智能控制马铃薯清选装备技术研究报告.docx

5XF-60.0型
智能控制马铃薯清选装备
技 术 研 究 报 告

研制课题组
2017年5月

0 概述
在全世界所有粮食中，马铃薯产量仅次于小麦、水稻和玉米，排名第四[1-3]。同时，中国是世界上马铃薯总产最多的和消费最大的国家。从2006年开始，我国各级各级政府就已经高度重视马铃薯产业的生产与发展了，农业部出台了《农业部关于加快马铃薯产业发展的意见》，为马铃薯产业的发展奠定了基础[4]。2008年，在各地政府纷纷采取了相应的措施加快了马铃薯产业的发展，又进一步将马铃薯纳入优势农产品区域布局规划。2015年1月6日启动了马铃薯主粮化战略，并且已在希森集团企业内部生产出了马铃薯馒头，加快了马铃薯的生产规模，促进了人们对马铃薯的消费情况[5]，2020年农业部计划将马铃薯的种植面积扩大到一亿亩，促使马铃薯机械行业的发展[6-7]。
尽管我国马铃薯的播种面积和产量很多，然而在马铃薯机械程度上相对落后。关于马铃薯农机产品主要分为马铃薯播种机械、中期管理机械和后期收获及其马铃薯仓储设备机械，目前马铃薯从前期播种到收获阶段的机械发展较为成熟，但是仓储设备比较匮乏[8-10]。由于马铃薯收获后需要根据客户的需求来大小分级，以达到客户的最大利润，在我国大部分地区，尤其是在马铃薯种植面积比较大内蒙古地区，仍靠人工来分选，靠人眼目测马铃薯的大小，这样不仅效率低，劳动强度大，而且分选效果也不佳。则对马铃薯清选输送机（见图1）的设计研究有着很重大的意义[11]。

图1 马铃薯清选输送机
Fig.1 Potato cleaning conveyor
农业生产中，马铃薯表皮破损极易使得受损组织发黑变质，影响贮存。一些调查
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者在英国665个农场对马铃薯损伤情况进行调查，发现表皮损伤占23%，内部损伤占13%。Brook估测每1%的表皮损伤就代表着英国马铃薯750万美元的损失，因此减少马铃薯的表皮损伤，可以减少农场的经济损失。然而马铃薯的表皮损伤主要发生在马铃薯后期分选输送过程中，所以对马铃薯清选分选设备进一步的研究与改进是迫不及待的[12-13]。
现在马铃薯清选分选设备从技术上大致划分为三种：高新技术分选、网眼屏幕式分选和辊式分选。高新技术分选是将用户需求的马铃薯尺寸大小输入电脑中，机器工作时马铃薯被输送到光线很少的容器中，利用光电信号转换器把马铃薯大概尺寸转换成数字量，然后将信号发送到控制系统进行处理，最后控制机械手来实现马铃薯大小归类，达到智能分选的功能，但是成本比较高，中小型农场主购买不起。网眼屏幕式分选在国外应用广泛，分选装置主要由橡胶网、金属和塑料构成，分选时分选装置在竖直方向不断搅动，然后马铃薯比网眼小的就会通过网格，实现马铃薯大小分级，但是该方法会造成严重的表皮损伤甚至碰碎，不利于马铃薯的后期储藏。辊式分选是控制分选辊之间的间隙大小来控制马铃薯的尺寸大小，该技术的分选准确率可达到85%～91%，相比高新技术分选的装置成本更低，比网眼屏幕式分选损伤更小。综合考虑选取辊式分选的方法更符合用户的需求，本文主要对马铃薯辊式分选技术进行更深一步的研究[14-17]。
现在我国农机市场上已经有不同种类的马铃薯联合收获机（收获和清选能同时进行），经调查，绝大多数农民不认可马铃薯联合收获机。主要因为：第一，其体积庞大笨重，不适应在黏质、沟多和山坡地面工作；第二，成本高，不适合中小户型使用；第三，清选效果不佳，达不到收购商的要求，还需人工清选；第四：机械损伤较严重，不利于马铃薯后期储存。近年来，国内马铃薯播种和收获已基本实现机械化，而清选分选设备发展缓慢，作业劳动强度大。收获后的马铃薯表面往往粘着一层泥土，还掺杂一些薯秧和杂草等，直接影响后续储存和销售等环节。目前，清除粘着在马铃薯表面的泥土和杂质以及按照不同质量要求对马铃薯进行分选等工作，基本上还是依靠人工来完成。
综上述因素考虑，解决收获后期马铃薯仓储设备清选的繁重任务，并适用于各个户型。因此，对马铃薯清选输送机进行设计研究，与马铃薯收获机配套工作，不仅能减少用户成本，也可以提高工作效率，马铃薯的纯净率相比联合收获机的纯净率也能提高很多，大大减少伤薯率, 最重要的是能够节省大量人工，实现马铃薯收获的完全机械化。
此前，对辊式分选机与人工分选的工作情况做了实地考察，工人日工作量约5吨，工资市场价150元/天，即人工清选费用约30元/吨，在收获季节劳动力更是匮乏，还会出现高薪难雇的情况。辊式马铃薯清选分选机预售价30万元/台，使用寿命按10年计算，折旧费约3万元/年，收获期一般为1个月左右，每天工作10h，则每台马铃薯清选分选机每年工作时间约300h，设计该机的预处理能力为30-60t/h，按照30t/h，则每年的处理量约为9000t，所以计算得清选费用约3.33元/t，该机能耗约为1.85MJ/t，相当于0.51kW.h/t，实际生活中，用电0.55元/kW.h，则所需电费0.28元/t；该设备运行需要3人操作，则所需人工费0.5元/t。综上所述，分析得出人机清选分选效果对比表，如表1所示。
表1 人机清选分选效果对比表
Tab.1 Comparison table of the effect of man-machine cleaning and sorting

