基于PT／PLC的瓜果去皮生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖育武

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053）

中國(guó)作為世界農(nóng)業(yè)大國(guó)，瓜果的種植量和消耗量之大可想而知。作為食品瓜果深加工的一部分，瓜果去皮這一環(huán)節(jié)必不可少。而傳統(tǒng)的瓜果加工在很大程度上依賴于人工操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，削皮質(zhì)量差、不均勻。因此，研制具有省工省時(shí)、快速高效、去皮均勻、柿果質(zhì)量好的新型瓜果去皮生產(chǎn)線，并開發(fā)相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)，具有相當(dāng)?shù)耐茝V應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)以冬瓜自動(dòng)去皮生產(chǎn)線為例，擬對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中冬瓜的精確定位控制和隨動(dòng)去皮控制方案進(jìn)行研究［1，2］。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 生產(chǎn)線工藝要求

瓜果去皮生產(chǎn)線工藝可以分為兩步，第一步是定位，瓜果可以假定為一標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。當(dāng)瓜果經(jīng)傳送裝置傳送到工作臺(tái)時(shí)，通過(guò)控制工作臺(tái)的左右上下移動(dòng)來(lái)控制瓜果的柱中心線與生產(chǎn)線的主軸線重合，瓜果的位置定位就完成了；第二步是去皮，當(dāng)瓜果定位完成后，生產(chǎn)線的主軸插具插入瓜果的柱中心線夾緊瓜果，生產(chǎn)線主軸隨即按一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具頂住瓜果皮，并沿與主軸平行方向移動(dòng)進(jìn)給實(shí)現(xiàn)去皮，直至刀具碰撞到設(shè)置在終點(diǎn)處的限位開關(guān)，刀具縮回并返回到最開始處，等待下一次去皮過(guò)程。瓜果去皮生產(chǎn)工藝的重點(diǎn)是第一步中的瓜果定位控制，難點(diǎn)是第二步中的瓜果去皮厚度的隨動(dòng)控制。瓜果去皮生產(chǎn)線工藝流程框圖見圖1。

以?shī)A緊瓜果的主軸方向?yàn)閆軸，水平方向上垂直Z軸的方向?yàn)閄軸，以垂直X軸Z軸平面的方向?yàn)閅軸，建立坐標(biāo)軸。生產(chǎn)線去皮機(jī)構(gòu)分布示意圖見圖2。

1.2 方案的選擇

控制系統(tǒng)可以采用PC機(jī)配合單片機(jī)或者觸摸屏PT配合可編程控制器PLC兩種控制方法實(shí)現(xiàn)。由于PT、PLC有技術(shù)成熟、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、易于標(biāo)準(zhǔn)化安裝等優(yōu)點(diǎn)，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、緊湊，PLC的梯形圖編程也易于掌握，觸摸屏組態(tài)軟件可提供眾多控件，使界面友好靈活。當(dāng)控制功能需要改變時(shí)，只需修改程序及更改少量的接線。PT與PLC相配合，可對(duì)設(shè)備的大量操作控制、運(yùn)行信號(hào)通過(guò)對(duì)PT編程予以實(shí)現(xiàn)。PT與PLC構(gòu)成系統(tǒng)連線簡(jiǎn)潔，且成本低。所以，系統(tǒng)選擇PT與PLC相結(jié)合的控制方式［3］。

圖1 生產(chǎn)線工藝流程框圖Figure 1 Production line process diagram

圖2 去皮機(jī)構(gòu)分布示意圖Figure 2 Peeling body distribution diagram

1.3 系統(tǒng)控制硬件架構(gòu)

通過(guò)對(duì)工藝特點(diǎn)和功能要求的分析，確定程序控制單元采用FX2N－32MR，人機(jī)界面作為監(jiān)控單元采用DOP A57GSTD HMI，二者通過(guò)RS485進(jìn)行通訊連接。FX2N－4AD通過(guò)擴(kuò)展電纜與PLC主機(jī)相連，4個(gè)通道的外部連接則根據(jù)外部輸入輸出電壓或電流量的不同而有所不同。選擇全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為定位控制和進(jìn)刀控制的執(zhí)行單元，以滿足機(jī)械對(duì)電氣傳動(dòng)控制的硬件要求。瓜果位置的確定是生產(chǎn)線設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。系統(tǒng)在X軸和Y軸方向設(shè)置了兩對(duì)位置測(cè)量傳感器，進(jìn)行瓜果位置的檢測(cè)。激光位移傳感器可非接觸地精確測(cè)量被測(cè)物體的位置、位移等變化，主要應(yīng)用于檢測(cè)物體的位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等幾何量的測(cè)量。故本系統(tǒng)選用激光位移傳感器作為生產(chǎn)線位置檢測(cè)傳感器。仿形探頭采用差動(dòng)變壓器式微小位移傳感器改制而成，經(jīng)改制的傳感器既能保證信號(hào)的可靠轉(zhuǎn)換，又能保證不劃破瓜果表皮，是一個(gè)理想的微小位移仿形探頭。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3［4，5］。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of system structure

