蘇偉樂　李金燦　黎智聰　王為憑

摘 要：為提高蔬菜切割效率，設(shè)計(jì)一種基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜切割機(jī)。文中的自動(dòng)切菜系統(tǒng)使用PLC、觸摸屏、網(wǎng)關(guān)作為現(xiàn)場(chǎng)和物聯(lián)網(wǎng)云端的控制流程執(zhí)行信號(hào)的控制核心，前端配套金屬傳感器與紅外傳感器，滿足切菜條件后由PLC輸出開關(guān)信號(hào)到變頻器，啟動(dòng)切菜控制電機(jī)和傳送帶電機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割與運(yùn)輸蔬菜的功能。該系統(tǒng)能使用手機(jī)APP及現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制，具有較優(yōu)的控制特性，有較好的推廣意義。

關(guān)鍵詞：蔬菜自動(dòng)切割;物聯(lián)網(wǎng)云端;觸摸屏;PLC;變頻器;APP

中圖分類號(hào)：TP271文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）03-0-03

0 引 言

自動(dòng)切割機(jī)是將傳統(tǒng)的手工切菜以現(xiàn)代化的自動(dòng)過程完成的替代品，可以將投入的蔬菜切成粒、片、塊等形狀。人長久保持切菜動(dòng)作難免會(huì)麻木出錯(cuò)，影響菜品質(zhì)量和產(chǎn)生人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。在講究效率和以人為本的現(xiàn)代社會(huì)，依靠人力去處理大量的蔬菜是不可取的，因此蔬菜的自動(dòng)切割處理越發(fā)引人關(guān)注[1-2]。本設(shè)計(jì)是結(jié)合省級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)瓜類蔬菜的高效切片或切塊。

經(jīng)調(diào)研、討論確定設(shè)計(jì)方案：在手動(dòng)啟停與恒速的切割機(jī)基礎(chǔ)上，加裝金屬傳感器與紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)滿足條件的啟動(dòng)與不滿足條件的停機(jī)及切菜傳菜速度可調(diào)，并將系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)信息通過PLC采集后發(fā)送到觸摸屏和網(wǎng)關(guān)上云，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與云端監(jiān)控[3]。

采用信捷XC3標(biāo)準(zhǔn)系列的PLC，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，這是整個(gè)系統(tǒng)的核心。此外，在RS 485通信協(xié)議下，網(wǎng)關(guān)可以實(shí)時(shí)獲取PLC內(nèi)部元件的工作狀態(tài)，從而在云端后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)[4-5]。

1 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)主要根據(jù)蔬菜自動(dòng)切割系統(tǒng)的工作原理，PLC的工作原理，以及傳感器前端檢測(cè)與信號(hào)輸出原理，進(jìn)行軟硬件以及人機(jī)界面設(shè)計(jì)，在自動(dòng)化和安全性上能達(dá)到既定的目標(biāo)。

蔬菜切割和傳送是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，力求做到蔬菜切割均勻;其次是安全性問題，只要有人操作的地方就要添加防止誤傷人體的功能;然后是整套設(shè)備的體積問題，如果太大將不實(shí)用;最后是添加物聯(lián)網(wǎng)控制監(jiān)測(cè)[6]。

綜上，所需設(shè)備及技術(shù)包括：電氣控制部分有空氣開關(guān)、信捷PLC以及模擬量輸出模塊、信捷觸摸屏、變頻器、電源模塊、對(duì)射型紅外柵欄傳感器、金屬渦流傳感器，需要掌握電氣控制技術(shù)、組態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)、變頻器外部信號(hào)輸入啟動(dòng)和調(diào)頻技術(shù)、低壓電路回路接線技術(shù);切割部分有2臺(tái)單進(jìn)單出單相電機(jī)、傳送帶、金屬機(jī)架與部件、動(dòng)力輸出帶以及鏈條、龍門吊型切刀;創(chuàng)新功能部分有人防安全設(shè)置、物聯(lián)網(wǎng)功能，需要根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)結(jié)合實(shí)際要求進(jìn)行添加控制功能的理念和能力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 PLC選型及I/O接線

根據(jù)系統(tǒng)工藝、運(yùn)行要求，確定PLC型號(hào)為信捷XC3-32R-E，輸入/輸出I/O的點(diǎn)數(shù)為16 /16點(diǎn)，并根據(jù)控制變頻器的需要，選擇了模擬量輸出擴(kuò)展BD板。PLC的I/O接線圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

