关键词：秸秆压块机；PLC控制：秸秆；生产线
0、引言目前，我国的秸秆压块机生产效率低、能耗高，凭人工经验进行上料，存在主观误差大、人工成本高，及设备在冬天寒冷地区，不能正常生产等问题，导致成型率低、产量不高，严重影响压块成型质量和压块机生产效率，成为制约秸秆压块机规模生产的瓶颈。
近年来，随着电子技术和微机控制技术的迅猛发展，压块机朝着智能化的方向迈进。丹麦NORVIDAN颗粒机控制系统，利用PC机作为上位机进行生产过程监控，PLC作为下位机实现数据的采集和输出，从而实现制粒机的远程控制。2007年，河南农业大学赵伟利首次采用PLC作为控制单元对HPB -IV型生物质成型机控制系统进行改进，使机器自动化性能有了较大提高。因此，研究开发秸秆压块生产线智能化控制系统，对秸秆规模化综合利用具有重要意义。
本文根据实际生产需要，采用PLC技术对秸秆压块成型温度、秸秆压块机主轴转速及喂人量进行实时控制，从而提高压块机生产产量和压块成型质量，降低压块机吨燃料能耗，以提高生产效率、成型稳定性及工作可靠性。
1、组成及工作原理
秸秆压块机生产线主要由料仓、上料输送装置、压块机和出料输送装置组成，结构原理示意图如图1所示。工作时，采用抓草机将切碎后的秸秆送人料仓，通过料仓内螺旋轴的挤压，切碎秸秆落到上料输送带上：上料输送装置将切碎后的秸秆送人压块机中，通过压块机内的压辊在偏心轴上绕主轴旋转及其与秸秆物料之间的摩擦力作用，切碎秸秆不断被挤压并从环模孔中成型出来：成型压块落到出料输送装置上经过筛子筛选后进行打包装袋。但是，由于秸秆本身的松散特性以及人工上料，该生产线产量低、能耗高且不能实现规模化生产。因此，本文提出将PLC控制技术应用于秸秆生产线，可有效提高生产效率、降低人工成本，并可用于规模化生产。
2、控制系统的设计
2.1总体设计方案
根据秸秆压块生产线生产状况，为了提高秸秆压块机的生产率并降低能耗，采用PLC技术对秸秆压块机的成型温度、主轴转速及喂人量进行控制。由于秸秆含水率不同对应的秸秆压块成型温度及主轴转速（即压块机转速）也不同，为使秸秆压块机生产效率高、能耗低，需使用触摸屏根据秸秆含水率的不同设置相应的成型温度以及主轴转速：根据触摸屏上的设定值，通过PLC发出指令至变频器，从而调节主轴转速，当加热温度达到触摸屏上预设成型温度时自动停止加热。在上料输送装置上安装称重传感器，PLC采集该模拟量信号，通过PLC中PID调节功能，输出信号调节料仓的转速，从而实现秸秆喂人量的控制。
2.2系统硬件设计
根据该控制系统所需的控制功能及I/O点数，选用S7 -200系列CPU224XP，数字量扩展模块EM221和模拟量扩展模块EM235，它们之间通过扩展电缆连接，具体I/O分配如表1～表2所示。采用威纶M工6056i触摸屏，通过RS485通讯线与PLC进行通信。系统中由于上料输送带是倾斜安装的，并且切碎秸秆本身具有松散性，故称重传感器选用YZC-328型波纹管式传感器，通过称重变送器输出4～20mA电流信号到PLC中：温度传感器选用WZP-230型一体化温度传感器，可直接输出4～20mA电流信号到PLC中。变频器分别选用施耐德的A工V71HU40N4，380V/75kW与A工V71HD75 N4，380V/4kW，并设置4～20mA电流控制信号，分别用于调节主轴电机转速以及料仓电机转速。
2.3系统软件设计
PLC控制软件的设计主要是根据所确定的总体设计方案使用相应的编程语言指令编写实现控制要求与功能的PLC用户程序。对该控制系统采用了手动和自动两种操作方式：手动操作主要由控制柜上的旋转开关控制加热器及各部分电机的启动，用于设备的调试和维修：在设备的正常生产状态下采用自动控制方式，自动控制流程图如图2所示。
在该控制系统中，为保证秸秆压块机正常生产（不堵机），降低能耗，对秸秆压块机喂人量采用了PID控制。其可通过上料输送带上秸秆的质量来调节料仓的转速（由于切碎秸秆的质量比较轻，对上料输送带的冲击小可忽略不计，上料输送带恒速运行）。PID控制原理图如图3所示。
采用S工EP7 -Micro/WIN V4.0编程软件，该软件提供了PID指令向导，可以生成一个闭环控制过程的PID算法。此向导可以完成绝大多数PID运算的自动编程，只需在主程序中调用PID向导生成的子程序，就可以完成PID控制任务。PID控制算法程序框图如图4所示。其中，PVI为输入过程值（反馈）的模拟量输入地址；Se工poin_R为输入设定值变量地址，也可以为输入设定值常数；Ou工pu工为控制量的输出地址。采用S7 -200PLC的PID参数整定功能与S工EP7 -Micro/WIN V4.0编程软件的PID调节控制面板相结合可以实现PID参数白整定，根据开始时上料输送机上切碎秸秆的质量变化情况白适应地调整PID控制的主要参数（比例增益、微分时间、积分时间等）。上料输送带上的切碎秸秆的质量是一个反馈信号，根据称重传感器检测到的物料的质量来自动调节料仓的转速：物料偏重时降低料仓电机的转速，物料偏轻了就增加料仓的转速。
2.4人机界面
考虑到经济实用性，人机界面采用威纶M工6056i型触摸屏，软件采用威纶专用软件EB8000V465. 12，通过RS485通讯线与PLC进行通信。在触摸屏上可以对加热温度、主轴转速的参数进行设置，对系统电流、料仓转速、加热温度以及压块机转速进行监控。触摸屏界面如图5所示。
3、结论
实践证明：采用PLC技术结合触摸屏的应用，该秸秆压块机生产线平均生产率可达到1.5 工/h，压块成型率达到98.9%，吨燃料能耗为30. 2kW·h/工。该控制系统有效提高了秸秆压块成型率以及成型质量，降低了压块机吨燃料能耗以及生产成本，并极大程度地提升了秸秆压块机生产线的自动化程度，保证了秸秆压块机在稳定的工况下生产，操作方便，减少了工人的工作量。
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