基于PLC的采棉机棉箱喷淋控制系统设计

2020-10-17王永烁赵庆展余志远

农机化研究 2020年10期

王永烁,魏敏,胡蓉,赵庆展,余志远

(1.石河子大学机械电气工程学院,新疆石河子 832000;2.兵团工业技术研究院,新疆石河子 832000)

0 引言

我国棉花产量已居世界前列,新疆作为我国最大的棉花生产基地,2018年的种植面积为2 491.3khm2,总产量达511.1万t,占全国棉花生产总量的83.8%[1]。随着我国农业机械化水平的提高,机采棉模式在新疆得到了快速的发展。近年来,采棉机在采棉过程中发生火灾事故的次数逐年上升[2-3]。机采棉过程中,由于采摘头摩擦、火星进入棉箱、发动机温度过高等原因,极易造成棉箱失火,给驾驶员和棉花采收带来难以估量的损失。因此,如何有效地控制采棉机棉箱火情成为机采棉过程中面临的重要问题之一。

目前,喷淋可通过降温、增湿、隔绝空气等方式有效控制阴燃及燃烧区域内的火情的发展。长期以来,喷淋系统多用于城市建筑消防[4-5],随着喷淋技术的发展,喷淋系统在小空间应用的重要性逐步显现出来,如在船舶方面的应用[6-7]。于博文[8]等人利用GO法与层次分析法对喷淋系统各指标权重进行了定量的计算,可有效计算系统的可靠性。徐云辉[9]等人利用CFD数值模拟分析与正交实验法,分析了喷嘴的喷淋特性,得到了影响喷淋流场的主次关系。张宏[10]等人分析了喷淋管路组件的阻力系数,提出了管路的优化设计参考。以往研究多为针对喷淋系统可靠性及相关部件优化进行的研究论证,缺少对自动喷淋控制系统的设计,针对采棉机棉箱的喷淋系统设计更鲜有。

本文针对采棉机棉箱箱体的特殊性,设计出一种以 PLC控制、触摸屏为交互界面的用于采棉机棉箱的喷淋控制系统,可实现在采棉机棉箱内出现火情隐患时及时响应启动,有效地抑制棉箱火情,保障驾驶员与采棉机的安全。

1 装置结构及原理

喷淋控制系统主要由PLC、烟雾传感器、温度传感器、供水电磁阀、水泵、喷嘴、储水箱及触摸屏等组成,如图1所示。系统按其功能可分为喷淋与检测控制两个子系统。

1.触摸屏 2.水箱 3.水泵 4.电磁阀 5.电磁阀集成柜 6.水管管路 7.棉箱 8.喷头 9.传感器 10.PLC控制器

1.1 喷淋子系统

喷淋子系统由喷嘴、水泵、电磁阀及储水箱等构成,共设置4条喷淋管路。根据采棉机棉箱体积,为保证在出现火情时可有效地控制火情,需要使喷头在喷淋时有一定的相互重叠,以保证在喷淋范围内完整控制火情。

1.2 检测控制子系统

检测控制子系统由 PLC、传感器模块、继电器及触摸屏等构成。传感器模块接入 PLC ,继电器接入电磁阀与水泵并与PLC连接,通过PLC来控制启停。

触摸屏作为实现用户与PLC之间的交互的设备,与PLC通过变量链接,实现信息指令的传递[11-12]。通过编译触摸屏软件,可实现棉箱内温度、烟雾信息的实时显示和发出报警信号,同时可通过触摸屏对系统参数进行设定。喷淋系统通过PLC设定的临界值控制装置的启动,当传感器检测到的参数达到临界值时,数据通过信号线传递给PLC,PLC控制水泵、电磁阀打开,将水通过水管引流至喷头。

2 控制系统设计

2.1 系统组成及工作原理

控制系统由两部分构成,即硬件与软件。其中,硬件部分主要由 PLC、传感器、触摸屏及继电器等组成,如图2所示。

系统运行前,将所要设定的参数输入到PLC当中。系统工作时,通过组态软件对温度、烟雾进行监测,并通过传感器将得到温度、烟雾信号数值传入PLC;当PLC检测到通过传感器反馈的检测信号所对应的数值达到预先设定的临界值时,开始进行延时判定,从而排除环境等原因对检测信号的干扰;当PLC延时判定为火情发生后,PLC输出信号控制喷淋装置水泵及电磁阀的启动,并同时输出报警信号。

图2 PLC控制系统组成

2.2 硬件选型

1)PLC。PLC为整个系统的核心,在系统中负责收集、分析和处理传感器信号,输出控制信号控制水泵和电磁阀执行相应动作并与触摸屏的通信[13]。PLC 具体型号依据系统框架要求、I/O点数、系统精度和经济性进行选择[14]。