人 工
机 器
工作量
5（t/人/天）
300（t/天）
开 销
150（元/人/天）
3.33+0.28+0.5（元/天）
（折旧费+耗电费+人工费）
清选分选费
30（元/t）
4.11（元/t）
由表格可发现机器工作效率是人工的60倍，清选分选费用仅是人工的13.7%，况且只靠人眼目测很难有效的分选出大小一致的马铃薯，因此，研究马铃薯清选分选机具有突出的社会效益和经济效益，有着十分重大的意义。

1 国内外清选设备现状
1.1国内外现状
目前，关于马铃薯农业机械的装备一直被国外的企业所垄断，例如法国DOWNS公司，德国的GRIMME，即格立莫公司，荷兰的Miedema公司，以及美国的一些知名公司等。他们的仓储设备20世纪就已经起步发展了，从小规模发展到大规模、从简单低级的机械转向高级智能化的方向发展，取得了很大的成就。在马铃薯分选设备方面的技术水平是相当的高，已经成熟的将机械、电气控制和液压控制结合在一起了，例如国外的高新技术分选，就是将马铃薯根据市场需求分成大中小三种尺寸，并且预先将这三种尺寸输入到控制系统中，分选时利用光电信号转换器将读取的马铃薯尺寸转换成数字信号输入电脑中，进行处理，最后通过执行元件将马铃薯移动到所属容器内，保证了分选精密准确、低损伤和高效率的工作状态。但是国外产品不适应中国的地形和气候，售后服务跟不上，最重要的一点是造价昂贵，超出农民的支付能力[18-20]。
我国虽然是马铃薯总产量最多的国家，然而我国却还处在以人力为主的半机械化状态，针对马铃薯播种、收获及分选输运的机械结构及优化设计研究甚少，在仓储清选方面的研究几乎为零，马铃薯机械还处于起步发展阶段，有着良好的发展前景。目前，我国专业从事马铃薯机械生产企业虽然逐渐步入发展和成熟期，一些专业人士根据马铃薯加工企业对马铃薯大中小的需要情况认为，马铃薯需经生产线分选出大小种类。然后辊轴式分选设备被研制，其通过马铃薯经过多级分选辊后，筛选出大小统一的马铃薯，然后进入各自的输送线。还有一些专业人士通过运动学有限元分析，来确定分选装置工作参数的配合，但这些研究处在实验室阶段，没有应用在实践中。
国内企业生产的马铃薯仓储设备也能完成马铃薯的装仓的各个环节，但很多地方结构的设计不够完善，参数的设计也不够成熟，清选系统的自动化及智能化的研究更是甚少。国内大型智能化马铃薯清选输送设备的研究几乎是空白，国内设备目前较少采用液压和电器控制，随着国外马铃薯仓储设备技术的不断革新和快速发展，国家对马铃薯产业的大力支持，推动了我国马铃薯仓储设备技术飞速发展，正逐步向机、电、液一体化控制方向迈进，所以对马铃薯清选设备的研究及优化有着重要意义。
1.2 存在问题及研究内容
1.2.1存在问题
当前马铃薯播种到收获已经基本实现了机械化，但是马铃薯清选输送设备发展还比较滞后，基本处于粗放型阶段，目前我国的马铃薯清选输送设备在工作过程中，上料输送系统不能有效的控制马铃薯的上料速度和上料量，调控不方便，自动化、智能化程度低，仍存在物料堆积，过载卡停和耗损严重问题，不仅降低了后期马铃薯的分选正确效率和清土率，而且增大了破皮率，直接造成用户经济损失，严重影响了马铃薯清选输送机的分选效率，制约着马铃薯清选输送设备连续化、自动化的发展[21]，因此马铃薯清选输送机智能上料装置需要进一步的研究和开发。
其次马铃薯清选输送设备主要工作参数设置不合理，如接料斗提升角度与一级分选装置的工作角度配合不合理，一级分选辊转速与二级清选辊转速配合不合理，上料量与分选转速配合不合理等，若工作参数设置不合理容易造成马铃薯的破皮率的提高，分选效果差，分选正确率低，分选效率低以及马铃薯堆积工作不连续等不良后果。
1.2.2研究内容
（1）研究马铃薯清选设备的整机结构设计，及其一级分选装置与二级清选装置的工作原理，两级装置上均采用液压系统来调整分选角度，以及马铃薯分选轴间距，更能精确可靠的完成工作，探讨各个液压系统之间的配合与伤薯率、纯净率之间的关系，建立相应的数学模型。
（2）主输送线采用的调速电机配合三级减速的托辊式柔性带输送结构，带速可调，上料角度也是可调的，二级清选装置清选辊转速也可以手动调节。研究接收料斗提升角度、上料速度和清选辊转速跟清选效率、伤薯率、纯净率之间的关系，确定最佳参数配合，保证最大清选量，最低破皮率，最佳分选准确率，最佳清选效果。
（3）智能化控制上料的研究开发，采用检测堆积厚度的传感器，依据智能化流量监测返回数据控速，最大程度降低马铃薯输运过程的破皮率，上料输运流量控制传感器和载荷自适应系统配合，实现效率、流量和破皮率控制的最优化，避免清选分级机构的物料拥堵。此过程需要依靠大量理论依据和实验进行验证，保证输运效率和马铃薯的破皮率，同时系统应对后续的清选工作具有自适应能力，实现智能化和效率的提升。
本章节主要介绍了研究马铃薯清选输送装备课题的背景及其意义，详细阐述了马铃薯清选输送机在国内外的发展现状，以及马铃薯清选输送机在工作过程中存在的实际问题，并对整机工作效果产生的影响，针对当前机型存在的问题确定了本文所研究的主要内容。

