一種基于PLC控制的三工位氣動裝袋機設計

黃雙成， 郜海超， 王麗余， 張 軍

(1.河南應用技術職業學院 機電工程學院， 河南 鄭州 450042；2.西峽神威機械設備有限公司， 河南 西峽 474550)

引言

食用菌產業歷經了幾十年的發展，經歷了“一家一戶，房前屋后”，到集約化、標準化生產，再到引進國外技術發展工廠化生產，最終形成了傳統栽培與現代化生產并駕齊驅的產業格局[1]，伴隨我國農業供給側改革的不斷推進，食用菌行業步入產業化和現代化的新軌道，食用菌工廠化已經成為現代農業的必然趨勢[2]。

食用菌工廠化生產是模擬生態環境、智能化控制、自動化機械作業于一體的生產方式[3]。盡管我國食用菌品種眾多，但目前仍以木腐菌生產為主，草腐菌所占比重較小[4]。在木腐菌生產過程中，不管是工廠化還是其他生產方式，拌料、裝袋、滅菌、接種、培育及出菇管理[5]等主要環節都是必須實施。其中裝袋環節是勞動力需求最密集，勞動強度最大的工序之一，是制約木腐菌生產的關鍵因素之一，文獻[6]利用SolidWorks軟件對螺旋送料進行了模擬和動力分析,為仿生裝袋結構提供了理論依據；文獻[7]在結構和理論基礎上添加了離合器，讓裝袋具有自動定量功能；文獻[8]分析了當前食用菌培養料裝袋機主要類型，并對立式和臥式裝袋機進行了性能分析；文獻[9]通過單片機控制電動機正反轉配合絞龍裝置完成裝袋，同時使用傳感器，使裝袋機具有自動定量和安全防護；文獻[10]引入氣動系統更換了電動機驅動方式，使產品結構簡單，易于調試和產品升級。上述文獻都是在裝袋機的操作、安全和效率上升級和改善，并沒有在安全和效率本質上得到解決。結合當前食用菌的生產現狀和工廠化生產需求，考慮到氣動技術的高效、安全、低成本的特征[11]，同時具有結構簡單、動作迅速、重量輕和無污染的優點[12-14]，設計并制作了一種基于PLC三工位氣動裝袋機，采用三工位布局使套袋和裝袋工序從結構上分開，從結構上徹底改變因工序重疊造成的安全問題，同時各工序獨立運行，沒有等待時間，提升設備工作效率。

1 三工位氣動裝袋裝置組成和工作原理

本系統是針對食用菌生產過程中為裝袋操作的專用設備。料袋規格為直徑18 cm,長度為58 cm的一端封口的塑料袋。

1.1 三工位氣動裝袋裝置的組成

食用菌代替料栽培裝袋主要工作是將木腐混合料(主要是木屑、麥麩、石膏粉、水等混合物)裝入一定直徑和長度的塑料袋中，且硬度均勻適中，袋口截面整齊。該裝置主要由機器機架、三工位轉盤裝置(內含絞龍裝置、電磁離合器、轉動氣缸和3個套筒)、尾座移動氣缸(抱筒)、位置傳感器系統(內含前、中、后3個裝袋位置感器和1個轉盤轉動定位傳感器)以及其他輔助裝置等幾部分組成，詳細如圖1所示。

1.機器機架 2.電動機 3.觸摸屏 4.三工位轉盤 5.尾座抱筒導向臺 6.尾座導軌 7.三工位旋轉氣缸 8.入料口 9.混料室 10.尾座氣缸 11.尾座抱筒圖1 三工位氣動裝袋裝置結構圖

1.2 三工位氣動裝袋裝置的工作原理

系統初始化完成后，三工位轉盤套筒上已套上塑料袋且其中工位套筒1(見圖2)與尾座抱筒共線。按下系啟動按鈕，電機啟動，木腐混合料由供料裝置從入料口8進入混料室9，尾座抱筒11由尾座氣缸10帶動沿尾座導軌6快速移動至轉盤前端，套在套筒外部；當套筒的前置傳感器檢測到完全裝袋位置后，該工位套筒外端面上的電磁離合器動作，帶動其內部的絞龍旋轉，絞龍輸送混料室9內的混合料往袋內裝料，此時尾座抱筒11在尾座氣缸10作用下沿尾座導軌6后往尾座方向工退，利用絞龍推料移動和尾座氣缸移動的速度差完成裝袋操作(裝袋的虛實程度與兩者的速度差成正比)；當裝袋長度到達預定長度后(中置傳感器檢測到位置)，尾座暫停移動，絞龍做延時后停止工作，完成裝袋的袋口料截面收緊工作；待截面收緊完成后，尾座抱筒11快速后退，完成一次裝袋操作；尾座快退至尾部后(后置傳感器檢測到位置)，旋轉氣缸轉動三工位轉盤上的工位套筒2(見圖2)與尾座共線位置，位置確定后，尾座抱筒11由尾座氣缸10帶動快速移動至轉盤前端，進行第二袋裝袋操作，依次循環，完成不停機連續裝袋操作。

