自动棉花回潮率检测设备的研究和探索

文/贾冬 吴新玲 吴志勇 胡菁华 徐志鹏 谢代梁

1 引言

棉花回潮率作为公定重量核算的一项重要因素，准确快速测定棉花回潮率对核算棉花公定重量至关重要。在监管库在库公定重量检验中，棉包堆积于室外或大棚中，具有重量大、不易移动等特点，且棉包的存放场地常常缺少完备的电力支持，实际检测过程中，检测人员每天需要检测40～60批次，每批次19包，由人工将测量传感器插入棉包相关数据采集，劳动强度极大。移动设备将解决传统检测过程中堆垛数量多且高等多个制约检测的因素，有效提高了在库棉花的公证检验效率[1]。

2 设备结构和工作原理

该移动设备主要由主体、电源、PCL、直流无刷电机、限位开关、光电开关、棉包回潮率测定仪、传动系统等部件组成，如图 1所示。主体框架为方形，采用铝合金材质，使得整个移动设备结构较为简单、轻便。

下方电池盒内放置24V电源，同时方便电量耗尽时及时更换电池，考虑到户外检测作业的环境较为复杂，该电源的工作温度为(-40～+60)℃，并且在超过最高温度时拥有自动保护功能。

操作面板上共有3个指示灯和3个按钮，指示灯分别为通电、垂直和检测，按钮分别为上升、下降和检测。在接通24V电源时通电指示灯亮，进行垂直方向移动的过程中垂直指示灯亮，检测过程中检测指示灯亮。

图中：1为垂直滚珠丝杆，行程1.2m，导程5mm；3为直流无刷电机，额定转速1000rpm，同样是考虑到户外作业的环境，采用的电机的工作温度为(-40～+70)℃。额定扭矩为1Nm，保证电机能够抬起平板的运动和测定仪能够插入棉包。经实测，水平方向走一次行程耗时2s，垂直方向走一次行程耗时8s。8为水平滚珠丝杆，行程200mm，导程5mm。

移动设备垂直、水平方向的移动各由一个直流无刷电机控制。垂直方向的1滚珠丝杆通过皮带传动进行转动，带动测定仪的垂直移动。垂直方向的动作由两个上下按键通过点按控制，用三个限位开关达到高度不同的检测位置。水平方向则是由电机直接带动滚珠丝杆转动，前后有一对光电开关起到保护作用[2-3]。

棉包回潮率测定仪采用MBS-Z智能升级型，由一个主机和两个探测器组成。仪器根据棉花的电阻与其回潮率呈负相关，通过测量棉包中某一位置的电阻的大小，求得棉包的回潮率。检测时两探测器通过磁力搭扣相连，两探头相距100mm，选棉包包头中间部位插到底，由PLC给入测试信号后主机显示屏读出测量的回潮率数据，数据通过蓝牙设备无线传输至数据采集器。作业时按下移动设备上的检测按钮，完成伸出、检测和退回这一系列动作。

在作业时，测定仪检测开始和结束时对移动设备产生后坐力，所以万向轮有锁死功能，以保证移动设备在检测过程中的稳定性，起到保护测定仪的作用。

3 控制系统及程序设计

3.1 PLC选型与I/O分配

该移动设备选用欧姆龙CP1E型PLC，由24V直流电源供电。该型号体积小、能耗低，控制灵活，可靠性高，抗干扰能力强。其中采用了8个输入信号，5个输出信号，PLC原理图如图2所示，I/O信号具体的分配作用如表1所示[4-6]。

（1）按钮。3个按钮皆为常开式开关，操作时只需点按即可。

（2）电磁式限位开关。锤石方向共有上中下3个电磁式限位开关，分别对应上中下3个高度的检测位置。其中上下两个开关同时起到保护作用，使其达到极限位置时不会因误操作导致碰撞。

（3）光电开关。水平方向上共有前后两个光电开关，在测定仪伸出、退回时起到定位和保护作用。

图2 CP1E型PLC I/O点原理图

表1 移动设备PLC输入输出点

3.2 继电器控制

PLC输出信号给到继电器，由继电器控制直流无刷电机和棉包回潮测定仪的启停。其中，测定仪根据电信号的有无来控制启停。直流无刷电机通过24V电压的有无控制启停，方向则是由正负极信号控制。由图所示，1为一对常闭开关，2为一对常开开关，3为信号开关，4为指示灯。以垂直方向为例，上升时，只闭合信号开关，停止时断开信号开关，工作状态如图3 A所示。下降时，先将1开关断开，2开关闭合，再闭合信号开关，停止时先断开信号开关，再改变1、2开关的状态，工作状态如图3 B所示，这样可以起到对电机的保护作用。通过这种方式实现正负极反转的效果，水平方向运动同理。如此，通过两个继电器的协同工作，可以缩短延时，提高作业效率。

图3 继电器控制电机换向原理图

该PLC控制程序动作皆由操作面板上的按钮控制。设定初始状态时测定仪位于最下方，按下检测按钮，PLC接收信号，测定仪伸出检测，然后退回。按下上升按钮，通过限位开关停在中间和上方位置，依次完成检测。一列三个棉花包检测完成后，平移到相邻一列，以同样的方式从上到下依次检测。

4 结论

在设计移动设备控制系统中 ，PLC因其体积小、I/O丰富和抗干扰能力强等特点，起到了十分重要的作用。经实测证明，该移动设备可以实现自动化检测，检测一列即3个棉包耗时35s，极大地改善了工作人员的劳动强度，提高作业效率，有效杜绝因棉花含水率过高导致的安全隐患，同时为后续的棉花产品加工保证质量。