CN104516336A - 一种智能化秸秆压块成型生产线控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种智能化秸秆压块成型生产线控制器，由上位机35和下位机（即控制器主机板）36组成，所述的上位机为工控机，所述的控制器主机板36包括电源37、电磁阀驱动电路38、功率驱动电路39、水泵调速装置40、电机调速装置41、传输带速度检测装置42、秸秆水分及压块成型温度检测装置43、电流电压检测装置44、通讯接口30、PWM组件A19和PWM组件B20，本发明的优点是：这种主从式上、下位机结构，使得生产现场实现无人化，降低了用工人数、改善了劳动条件，提高了生产效率，具有运行可靠、可扩展性强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及智能化农业机械领域，尤其涉及一种智能化主从式秸秆压块成型生产线控制器。
背景技术
秸秆是一种重要的生物质能源，具有原料资源丰富、适宜就地取材、能投比高、环保等优势，是一种可再生性能源。加快推进秸秆综合利用，对于缓解资源约束，减轻环境压力，发展循环经济，促进农民增收，对于解决秸秆焚烧问题，稳定农业生态平衡，对生物质能源再生利用都具有十分重要的意义。
目前，一些学者对秸秆压块成型设备进行了研究。专利1（201310095870.7）公开了“一种双层环模双层压辊秸秆压块成型机”；专利2（201120095913.8）提供了“环模平放系列秸秆压块成套设备”。然而这两种秸秆压块设备普遍采用人工作业，存在以下3个问题：1）由于秸秆喂入量、秸秆水分、秸秆成型温度由人工盲目测控，导致压块质量不稳定，有时甚至导致压块不能成型，而且需要有技术水平较高的工人完成作业；2）盲目主观操作，经常会发生秸秆在压块成型设备中堵塞、上料不均匀、温控水分控制不一致、不稳定，从而导致停机排除故障，一方面使得压块成型设备生产率降低、能耗大，另一方面频繁停机对设备寿命造成很大影响；3）生产现场灰尘和噪音大，工作环境恶劣、工人劳动强度大、每台压块成型设备最少需要3个人，用功成本高。针对这些问题，专利（201210339950.8）公开了一种秸秆压块生产线控制系统，该控制系统采用PLC为控制器，采用温度传感器和秸秆水分传感器对压块成型温度和秸秆水分进行检测，通过冷却装置对压块机成型温度进行冷却控制，采用秸秆水分调节装置对秸秆水分进行控制，通过3个变频器分别对压块喂入电机、输送带电机、铡草机喂入电机进行了调速控制，采用电流表对铡草机和成型机主电机电流进行了检测。但该专利涉及的秸秆压块生产线控制系统存在以下缺陷：1）传送带速度检测装置没有给出具体装置，没有实现对传送带速度的检测；2）通过在压块成型区设置冷却装置实现了当压块成型温度高于设定目标温度时，对成型温度的冷却降温控制，没有涉及到当压块成型温度低于设定目标温度时对成型温度的控制；3）没有对生产现场环境温度进行检测，导致无法对成型温度进行精确控制，由于生产现场环境和压块成型区之间存在不可避免的热交换，因此现场环境温度对压块成型温度有着决定性影响；4）没有设置人机对话装置，无法对系统参数进行设置、修改和显示，也无法对系统工作状态、故障等信息进行显示；5）更重要的是该控制系统是置于生产现场的，对工作参数的设置、工作状态和设备故障信息的获取等工作仍需要人工完成，因此，并没有使工人真正远离灰尘大、噪声大的恶劣工作现场。
发明内容
为克服秸秆压块生产线控制系统不能真正实现的智能化、全自动控制和无法改善工人工作条件的缺陷，本发明提供了一种智能化秸秆压块成型生产线控制器。
