、剥壳等研究成果比较多，文献[2]设计了一种带自适应系统的花生种子剥壳机，可以有效降低果仁破损率，提高剥净率.文献[3]设计了一种铲筛组合式花生分段收获机，可一次性完成挖掘、去土、送秧等工序，落果率和破损率均大大降低.文献[4]设计了一种双筛体多功能花生收获机以解决常见的收获机功能单一、适应性差及振动大等问题.本文针对某厂的花生筛土、剥壳、果仁分拣、封装和运输生产线，设计了PLC控制系统，以期提高该生产线的自动化水平，从而降低工人劳动强度，提高生产速度和效率.

1 系统硬件设计

系统以PLC为控制中心，以组态王软件为上位机，通过限位开关等控制电磁阀、筛土电机、剥壳电机、皮带电机、分拣电机、封装电机、运料小车的运动，花生筛土、剥壳、果仁分拣、封装和运输，并能在发生故障时进行报警.系统硬件组成结构如图1所示.

图1 系统硬件组成结构

1.1 器件选型及电路设计

1.1.1 PLC选型

图2 S7-200 CPU226

控制系统的输入/输出口(I/O)共23个，即11个输入端口和12个输出端口.硬件部分选用西门子S7-200 CPU226(图2)，该PLC共有24个输入接口、16个输出接口、两个9针RS-485接口、13 000个字节的数据储存空间，且自带两组模拟量输入和一组模拟量输出模块.因此能够满足系统控制需要，且性价比较高[5].

1.1.2 主电路原理图

该花生分拣装卸控制系统需要筛土电机、剥壳电机、皮带电机、分拣电机、封装电机和运料电机等，主电路原理图如图3所示.

图3 主电路原理图

1.1.3 电动机的选型

经过计算后，在花生筛土和分拣环节，所选电机型号为Y132S-6，功率为3 kW、转速为960 r/mim；在剥壳环节，选用功率为4 kW、转速为1 440 r/min、额定电压为380 V、额定电流为8.8 A、电动机型号为Y2-112M-4的三相异步电机；在皮带输送花生果仁到出料口24的过程中，使用的是兴运500的带式输送机，其输送能力为10 t/h，故选择电机型号为Y132S-6；封装机为博华DCS-60系列，其功率为3.3 kW，封装速度为300-600包/时，所以采用功率为4 kW的Y112M-2电机；在运料小车输送装袋花生的过程中，标准袋重为25 kg，运料小车重50 kg，地面与小车轮胎的摩擦系数为0.3，输送速度为1 m/s，则运料小车需要的功率为225 W，因此选择型号为Y80M1-2、功率为750 W的电机.

1.2 筛网设计

由于带壳花生的直径约为1 cm，而大果仁直径一般大于0.6 cm，小果仁直径小于0.6 cm.筛土环节主要是过滤掉红土和细小杂质，所以选用直径为5 mm的单层结构筛框，长×宽约为2 000×1 000 mm.剥壳环节选用的振动筛是为了过滤掉已经剥壳的花生果仁，因此选用筛框的长、宽为500 mm和300 mm的双层单筛结构.第一、二层圆孔筛，筛孔直径分别为9 mm和5 mm.防止花生仁堵住网孔，内层设置碰撞球，筛选环节筛网结构如图4所示.

图4 筛网结构示意图

1.3 PLC I/O地址分配及端口接线

I/O地址是PLC和外部设备之间联系的主要通道，通过对该生产线及控制系统中各类输入信号和输出信号进行区分，并在PLC里分配不同的地址，来实现PLC和外部设备之间信息交换，可以使PLC准确无误地控制外部输出设备.

控制系统I/O地址端口分配如表1所示.

表1 I/O地址分配表

根据I/O地址分配，PLC输入/输出端子接线如图5所示.

图5 CPU226端口接线图

2 软件程序设计

2.1 系统流程图

控制系统流程图如图6所示.其工作原理是按下启动按钮SB1，系统开始启动，电磁阀2得电.按下筛土电机启动按钮，电磁阀1打开，筛土环节开始工作.筛土设定时间到后，剥壳电机工作，花生壳和果仁分离.剥壳设定时间到后，启动皮带输送机，皮带工作一定时间后筛选开始.筛选设定时间到后，封装启动；达到设定重量25 kg时，称重传感器发出信号，电磁阀2关闭，不再进果仁，同时电磁阀3打开出果仁.工人在出仓口承袋装果仁，把称好的袋装花生果仁放在封装机口处进行封装，封装完后，标准袋放在运料小车上，KM6得电，运料小车开始前行.当遇到右行程开关时，运料小车停止前行，开始卸标准袋.时间到后，KM7得电，小车开始后退.后退中碰到左行程开关时停止运动，小车回到初始位置，进行下一次循环.在系统运行中，如果要结束过程则按下停止按钮，系统暂停运行.如果出现故障则按下出错按钮，报警指示灯亮，等待维修人员进行处理.维修结束后，按下停止按钮，系统重新启动.

图6 系统流程图

2.2 上位机组态面画设计

组态软件为组态王kingview7.0，运行于windows操作系统，与PLC的通信采用PPI(Point-to-Point Interface)协议，在组态王通信模块找出S7-200 PLC，设置通信方式和通信参数即可[6].通过组态可以进行动态画面显示，强大的人机交互能力可实时采集并控制花生分拣装卸生产线系统.图7所示的组态王监控界面，指示灯的变化用动画连接里属性变化中的填充属性对它们是否工作进行填充；电机工作状态是扇叶是否旋转来表示，这需要用到动画连接里位置与大小变化中的旋转功能属性；运料小车用动画连接里属性变化中的属性填充、位置与大小变化中的缩放属性来实现；运料小车先进行组合成小车样式，然后在动画连接中设置为水平移动.按键有开始按钮、停止按钮、出错按钮三个，分别设置按钮的命令语言连接，再根据系统设计要求，在应用程序命令语言中写出程序语句；最后选择全部保存，改成View状态，选择创建的画面名字，切换按钮，观察动画效果.在筛选环节，筛选指示灯变绿色，筛选开始呈现流动效果，筛选电机风叶开始旋转.当运料小车前行后，左行程开关SQ1由绿变红，小车前行指示灯变绿，表明小车开始前进.在按下出错按钮后，报警指示灯由黄色变成紫色，系统停止运行.