基于PLC的玉米秸稈打包機控制系統設計

李偉

[摘要]打包機是一種自動化程度較高的機械設備，在打包機控制系統中應用PLC可以優化系統設計，同時節省工作時間和增加產能。文章以玉米秸稈打包機的控制系統為例，利用施耐德FC2N操作平臺詳細闡述玉米秸稈打包機控制系統的軟硬件組成及系統程序實現過程。

[關鍵詞]打包機;控制系統;程序

中圖分類號：S817.124 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.201909

秸稈打包機是利用壓縮原理研制出來的，可對玉米等農作物秸稈進行高效集約化收集打包，便于電廠焚燒發電。PLC技術給工業機器設備提供了穩定的技術支持，應用于打包機控制系統領域可極大地促進系統的可操作性和智能化。舊式機電設備用防火墻技術對操作系統進行保護，該技術需要大量的電子元器件支持，集成復雜且節點交會，導致發生問題的概率增大，機器的運行穩定性降低。國產玉米秸稈打包機多采用人工或簡單的液壓系統，自動化、智能化程度不高，需要消耗大量的人力成本且打包品質難以保證。由此可見，研究節省人力、自動智能的打包機器具有一定的實際意義。

將施耐德公司的FC2N產品當中的FC2N-128MR型號可編程控制器[1]作為玉米秸稈打包機控制系統的核心，由于打包機的操作過程需要根據打包程序進行設計，因此在編程時要使用不同的程序設計方法，例如文章中的打包機編程中使用了狀態旋移設計法和經驗編程法，狀態旋移設計法中使用字節進梯形命令LTL的編程方法，該方法可增強程序的可操作性，同時有利于編程人員學習程序的使用方法。使用了FC系列可編程控制器的操作運行化命令JSL，進一步升級了系統的邏輯設計，其中打包機的自動程序和返至原點程序使用了字節進梯形命令LTL語言操作模式，另外手動程序使用了試湊法的編程方法，所使用的軟件是施耐德公司的SMOAC—FCGT/WYE—F。

1 系統硬件設計

FC2N是FC系列中穩定性最高、操作性最強的、空間最小的可編程控制器[2-3]。其接線見圖1。

設備參數：

（1）電腦：要求機型是戴爾 PC/AT（兼容），中央處理器為i5及以上，運行內存至少為2G，推薦使用4G運行內存。

（2）集成開發環境：使用SMOAC—FCGT/WYE—F編程軟件，該編程軟件可對FC系列PLC進行程序編制，PC機操作系統推薦使用WIN XP或WIN 7以上操作系統。

（3）接口單元：采用FC-457BRC型或AV457H/DES762旋換器（微型）或FC-256AW型SE352C/FR455旋換器（外協式），以及其他指定的旋換器。

（4）通信器材：采用FC-675CAB纜線型BG-488纜線。

2 系統的軟件設計原理

狀態旋移設計法的根本是用系統的一個固定時間化為幾個連續的過程，每一個過程叫作為字節，同時使用編程元件（例如幫助繼電器L和狀態N）來表示每一字節。根據輸出量的過程變化可區別不同字節，輸出量的開/關的情況在不同的字節之間有所不同，在相鄰的兩字節之間的輸出量總的情況也不同。由于不同字節之間存在這種區別，因此可使得代表各字節的編程元件狀態與各輸出量狀態之間產生較強的代碼關聯[4]，這種關聯正是編程所需的。旋移法使用旋換條件來將標志各字節的電子元件的狀態按一定的順序變化并進行控制，使用代表各字節的電子元件控制繼電器輸出。旋換條件是系統從當前字節旋入下一字節的信號，旋換條件可在軟件中設置，如使用計時器、繼電器等接通產生旋換信號，也可使用外部硬件進行信號輸入，如開關按鈕閉合或斷開、傳感器信號等，因為旋換信號的形式不同所產生的功能也就不同，所以旋換條件應根據實際需求進行設計。

