PLC控制回字形烘干筒的丸粒化種子烘干裝置研發

張帥揚，毛文華，董 鑫，李 佳，呂程序，孫 正

(1.中國農業機械化科學研究院土壤植物機器系統技術國家重點實驗室，北京 100083；2.機械科學研究總院集團有限公司，北京 100044)

0 引言

種子丸?；^程大量使用丸化液，用于粘合種子和丸化劑，導致丸化后的種子具有較高的含水率。以番茄種子為例，丸粒化番茄種子的含水率一般為20%～30%，如果不能及時進行烘干，會造成外殼變形甚至破裂、種子霉變等問題，影響種子儲運和正常使用[1]。為適應工業化生產要求，提高烘干效率，丸化后的種子需要烘干設備進行干燥，使其達到商品化種子含水量，并保持活性。根據烘干工藝，目前種子干燥裝置有塔式、對撞式、帶式、箱式和轉筒式等類型[2-3]。包衣丸化種子烘干裝置一般采用轉筒式，其具有運動平緩、占地面積小等優點。轉筒式烘干裝置一般采用橫流烘干原理，熱風機提供橫向流動的熱空氣與種子接觸，單筒長度2～4 m，筒體越長，種子與熱接觸的機會越多，烘干效果越好，但是熱損失越大，能耗越高。目前使用的轉筒式烘干裝置缺乏控制系統，一般采用人工調節轉筒轉速和輸入熱力，自動化水平偏低。石河子開發區天佐種子機械有限公司開發的12棱邊轉筒式種子包衣干燥機，采用封閉式箱體設計，通過變頻器和溫度傳感器進行溫度和轉速調節，棉種生產效率可達5.3 t/h，破損率0.5%[4]。南京農業機械化研究所研發的5BH-5型種子包衣烘干裝置，采用雙滾筒串聯橫流烘干的方式，實現連續作業，干燥強度達10 kg/(m3·h)，干燥不均勻度≤1%[5]。

隨著工業技術的快速發展，人們對產品精度要求及自動化水平逐步提高，可編程控制器(PLC)通過數字量或模擬量的輸入輸出可實現機械設備及工作流程的自動控制，具有功能性強、可靠性高、容易編程和安裝方便等特點，在機械設備和生產過程自動控制系統中得到廣泛的應用。

本文研制適用于丸?；N子的烘干裝置，設計PLC與伺服電機運動控制系統，可實現烘干過程自動控制。

1 烘干裝置

1.1 總體結構

丸?；N子烘干裝置的主體結構包括內外筒、拖輪、伺服電機、減速器、聯軸器、齒輪、齒圈和支架等，如圖1所示。伺服電機為烘干筒提供動力，通過減速器和聯軸器連接齒輪、齒圈，進而帶動烘干筒轉動。

1.外筒 2.內筒 3.拖輪 4.伺服電機 5.減速器 6.聯軸器 7.齒圈 8.齒輪 9.出料口 10.支架

1.2 烘干筒

將烘干筒設計為內外套筒，結構如圖2所示。內外筒形成截面類“回”字形套筒結構，增加了丸?；N子的熱交換機會，縮短了烘干筒的整體長度，減少了外部散熱面積。雙筒間采用“工”字型支撐連接，保證同軸度。筒內壁均安裝螺旋揚料板，且內外筒螺旋方向相反。烘干筒參數：外筒外徑500 mm、外筒長度1 200 mm、內筒外徑370 mm、內筒長度1 000 mm、揚料板螺距200 mm。丸粒化種子首先順熱氣流方向進入內筒，被揚料板揚起，在內筒循環一周后，進入外筒，再被外筒的熱氣流烘干，使種子均勻受熱，提高熱能利用率。

圖2 烘干筒結構

1.3 齒輪

根據烘干筒的設計參數，按照回轉筒烘干裝置動力估算經驗公式，估算裝置所需功率

P=K’D3Lρpnmax

(1)

式中K’——動力系數

D——筒體直徑，m

L——筒體長度，m

ρp——容積密度，kg/m3

nmax——最大轉速，r/min

查表取動力系數K’=4.9×10-2，容積密度為ρp≈600 kg/m3，為保證烘干筒平穩運行，設定最大轉速nmax=50 r/min；則P≈0.4 kW。

根據實際需要，選用直齒圓柱齒輪傳動；烘干機為一般工作機器，速度不高，選用7級精度；齒輪材料分別選取小齒輪40 Cr，調質處理，硬度為285 HBS，大齒輪45鋼，調質處理，硬度為245 HBS。

