一种基于PLC的自动椰青加工机电气自动控制系统

本发明涉及一种椰子加工设备，具体涉及一种自动椰青加工机的电气自动控制系统。

背景技术：

椰子（cocosnuciferal.）是棕榈科椰子属植物，为多年生常绿乔木，广泛分布于世界上近100个地处热带的国家和地区，其中主产国是印尼、泰国、菲律宾、印度和斯里兰卡等，我国椰子的主要种植区在海南，种植面积和果实产量均占全国的90%以上。椰子果是椰子树的果实即椰果，俗称椰子。椰子树全身都是宝，椰子花、椰子果、椰子叶、椰子木和椰子根等均可加以利用，以椰子果的椰子肉、椰子水、椰衣、椰壳的应用最广泛，其中以椰子肉、椰子水等为原料的椰子食品加工业是海南食品工业的重要支柱之一。因此椰子产业在海南经济发展中发挥着重要作用。

海南椰子加工的产品包括椰子汁、椰子糖果、食品椰干、椰纤果（椰子水发酵的细菌纤维素凝胶）等，另外还有椰子原浆、浓缩椰奶、椰子油等椰子加工品。

椰果中的椰子汁是天然理想的清凉解暑饮料，但是因椰果体积较大，且形状不规则，不宜放置，所以不便长途运输，而且其椰衣较厚，饮用时需要借助刀具劈砍，给消费者食用带来诸多不便，为解决这些问题，马来西亚等东南亚国家把椰果的椰衣削去，并加工成规则的形状，便于存放、饮用、包装和运输，即把椰果加工为椰青，虽然椰青有着较大的市场需求，但是其加工技术比较落后，严重制约了椰青加工技术的发展。海南是我国椰果的主要产区，椰青加工也多集中在海南地区，虽经过近些年的发展，但是椰青加工方式仍然以原始的手工加工为主，利用砍刀劈砍椰果的外衣，大致削出椰青的形状，然后利用刀具精细加工使之成为椰青形状。这种加工方式效率低，无法满足市场的大量需求，同时耗费较大的人力，且存在加工的椰青大小不一、外观不规则、重心不稳等不规范问题；另外人工操作还存在危险性，操作人员伤手情况不断发生，轻者皮肉受伤，重者断掉手指，给操作人员的身心带来极大伤害。为提高椰青加工的自动化、智能化，本研究团队设计制造了基于可编程序控制器（plc）的自动化程度较高的椰青加工机，以提高椰青加工企业的生产效率，改善工人的工作环境。

技术实现要素：

本发明是设计一种高效、安全的基于plc的椰青加工机的电气自动控制系统。该电气自动控制系统的发明，可使椰青加工过程由人工操作变为机械的自动操作，不仅实现了椰青加工过程的自动化，而且该电气自动控制系统能够适应不同大小的椰果，极大地提高了工作效率，大大节省了人工成本，提高了椰青加工企业的经济效益并改善了工人的操作环境。

所述电气自动控制系统主要由机架、切削电机、切底电机、步进电机、步进电机驱动器、脉冲发生器、抓料机械手、电磁阀、气缸、切底锯片、钉齿盘、光电开关、行程开关、可编程序控制器（plc）、按钮、指示灯等组成，该椰青加工机的电气自动控制系统，由1个行程开关、2个光电开关采集生产现场信号，通过可编程序控制器(plc)准确控制6个电磁阀的通电和断电，从而自动控制相应气缸的伸出和复位，实现了标准气缸压头压紧椰果、工作台转盘旋转、三轴气缸带动切削电机下降，切削电机带动切削刀组旋转对椰果的顶部和侧面进行切削，椰果的顶部和侧面的切削完成后，抓料机械手的伸缩气缸伸长，抓料机械手夹紧气缸带动手爪握紧椰青，升降气缸带动抓料机械手提起椰青，旋转气缸带动抓料机械手与椰青逆时针旋转90度后，切底电机带动切底锯片对椰青底部进行切削，椰青加工过程完成后，抓料机械手的伸缩气缸缩回、抓料机械手旋转气缸顺时针旋转90度、抓料机械手夹紧气缸带动手爪打开、升降气缸下降，抓料机械手回到原位，整个椰青的加工工作均自动完成，加工好的椰青可方便地进行售卖、打包和运输。

本发明采用的技术方案：机架上部设有标准气缸、三轴气缸、切削电机m1、切削刀组；中部有工作台转盘、步进电机、行程开关、挡板，工作台转盘圆周上均布三个钉齿盘；工作台转盘的后部设有抓料机械手，所述抓料机械手设有伸缩气缸、夹紧气缸、升降气缸、旋转气缸、手爪，抓料机械手的右侧设有切底装置，所述切底装置由切底电机m2和切底锯片组成。标准气缸可在所设定行程内进行上下移动，切削电机m1可随三轴气缸上下移动，切削刀组可随切削电机m1转动进行椰果顶部和侧面的切削，抓料机械手的伸缩气缸固定于旋转气缸上并可随其旋转，旋转气缸固定于升降气缸上并可随其升降，切底电机m2带动切底锯片实现椰青切底。