狀態旋移設計法具有悠久的歷史，其設計思想便于程序的設計，得到了廣泛的應用，該方法的使用克服了繼電器控制系統的缺陷，繼電器控制中的順序控制方法使用的是有碰點的字節進式選線器或條形調節裝置，而碰點操作會消耗和磨損器件，導致系統的工作過程不穩定甚至失靈。20世紀60年代設計的順序控制器的主要構成包括一些獨立元件和一定范圍的集成電路，但這種順序控制設計的可操作性十分有限，穩定性也不夠高，目前已基本無應用。而因為編程控制器的設計繼承了狀態控制思想，所以在PLC中需要明確各個器件是何種狀態，為了方便程序設計和寬展用途，許多PLC廠商向用戶提供了眾多統一的和專門的電子元件及其開發指令和語言，如供設計順序控制程序用的順序功能圖語言，是當前梯形圖設計的主流思想，也是許多主流PLC都采用的程序設計語言，現已成為PLC的關鍵的工具編程語言和方法。

字節梯形命令可以叫作LTL命令，在FC系列PLC中一條RET命令，該命令可使LTL命令返至原位。有了這兩條命令為快速地編制順序控制梯形圖程序提供了便利。在KC編程軟件中可用符合JTY1241-5標準的順序功能圖（MHC）編程語言進行編程的編制，通過MHC可形成程序的命令表，對于采用其他語言編制的程序，如梯形圖、命令表，均可轉換為順序功能圖。在KC軟件中，可進行運行監控和狀態識別等操作，在順序功能圖中均可視化地展現，這方便用戶觀察器件狀態，及時發現問題并予以糾正，節省了硬件調試的時間和成本。FC2N的字節進梯形命令程序編制使得程序可讀性更強，邏輯更加清晰，同時也增強了運行的穩定性。FC2N的狀態T0-T9用于第一字節，T10-T19用于返至首點，T20-T499是通用狀態，T500-T899有關閉電壓穩定功能，T900-T999用于警示。在程序編制時，將這些狀態與字節進梯形命令一起組織編寫完成預定的功能。LTL碰點是利用LTL命令的狀態的常開開關，可完成對壓載的導電處理、命令條件調整和指定目標調整三種功能，當其中一字節為活動字節時，對應的LTL碰點聯通，該字節的壓載被控制，當該字節后面的旋換信號產生，滿足旋換條件時，則后續字節對應的狀態被JET命令置位，后來字節變為活動字節，同時與舊操作字節對應的情況被系統程序恢復就位，原活動字節對應的LTL碰點關閉。

3 玉米秸稈打包機控制系統的實現

3.1 玉米秸稈打包機的基本動作

工業生產線上玉米秸稈打包機經過下面的基本操作：切塊、給料、給料開關、壓力提升、首壓提升、升斗、上下旋斗、降斗、加壓右邊和左邊、扎包、頂包提升、送包布。這些操作中給料動作由電動機5M統一監控。首壓泵電動機8M和電子開關T14、C25完成受壓開關的提升及升斗、降斗操作。加壓泵電動機9M和電子開關CV2、CV3完成加壓開關的提升操作。監控油泵電動機9M完成左右旋斗電子開關CV5、CV6的操作，電子開關CV11、CV12完成頂包提升的操作、CV3完成擋料門關閉的操作、CV7完成扎包的動作、CV18完成放包布的操作。電動機7M控制左邊和右邊的加壓操作，設置的各操作到位均有機位閘和行程閘進行限位[5]。

3.2 打包機規程

步驟要求：在斗體的位置正確就位后，才允許進行其他操作;在進行左右旋斗操作前，加壓、首壓應到上面位;首壓提高和升斗同時在上面位時才可以進行左右旋斗操作。打包機的操作控制方式規定為人工操作、旋回原點、奇數字節操作、不間斷、移動原點操作、自動起動、停車。