齒輪強度受齒寬的影響，齒寬越大，承載能力越強，齒輪應具有一定寬度，不宜過窄；但齒寬越大，齒面載荷分布越趨于不均勻，所以需要選取合適的齒寬系數φd，本裝置選取φd=0.8。按照齒面接觸強度和齒根彎曲強度設計計算齒輪的主要幾何尺寸，既可以滿足齒面接觸疲勞強度，又可以滿足齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。齒輪傳動系統主要幾何參數如表1所示。

表1 齒輪主要幾何尺寸

1.4 聯軸器

根據傳動需求，聯軸器選型依據包括轉矩、工作轉速、緩沖減振、兩軸相對位移、可靠性與成本等。

由于機器啟動時的動載荷和運轉中可能出現的過載現象，所以應按軸上的最大轉矩計算轉矩Tca。根據計算出的轉矩Tca及所選的聯軸器類別，按照Tca≤[T]的條件在聯軸器標準中選定該聯軸器型號。[T]為該聯軸器的許用轉矩，被連接軸的轉速n不應超過所選聯軸器允許的最高轉速nmax，即n≤nmax。

每一型號聯軸器適用軸的直徑在多數情況下均有一個范圍。標準中一般給出軸直徑的最大和最小值，或者給出適用直徑的尺寸系列，被連接兩軸的直徑應當在此范圍之內。一般情況下被連接兩軸的直徑是不同的，兩個軸端的形狀也可能是不同的。

根據所選聯軸器允許軸的相對位移偏差，規定部件的安裝精度。通常標準中只給出單項位移偏差的允許值。如果有多項位移偏差，則必須根據聯軸器的尺寸大小計算出相互影響的關系，以此規定部件安裝精度。

本裝置選用十字滑塊聯軸器，如圖3所示。一般適用于轉速n<250 r/min、軸的剛度較大且無劇烈沖擊的情況。

圖3 十字滑塊聯軸器結構

計算載荷

T=9 550P/n

(2)

Tca=KAT

(3)

查表取工況系數KA=1.7，代入數據進行計算得Tca約為130 N·m，因此選用SL90型十字滑塊聯軸器，公稱轉矩250 N·m，許用轉速250 r/min，軸孔直徑20～30 mm，質量2.6 kg。

2 運動控制系統

2.1 PLC選型

PLC是控制單元的核心，決定了設備工作的穩定性，PLC可以進行數學運算、數據傳送、轉換、排序和查表，用于實現數據的采集、分析和處理等功能。根據實際需要，選用西門子S7-200型PLC，可以擴展256點數字量I/O及45路模擬量I/O，24 kB程序存儲空間和10 kB用戶數據存儲空間，中央處理器可位置控制編程。編程軟件選用STEP7-Micro/WIN，可以梯形圖、語句表和功能模塊圖編程，滿足SIMATIC和IEC61131-3兩種編程模式。通訊配置2個標準RS485端口，使用PPI協議及自由端口通信模式，與變頻器進行通信。種子丸化過程中使用丸化劑固體粉末，導致工作環境存在大量粉塵，在電路設計上，采用光電隔離，并在PLC的電源線路和I/O回路中設計多重濾波電路，以減少外部干擾[6-8]。

2.2 伺服電機選型

伺服電機以補助馬達間接變速的形式控制機械元件運轉。烘干筒轉速范圍為0～50 r/min，大小齒輪傳動比為5，則小齒輪的轉速范圍為0～250 r/min，即軸轉速和減速器輸出端轉速范圍均為0～250 r/min，減速器減速比為15，選用額定轉速3 000 r/min的伺服電機符合要求。烘干筒的功率0.4 kW。則電機功率

P電機=P烘干筒/η

(4)

η=η1η2η3η4

(5)

