基于西門子PLC的智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉設(shè)計(jì)

嚴(yán)佳佳，張志萍，呂宵宵

（揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院，揚(yáng)州 225000）

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，加快建設(shè)倉儲(chǔ)管理智慧化的糧食倉儲(chǔ)體系有助于筑牢大國糧倉，推進(jìn)鄉(xiāng)村振興。傳統(tǒng)的糧食儲(chǔ)備倉庫大部分是以人工為主的粗放型管理，采用扦樣取糧，依賴人力，勞動(dòng)強(qiáng)度大，已經(jīng)不適用于目前的社會(huì)形勢，設(shè)計(jì)具備自動(dòng)化、工業(yè)化特點(diǎn)的糧食存儲(chǔ)以及運(yùn)輸倉迫在眉睫［1-3］。

本文基于西門子300PLC 設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)控制系統(tǒng)的糧食存儲(chǔ)倉庫，只需較少的人工，節(jié)省人力資源［4-5］。通過硬件和軟件程序的設(shè)計(jì)，提升存儲(chǔ)空間的利用率；通過程序和機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高糧食運(yùn)輸?shù)男省?/p>

1 存儲(chǔ)糧食倉庫系統(tǒng)的控制方案簡介

本次設(shè)計(jì)的智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)，主要由輸送裝置、運(yùn)轉(zhuǎn)裝置以及分揀裝置三部分組成。

所設(shè)計(jì)的智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)輸送裝置采用了帶傳動(dòng)。因?yàn)榧Z食粒在傳輸過程中容易發(fā)生抖動(dòng)，為了防止在輸送過程中滑落到地面，采用防滑性傳送帶。而對于糧食的傳輸來說，為了節(jié)約輸送時(shí)間、提升效率，采用光滑性傳送帶。

運(yùn)轉(zhuǎn)裝置包括了設(shè)備的電機(jī)、牽引繩、改向裝置、驅(qū)動(dòng)裝置等，整個(gè)傳送帶的運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)轉(zhuǎn)裝置的動(dòng)力是由功率為5.5 kW 的電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。牽引繩使用電機(jī)的力量為傳送帶提供牽引力，帶動(dòng)履帶進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)；繞過每一個(gè)滾筒形成一個(gè)閉合圈狀運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)履帶，實(shí)現(xiàn)糧食運(yùn)輸工作。

分揀裝置主要是對糧食須和糧食粒進(jìn)行分揀區(qū)別。上部是類似篩子的一個(gè)裝置，通過不斷抖動(dòng)可以將糧食粒和糧食須初步分離開來；中部是一個(gè)具有一定區(qū)域的空間，能夠借用風(fēng)力將糧食粒和糧食須再次分離，分離出的糧食粒進(jìn)入下一步繼續(xù)運(yùn)輸，而糧食須則進(jìn)入處理區(qū)域進(jìn)行下一步的利用。

2 糧食倉庫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件控制方案

現(xiàn)如今城市工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)化，使用較多的是西門子PLC，通信模塊化和編程工具的多樣化技術(shù)位于其他品牌前列，控制器之間的通訊連接能力強(qiáng)，兩個(gè)型號相同的可編程控制器經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的連接，即可完成設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整個(gè)通信，在拓展模塊和通信協(xié)議方面，也有著先進(jìn)的技術(shù)。這些既可以擴(kuò)展PLC 在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用范圍，又提高了系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，選用PLC 作為智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)的核心控制器。

硬件部分主要包括PLC 控制器、電源模塊、輸入輸出模塊、通信模塊、拓展模塊。

PLC 控制器：接收輸入信號、處理邏輯信號、輸出控制信號，整個(gè)糧倉系統(tǒng)的運(yùn)行由其控制。

電源模塊：為PLC 控制器以及其他模塊提供相對穩(wěn)定的電源。

輸入輸出模塊：將傳感器中信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到PLC 中，將PLC 輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為控制信號輸出到執(zhí)行器中。