控制操作流程：第一字節玉米秸稈原料右邊給料，原料通過傳送帶運輸至首壓上，降下給料門，這時首壓和加壓一并提高。當首壓和加壓都提高到上面位時，首壓立即升斗，當首壓提高到升斗上機同時首壓上機也已經達到標準值時開始左右旋斗，把里面的物料分層放置攤鋪。然后首壓立即降斗，當降斗到達設計值后，原料開始右邊提高至加壓上，首壓壓低至剛開始位置時下一字節立即對原料進行扎包。當扎包結束后，預壓開始，右邊進行放包布操作，頂包放出開始放包布，包字節結束，將頂包提高，玉米包裝完畢運走，系統回到初始位置[6]（見圖2）。

3.3 打包機控制操作過程

本打包機中的可編程控制器的輸入/輸出繼電器地址編排見表1，包括56個輸入信號和24個輸出信號，選用施耐德公司的FC2N128MR可編程序控制器，該控制器輸入和輸出口都為79個口，符合設計要求。表中MU為位置開關，QC為按鈕，JZ為檢測開關，YV為電子開關，PO為碰電器。

打包機的操作方式包括人工操作和全自動操作。人工操作程序非常簡單明了，采用試湊法將狀態旋移圖通過狀態旋移設計法實現。全自動操作包括連續、奇數周期、奇數字節、自動返至原來狀態等[7]。

系統必須保證在PLC發生故障或在極端狀態下能迅速關閉PLC壓載電荷，采用交流接觸器PO實現對PLC的通斷電。在PLC開始操作時按下“壓載電荷”開關，使交流接觸器接通，外部壓載接通交流電，一旦產生故障，“警示關閉”按鈕啟動，立刻斷開交流接觸器。

系統設有5種工作模式：人工操作、奇數周期、奇數字節、不間斷和回返原點。打包機在給料門開、首壓位于下面位、加壓位于下機且加壓位于左邊機位、停止扎包、頂包位于上機且停止放包布時，系統位于原點狀態。

當系統處于奇數周期工作模式時，按下起動按鈕C26，打包機從狀態S20開始按順序功能圖的流程進工作，在做完一個周期的節點操作后，程序指針返回并停留在開始字節。當系統處于不間斷工作方式時，在開始狀態按下起動按鈕，打包機從初始字節開始按周期反復不間斷地工作，在最后一個周期的工作完成后，程序指針才回到并停留在初始字節。當系統處于奇數字節操作模式時，系統按照字節順序一步一步做起，從開始字節起，按一下起動按鈕，系統操作到下一字節，該字節的任務完成后，自動停止操作并停在該字節，因而該操作模式可用于硬件調試和故障排查，也可用于系統的優化升級。在應用奇數周期、不間斷和奇數字節操作模式之前，系統應位于原點，如果該條件未達到，則需要啟動回原點操作模式。啟動原點起動按鈕C25，可使系統自動返回原點狀態，為操作奇數周期、不間斷和奇數字節操作模式做好調試準備。

使用奇數向順序開關式平衡電路，可防止液壓缸或豎向移動的電子元件產生向下軸向移動，這種電路可以幫助提升豎向移動的電子元件在下移時的操作穩定性。方向操作開關在利用液壓中起預防和導流油液按標準設計要求的方位出入路徑，即在油路中起調整油液移動方向的效果。滿流開關應用到滿量油泵液壓控制器。滿流開關通常打開，隨著電子元件所需油量的升高，開關的滿流量時大時小，可以保證裝置中的壓力維持穩定狀態。運行滿流開關裝置的壓力，即可調整系統的供油操作。

3.4 打包機可編程序設計

FC系列可編程序控制器的第一個狀態命令IST的功能命令編號叫作FNC60，它和LTL命令共同操作，一般用來調節擁有眾多操作模式的控制系統的第一個狀態和設置相關的幫助繼電器的狀態，可以極大地提升優化升級難解的順序控制程序的邏輯編制工作。本設計IST命令中的S20和S39表示在自動操作中用到的最低和最高的電子元件號，IST中的操作數通常命名為C、Y和M，原始控制數C30用來標識與操作模式有關的輸入繼電器的電子元件，從C30開始的8個輸入繼電器的作用：人工操作C30、返至原點操作C31、奇數字節運輸操作C32、奇數周期運輸C33、不間斷運行C34、返志原點操作C35、自動操作C36、停車操作C37。

