有机肥翻抛机控制系统设计

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　首先介绍了翻抛机的总体结构、运动原理及其运动轨迹。然后根据有机肥发酵工艺流程及相关控制要求提出了控制方案，对PLC及其扩展模块进行选型并设计了PLC程序、开发了人机交互界面。该系统相比于传统有机肥翻抛系统提升了控制精度，提高了有机肥的生产质量。

　　关键词：有机肥;PLC;人机界面;翻抛机

　　随着社会经济的发展，人们对生活水平的要求越来越高，肉食品的消费量越来越大，随之而来的是畜牧业产生的大量排泄物，但这也为有机肥的生产提供了充足的原料。在有机肥发酵过程中，翻抛是一个十分重要的环节，合理的翻抛可以使得物料在翻抛过程中充分地与空气接触，发酵出质量更好的有机肥。然而传统的翻抛设备由于控制精度低、翻抛不均匀、生产效率低等因素，导致有机肥产业在国内难以推广。为此设计了一个基于S7-300的翻抛机控制系统。

　　1翻抛机结构及工作原理

　　图1为翻抛机三维模型，主要由梁架、翻抛小车、纵拖机构、横移机构、散料装置组成。通过纵拖机构使得梁架可在料池壁的钢轨上沿料池纵向移动;通过横移机构使得翻抛小车可相对梁架作横向移动;通过纵横两个移动的复合，翻抛小车便可到达料池平面内的任一点。在翻抛小车上安装有双螺旋翻抛头，翻抛头可沿定轴俯仰，从而调整插入物料的深度。通过小车的复合运动及翻抛头的俯仰运动，使翻抛头末端到达料池中的任一点，实现对整个料池中物料的翻抛。梁架为其他行走机构提供运动平台;纵拖机构分为4组，均布在翻抛机的4个角落，每组机构的电动机功率为0.75kW;横移机构电动机功率为0.75kW;散料装置包含散料斗、散料电动机、减速器等，电动机功率为0.4kW，最大翻转角度为90°;翻抛小车的翻抛头内含有供液装置，用于给发酵槽提供氧气和水分，翻抛电动机为15kW。在发酵池底部均布有5组传感器，每组传感器中包含一个温度传感器、一个湿度传感器、一个含氧量传感器，用于实时反馈发酵的数据。在翻抛小车车架的横移和纵拖方向上各安装两个位置传感器和两个接近开关，同时在梁架上每隔一定的翻抛距离安装一个凸铁，在进行翻抛作业时，翻抛小车在纵拖机构的驱动下向前移动至第一个凸铁停止，横移电机带动小车从一端到另一端进行翻抛，翻抛完成后，翻抛小车继续前进至下一监测点，重复之前的动作，直至完成所有物料的翻抛。翻抛小车轨迹规划如图2所示。

　　2有机肥发酵工艺流程

　　首先通过散料机构均匀地将物料撒在发酵池中，通过发酵池内传感器的反馈来判断当前发酵池内的温度、湿度与含氧量是否合适，然后进行翻抛、加水、加气等相关动作。等到温度降至30℃时，即可视为发酵结束。有机肥发酵工艺流程见图3。

　　3翻抛机控制系统设计

　　根据整个发酵工艺流程统计出一共需要数字量输入50个、数字量输出34个、模拟量输入16个、模拟量输出5个。考虑到众多的IO点，为了使得本系统有更好的控制精度，因此选用西门子S7-300PLC作为控制器，同时选择PS307电源模块为整个PLC系统提供电源、2个16×16的数字量输入模块、2个16×16的数字量输出模块、2个8位模拟量输入模块、1个4×4模拟量输出模块[1]。翻抛机控制系统结构框图如图4所示。3.1变频器选型根据控制方案选用西门子MM430变频器实现对电机以及气泵、水泵的调速和节能，考虑到选用变频器时应留有一定的裕量，所以翻抛电机使用18.5kW规格的变频器，气泵、水泵及其他机构使用7.5kW的变频器。其中PLC通过数字量控制启停变频器，通过模拟量输出信号控制变频器的输出频率。3.2传感器选型(1)本文选用塞亚斯科技公司的SYS-LTDR-5土壤温湿度传感器，以316L不锈钢、铂电阻为材料，工作温度为-30℃～70℃，精度为2%，工作电流为40mA～80mA，可以同时反馈温度与湿度两种信号。(2)本文选用SO-210土壤含氧量传感器，其自带125目筛和尼龙连接器，能够有效防止杂物黏着在传感器表面对传感器示数造成影响，工作温度为-20℃～60℃，工作电压为直流12V。

　　4PLC程序设计

　　本设计选用TIA博途软件(TIAPortal)作为编程软件。博途是西门子工业自动化集团发布的全集成自动化软件，采用统一工程组态和软件项目环境，适用于所有自动化任务，借助该平台能够使用户更直观更快速地开发自动化系统。PLC编程语言包括梯形图(LAD)、功能块图(FBD)、语句表(STL)等。由于梯形图信号流向清楚，通俗易懂，因此本系统选用梯形图作为编程语言[2-4]。在程序中最重要的是应使得小车能够按照预定的轨迹规划运动。程序开始时纵拖电机正转，当翻抛小车纵向末端位置传感器接收到信号时，纵拖电机停止，横移电机正转;当梁架上横向位置传感器检测到限位信号时，横移计步加一，横移电机停止，纵拖电机反转，如此循环。PLC梯形图控制程序见图5。

　　5人机界面设计

　　本控制系统的人机界面采用昆仑通态TPC7062TD型触摸屏，与其配套的MCGS组态软件是一款功能强大的上位机监控软件，通过模拟运行环境可以使用户方便地对工程进行测试与修改[5-6]。翻抛机控制系统人机界面如图6所示。

　　6结语

　　本文将PLC控制技术、变频器控制及上位机设计技术相结合，设计了可以手动、自动控制，参数可调节且具有报警功能的翻抛机控制系统。该控制系统自动化程度更高，控制精度更好，操作简单，可为今后的有机肥翻抛设备的设计提供借鉴。

　　参考文献：

　　[1]廖常初.大中型PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

　　[2]刘洪涛，黄海.PLC应用开发从基础到实践[M].北京：电子工业出版社，2007.

　　[3]蔡辉.基于PLC与变频器技术的带式输送机控制系统设计[J].机械工程与自动化，2019(1)：163-164.

　　[4]刘川.PLC在注塑机控制系统中的应用[J].机械工程与自动化，2019(3)：179-180.

　　[5]王云刚，陈文燕.基于MCGS和PLC的水位自动控制系统设计[J].测控技术，2014(1)：96-98.

　　[6]党媚，刘爱云.基于MCGS触摸屏与S7-200的以太网小型自动化系统[J].自动化技术与应用，2018(3)：76-79.

　　作者：马一龙 谭晓东 黄红兵 刘客 单位：大连交通大学 电气信息工程学院