式中P烘干筒——烘干筒功率，kW

η1——減速器傳動效率

η2——聯軸器傳動效率

η3——小齒輪傳動效率

η4——大齒輪傳動效率

通過計算可知，電機功率約0.5 kW，根據電機功率與轉矩的關系計算電機轉矩約為1.59 N·m。因此，選用安川SGM7J-08A伺服電機，其主要參數為額定輸出0.75 kW，額定轉矩2.39 N·m，瞬時最大轉矩8.36 N·m，額定電流4.4 A，瞬時最大電流16.9 A，額定轉速3 000 r/min，最高轉速6 000 r/min。其配套伺服單元為SGD7S-5R5A，其主要參數為連續輸出電流5.5 A，瞬時最大輸出電流16.9 A，主回路電源200～230 V(三相)，控制電源200～230 V(單相)，過電壓等級Ⅲ。

2.3 PLC與伺服驅動通信

PLC模擬量輸出通道輸出電壓信號，伺服單元接收該電壓信號，進而控制電機轉速，以此達到控制滾筒轉速的目的。

模擬量輸出控制伺服單元，伺服單元的控制信號為電信號，設定范圍為0～10 V。模擬量輸出模塊的每一個通道都有一個D/A(數字量轉換為模擬量)轉換器，將PLC處理器處理完的數字量控制信號轉換為能夠控制現場伺服單元的電信號，對應的數字量為0～32 000。滿量程時電壓輸出的分辨率為12位，模擬量輸出數據字是左對齊，最高有效位是符號位，0表示正值；最低位是4個連續的0，在將數據字裝在到DAC寄存器之前，低位的4個0被截斷，不會影響輸出信號值[9-11]。

該信號傳輸到模擬輸出模塊的第一個通道，地址是AQW0。電信號轉換為數字信號是線性對應關系，并且D/A轉換器為線性轉換，用線性變化的方法來推算模擬量輸出處理的方法。具體的程序如圖4所示。

圖4 PLC程序

2.4 伺服驅動單元配置

采取速度控制的方式控制伺服電機轉速，輸入輸出信號(CN1)連接器有50個針腳，選用其中5、6、40和47針腳接入主回路，伺服單元SGD7S-5R5A的主回路接線如圖5所示。

圖5 伺服單元SGD7S-5R5A主回路接線

根據上位指令進行伺服電機試運行，在速度控制調試成功后，與烘干裝置連接，然后通電使用[12-13]。

3 烘干裝置試制與測試

試制的烘干裝置如圖6所示。工作時，通過電機驅動烘干筒以一定轉速轉動，種子與熱氣流首先被輸送至內烘干筒，通過設置在內烘干筒的螺旋揚料板將種子揚起，使種子與氣流進行熱交換，同時在氣流和轉筒的帶動下向前移動進入外烘干筒。同樣的，通過設置在外烘干筒內的螺旋揚料板將種子揚起，使種子與熱氣流進行二次熱交換。種子在雙筒內循環運動，反復烘干。

圖6 烘干裝置

從結構上看，相對于單筒而言，雙筒設計的總散熱面積小于單筒，減少了熱損失；循環烘干的模式使熱交換更加充分，有效提高了熱能利用率；機身結構緊湊，整機長度相對于單筒烘干機大約減少40%，減少占地面積，更有利于裝置布置。

經測試，烘干裝置的具體參數：外觀(長×寬×高)：2 000 mm×700 mm×600 mm，質量110 kg，烘干筒轉速0～50 r/min，烘干溫度50～60 ℃，功率0.55 kW。對丸?；逊N子進行干燥，烘干裝置的烘干效率10 kg/h，持續工作60 min，種子含水率降低10%，烘干后的丸?；N子如圖7所示。

圖7 烘干種子

4 結束語

為降低丸?；N子的含水量，提高種子質量，設計了一種與種子包衣機相適應的烘干裝置。采用“回”字型雙筒烘干機構，使整個裝置更加緊湊，有效節約了占地面積；采用逆流循環的烘干方式，可以降低熱量損失，提高烘干效率。采用S7-200型PLC為核心控制單元，分析了PLC線性變換原理，設計了模擬量輸出線性轉換程序，實現了PLC與伺服電機運動控制系統的通信。安川SGD7S-5R5A型伺服單元接收S7-200輸出的模擬量信號，采用速度控制方式對伺服電機進行調速，實現了烘干裝置運動過程的自動控制，提升了機械運行效率和可靠性，為包衣丸化烘干一體化裝置的實際應用奠定基礎。