基于PLC的青貯料裝袋機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

趙云漢，龐 博，周立洋，龔章鵬，張 通，王國(guó)業(yè)

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

青貯料具有營(yíng)養(yǎng)損失小、適口性好、消化率高及能夠長(zhǎng)期保存等優(yōu)點(diǎn)，且需求量越來(lái)越大。青貯飼料生產(chǎn)工藝要求高，需要利用相應(yīng)的青貯機(jī)械進(jìn)行加工和貯存。目前，國(guó)內(nèi)分散小地塊較多，青貯料裝袋主要由人工完成，裝袋效率低，質(zhì)量難以保證，因而對(duì)小型袋式青貯機(jī)械需求較大；國(guó)外的青貯機(jī)械發(fā)展成熟，生產(chǎn)效率高，品類功能全，已經(jīng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化[1-3]。

近年來(lái)，我國(guó)政府高度重視青貯技術(shù)的發(fā)展，出臺(tái)一系列相關(guān)政策引導(dǎo)青貯向機(jī)械化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展[4]，因此開(kāi)發(fā)一款適合我國(guó)國(guó)情、性能良好的青貯料裝袋機(jī)對(duì)促進(jìn)我國(guó)畜牧行業(yè)的發(fā)展具有積極意義。為使青貯料裝袋機(jī)獲得良好的裝袋效果和穩(wěn)定的工作效率，開(kāi)發(fā)一套適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

當(dāng)前，控制系統(tǒng)中常用的控制主要有單片機(jī)控制、PLC控制及繼電器控制等。其中，單片機(jī)控制能力強(qiáng)，但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，程序不易理解，且易受外界環(huán)境的干擾，不適用于青貯行業(yè)；繼電器控制控制精度差，接線多且復(fù)雜，可靠性差，不易維護(hù)。為適應(yīng)青貯行業(yè)的工作環(huán)境并考慮到裝袋機(jī)的工作特點(diǎn)，選用PLC作為整機(jī)控制系統(tǒng)的控制器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 整機(jī)工藝流程

鑒于袋裝青貯料的特殊工藝要求，青貯料裝袋機(jī)集攪拌、輸送、取袋、套袋、裝料及壓實(shí)等多種功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)青貯料裝袋的一體化、自動(dòng)化。整機(jī)的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 整機(jī)工藝流程圖Fig.1 Flow chart of machine process

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)

整機(jī)采用立式灌裝法。出料口處于豎直方向，刈割切碎的飼草料作物經(jīng)過(guò)傳送帶運(yùn)送至料箱；料箱上安裝添加劑存放裝置，將添加劑加入料箱，利用雙螺旋裝置對(duì)草料進(jìn)行攪拌和輸送；取袋機(jī)構(gòu)將專用青貯袋從袋箱中取出并送到出料口處；撐袋機(jī)構(gòu)將青貯袋撐開(kāi)套在出料口的桶壁上。為了保證青貯需要的厭氧環(huán)境，需將裝入袋中的碎草料進(jìn)行壓實(shí)處理，采用變螺距輸送裝置安裝在出料口內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)碎草料灌裝和壓實(shí)。裝袋結(jié)束后，將扎緊袋口的袋裝飼草料作物放在避免陽(yáng)光直射的地方保存，飼草料作物即可在厭氧的環(huán)境中自行發(fā)酵完成青貯。整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.青貯袋箱 2.取袋機(jī)構(gòu) 3.料箱 4.喂料機(jī)構(gòu) 5.攪拌機(jī)構(gòu) 6.出料口 7.撐袋機(jī)構(gòu) 8.套袋機(jī)構(gòu)

整機(jī)選用壓縮空氣作為動(dòng)力傳遞的工作介質(zhì)，以氣動(dòng)元件作為主要執(zhí)行元件。氣動(dòng)件具有無(wú)污染的特點(diǎn)，保證飼草料作物不受到污染，且更易實(shí)現(xiàn)裝袋機(jī)的自動(dòng)化。根據(jù)青貯的工藝要求和考量經(jīng)濟(jì)效益因素，需要對(duì)裝袋機(jī)的生產(chǎn)率及裝袋質(zhì)量等指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定。本文所介紹的青貯料裝袋機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 整機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Machine design parameters

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整機(jī)的控制系統(tǒng)由輸入元件(行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等)、控制器(PLC模塊、PLC擴(kuò)展模塊)及輸出元件(氣缸、真空吸盤(pán)、變頻器、電磁閥、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等)構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)組成Fig.3 Consists of control systems