2 整机设计及工作原理
马铃薯是世界上仅次于小麦、水稻、玉米之后的第四大粮食作物，并且伴随着我国马铃薯主粮化战略的实施，与其相关的机械设备也得到了快速发展，从马铃薯播种到收获已经基本实现了机械化，但是目前马铃薯清选输送设备发展还比较滞后，基本处于粗放型阶段。在农业生产中，马铃薯表皮破损极易使得受损组织发黑变质，影响贮存。一些调查者在英国665个农场对马铃薯损伤情况进行调查，发现表皮损伤占23%，内部损伤占13%。Brook估测每1%的表皮损伤就代表着英国马铃薯750万美元的损失，因此减少马铃薯的表皮损伤，可以减少农场的经济损失，然而马铃薯表皮损伤主要发生在马铃薯清选输送过程中。
目前我国的马铃薯清选输送设备在工作过程中，上料输送系统不能有效的控制马铃薯的上料速度和上料量，调控不方便，自动化、智能化程度低，仍存在物料堆积，过载卡停和耗损严重等问题，不仅降低了马铃薯后期的分选正确效率和清土率，而且增大了破皮率，直接造成用户经济损失，严重影响了马铃薯清选输送机的分选效率，制约着马铃薯清选输送设备连续化、自动化的发展。因此，马铃薯清选输送机智能上料装置需要进一步的研究和开发[22]。
2.1整机结构组成

1.接收料斗 2.一级分选装置 3.二级清选装置 4. 输送线5. 主机托架
图2 整机模型
Fig.2 Model of the whole machine
马铃薯清选装备整机模型（见图2）主要分为五大部分[23]：接收料斗、一级分选装置、二级清选装置、主机托架以及杂物和薯块输送线，如图所示。接收料斗与主机托架通过行程为200mm，工作压力为16MPa的主输送线支撑液压缸连接的，该液压缸用于调节接收料斗的工作角度的，一端通过连接叉耳与一级分选装置活动铰接；一级分选装置的末端与二级清选装置的始端共同固定在可前后活动的连接叉板上，该连接叉板前后移动是通过主机托架上的三角架液压缸来控制的；二级清选装置的末端同样也固定在可前后移动的连接叉板上，并且附有一排挡薯套管；一条小薯输送筛、两条薯块输送线以及一条杂物输送线均固定在主机托架上。
2.1.1主机托架装置
主机托架（见图3）主要负责整机的支撑和运输功能，如图所示。当整机行走时，三个支撑架旋转至水平位置，并用销轴固定，便于整机的运输；当整机进行清选工作时，三个支撑架旋转至竖直位置，通过借助内六角扳手调节支撑架的高度，来保证与地面的良好接触。

