張帥揚(yáng)，毛文華，董 鑫，李 佳，呂程序，孫 正

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京 100044)

0 引言

種子丸?；^(guò)程大量使用丸化液，用于粘合種子和丸化劑，導(dǎo)致丸化后的種子具有較高的含水率。以番茄種子為例，丸?；逊N子的含水率一般為20%～30%，如果不能及時(shí)進(jìn)行烘干，會(huì)造成外殼變形甚至破裂、種子霉變等問(wèn)題，影響種子儲(chǔ)運(yùn)和正常使用[1]。為適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)要求，提高烘干效率，丸化后的種子需要烘干設(shè)備進(jìn)行干燥，使其達(dá)到商品化種子含水量，并保持活性。根據(jù)烘干工藝，目前種子干燥裝置有塔式、對(duì)撞式、帶式、箱式和轉(zhuǎn)筒式等類(lèi)型[2-3]。包衣丸化種子烘干裝置一般采用轉(zhuǎn)筒式，其具有運(yùn)動(dòng)平緩、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)筒式烘干裝置一般采用橫流烘干原理，熱風(fēng)機(jī)提供橫向流動(dòng)的熱空氣與種子接觸，單筒長(zhǎng)度2～4 m，筒體越長(zhǎng)，種子與熱接觸的機(jī)會(huì)越多，烘干效果越好，但是熱損失越大，能耗越高。目前使用的轉(zhuǎn)筒式烘干裝置缺乏控制系統(tǒng)，一般采用人工調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速和輸入熱力，自動(dòng)化水平偏低。石河子開(kāi)發(fā)區(qū)天佐種子機(jī)械有限公司開(kāi)發(fā)的12棱邊轉(zhuǎn)筒式種子包衣干燥機(jī)，采用封閉式箱體設(shè)計(jì)，通過(guò)變頻器和溫度傳感器進(jìn)行溫度和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，棉種生產(chǎn)效率可達(dá)5.3 t/h，破損率0.5%[4]。南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研發(fā)的5BH-5型種子包衣烘干裝置，采用雙滾筒串聯(lián)橫流烘干的方式，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，干燥強(qiáng)度達(dá)10 kg/(m3·h)，干燥不均勻度≤1%[5]。

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品精度要求及自動(dòng)化水平逐步提高，可編程控制器(PLC)通過(guò)數(shù)字量或模擬量的輸入輸出可實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備及工作流程的自動(dòng)控制，具有功能性強(qiáng)、可靠性高、容易編程和安裝方便等特點(diǎn)，在機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

本文研制適用于丸粒化種子的烘干裝置，設(shè)計(jì)PLC與伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)烘干過(guò)程自動(dòng)控制。

1 烘干裝置

1.1 總體結(jié)構(gòu)

丸粒化種子烘干裝置的主體結(jié)構(gòu)包括內(nèi)外筒、拖輪、伺服電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、齒輪、齒圈和支架等，如圖1所示。伺服電機(jī)為烘干筒提供動(dòng)力，通過(guò)減速器和聯(lián)軸器連接齒輪、齒圈，進(jìn)而帶動(dòng)烘干筒轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.外筒 2.內(nèi)筒 3.拖輪 4.伺服電機(jī) 5.減速器 6.聯(lián)軸器 7.齒圈 8.齒輪 9.出料口 10.支架

1.2 烘干筒

將烘干筒設(shè)計(jì)為內(nèi)外套筒，結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)外筒形成截面類(lèi)“回”字形套筒結(jié)構(gòu)，增加了丸?；N子的熱交換機(jī)會(huì)，縮短了烘干筒的整體長(zhǎng)度，減少了外部散熱面積。雙筒間采用“工”字型支撐連接，保證同軸度。筒內(nèi)壁均安裝螺旋揚(yáng)料板，且內(nèi)外筒螺旋方向相反。烘干筒參數(shù)：外筒外徑500 mm、外筒長(zhǎng)度1 200 mm、內(nèi)筒外徑370 mm、內(nèi)筒長(zhǎng)度1 000 mm、揚(yáng)料板螺距200 mm。丸?；N子首先順熱氣流方向進(jìn)入內(nèi)筒，被揚(yáng)料板揚(yáng)起，在內(nèi)筒循環(huán)一周后，進(jìn)入外筒，再被外筒的熱氣流烘干，使種子均勻受熱，提高熱能利用率。

圖2 烘干筒結(jié)構(gòu)

1.3 齒輪

根據(jù)烘干筒的設(shè)計(jì)參數(shù)，按照回轉(zhuǎn)筒烘干裝置動(dòng)力估算經(jīng)驗(yàn)公式，估算裝置所需功率

P=K’D3Lρpnmax

(1)

式中K’——?jiǎng)恿ο禂?shù)

D——筒體直徑，m

L——筒體長(zhǎng)度，m

ρp——容積密度，kg/m3

nmax——最大轉(zhuǎn)速，r/min

查表取動(dòng)力系數(shù)K’=4.9×10-2，容積密度為ρp≈600 kg/m3，為保證烘干筒平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)定最大轉(zhuǎn)速nmax=50 r/min；則P≈0.4 kW。

