基于PLC控制的气动扦样管压拔装置设计

范灼航，杨敬君，刘跃华，罗 斌，陈俊宏，李康润

(广东省储备粮管理总公司东莞直属库，广东 东莞 523000)

粮食仓储行业肩负着保障国家粮食安全，履行实施国家粮食安全战略的神圣职责，安全储粮是粮食保管企业贯彻落实国家粮食安全战略、守住管好“天下粮仓”的重要任务。粮食检化验工作则是落实上述任务的重要一环，一批粮食检化验数据的准确与否取决于粮食样品是否真实且具有代表性，因此，在粮仓中扦取一个具有代表性的样品是粮食检验过程中比较重要的环节[1-5]。

近年来，浅圆仓、大直径筒仓等具有单位仓容造价低、结构受力合理、机械化程度高、单仓容量大、占地面积小、密闭性能好等优点，成为我国近几年大力发展的主力新仓型；该仓型设计仓容多为1～2万t，装粮高度从20～40 m不等[6-9]。

传统扦样作业时，扦样管的下压与抽拔都是靠人力完成，且每一截钢管的续接都需要重新拆装助压器，过程繁琐，整个取样过程中存在工作人员劳动强度大、取样效率低等问题，且在扦取12 m以下的粮食样品时，需多人联合作业才可艰难推进，20 m以下粮食样品扦取靠人力难以获取[10-11]。为切实解决粮食在大型粮食库仓仓储过程中粮食样品扦取效率低、机械化程度不高、作业人员劳动强度大等问题，广东省储备粮东莞直属库成立攻关研发工作小组，成功研发了一款气动压拔扦样管装置，但第一代产品控制多以人工手动操作为主，操作过程繁琐，自动化程度不高。

为此，通过基于PLC为主控制器，以第一代气动扦样管压拔装置(气动扦样器)为基础，优化设计了一套多模式一键控制扦样装置作业的电气控制系统，有效降低了作业人员强度，提高了扦样效率和产品自动化水平。

1 半自动气动扦样器的工作原理

1.1 气动扦样器的机械机构及工作原理

气动扦样器机械部分主要由支架机构、设于支架系统中构成垂直升降运动的压拔机构和用于夹紧松弛扦样管的夹紧机构(夹手)组成。气动扦样器的机械结构示意图如图1所示。

图1 气动扦样器机械结构图

该气动扦样器是采用气动手动阀来控制扦样器各执行机构的动作，其中手动阀A用于控制扦样器压拔机构上下运行并带动夹紧机构(夹手)上升或下降，手动阀B用于控制夹手夹紧或松开扦样管，通过上述两大机构的组合动作得以实现扦样管的插入或拔出，以实现获取不同深度的粮食样品。

1.2 半自动气动扦样器的工作原理

上述气动扦样器虽然实现了机械替代人工作业，大大降低了作业人员的劳动强度，但其控制过程仍相对繁琐，扦样作业人员容易出现误操作。因此，为优化产品性能，提高扦样效率，在原有气动扦样器的基础上嵌入了PLC电气控制系统，整个工作流程由PLC控制，实现了半自动气动扦样，达到了一键插管或一键拔管的控制效果，减少扦样作业人员操作的频次。半自动气动扦样器的工作流程如图2所示。

图2 半自动气动扦样器工作流程

在操作方式上，为满足不同作业场景的功能需要，设计了手动、自动插管和自动拔管三种控制模式，实现了分别手动单独控制和(或)自动控制压拔机构、夹紧机构的动作。

系统上电后，通过旋钮选择工作模式：①手动模式：在手动模式下可通过对应按钮控制夹手的上升、下降、夹紧或松开；②自插模式：在自插模式下，按“一键启动”按钮，扦样管的夹头会自动定位扦样管的最高位置，进行“定位→夹紧→插入→松开→定位”的循环动作，至最后一次检测开关无法检测到扦样管后停止循环；③自拔模式:进入自拔模式时，夹手下降至下限位，夹手夹紧，“自拔程序”初始状态完成，按“一键启动”按钮，扦样器夹手上升做“拔管”动作至上限位后，夹手松开，复位至下限位并夹紧夹手，完成一次循环。