1.主输送线支撑液压缸 2.轮胎 3.三角架液压缸 4.前端液压缸
5.支撑架 6.后端连接叉板 7. 中间连接叉板 8.滑轨
图3 主机托架
Fig.3 Main engine bracket
整机的液压控制系统全部安装在主机托架的底部，主要包括三种：行程为200mm的主输送线支撑液压缸，形成为225mm的三角架液压缸，形成为300mm的前端液压缸，三种液压缸工作压力均为16MPa。主输送线支撑液压缸用于控制接收料斗的工作角度，三角架液压缸用于控制一级分选装置分选辊轴间距的大小，前端液压缸用于控制二级清选装置清选辊轴间距的大小。
一级分选装置末端固定在主机托架的中间连接板上，中间连接板在三角架液压缸的控制下，可在滑轨上进行平稳滑动，从而带动一级分选装置的伸缩活动；二级清选装置始端固定在中间连接叉板，末端则与后端连接叉板相连，后端连接叉板同样可在滑轨上进行平稳滑动。
2.1.2一级分选装置
一级分选装置（如图4所示）包含六条分选弹簧，每两条相邻分选弹簧的旋向是相反的，避免了马铃薯在输送过程中被推向一端，保证了分选工作的连续性，采用的圆柱弹簧外形比较圆滑，有利于减轻对马铃薯的损伤；每条弹簧中间都有一根分选中心管，每根分选中心管上都有6个略粗支撑套，且每相邻分选中心管上的支撑套是相间分布的，使得分选弹簧各个支撑点均匀分布，增强了一级分选装置的承受强度。
伸缩架主要由双连片体、传动链和单连片体构成，中间交叉铰接4对双连片体，两端分别有一对单连片体铰接相连，使得伸缩架整体结构类似5个菱形组成，伸缩架在调节分选辊轴间距时，避免了传动链的张紧调节。
主动托耳连接在主机托架上的，可随主机托架前后移动，主动伸缩架护罩左右两端对称安装，防止灰尘、杂物进入；减速电机采用法兰连接安装在一级分选装置的一侧，为六条分选棍提供动力。

1.减速电机 2.主动伸缩架护罩 3.左旋分选弹簧 4.右旋分选弹簧 5.双连片体
6.传动链 7.单连片体 8.支撑套 9.分选中心管 10.主动托耳
图4 一级分选装置
Fig.4 First stage sorting device
2.1.3二级清选装置
二级清选装置（如图5所示）跟一级分选装置结构总体大致是相似的，其主要区别为二级清选装置六条清选辊采用的橡胶材料的清选棘轮爪，能够减轻对马铃薯的损伤，每条清选辊上分布着28个清选棘轮爪，转动时是随着清选辊一体转动的，并且中间由棘轮隔套来隔开的；每相邻两条清选辊上的清选棘轮爪是交错相间布置的，保证了与马铃薯的充分接触，将马铃薯清理的更加干净；此外，减速电机能够调节清选速度的快慢，根据分选作业不同情况，可调至最佳清选转速。

1.减速电机 2.双连片体 3.清选棘轮爪 4.棘轮隔套 5.从动伸缩架护罩
6.主动托耳 7.挡薯套管 8.传动链 9.单连片体
图5 二级清选装置
Fig.5 The second stage cleaning device
2.1.4主输送线装置