为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种智能化秸秆压块成型生产线控制器，采用主从式控制结构，由上位机和下位机（即控制器主机板）组成，通过连接上位机和下位机（即控制器主机板）的Profibus总线进行通信，所述的上位机为研华工控机，所述的下位机（即控制器主机板）由电源、电磁阀驱动电路、功率驱动电路、水泵调速装置、电机调速装置、传输带速度检测装置、秸秆水分及压块成型温度检测装置、电流电压检测装置、通讯接口、PWM组件A 和PWM组件B 组成，所述的通讯接口、PWM组件A 和PWM组件B 设置在控制器主机板内，所述的通讯接口连接上位机，所述的电源连接控制器主机板，所述电源、水泵调速装置、电机调速装置、传输带速度检测装置、秸秆水分及压块成型温度检测装置、电流电压检测装置分别与控制器主机板相连接，所述的PWM组件A 和PWM组件B 分别连接电磁阀驱动电路和功率驱动电路。所述的控制器主机板由CPU314C-2DP和温度采集模块6ES7 331-1KF01-0AB0组成。所述的电源为+24 V直流电源，用于对控制器主机板供电。
所述的电磁阀驱动电路包括固态继电器和高速开关电磁阀，所述高速开关电磁阀一端通过固态继电器与PWM组件A 连接，另一端连接喷头。
所述的功率驱动电路由一IGBT功率驱动电路和电子加热器组成，所述电子加热器的一端通过IGBT功率驱动器与PWM组件B 连接。
所述的水泵调速装置包括冷却水循环水泵和变频器。
所述的电机调速装置包括电机组和变频器组组成，所述电机组包括压块喂入电机、输送带电机、铡草机喂入电机，所述变频器组包括变频器B、变频器C、变频器D。
所述的传输带速度检测装置包括霍尔传感器、光电隔离、脉冲整形和电平转换器。
所述的秸秆水分及压块成型温度检测装置包括水分传感器、温度传感器、A/D转换器A 和A/D转换器B ，其中水分传感器和A/D 转换器A连接，温度传感器和A/D 转换器B连接。
所述的电流电压检测装置包括电流传感器、电压传感器、A/D转换器C和A/D转换器D，其中电流传感器和A/D转换器C连接，电压传感器和A/D转换器D连接，所述A/D 转换器A、A/D转换器B、A/D转换器C、A/D转换器D都设在控制器主机板的内部。
作为优选实施例，所述的控制器主机板的内部还包括定时器、DO接口、D / A 转换器A、D / A 转换器组、A/D转换器E，所述的DO接口连接继电器组的一端，所述的继电器组由5个开关继电器组成，所述继电器组的另一端分别连接电子加热器、循环水泵和电机组，所述的D / A 转换器组包括D / A 转换器B、D / A 转换器C、D / A 转换器D，所述的定时器连接电平转换器，依次连接脉冲整形、光电隔离与霍尔传感器，所述的D / A 转换器A依次连接变频器A和循环水泵，所述D / A 转换器组依次连接变频器组和电机组，所述A/D转换器E连接现场环境温度传感器。
本发明所具有的有益效果是：
本发明通过上、下位机间的远程通讯，实现对设备的远程控制。下位机采集生产现场参数并传输给上位机同时接受上位机发送的控制命令和参数，上位机对下位机提供的数据进行存储，并通过数据分析进而对设备运行状态分析和故障诊断。这种主从式上、下位机结构，将上位机设置在远离生产现场的监控室，而将下位机置于生产现场，上位机放在远离现场的监控室，使得生产现场实现无人化，降低了用工人数、改善了工人劳动条件，提高了机组的生产效率和使用寿命，具有运行可靠、可扩展性强（通过在总线节点上连接多个下位机，可实现对多个生产现场的控制）的优点。
附图说明
图1 为一种智能化秸秆压块成型生产线控制器结构示意图；
图2为一种智能化秸秆压块成型生产线控制器原理框图；
其中：1-霍尔传感器；2-光电隔离；3-脉冲整形；4-电平转换器；5-高速开关电磁阀；6-电子加热器；7-循环水泵；8-压块喂入电机；9-输送带电机；10-铡草机喂入电机；11-变频器A；12-变频器B；13-变频器C；14-变频器D；15-固态继电器；16- IGBT功率驱动器；17-继电器组；18-定时器；19- PWM组件A；20- PWM组件B；21- D O 接口；22- D / A 转换器A ；23- D / A 转换器B ；24- D / A 转换器C ；25- D / A 转换器D ；26- A/D 转换器A；27- A/D转换器B；28- A/D转换器C；29- A/D转换器D；30-通讯接口；31-水分传感器；32-温度传感器；33-电流传感器；34-电压传感器；35-上位机；36-控制器主机板；37-电源；38-电磁阀驱动电路；39-功率驱动电路；40-水泵调速装置； 41-电机调速装置；42-传输带速度检测装置；43-秸秆水分及压块成型温度检测装置；44-电流电压检测装置；45- A/D 转换器E ；46-现场环境温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述。