1.3 三工位轉盤

三工位轉盤是系統的核心部件，主要由絞龍裝置、電磁離合器、轉動氣缸和3個套筒組成。詳細結構如圖2所示。

1.電磁離合器 2.三工位法蘭盤 3.絞龍裝置 4.三工位套筒1 5.三工位套筒2 6.三工位套筒3圖2 三工位轉盤結構圖

三工位轉盤裝置包含3套獨立套筒(每個裝套筒均有內絞龍、筒端有電磁離合器)，3個獨立裝套筒在空間上間隔120°，3套獨立裝筒內部和混料室相互貫通，三工位轉盤固定在機架上，旋轉氣缸通過法蘭盤連接，實現按工位轉動，同時系統配置有轉動到位傳感器，確保在裝袋過程中，使套筒和尾座抱筒在同一軸線上。系統使用旋轉氣缸完成轉動，利用一位置傳感器檢測位置，詳細氣動回路如圖3中三工位旋轉氣缸所示。

2 三工位氣動裝袋裝置氣動回路設計

2.1 氣動回路設計

本系統的氣動原理如圖3所示。系統由氣泵、氣源兩聯件、單向節流閥、電磁換向閥、雙作用氣缸和三工位旋轉氣缸組成。

1YA、3YA:二位五通單電磁換向閥 2YA：二位三通單電磁換向閥圖3 氣動原理圖

2.2 尾座抱筒裝置

木腐菌裝袋操作的核心是尾座的水平移動和三工位套筒內絞龍裝置旋轉的運動的合成。抱筒裝置固定在尾座的尾座氣缸上，是由上下2個半圓筒構成，由尾座氣缸帶動抱筒沿著導軌在尾座導向臺運動，完成(閉合時)合裝袋和(分開時)脫袋工作操作。尾座抱筒運動規律為：快進(上筒操作)→工退(工藝裝袋)→快退運動(脫袋)。電磁閥動作與傳感器配合情況如表1所示。氣動控制回路如圖3中尾座氣缸所示。

表1 電磁閥與傳感器情況

3 三工位氣動裝袋裝置電氣控制系統設計

3.1 PLC選型與I/O分配

三工位氣動裝袋裝置的電機為1.0 kW三相交流電機，氣泵電機220 V外部電源供電，傳感器采用三線制金屬式接近開關，電磁離合器采用24 V干式單片電磁離合器，工作溫度-20～50 ℃，工作頻率是60～100次/min。根據控制要求，需要輸入8路，輸出8路，輸入、輸出具體分配見表2。系統選用抗擾能力強，工作可靠，性價比較高的信捷XC3-24R-E，該型號PLC有14 路輸入，10 路輸出。PLC控制系統接線圖如圖4所示。

圖4 控制系統接線圖

表2 三工位氣動裝袋裝置控制系統I/O分配表

3.2 PLC程序設計

根據設備工作情況以及裝袋的工藝控制要求，PLC采用邏輯和順序控制形式編寫程序，功能圖如圖5所示。

圖5 PLC控制功能圖

此外系統添加觸摸屏，更加直觀的顯示設備的工作狀態，方便系統相關參數的修改與設定。觸摸屏界面如圖6所示。

圖6 系統觸摸屏界面

本系統控制的時序性要求精準，位置度要求準確，PLC控制與傳感器的結合很好地解決了這一點，同時在裝袋完成時添加延時程序，保證裝袋工藝，達到袋基的硬度均勻，且封口處斷面平整，便于后期封口操作。此外系統還使用觸摸屏，讓系統相關參數得以顯示，提高了系統的科技感和設備參數調整的方便性。

3 結論

目前該裝置已研制成功，在河南香菇主產區西峽的幾個食用菌生產基地完成測試，成為公司的定型產品。該氣動裝袋裝置具有以下特征：

(1) 采用氣動實現，充分發揮了氣壓系統動作迅速，無污染的特征。此外抱筒裝置前進或者后退速度以及裝袋實虛程度，可以通過調節在氣路上排氣閥、節流閥進行相關工藝參數調整，方便，避免電氣參數調整或者結構設計，讓設備具有結構簡單、成本低、操作方便優點；

(2) 三工位的設計布局，在空間上使套袋工序和裝袋2個工序完全錯開，解決傳統裝袋機上套袋和裝袋的工序重合，由于系統故障或者不穩定因素給套袋操作者造成嚴重的人身安全事故，從結構上徹底解決了傳統裝袋機因工序位置重合而形成不安全問題；

(3) 旋轉氣缸配合三工位轉盤，使套袋和裝袋2個工藝在空間上完全錯開，讓套袋和裝袋工藝操作能同時進行，提升設備的效率，相同情況下，與傳統單筒結構相比，減少時間等待，使裝袋效率得以提升；同時氣動+三工位組合，簡化系統的結構，減輕系統的總體重量，便于轉場作業，增加設備的靈活度。

綜上述基于PLC控制的三工位氣動裝袋裝置，大大降低了勞動強度，提高了生產安全性，提生了生產效率，促進食用菌生產和食用菌生產的工廠化進程 。