1.薯料输送布 2.挡薯料侧板 3.挡薯料底板 4.牵引杆 5.牵引架支撑座 6.链条张紧装置
7.挡薯料侧板加强筋 8.链条张紧观测板 9.链条侧护板 10.控制柜固定架 11.油泵站固定架
12.驱动电机 13.侧护板连接架 14.从动辊 15.链条总成 16.底托横梁 17.主动四爪辊
图6 主输送线装置
Fig.6 Main transmission line device
主输送线上料装置如图6所示，包括挡薯料侧板、挡薯料侧板加强筋、薯料输送布、驱动电机、控制柜固定架、油泵站固定架、链条侧护板、链条张紧观测板、链条张紧装置、牵引架支撑座、牵引杆、挡薯料底板、从动辊、侧护板连接架、链条总成、底托横梁、主动四爪辊和控制系统等，它主要负责薯块的运输及其提升到所需高度。
挡薯料侧板焊有四个挡薯料侧板加强筋，左右对称安装，可承受较大侧向载荷；薯料输送布连接在链条总成上，并与主动四爪辊和从动辊构成上料装置；链条侧护板位于上料装置两侧，对称制作，由侧护板连接架连接；主动四爪辊连接驱动电机（驱动电机采用调速变频电机）；控制柜固定架、油泵站固定架连接在链条侧护板一侧；链条张紧装置与从动辊连接，从链条张紧观测板处观察链条总成张紧程度；液压缸安装在底托横梁的下方，用于调节上料角度与上料高度；挡薯料底板、牵引架支撑座、牵引杆依次位于上料装置底部。
2.2 液压系统的工作调整

1.主输送支撑液压缸 2.三角架液压缸
图7 液压调整装置示意图
Fig.7 Schematic diagram of hydraulic adjusting device
马铃薯的清选效率与破皮率主要受一级清选装置工作角度的影响，且其工作角度主要由主输送支撑液压缸与三脚架液压缸共同配合调整，调整角度示意图如图7所示。其中主输送支撑液压缸工作行程为200mm，工作压力16MPa，三脚架行程240mm，工作压力16MPa。如图7所示，可根据三角函数公式得出接料斗的控制角度：
θ=arctan(1325/2940)~ arctan[(1325+200)/2940]
即接料斗的控制角度范围为24°～27°。主输送支撑液压缸的调节直接影响到一级清选装置的工作角度的调整，并且与三角架液压缸配合可使一级清选装置的工作角度的调整范围为0°～13°。
2.3清选工作原理
在其工作过程中，马铃薯通过装卸车倒入主输送线装置中，主输送线装置由液压系统控制其输送角度，在主输送线装置上的变频电机可以根据输送马铃薯的载荷量而调整其输送速度，从而有效的提高了马铃薯的输送效率。马铃薯由主输送线装置输送到一级清选装置，小薯块与碎土杂质通过分选轴间隙落到下面的输送带上，被输送到下一级输送带，分选装置的分选轴间隙大小由液压系统控制，更精确的保证了马铃薯大小规格的统一。马铃薯从一级分选装置被输送到二级清选装置上，清选装置采用橡胶弹性分离齿刷胶轮，这样既保证马铃薯不被碰伤，又能更好的将马铃薯表面的粘性土壤揉搓干净，最后清理干净的马铃薯被输送到下一级输送线，完成分选清选的全过程。清选部件工作示意图如图8所示。

1.小薯块 2.泥土杂质 3.中等薯块 4.大薯块
图8 清选示意图
Fig.8 Schematic diagram of cleaning
本章介绍了马铃薯清选输送设备当前存在的现状及其发展趋势，然后对整机进行设计并且建立三维模型，阐述了整机的五大组成结构，再分别对主要工作部分进行详细介绍，以及对液压系统的工作配合原理的介绍，最后采用示意图的形式形象表达出清选分选的主要过程，直观的展示出了马铃薯清选输送设备清除杂物与分选大小的两大功能。

