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概要:出于缺少小型种子清洗设备的原因，又因为二元机械结构的操作较为复杂，种子清洗时精度较低等方面问题。本文以现有的各种机械作为基础， 又比较各种相关控制系统的优点与缺点，分析其在实际使用时的需要，以PLC控制系统为核心，设计一套小型种子清洗的自动控制系统。

控制系统设计：根据小型种子清洗机的机械结构特点和筛选控制要求，设计以PLC为核心的硬件结构，配备相应的人机界面，模拟量模块，传感器，执行器。设计硬件的选择；使用STEP7-Micro / WIN和WinCC Flexible软件进行编程；

通过自动控制系统的设计，达到了控制风机的启停，吸风管道中的鼓风量以及筛箱和振动料斗的振动频率的目的， 证明控制系统可以完成自动筛分。该设计为小型种子清洗设备自动化研究的发展提供技术参考。

关键词:种子清洁剂，筛选，控制器，算法，程序。

研究背景与意义

高质量的种子是农业高速发展的必要条件。种子加工自然是实现种子商品化，规范化的重要手段，同时这也是提高种子产量的重要措施。种子清洗过程是种子加工过程中最重要的环节之一，是提高种子品质的关键所在。

我们的清洁机械在发展的过程中，往往侧重于改善和优化结构，智能化很少受到关注。为了更好的发展农业， 有必要使农产品在世界范围内的主流，自动化和控制系统，实现智能集成。实现精确控制和提高生产效率，这一方向符合技术发展趋势。

在种子清洗过程中，人工调节进料量，筛箱的振动频率，吸风管，出风鸭的风量等一系列控制因素，不仅操作复杂，而且 效率低，精度不高。在智能调节中也要考虑哪种状态才能使筛选效率达到最佳。如果要选择不同类型的种子，必须手动调整参数。如何调整以达到最佳清洁效果。使用者需要考虑的问题。制造商不能一一指导用户应当使用哪种状态的种子以达到最佳效果，或者说确定参数，亦如何进行微调以适应实际需求，这些都是用户需要面对的问题。而自动控制在一定程度上能够有效解决这些问题。

控制系统的要求

该控制系统的主要任务是实现对风幕过程的方便，准确，高效的控制，并对其过程进行实时反馈。

1. 所有运动的开始和停止可以用触摸屏进行控制，也可以手动操纵。
2. 筛箱内的振动频率控制应实现自动化，可在触摸屏随时更改，同时必须实现振动频率的实时监控反馈。
3. 振动料斗的调节控制需自动进行，可以在触摸屏输入相应的参数来控制加料量。
4. 不仅可以用触摸屏，而且可以手动调节进气口之前，进气管道之后和进气管道之后的空气量。
5. 种子清洗的类型可以在触摸屏选择，依靠种子系统的设置参数自动设置控制参数，从而实现筛箱内相应的振动频率，料斗内的振动频率和风量。

系统硬件设计

设计的控制系统主控制单元是通过PLC实现的。这里选择触摸屏作为人机交互设备，控制要求由每个执行器，传感器组成系统的反馈单元。

系统各部分的主要功能如下：

1. 系统开关：控制包括PLC在内的所有设备的电源开关；
2. 触摸屏：用于人设置筛箱的振动频率，料斗的振动频率，风量等参数，以及显示参数传感器反馈
3. 风扇：为清洁设备提供循环空气
4. 步进电机：通过偏心轴控制筛箱的往复振动。
5. 振动料斗：通过振动来控制进料斗的饲料量。
6. 阻尼器执行器：控制自动控制阀的开关。
7. 传感元件：对振动筛箱频率进行实时监控。

控制系统框架如图3-1所示：

引风机

系统开关

P

步进电机

屏幕框

L

振动料斗

感应元件

C

风门执行器

触摸屏

图3-1自动控制系统的框架图

系统的软件结构

小型种子清洗设备所用控制系统的设计主要是手动控制和自动控制两种。

通过振动实现筛箱和振动料斗的速度调节，实现空气的调节数量和其他一些变量。

图4-1是该软件的示意图。

空气阀执行器旋转

振动料斗频率设定

`

步进电机调速

风扇的启动和停止

执行器

手册

霍尔传感

P

L

霍尔传感

图4-1软件原理图。

触摸屏

风门执行器程序的设计

风门执行器程序的设计思路是利用计算图来完成对正负旋转端子连续信号的控制，从而使气门旋转到相应的角度。该设计程序包括了将输入的气门角度改变为旋转持续时间的计算方法。根据气阀执行器的技术参数，每个角度气阀转动所需的时间为12/180 = 0.15秒。这样可以得到角度与时间的关系为T = 0.15d。在保证种子处理一致性时，考虑到执行器的方便高效。设计的程序加上了记录上一次设定参数的功能，可以在下次输入设定值时直接从一个位置转变到下一个位置，而不是重复进行复位控制。空气阀执行器的总体方案设计如图4-2所示。