如图1所示，一种智能化秸秆压块成型生产线控制器，由上位机35和下位机（即控制器主机板）36组成，二者采用主从式控制结构，通过连接它们的Profibus总线进行通信，所述的上位机35对下位机36发送工作参数、控制命令、对下位机36采集的数据进行分析、显示、存储并根据分析结果对设备工作状态进行监视和故障诊断，下位机36采集现场参数并传到上位机35，上、下位机分别位于监控室和工作现场，在监控室可实现对整个生产线系统的控制。
其中，所述的上位机35为研华工控机；
所述的控制器主机板36由电源37、电磁阀驱动电路38、功率驱动电路39、水泵调速装置40、电机调速装置41、传输带速度检测装置42、秸秆水分及压块成型温度检测装置43、电流电压检测装置44、通讯接口30、PWM组件A 19和PWM组件B 20组成，所述通讯接口30、PWM组件A 19、PWM组件B 20设置在控制器主机板内；所述的通讯接口30连接上位机35，所述的电源37连接控制器主机板36，所述的控制器主机板36由CPU314C-2DP和温度采集模块6ES7 331-1KF01-0AB0组成，所述的电源37为+24 V直流电源，用于对控制器主机板36供电，电源37、水泵调速装置40、电机调速装置41、传输带速度检测装置42、秸秆水分及压块成型温度检测装置43、电流电压检测装置44分别与控制器主机板36相连接；PWM组件A 19和PWM组件B 20分别连接电磁阀驱动电路38和功率驱动电路39；PWM信号由控制器自动输出，各路PWM信号相互独立，可以设置不同频率和占空比；传输带速度、秸秆水分和压块成型温度、电机和加热器的电流电压分别通过传输带速度检测装置42、秸秆水分及压块成型温度检测装置43、电流电压检测装置44实时获得，在压块成型区凹槽内装有温度传感器，进行压块成型温度实时监测，在压块成型区周围设置有环形加热器和盘管冷却装置，对实际温度进行闭环调控；在压块成型机秸秆喂入传输带上装有速度传感器，对秸秆传输带速度进行实时监测，从而对压块成型机秸秆喂入量进行控制（秸秆由平整装置整理后在传输带上基本厚度一致），在压块成型机秸秆喂入传输带上起始端和末端装有水分传感器，对秸秆水分进行实时监测。
根据如图2所示，传输带速度检测装置42由霍尔传感器1、光电隔离2、脉冲整形3和电平转换器4组成，霍尔传感器1采集传输带速度信息，通过控制器主板36内自带的计数器18接收脉冲信号并进行脉冲频率测量，由于霍尔传感器1输出的脉冲信号在传输过程中发生畸变，为了使控制器主板内的计数/定时器18获得比较理想的方波信号，预先通过施密特触发器SN74LS14对脉冲进行了整形，水分温度检测装置43由A/D 转换器26和27、水分传感器31及温度传感器32组成，电流电压检测装置44由A/D 转换器28和29、电流传感器33及电压传感器34组成，继电器组17由5个开关继电器组成，分别控制电子加热器6、循环水泵7以及电机8~10电源的通断，这5个开关继电器一端与DO接口 21（该接口是一个8位接口，每位接口可接一个控制对象，通过输出不同高低电平即可控制所连接对象电源通断）的数字量输出口连接，另一端分别接电子加热器6、循环水泵7以及电机组，电磁阀驱动电路38由固态继电器15和高速开关电磁阀5组成，通过PWM组件A 19输出不同频率和占空比的信号，可改变与高速开关电磁阀5连接的喷头的喷水量和喷头的启停，从而控制秸秆水分（需要说明的是，当水分传感器检测到秸秆水分大于压块成型所要求水分时，秸秆从压块成型设备的卸料装置卸料自然干燥，经过一段时间待秸秆水分达到或超过压块成型所要求水分时，再进行上料，重新进行压块成型设备）。