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 定位控制原理

瓜果通過(guò)傳送帶送至Z軸（工作臺(tái)）處，定位后被特制的夾具夾緊，在PLC預(yù)定程序的控制下，沿著Y軸方向上下移動(dòng)，Y軸傳感器a和傳感器b的檢測(cè)信號(hào)送至PLC，PLC按預(yù)定算法計(jì)算，當(dāng)瓜果位置達(dá)到Y(jié)軸定位要求時(shí)，停止電機(jī)上下轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)Y軸定位控制完成；PLC再控制瓜果沿X軸方向左右移動(dòng)，X軸傳感器c和傳感器d的檢測(cè)信號(hào)送至PLC，PLC按預(yù)定算法計(jì)算，當(dāng)瓜果位置達(dá)到X軸定位要求時(shí)，停止電機(jī)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)X軸定位完成，瓜果定位結(jié)束。

PLC預(yù)定算法：

式中：

Ezy、Esx—— 左右差距和上下差距；

D24、D30、D36、D42—— 分別為存放傳感器a、傳感器b、傳感器c、傳感器d的檢測(cè)值；

D20——加權(quán)轉(zhuǎn)換系數(shù)。

差距計(jì)算值存放在D8、D9中，通過(guò)D／A模塊傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行位置調(diào)整。

2.2 隨動(dòng)去皮控制原理

隨動(dòng)去皮控制主要由仿形探頭、振蕩器、信號(hào)處理及相敏整流、伺服驅(qū)動(dòng)裝置及電機(jī)等幾個(gè)部分構(gòu)成。原理框圖見圖4。

仿形探頭為差動(dòng)變壓器式微小位移傳感器，正弦波振蕩器給仿形探頭及相敏整流提供激勵(lì)電源。仿形探頭主要由鐵芯、初級(jí)線圈L1、次級(jí)線圈L21和L22構(gòu)成，且L21和L22參數(shù)相同。改造后的機(jī)械傳動(dòng)裝置與鐵芯的下端相連，壓觸在瓜果表皮上。當(dāng)初級(jí)線圈中加有正弦波振蕩激勵(lì)電源時(shí)，在次級(jí)線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E1和E2。

圖4 隨動(dòng)去皮原理框圖Figure 4 Servo－skinned schematic diagram

式中：

M1——L1與L21的互感，H；

M2——L1與L22的互感，H；

探頭處于0位時(shí)：M1＝ M2，E1＝E2；

探頭偏離0位時(shí)：M1≠ M2，E1≠E2；

切削時(shí)瓜果表面的凸凹變化通過(guò)仿形探頭產(chǎn)生E1與E2的微小差值信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理電路（電橋）檢測(cè)出來(lái)。檢測(cè)出來(lái)的微小交流信號(hào)經(jīng)儀表放大器放大后加至相敏整流電路，相敏整流電路輸出值的大小反映了瓜果表面凸凹變化的程度，輸出值的正負(fù)反映了表面凸凹變化的方向，將此信號(hào)加到伺服驅(qū)動(dòng)裝置的輸入端參與進(jìn)刀控制，使切削厚度隨瓜果外形變化而隨時(shí)改變，從而實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)去皮控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

在整個(gè)系統(tǒng)中，觸摸屏PT作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī)。PLC完成數(shù)據(jù)的處理和程序的執(zhí)行。當(dāng)程序下載到PLC中后，將不能在線修改PLC中的程序指令和各種參數(shù)，這時(shí)可通過(guò)觸摸屏來(lái)修改程序中的各種參數(shù)和設(shè)置，來(lái)完成人機(jī)對(duì)話。

