基于PLC 的黑木耳全自動菌棒打孔機控制系統的設計

張 明 ，陳棒棒

（1.阿克蘇地區農業技術推廣中心，新疆阿克蘇843000；2.新疆理工學院）

黑木耳（Auricularia auricula）屬真菌類擔子菌綱，又名木耳或木菌，是一種珍貴的食藥兼用真菌[1-2]，含有豐富的蛋白質、礦物質、人體必需氨基酸等營養物質，具有抗衰老、抗腫瘤、抗輻射、降血脂、降血糖等功效，被譽為“菌中之冠”、“素中之葷”[3-4]。黑木耳因其豐富的營養價值備受歡迎，黑木耳產業也得到了迅速發展。目前，黑木耳后期加工已實現機械化，但前期黑木耳菌棒生產還主要以人工為主、半機械化為輔，勞動量較大、效率較低。基于上述問題，課題組設計了一種全自動黑木耳菌棒打孔機，有效解決了菌棒打孔效率低、勞動強度大的問題，為實現全自動黑木耳產業鏈生產奠定基礎。

1 結構設計與工作原理

1.1 結構設計

如圖1，該黑木耳菌棒打孔機主要包括打孔針、打孔筒、氣缸、接近開關、步進電機、推送板、電容式感應器、控制箱等。

1.2 工作原理

菌棒打孔機運行時，步進電機2 接收信號工作，帶動菌棒傳送帶2 將菌棒逐個輸送至推送槽，菌棒進入推送槽之后電容式感應器接收信號，切斷步進電機2 的運轉，導通推送氣缸工作。當推送板至接近開關2 時，推送氣缸達到極限位開始回程，同時1 s 后打孔氣缸打孔，打孔針中部運動到接近開關1 后開始回程，當推送板回到接近開關3 位置后停止，同時步進電機2 接收接近開關3 的信號，傳送下一個菌棒，菌棒打孔機進入下一個工作周期，推送板將菌棒推送至打孔筒，同時將上一個菌棒推送至傳送帶1，以此往復工作實現全自動打孔。

2 控制系統設計

2.1 控制需求分析

該黑木耳全自動菌棒打孔機工作時需實現快速、精準、全自動的要求，控制需求如下：機器運行之后，菌棒傳送帶1 持續運轉來傳送已打孔的菌棒；傳送帶2 需周期性轉動，每次轉動運送一個未打孔菌棒；推送氣缸周期性工作，主要配合傳送帶2和打孔氣缸，推送氣缸推程時傳送帶2停止工作，推送氣缸回程時，打孔氣缸運行打孔。在此控制系統中，由接近開關與電容式感應器判斷執行機構是否到達指定位置，具體工作流程如圖2。

2.2 控制方案設計

該黑木耳全自動菌棒打孔機控制系統主要由上位機人機交互系統、傳感器模塊、運動控制模塊、驅動模塊、執行模塊組成。其中，上位機人機交互系統實現人工操作和系統運行狀態的實時監控[5-6]；傳感器模塊主要包括接近開關和電容式感應器，主要采集執行模塊的位置信息；運動控制模塊采用西門子PLC作為核心控制器，通過指令實現對執行機構的控制；驅動模塊主要是步進電機驅動器和電磁閥，來控制步進電機和氣缸的運動[7-8]；執行模塊包括步進電機、氣缸、機械機構等，實現菌棒的傳輸與打孔。不同模塊之間相互協調，共同完成黑木耳菌棒的傳輸、推送、打孔等工序，控制方案如圖3。

2.3 控制硬件設計

（1）PLC。PLC是整個控制系統的核心，在系統中采集、分析和處理傳感器信號。根據系統結構設計要求，結合PLC功能特性，本系統選取輸入輸出接口為24/16 的西門子S7-200 的 PLC，CPU 型號為 226，I/O 分配如表 1，PLC 外部接線圖如圖4[9-10]。

圖3 控制方案

圖4 PLC 外部接線圖

（2）步進電機。整個控制系統的輸送是由步進電機來完成的，在傳動帶上，全部排滿黑木耳菌棒約15個，每個菌棒質量平均為1.25 kg，傳動帶旋轉直徑0.2 m，傳動效率98%（同步帶），傳動比假定為1，則有[10]：

T=D/2×m×1/η×1/i=1.913 N·m

式中D—傳動帶旋轉直徑（m）；m—傳動帶上質量（kg）；η—機械傳動效率；i—傳動比。

根據工作扭矩大小，選取兩臺57HS22 步進電機，靜轉矩2.3Nom，步距角1.8，額定電流3A。選取57 步進電機驅動器DM542，連續輸出電流為4.2 A。

（3）傳感器。本系統傳感器模塊主要包括接近開關與電容式感應器，接近開關選取LJ12A3-4-Z/BX 三線NPN型金屬接近開關，檢測距離4 mm；電容式感應器選取洛施達M18電容式非金屬接近開關，檢測距離為1～5mm，可適用于高溫、潮濕等惡劣環境，滿足該系統控制設計要求。

3 試驗驗證

程序驗證使用TT-PLC-4 型箱式PLC 實驗裝置，PLC控制器為西門子S7-200，CPU226CN，進行PLC 與PC 端的通信，將程序下載至PLC 控制器中，在運行模式下，按下開機按鈕（I0.0 輸入端）,根據菌棒打孔機工作原理，模擬輸入信號，觀察輸出指示燈的變化（工作狀態），驗證PLC梯形圖程序的正確性，如圖5。

圖5 PLC 模擬驗證

在圖5 中，按下啟動按鈕，工作指示燈常亮，2 個步進電機開始運行，同時模擬菌棒到達指定位置，觸發非金屬接近開關，步進電機2 停止運轉，1 秒后指示燈1（推送氣缸）亮，到達推送位置之后，指示燈1 滅，1 秒后指示燈2（打孔氣缸）亮，達到指定位置后，觸發接近開關，指示燈2滅，步進電機2開始工作，繼續下一次操作。試驗過程中，程序可以按照設定的工作原理進行工作。

4 結論

（1）設計了黑木耳菌棒自動打孔機構方案，在機構基礎上，研究了一套基于西門子PLC控制器的全自動菌棒打孔系統，改善了菌棒打孔作業效率低，勞動強度大的問題。

（2）該控制系統包括菌棒的自動輸送、自動檢測及自動打孔，實現了全自動控制及輸送。通過試驗模擬，驗證了系統的可行性及穩定性。