3 马铃薯智能控制上料设计
3.1 智能控制系统硬件设计方案

图9 硬件设计结构框图
Fig.9 Block diagram of hardware design
智能控制系统主要负责信号的采集、分析以及处理，并将处理后的信号传递给执行机构，使其进行相应操作。本控制系统主要包括检测模块、数字量模拟量转换模块、负责信号处理的主控制系统PLC[24-26]、用户可根据实际需求进行调节的人机交互模块、接受并执行信号的变频器与变频电机以及电源模块和报警模块等，其硬件设计结构框图如图9所示。各个模块的分工如下：
检测模块：主要负责检测传感器采集清选过程中马铃薯流量变化的信号，主控制系统将信号处理并分析，根据设定好的程序公式运算出所需的模拟量信号，并传递给变频器进而控制电机转速，控制主输送线的上料流量。
数模转换模块：主要将采集的信号进行相应的转换，才可在程序中应用。检测模块采集的信号为模拟量信号，但并非为变频器直接用的模拟量信号，需经A/D转换器转变成数字量，然后传递给主控制系统进行处理，获得相应数字量，最后再通过D/A转换器转变为变频器所需的模拟量信号。
人机交互模块：用户可根据自身需求，在触摸屏上对马铃薯清选输送机工作参数的设定，如每小时的清选工作量，变频电机的变速距离等参数，显示屏还可以实时观察马铃薯的堆积厚度的变化、变频电机的转速。
变频电机驱动上料模块：变频电机为接受料斗提供动力源，根据从变频器接收到的输出信号来执行相应的命令。通过检测传感器采集的马铃薯堆厚度，经过程序处理后得到所需要的电压信号，最后达到变频电机可根据不同马铃薯堆积厚度实现所需转速的效果。
3.2智能控制系统软件设计方案
本控制系统软件采用的软件是V4.0 STEP7 MicroWIN SP9，该软件功能强大、操作简单、能够用于实时监控用户程序的执行操作。其界面主要包括Program Block、Symbol Table、Status Chart、Data Block、Cross Reference及Communication六部分。
控制系统分两个模块控制：智能控制模块和手动控制模块。打开智能控制模块按钮，用户根据需要在显示触摸屏上设置每小时清选工作量，PLC控制器根据输入参数自动运算出检测堆积厚度数字量与频率数字量之间的关系，超声波传感器检测薯块堆积厚度的模拟量电压信号，模拟量电压信号经A/D转换器转化为堆积厚度数字量，堆积厚度数字量输送给PLC控制器，通过前期PLC控制器运算出的检测堆积厚度数字量与频率数字量之间的关系，运算出相对应的频率数字量，频率数字量经D/A转换器转化为模拟量电压信号输送给变频器，变频器调节变频电机获得相应转速v，频繁变速容易造成电机损坏，导致电机寿命降低，则采用定距换速方式工作，将超声波传感器的检测距离作为换速常量值，通过PLC控制器运算出超声波传感器检测断电的时间,即t=L/v。打开手动控制按钮，PLC控制系统停止工作，用户可直接手动调频控制器调节变频器的频率，来控制变频电机获得相应转速。系统软件部分主程序流程如图10所示，系统PLC程序控制主输送线上料量与判断变速距离运算公式为：
vz=QL/(3600·rd·(ld+h0-h’)·(h0-h’))
h’=( h1 +h2 +h3 +h4)/4
td=lj/ vz
nz= vz/(2·p·rz)
fd= nz·pj/60
其中，vz—上料线速度，通道地址设置为VD148，m/s；
QL—单位时间清选量，t/h；
rd—马铃薯堆密度，t/m3；
ld—接受料斗上平端底部宽度，cm；
h0—检测模块安装高度，cm；
h’—采集薯堆均厚度，通道地址设置为VD 124，cm；
h1 、h2 、h3 、h4—分别为点位1、2、3、4，厚度通道地址设置分别为VD24、 VD52 、VD80、VD108；
td—判断变速所需时间，s；
lj—检测模块检测宽度，m；
nz—变频电机输出转速，通道地址设置为VD156，r/s；
fd—变频器频率，Hz；
pj—变频电机级数；
控制系统中的运算公式采用软件V4.0 STEP7 MicroWIN SP9编写出相应的运行程序（详见附录）。

图10 程序流程图
Fig.10 Program flow chart
3.3 智能上料系统硬件设计
智能上料系统硬件主要包括主控制系统PLC、变频器、数模转换器模块、变频电机、检测模块和人机交互界面等。
3.3.1 主控制系统PLC
表2 PLC工作参数
Tab.2 PLC working parameters
型号
S7-200 CPU224 –DC24V
I/O
14DI/10DO
扩展模块数量
7
电源电压/V
DC24
尺寸/mm
120.5´80´62
掉电保持时间/小时
190
数据存储区/字
2560
随着编程控制应用领域的不断扩大，PLC可编程控制器在多种自动化控制领域方向的应用越来越广泛。PLC市场上应用比较广泛的品牌有西门子、三菱、台达和欧姆龙等，综合各种品牌的优缺点、满足清选机实际工况所需功能等因素，采用西门子S7-200系列PLC，型号为S7-200 CPU224-DC24V，其具有结构紧凑小巧容量大，实时特性，相匹配的工程软件STEP-Micro/WIN简便易学，响应快速及功能强大功耗低和系统工作稳定等优点。其工作参数如表2所示，选用该编程控制器主要依据如下：
（1）可编程控制器需要不断的处理和分析超声波传感器检测到的距离模拟量信号，并且在所设定的检测距离内计算出稳定的数字量信号，PLC具有运算速度快系统工作稳定的特点，为变频器提供了稳定的数字量信号，保证了工作的顺利进行。
（2）超声波传感器采集到的信号为电压信号，需要经过A/D转换器与D/A转换器转换成所对应的数字量信号与模拟量信号，PLC具有丰富的扩展模块，可以扩展两种模块及其他特殊功能模块，采用该可编程控制器配置更灵活，适应能力强。
3.3.2 变频器选型
电机变频器（Variable—frequency Drive，VFD）采用上海正控电气有限公司，变频器基本参数见表3，其主要结构包括直流变交流、滤波、交流变直流、制动单元、驱动单元、检测单元和微处理单元等。其工作原理是靠改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的[27]。结合分选输送装备是在大功率且长期连续运行的环境下工作，加之产品本身具有节电功能，选用该设备针对本产品工作的环境特点能够减少大量的无功损耗，提高设备使用效率，电动机在实际工作时，工作电流会高出额定电流很多倍，不仅缩短了电动机的使用寿命，而且电量没有得到充分利用，造成了能源的浪费，则需通过变频器改变电机电压频率来获得实际所用的转速，对电动机起着过载保护的重要作用。此外应用变频器还有着控制精度高，响应速度快容易控制等优点。
表3 变频器基本参数
Tab.3 Basic parameters of frequency converter
型号
ZK1000G-1.5KWG-3
输出频率/Hz
0-600
可编程模拟量输入/输出
4-20mA/0-10V
适合电机
1.5KW及以下
输入电压/V
AC380V15%
输出相数
3PH三相
外观尺寸/mm
125´185´155
由于变频器工作过程中容易产生热量，故在其内部装有冷却设备加快冷却速度，同时，为达到良好的散热效果，将变频器侧壁悬挂式安装在控制箱内部，并且与周围的器件设备留有充分的散热距离，在控制箱内的位置安装示意图如图11所示。