切菜系統(tǒng)主要由變頻器、三相異步電機(jī)、切刀、傳送帶、金屬傳感器、紅外光柵傳感器、觸摸屏組成。

3.1.1 硬件選型

變頻器采用基于PWM控制的單相輸出的變頻器，可設(shè)置為手動(dòng)控制或外部控制模式，控制模式可通過外接設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制進(jìn)行調(diào)頻，能實(shí)現(xiàn)0～50 Hz范圍之間的頻率改變，型號(hào)分別為AT2-1500X、AT2-0450X，工作電源電壓為200 V，帶有滑差補(bǔ)償功能，對(duì)于沖擊性負(fù)載有良好的適應(yīng)性，可保證電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速恒定[7]。

觸摸屏TG765S的液晶可在環(huán)境溫度25 ℃下壽命50 000 h以上，環(huán)境運(yùn)行溫度在0～50 ℃之間，存儲(chǔ)溫度在-20～60 ℃之間，運(yùn)行濕度10%RH～90%RH（無凝露）之間，支持RS 232通信方式，可通過USB-B接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸，提高工作效率。

菜刀電機(jī)采用臥式370 W，220 V的單相電機(jī)YL90L-6。單相電機(jī)YL90系列單相雙值電容電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，可達(dá)40 N·m以上，滿足菜刀動(dòng)力需求，額定轉(zhuǎn)速可達(dá)900 r/min。傳送帶電機(jī)采用臥式370 W，220 V的單相感應(yīng)電機(jī)YY7134，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)30 N·m以上，滿足傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)需求，額定轉(zhuǎn)速[8]可達(dá)1 400 r/min。菜刀的運(yùn)動(dòng)方向卻是垂直雙向的，而電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向是旋轉(zhuǎn)型的，所以菜刀與電機(jī)的動(dòng)力方向需要轉(zhuǎn)換，于是選用傳統(tǒng)的曲柄連桿裝置，它能相互轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)方向和垂直方向的動(dòng)力。由于周長大的圓與周長小的圓旋轉(zhuǎn)同一角度，大圓的運(yùn)動(dòng)距離跟遠(yuǎn)，故電機(jī)的轉(zhuǎn)子外加一個(gè)大一些的傳送帶卡槽，然后通過傳送皮帶間接傳輸動(dòng)力以提高菜刀的速度。

安全蓋使用的傳感器為金屬渦流傳感器[9]。當(dāng)安全蓋打開時(shí)，安全蓋上的金屬會(huì)脫離金屬渦流傳感器的檢測(cè)范圍，傳感器此時(shí)會(huì)反饋一個(gè)信號(hào)給PLC，PLC再根據(jù)程序進(jìn)行停機(jī)處理。檢測(cè)蔬菜的傳感器則選用數(shù)字變頻紅外光柵探測(cè)器，紅外探測(cè)器分發(fā)送端和接收端兩部分，能在-40～70 ℃環(huán)境溫度下正常運(yùn)行，且靈敏度高，僅需遮擋紅外線30 ms即可檢測(cè)出物品，探測(cè)距離大，使用低頻的紅外線進(jìn)行探測(cè)，對(duì)有紅外線的家用電器無任何干擾，擁有智能光強(qiáng)檢測(cè)，降低功耗又可分辨出燈光和太陽光，可抗水珠、霧氣干擾，非常符合工作場(chǎng)景。設(shè)備開啟并運(yùn)作時(shí)，當(dāng)紅外探測(cè)器檢測(cè)到蔬菜，PLC會(huì)根據(jù)選擇的設(shè)置進(jìn)行加工處理，如5 s未檢測(cè)到有新的物品放入，PLC會(huì)使電機(jī)進(jìn)入暫時(shí)停機(jī)模式以節(jié)能。

3.1.2 硬件搭建

首先將兩個(gè)電動(dòng)機(jī)以臥式方式安裝在鐵架的最下方，以避免固定電動(dòng)機(jī)的螺絲在工作時(shí)避免因重力的干擾而容易出現(xiàn)松動(dòng);而且采用U型槽來固定電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)在U型槽中可以實(shí)現(xiàn)1 cm左右的微調(diào)，方便以后進(jìn)行優(yōu)化。然后在鐵架上方安裝傳送帶。由于傳送帶的使用占據(jù)了蔬菜切割機(jī)的所有過程，故對(duì)傳送帶的安裝進(jìn)行優(yōu)化。傳送帶的出菜口端是固定的，入菜口端則是通過較長的螺絲與帶有相應(yīng)螺絲孔的鐵桿軸之間的咬合進(jìn)行拉伸固定。因此傳送帶可調(diào)節(jié)松緊度以解決傳送帶使用久后出現(xiàn)松動(dòng)這一問題，且方便拆卸、清洗。在應(yīng)對(duì)較輕的蔬菜時(shí)，可將傳送帶放松一些，減小電動(dòng)機(jī)的工作負(fù)荷;而在應(yīng)對(duì)較重的蔬菜時(shí)，可以適當(dāng)?shù)膶魉蛶Юo[10]。

