许铖溶，张宝珍，樊军庆，向欢浩，杨东生，李敬祥

(海南大学 机电工程学院，海口 570100)

椰子既是热带木本油料作物，也是食品能源作物,用途十分广泛,综合利用经济价值极高，享有“宝树”的美誉[1]。椰子的种植在我国已经有 2 000年的历史，主要分布在海南省，椰子从内到外主要分为椰汁、椰肉、椰壳和椰衣。其中椰汁可制成饮料、椰子酒、椰子醋等多种产品[2];椰衣纤维可以加工成各种产品，如家具、棒子、椰衣席等；椰壳可做成活性炭，用于净水、脱色等；椰肉可加工成椰干，也可榨油。椰子的出油率高达60%，与油棕仁(46%)、花生仁(44%)、大豆(17%)相比有着很大的优势[3]。

椰子油提取过程中先要将椰子壳肉进行分离。目前，国内主要采用人工的手段实现椰肉和椰壳的分离，不仅效率低、容易污染椰肉，而且工作时容易造成人身伤害。本课题组在对椰子壳肉分离机机械部分设计[4-6]的基础上，设计了电气自动控制系统，该系统不仅能够适应不同大小的椰果，而且实现切割过程全自动，极大地提高了工作效率。

1 椰子壳肉分离机的工作过程

椰子壳肉分离机机械部分的结构如图1所示，主要由机架、电机、切刀、弹簧、丝杆与传动螺母等组成。按功能可分为压紧机构、滚筒机构、转动机构、升降机构、切割机构。其中联轴器的作用是联结电机与传动丝杆，电机通过丝杆带动传动螺母的移动，实现压头与切割台的升降。转动电机通过传动齿轮副带动转盘低速旋转。电动推杆的进退动作是由电机驱动减速齿轮从而带动螺杆、螺母完成。当电机正转时，推杆推出，反转时，推杆退回。滚筒机构位于椰果(本文将已经剥去椰衣的椰子统称为椰果)左侧，由2个滚筒、1个电动推杆、2个套筒、1个压力传感器、1个铁板、2对滚筒支架组成，滚筒支架焊接在铁板右侧，套筒焊接在铁板左侧且固定在机架上，由电动推杆作为动力，推动滚筒接触椰果,滚筒可以防止椰果在切割过程中向左滑出。

椰子壳肉分离机开始工作时，启动电源，压力传感器6、11、32与位移传感器19、38开始采集数据。先将椰果15放入转盘16中，转换开关选择自动工作方式，压紧电机1启动，驱动传动丝杆39使压头8向下运动，直到压力传感器6所测得的压力达到设定值，之后压紧电机1停止运行，转动电机18启动，带动传动齿轮副17，使固定在转盘上的椰果15低速旋转，推杆电机14启动，滚筒10左移，直到压力传感器11达到设定值，推杆电机14停止运行。由于初始位置时，压头8与转盘16的凹处距离固定为240 mm，经过PLC处理，将该距离减去压头压紧椰果时压头的位移量就能得到椰果的高度，切割台26处于初始位置时，切刀34与椰果15底部处于同一水平线，令切割台26上升高度为椰果15高度的一半，则可以满足切口直径尽可能大的要求。

接着再由PLC控制升降电机21，驱动传动丝杆20，升高切割台26。在位移传感器19检测切割台26到达椰果的一半高度后，升降电机21停止运行，切割电机33开始运行，并由推杆电机31驱动电动推杆30，通过滑轨27和滑块28带动切割电机33推进，当切刀34接触到椰果15时，此时压力传感器32还未达到设定值，直到切刀34上的限位板接触到椰果15，且压力值达到设定值时，推杆电机31停止运行。并通过PLC的定时器设定停止时间，该时间长度应略大于椰果15旋转一周的时间。

完成切割工作后，转动电机18与切割电机33停止运行，之后推杆电机31反向运行，切割电机33左移，直到碰触到行程开关29时停止，推杆电机14反向运行，滚筒10右移，直到碰触到行程开关13时停止，升降电机21反向运行，切割台26下降，直到碰触到行程开关23时停止，压紧电机1反向运行，压头8上升，直到碰触到行程开关4时停止。当4个行程开关都接触时，则视为一个工作周期结束，机械回到初始位置,之后将切割好的椰子统一冷冻,集中送往椰肉加工中心。由于已经切割完成的椰果切口处位于最大直径处，因此可轻松地将椰壳分离，取出完整的球形椰肉。