开始

系统初始化（空气参数A = 0，B = 0，空气阀返回）

触摸屏参数值B

Bgt;A

是 没有

空气阀正转，打开定时器T1 空气阀换向，打开定时器T2

的时间 是否达到计时器T1

没有 没有

的时间 是否达到计时器T2

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是

是

空气阀停止，B值到A

步进电机程序设计

图4-2空气阀执行器程序设计的整体方法

S7-200CPU具有两个PTO / PWM（脉冲序列/脉宽调制器）发生器，它们分别通过Q0.0和Q0.1输出一定数量的脉冲或周期性方波，产生高速脉冲序列或脉宽调制波形。步进电机程序设计的思路是利用PLC输出Q0.1为步进电机提供一些不同频率的高速脉冲，从而控制步进电机的速度。因为步进电机存在启动频率， 如果直接输入高脉冲信号，步进电机会失步或堵转。因此在本程序的设计中，如果输入超过步进电机的启动频率，那么给出该程序同时还会包括一个基于启动频率的持续加速高脉冲信号，直到达到相应转速的要求为止。该程序还包括把输入参数中设置的电动机速度转换入脉冲数输入驱动器的运算。根据硬件系统的设计，每当电机旋转800次时完成一个圆，也就是说，步进电机旋转一个圆需要800个脉冲。设置速度V r / min，PLC需要发出800/60 * V脉冲。我们可以获得的脉冲周期为3 * 105 / 4V微秒。程序流程图如图4-3所示。

开始

系统初始化，设置输出脉冲宽度

通过触摸屏输入速度值v 将速度值转换为脉冲周期

Vle;200 否

有

是

输入脉冲持续时间T，开始Q0.1脉冲输出

Vle;250 否

是

Pape在r放置脉冲持续时间T200,

启动Q0.1脉冲输出

否

Vle;300 否

输入脉冲持续时间T200，

第4页

实际速度

启动Q0.1脉冲输出 hellip;hellip;

图4-3程序流程图

振动料斗程序设计

在振动料斗的程序设计中，会根据脉冲调制中宽度的变化来改变电压，从而达到电位计的效果，以达到控制的目的。该程序旨在通过输出脉冲宽度可调的方波信号来改变振动电磁铁两端的最大电压。设置脉冲周期为25毫秒，输入脉冲宽度值DD / 25（每周期脉冲数）= X％（电压时间比）= X％最大电压X％最大振动频率。

振动电磁铁驱动程序流程图如图4-4所示。

开始

第一次扫描周期重置

触摸屏参数分配

PWM接受新值作为脉冲宽

度

是

是否重置

否

结

触摸屏界面设计

图4-4振动电磁铁驱动程序流程图

该系统采用与西门子PLC226对应的smart700 HMI触摸屏面板。使用WinCC Flexible软件设计触摸屏界面。触摸屏设计大体框架如图4-5所示。

马达转速

进料斗振动频率

参数设定

减震器执行器1转角

风门执行器2转角

马达转速

风门执行器3个转角

主界面

一般启动/停止

空气调节

风扇的启动/停

手动介面

步进电机的启动/停止

振动料斗的启动/停止

图4-5触摸屏设计框架

结论或总结

1. 本文在小型种子清洗设备研究的基础上，提出了以PLC为核心的自动控制系统，还分析了硬件的选择， 连接和软件的设计，为小型自动清洗设备的研究提供技术参考。
2. 本文使用V4.0 STEP7MicroWIN对控制系统进行编程，用触摸屏实现了风扇的启停，步进电机的转速调节，风阀执行器的体积和振动料斗的振动频率。
3. 在后续研究中，若想在选择过程中获得准确的反馈的话，我们建议在反馈系统中加上振动传感器，风速传感器和其他相关传感器。
4. 该设计作为半实验平台，记录种子清洗过程中的各项种子清洗参数，为建立数据库和引入控制系统提供重要参考。

参考文献

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