功率驱动电路39由IGBT功率驱动器16和电子加热器6组成，给其输入不同占空比的PWM信号使得其在单位时间内的导通时间不同，从而改变与IGBT驱动电路连接的电子加热器功率，进而对压块成型区进行升温控制。
水泵调速装置40由循环水泵7和变频器11组成，用于对循环水泵7调速以实现压块成型区循环水量的改变，从而对压块成型区降温控制，电机调速电路41由电机组和变频器组组成，每个电机分别由一个相匹配的变频器进行调速，用于对压块成品输送带、压块成型喂入量输送带和铡草机秸秆输送带的速度进行调控。通讯接口30通过Profibus 总线和上位机35连接，实现通信。
如图2所示，控制器主机板36 由CPU314C-2DP和温度采集模块6ES7 331-1KF01-0AB0组成， 内部集成了通讯接口30、PWM组件A 19、PWM组件B 20、定时器18、A / D转换器A 26、A / D转换器B 27、 A / D转换器C 28、A / D转换器D 29、A / D转换器E45、D/A转换器22~25和DO接口21，定时器18连接电平转换器4，依次通过脉冲整形3、光电隔离2与霍尔传感器1相连接。高速开关电磁阀5通过固态继电器15连接到PWM组件A 19，电子加热器6一端通过IGBT功率驱动器16与PWM组件B 20连接，另一端与继电器组17连接，水分传感器31、温度传感器32、电流传感器33、电压传感器34和现场环境温度传感器46分别连接到A / D转换器A 26、A / D转换器B 27、 A / D转换器C 28、A / D转换器D 29和A / D转换器E45，循环水泵7通过变频器11连接到D/A转换器22，电机组分别通过变频器组连接到D/A转换器组。
本发明智能化秸秆压块成型生产线控制器的PWM信号由控制器自动输出，各路PWM互相独立，可分别设置不同占空比和频率。所述的功率驱动电路为一IGBT功率驱动电路，给其输入不同占空比的PWM信号使得其在单位时间内的导通时间不同，从而改变与IGBT驱动电路连接的电子加热器功率，进而对温度进行控制，通过不同占空比和频率的PWM信号可控制电磁阀的启停时刻，从而控制喷头喷到秸秆的喷水量。
本发明智能化秸秆压块成型生产线控制器的传输带速度信息通过传输带速度检测装置42实时采集获得，或通过通讯接口30从上位机输入，霍尔传感器1采集传输到运行速度信息，输出脉冲信号，脉冲信号经过脉冲整形后，使CPU314C-2DP读取到理想的方波信号，通过计算相邻两个脉冲信号的时间和对应的传输带移动距离可确定传输带转速。
本发明智能化秸秆压块成型生产线控制器的水泵调速装置40通过D/A转换器22向变频器11输出不同电信号控制循环水泵7的转速以对压块成型区循环冷却水量进行控制，结合采集到的温度信息从而实现对对压块成型区温度的闭环调控。
本发明智能化秸秆压块成型生产线控制器的电机调速装置41通过D/A转换器组分别向变频器组输出不同电信号分别控制传输到电机组的转速以实现压块成品输送带、压块成型喂入量输送带和铡草机秸秆输送带的速度控制。
本发明智能化秸秆压块成型生产线控制器的工作过程：在上位机设定秸秆水分、压块成型温度、传输带速度等目标控制参数，通过通讯接口30传输给下位机控制器主板36，下位机通过现场采集各目标参数对应的实测数据，并与各自设定目标参数比较后，根据比较结果采取相应控制方法对相应执行机构（高速电磁阀、电机、电子加热器、循环水泵）进行动态调控，从而使各控制参数达到所要求的设定值或在所允许的误差带之内波动，同时，下位机将所采集数据传输给上位机后，上位机可根据需求显示并存储需监视的参数，并通过数据分析对现场设备运行情况监测和故障诊断。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (9)