注：1.压紧电机；2.机架；3.联轴器；4.行程开关；5.传动螺母；6.压力传感器；7.弹簧；8.压头；9.套筒；10.滚筒；11.压力传感器；12.电动推杆；13.行程开关；14.推杆电机；15.椰果；16.转盘；17.传动齿轮副；18.转动电机；19.位移传感器；20.传动丝杆；21.升降电机；22.联轴器；23.行程开关；24.传动螺母；25.螺母导向套；26.切割台；27.滑轨；28.滑块；29.行程开关；30.电动推杆；31.推杆电机；32.压力传感器；33.切割电机；34.带有切刀限位板的切刀；35.限位挡块；36.螺母导向套；37.行程开关；38.位移传感器；39.传动丝杆。

图1 椰子壳肉分离机示意图

2 主电路的实现

压紧电机1的正反转分别由KM1、KM2控制，转动电机18的运行由KM3控制，升降电机21的正反转分别由KM4、KM5控制，切割电机33的运行由KM6控制，推杆电机14的正反转分别由KM7、KM8控制，推杆电机31的正反转分别由KM9、KM10控制，其中熔断器FU1～FU6及热继电器FR1～FR6分别用于保证电机不会过流、过热而损坏，如图2所示。

3 控制系统的实现

此控制系统共有25个开关输入量、10个输出量。在具体使用时，可能会出现输入输出点数不足的情况，因此需要留出余量。从可靠性、经济性等方面考虑，选择PLC的型号为FX2N-64MR，其外部接线图如图3所示。

图2 主电路图

图3 外部接线图

根据椰子切割机的控制要求，有18个控制按钮，1个2档转换开关，5个行程开关。输出量包括10个输出继电器。对PLC的I/O进行分配，分别如表1、表2所示。

表1 PLC输入点分配

续表1

名称地址电气元件功能SB6X007按钮6推杆电机14正转SB7X010按钮7推杆电机14反转SB8X011按钮8推杆电机14停止SB9X012按钮9转动电机18启动SB10X013按钮10转动电机18停止SB11X014按钮11升降电机21正转SB12X015按钮12升降电机21反转SB13X016按钮13升降电机21停止SB14X017按钮14推杆电机31正转SB15X020按钮15推杆电机31反转SB16X021按钮16推杆电机31停止SB17X022按钮17切割电机33启动SB18X023按钮18切割电机33停止ST1X024行程开关4压头8上限位ST2X025行程开关13滚筒10左限位ST3X026行程开关23切割台26下限位ST4X027行程开关29切割电机33左限位ST5X030行程开关37压头8下限位

表2 PLC输出点分配

4 模拟量输入模块

本系统采用的2个模拟量输入模块分别为FX2N-4AD、FX2N-2AD。模块与PLC连接及各个传感器所对应的通道如图4所示。其中FX2N-4AD的3个通道均采用电流输入，第四个通道关闭，FX2N-2AD的2个通道均采用电压输入。图5为A/D转换输出特性。

图4 模拟量输入模块接线图

图5 A/D转换输出特性

图6 控制系统总程序

如图5所示，通过标定[7]，FX2N～4AD的模拟量输入范围为4～20 mA，数字量输出范围为0～1 000，FX2N-2AD模拟量输入范围为0～5 V，数字量输出范围为0～4 000，压力传感器的测量范围为0～30 kg，位移传感器的测量范围为0～250 mm，其中压头与转盘凹处的固定距离为240 mm时，所对应的数字量输出为3 840。

5 程序设计

图6为控制系统总程序。该控制系统的程序分为手动程序、自动程序，其中手动程序较为简单且均采用启保停电路，因此手动控制部分只给出压紧电机1的正反转和转动电机18启动、停止的程序，其他电机的手动控制程序与之相似，这里不再赘述。图7为自动控制顺序功能图，当转移条件X0、X3成立时，两条分支流程S20、S30同时被激活，即自动控制模式和模拟量采样、处理同时进行。

图7 自动控制顺序功能图

6 仿真与实验

应用仿真软件GX-simulator对图7的顺序功能图进行仿真，如图8所示。经实验，该程序能可靠地实现控制要求。

图8 仿真界面

7 结束语

本文基于PLC设计了椰子壳肉分离机电气控制系统，给出了主电路图、PLC外部接线图和自动控制程序，实现了椰子壳肉分离机在自动控制模式下进行椰子的切割。实验证明椰子壳肉分离机工作可靠，自动化程度高，壳肉分离效果好，对椰肉的破坏性小，操作简单安全，具有一定的推广使用价值。