基于PLC的玉米秸秆打包机控制系统设计

李伟

[摘要]打包机是一种自动化程度较高的机械设备，在打包机控制系统中应用PLC可以优化系统设计，同时节省工作时间和增加产能。文章以玉米秸秆打包机的控制系统为例，利用施耐德FC2N操作平台详细阐述玉米秸秆打包机控制系统的软硬件组成及系统程序实现过程。

[关键词]打包机;控制系统;程序

中图分类号：S817.124 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.201909

秸秆打包机是利用压缩原理研制出来的，可对玉米等农作物秸秆进行高效集约化收集打包，便于电厂焚烧发电。PLC技术给工业机器设备提供了稳定的技术支持，应用于打包机控制系统领域可极大地促进系统的可操作性和智能化。旧式机电设备用防火墙技术对操作系统进行保护，该技术需要大量的电子元器件支持，集成复杂且节点交会，导致发生问题的概率增大，机器的运行稳定性降低。国产玉米秸秆打包机多采用人工或简单的液压系统，自动化、智能化程度不高，需要消耗大量的人力成本且打包品质难以保证。由此可见，研究节省人力、自动智能的打包机器具有一定的实际意义。

将施耐德公司的FC2N产品当中的FC2N-128MR型号可编程控制器[1]作为玉米秸秆打包机控制系统的核心，由于打包机的操作过程需要根据打包程序进行设计，因此在编程时要使用不同的程序设计方法，例如文章中的打包机编程中使用了状态旋移设计法和经验编程法，状态旋移设计法中使用字节进梯形命令LTL的编程方法，该方法可增强程序的可操作性，同时有利于编程人员学习程序的使用方法。使用了FC系列可编程控制器的操作运行化命令JSL，进一步升级了系统的逻辑设计，其中打包机的自动程序和返至原点程序使用了字节进梯形命令LTL语言操作模式，另外手动程序使用了试凑法的编程方法，所使用的软件是施耐德公司的SMOAC—FCGT/WYE—F。

1 系统硬件设计

FC2N是FC系列中稳定性最高、操作性最强的、空间最小的可编程控制器[2-3]。其接线见图1。

设备参数：

（1）电脑：要求机型是戴尔 PC/AT（兼容），中央处理器为i5及以上，运行内存至少为2G，推荐使用4G运行内存。

（2）集成开发环境：使用SMOAC—FCGT/WYE—F编程软件，该编程软件可对FC系列PLC进行程序编制，PC机操作系统推荐使用WIN XP或WIN 7以上操作系統。

（3）接口单元：采用FC-457BRC型或AV457H/DES762旋换器（微型）或FC-256AW型SE352C/FR455旋换器（外协式），以及其他指定的旋换器。

（4）通信器材：采用FC-675CAB缆线型BG-488缆线。

2 系统的软件设计原理

状态旋移设计法的根本是用系统的一个固定时间化为几个连续的过程，每一个过程叫作为字节，同时使用编程元件（例如帮助继电器L和状态N）来表示每一字节。根据输出量的过程变化可区别不同字节，输出量的开/关的情况在不同的字节之间有所不同，在相邻的两字节之间的输出量总的情况也不同。由于不同字节之间存在这种区别，因此可使得代表各字节的编程元件状态与各输出量状态之间产生较强的代码关联[4]，这种关联正是编程所需的。旋移法使用旋换条件来将标志各字节的电子元件的状态按一定的顺序变化并进行控制，使用代表各字节的电子元件控制继电器输出。旋换条件是系统从当前字节旋入下一字节的信号，旋换条件可在软件中设置，如使用计时器、继电器等接通产生旋换信号，也可使用外部硬件进行信号输入，如开关按钮闭合或断开、传感器信号等，因为旋换信号的形式不同所产生的功能也就不同，所以旋换条件应根据实际需求进行设计。

状态旋移设计法具有悠久的历史，其设计思想便于程序的设计，得到了广泛的应用，该方法的使用克服了继电器控制系统的缺陷，继电器控制中的顺序控制方法使用的是有碰点的字节进式选线器或条形调节装置，而碰点操作会消耗和磨损器件，导致系统的工作过程不稳定甚至失灵。20世纪60年代设计的顺序控制器的主要构成包括一些独立元件和一定范围的集成电路，但这种顺序控制设计的可操作性十分有限，稳定性也不够高，目前已基本无应用。而因为编程控制器的设计继承了状态控制思想，所以在PLC中需要明确各个器件是何种状态，为了方便程序设计和宽展用途，许多PLC厂商向用户提供了众多统一的和专门的电子元件及其开发指令和语言，如供设计顺序控制程序用的顺序功能图语言，是当前梯形图设计的主流思想，也是许多主流PLC都采用的程序设计语言，现已成为PLC的关键的工具编程语言和方法。

