尖点辊压式核桃破壳机控制系统设计

郭文松+张宏+沈柳杨

摘要：针对笔者所在项目组设计的尖点辊压式核桃破壳机，在试验过程中发现尖点对置辊的动辊转速和对置辊间隙对核桃破壳效果影响较大的问题，为了对对置辊转速和对置辊间隙进行实时控制，设计核桃破壳机的自动控制系统。主要完成了控制系统的控制方案设计、元器件的选型、电路连接图绘制、西门子逻辑可编程控制器（简称PLC）控制程序编写、上位机监控组态软件（简称MCGS）嵌入版上位机程序编写等，经试验，动辊转速误差±0.5 r/min，间隙调整误差±0.3 mm，控制系统可以满足控制要求。

关键词：核桃；尖点辊压式；破壳机；控制系统设计

中图分类号： S226.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）07-0193-04

新疆是国内薄皮核桃的重要种植区，新疆核桃种植又主要集中于南疆地区，南疆温宿县的温185以个大、皮薄、出油率高而闻名新疆内外[1]。近年来，核桃精深加工成为促进核桃产业化发展的重点方向[2-4]。为了提高核桃的破壳效率，传统的人工破壳方法已远远不能满足产业化发展的需求，核桃机械破壳具有破壳效率高、成本低、劳动强度低等优点。核桃机械破壳是核桃产业的必然趋势，目前核桃破壳方法主要有挤压法、滚压法、撞击法、碾搓法、剪切法、搓撕法等[5-9]。

综合各种核桃破壳方法的优缺点，笔者所在项目组设计了尖点辊压式核桃破壳机。在试验过程中发现，破壳机对置辊中动辊转速和对置辊压辊的间隙对核桃破壳效果影响很大，本研究拟设计一种可以对动辊转速和对置辊间隙实时监控的自动控制系统。

1控制要求分析

1.1尖点辊轧式破壳机工作过程

尖点辊压式核桃破壳机由进料装置、分级装置、导流装置、尖点对辊破壳装置（在对置辊上按一定排列方式增加带尖的凸起，以达到更佳的破壳效果）、间隙调节装置、集料装置等部分组成，其整体的结构大致如图1所示，核桃由入口进入破壳机，然后进入分级装置分级，分级后的核桃在重力作用下沿导流装置进入尖点对辊破壳装置，核桃在对置辊和尖点的挤压作用下达到破壳的目的。

1.2控制要求

核桃破壳机在工作时，尖点对置辊起到破壳作用，由于负载并不均匀、稳定（核桃喂入量不稳定），会导致挤压辊的转速不恒定，这样会在一定程度上影响破壳效果，而且在核桃破壳试验过程中需要经常对转速进行调整，并进行实时监控，因此主要控制要求：能够无级调控挤压辊的转速，并可使挤压辊转速实现恒值控制。

对置辊压辊的间隙大小影响核桃的通过性和破壳效果。间隙过大，核桃受不到对置辊的挤压作用；间隙过小，核桃无法通过对置辊或者核桃被挤压变形过大，导致过度破壳。因此破壳试验过程中另一要求为对置辊间隙可快速、准确调整。核桃破壳机的整机结构见图2。

2主要控制方案设计

2.1控制框架

由图3可知，本控制系统上位机采用上位机监控组态软件（简称MCGS）人机界面，控制器采用西门子S7-200PLC和EM235模拟量输入输出模块。

对置辊中动辊的转速控制采用闭环控制方式，以保证挤压辊转速的恒定。对置辊间隙的控制采用开环控制方式，利用步进电机带动滚珠丝杠旋转从而带动挤压板横向移动，达到调整挤压板与动辊之间间隙的目的。

2.2主要元器件选型

（1）控制器选型：本控制系统选择西门子S7-200PLC，型号为CPU224，本机集成14输入/10输出共24个数字量 I/O 点，可连接7个扩展模块，6个独立的30 kHz高速计数器。由于本核桃破壳系统目前需要1个高速计数器接口，5个开关量输出口，须扩展1个EM235模块。因此本中央处理器（CPU）可以完全满足本系统现有需求和将来的扩展需求。

（2）模拟量输入输出模块选型：EM235模块是西门子公司开发的模拟量输入/输出模块，共4个输入和1个输出，模拟量转换为数字量后的值为12位。本控制系统主要利用EM235模块的输出功能，输出0～10 V的电压信号对伟创变频器输出频率进行电压控制。

（3）人机界面选型：本控制系统选择TPC1062K人机界面，该人机界面是一套以嵌入式低功耗CPU为核心（主频400 MHz）的高性能嵌入式一体化工控机。采用12.1英寸高亮度薄膜场效应晶体管（简称TFT）液晶显示屏（分辨率 800×600），4线电阻式触摸屏（分辨率1 024×1 024），具有良好的电磁屏蔽性与美观坚固的铝合金结构。

