基于PLC控制的散烟分拣系统

　　doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.123
　　摘要：为有效避免散烟收购过程中定级分拣的人为因素，提高烟叶分拣的准确性，设计一套基于PLC控制的散烟在线分拣系统。该系统采用输送带机构承载并输送烟叶，真空装置通过气嘴有效吸附烟叶，机械手机构结合位置检测传感器分拣烟叶。以可编程逻辑控制器作为系统的控制核心，研究其控制策略，提出一种多级程序控制方案，并运用仿真软件对控制程序进行模拟仿真运行。对系统的各个执行部件分别进行功能试验，结果表明：检测识别机构响应灵敏，能准确控制电机的启停；真空装置满足要求，气嘴对烟叶的吸附效果良好；机械手带动气嘴和烟叶运行状态良好，分拣系统可满足分拣要求。本研究为散烟检测分级分拣的自动化、数字化领域提供基础。
　　关键词：散烟；分拣；PLC；控制系统
　　中图分类号：S226.5 文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0424-04
　　收稿日期：2015-08-07
　　基金项目：河南省科技厅产学研项目（编号：142107000053）；河南省烟草公司科技计划（编号：201212）。
　　作者简介：姬江涛（1965—），男，河南偃师人，博士，教授，主要从事智能化农业装备研究。
　　通信作者：杜新武，博士，副教授。E-mail：du_xinwu@sina.com。烟草是我国重要的经济作物，在农作物中占有重要的经济地位，不仅是我国重要的出口农产品，而且是我国大部分地区提高农民收入的重要手段[1]。散烟定级分拣是烟草行业的一项基础性工作，GB 2635—1992《烤烟》规定了42级烤烟综合评价标准，按照国标对烤烟烟叶进行准确的定级分拣是提高烟草制品品质的关键因素，同时也是确保广大烟农和工业生产者之间经济利益合理分配的重要依据。
　　目前，国内外烟草行业均根据烟叶标准样本对烟叶质量进行检验与分拣，再依靠人体感官来判断。依靠评定人员的感官进行定性评定，极易受到客观环境条件、评定人员情绪、评定人员经验的影响，从而出现评级定价不准确的现象[2]。每年烟叶收购前，全国各烟区主管部门均要举办培训班，并将大量样本发往各收购站，必然造成人力、物力、财力的巨大消耗[3-4]。传统的烟叶定级分拣方式不仅给国家、烟农、烟叶加工部门造成经济损失，也使后期加工变得繁琐[5]。
　　研究现代化的烟叶质量检测技术，运用多种控制理论，开发自动程度较高的烟叶分拣装备，对于裁决烟叶质量纠纷、指导散烟收购定级分拣工作、保护烟农与国家利益均具有非常重要的意义。本研究是“散烟收购自动化分级技术研究及系统开发”项目的一部分，将定级后的烟叶自动分拣至相应烟箱，以区分不同级别烟叶的价值，实现烟叶按质定价，在保护烟农经济利益的同时为后续烟叶加工提供便利。
　　1在线分拣系统组成及工作原理
　　在线分拣系统主要由输送机构、分拣机构、检测机构、烟箱组成。总体结构见图1。
　　1.1输送机构
　　输送机构是整个系统的基础载体，散烟放置在输送带上依次被分级、输送、分拣至各级烟箱，结合人机工程学原理，选取人体适宜的操作高度，确定整个输送机构高度为0.65 m。烟叶在输送机构上纵向放置，因此输送机构宽度、输送带宽度根据散烟的最大展开宽度确定。测量烟叶样本由河南省宜阳县烟草公司提供，烟叶品种为北方地区大面积种植的NC89型烟叶，具有代表性，测量平均宽度为0.168 m，最大宽度为0.23 m。考虑余量输送带宽度选用0.4 m，输送机构宽度为 0.5 m，输送带材质选用烟草茶叶业常用的食品级PE输送带。
　　整个输送机构由调频电机驱动，速度可调，设计的正常工作速度为0.05 m/s。整个输送机构采用模块化设计，总体长度可根据分拣烟叶的级别和分拣机构的数量调整。
　　1.2分拣机构
　　分拣机构主要由机架、驱动电机、摆臂机构、气嘴、真空泵等部分组成，整体结构见图2。
　　驱动电机采用减速电机，工作时减速电机通过传动机构带动摆臂机构顺时针（逆时针）转动，实现分拣动作。气嘴安装在摆臂末端，气嘴吸气口通过气管与真空泵相连，工作时真空泵保持一定的真空度，当气嘴接近烟叶时气阀开启，气嘴吸起烟叶，此后摆杆转动，转到烟箱位置时气阀关闭，气嘴吸力消失，烟叶落入相应烟箱中。
　　驱动电机选用RF27DR63M4系列减速电机（SEW传动设备公司产品），电机额定功率PN=0.18 kW，额定转速nN=1 400 r/min，减速比i1=69.47。外部减速传动机构采用一级齿轮机构传动，设计传动比i2=3。分拣机构总传动比为：
　　i=i1i2=69.47×3=208.41；（1）
　　分拣机构最终转速为：
　　n=nNi=1 400208.41=6.72 r/min。（2）
　　摆臂机构设计长度为0.6 m，材质选用304不锈钢管，在满足使用强度要求的前提下，尽量降低机械摆臂机构的质量，不仅使整个机构更加紧凑和轻巧，还可降低驱动功率。摆臂机构的力学模型为悬臂梁机构，摆臂一端的挠度会影响摆臂运动的稳定性，因此需要对摆臂机构挠度进行校核。初选几种不同尺寸的不锈钢方管或矩形管，建立力学模型对其挠度进行校核。最终选取规格为0.04 m×0.03 m×0.002 m的不锈钢管。最大挠度校核为：
　　wB=Fl33EI。（3）
　　式中：F为摆臂末端作用力，N，取F=20 N；l为摆臂长度，m，设计长度l=0.6 m；E为弹性模量，GPa，资料查询304不锈钢E=193 GPa；I为截面惯性矩，m4。
　　由于采用不锈钢矩形空心管，可知惯性矩I为：
　　I=BH3-bh312。（4）
　　式中：B为不锈钢管宽度，m，B=0.04 m；H为不锈钢管高度，m，H=0.03 m；b为不锈钢管内孔宽度，m，b=0.036 m；h为不锈钢管内孔高度，m，h=0.026 m。

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