基于PLC的山核桃破殼自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)研究

趙艷莉 趙 倩 李志強

(1.鄭州財稅金融職業(yè)學院，河南 鄭州 450000；2.河南科技大學，河南 洛陽 471000；3.鄭州大學，河南 鄭州 450001)

山核桃果殼堅硬、厚實、形狀不規(guī)則，內(nèi)部有多處分離，殼間間隙小，加工難度大。目前，中國山核桃的初加工技術和設備相對落后，核桃破殼取仁仍以人工為主[1]。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、操作簡單、易維護等優(yōu)點，作為控制器在自動化生產(chǎn)線中應用廣泛。

目前，國內(nèi)外有許多學者對山核桃破殼自動化生產(chǎn)線進行研究。丁冉等[2]提出了一種敲擊式核桃破殼機的新方案，并建立數(shù)學模型進行分析。結果表明，直徑為18～22 mm核桃破殼率為99.41%，損傷率為6.25%。劉佳等[3]分析了國內(nèi)外核桃壓榨機的結構、工作原理和特點，指出了核桃破殼機存在的問題，為解決核桃深加工技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸提供了依據(jù)。程國梁等[4]提出了一種擠壓破殼機的設計方案，設計了喂料機構、破殼機構、傳動機構等。結果表明，該設計簡單易行，核桃破殼率達到100%，整仁率為77.58%。石明村等[5]提出了一種凸輪搖桿雙向擠壓破殼機的設計方案，設計了喂料、破殼等機構。結果表明，相比于傳統(tǒng)方法，破殼率和露核率都得到大幅提高，破殼率為92.36%，露核率為84.69%。雖然自動化生產(chǎn)線可以實現(xiàn)核桃破殼，但也存在破殼率低、效率差等問題，破殼效果并不理想，適應性有待進一步提高。

在此基礎上，針對山核桃破殼自動生產(chǎn)線，研究提出了一種基于PLC控制技術的山核桃破殼自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。以PLC為核心完成整個山核桃破殼自動化生產(chǎn)線的控制，包括破殼機、風選機、破殼分離機、色選機等設備，通過試驗進行分析，旨在為食品自動化生產(chǎn)提供一定的參考。

1 食品自動化生產(chǎn)線概述

山核桃破殼自動生產(chǎn)線生產(chǎn)流程為：破殼機→風選機1→色選機→分離機1→風選機2→色選機→分離機2再經(jīng)過分級→風選→色選，循環(huán)這一過程。山核桃破殼自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)輸入輸出需求功能如表1所示。

表1 輸入輸出需求功能

為實現(xiàn)上述流程設計開發(fā)的山核桃破殼自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結構如圖1所示。PLC作為整個系統(tǒng)的核心控制單元，輸入為開關和觸摸屏，輸出為接觸器、繼電器等硬件。基于PLC的山核桃破殼自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要由破殼機、風選機、破殼分離機、色選機等設備組成[6]。核桃破殼和核桃仁分離是整個山核桃生產(chǎn)線的重要環(huán)節(jié)，文中通過變頻器進行控制。固定在風選機和分離機上的傳感器通過變送器將0～10 V的A/D輸出電壓信號轉(zhuǎn)換到PLC中，PLC采集該模擬量，通過PID控制器控制改變各機械模塊的運動狀態(tài)[7]。分別對應變頻器頻率0～50 Hz和電機轉(zhuǎn)速0～1 500 r/min。

圖1 山核桃破殼自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結構

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 主要器件選型

2.1.1 PLC選型 根據(jù)自動化生產(chǎn)線的工藝要求，計算控制系統(tǒng)所需的輸入輸出信號總數(shù)，選擇S7-200 PLC CPU226CN作為系統(tǒng)的控制中心。該型號PLC具有輸入24個，輸出16個。還可以擴展模擬輸入8個，輸出4個。存儲容量為16 384 b。滿足該控制系統(tǒng)的各項指標要求[8]。

2.1.2 觸摸屏選擇 選擇SMART LINE1000觸摸屏，實現(xiàn)人機交互。主要用于顯示生產(chǎn)過程的運行狀態(tài)，并設置報警閾值。觸摸屏提供直觀的圖像，圖像質(zhì)量清晰，用于山核桃破殼生產(chǎn)線的信息交換和監(jiān)控[9]。

2.1.3 變頻器選型 變頻器需要考慮負荷和電機的額定電流。因此，綜合考慮變頻器額定輸出電流的計算，如式(1)所示。

ICN≥kIM，

(1)