字节梯形命令可以叫作LTL命令，在FC系列PLC中一条RET命令，该命令可使LTL命令返至原位。有了这两条命令为快速地编制顺序控制梯形图程序提供了便利。在KC编程软件中可用符合JTY1241-5标准的顺序功能图（MHC）编程语言进行编程的编制，通过MHC可形成程序的命令表，对于采用其他语言编制的程序，如梯形图、命令表，均可转换为顺序功能图。在KC软件中，可进行运行监控和状态识别等操作，在顺序功能图中均可视化地展现，这方便用户观察器件状态，及时发现问题并予以纠正，节省了硬件调试的时间和成本。FC2N的字节进梯形命令程序编制使得程序可读性更强，逻辑更加清晰，同时也增强了运行的稳定性。FC2N的状态T0-T9用于第一字节，T10-T19用于返至首点，T20-T499是通用状态，T500-T899有关闭电压稳定功能，T900-T999用于警示。在程序编制时，将这些状态与字节进梯形命令一起组织编写完成预定的功能。LTL碰点是利用LTL命令的状态的常开开关，可完成对压载的导电处理、命令条件调整和指定目标调整三种功能，当其中一字节为活动字节时，对应的LTL碰点联通，该字节的压载被控制，当该字节后面的旋换信号产生，满足旋换条件时，则后续字节对应的状态被JET命令置位，后来字节变为活动字节，同时与旧操作字节对应的情况被系统程序恢复就位，原活动字节对应的LTL碰点关闭。

3 玉米秸秆打包机控制系统的实现

3.1 玉米秸秆打包机的基本动作

工业生产线上玉米秸秆打包机经过下面的基本操作：切块、给料、给料开关、压力提升、首压提升、升斗、上下旋斗、降斗、加压右边和左边、扎包、顶包提升、送包布。这些操作中给料动作由电动机5M统一监控。首压泵电动机8M和电子开关T14、C25完成受压开关的提升及升斗、降斗操作。加压泵电动机9M和电子开关CV2、CV3完成加压开关的提升操作。监控油泵电动机9M完成左右旋斗电子开关CV5、CV6的操作，电子开关CV11、CV12完成顶包提升的操作、CV3完成挡料门关闭的操作、CV7完成扎包的动作、CV18完成放包布的操作。电动机7M控制左边和右边的加压操作，设置的各操作到位均有机位闸和行程闸进行限位[5]。

3.2 打包机规程

步骤要求：在斗体的位置正确就位后，才允许进行其他操作;在进行左右旋斗操作前，加压、首压应到上面位;首压提高和升斗同时在上面位时才可以进行左右旋斗操作。打包机的操作控制方式规定为人工操作、旋回原点、奇数字节操作、不间断、移动原点操作、自动起动、停车。

控制操作流程：第一字节玉米秸秆原料右边给料，原料通过传送带运输至首压上，降下给料门，这时首壓和加压一并提高。当首压和加压都提高到上面位时，首压立即升斗，当首压提高到升斗上机同时首压上机也已经达到标准值时开始左右旋斗，把里面的物料分层放置摊铺。然后首压立即降斗，当降斗到达设计值后，原料开始右边提高至加压上，首压压低至刚开始位置时下一字节立即对原料进行扎包。当扎包结束后，预压开始，右边进行放包布操作，顶包放出开始放包布，包字节结束，将顶包提高，玉米包装完毕运走，系统回到初始位置[6]（见图2）。

3.3 打包机控制操作过程

本打包机中的可编程控制器的输入/输出继电器地址编排见表1，包括56个输入信号和24个输出信号，选用施耐德公司的FC2N128MR可编程序控制器，该控制器输入和输出口都为79个口，符合设计要求。表中MU为位置开关，QC为按钮，JZ为检测开关，YV为电子开关，PO为碰电器。

打包机的操作方式包括人工操作和全自动操作。人工操作程序非常简单明了，采用试凑法将状态旋移图通过状态旋移设计法实现。全自动操作包括连续、奇数周期、奇数字节、自动返至原来状态等[7]。

系统必须保证在PLC发生故障或在极端状态下能迅速关闭PLC压载电荷，采用交流接触器PO实现对PLC的通断电。在PLC开始操作时按下“压载电荷”开关，使交流接触器接通，外部压载接通交流电，一旦产生故障，“警示关闭”按钮启动，立刻断开交流接触器。

系统设有5种工作模式：人工操作、奇数周期、奇数字节、不间断和回返原点。打包机在给料门开、首压位于下面位、加压位于下机且加压位于左边机位、停止扎包、顶包位于上机且停止放包布时，系统位于原点状态。

当系统处于奇数周期工作模式时，按下起动按钮C26，打包机从状态S20开始按顺序功能图的流程进工作，在做完一个周期的节点操作后，程序指针返回并停留在开始字节。当系统处于不间断工作方式时，在开始状态按下起动按钮，打包机从初始字节开始按周期反复不间断地工作，在最后一个周期的工作完成后，程序指针才回到并停留在初始字节。当系统处于奇数字节操作模式时，系统按照字节顺序一步一步做起，从开始字节起，按一下起动按钮，系统操作到下一字节，该字节的任务完成后，自动停止操作并停在该字节，因而该操作模式可用于硬件调试和故障排查，也可用于系统的优化升级。在应用奇数周期、不间断和奇数字节操作模式之前，系统应位于原点，如果该条件未达到，则需要启动回原点操作模式。启动原点起动按钮C25，可使系统自动返回原点状态，为操作奇数周期、不间断和奇数字节操作模式做好调试准备。