觸摸屏應(yīng)實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)線上各關(guān)鍵點(diǎn)的狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在異常時(shí)，可以按“故障急停”停止生產(chǎn)線運(yùn)行并檢修生產(chǎn)線，待檢修完成重啟生產(chǎn)線。觸摸屏的人機(jī)界面的設(shè)計(jì)應(yīng)美觀實(shí)用，使用方便。

3.2 PT監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)A系列觸摸屏DOP A57GSTD作為操作界面，配套的畫面編輯軟件為Screen Editor 1.05.86。在PC機(jī)上按軟件相關(guān)要求進(jìn)行編輯組態(tài)即可，詳細(xì)過(guò)程略。

操作主界面畫面見圖5。點(diǎn)擊“開始”，生產(chǎn)線開始運(yùn)轉(zhuǎn)。點(diǎn)擊“返回上一畫面”，畫面進(jìn)入主界面。點(diǎn)擊“進(jìn)入監(jiān)視窗”，進(jìn)入圖6所示生產(chǎn)線監(jiān)視窗畫面。

3.3 PLC程序設(shè)計(jì)

圖5 操作主界面Figure 5 The main interface of operation

圖6 生產(chǎn)線監(jiān)視窗Figure 6 Production line monitor window

采用三菱FX系列PLC的電腦編程軟件SWOPC－FXGP／WIN－C對(duì)本系統(tǒng)中PLC進(jìn)行編程。該軟件能對(duì)FX系列PLC進(jìn)行梯形圖、指令表和SFC編程，并能自由地進(jìn)行切換。按生產(chǎn)線工藝要求在PC機(jī)上進(jìn)行編程并寫入到PLC中即可。系統(tǒng)PLC程序流程圖見圖7（源程序略）［6－8］。

圖7 系統(tǒng)程序流程圖Figure 7 System flowcharts

4 系統(tǒng)試運(yùn)行及結(jié)果

4.1 系統(tǒng)試運(yùn)行

系統(tǒng)是為某公司新型冬瓜去皮生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的，運(yùn)行試驗(yàn)中，將冬瓜分成規(guī)則、欠規(guī)則、不規(guī)則3種情況進(jìn)行試驗(yàn)。系統(tǒng)初次通電運(yùn)行用冬瓜模型作為試驗(yàn)品，在傳感器位置調(diào)整校對(duì)好后，系統(tǒng)各項(xiàng)功能正常，運(yùn)行狀態(tài)良好。但在冬瓜實(shí)物試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)定位偏差較大的情況。由于系統(tǒng)采用應(yīng)用量較大的進(jìn)口品牌觸摸屏和PLC，故可以排除系統(tǒng)硬件出錯(cuò)和程序參數(shù)設(shè)置等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)冬瓜的表面清潔度和其它附著物對(duì)定位偏差影響較大，在對(duì)冬瓜表面稍加處理后問(wèn)題得到解決，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的容錯(cuò)性。

4.2 運(yùn)行結(jié)果

運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)工作正常，可靠性高，冬瓜定位指標(biāo)和去皮厚度指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，每小時(shí)處理冬瓜約50個(gè)（視去皮進(jìn)刀設(shè)定速度而定），大約250kg（視冬瓜的大小而定）。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)Table 1 Actual operating data

由表1可知：① 每組冬瓜數(shù)量為50。② 偏差數(shù)據(jù)采用游標(biāo)卡尺檢測(cè)驗(yàn)算得出。③ 定位偏差與冬瓜外形規(guī)則程度有很大關(guān)系，Y軸先定位而X軸后定位，故Y軸定位偏差稍小于X軸。④ 去皮平均厚度指標(biāo)最終反映的總損耗量。允許總損耗量≤5%，3組實(shí)測(cè)總損耗量為4.2%。

運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)測(cè)指標(biāo)高于設(shè)計(jì)要求；在PT上可實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)線實(shí)際工作狀況，并可在工作狀態(tài)下改變各設(shè)定值；采用PT作為人機(jī)交互控制工具，界面直觀，操作簡(jiǎn)單方便，極大地提高了工作效率。由于采用觸摸屏作為上位機(jī)，故控制系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，給生產(chǎn)管理帶來(lái)少許不便。如果將觸摸屏換成PC機(jī)或工控機(jī)，則生產(chǎn)管理所需的相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄問(wèn)題就迎刃而解。

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