PLC在农产品加工机械自动化控制中的应用探究.pdf

2023 年 10 月下65Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺PLC 在农产品加工机械自动化控制中的应用探究*冯燕萍，刘鸿茂，樊琦（抚州职业技术学院，江西 抚州 344000）摘要：课题组介绍了PLC技术，包括PLC构成、工作原理，探究了PLC在农产品加工机械自动化控制中的应用，并根据PLC自动化控制的设计思路，结合具体机械（瓜子炒制机）开展了设计实践。结果表明，PLC抗干扰能力较强，开发所需周期较短，有着较好的集成度，在农产品加工机械的单机及成套装置上的应用优势突出。关键词：PLC；农产品加工机械；自动化控制中图分类号：S126 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.20.0171 PLC的构成及各部分功能1.1 中央处理单元（CPU）该模块是 PLC 的重要成分，是控制中心。根据所具有的功能，实现如下任务：采集且保存使用者程序及信息；检查I/O、电源等的状态，且能诊断语法错误1；在运行后，以扫描的形式接收输入设备的状态与信息；读取使用者程序，根据指令执行逻辑执行操作命令；结合执行结果，调整状态输出，达到输出控制、信息通信的目的2。1.2 存储器1）系统程序存储器。它与PLC功能有关，对于程序来讲，不能通过使用者更改，所用的储存器是ROM或EPROM。2）用户程序存储器。使用者结合功能需求而设置的运用程序，用户程序保存于该储存器中。因要常常改动、调试，所用的储存器一般是RAM。因其掉电会丢失信息，所以配置后备电源来进行保护，避免在掉电的情况下，影响程序正常运行。调试结束，为保持原状，写入EPROM3。3）运行数据存储器。对于运行数据来讲，它是常常更改、存取的信息，其保存于RAM中，以满足存取需要。在存储区，寄存器用于保存继电器的开关状态信息。数据表用于保存数据，保存可变参数值，如计数器的设定值。1.3 I/O单元PLC利用此模块和生产现场关联，输入单元接收指令及状态数据，并且控制信号，利用滤波等转换成能处理的信号。针对弱电控制信号，输出单元利用隔离等方法，来调整成强电信号，进而驱动执行元件。2 PLC的工作原理控制任务的完成离不开硬件支撑，利用用户程序来完成控制任务，这与计算机运行原理类似。PLC的工作原理，是构建于计算机运行原理的。然而，因早期的PLC是基于继电器系统得以发展的，旨在完成开关量顺序控制，所以PLC并非像计算机那样运行，而是巡回扫描的运行机制。PLC巡回扫描，就是对程序巡回实施的方式4。实现控制的过程通常为：输入刷新 启动使用者程序 输出刷新 重新输入 再启动使用者程序 再输出，反复循环开展。并且，系统还将进行公共处理，如通信处理。所以，PLC可当作一种扫描设备，启动后，循环扫描且执行任务。从一点开始，通过扫描又返回该点的过程，也就是一个扫描周期。通电后，先初始化，查看I/O单元衔接状况。基于初始化操作，步入扫描周期。一般包含以下成分：1）确保公共操作。其属于自动检查行为，如果出现异常，除灯亮外，也判断故障性质。对于一般故障，释放报警信号，等待解决；针对较大故障，立刻停止程序。此部分扫描时长一般不变，与计算机种类有关5。2）数据I/O操作，此部分并非所有系统都有，占用时间不固定。其包含两类操作：首先，采样输入信号；其次，送出处理结果。3）用户程序的实施，此部分扫描时间不固定，因程序有长短之分，扫描时间也便出现改变6。3 PLC在农产品加工机械自动化控制中的应用3.1 农机自动化控制方案对比农业机械自动控制一般选择单片机、PLC 等方案。方案的选取，应全面考虑有关因素，包括适用场所、成本及硬软件设计等7。以下是分析对比：1）单片机控制方案。适用于空间不大、嵌入式基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目（181214）作者简介：冯燕萍（1986），女，江西九江人，硕士研究生，讲师，研究方向为电气自动化教学。