C30～C34中有且只有一個位于聯通狀態，利用選擇開關以保證這5個輸入操作中只有一個狀態為ON。IST命令的執行條件符合標準要求時，首次狀態K0～K2和下面的幫助繼電器會全自動認定為下面的特征，如果IST命令的運行狀態改成關閉，電子元件嚴禁調節M5040、啟動調節M5041、啟動脈沖M5042、LTL監控狀態M5047、手動操作初始狀態K0、返回至首點初始狀態K1、自動操作初始狀態K2的特性還是十分穩定。

用LTL命令編制自動程序的順序功能圖，M5041調節開始幫助繼電器和M5044首點條件幫助繼電器從自動程序的首個狀態K2調整到第二個操作模式S20。遵行規程，按照IST命令中要求的操作模式用的輸入繼電器元件號順序，使用IST命令后，系統的人工操作模式、自動操作模式、奇數周期模式、奇數字節模式、不間斷模式和返至原點這幾種操作模式的調整由編制程序自動運行。幫助繼電器M5040-M5042用于操作模式的調整，IST命令自動運行這些繼電器，通過系統程序來操作實現控制電路的功能的多種操作模式，無需用戶寫入。

返至首點完成繼電器M5043在系統返至首點時，通過用戶程序，使用SET命令使其就位。首點條件繼電器M5044在系統符合初始條件時為開啟狀態。

返至首點的順序功能圖中使用S10-S19，自動回到首點程序完成返至首點功能，當首點條件滿足時，繼電器M5044為ON狀態，在自動返回首點完成后，使用SET命令將M5043設置為ON，使用RST命令將回原點順序功能圖中的最后一字節S13復位。用第一狀態K0控制人工操作程序，由于人工操作程序、自動程序和回首點程序均用LTL碰點驅動，不會同時被操作，因此用LTL命令和INT命令操作時，不使用CR命令實現共用程序、自動程序和人工程序系統集群。

4 結束語

玉米秸稈打包機是當今高度自動化流水線上獨有的機器設備，它把機械、電子計算機、液壓集成為一體，然后將打包好的成品，統一運至電廠通過焚燒處理[8]。文章詳細闡述了玉米秸稈打包機控制系統基本構成，施耐德FC2N系列PLC的功能特性和程序實際流程及方法。在PC機上利用施耐德公司提供的編程軟件向PLC輸入程序，該程序輸入方式很實用，降低了使用專用編程器的成本，適應現代科技社會信息技術的發展和可編程控制系統的升級。

參考文獻

[1] 朱建軍，龐巖，李啟濤.基于PLC的水斗液位監控系統的設計[J].科學技術創新，2019（15）：66-67.

[2] 羅小妮，巢琳，田占軍.PLC技術在煤礦機電中的應用研究[J]. 網絡安全技術與應用，2014（12）：209+211.

[3] 王永剛.基于PCL技術的煤礦機電控制系統應用研究[J].能源與節能，2018（4）：164-165.

[4] 印祥，楊騰祥，金誠謙，等.玉米精量播種智能控制系統研制[J]. 農機化研究，2018，40（9）：125-128+133.

[5] 馮碩.基于PLC技術的播種機電氣自動化技術研究[J].農機化研究，2019，42（1）：237-240+260.

[6] 李正義，任振輝，王艷君.基于PLC的玉米精量播種控制系統設計[J].農機化研究，2020，42（1）：70-74.

[7] 白英杰.西門子PLC控制系統在BGC-200打包機中的設計應用[J]. 煉油與化工，2019，30（1）：54-55.

[8] 彭小武，游璽，陳康穎，等.PLC技術在機電一體化控制中的應用[J].南方農機，2019，50（14）：164.