尖點輥壓式核桃破殼機控制系統設計

郭文松+張宏+沈柳楊

摘要：針對筆者所在項目組設計的尖點輥壓式核桃破殼機，在試驗過程中發現尖點對置輥的動輥轉速和對置輥間隙對核桃破殼效果影響較大的問題，為了對對置輥轉速和對置輥間隙進行實時控制，設計核桃破殼機的自動控制系統。主要完成了控制系統的控制方案設計、元器件的選型、電路連接圖繪制、西門子邏輯可編程控制器（簡稱PLC）控制程序編寫、上位機監控組態軟件（簡稱MCGS）嵌入版上位機程序編寫等，經試驗，動輥轉速誤差±0.5 r/min，間隙調整誤差±0.3 mm，控制系統可以滿足控制要求。

關鍵詞：核桃；尖點輥壓式；破殼機；控制系統設計

中圖分類號： S226.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0193-04

新疆是國內薄皮核桃的重要種植區，新疆核桃種植又主要集中于南疆地區，南疆溫宿縣的溫185以個大、皮薄、出油率高而聞名新疆內外[1]。近年來，核桃精深加工成為促進核桃產業化發展的重點方向[2-4]。為了提高核桃的破殼效率，傳統的人工破殼方法已遠遠不能滿足產業化發展的需求，核桃機械破殼具有破殼效率高、成本低、勞動強度低等優點。核桃機械破殼是核桃產業的必然趨勢，目前核桃破殼方法主要有擠壓法、滾壓法、撞擊法、碾搓法、剪切法、搓撕法等[5-9]。

綜合各種核桃破殼方法的優缺點，筆者所在項目組設計了尖點輥壓式核桃破殼機。在試驗過程中發現，破殼機對置輥中動輥轉速和對置輥壓輥的間隙對核桃破殼效果影響很大，本研究擬設計一種可以對動輥轉速和對置輥間隙實時監控的自動控制系統。

1控制要求分析

1.1尖點輥軋式破殼機工作過程

尖點輥壓式核桃破殼機由進料裝置、分級裝置、導流裝置、尖點對輥破殼裝置（在對置輥上按一定排列方式增加帶尖的凸起，以達到更佳的破殼效果）、間隙調節裝置、集料裝置等部分組成，其整體的結構大致如圖1所示，核桃由入口進入破殼機，然后進入分級裝置分級，分級后的核桃在重力作用下沿導流裝置進入尖點對輥破殼裝置，核桃在對置輥和尖點的擠壓作用下達到破殼的目的。

1.2控制要求

核桃破殼機在工作時，尖點對置輥起到破殼作用，由于負載并不均勻、穩定（核桃喂入量不穩定），會導致擠壓輥的轉速不恒定，這樣會在一定程度上影響破殼效果，而且在核桃破殼試驗過程中需要經常對轉速進行調整，并進行實時監控，因此主要控制要求：能夠無級調控擠壓輥的轉速，并可使擠壓輥轉速實現恒值控制。

對置輥壓輥的間隙大小影響核桃的通過性和破殼效果。間隙過大，核桃受不到對置輥的擠壓作用；間隙過小，核桃無法通過對置輥或者核桃被擠壓變形過大，導致過度破殼。因此破殼試驗過程中另一要求為對置輥間隙可快速、準確調整。核桃破殼機的整機結構見圖2。

2主要控制方案設計

2.1控制框架

由圖3可知，本控制系統上位機采用上位機監控組態軟件（簡稱MCGS）人機界面，控制器采用西門子S7-200PLC和EM235模擬量輸入輸出模塊。

對置輥中動輥的轉速控制采用閉環控制方式，以保證擠壓輥轉速的恒定。對置輥間隙的控制采用開環控制方式，利用步進電機帶動滾珠絲杠旋轉從而帶動擠壓板橫向移動，達到調整擠壓板與動輥之間間隙的目的。

2.2主要元器件選型

（1）控制器選型：本控制系統選擇西門子S7-200PLC，型號為CPU224，本機集成14輸入/10輸出共24個數字量 I/O 點，可連接7個擴展模塊，6個獨立的30 kHz高速計數器。由于本核桃破殼系統目前需要1個高速計數器接口，5個開關量輸出口，須擴展1個EM235模塊。因此本中央處理器（CPU）可以完全滿足本系統現有需求和將來的擴展需求。

（2）模擬量輸入輸出模塊選型：EM235模塊是西門子公司開發的模擬量輸入/輸出模塊，共4個輸入和1個輸出，模擬量轉換為數字量后的值為12位。本控制系統主要利用EM235模塊的輸出功能，輸出0～10 V的電壓信號對偉創變頻器輸出頻率進行電壓控制。

（3）人機界面選型：本控制系統選擇TPC1062K人機界面，該人機界面是一套以嵌入式低功耗CPU為核心（主頻400 MHz）的高性能嵌入式一體化工控機。采用12.1英寸高亮度薄膜場效應晶體管（簡稱TFT）液晶顯示屏（分辨率 800×600），4線電阻式觸摸屏（分辨率1 024×1 024），具有良好的電磁屏蔽性與美觀堅固的鋁合金結構。