根據(jù)實(shí)際需要，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；烘干機(jī)為一般工作機(jī)器，速度不高，選用7級(jí)精度；齒輪材料分別選取小齒輪40 Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度為285 HBS，大齒輪45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為245 HBS。

齒輪強(qiáng)度受齒寬的影響，齒寬越大，承載能力越強(qiáng)，齒輪應(yīng)具有一定寬度，不宜過(guò)窄；但齒寬越大，齒面載荷分布越趨于不均勻，所以需要選取合適的齒寬系數(shù)φd，本裝置選取φd=0.8。按照齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算齒輪的主要幾何尺寸，既可以滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又可以滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)主要幾何參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪主要幾何尺寸

1.4 聯(lián)軸器

根據(jù)傳動(dòng)需求，聯(lián)軸器選型依據(jù)包括轉(zhuǎn)矩、工作轉(zhuǎn)速、緩沖減振、兩軸相對(duì)位移、可靠性與成本等。

由于機(jī)器啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過(guò)載現(xiàn)象，所以應(yīng)按軸上的最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca。根據(jù)計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩Tca及所選的聯(lián)軸器類(lèi)別，按照Tca≤[T]的條件在聯(lián)軸器標(biāo)準(zhǔn)中選定該聯(lián)軸器型號(hào)。[T]為該聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩，被連接軸的轉(zhuǎn)速n不應(yīng)超過(guò)所選聯(lián)軸器允許的最高轉(zhuǎn)速nmax，即n≤nmax。

每一型號(hào)聯(lián)軸器適用軸的直徑在多數(shù)情況下均有一個(gè)范圍。標(biāo)準(zhǔn)中一般給出軸直徑的最大和最小值，或者給出適用直徑的尺寸系列，被連接兩軸的直徑應(yīng)當(dāng)在此范圍之內(nèi)。一般情況下被連接兩軸的直徑是不同的，兩個(gè)軸端的形狀也可能是不同的。

根據(jù)所選聯(lián)軸器允許軸的相對(duì)位移偏差，規(guī)定部件的安裝精度。通常標(biāo)準(zhǔn)中只給出單項(xiàng)位移偏差的允許值。如果有多項(xiàng)位移偏差，則必須根據(jù)聯(lián)軸器的尺寸大小計(jì)算出相互影響的關(guān)系，以此規(guī)定部件安裝精度。

本裝置選用十字滑塊聯(lián)軸器，如圖3所示。一般適用于轉(zhuǎn)速n<250 r/min、軸的剛度較大且無(wú)劇烈沖擊的情況。

圖3 十字滑塊聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

計(jì)算載荷

T=9 550P/n

(2)

Tca=KAT

(3)

查表取工況系數(shù)KA=1.7，代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得Tca約為130 N·m，因此選用SL90型十字滑塊聯(lián)軸器，公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩250 N·m，許用轉(zhuǎn)速250 r/min，軸孔直徑20～30 mm，質(zhì)量2.6 kg。

2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 PLC選型

PLC是控制單元的核心，決定了設(shè)備工作的穩(wěn)定性，PLC可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和處理等功能。根據(jù)實(shí)際需要，選用西門(mén)子S7-200型PLC，可以擴(kuò)展256點(diǎn)數(shù)字量I/O及45路模擬量I/O，24 kB程序存儲(chǔ)空間和10 kB用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，中央處理器可位置控制編程。編程軟件選用STEP7-Micro/WIN，可以梯形圖、語(yǔ)句表和功能模塊圖編程，滿足SIMATIC和IEC61131-3兩種編程模式。通訊配置2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS485端口，使用PPI協(xié)議及自由端口通信模式，與變頻器進(jìn)行通信。種子丸化過(guò)程中使用丸化劑固體粉末，導(dǎo)致工作環(huán)境存在大量粉塵，在電路設(shè)計(jì)上，采用光電隔離，并在PLC的電源線路和I/O回路中設(shè)計(jì)多重濾波電路，以減少外部干擾[6-8]。

2.2 伺服電機(jī)選型

伺服電機(jī)以補(bǔ)助馬達(dá)間接變速的形式控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)。烘干筒轉(zhuǎn)速范圍為0～50 r/min，大小齒輪傳動(dòng)比為5，則小齒輪的轉(zhuǎn)速范圍為0～250 r/min，即軸轉(zhuǎn)速和減速器輸出端轉(zhuǎn)速范圍均為0～250 r/min，減速器減速比為15，選用額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的伺服電機(jī)符合要求。烘干筒的功率0.4 kW。則電機(jī)功率

P電機(jī)=P烘干筒/η

(4)

η=η1η2η3η4

(5)