通信模塊：PLC 控制器與其他設(shè)備之間的通信連接。

拓展模塊：用于擴(kuò)展PLC 控制器的輸入輸出能力、存儲(chǔ)能力等。

2.2 變頻器的選型

將電氣控制柜中電動(dòng)機(jī)直接集成到機(jī)器設(shè)備中，通過對G130 變頻器的參數(shù)設(shè)定和通訊模塊連接，采用TCP-IP 通訊方式，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度控制的功能。通過設(shè)置變頻器輸出的電壓頻率的大小、電機(jī)啟停的加減速度大小、限制電機(jī)的最大輸出電流、過載保護(hù)時(shí)間和過載保護(hù)電流值等參數(shù)變量的值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的低、中、高三檔速度。

2.3 硬件接線圖

智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)的硬件部分主要包括PLC 控制器、輸入輸出模塊、電動(dòng)機(jī)、光電傳感器、指示燈。接線圖如圖1所示。借由這些硬件，可以實(shí)現(xiàn)對糧倉內(nèi)糧食存儲(chǔ)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將收到的數(shù)據(jù)通過通訊模塊（如以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等通訊方式）發(fā)送給上位計(jì)算機(jī)或云端服務(wù)器模塊。

圖1 智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)的硬件接線圖

2.4 智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)的符號表

智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉控制系統(tǒng)的控制使用四個(gè)按鈕分別實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、入倉、出倉動(dòng)作，并通過指示燈顯示工作狀態(tài)。智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)控制符號表如表1 所示。具體描述功能實(shí)現(xiàn)原理：糧食經(jīng)過傳送帶，對光源到傳感器的光路遮擋，形成脈沖信號。光電傳感器PS1、PS2 將檢測到的信息轉(zhuǎn)換成電信號輸送到PLC 的輸入模塊各輸入端口中。檢測到糧食進(jìn)料時(shí)，則輸出高電平信號，電機(jī)啟動(dòng)；檢測到糧倉中糧食達(dá)到一定高度時(shí)，則輸出低電平信號，電機(jī)停止；糧食存儲(chǔ)量低于一定值時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)料裝置。PLC 根據(jù)輸入信號控制糧倉空指示燈：當(dāng)PS1、PS2 均未檢測到糧食進(jìn)料時(shí)，指示燈HL1 亮起，糧倉為空；當(dāng)PS1 或PS2 檢測到糧食進(jìn)料時(shí)，糧倉中的糧食存儲(chǔ)量≥20%時(shí)，指示燈HL2 亮起。HL3、 HL4、 HL5 指示燈與其工作原理相同。糧倉中的糧食存儲(chǔ)量滿倉時(shí)，PS1、PS2 同時(shí)輸出低電平信號，PLC 輸出高電平信號，指示燈HL6亮。

表1 智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)控制符號

2.5 輸入輸出地址表分配

通過對所設(shè)計(jì)智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)進(jìn)行分析，將提前設(shè)定的符號表用SIMATIC Manager 軟件進(jìn)行符號表組態(tài)。智能糧倉系統(tǒng)的生產(chǎn)線符號表如圖2所示。

圖2 智能糧倉系統(tǒng)的生產(chǎn)線符號表

3 糧食倉庫系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計(jì)

3.1 糧倉系統(tǒng)的程序編寫

糧食開始運(yùn)入糧倉工作，傳送帶由按鈕進(jìn)行隨時(shí)控制。按下SB1，電機(jī)M1 接通自鎖，傳送帶1 動(dòng)作，糧食運(yùn)入糧倉；按下SB2，傳送帶1停止。系統(tǒng)自動(dòng)檢測糧倉的存儲(chǔ)量，根據(jù)設(shè)定的指示燈顯示出來。傳送帶的運(yùn)行速度通過按鈕進(jìn)行控制，確保糧食的穩(wěn)定運(yùn)輸。如圖3 所示，在糧倉系統(tǒng)中，入倉動(dòng)作進(jìn)行。同樣，出倉工作原理類似，設(shè)計(jì)SB3、SB4 兩個(gè)按鈕，分別控制傳送帶2開啟和停止動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)將糧食運(yùn)出糧倉。

圖3 智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)控制入倉動(dòng)作程序段

當(dāng)啟動(dòng)糧食入倉動(dòng)作時(shí)，安裝在傳送帶兩側(cè)的進(jìn)料光電傳感器發(fā)出光束，通過檢測光束是否被遮擋來判斷糧食的數(shù)量，并且通過稱重或測量體積的方式實(shí)時(shí)記錄入倉糧食的數(shù)量，如圖4所示。