该电气自动控制系统，包括主电路和控制电路两部分。主电路部分包括：空气开关qs1、空气开关qs2、交流接触器km1、交流接触器km2、中间继电器ka1、中间继电器ka2、热继电器fr1、热继电器fr2、切削电机m1、切底电机m2；控制电路包括可编程序控制器(plc)、启动按钮sb1、行程开关st、停止按钮sb2、光电开关sq1、光电开关sq2、电磁阀sv1、电磁阀sv2、电磁阀sv3、电磁阀sv4、电磁阀sv5、电磁阀sv6、指示灯、脉冲发生器等，为了详细说明电气自动控制系统各元件功能及plc输入地址和输出地址分配情况，给出表1、表2和表3进行说明。

表1主电路元件说明

表2plc输入地址分配及输入元件说明

表3plc输出地址分配及输出元件说明

电气自动控制系统的自动工作过程：合上自动开关qs1和自动开关qs2后，按动启动按钮sb1，（此时绿色指示灯d1亮）将椰果放到工作台转盘上处于上料工位的钉齿盘上，光电开关sq1检测到椰果已置于钉齿盘上，延时3秒后电磁阀sv1通电动作使标准气缸下降，将椰果下压固定在钉齿盘上，随后电磁阀sv1断电复位使标准气缸上升，延时2秒后，脉冲发生器zk-pp1发脉冲给步进电机驱动器的脉冲输入端，步进电机带动工作台转盘开始旋转，旋转120度后，使椰果转到切削工位，转盘下部的挡板使行程开关st动作，脉冲发生器zk-pp1断电，脉冲发生器zk-pp1停止向步进电机驱动器发送脉冲，工作台转盘立即停止旋转且保持静止不动，此时蓝指示灯d2亮，工人可继续向上料工位的钉齿盘上放置第二个椰果，延时10秒椰果已放好后蓝指示灯d2灭，与此同时，光电开关sq2检测到第一个椰果已到达切削工位后，随即电磁阀sv2动作使三轴气缸下降，中间继电器ka1的线圈得电，中间继电器ka1的触点使得交流接触器km1的线圈也得电，交流接触器km1的常开触点闭合，使切削电机m1开始工作，切削电机m1带动切削刀组下降对椰果的顶部和侧面进行切削，延时4秒切削完成后，电磁阀sv2复位，三轴气缸带动切削电机m2和切削刀组上升，切削工位上的椰果完成切削且上料工位上的椰果已固定在钉齿盘上后，脉冲发生器zk-pp1再次通电向步进电机驱动器的输入端输入脉冲使步进电机旋转，工作台转盘以一定速度再旋转120度后，使切削工位上的椰果转到卸料工位，工作台转盘下部安置的挡板使行程开关st动作，工作台转盘立即停止旋转且保持静止不动，此时蓝指示灯d2亮，工人可继续在处于上料工位上的钉齿盘上再放置第三个椰果，延时10秒椰果已放好后蓝指示灯d2灭，此时第二个椰果到达切削工位进行切削（与第一个椰果的切削过程相同），这时准备对第一个椰果进行切底，电磁阀sv3控制抓料机械手的伸缩气缸动作使机械手臂伸长到卸料工位，随后电磁阀sv4控制抓料机械手的夹紧气缸动作使其夹紧卸料工位上的椰果，紧接着电磁阀sv5控制升降气缸带动伸缩气缸、夹紧气缸和旋转气缸上升，使卸料工位上的椰果从钉齿盘上脱离，随后电磁阀sv6控制旋转气缸带动伸缩气缸、夹紧气缸逆时针旋转90度，此时，中间继电器ka2的线圈得电，中间继电器ka2的触点使得交流接触器km2的线圈也得电，交流接触器km2的常开触点闭合，使切底电机m2开始工作，切底电机m2带动切底锯片高速旋转，对第一个椰果进行切底，经过3秒延时切底过程完成后，伸缩气缸缩回，延时3秒旋转气缸复位，再延时3秒夹紧气缸复位松开第一个椰果，使其掉入收集桶中，升降气缸下降，抓料机械手回到原位，此时第二个椰果已完成切削且抓料机械手回到原位，第三个椰果已固定在钉齿盘上，步进电机再次旋转120度后停止，第二个椰果将重复第一个椰果的切底过程，依次循环。以上自动控制过程是可编程控制器（plc）自动控制部分的程序流程图设计基础，基于程序流程图即可设计出椰青加工机自动控制过程的梯形图程序，从而实现可编程控制器（plc）对椰青加工机的自动控制。

