摘要：秸稈壓塊成型是秸稈綜合利用重要途徑之一，而目前
秸稈壓塊機(jī)生產(chǎn)效率低、能耗高、人工成本高，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。為此，提出了基于PLC控制的秸稈壓塊機(jī)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了秸稈壓塊機(jī)生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，并進(jìn)行軟件開發(fā)。該控制系統(tǒng)采用了西門子S7-200系列CPU作為主控單元，通過(guò)觸摸屏對(duì)料倉(cāng)轉(zhuǎn)速、主軸轉(zhuǎn)速及成型溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與設(shè)置，對(duì)秸稈壓塊機(jī)喂入量采用PID控制，使秸稈壓塊機(jī)在穩(wěn)定的工況下生產(chǎn)，有效提高了秸稈壓塊機(jī)生產(chǎn)線的生產(chǎn)率以及壓塊成型質(zhì)量，秸稈壓塊機(jī)壓制的塊狀
玉米秸稈顆粒燃料如下所示：
關(guān)鍵詞：秸稈壓塊機(jī)；PLC控制：秸稈；生產(chǎn)線
0、引言
目前，我國(guó)的秸稈壓塊機(jī)生產(chǎn)效率低、能耗高，憑人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行上料，存在主觀誤差大、人工成本高，及設(shè)備在冬天寒冷地區(qū)，不能正常生產(chǎn)等問(wèn)題，導(dǎo)致成型率低、產(chǎn)量不高，嚴(yán)重影響壓塊成型質(zhì)量和壓塊機(jī)生產(chǎn)效率，成為制約秸稈壓塊機(jī)規(guī)模生產(chǎn)的瓶頸。
近年來(lái)，隨著電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，壓塊機(jī)朝著智能化的方向邁進(jìn)。丹麥NORVIDAN
顆粒機(jī)控制系統(tǒng)，利用PC機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控，PLC作為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和輸出，從而實(shí)現(xiàn)制粒機(jī)的遠(yuǎn)程控制。2007年，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)趙偉利首次采用PLC作為控制單元對(duì)HPB -IV型生物質(zhì)成型機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，使機(jī)器自動(dòng)化性能有了較大提高。因此，研究開發(fā)秸稈壓塊生產(chǎn)線智能化控制系統(tǒng)，對(duì)秸稈規(guī)模化綜合利用具有重要意義。
本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，采用PLC技術(shù)對(duì)秸稈壓塊成型溫度、秸稈壓塊機(jī)主軸轉(zhuǎn)速及喂人量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而提高壓塊機(jī)生產(chǎn)產(chǎn)量和壓塊成型質(zhì)量，降低壓塊機(jī)噸燃料能耗，以提高生產(chǎn)效率、成型穩(wěn)定性及工作可靠性。
1、組成及工作原理
秸稈壓塊機(jī)生產(chǎn)線主要由料倉(cāng)、上料輸送裝置、壓塊機(jī)和出料輸送裝置組成，結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。工作時(shí)，采用抓草機(jī)將切碎后的秸稈送人料倉(cāng)，通過(guò)料倉(cāng)內(nèi)螺旋軸的擠壓，切碎秸稈落到上料輸送帶上：上料輸送裝置將切碎后的秸稈送人壓塊機(jī)中，通過(guò)壓塊機(jī)內(nèi)的壓輥在偏心軸上繞主軸旋轉(zhuǎn)及其與秸稈物料之間的摩擦力作用，切碎秸稈不斷被擠壓并從環(huán)模孔中成型出來(lái)：成型壓塊落到出料輸送裝置上經(jīng)過(guò)篩子篩選后進(jìn)行打包裝袋。但是，由于秸稈本身的松散特性以及人工上料，該生產(chǎn)線產(chǎn)量低、能耗高且不能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。因此，本文提出將PLC控制技術(shù)應(yīng)用于秸稈生產(chǎn)線，可有效提高生產(chǎn)效率、降低人工成本，并可用于規(guī)模化生產(chǎn)。
2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1總體設(shè)計(jì)方案
根據(jù)秸稈壓塊生產(chǎn)線生產(chǎn)狀況，為了提高秸稈壓塊機(jī)的生產(chǎn)率并降低能耗，采用PLC技術(shù)對(duì)秸稈壓塊機(jī)的成型溫度、主軸轉(zhuǎn)速及喂人量進(jìn)行控制。由于秸稈含水率不同對(duì)應(yīng)的秸稈壓塊成型溫度及主軸轉(zhuǎn)速（即壓塊機(jī)轉(zhuǎn)速）也不同，為使秸稈壓塊機(jī)生產(chǎn)效率高、能耗低，需使用觸摸屏根據(jù)秸稈含水率的不同設(shè)置相應(yīng)的成型溫度以及主軸轉(zhuǎn)速：根據(jù)觸摸屏上的設(shè)定值，通過(guò)PLC發(fā)出指令至變頻器，從而調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速，當(dāng)加熱溫度達(dá)到觸摸屏上預(yù)設(shè)成型溫度時(shí)自動(dòng)停止加熱。在上料輸送裝置上安裝稱重傳感器，PLC采集該模擬量信號(hào)，通過(guò)PLC中PID調(diào)節(jié)功能，輸出信號(hào)調(diào)節(jié)料倉(cāng)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)秸稈喂人量的控制。