式中：

ICN——額定輸入電流，A；

k——修正系數(shù)；

IM——變頻器負載電流，A。

變頻器的額定功率一般為電機額定值的1～2倍，計算公式如式(2)所示[10]。

(2)

式中：

PCN——變頻器的額定頻率，Hz；

PM——電機的額定輸出功率，kW；

η——電機的效率；

cosφ——電機的功率因數(shù)。

根據(jù)實際運行情況，控制系統(tǒng)的二級低損傷離心破殼機選用SIMENS MM440-220/3變頻器，額定功率和輸出電流分別為2.2 kW和5.9 A，風選機變頻器選用SIMEN MM440-150/3變頻器，額定功率和輸出電流分別為1.5 kW和4 A[11]。

2.2 電動機轉(zhuǎn)速控制

采用變頻器控制電動機，PLC通過模擬量控制變頻器，PLC與變頻器控制原理如圖2所示。該控制系統(tǒng)中使用的變頻器為SIMENS MM440[12]。

圖2 PLC與變頻器控制原理

2.3 風選機變頻調(diào)速

風選機是生產(chǎn)線上的風選除塵設備，在風壓作用下，殼灰和山核桃通過氣流從出料口分離[13]。基于該控制系統(tǒng)，提高了山核桃深加工過程中風機轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)、風機的工作效率和破殼質(zhì)量等一系列問題。基于PID控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)對風選機的控制，控制系統(tǒng)命令數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通信傳輸給下位機PLC，PLC向MM440變頻器的模擬控制端輸出0～10 V電壓信號，電機由變頻器的輸出功率控制。傳感器采集電機相應模擬量，輸入下位機PLC，并通過AD轉(zhuǎn)換實時傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)對風選機風速狀態(tài)的實時監(jiān)測[14]。風選機控制系統(tǒng)如圖3所示。選擇變頻器6SE6440-2UD21-5AA1和Y100L1-4電機(額定功率2.2 kW，額定電壓380 V，轉(zhuǎn)速1 440 r/min，Y接法)組成變頻調(diào)速系統(tǒng)。風壓檢測傳感器選擇PY209傳感器進行測量，PY209傳感器采用進口專用氣壓感壓芯體，具有零點、滿量程補償，溫度補償，結構小巧等優(yōu)點。PID控制器參數(shù)：比例放大系數(shù)0.3，積分時間常數(shù)60，微分時間常數(shù)15。

圖3 風選機控制系統(tǒng)

風選機PID控制系統(tǒng)以實際風壓大小N(t)和規(guī)定風壓大小U(t)作為輸入量，以電機的電源電壓頻率u(t)為輸出。在該控制系統(tǒng)中，通過比例、積分和微分計算實際風壓與所需風壓的對比偏差e(t)，然后生成變頻器的調(diào)壓頻率u(t)，調(diào)節(jié)電機[15]。圖4為PID控制系統(tǒng)的結構圖。

圖4 控制結構圖

2.4 破殼分離機變頻調(diào)速

破殼分離機控制系統(tǒng)如圖5所示，以PLC為主控進行變頻器和電機的控制，通過沖擊力傳感器檢測電機在一定轉(zhuǎn)速下的沖擊力。經(jīng)過綜合對比，選擇的沖擊力傳感器型號為LSZ-F03A，采用上下平面，具有安裝簡便，抗偏載能力強，適用于沖擊力試驗臺、撞擊力測量與控制等。額定輸出(2.85±0.02 85)mV，安全載荷150%，零點溫漂≤0.002% 額定輸出。將測量值與設定值的差值輸入主控制器PLC，經(jīng)過PID控制器的簡單線性操作后，調(diào)整變頻器的頻率控制電機的轉(zhuǎn)速。

圖5 破殼分離機控制系統(tǒng)

3 試驗結果與分析

3.1 試驗參數(shù)

為了驗證所提控制系統(tǒng)的可行性和實用性，選擇了一定量的山核桃(直徑18～22 mm)進行破殼試驗，驗證是否符合設計要求。采用3組核桃，均為3 kg。破殼前山核桃含水量為14.55%～16.35%。破殼后，山核桃可分為四類：第Ⅰ類(不破殼的山核桃)、第Ⅱ類(未完全破殼，較多核桃仁嵌入)、第Ⅲ類(完全破殼，少量核桃仁嵌入)和第Ⅳ類(破殼，無核桃仁嵌入)。PC采用Intel i5處理器、16 G內(nèi)存和Win10操作系統(tǒng)。設備參數(shù)見表2。