进一步地，在控制电路中，可编程控制器（plc）通过控制中间继电器ka1、中间继电器ka2的线圈通电和断电，从而实现对其触点的通断控制，用中间继电器ka1、中间继电器ka2的触点分别控制交流接触器km1、交流接触器km2的线圈的通电和断电，从而实现对交流接触器km1、交流接触器km2触点的通断控制，进而控制主电路中的切削电机m1、切底电机m2转动与停止。

进一步地，当需要停止工作时，确保工作台转盘上已无椰果后按动停止按钮sb2即可使设备停止运行，若要再次启动需要再次按动停止按钮sb2使红色指示灯熄灭后方可按动启动按钮sb1。若工作结束需要停机断电，首先按动停止按钮sb2，此时红色指示灯亮，再次按动停止按动sb2，红色指示灯熄灭，打开控制柜门，首先断开自动开关qs2，此时plc的指示灯熄灭，表明plc已断电，再断开自动开关qs1，此时通电指示灯（黄色）熄灭，表明电源断电。

进一步地，对于主电路，当电路发生短路故障时，自动开关qs1具有短路保护功能，当电流超过给定值时会跳闸，切断电路，保护生产过程中操作人员和设备的安全；对于控制电路，自动开关qs2具有短路保护功能，确保在短路情况下能够起到短路保护的作用，切断可编程控制器（plc）的供电线路从而使plc免受损害。

进一步地，热继电器fr1、热继电器fr2具有过载保护的功能，当电机因过载过热时，热继电器fr1、热继电器fr2的辅助常闭触点断开中间继电器ka1、中间继电器ka2的线圈回路，从而使接触器km1、接触器km2的线圈断电，最终切削电机m1、切底电机m2停止运行，保证了生产过程中各电机的安全运行。

本发明的有益效果是使椰青加工过程由人工操作变为机械的自动操作，实现了该生产过程的自动化，加工好的椰青便于后续的运输、保存和深加工；另一方面，可大大节省人力成本，有效降低了手工加工椰青工人工伤的发生率，提高了椰子加工企业的经济效益。

附图说明

图1本发明实施例的机械结构及电气元件布置图。

图中1.电磁阀sv12.标准气缸3.钉齿盘4.工作台转盘5.机架6.电磁阀sv37.夹紧气缸8.手爪9.旋转气缸10.升降气缸11.伸缩气缸12.电磁阀sv413.电磁阀sv614.电磁阀sv515.步进电机16.电磁阀sv217.三轴气缸18.切削电机m119.切削刀组20.切底锯片21.切底电机m222.行程开关st23.挡板24.光电开关sq125.光电开关sq2。

图2本发明实施例的电气自动控制系统的主电路原理图。

图3本发明实施例的电气自动控制系统的控制电路中间继电器控制主电路交流接触器的电路原理图。

图4本发明实施例的电气自动控制系统的控制电路原理图。

图5本发明实施例的电气自动控制系统控制柜元件布置图。

图中26.通电指示灯（黄色）27.蓝指示灯d228.启动按钮sb1（自带绿指示灯d1）29.停止按钮sb2（自带红色指示灯）30.线槽131.中间继电器ka132.中间继电器ka233.交流接触器km134.线槽235.热继电器fr136.自动开关qs137.自动开关qs238.可编程序控制器（plc）39.脉冲发生器zk-pp140.步进电机驱动器41.线槽342.变压器43.接线端子44.交流接触器km245.热继电器fr246.箱体47.箱门。

图6本发明实施例的步进电机控制原理接线图。

图7本发明实施例的电气自动控制系统程序流程图。

具体实施方式

本发明采用的技术方案：机架上部安装有标准气缸（2）、电磁阀sv1（1）、三轴气缸（17）、电磁阀sv2（16）、切削电机m1（18）、切削刀组（19）；中部设有工作台转盘（4），工作台转盘（4）圆周上均匀分布三个钉齿盘（3）；工作台转盘（4）的后部设有抓料机械手，所述抓料机械手设有伸缩气缸（11）、电磁阀sv3（6）、夹紧气缸（7）、电磁阀sv4（12）、手爪（8）、升降气缸（10）、电磁阀sv5（14）、旋转气缸（9）、电磁阀sv6（13），抓料机械手的右侧设有切底部分，所述切底部分由切底电机m2（21）、切底锯片（20）组成。标准气缸（2）可在所设定行程内通过电磁阀sv1（1）通断电进行上下移动，切削电机m1（18）可随电磁阀sv2（16）对三轴气缸（17）的控制进行上下移动，切削刀组（19）可随切削电机m1（18）转动对椰果顶部和侧面进行切削，抓料机械手的伸缩气缸（11）固定于旋转气缸（9）上并可随其旋转，旋转气缸（9）固定于升降气缸（10）上并可随其升降，切底电机m2（21）带动切底锯片（20）转动实现椰青切底。