2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)該控制系統(tǒng)所需的控制功能及I/O點(diǎn)數(shù)，選用S7 -200系列CPU224XP，數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM221和模擬量擴(kuò)展模塊EM235，它們之間通過(guò)擴(kuò)展電纜連接，具體I/O分配如表1～表2所示。采用威綸M工6056i觸摸屏，通過(guò)RS485通訊線與PLC進(jìn)行通信。系統(tǒng)中由于上料輸送帶是傾斜安裝的，并且切碎秸稈本身具有松散性，故稱重傳感器選用YZC-328型波紋管式傳感器，通過(guò)稱重變送器輸出4～20mA電流信號(hào)到PLC中：溫度傳感器選用WZP-230型一體化溫度傳感器，可直接輸出4～20mA電流信號(hào)到PLC中。變頻器分別選用施耐德的A工V71HU40N4，380V/75kW與A工V71HD75 N4，380V/4kW，并設(shè)置4～20mA電流控制信號(hào)，分別用于調(diào)節(jié)主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速以及料倉(cāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
PLC控制軟件的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)所確定的總體設(shè)計(jì)方案使用相應(yīng)的編程語(yǔ)言指令編寫實(shí)現(xiàn)控制要求與功能的PLC用戶程序。對(duì)該控制系統(tǒng)采用了手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式：手動(dòng)操作主要由控制柜上的旋轉(zhuǎn)開關(guān)控制加熱器及各部分電機(jī)的啟動(dòng)，用于設(shè)備的調(diào)試和維修：在設(shè)備的正常生產(chǎn)狀態(tài)下采用自動(dòng)控制方式，自動(dòng)控制流程圖如圖2所示。
在該控制系統(tǒng)中，為保證秸稈壓塊機(jī)正常生產(chǎn)（不堵機(jī)），降低能耗，對(duì)秸稈壓塊機(jī)喂人量采用了PID控制。其可通過(guò)上料輸送帶上秸稈的質(zhì)量來(lái)調(diào)節(jié)料倉(cāng)的轉(zhuǎn)速（由于切碎秸稈的質(zhì)量比較輕，對(duì)上料輸送帶的沖擊小可忽略不計(jì)，上料輸送帶恒速運(yùn)行）。PID控制原理圖如圖3所示。
采用S工EP7 -Micro/WIN V4.0編程軟件，該軟件提供了PID指令向?qū)В梢陨梢粋�(gè)閉環(huán)控制過(guò)程的PID算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù)PID運(yùn)算的自動(dòng)編程，只需在主程序中調(diào)用PID向?qū)傻淖映绦颍涂梢酝瓿蒔ID控制任務(wù)。PID控制算法程序框圖如圖4所示。其中，PVI為輸入過(guò)程值（反饋）的模擬量輸入地址；Se工poin_R為輸入設(shè)定值變量地址，也可以為輸入設(shè)定值常數(shù)；Ou工pu工為控制量的輸出地址。采用S7 -200PLC的PID參數(shù)整定功能與S工EP7 -Micro/WIN V4.0編程軟件的PID調(diào)節(jié)控制面板相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)白整定，根據(jù)開始時(shí)上料輸送機(jī)上切碎秸稈的質(zhì)量變化情況白適應(yīng)地調(diào)整PID控制的主要參數(shù)（比例增益、微分時(shí)間、積分時(shí)間等）。上料輸送帶上的切碎秸稈的質(zhì)量是一個(gè)反饋信號(hào)，根據(jù)稱重傳感器檢測(cè)到的物料的質(zhì)量來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)料倉(cāng)的轉(zhuǎn)速：物料偏重時(shí)降低料倉(cāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，物料偏輕了就增加料倉(cāng)的轉(zhuǎn)速。
2.4人機(jī)界面
考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，人機(jī)界面采用威綸M工6056i型觸摸屏，軟件采用威綸專用軟件EB8000V465. 12，通過(guò)RS485通訊線與PLC進(jìn)行通信。在觸摸屏上可以對(duì)加熱溫度、主軸轉(zhuǎn)速的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)系統(tǒng)電流、料倉(cāng)轉(zhuǎn)速、加熱溫度以及壓塊機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)控。觸摸屏界面如圖5所示。
3、結(jié)論
實(shí)踐證明：采用PLC技術(shù)結(jié)合觸摸屏的應(yīng)用，該秸稈壓塊機(jī)生產(chǎn)線平均生產(chǎn)率可達(dá)到1.5 工/h，壓塊成型率達(dá)到98.9%，噸燃料能耗為30. 2kW·h/工。該控制系統(tǒng)有效提高了秸稈壓塊成型率以及成型質(zhì)量，降低了壓塊機(jī)噸燃料能耗以及生產(chǎn)成本，并極大程度地提升了秸稈壓塊機(jī)生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度，保證了秸稈壓塊機(jī)在穩(wěn)定的工況下生產(chǎn)，操作方便，減少了工人的工作量。
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