基于PLC的棉花秸秆打包机控制系统设计研究

余智勇

（神木职业技术学院机电工程系，陕西 神木 719300）

可编程逻辑控制器（Programmable logic controller，PLC）已成功应用于秸秆打包机控制系统设计[1-4]中，不仅可以保证系统自动化控制，还能采用远程诊断的方式实时分析和解决系统故障，提高系统运行的稳定性，保证生产效率和效果，降低系统故障维修成本和生产成本。但目前尚无针对棉花秸秆打包的相关研究。因此，为了满足棉花副产品加工企业的生产需求，科学设计基于PLC的棉花秸秆打包机控制系统是相关人员应该思考的问题。

1 系统工作原理

针对棉花秸秆具有茎秆细长、含水量较高、韧性强等特点，完成了基于PLC的棉花秸秆（初步切碎后）打包机控制系统的科学设计，同时对喂料装置调速器和打包桶的转速进行调控，以达到均匀铺垫处理棉花秸秆碎料的目的，避免因棉花秸秆局部堆积而对压板造成损坏。此外，利用液压缸对棉花秸秆进行压缩打包处理，并利用排水滤网排出棉花秸秆内过多的水分，以满足干燥处理棉花秸秆的目的。在打包桶的具体设计中，主要利用关门打包的方式，尽可能降低整个打包机的尺寸，从而提高该系统的整体运行性能。最后，将捆扎处理后的棉花秸秆推送到指定的运输带，由运输带将其运走，棉花秸秆打包操作结束。该棉花秸秆打包机控制系统主要借助PLC编制程序，可实现对棉花秸秆的自动化打包处理。

2 系统硬件设计

基于PLC的棉花秸秆打包机控制系统结构示意图见图1。从图1可以看出，系统硬件主要由PLC（主机与扩展模块）、现场执行元件（模拟量输入输出模块）、现场信号（开关量输入／输出扩展模块）和人机界面4个部分组成。

图1 棉花秸秆打包机控制系统硬件设计示意图[5]

2.1 PLC选型

优先选用DVP-80EH00R2系列PLC。该型号的PLC所采用的输入、输出模式主要以40路为主，具有信息存储量大、运算高效便捷、易扩展等特征[6]，完全符合棉花秸秆打包机控制系统扩展功能开发的相关标准和要求。

2.2 模拟量输入输出模块设计

模拟量输入输出模块作为系统硬件设计的核心和关键，在其具体设计中，主要做好对控制系统（I/O）相关设备的合理分配，I/O分配表是后期PLC控制系统程序编写以及现场接线操作的依据。因此，为了保证棉花秸秆打包机的自动化控制效果[7]，现列出如表1所示的输入信号分配表和表2所示的输出信号分配表。此外，在起动、保持、停止（起保停）电路的具体设计中，主要借助于线圈、触点相关的指令，完成对此电路的科学编程。同时，应严格按照控制系统进行编程，精确把控PLC控制系统的整个自动化控制过程，根据表1、表2所示的I/O分配表完成对顺序功能的设计。

表1 输入信号分配表

表2 输出信号分配表

2.3 开关量输入／输出扩展模块设计

根据棉花秸秆打包机控制系统的使用需求，利用DVP-80EH00R2系列PLC，在结合开关量输入、输出相关标准和要求的基础上，设置如表3所示的16HM1lN型开关量输入扩展模块与08HNIllR型开关量输出扩展模块。

表3 不同扩展模块对比

2.4 人机界面设计

该系统以使用DOP-A80THTD1型8英寸人机界面为主。该类型界面具有分辨率高、信息存储量大、串行通信能力强、操作简单等优点，可在任何工作环境中应用。

3 系统主要结构与功能设计

3.1 整体结构设计

棉花秸秆打包机系统主要由6部分组成，分别是喂料装置、捆扎装置、动力装置、压缩装置、传送装置和控制箱[8]。整机结构简图见图2。

图2 棉花秸秆打包机整机结构简图

3.2 喂料装置设计

喂料装置主要由料斗箱和喂料轮2个部分组成。喂料轮主要由含有6个叶片的铁轮组成，将其安装在料斗箱出口处，借助PLC控制系统程序对电动机进行开启操作，并结合电动机的实际转速对喂料速度进行科学控制[9]。当电动机停止运行时，喂料轮可以及时收集棉花秸秆碎块，避免碎块滑出。同时，通过控制PLC喂料轮转速对棉花秸秆喂入量进行调整，以满足相关企业的生产需求。打包喂料量（V，m3）计算公式为V＝ant（a代表喂料喂入效率，m3·r－1；n代表转速，r·min－1；t代表单次运转喂料时间，min）。

3.3 压缩和传送装置设计

压缩装置主要由压板、液压缸和打包桶3个部分组成；其中打包桶上安装2种设备，分别是开门锁和推包叉。当棉花秸秆打包处理结束后，PLC控制系统程序对开门锁进行自动化控制[5]，使其处于打开状态，确保打包桶能够顺利地开门出包。此外，还要借助推包叉对铰链进行转动操作，实现对棉花秸秆包的快速推出，确保其安全、可靠地转移到传送带上，以达到连续打包的目的[10]。传送装置开门锁的结构功能图见图3。

图3 开门锁的结构功能图

3.4 捆扎装置设计

捆扎装置主要用于对打包完毕的棉花秸秆进行捆扎处理。该装置需要利用PLC控制系统，对捆扎轮进行控制，将打包好的棉花秸秆捆扎于指定位置后[11]，将其反向收紧，当钢扣扣紧后，利用剪切装置，剪断棉花秸秆包上的捆扎带，即完成一次智能化捆扎。随后，在PLC控制系统程序不断运行下，该装置循环进行捆扎工作。捆扎装置的结构图见图4。

图4 捆扎装置的结构图

4 系统测试

为了验证基于PLC的棉花秸秆打包机控制系统的稳定性和可靠性，对该系统进行了调试试验：首先，将该系统的工作压力和额定功率分别设置为19.6 MPa、5kW；然后，将自动打包机的直径和高度分别设置为46cm、66cm，根据棉花秸秆打包需求，利用PLC控制系统相关程序以及行程开关[12]，完成对成包高度的合理调控。在每次打包处理期间，其切块含水量会呈现出一定程度的波动，但是该系统整体工作效率一直维持在1.2 ～1.5 t·h－1。这说明系统运行正常稳定，完全符合棉花秸秆打包处理需求。

5 小结

目前，大部分棉花秸秆打包机主要利用继电器控制系统，这种系统稳定性和可靠性较差，难以满足棉花生产需求。而利用PLC对棉花秸秆打包机进行改造后，系统运行性能尤其是稳定性和可靠性得以显著提升，可提高棉花副产品开发利用企业的生产效率和效果，为实现企业社会效益和经济效益的最大化提供有力的保障。