基于PLC控制的散煙分揀系統(tǒng)

　　doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.123
　　摘要：為有效避免散煙收購過程中定級分揀的人為因素，提高煙葉分揀的準確性，設計一套基于PLC控制的散煙在線分揀系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用輸送帶機構承載并輸送煙葉，真空裝置通過氣嘴有效吸附煙葉，機械手機構結合位置檢測傳感器分揀煙葉。以可編程邏輯控制器作為系統(tǒng)的控制核心，研究其控制策略，提出一種多級程序控制方案，并運用仿真軟件對控制程序進行模擬仿真運行。對系統(tǒng)的各個執(zhí)行部件分別進行功能試驗，結果表明：檢測識別機構響應靈敏，能準確控制電機的啟停；真空裝置滿足要求，氣嘴對煙葉的吸附效果良好；機械手帶動氣嘴和煙葉運行狀態(tài)良好，分揀系統(tǒng)可滿足分揀要求。本研究為散煙檢測分級分揀的自動化、數(shù)字化領域提供基礎。
　　關鍵詞：散煙；分揀；PLC；控制系統(tǒng)
　　中圖分類號：S226.5 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0424-04
　　收稿日期：2015-08-07
　　基金項目：河南省科技廳產學研項目（編號：142107000053）；河南省煙草公司科技計劃（編號：201212）。
　　作者簡介：姬江濤（1965—），男，河南偃師人，博士，教授，主要從事智能化農業(yè)裝備研究。
　　通信作者：杜新武，博士，副教授。E-mail：du_xinwu@sina.com。煙草是我國重要的經(jīng)濟作物，在農作物中占有重要的經(jīng)濟地位，不僅是我國重要的出口農產品，而且是我國大部分地區(qū)提高農民收入的重要手段[1]。散煙定級分揀是煙草行業(yè)的一項基礎性工作，GB 2635—1992《烤煙》規(guī)定了42級烤煙綜合評價標準，按照國標對烤煙煙葉進行準確的定級分揀是提高煙草制品品質的關鍵因素，同時也是確保廣大煙農和工業(yè)生產者之間經(jīng)濟利益合理分配的重要依據(jù)。
　　目前，國內外煙草行業(yè)均根據(jù)煙葉標準樣本對煙葉質量進行檢驗與分揀，再依靠人體感官來判斷。依靠評定人員的感官進行定性評定，極易受到客觀環(huán)境條件、評定人員情緒、評定人員經(jīng)驗的影響，從而出現(xiàn)評級定價不準確的現(xiàn)象[2]。每年煙葉收購前，全國各煙區(qū)主管部門均要舉辦培訓班，并將大量樣本發(fā)往各收購站，必然造成人力、物力、財力的巨大消耗[3-4]。傳統(tǒng)的煙葉定級分揀方式不僅給國家、煙農、煙葉加工部門造成經(jīng)濟損失，也使后期加工變得繁瑣[5]。
　　研究現(xiàn)代化的煙葉質量檢測技術，運用多種控制理論，開發(fā)自動程度較高的煙葉分揀裝備，對于裁決煙葉質量糾紛、指導散煙收購定級分揀工作、保護煙農與國家利益均具有非常重要的意義。本研究是“散煙收購自動化分級技術研究及系統(tǒng)開發(fā)”項目的一部分，將定級后的煙葉自動分揀至相應煙箱，以區(qū)分不同級別煙葉的價值，實現(xiàn)煙葉按質定價，在保護煙農經(jīng)濟利益的同時為后續(xù)煙葉加工提供便利。
　　1在線分揀系統(tǒng)組成及工作原理
　　在線分揀系統(tǒng)主要由輸送機構、分揀機構、檢測機構、煙箱組成�？傮w結構見圖1。
　　1.1輸送機構
　　輸送機構是整個系統(tǒng)的基礎載體，散煙放置在輸送帶上依次被分級、輸送、分揀至各級煙箱，結合人機工程學原理，選取人體適宜的操作高度，確定整個輸送機構高度為0.65 m。煙葉在輸送機構上縱向放置，因此輸送機構寬度、輸送帶寬度根據(jù)散煙的最大展開寬度確定。測量煙葉樣本由河南省宜陽縣煙草公司提供，煙葉品種為北方地區(qū)大面積種植的NC89型煙葉，具有代表性，測量平均寬度為0.168 m，最大寬度為0.23 m。考慮余量輸送帶寬度選用0.4 m，輸送機構寬度為 0.5 m，輸送帶材質選用煙草茶葉業(yè)常用的食品級PE輸送帶。
　　整個輸送機構由調頻電機驅動，速度可調，設計的正常工作速度為0.05 m/s。整個輸送機構采用模塊化設計，總體長度可根據(jù)分揀煙葉的級別和分揀機構的數(shù)量調整。
　　1.2分揀機構
　　分揀機構主要由機架、驅動電機、擺臂機構、氣嘴、真空泵等部分組成，整體結構見圖2。
　　驅動電機采用減速電機，工作時減速電機通過傳動機構帶動擺臂機構順時針（逆時針）轉動，實現(xiàn)分揀動作。氣嘴安裝在擺臂末端，氣嘴吸氣口通過氣管與真空泵相連，工作時真空泵保持一定的真空度，當氣嘴接近煙葉時氣閥開啟，氣嘴吸起煙葉，此后擺桿轉動，轉到煙箱位置時氣閥關閉，氣嘴吸力消失，煙葉落入相應煙箱中。
　　驅動電機選用RF27DR63M4系列減速電機（SEW傳動設備公司產品），電機額定功率PN=0.18 kW，額定轉速nN=1 400 r/min，減速比i1=69.47。外部減速傳動機構采用一級齒輪機構傳動，設計傳動比i2=3。分揀機構總傳動比為：
　　i=i1i2=69.47×3=208.41；（1）
　　分揀機構最終轉速為：
　　n=nNi=1 400208.41=6.72 r/min。（2）
　　擺臂機構設計長度為0.6 m，材質選用304不銹鋼管，在滿足使用強度要求的前提下，盡量降低機械擺臂機構的質量，不僅使整個機構更加緊湊和輕巧，還可降低驅動功率。擺臂機構的力學模型為懸臂梁機構，擺臂一端的撓度會影響擺臂運動的穩(wěn)定性，因此需要對擺臂機構撓度進行校核。初選幾種不同尺寸的不銹鋼方管或矩形管，建立力學模型對其撓度進行校核。最終選取規(guī)格為0.04 m×0.03 m×0.002 m的不銹鋼管。最大撓度校核為：
　　wB=Fl33EI。（3）
　　式中：F為擺臂末端作用力，N，取F=20 N；l為擺臂長度，m，設計長度l=0.6 m；E為彈性模量，GPa，資料查詢304不銹鋼E=193 GPa；I為截面慣性矩，m4。
　　由于采用不銹鋼矩形空心管，可知慣性矩I為：
　　I=BH3-bh312。（4）
　　式中：B為不銹鋼管寬度，m，B=0.04 m；H為不銹鋼管高度，m，H=0.03 m；b為不銹鋼管內孔寬度，m，b=0.036 m；h為不銹鋼管內孔高度，m，h=0.026 m。

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