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件是青貯料裝袋機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)青貯料的工藝特點(diǎn)，青貯料裝袋機(jī)控制系統(tǒng)硬件包括PLC及擴(kuò)展模塊、電磁閥、電機(jī)、變頻器、氣缸、吸盤(pán)等。

青貯料裝袋機(jī)控制系統(tǒng)控制對(duì)象基本為電磁閥、氣缸、電機(jī)及吸盤(pán)等，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，因此控制器選用西門(mén)子S7-200系列PLC中的S7-200 224XP，屬于小型箱體式，且配有兩個(gè)1 000kHz的脈沖輸出口，可用來(lái)控制電機(jī)[5]。由于CPU自帶的I/O數(shù)量有限，青貯料裝袋機(jī)中需要控制的執(zhí)行元件較多，不能滿足控制的需要，所以需要對(duì)I/O進(jìn)行擴(kuò)展。西門(mén)子PLC擁有完備的I/O接口模塊，擁有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力[6]。青貯料裝袋機(jī)配備的擴(kuò)展模塊為1個(gè)數(shù)字量I/O模塊EM222(8點(diǎn)輸出)、1個(gè)數(shù)字量I/O模塊EM223(8點(diǎn)輸入/8點(diǎn)輸出)。整機(jī)氣動(dòng)元件需要由PLC自動(dòng)控制，即氣動(dòng)元件需要電磁閥控制。由于PLC輸出口電壓為DC24V，額定功率5W，因此選用DV24V、4.8W的電磁控制閥。由于整機(jī)每部分機(jī)構(gòu)的功能不同，電磁控制閥選用二位五通閥和三位五通閥。

在青貯料裝袋機(jī)中，伺服電機(jī)用來(lái)控制取袋機(jī)構(gòu)在豎直位置上保持精確的位置，鑒于取袋機(jī)構(gòu)具有一定的質(zhì)量和工作特點(diǎn)，選用低壓直流伺服電機(jī)60FSM-04030-48。該電機(jī)額定功率400W,額定力矩1.27N·m,工作電壓20～60V,額定電流11A,額定轉(zhuǎn)速3 000r/min。為了使喂料攪龍和輸送攪龍的電機(jī)具有合適的轉(zhuǎn)速，選用L6000-0022G-S2單相輸入單相輸出的變頻器對(duì)兩交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。該變頻器輸入電壓AC220，額定輸入電流23A,額定輸出電流12A,額定輸出功率2.2kW。整機(jī)采用氣缸作為主要的執(zhí)行元件，完成撐袋、套袋等動(dòng)作。根據(jù)實(shí)際工作所需的行程及輸出力大小，同時(shí)考慮合理的安裝方式，選用的氣缸規(guī)格型號(hào)為：MA16×25、MA25×100、TN16×150、SC100×800、MA16×150、MA16×75、MA16×500。真空吸盤(pán)用于將青貯袋吸住并保持一定的吸力，使青貯袋在作水平、豎直運(yùn)動(dòng)時(shí)不易脫落。青貯袋為塑料材質(zhì)，質(zhì)地較軟，在吸取的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生褶皺，表面發(fā)生一定的變形，經(jīng)對(duì)比后選用韓國(guó)VMECA-Magic Cup系列吸盤(pán)。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

西門(mén)子S7-200 224XP型PLC基于STEP7-Micro/Win編程環(huán)境，進(jìn)行程序的編程、監(jiān)控、調(diào)試。利用圖形化較好的梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行控制程序的編程[7]。青貯料裝袋機(jī)控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig. 4 Flow chart of main program of control system

取袋模塊進(jìn)入工作模式時(shí)，需完成吸持、開(kāi)口、送袋3個(gè)動(dòng)作，取袋流程圖如圖5所示。

取袋模塊將青貯袋送至出料口，撐袋模塊開(kāi)始工作，利用撐袋長(zhǎng)氣缸把袋口撐開(kāi)為矩形，為套袋提供良好的條件。取袋模塊流程圖如圖6所示。撐袋模塊完成后，套袋-輸送-喂料模塊開(kāi)始工作，完成袋口弧形撐開(kāi)，碎料輸送、攪拌。套袋-輸送-喂料模塊流程圖如圖7所示。

圖5 取袋模塊流程圖Fig.5 Taking bag module flow chart

圖6 撐袋模塊流程圖Fig.6 Flow chart of Supporting bag圖7 套袋-輸送-喂料流程圖 Fig.7 Flow chart of bagging-conveying—feeding module

2.3 系統(tǒng)電氣線路設(shè)計(jì)