糧倉系統(tǒng)將計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成百分?jǐn)?shù)，通過指示燈來顯示實(shí)時(shí)糧食存儲(chǔ)量。糧倉總?cè)萘慷?00%，糧食實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換為百分比。一旦糧倉內(nèi)糧食存儲(chǔ)量發(fā)生變化，系統(tǒng)會(huì)重新計(jì)算糧倉存儲(chǔ)量百分比，以便指示燈動(dòng)作。如圖5所示程序段控制顯示糧食儲(chǔ)存量，并以百分比的形式顯示。

圖5 智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)顯示糧食實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量程序段

3.2 基于西門子PLC糧食倉庫系統(tǒng)的仿真調(diào)試

使用WICC軟件，先創(chuàng)建系統(tǒng)項(xiàng)目，導(dǎo)入符號表，管理內(nèi)部變量。打開圖形編輯器，準(zhǔn)備畫圖。最開始設(shè)置倉庫內(nèi)使用率為零，即倉庫為空倉，并且倉庫的第一個(gè)指示燈常亮為綠色，表示智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉為空。如圖6所示，糧倉系統(tǒng)光電感應(yīng)器開始入倉動(dòng)作。

圖6 智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)光電感應(yīng)器開始入倉動(dòng)作

3.3 仿真效果展示

糧食入倉工作狀態(tài)，仿真效果如圖7 所示。按下啟動(dòng)按鈕SB1，電機(jī)開始工作，傳送帶開始運(yùn)行，安裝在傳送帶兩側(cè)的進(jìn)料光電傳感器檢測入倉數(shù)量，不同的指示燈亮起表示糧食入倉數(shù)量的變化情況。當(dāng)糧食入倉達(dá)到糧倉的限制值后，“糧倉滿”指示燈亮起，表示此時(shí)糧倉使用率為100%，處于滿倉狀態(tài)，糧食入倉動(dòng)作停止。

圖7 智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)工作狀態(tài)仿真效果

按下SB3 按鈕，電機(jī)M2 開始工作，出倉傳送帶開始運(yùn)行，由指示燈指示糧倉內(nèi)剩余的糧食數(shù)量。糧食出倉工作進(jìn)行一段時(shí)間后，圖7所示為糧倉內(nèi)剩余的糧食數(shù)量為60%的工作狀態(tài)。當(dāng)剩余糧食數(shù)量為空倉狀態(tài)（即剩余數(shù)量為0時(shí)），“糧倉空”指示燈HL1 再次亮起。光電傳感器檢測到糧倉空，出料完畢。按下停止按鈕，電動(dòng)機(jī)M2停止運(yùn)轉(zhuǎn)，糧倉停止出倉。

3.4 仿真模擬調(diào)試目的

通過WinCC 軟件仿真模擬真實(shí)的糧倉系統(tǒng)，驗(yàn)證控制程序和所需實(shí)現(xiàn)的功能是否符合要求，檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，對程序設(shè)計(jì)及時(shí)調(diào)試和排除故障，以便后續(xù)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，滿足儲(chǔ)運(yùn)糧倉的實(shí)際需求，為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

4 結(jié)語

本文闡述了基于西門子300PLC 控制器設(shè)計(jì)的智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)，通過硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)糧倉自動(dòng)化和監(jiān)測糧食儲(chǔ)運(yùn)過程。當(dāng)糧食進(jìn)出料時(shí)，光電傳感器對糧食進(jìn)行監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，指示燈指示糧食存儲(chǔ)量。西門子STEP 7 軟件編寫PLC 程序，WinCC 軟件仿真調(diào)試程序，實(shí)現(xiàn)智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉自動(dòng)控制和報(bào)警系統(tǒng)等功能。所設(shè)計(jì)的智能儲(chǔ)運(yùn)糧倉系統(tǒng)考慮糧食的儲(chǔ)存容量以及糧食的運(yùn)輸?shù)葐栴}，實(shí)現(xiàn)糧食儲(chǔ)運(yùn)過程的智能化。