图11 变频器安装位置
Fig.11 Transducer installation position

图12 变频器控制回路端子
Fig.12 Inverter control circuit terminal
变频器控制回路端子实物图如图12所示，包括六部分：
1）多功能数字输入端子：用于输入0到24V电平信号，仅低电平有效。X1-X4与公共端COM短接时有效，通过设置参数F5.00-F5.04对其功能的设定；X5与公共端COM短接时即可作为普通多功能端子使用，还能用于编程作为高速脉冲输入端口；X6、X7用于可选择的扩展输入端子。
2）数字信号输入端子：Y1、Y2多功能可编程集电极开路输出2路，可编程定义为多种功能的开关量输出端子。
3）模拟输入输出端子：AI1、AI2可输入0-10V电压，0-20mA电流。AI1端默认输入电压，若需输入电流则把跳线帽JP2短接中间与Cin端即可；AI2端仅支持电压的输入。AO1、AO2可输出0-10V直流电压，其输出电压来自中央处理器的PWM波形，出厂默认输出电压，若需输出电流，只需跳线帽短接中间与Cout端。
4）继电器输出端子：TA-TB设置为常闭，TA-TC设置为常开，触电容量为250VAC/2A（COSF=1）；250VAC/1A（COSF=0.4），30VDC/1A。
5）电源接口：+24V为数字信号输入端子的电路共同电源，输出最大电流200mA；+10V为模拟输入输出端子的电路共同电源，输出最大电流20mA。COM内部与GND隔离。
6）通讯接口：485+与485-端与GND不隔离，使用双绞线或屏蔽线。
变频器配线部分由主回路及控制回路组成，标准配线图如图13所示，用户可将输入输出端子盖掀开，便可看到主回路端子和控制回路端子。

图13 标准配线图
Fig.13 Standard wiring diagram
变频器命令控制命令包括：RUN（启动）、STOP/RST（停机）、（正转）、（反转）、寸动、故障复位等，变频器操作面板示意图如图14所示。

图14 变频器操作面板示意图
Fig.14 Schematic diagram of inverter operation panel
3.3.3 数模转换器的选择
数模转换器在控制系统中起着至关重要的作用，需要将传感器采集到的电压信号通过D/A数模转换器转换成数字量型号，然后将数字量信号传递于PLC控制中心进行处理运算，所得的处理后的数字量结果还要经过D/A数模转换器转换成模拟量信号,所以选择模拟量扩展模块是非常有必要的。
本控制系统选用的扩展模块型号为EM235-0KD22-0XA8，其电路图如图15所示，采用的是4输入/1输出，EM235扩展模块实际上是A/D与D/A转换模块，将超声波传感器采集到的电压信号分别以模拟量AIW0、AIW2、AIW4和AIW6进入A/D转换器转换成与之成比例的数字量[28-30]，PLC将转换后的数字量处理后再经过扩展模块中的D/A转换器转换成相对应的模拟量信号AQW0，即变频器所需的电压信号4-20mA，通过改变变频器的频率来控制变频电机转速。