662023 年 10 月下Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺控制；信息保存及处理水平一般；专门使用的开发工具，第三方软件不多；硬件线路设置与调试；需布置外围接口电路和软件；开发成本较大；开发周期较长；抗干扰能力不强8。2）PLC控制方案。适用于移动式控制；信息保存和处理水平一般；系统比较封闭，编程易学；需进行硬件选型及配套，设计不复杂；带有输入及输出接口，可根据需要添加模块；小批量开发成本小，大批量成本高；开发周期短；抗干扰能力较强。3）工控机控制方案。控制柜固定，有供应场所；信息保存和处理水平较高；开发工具强大，能引用插件；无需硬件设置；针对信号收集及输出，需添加扩展板；开发成本较高；开发周期较短；抗干扰能力一般。可见，PLC有着开发周期较短、开发成本较低等特点，在单机与成套设备上的应用优势突出。3.2 PLC自动化控制的设计思路根据工艺流程、功能实现和彼此关系，针对PLC自动化控制设计，可分成以下步骤：工序流程分析；控制流程确认；控制方案和硬件选取；硬软件设计；控制功能验证。按照设置思路，结合实际机械（瓜子炒制机）开展设置实践。3.2.1工序流程分析流程分别是上料、炒制、加热、卸料、除砂、拌料及出料。3.2.2控制流程确认按照工序流程和功能需求，机械需要分成两个平行流程：一是物料运转流程，二是炒制温控流程。1）物料运转流程。上料阶段，料斗处于下限位，反转开关；放料阶段，处于上限位，正转开关；炒制阶段，进行炒制处理，正转开关；卸料阶段，处于清选筛，反转开关；清选阶段，除砂处理，启停开关；拌料阶段，开展拌料操作，正转开关；出料阶段，对成品进行收集处理，反转开关9。2）温控流程。加温阶段，燃烧器运行，输入、输出量分别是开关、温度；恒温阶段，输入量温度；温度超过上限时降温，过程描述：若燃烧器2开，关闭燃烧器2；若燃烧器1开，则关闭燃烧器1，输出量为燃烧器1、2开关，输入量为温度。3.2.3控制方案和硬件选取结合控制量、生产规模和控制需要来选取方案和硬件：1）控制量：机械控制系统需要9个开关量输出，一个模拟量输入，两个开关量输入，系统核心功能在于流程管控、信息保存，且具有统计量较小的优点。2）生产规模：产品生产批量较小，并未掌握电路板制作设备及技术。3）控制需求：根据单工序运行，管控指令，能借助开关量按键输入，也能借助触摸屏输入。因此，方案选取确认：采取 PLC 方案能达到所有控制要求。硬件选取确认：1）主控模块：18点开关量输入，12点开关量输出。2）触摸屏：通过RS485与PLC通信。3）传感器：PT100，三线制。4）限位开关：选择行程开关。5）电气参数选取及继电器、电源设置：使用220 V市电，对于触摸屏和继电器，二者的电源选择24 V输出电源。3.2.4控制系统软件设计软件设计分成两个模块，一是参数设计模块，二是流程控制模块，流程控制模块又分为温控流程、物料运行流程。第一，参数设计模块。此模块用来定义工序需要的参数，使机械适应炒制流程，且配置电机。参数包括拌料与炒制时间、温度上下限等。第二，流程控制模块。1）温控流程。该流程分成两种模式，一是自动模式，二是人工模式。在自动模式下，按照温度设置，可自动实现燃烧器的开与关；在人工模式下，运行和停止均通过人工完成。基于温控流程中燃烧机运行的情况，为确保物料受热均匀，若其没有处于旋转状态，则需要启动正转。在自动模式下：当温度小于下限时，燃烧机均运行；当温度超过上限时，若燃烧机都是运行的，则先关掉2号燃烧机，在经过规定时间后，若温度还超过上限，那么再关掉1号燃烧机。2）物料运行流程。物料在炒制期间，控制可分成多种模式。单工序的不间断运行，构成一个组合步；全部组合步的不间断运行，构成一个全过程自动模式。若在工作前，其他单步需要先停止，那么就是互斥步。使用者借助触摸屏进行操作，调整步状态位，工作完成时，复位。软件扫描、置位时，工作；复位时，不运行，由此控制机械运转10。以下是各种控制模式：在单步控制模式下，料斗提升条件上限为开，互斥步，料斗卸料后逐渐下降；在达到规定时间时，操作结束，互斥步，料斗上升后逐渐下降，炒筒反转；2023 年 10 月下67Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺在处于下限位时，料斗不下降，互斥步，料斗上升后卸料；炒筒正向转动，互斥步，反转；炒筒反向转动，互斥步，正向转动后卸料；清选，互斥步，拌料正向转动后反向转动；拌料正向转动，互斥步，反转；拌料反向转动，互斥步，正转。