1.一种智能化秸秆压块成型生产线控制器，包括上位机（35）和下位机（即控制器主机板）（36），采用主从式控制结构，通过连接上位机（35）和下位机（即控制器主机板）（36）的Profibus总线进行通信，其特征在于：所述的上位机（35）为研华工控机，所述的控制器主机板（36）包括电源（37）、电磁阀驱动电路（38）、功率驱动电路（39）、水泵调速装置（40）、电机调速装置（41）、传输带速度检测装置（42）、秸秆水分及压块成型温度检测装置（43）、电流电压检测装置（44）、通讯接口（30）、PWM组件A （19）和PWM组件B （20），所述的通讯接口（30）、PWM组件A （19）和PWM组件B （20）设置在控制器主机板（36）内，所述的电源（37）连接控制器主机板（36），所述的电源（37）、水泵调速装置（40）、电机调速装置（41）、传输带速度检测装置（42）、秸秆水分及压块成型温度检测装置（43）和电流电压检测装置（44）分别与控制器主机板（36）相连接，所述的PWM组件A（19）和PWM组件B（20）分别连接电磁阀驱动电路（38）和功率驱动电路（39），所述的控制器主机板（36）由CPU314C-2DP和温度采集模块6ES7 331-1KF01-0AB0组成，所述的电源（37）为+24 V直流电源。
2.根据权利要求1所述的智能化秸秆压块成型生产线控制器，其特征在于：所述的电磁阀驱动电路（38）由固态继电器（15）和高速开关电磁阀（5）组成，高速开关电磁阀（5）一端通过固态继电器（15）与PWM组件A（19）连接，另一端连接喷头。
3.根据权利要求1所述的智能化秸秆压块成型生产线控制器，其特征在于：所述的功率驱动电路（39）包括一IGBT功率驱动电路（16）和电子加热器（6），所述电子加热器（6）的一端通过IGBT功率驱动器（16）与PWM组件B（20）连接。
4.根据权利要求1所述的智能化秸秆压块成型生产线控制器，其特征在于：所述的水泵调速装置（40）包括冷却水循环水泵（7）和变频器（11）。
5.根据权利要求1所述的智能化秸秆压块成型生产线控制器，其特征在于：所述的电机调速装置（41）包括电机组和变频器组，所述电机组包括压块喂入电机（8）、输送带电机（9）、铡草机喂入电机（10），所述变频器组包括变频器B（12）、变频器C（13）、变频器D（14）。
6.根据权利要求1所述的智能化秸秆压块成型生产线控制器，其特征在于：所述的传输带速度检测装置（42）包括霍尔传感器（1）、光电隔离（2）、脉冲整形（3）和电平转换器（4）。
7.根据权利要求1所述的智能化秸秆压块成型生产线控制器，其特征在于：所述的秸秆水分及压块成型温度检测装置（43）包括水分传感器（31）、温度传感器（32）、A/D转换器A（26）和A/D转换器B（27），其中水分传感器（31）和A/D 转换器A（26）连接，温度传感器（32）和A/D 转换器B（27）连接。
8.根据权利要求1所述的智能化秸秆压块成型生产线控制器，其特征在于：所述的电流电压检测装置（44）包括电流传感器（33）、电压传感器（34） 、A/D转换器C（28）和A/D转换器D （29），其中电流传感器（33）和A/D转换器C（28）连接，电压传感器（34）和A/D转换器D（29）连接，所述A/D 转换器A（26）、A/D转换器B（27）、A/D转换器C（28）、A/D转换器D（29）都设在控制器主机板（36）的内部。
9.根据权利要求1所述的智能化秸秆压块成型生产线控制器，其特征在于：所述的控制器主机板（36）的内部还包括定时器（18）、DO接口（21）、D / A 转换器A（22）、 D / A 转换器组、A/D转换器E（45），所述的DO接口（21）连接继电器组（17）的一端，所述的继电器组（17）由5个开关继电器组成，所述继电器组（17）的另一端分别连接电子加热器（6）、循环水泵（7）和电机组，所述的D / A 转换器组包括D / A 转换器B（23）、D / A 转换器C（24）、D / A 转换器D（25），所述的定时器（18）连接电平转换器（4），依次连接脉冲整形（3）、光电隔离（2）与霍尔传感器（1），所述的D / A 转换器A（22）依次连接变频器A（11）和循环水泵（7），所述D / A 转换器组依次连接变频器组和电机组，所述A/D转换器E（45）连接现场环境温度传感器（46）。
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