表2 設備參數(shù)

3.2 試驗分析

3.2.1 山核桃破殼率分析 自動生產(chǎn)控制系統(tǒng)將山核桃分為四類。第Ⅰ類可以概括為未破碎的山核桃；第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類可歸納為破殼山核桃。控制系統(tǒng)實施后的破殼率按式(3)計算。

(3)

式中：

D——破殼率，%；

M1——山核桃未破殼質(zhì)量，kg；

M——山核桃總質(zhì)量，kg。

為了證明所述控制系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性，在3組中分別選取3 kg核桃進行試驗和測試。控制系統(tǒng)實施前后的破殼率如表3所示。

從表3可以看出，在實施控制系統(tǒng)之前，有一些未破殼的山核桃，3組試驗數(shù)據(jù)的平均值為96.00%。控制系統(tǒng)實施后，未破碎的山核桃為0，3組試驗數(shù)據(jù)的平均值為100%。這是因為研究的控制系統(tǒng)能夠利用PLC、變頻器等對生產(chǎn)設備的啟動和停止進行控制，并根據(jù)生產(chǎn)流程實現(xiàn)自動化控制。通過變頻器實現(xiàn)電機的平滑無級調(diào)速，將損傷降到最低，殼與仁完全分離。

表3 控制系統(tǒng)實施前后的破殼率

3.2.2 核仁損傷率分析 按式(4)計算核仁損傷率。

(4)

式中：

D1——核仁損傷率，%；

M2——山核桃核仁損傷質(zhì)量，kg；

M——山核桃總質(zhì)量，kg。

控制系統(tǒng)實施前后的損傷率如表4所示。

表4 控制系統(tǒng)實施前后核仁損傷率

從表4可以看出，控制系統(tǒng)破殼后獲得的山核桃仁主要為Ⅰ類仁和Ⅱ類仁，即1/2粒和1/4粒，質(zhì)量明顯高于控制系統(tǒng)實施前完成的質(zhì)量。這是因為控制系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)二次離心式破殼機電機的轉(zhuǎn)速，可以獲得電機的理想運行速度，大大減少山核桃在二次破殼過程中的損壞。在山核桃破殼自動控制系統(tǒng)的控制下，核仁損傷率分別為5.09%，5.09%，4.89%，平均破損率為5.02%。與實施前的控制系統(tǒng)相比，總的核仁損傷率顯著降低，破殼生產(chǎn)質(zhì)量得到了驗證。

3.2.3 山核桃加工效率分析 按式(5)計算加工效率。

(5)

式中：

D2——加工效率，g/s；

M3——加工山核桃質(zhì)量，kg；

T——加工時間，s。

控制系統(tǒng)實施后山核桃加工效率如表5所示。

從表5可以看出，3個試驗組的處理效率分別為15.44，14.85，14.93 g/s，平均加工效率為15.07 g/s。表明該控制系統(tǒng)具有較高的加工效率，能創(chuàng)造更高的經(jīng)濟價值。

表5 控制系統(tǒng)實施后加工效率

3.2.4 控制效果對比 將PLC控制山核桃破殼自動生產(chǎn)線與傳統(tǒng)的Ziegler-Nichols(ZN)參數(shù)整定法相比，單位階躍輸出響應和輸出誤差曲線對比如圖6和圖7所示，控制系統(tǒng)對比如表6所示。

圖6 單位階躍輸出響應

圖7 輸出誤差曲線

表6 控制結果對比

由表6可知，與傳統(tǒng)的ZN法相比，PLC控制的響應時間更短，而且超調(diào)量更小，使得山核桃破殼自動生產(chǎn)線控制可以更快地進入穩(wěn)定狀態(tài)，具有更高的控制品質(zhì)。

4 結論

結合目前市場上破殼設備存在的問題，提出了一種基于PLC控制技術的山核桃破殼自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。PLC作為整個系統(tǒng)的核心控制單元，實時控制山核桃一次破殼機、殼仁分離機、離心破殼分離機、核仁色選機等設備。試驗結果表明，通過該控制系統(tǒng)控制的山核桃破殼自動生產(chǎn)線的破殼率達到100%，核桃仁破損率為5.02%，加工速率為15.07 g/s，符合核桃全自動生產(chǎn)線的要求。然而，研究對食品自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的研究還處于初級階段，僅對單一品種的山核桃進行破殼，后期控制系統(tǒng)將不斷完善，提高食品自動生產(chǎn)線的經(jīng)濟效益。