图15 EM235结构电路图
Fig. 15 EM235 structure circuit diagram
此外EM235电压/电流范围可以通过上面的拨码SW0~6来设置的，拨码设置如表4所示。一个模块只能设置一种测量范围，本模块设置的范围是0~20mA，其对应的EM235扩展模块中的数字量范围是0~32000。
表4 拨码设置
Tab.4 Dial setting
单极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
ON
OFF
OFF
ON
OFF
ON
0~50mV
12.5mV
OFF
ON
OFF
ON
OFF
ON
0~100mV
25mV
ON
OFF
OFF
OFF
ON
ON
0~500mV
125mA
OFF
ON
OFF
OFF
ON
ON
0~1V
250mV
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
0~5V
1.25mV
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
0~20mA
5mA
OFF
ON
OFF
OFF
OFF
ON
0~10V
2.5mV
3.3.4检测模块的选择
检测模块的作用是测得马铃薯的堆积厚度，将信号传递给数模转换器进行处理，检测模块的实际工作就是检测传感器安装位置与流动马铃薯之间的距离，常用的测距传感器主要有超声波测距传感器、激光测距传感器、红外线测距传感器和24GHZ雷达测距传感器[31-35]。激光测距传感器测量精度极高，量程也非常大，但是测距时需要安装反射器，不便于将反射器安装在主输送控制线上，同时对安装要求也比较严格，适合远距离测量，本系统的测量范围属小距离，则不适合该场合，且造价成本也高；红外线测距传感器外形设计紧凑，方便安装，成本低，测量范围也很广，但是其精度低、测距方向性差，而且该测距传感器对近似黑色的物体无法检测距离，受检测物体的物理性质影响较大；24GHZ雷达测距传感器具有体积小，集成化程度高，感应灵敏等特点，但其采用平面微带天线技术，造价贵。
综合实际工况的需求，及其各个测距传感器之间的优缺点对比，检测模块选择超声波测距传感器，型号为HC-SR04-P，该测距传感器具有安装方便，成本低，适合近距离范围测量，且不受物体物理性质的影响，能够长时间在恶劣的环境下进行测量工作，技术参数如表5所示。
表5 传感器技术参数
Tab.5 Sensor technology parameters
型号
HC-SR04-P超声波传感器
工作电压
DC 5V
工作电流
2.2mA
工作温度
-20°C~70°C
输出方式
GPI0
感应角度
<15°
检测距离
2~450cm
检测精度
0.1cm+1%
分辨率
高于1mm（可达0.5mm）
HC-SR04-P型超声波测距传感器实物如图16所示，图中1触点Vcc为接电源端，2触点Trig为控制端（波发生器），3触点Echo为接受端（波接收器），4触点Gnd为接地端。其工作原理采用的是IO触发测距，波发生器自动发出8个40khz的方波，当信号返回时，IO则输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发出至接受所用的时间。

图16 超声波传感器实物图
Fig.3-8 Ultrasonic sensor physical map
测距时序图如图17所示，其测距公式为：
测试距离=（高电平时间´声速（340m/s））/2

图17 测距时序图
Fig.17 Ranging sequence diagram
3.3.5 人机交互模块
采用的人机交互模块其界面主要包括马铃薯清选机监测界面和马铃薯清选机设置界面两部分，通过这两个界面窗口用户能够实时监测清选工作的状态，还可根据不同工作环境设置清选工作量与变速距离，保证了工作效率，实现了机器的充分利用。
1） 工程初始化设置
触摸屏选用的是北京昆仑通态MCGS软件，该硬件设备有着结构简单，稳定可靠，超大容量，永久存储，超速网络，高效通讯，高清画面等优点。首先在运行软件MCGS7.7中进行工程初始化设置，类型选择TPC7062TX[36-37]，分辨率为800´480，操作如图18所示。在MCGS嵌入版组态软件中用户窗口中新建马铃薯清选机监测窗口，在设备窗口中采用设备西门子_S7200PPI对通用串口父设备进行参数设置，新建组态窗口操作如图19所示。

图18 创建工程
Fig.18 Create project

图19 新建组态窗口
Fig.19 New configuration window
2） 检测界面的设置
根据清选工作需求，需对四个点位厚度及平均厚度、电机转速、上料速度、实时清选量进行实时监测，马铃薯清选机监测界面如图20所示。

图20 马铃薯清选机监测界面
Fig.20 Potato cleaning machine monitoring interface
l 点位1厚度标签设置
选取点位1厚度进行标签动画组态属性设置，属性设置中输入输出连接选中显示输出（见图