式中P烘干筒——烘干筒功率，kW

η1——減速器傳動(dòng)效率

η2——聯(lián)軸器傳動(dòng)效率

η3——小齒輪傳動(dòng)效率

η4——大齒輪傳動(dòng)效率

通過(guò)計(jì)算可知，電機(jī)功率約0.5 kW，根據(jù)電機(jī)功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩約為1.59 N·m。因此，選用安川SGM7J-08A伺服電機(jī)，其主要參數(shù)為額定輸出0.75 kW，額定轉(zhuǎn)矩2.39 N·m，瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩8.36 N·m，額定電流4.4 A，瞬時(shí)最大電流16.9 A，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min。其配套伺服單元為SGD7S-5R5A，其主要參數(shù)為連續(xù)輸出電流5.5 A，瞬時(shí)最大輸出電流16.9 A，主回路電源200～230 V(三相)，控制電源200～230 V(單相)，過(guò)電壓等級(jí)Ⅲ。

2.3 PLC與伺服驅(qū)動(dòng)通信

PLC模擬量輸出通道輸出電壓信號(hào)，伺服單元接收該電壓信號(hào)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此達(dá)到控制滾筒轉(zhuǎn)速的目的。

模擬量輸出控制伺服單元，伺服單元的控制信號(hào)為電信號(hào)，設(shè)定范圍為0～10 V。模擬量輸出模塊的每一個(gè)通道都有一個(gè)D/A(數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量)轉(zhuǎn)換器，將PLC處理器處理完的數(shù)字量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠控制現(xiàn)場(chǎng)伺服單元的電信號(hào)，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為0～32 000。滿量程時(shí)電壓輸出的分辨率為12位，模擬量輸出數(shù)據(jù)字是左對(duì)齊，最高有效位是符號(hào)位，0表示正值；最低位是4個(gè)連續(xù)的0，在將數(shù)據(jù)字裝在到DAC寄存器之前，低位的4個(gè)0被截?cái)?，不?huì)影響輸出信號(hào)值[9-11]。

該信號(hào)傳輸?shù)侥M輸出模塊的第一個(gè)通道，地址是AQW0。電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)是線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且D/A轉(zhuǎn)換器為線性轉(zhuǎn)換，用線性變化的方法來(lái)推算模擬量輸出處理的方法。具體的程序如圖4所示。

圖4 PLC程序

2.4 伺服驅(qū)動(dòng)單元配置

采取速度控制的方式控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸入輸出信號(hào)(CN1)連接器有50個(gè)針腳，選用其中5、6、40和47針腳接入主回路，伺服單元SGD7S-5R5A的主回路接線如圖5所示。

圖5 伺服單元SGD7S-5R5A主回路接線

根據(jù)上位指令進(jìn)行伺服電機(jī)試運(yùn)行，在速度控制調(diào)試成功后，與烘干裝置連接，然后通電使用[12-13]。

3 烘干裝置試制與測(cè)試

試制的烘干裝置如圖6所示。工作時(shí)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)烘干筒以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，種子與熱氣流首先被輸送至內(nèi)烘干筒，通過(guò)設(shè)置在內(nèi)烘干筒的螺旋揚(yáng)料板將種子揚(yáng)起，使種子與氣流進(jìn)行熱交換，同時(shí)在氣流和轉(zhuǎn)筒的帶動(dòng)下向前移動(dòng)進(jìn)入外烘干筒。同樣的，通過(guò)設(shè)置在外烘干筒內(nèi)的螺旋揚(yáng)料板將種子揚(yáng)起，使種子與熱氣流進(jìn)行二次熱交換。種子在雙筒內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，反復(fù)烘干。

圖6 烘干裝置

從結(jié)構(gòu)上看，相對(duì)于單筒而言，雙筒設(shè)計(jì)的總散熱面積小于單筒，減少了熱損失；循環(huán)烘干的模式使熱交換更加充分，有效提高了熱能利用率；機(jī)身結(jié)構(gòu)緊湊，整機(jī)長(zhǎng)度相對(duì)于單筒烘干機(jī)大約減少40%，減少占地面積，更有利于裝置布置。

經(jīng)測(cè)試，烘干裝置的具體參數(shù)：外觀(長(zhǎng)×寬×高)：2 000 mm×700 mm×600 mm，質(zhì)量110 kg，烘干筒轉(zhuǎn)速0～50 r/min，烘干溫度50～60 ℃，功率0.55 kW。對(duì)丸粒化番茄種子進(jìn)行干燥，烘干裝置的烘干效率10 kg/h，持續(xù)工作60 min，種子含水率降低10%，烘干后的丸粒化種子如圖7所示。

圖7 烘干種子

4 結(jié)束語(yǔ)

為降低丸粒化種子的含水量，提高種子質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一種與種子包衣機(jī)相適應(yīng)的烘干裝置。采用“回”字型雙筒烘干機(jī)構(gòu)，使整個(gè)裝置更加緊湊，有效節(jié)約了占地面積；采用逆流循環(huán)的烘干方式，可以降低熱量損失，提高烘干效率。采用S7-200型PLC為核心控制單元，分析了PLC線性變換原理，設(shè)計(jì)了模擬量輸出線性轉(zhuǎn)換程序，實(shí)現(xiàn)了PLC與伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的通信。安川SGD7S-5R5A型伺服單元接收S7-200輸出的模擬量信號(hào)，采用速度控制方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了烘干裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程的自動(dòng)控制，提升了機(jī)械運(yùn)行效率和可靠性，為包衣丸化烘干一體化裝置的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。