為了避免水滴、殘?jiān)佑|到電機(jī)和提高切割機(jī)的清洗的簡(jiǎn)易度，在傳送帶下方安裝一個(gè)隔絕的擋板，在擋板上面放入一個(gè)寬矮的廢棄物收集槽用以收集殘?jiān)退?，收集槽可像抽屜一樣完全拉出，待清洗后再放入即可。裸露的菜刀并不安全，而全封閉的又不方便清洗、維護(hù)，故在傳送帶上方的菜刀的前后位置安裝一個(gè)凸型鐵皮，避免菜刀裸露在外面，然后在離菜刀近的出菜口端安裝上保護(hù)蓋及金屬渦流傳感器，入菜口端離菜刀較遠(yuǎn)，需要伸入2/3的手臂才能接觸到菜刀，因此較為安全。紅外光柵則安裝在入菜口端的左右兩邊。對(duì)于PLC、變頻器、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、天線和空氣開關(guān)等器件，采用模塊化安裝，統(tǒng)一將它們安裝在全封閉的木箱中，木箱可掛于切割機(jī)的兩側(cè)，當(dāng)需要進(jìn)行常規(guī)檢查或者有器件損壞時(shí)，可針對(duì)性進(jìn)行統(tǒng)一檢查或維修，這樣就不會(huì)出現(xiàn)因設(shè)備內(nèi)部雜亂且空間不足而難以對(duì)各個(gè)器件進(jìn)行拆除、維修等問題，方便后期維護(hù)。切菜機(jī)硬件圖如圖3所示。

3.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)需要按照作品預(yù)期想要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行設(shè)

計(jì)[11]。整套程序分多個(gè)模塊，雖各自功能不同，卻又相互聯(lián)系、缺一不可。為了能達(dá)到預(yù)期的控制效果，每一項(xiàng)功能的程序必須細(xì)致編寫，提防在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的邏輯錯(cuò)誤而導(dǎo)致的運(yùn)行失敗。自動(dòng)切菜機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)流程如圖4所示。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)功能設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)功能在本項(xiàng)目的具體應(yīng)用為：在原基礎(chǔ)控制平臺(tái)上加裝廣州智嵌公司自主研發(fā)的萬能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為監(jiān)控中介，如圖5所示，利用485通信方式、Modbus通信協(xié)議對(duì)PLC的內(nèi)部寄存器與繼電器進(jìn)行讀/寫操作。流程為網(wǎng)關(guān)讀取到PLC的數(shù)據(jù)先上傳到中國移動(dòng)OneNET平臺(tái)，最后由智嵌公司的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)上后端做可視化[12]，如圖6所示;而寫數(shù)據(jù)則在平臺(tái)上定義按鈕路徑，通過在平臺(tái)上做相關(guān)控制操作，通過云端及手機(jī)APP開發(fā)，亦借由網(wǎng)關(guān)將控制信號(hào)傳送到PLC，再執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)控制功能，如圖7所示。

3.4 系統(tǒng)調(diào)試

前期所有準(zhǔn)備工作包括：檢測(cè)控制系統(tǒng)與主硬件完整接線、變頻器和電機(jī)及傳感器等各硬件信號(hào)響應(yīng)和輸出是否正常、PLC與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)各自程序模擬運(yùn)轉(zhuǎn)正常、觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)及連接PLC。

測(cè)試結(jié)果：控制方面，觸摸屏以及云端物聯(lián)網(wǎng)APP可以根據(jù)系統(tǒng)反饋運(yùn)行條件手動(dòng)啟停，以及自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行與待機(jī)自循環(huán)判斷執(zhí)行環(huán)節(jié)，并能調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速;運(yùn)行數(shù)據(jù)方面，在觸摸屏現(xiàn)地以及物聯(lián)網(wǎng)云端顯示。但亦存在傳送帶的工作過程不太流暢，團(tuán)隊(duì)更換了其材質(zhì)以及調(diào)節(jié)松緊度，最終較好解決問題。運(yùn)轉(zhuǎn)信息結(jié)合經(jīng)濟(jì)以及實(shí)用因素考慮后設(shè)定為10 s上傳1次到云端后臺(tái)，但可實(shí)時(shí)下發(fā)控制量。

4 結(jié) 語

本項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)室完成了軟件虛擬運(yùn)行與硬件實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)與組裝調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了放入蔬菜后即可自動(dòng)切菜的預(yù)期功能。同時(shí)也表明，PLC作為控制核心可以實(shí)現(xiàn)非常清晰的邏輯控制，搭配傳感器可以提升傳統(tǒng)控制模式的智能化水平，同時(shí)配合人機(jī)界面和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、手機(jī)APP功能或使系統(tǒng)有優(yōu)異的控制性能。

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