宋 玉, 夏铭琦, 杨宇轩, 李莹莹, 王子怡, 陈思羽

(佳木斯大学机械工程学院,黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

粮食分级是智能粮仓建设的一个重要环节,粮库的作业季节性强,每年夏秋季节是粮食收购作业的高峰期。水分、容重检验技术相对来说比较成熟,自动检测后,可以与杂质、破损粒、生霉变粒的计算检验结果一起人工录入存储设备中进行存储处理,最终形成检验结果报告单,并以此作为被检粮食定等、定价的依据,但上述检验方法检验速度慢、时间长、主观性强。为了加快粮食定等速度,研发了基于PLC控制的粮食等级初选装置,针对粮食定等过程中的水分和容重检测进行系统设计,通过PLC对实验平台进行智能控制。本装置可实现将玉米,稻谷等不同产物水分和容重的智能检测,并根据国家粮食标准自动进行初步分级,检验员可依据初步分级结果在进行其他检验操作,减少了粮食定等过程的人力物力。

1 粮食等级初选装置结构设计

整个系统由多个阀门、多个电机、输粮管道、多个出粮口和称量斗构成,包括:吸粮装置、阀门一、阀门二、料斗、缓冲进料口、称重传感器、水分检测箱、出粮口一、出粮口二管道和支撑架等组成,见图1。

1.1 吸粮装置

吸粮装置包括进粮口、输粮管道、吸粮电动风机。检测时,进粮口直接插入粮堆,也可通过延长管与运粮车直接连接,对不同深度的粮食进行取样。吸粮电动风机设置在输粮管道上,吸粮电动风机的转轴上有风叶轮,通电后,吸粮电动风机会产生较高的吸力和压力,在吸力和压力的作用下,空气高速排出,而吸粮电动风机前端吸粮部分的空气不断地补充风机中的空气,致使吸粮器内部产生瞬时真空,和外界大气压形成负压差,在此压差的作用下,吸入粮食。整体装置体积小,便于携带,进粮口可由支撑架支撑在地面上,也对运粮车、粮库内部粮食直接采集,方便快捷。

1.2 容重检测

本次设计的粮食等级初选装置主要由容重检测和水分检测两部分组成,容重检测装置结构如图2所示。测量时,阀门二关闭,阀门一打开,阀门一上部安装筛网,粮食进入料斗前,通过筛网过滤除去大杂质。除杂后的粮食进入料斗,内部安装的料位计检测入粮高低,称重传感器称重,超过预先设定高度及重量时报警,控制系统关闭阀门一,停止进粮进行容重检测。

使用过程中,粮食进入料斗后,料位计检测粮食高度,达到预警高度系统报警,吸粮装置停止进粮,阀门一关闭,振动盘振动保证料斗内部粮食紧实和平整。粮食在称料斗内稳定3至5秒后,称重传感器检测粮食重量,称重完毕后,系统计算四个称重传感器的平均值并保存。同时,料位计测量粮层厚度,系统检测粮层厚度后自动换算出料斗内粮食体积,依据公式计算出粮食容重,触摸屏显示数据并保存。计算容重公式如式(1):

γ=m/v

(1)

式(1)中:γ为粮食的容重g/L;m为测定出来粮食的重量g;V为粮食的体积L。

1.出粮口一 2.阀门四 3.阀门二 4.阀门一5.风机(内含电机) 6.料位计 7.称重传感器 8.进粮口 9.阀门三 10.电机二 11.水分检测箱 12.出粮口二 13.料斗 14.缓冲进料口

1阀门二2 振动盘3称料斗4阀门一5筛网6 料位计7称重传感器

1.3 水分检测

设计的水分检测装置主要包括:壳体、电机、第一齿轮、第二齿轮、抽拉板和电容式传感器。电容式水分检测箱上部装有电机,控制内部两个碾压轮旋转,对粮食进行碾压,电容式传感器检测粮食水分并记录。如果一次性进入粮食过多,电容式水分检测箱内部出现堵塞,因此在底部设置了可拉伸挡板可以快速排粮,防止发生堵塞。

检测时,粮食通过吸粮装置进入称料斗,容重检测完成后,打开料斗下面的阀门二,同时关闭容重检测部分的出粮口阀门四,保证粮食进入水分检测装置,检测完成后由水分检测箱的排粮口(出粮口二)排出。本装置可单独进行水分检测也可单独进行容重检测。

1电机 2 第一齿轮3第二齿轮4 电容式传感器 5抽拉板

2 基于PLC的粮食等级初选装置控制系统设计

2.1 部分PLC程序指令

本次设计需要五个开关阀门,输入点类型为数字量输入,只有0,1两个状态。输入形式为直流,输入电流24VDC,5mA。因此,采用台达DVP系列16ES200R/T控制器,满足本次设计要求。

首先,M1002为台达PLC运行标志中启始正向(RUN的瞬间“On”)脉冲,MOV指令,先定义COM2的一些通讯格式和通讯协议,COM2只支持一种协议,就是Modbus协议,Modbus会有三个通讯模式,COM2用485通讯,所以选用RTU的通讯格式。COM3连接称重仪表,水分检测箱,进行数据采集。I/O分配表如表1。

表1 I/O分配表

称重传感器返回数据,系统将四个称重数据求和取平均值,将最后得到的粮食重量显示并保存,程序如图4所示。

图4 称重传感器

水分检测指令如下图5所示。

图5 水分检测

根据公式,经过单位换算,计算出容重数据。如图6所示。

图6 容重计算

系统检测水分和容重后,进行参数对比确定粮食初选等级。如图7所示。

图7 定等数据对比

2.2 控制界面

进入系统显示控制界面,操作人员可依据要检测的粮食选择不同粮食品种,粮食种类选定后系统依据选择的粮食种类自动匹配电机转速。运行时,若系统出现故障,故障指示灯亮红灯报警,提醒工作人员发生故障,所有电机自动关闭。正常运行时,控制界面实时显示进料高度,若超过极限高度报警灯亮,电机自动关闭。在进行水分和容重检测时,系统检测粮食重量及粮食高度后自动换算粮食容重,系统保存水分测量值并依据国家标准自动显示粮食初选等级,同时水分和容重也直接显示在触摸屏上。粮食等级初选装置控制界面如图8所示。

图8 粮食等级初选装置控制界面

3 结 论

针对粮食定等过程中的水分检测和容重进行系统设计,通过PLC对控制系统进行智能控制。通过本平台可实现不同粮种的水分和容重的智能检测,系统依据对应标准对粮食等级进行初步判定。利用MCGS组态界面,调整各个按钮所对应实现的功能、电机启停和阀门开关。调试后通过触摸屏能够控制整个系统流程以及显示粮食水分、容重、初选等级等信息。本装置可以适用于不同品种粮食的水分和容重的检测,只需根据粮食品种在操作界面上进行选择,系统自动进行水分和容重检测,实现了粮食等级的初选,缓解了收购中存在粮食定等时间长、效率低的问题,为提高粮食收购自动化水平提供了重要的依据。