3控制系統電路

圖4為變頻電機連接電路圖。連接時應注意，本控制系統中驅動動輥的是變頻電機，因此應當分別送2路380 V電源到變頻電機，1路通過變頻器進入電機以調節其速度，另1路直接接入冷卻風扇。嚴禁就近將來自變頻器的電源引入冷卻風扇，否則冷卻風扇轉速受變頻器影響散熱能力，導致電機燒毀。

圖5為核桃破殼系統的電路連接圖，控制系統連接時只需要按照圖5連接即可使用。

4PLC程序編寫

本邏輯可編程控制器（簡稱PLC）程序主要包括對置輥間隙調整程序段和轉速采集程序段。MCGS上位機與S7-200PLC通過232串口通信，用MCGS上位機設定高速脈沖頻率和高速脈沖數量。轉速采集程序中，PLC程序執行轉速的采集，將光電編碼器的高速脈沖計算轉化為對置輥中動輥的實時轉速，由MCGS上位機將設定轉速與實時轉速進行比較，MCGS上位機將比較后的差值經過工程數據轉化、輸入到EM235模塊、最后轉化為控制0～10 V電壓信號連接到變頻器信號輸入端以達到對動輥轉速自動控制的目的。

4.1對置輥間隙調整程序

中間觸點M0.0與MCGS核桃間隙調整界面中的啟動按鈕通信，具體程序如圖6所示連接，點擊人機界面中的啟動按鈕便可以啟動子程序SBR_0。

子程序SBR_0如圖7所示，將Q0.0的輸出選擇成為PTO高速脈沖輸出，周期以ms為單位；SMW68寄存器與人機界面中脈沖周期輸入框通信，用于寫入輸出脈沖周期；SMD72寄存器與間隙調整界面中的輸出脈沖數輸入框通信。此子程序用于向步進電機控制器發出脈沖信號，控制步進電機的轉動角度和角速度。

4.2破殼機動輥轉速信號采集程序

（1）高速計數器初始化。圖8所示程序段為高速計數器初始化程序段，適用于單相計數，因此本控制系統只用了光電編碼器的A相輸出，定義高速計數器模式0，將HSC0的控制字節SMB37賦值16#C8，啟用高速計數器、更新初始值、設定計數方向為遞增計數，并使用SM0.1初始化高速計數器。

（2）高速輸入脈沖頻率計算。為保證瞬時脈沖采集數量的準確性及實時性，下段程序采用定時中斷0每隔250 ms更新高速輸入脈沖值HC0，并在中斷程序中應用該數值運算得到高速輸入脈沖頻率，如圖9所示。

圖10所示為轉速計算程序，該段程序是將采集到的 250 ms 時間間隔的脈沖值HC0，轉換為1 s時間間隔的脈沖值并存放于變量寄存器VD0中，然后將1 s時間間隔的脈沖值V除以步進電機每轉1圈的步數400，然后乘60，即除以6.666 67，便得到主軸的實時轉速值，并將轉速值存放于PLC中的變量寄存器VD8中。將VD8中存放數值與MCGS人機界面中的實時轉速儀表和輸入框相連接，并在MCGS軟件實時數據庫中，設計轉速值減去實時轉速值，然后將此偏差值轉化為EM235模塊中的電壓輸出，便完成了主軸轉速的閉環控制。

5上位機程序編寫

本控制系統上位機程序由MCGS嵌入式版軟件開發完成，共有3個用戶操作界面，第1個為用戶登錄界面，界面設計見圖11，此界面主要是完成用戶登錄、用戶退出、用戶密碼的設定功能。

圖12為核桃破殼間隙調整界面，啟動按鈕用于啟動步進電機，方向按鈕用于選擇間隙的變化方向（步進電機的正轉或者反轉），伺服使能開關用于控制步進電機控制器的使能作用，由于本系統動輥主軸轉速的調整采用了變頻器，而變頻器在使用過程中對步進電機控制器的干擾作用極其強烈，因此在調整核桃破殼間隙時增加伺服使能控制非常必要。參數設定窗口可以對絲杠導程、步進電機步矩角、脈沖周期等參數進行設定。

圖13為核桃破機轉速控制界面，此界面主要用于控制主軸轉速的啟停、主軸轉向、主軸轉速設定和主軸實時轉速的監控。

6結論

針對本研究設計的尖點輥壓式核桃破殼機。在試驗過程中發現尖點對置輥中動輥轉速和對置輥壓輥的間隙對核桃破殼效果影響很大，因此本研究設計了主動輥轉速和對置輥間隙的自動控制系統。本控制系統對動輥轉速的控制采用閉環控制系統方案，對置輥的間隙采用開環控制系統方案。利用西門子S7-200可編程控制器，編寫了轉速采集和步進電機控制程序。利用MCGS嵌入版軟件編寫了轉速和間隙的實時監視和控制上位機程序。經試驗表明：動輥轉速誤差 ±0.5 r/min，間隙調整誤差±0.3 mm，本控制系統可以滿足控制要求。

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