电气自动控制系统的自动工作方式：合上自动开关qs1（36）和自动开关qs2（37）后，按动启动按钮sb1（28），将椰果放到工作台转盘（4）的钉齿盘（3）上，光电开关sq1（24）检测到椰果已置于钉齿盘（3）上，经过3秒延时后电磁阀sv1（1）通电动作使标准气缸（2）下降，将椰果下压固定在钉齿盘（3）上，随后电磁阀sv1（1）断电复位使标准气缸（2）上升，经过2秒延时，脉冲发生器zk-pp1（39）发脉冲给步进电机驱动器（40）的脉冲输入端使步进电机（15）开始旋转，步进电机（15）带动工作台转盘（4）旋转，工作台转盘（4）以一定速度旋转120度后，使椰果转到切削工位，工作台转盘（4）下部安置的挡板（23）使行程开关st（22）动作，工作台转盘（4）立即停止旋转且保持静止不动，脉冲发生器zk-pp1（39）断电，此时蓝指示灯d2（27）亮，工人可继续向上料工位的钉齿盘（3）上放置第二个椰果，延时10秒椰果放好后蓝指示灯d2（27）灭，与此同时，光电开关sq2（25）检测到第一个椰果已到达切削工位后，电磁阀sv2（16）通电动作使三轴气缸（17）下降，中间继电器ka1（31）线圈得电，中间继电器ka1（31）的触点使得交流接触器km1（33）线圈也得电，交流接触器km1（33）的常开触点闭合，使切削电机m1（18）开始工作，切削电机m1（18）带动切削刀组（19）下降对椰果的顶部和侧面进行切削，经过4秒的延时后电磁阀sv2（16）断电复位，三轴气缸（17）带动切削电机m1（18）和切削刀组（19）上升，第一个椰果完成顶部和侧面切削且第二个椰果已固定在钉齿盘（3）上后，脉冲发生器zk-pp1（39）再次通电向步进电机驱动器（40）的输入端输入脉冲使步进电机（15）旋转，工作台转盘（4）以一定速度再旋转120度后，使切削工位上的椰果转位到卸料工位，工作台转盘（4）下部安置的挡板（23）使行程开关st（22）动作，工作台转盘（4）立即停止旋转且保持静止不动，此时蓝指示灯d2（27）亮，工人可继续向处于上料工位上的钉齿盘（3）上再放置第三个椰果，延时10秒椰果放好后蓝指示灯d2（27）灭，此时第二个椰果到达切削工位，第二个椰果与第一个椰果的顶部和侧面切削过程相同，第一个椰果这时已经到达卸料工位，电磁阀sv3（6）控制抓料机械手的伸缩气缸（11）动作使机械手臂伸长到达卸料工位即第一个椰果处，随后电磁阀sv4（12）控制抓料机械手的夹紧气缸（7）动作使其夹紧卸料工位上的第一个椰果，紧接着电磁阀sv5（14）控制升降气缸（10）带动伸缩气缸（11）、夹紧气缸（7）和旋转气缸（9）上升，使卸料工位上的第一个椰果从钉齿盘（3）上脱离，随后电磁阀sv6（13）控制旋转气缸（9）带动伸缩气缸、夹紧气缸（7）逆时针旋转90度，此时，中间继电器ka2（32）线圈得电，中间继电器ka2（32）的触点使得交流接触器km2（44）线圈也得电，交流接触器km2（44）的常开触点闭合，使切底电机m2（21）开始旋转，切底电机m2（21）带动切底锯片（20）高速旋转从而对第一个椰果进行切底，经过3秒切底过程延时后，伸缩气缸（11）缩回，延时3秒旋转气缸（9）复位，然后再延时3秒夹紧气缸（7）复位松开第一个椰果使其掉入收集桶中，升降气缸（10）下降，抓料机械手回到原位，此时第二个椰果已完成顶部和侧面切削，第三个椰果已固定在钉齿盘（3）上，步进电机（15）再次旋转，旋转120度后停止，第二个椰果将重复第一个椰果的切底过程，依次循环。以上自动控制过程是可编程控制器（plc）（38）自动控制部分的程序流程图设计基础，基于程序流程图即可设计出椰青加工机自动控制过程的梯形图程序，从而实现可编程控制器（plc）（38）对椰青加工机的自动控制。