3控制系统电路

图4为变频电机连接电路图。连接时应注意，本控制系统中驱动动辊的是变频电机，因此应当分别送2路380 V电源到变频电机，1路通过变频器进入电机以调节其速度，另1路直接接入冷却风扇。严禁就近将来自变频器的电源引入冷却风扇，否则冷却风扇转速受变频器影响散热能力，导致电机烧毁。

图5为核桃破壳系统的电路连接图，控制系统连接时只需要按照图5连接即可使用。

4PLC程序编写

本逻辑可编程控制器（简称PLC）程序主要包括对置辊间隙调整程序段和转速采集程序段。MCGS上位机与S7-200PLC通过232串口通信，用MCGS上位机设定高速脉冲频率和高速脉冲数量。转速采集程序中，PLC程序执行转速的采集，将光电编码器的高速脉冲计算转化为对置辊中动辊的实时转速，由MCGS上位机将设定转速与实时转速进行比较，MCGS上位机将比较后的差值经过工程数据转化、输入到EM235模块、最后转化为控制0～10 V电压信号连接到变频器信号输入端以达到对动辊转速自动控制的目的。

4.1对置辊间隙调整程序

中间触点M0.0与MCGS核桃间隙调整界面中的启动按钮通信，具体程序如图6所示连接，点击人机界面中的启动按钮便可以启动子程序SBR_0。

子程序SBR_0如图7所示，将Q0.0的输出选择成为PTO高速脉冲输出，周期以ms为单位；SMW68寄存器与人机界面中脉冲周期输入框通信，用于写入输出脉冲周期；SMD72寄存器与间隙调整界面中的输出脉冲数输入框通信。此子程序用于向步进电机控制器发出脉冲信号，控制步进電机的转动角度和角速度。

4.2破壳机动辊转速信号采集程序

（1）高速计数器初始化。图8所示程序段为高速计数器初始化程序段，适用于单相计数，因此本控制系统只用了光电编码器的A相输出，定义高速计数器模式0，将HSC0的控制字节SMB37赋值16#C8，启用高速计数器、更新初始值、设定计数方向为递增计数，并使用SM0.1初始化高速计数器。

（2）高速输入脉冲频率计算。为保证瞬时脉冲采集数量的准确性及实时性，下段程序采用定时中断0每隔250 ms更新高速输入脉冲值HC0，并在中断程序中应用该数值运算得到高速输入脉冲频率，如图9所示。

图10所示为转速计算程序，该段程序是将采集到的 250 ms 时间间隔的脉冲值HC0，转换为1 s时间间隔的脉冲值并存放于变量寄存器VD0中，然后将1 s时间间隔的脉冲值V除以步进电机每转1圈的步数400，然后乘60，即除以6.666 67，便得到主轴的实时转速值，并将转速值存放于PLC中的变量寄存器VD8中。将VD8中存放数值与MCGS人机界面中的实时转速仪表和输入框相连接，并在MCGS软件实时数据库中，设计转速值减去实时转速值，然后将此偏差值转化为EM235模块中的电压输出，便完成了主轴转速的闭环控制。

5上位机程序编写

本控制系统上位机程序由MCGS嵌入式版软件开发完成，共有3个用户操作界面，第1个为用户登录界面，界面设计见图11，此界面主要是完成用户登录、用户退出、用户密码的设定功能。

图12为核桃破壳间隙调整界面，启动按钮用于启动步进电机，方向按钮用于选择间隙的变化方向（步进电机的正转或者反转），伺服使能开关用于控制步进电机控制器的使能作用，由于本系统动辊主轴转速的调整采用了变频器，而变频器在使用过程中对步进电机控制器的干扰作用极其强烈，因此在调整核桃破壳间隙时增加伺服使能控制非常必要。参数设定窗口可以对丝杠导程、步进电机步矩角、脉冲周期等参数进行设定。

图13为核桃破机转速控制界面，此界面主要用于控制主轴转速的启停、主轴转向、主轴转速设定和主轴实时转速的监控。

6结论

针对本研究设计的尖点辊压式核桃破壳机。在试验过程中发现尖点对置辊中动辊转速和对置辊压辊的间隙对核桃破壳效果影响很大，因此本研究设计了主动辊转速和对置辊间隙的自动控制系统。本控制系统对动辊转速的控制采用闭环控制系统方案，对置辊的间隙采用开环控制系统方案。利用西门子S7-200可编程控制器，编写了转速采集和步进电机控制程序。利用MCGS嵌入版软件编写了转速和间隙的实时监视和控制上位机程序。经试验表明：动辊转速误差 ±0.5 r/min，间隙调整误差±0.3 mm，本控制系统可以满足控制要求。

参考文献：

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