使用奇数向顺序开关式平衡电路，可防止液压缸或竖向移动的电子元件产生向下轴向移动，这种电路可以帮助提升竖向移动的电子元件在下移时的操作稳定性。方向操作开关在利用液压中起预防和导流油液按标准设计要求的方位出入路径，即在油路中起调整油液移动方向的效果。满流开关应用到满量油泵液压控制器。满流开关通常打开，随着电子元件所需油量的升高，开关的满流量时大时小，可以保证装置中的压力维持稳定状态。运行满流开关装置的压力，即可调整系统的供油操作。

3.4 打包机可编程序设计

FC系列可编程序控制器的第一个状态命令IST的功能命令编号叫作FNC60，它和LTL命令共同操作，一般用来调节拥有众多操作模式的控制系统的第一个状态和设置相关的帮助继电器的状态，可以极大地提升优化升级难解的顺序控制程序的逻辑编制工作。本设计IST命令中的S20和S39表示在自动操作中用到的最低和最高的电子元件号，IST中的操作数通常命名为C、Y和M，原始控制数C30用来标识与操作模式有关的输入继电器的电子元件，从C30开始的8个输入继电器的作用：人工操作C30、返至原点操作C31、奇数字节运输操作C32、奇数周期运输C33、不间断运行C34、返志原点操作C35、自动操作C36、停车操作C37。

C30～C34中有且只有一个位于联通状态，利用选择开关以保证这5个输入操作中只有一个状态为ON。IST命令的执行条件符合标准要求时，首次状态K0～K2和下面的帮助继电器会全自动认定为下面的特征，如果IST命令的运行状态改成关闭，电子元件严禁调节M5040、启动调节M5041、启动脉冲M5042、LTL监控状态M5047、手动操作初始状态K0、返回至首点初始状态K1、自动操作初始状态K2的特性还是十分稳定。

用LTL命令编制自动程序的顺序功能图，M5041调节开始帮助继电器和M5044首点条件帮助继电器从自动程序的首个状态K2调整到第二个操作模式S20。遵行规程，按照IST命令中要求的操作模式用的输入继电器元件号顺序，使用IST命令后，系统的人工操作模式、自动操作模式、奇数周期模式、奇数字节模式、不间断模式和返至原点这几种操作模式的调整由编制程序自动运行。帮助继电器M5040-M5042用于操作模式的调整，IST命令自动运行这些继电器，通过系统程序来操作实现控制电路的功能的多种操作模式，无需用户写入。

返至首点完成继电器M5043在系统返至首点时，通过用户程序，使用SET命令使其就位。首点条件继电器M5044在系统符合初始条件时为开启状态。

返至首点的顺序功能图中使用S10-S19，自动回到首点程序完成返至首点功能，当首点条件满足时，继电器M5044为ON状态，在自动返回首点完成后，使用SET命令将M5043设置为ON，使用RST命令将回原点顺序功能图中的最后一字节S13复位。用第一状态K0控制人工操作程序，由于人工操作程序、自动程序和回首点程序均用LTL碰点驱动，不会同时被操作，因此用LTL命令和INT命令操作时，不使用CR命令实现共用程序、自动程序和人工程序系统集群。

4 结束语

玉米秸秆打包机是当今高度自动化流水线上独有的机器设备，它把机械、电子计算机、液压集成为一体，然后将打包好的成品，统一运至电厂通过焚烧处理[8]。文章详细阐述了玉米秸秆打包机控制系统基本构成，施耐德FC2N系列PLC的功能特性和程序实际流程及方法。在PC机上利用施耐德公司提供的编程软件向PLC输入程序，该程序输入方式很实用，降低了使用专用编程器的成本，适应现代科技社会信息技术的发展和可编程控制系统的升级。

参考文献

[1] 朱建军，庞岩，李启涛.基于PLC的水斗液位监控系统的设计[J].科学技术创新，2019（15）：66-67.

[2] 罗小妮，巢琳，田占军.PLC技术在煤矿机电中的应用研究[J]. 网络安全技术与应用，2014（12）：209+211.

[3] 王永刚.基于PCL技术的煤矿机电控制系统应用研究[J].能源与节能，2018（4）：164-165.

[4] 印祥，杨腾祥，金诚谦，等.玉米精量播种智能控制系统研制[J]. 农机化研究，2018，40（9）：125-128+133.

[5] 冯硕.基于PLC技术的播种机电气自动化技术研究[J].农机化研究，2019，42（1）：237-240+260.

[6] 李正义，任振辉，王艳君.基于PLC的玉米精量播种控制系统设计[J].农机化研究，2020，42（1）：70-74.

[7] 白英杰.西門子PLC控制系统在BGC-200打包机中的设计应用[J]. 炼油与化工，2019，30（1）：54-55.

[8] 彭小武，游玺，陈康颖，等.PLC技术在机电一体化控制中的应用[J].南方农机，2019，50（14）：164.