2 PLC控制系统搭建

2.1 系统硬件设计

PLC是半自动气动扦样器电气控制系统的核心，扦样器的动作通过气缸电磁阀直接和PLC的输出端相连，控制传输信号采用按钮、位置开关等直接和PLC输入端相连，控制性能稳定可靠[12]。根据对机器需求的分析，该控制系统总共需要13个输入点和3个输出点。考虑到系统的稳定性和可扩展性，且整套系统的电气控制部分应尽可能轻便小巧，故选用了FX-2N-24MR PLC控制器，其不仅支持FX-2N系列PLC的大部分功能指令，且适用GX Developer与GX Works2软件编程、读取、下载、检验、诊断、监控程序[13]。控制系统的PLC控制器输入输出端口的分配如表1所示。

表1 PLC控制器输入输出端口分配表

2.2 系统软件设计

系统的软件主要分为4大部分，其中包括：基础程序、手动程序、插管程序、拔管程序、基础程序为PLC输出线圈直接驱动电磁阀的底层程序，是为服务其他3个程序而设计的；手动程序可通过按钮实现夹手的夹紧或松开动作和夹手的上升或下降动作。

2.2.1自动插管程序设计

自动插入扦样管程序设计思路如图3所示。机器在自动插管模式时，分为两种情况。

图3 自动插管模式程序设计思路

第一种情况是：按下按钮⑤(一键启动)，夹手的检测开关能检测到扦样管，夹手上升，若夹手上升至上限位仍能检测到扦样管，夹手做一次“插管”动作后，夹手松开，夹手做上述循环动作直至夹手在上升寻找扦样管最高点时，扦样管最高点低于夹手的上升限位，系统判断这次循环动作为最后一次动作，断开循环,“插管→松开”动作完成后，机器待机，待工作人员拼接好扦样管后，按“一键启动”再次启动循环。

第二种情况是：按下按钮⑤(一键启动)，夹手的检测开关无法检测到扦样管，夹手下降，若下降的过程检测到了扦样管且未到下限位，则执行一次第一种情况的“插管→松开”动作，完成后机器待机，若下降到下限位仍未能检测到扦样管，系统则判断为无效启动，机器待机，待工作人员拼接好扦样管后，需按“一键启动”再次启动。

系统通过上述两种情况能有效完成“自动寻管插管”动作，无论夹手初始位置在哪里，在给予一键启动命令后，夹手都能自动寻找管子最高点，并循环完成“插管”动作，直至当前扦样管已插到机器所能动作的最低点。

2.2.2拔管程序设计

自动拔出扦样管程序设计思路如图4所示。机器切换至自拔模式，夹手松开后，下降至下限位，此时存在两种情况。

图4 自动拔管模式程序设计思路

第一种情况是能够检测到扦样管，夹手夹紧，机器“自拔”初始状态完成，等待启动命令。

第二种情况是未能检测到扦样管，但扦样人员判断此时夹手可以夹住扦样管，可按按钮⑤(一键启动)，夹手夹紧，机器“自拔”初始状态完成，等待启动命令。

机器“自拔”初始状态完成，等待启动命令时，按下按钮⑤(一键启动)，夹手做一次“拔出”动作至上限位后，夹手松开，夹手下降到下限位重复判断上述情况。

系统通过上述流程能有效完成一次“拔管”动作，且设计拔管初始状态为夹手在下限位夹紧，便于扦样人员拆卸扦样管。

3 结束语

本次半自动扦样器控制系统优化改造调试后，在装粮品种为玉米、小麦、大麦，装粮深度为25～35 m的浅圆仓、立筒仓开展了深层扦样试验，半自动气动扦样器操作方便，运行稳定。三种模式均能满足使用要求，与第一代深层扦样设备相比，大量的减少了扦样作业人员的劳动强度和扦样所需的时间，在实际生产中取得了良好的应用效果。