在组合步控制模式下，单步依次完成时，自动上料停止，互斥步，下料后炒筒反向转动及炒制；达到规定时间，炒制停止，互斥步，智能上下料后炒筒反向转动；在达到反转、清选规定时长的情况下，下料停止，互斥步，自动上料后拌料，正转；在单步依次完成的情况下，拌料停止，互斥步，下料后炒筒反转及清选。值得一提的是，全部组合步构成全程模式，手动停止为每一步的停止条件，全程模式与所有步互斥。第三，控制系统软件设置中需注意的问题。对电机开展正反转控制的继电器，硬件设置方面要具备互锁功能，即便在短路的情况下，也能从硬件上保证系统安全。为避免硬件损坏造成功能失效，在软件设置中增加了互锁功能，实现双重保险。为保护电机，避免出现过载，在正反转切换时，要达到延时长；正转开启前，需要先等反转停止。3.2.5控制功能验证系统软件设计结束后，根据硬件电路，由状态位指示，检验控制逻辑。现场布置了继电器等硬件设备，在组成控制柜之后，结合物料、电机等特征，设计相应参数，开展控制功能验证。4 PLC的未来发展方向分析1）在网络时代背景下，农产品加工机械需要联网，因此对信息安全性提出了新要求。在农业信息化发展中，还应强化PLC网络通信功能的运用，借助无线、接口技术等，因此要求PLC朝着安全化趋势发展。由于在互联状态下，网络环境较为复杂，风险系数将提升，难以确保信息安全，会给农产品加工生产控制带来隐患。如今PLC控制系统即便集成了安保功能，但在一些方面还有待改进。在农产品加工机械耐用性研究等方面，PLC抗干扰性能较好，但各类产品有着各自工艺的不足，在农产品加工机械升级、维修等方面会面临一定问题。加强PLC应用分析，使设备能满足硬件要求，防止由于设备问题造成数据传送失误，确保系统正常运行。在智能化发展中，PLC在农产品加工机械中的运用还应做到准确控制，以便使信息能正常传递。2）农业会向着高端智能化的趋势发展，互联网思维的应用，能促进农业智能化水平的提升，对PLC运用也会提出新要求。利用技术研究成果，PLC将得到更新，为农产品加工生产控制的自动化发展提供支持。通过集成各类技术，PLC能处理庞大信息，并返回至终端系统，为数据驱动生产模式的形成提供支撑。在PLC自动化发展中，将从产品及物联上实现集成。PLC集多项功能于一体，应持续进行接口拓展研究，以便在时代进步下，根据设计需要实现技术更新，使技术运用符合通用、精准的要求，为智慧农业的发展提供技术支持。5 结论综上所述，应用PLC开展自动化控制，可为实现控制功能提供支撑。伴随技术的更新，PLC应用领域会得到深入拓展，以满足人们对PLC多元化功能的需求，促进自控系统的智能化发展，从而让自动化技术获得长远发展。课题组所介绍的基于PLC的农产品加工机械自动化控制系统，经过对具体机械（瓜子炒制机）的调试及测试运行，效果比较理想，且有着功能完善、便于使用、易于操作的特点，有着一定的实用价值。参考文献：1 李金灿，李海铭，陈永安，等.PLC控制的农产品筛选系统设计J.辽宁科技学院学报，2018，20(3)：3-5.2 王志军，谢方平，孙松林.农产品加工机械性能测试系统设计J.农业机械学报，2009，40(3)：93-98.3 安万德.农产品分选机自动控制结构设计J.延边大学农学学报，2008(2)：141-144.4 尹秀妍，柴秋，温红真.PLC在农产品称量包装控制中的应用J.农机化研究，2007(1)：200-201.5 罗中芳，孙宗泉.机械自动化控制中PLC技术的应用J.中国金属通报，2022(11)：67-69.6 杨雪琴.农业机械自动化的发展现状及未来前景J.当代农机，2022(7)：32-33.7 彭祥锐.浅析机械自动化技术发展中的几个要点J.化工管理，2020(11)：111-112.8 冷睿.农业机械自动化发展现状与推广应用路径研究J.南方农机，2022，53(2)：168-170+180.9 王超.机械自动化控制系统中PLC控制技术的应用分析J.现代工业经济和信息化，2021，11(5)：80-81+108.10 聂小娟.机械自动化控制系统中PLC控制技术的应用分析J.南方农机，2020，51(24)：148+158.