青貯料裝袋機(jī)控制系統(tǒng)的控制元件較多，控制對(duì)象電磁閥、電機(jī)等與PLC的輸出口連接，所有執(zhí)行元件的動(dòng)作都需要在PLC控制下完成。系統(tǒng)的電路錯(cuò)綜復(fù)雜，需要對(duì)控制系統(tǒng)電氣線路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且安裝配電箱。控制系統(tǒng)總電源為交流220V，可以為交流單相電機(jī)、變頻器提供電能，PLC控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、繼電器、按鈕開(kāi)關(guān)等利用24V穩(wěn)壓電源將220V轉(zhuǎn)化為24V直流電為各自供電。控制系統(tǒng)電路圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)電路圖Fig.8 Circuit diagram of control system

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)取袋機(jī)構(gòu)在豎直方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)上的編碼器通過(guò)專用電纜與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，伺服電機(jī)的電源線通過(guò)插頭連接至伺服驅(qū)動(dòng)器的接線端子上。伺服系統(tǒng)為低壓直流伺服系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)器的供電電壓為DC24～48V。本控制系統(tǒng)采用24V直流開(kāi)關(guān)電源為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)供電。PLC的高速輸出點(diǎn)與伺服驅(qū)動(dòng)器的PLS+端連接，伺服驅(qū)動(dòng)器的SON+和DIR+端直接與PLC的開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)連接。PLS-、SON-、DIR-均接電源負(fù)極。用PLC的高速輸出點(diǎn)控制伺服電機(jī)，接線相對(duì)步進(jìn)電機(jī)較為復(fù)雜,圖9為伺服電機(jī)電路圖。

為了保證適合的裝袋壓實(shí)程度和避免物料堵塞，要求輸送攪龍和喂料攪龍的速度可調(diào)，因此利用變頻器對(duì)兩個(gè)攪龍進(jìn)行調(diào)速控制。在變頻器的自動(dòng)控制下，變頻器輸出端子R、T與單相電機(jī)的接線端子+、-相連，變頻器輸入端子L1、L2接220V交流單相電源，變頻器與PLC共地。X1～X4數(shù)字量輸入端子與PLC輸出口相連。其中，X1為正轉(zhuǎn)啟動(dòng)信號(hào)、X2為反轉(zhuǎn)啟動(dòng)信號(hào)、X3為頻率1、X4為頻率2。X3、X4的頻率可通過(guò)控制面板進(jìn)行頻率參數(shù)設(shè)定。X1～X4這4個(gè)端子通過(guò)PLC控制，若接收到高電平信號(hào)，則實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)控制端口的功能。但X1與X2只能有一個(gè)起作用，不能同時(shí)使用；X3與X4同時(shí)接收到高電平信號(hào)時(shí)得到組合頻率3。圖10為變頻器電路圖。

圖9 伺服電機(jī)電路圖Fig.9 Circuit diagram of servo motor

圖10 變頻器電路圖Fig.10 Circuit diagram of inverter

3 樣機(jī)試制與試驗(yàn)

青貯料裝袋機(jī)樣機(jī)如圖11所示。

圖11 青貯料裝袋機(jī)樣機(jī)Fig.11 Prototype of silage bagging machine

檢驗(yàn)整機(jī)控制系統(tǒng)性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、氣動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，并對(duì)整機(jī)的工作效率進(jìn)行試驗(yàn)，主要包括整個(gè)工作流程完成時(shí)間、裝袋質(zhì)量、裝袋長(zhǎng)度、裝填密度及整機(jī)效率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 2 Machine test data sheet

4 結(jié)論

1)基于PLC的控制系統(tǒng)，能夠在高溫、粉塵、振動(dòng)的惡劣環(huán)境中保持良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，可實(shí)現(xiàn)取袋、撐袋、套袋過(guò)程的自動(dòng)化。在整個(gè)工作過(guò)程中，無(wú)需人員輔助，提升了青貯料裝袋機(jī)的先進(jìn)程度，加速了整個(gè)青貯機(jī)械自動(dòng)化進(jìn)程。

2)試驗(yàn)過(guò)程中，從取袋、撐袋、套袋、輸送到裝料，能夠平穩(wěn)進(jìn)行、效果良好，驗(yàn)證了整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

3)整機(jī)從取袋開(kāi)始到裝料結(jié)束，總共花費(fèi)時(shí)間為75～85s。若連續(xù)裝袋，則可達(dá)到>1t/h的生產(chǎn)率，能夠極大提升裝袋的效率，減輕勞動(dòng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行時(shí)間及作業(yè)時(shí)序尚有很大優(yōu)化空間，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化可大大提高生產(chǎn)率和降低能耗。