基于PLC 的黑木耳全自动菌棒打孔机控制系统的设计

2021-07-02陈棒棒

新疆农机化 2021年3期

张明，陈棒棒

（1.阿克苏地区农业技术推广中心，新疆阿克苏843000；2.新疆理工学院）

黑木耳（Auricularia auricula）属真菌类担子菌纲，又名木耳或木菌，是一种珍贵的食药兼用真菌[1-2]，含有丰富的蛋白质、矿物质、人体必需氨基酸等营养物质，具有抗衰老、抗肿瘤、抗辐射、降血脂、降血糖等功效，被誉为“菌中之冠”、“素中之荤”[3-4]。黑木耳因其丰富的营养价值备受欢迎，黑木耳产业也得到了迅速发展。目前，黑木耳后期加工已实现机械化，但前期黑木耳菌棒生产还主要以人工为主、半机械化为辅，劳动量较大、效率较低。基于上述问题，课题组设计了一种全自动黑木耳菌棒打孔机，有效解决了菌棒打孔效率低、劳动强度大的问题，为实现全自动黑木耳产业链生产奠定基础。

1 结构设计与工作原理

1.1 结构设计

如图1，该黑木耳菌棒打孔机主要包括打孔针、打孔筒、气缸、接近开关、步进电机、推送板、电容式感应器、控制箱等。

1.2 工作原理

菌棒打孔机运行时，步进电机2 接收信号工作，带动菌棒传送带2 将菌棒逐个输送至推送槽，菌棒进入推送槽之后电容式感应器接收信号，切断步进电机2 的运转，导通推送气缸工作。当推送板至接近开关2 时，推送气缸达到极限位开始回程，同时1 s 后打孔气缸打孔，打孔针中部运动到接近开关1 后开始回程，当推送板回到接近开关3 位置后停止，同时步进电机2 接收接近开关3 的信号，传送下一个菌棒，菌棒打孔机进入下一个工作周期，推送板将菌棒推送至打孔筒，同时将上一个菌棒推送至传送带1，以此往复工作实现全自动打孔。

2 控制系统设计

2.1 控制需求分析

该黑木耳全自动菌棒打孔机工作时需实现快速、精准、全自动的要求，控制需求如下：机器运行之后，菌棒传送带1 持续运转来传送已打孔的菌棒；传送带2 需周期性转动，每次转动运送一个未打孔菌棒；推送气缸周期性工作，主要配合传送带2和打孔气缸，推送气缸推程时传送带2停止工作，推送气缸回程时，打孔气缸运行打孔。在此控制系统中，由接近开关与电容式感应器判断执行机构是否到达指定位置，具体工作流程如图2。

2.2 控制方案设计

该黑木耳全自动菌棒打孔机控制系统主要由上位机人机交互系统、传感器模块、运动控制模块、驱动模块、执行模块组成。其中，上位机人机交互系统实现人工操作和系统运行状态的实时监控[5-6]；传感器模块主要包括接近开关和电容式感应器，主要采集执行模块的位置信息；运动控制模块采用西门子PLC作为核心控制器，通过指令实现对执行机构的控制；驱动模块主要是步进电机驱动器和电磁阀，来控制步进电机和气缸的运动[7-8]；执行模块包括步进电机、气缸、机械机构等，实现菌棒的传输与打孔。不同模块之间相互协调，共同完成黑木耳菌棒的传输、推送、打孔等工序，控制方案如图3。

2.3 控制硬件设计

（1）PLC。PLC是整个控制系统的核心，在系统中采集、分析和处理传感器信号。根据系统结构设计要求，结合PLC功能特性，本系统选取输入输出接口为24/16 的西门子S7-200 的 PLC，CPU 型号为 226，I/O 分配如表 1，PLC 外部接线图如图4[9-10]。

图3 控制方案

图4 PLC 外部接线图

（2）步进电机。整个控制系统的输送是由步进电机来完成的，在传动带上，全部排满黑木耳菌棒约15个，每个菌棒质量平均为1.25 kg，传动带旋转直径0.2 m，传动效率98%（同步带），传动比假定为1，则有[10]：

T=D/2×m×1/η×1/i=1.913 N·m

式中D—传动带旋转直径（m）；m—传动带上质量（kg）；η—机械传动效率；i—传动比。

根据工作扭矩大小，选取两台57HS22 步进电机，静转矩2.3Nom，步距角1.8，额定电流3A。选取57 步进电机驱动器DM542，连续输出电流为4.2 A。

（3）传感器。本系统传感器模块主要包括接近开关与电容式感应器，接近开关选取LJ12A3-4-Z/BX 三线NPN型金属接近开关，检测距离4 mm；电容式感应器选取洛施达M18电容式非金属接近开关，检测距离为1～5mm，可适用于高温、潮湿等恶劣环境，满足该系统控制设计要求。

3 试验验证

程序验证使用TT-PLC-4 型箱式PLC 实验装置，PLC控制器为西门子S7-200，CPU226CN，进行PLC 与PC 端的通信，将程序下载至PLC 控制器中，在运行模式下，按下开机按钮（I0.0 输入端）,根据菌棒打孔机工作原理，模拟输入信号，观察输出指示灯的变化（工作状态），验证PLC梯形图程序的正确性，如图5。

图5 PLC 模拟验证

在图5 中，按下启动按钮，工作指示灯常亮，2 个步进电机开始运行，同时模拟菌棒到达指定位置，触发非金属接近开关，步进电机2 停止运转，1 秒后指示灯1（推送气缸）亮，到达推送位置之后，指示灯1 灭，1 秒后指示灯2（打孔气缸）亮，达到指定位置后，触发接近开关，指示灯2灭，步进电机2开始工作，继续下一次操作。试验过程中，程序可以按照设定的工作原理进行工作。