根据系统设计结构,控制系统中PLC需要控制输入点14个、输出点5个,结合系统所工作的实际环境及经济性,PLC选用含有输入输出接口各17个的三菱FX2N系列的PLC,具体型号为FX2N32MR-10AD。系统输入输出分配表如表1所示。所选PLC系统配置灵活,操作、编程简单,响应速度快,备有多样且可自由选择的外部设备。

表1 输入/输出点地址分配

2)传感器。选用的传感器类型为温度传感器与烟雾传感器,作用是将接收到的温度与烟雾变量信号经处理后转变为标准化输出信号输入PLC。

根据系统设计需要,温度传感器选用直管封装铂电阻PT100温度传感器。该传感器主要由热电偶或热电阻构成,通过变送器将采集到的温度转换为电流信号传送到PLC,传感器最高精度可以达±0.15℃,对应可传感温度-70～250℃,可用于较恶劣的环境,满足系统的设计要求。

研究表明:棉花燃烧无论是明火还阴燃状态,所产生的主要气体均为CO[15],所以在系统设计中烟雾传感器选用对CO敏感的MQ-7B一氧化碳气体传感器。该传感器对一氧化碳的灵敏度高,电导率的变化由极简单的电路实现,通过电导率的变化可将检测到的气体浓度转换为与之相对应的输出信号。

3)触摸屏。采用的触摸屏是显控科技的AK-070AE。AK-070AE触摸屏具有较高分辨率、操作简便等优点,在通讯方面支持一串口多协议通讯,可与多元化的控制设备进行通讯;同时,通过HTTP协议可将HMI数据上传到Web服务器,也可以通过Web服务器获取数据在HMI显示。

2.3 PLC控制程序设计

PLC 程序在GX Works2 平台操作,使用梯形图进行开发。根据系统功能,其功能为状态检测与继电器控制,对应的 PLC 程序如图3所示。

图 3 喷淋系统流程

棉箱内棉花燃烧有3种状态:一是阴燃状态;二是环境温度达到棉箱内籽棉及杂质燃点的状态;三是籽棉出现明火燃烧状态。这3种状态在棉箱内既有可能顺序发生,也有可能单独出现。针对这3种不同的状态将对系统运行产生的影响,系统对检测装置及PLC控制程序进行了相应的设计,可及时有效地检测棉箱内各种情况的发生。

采棉机工作情况较为复杂,可能会出现传感器误报的情况。如果PLC接收到传感器输入的高于临界值的信号,系统就立即响应,会对采棉机的正常工作有相当大的影响。鉴于此,在PLC控制程序中对传感器信号接收设定延时响应,当信号持续超出设定时间(本系统设定延时时间为10s)时,系统才做出响应,可有效防止误报情况的发生,保证采棉机的正常工作。

图4 部分PLC控制程序

2.4 触摸屏软件设计

触摸屏的软件设计主要是为直观地显示系统的状态及更好地实现与PLC进行通讯,设计内容主要有输入输出组态、功能键组态及文本显示[16]。因此,应根据实际要求设计对应的界面、参数、PLC当前值及报警信号向触摸屏的输出[17]。

根据喷淋系统工作要求,触摸屏显示分为3个部分,即控制界面、参数显示界面及功能介绍界面。其中,控制界面(见图5)用于控制系统的启停、复位及显示报警信号,通过控制界面的温度变化与气体浓度按钮可以进入对应的参数显示界面(见图6),从而观察到棉箱内实时的数据变化。

图5 控制界面

图6 参数显示界面

3 试验验证

3.1 试验平台搭建及材料选取

试验台(见图7)主要用来模拟棉箱喷淋系统在棉箱中将要发生火情及发生火情后所做出响应的情况,主要由喷淋装置、传感器及PLC控制器部分组成,试验材料为新疆生产建设兵团132团采收的籽棉。

图7 试验平台

3.2 试验目的

试验研究在棉箱内棉花阴燃、温度达到籽棉燃点及出现明火燃烧3种状态下,喷淋系统能否及时做出响应,即喷淋系统的准确率。

3.3 试验方法

根据棉箱内棉花的3种状态,试验分为3组进行,分别为籽棉阴燃状态(A组)、温度即将达到燃点状态(B组)、籽棉明火燃烧状态(C组)。每组试验50次,共计150次。为减少试验误差,每次试验前均对棉花进行称量,保证每组试验棉花质量均匀。每次试验后,用风扇或鼓风机清理棉箱内残留的CO等气体,防止其对实验产生影响。

具体方式:A组将籽棉放入试验棉箱,点燃1个小火星包入籽棉中,模拟籽棉阴燃的产生,观察触摸屏气体浓度变化及棉箱喷淋控制系统是否及时响应;B组主要模拟采棉机发动机温度对棉箱的影响,对试验棉箱发动机部位进行加热,模拟发动机温度,观察触摸屏温度变化及棉箱喷淋控制系统是否及时响应;C组在试验棉箱中置入火源,引燃籽棉,观察棉箱喷淋控制系统是否及时响应。