1、引言
    隨著城市綠化水平的不斷提高，各個(gè)大中城市的林木保有量大大增加，而樹木修剪下來的樹枝、秋季到來時(shí)大量的枯樹枝、樹葉及樹根都需要處理，其工作量變得越來越大。同樣的問題在大型林場(chǎng)也普遍存在。
    為此，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出了多種樹枝粉碎機(jī)，如美國的Vermeer（威猛）樹枝粉碎機(jī)，日本的ZENOAH（小松）樹枝粉碎機(jī)，以及國內(nèi)的維邦F1024樹枝粉碎機(jī)和北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣總站開發(fā)的SFJ-8.0樹枝粉碎機(jī)等。這些粉碎機(jī)都能把一定尺寸的樹枝通過切斷、粉碎等過程加工成碎木屑或短小的枝條，既可作為肥料，又可用做板材的原料，還可以進(jìn)行人造木炭加工等后處理。但這些設(shè)備自動(dòng)化程度低，加工能力小，不適合于林場(chǎng)、園林局等需要大規(guī)模處理樹枝的部門�？删幊绦蚩刂破�( PLC)作為對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)化改造的強(qiáng)有力手段，完全可以勝任這項(xiàng)工作。
2、粉碎機(jī)自動(dòng)控制的要求
    適應(yīng)大量生產(chǎn)的樹枝粉碎機(jī)，由傳送帶上料并向投料箱投料（所投料已經(jīng)過簡(jiǎn)單的分揀、排列等處理）。集料槽接料并計(jì)量，人工包裝。
    粉碎機(jī)的工作過程如圖1所示（1#為上料傳送帶電機(jī)，2#為集料槽液壓頂升電機(jī)）。
    其自動(dòng)控制要求如下：
    (1)粉碎機(jī)主電機(jī)啟動(dòng)2min后，上料傳送帶電機(jī)啟動(dòng)（主電機(jī)需要空轉(zhuǎn)預(yù)熱），開始粉碎加工。集料槽接料。
    (2)集料槽底部安裝的重量傳感器若檢測(cè)到重量已達(dá)包裝標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，用蜂鳴器提示工人接料。5s后2#電機(jī)啟動(dòng)，先將卸料口關(guān)閉，再將集料槽頂翻倒出碎料（均由2#電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)動(dòng)作先后聯(lián)動(dòng)），到達(dá)傾覆位置時(shí)，2#停機(jī)l0s，以便工人裝料。完成后復(fù)位（集料箱復(fù)位與卸料口的閉合也是先后聯(lián)動(dòng)的），共計(jì)用時(shí)20s。
(3)按下停機(jī)按鈕時(shí)，上料傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)l0s后（物料從送上傳送帶到進(jìn)入投料口的時(shí)間為6s）停機(jī)。再經(jīng)過35s（投料箱內(nèi)物料全部粉碎完需要30s）后，粉碎機(jī)主電機(jī)停機(jī)。又經(jīng)過10s，2#電機(jī)啟動(dòng)，將集料箱內(nèi)的物料倒出(工作過程如(2)中所述）。復(fù)位后2#停機(jī)。
    (4)按下急停按鈕時(shí)，1#、2#電機(jī)及主電機(jī)都停機(jī)。
    (5)粉碎機(jī)主電機(jī)要能單獨(dú)啟停和反轉(zhuǎn)，以便檢修。
    (6)主電機(jī)嚴(yán)重過載，影響電機(jī)安全時(shí)，由PLC發(fā)出信號(hào)，切斷主電機(jī)電源和上料傳送帶電源。
3、主電機(jī)負(fù)載檢測(cè)功能
    粉碎過程中，由于較粗的樹枝或較硬的異物卡住刀片，或者因投料量太大導(dǎo)致刀片咬死，就會(huì)發(fā)生過載。過載時(shí)間過長(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)將從電網(wǎng)中吸收大量的有功功率，電流急劇增大，溫度隨之上升，高溫下電動(dòng)機(jī)的絕緣便老化失效而燒毀。因此，在一般粉碎機(jī)主電機(jī)中都有過載保護(hù)裝置或自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。
    通過監(jiān)測(cè)電機(jī)電流的方法可以做到電機(jī)過載保護(hù)。如果采用PLC直接監(jiān)測(cè)電機(jī)電流從而判斷是否過載的方案，則PLC需要模擬量輸入和處理模塊，價(jià)格會(huì)大大提高，勢(shì)必造成粉碎機(jī)成本高昂。因此，本設(shè)計(jì)中采用前置處理電路對(duì)電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過一定的運(yùn)算和判斷后，變成開關(guān)量信號(hào)后送入PLC，再由PLC控制電機(jī)停止。具體方法和步驟如下。
    (l)由采樣互感器將電機(jī)電流轉(zhuǎn)換成0~SA交流信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換變壓器轉(zhuǎn)換成0~ 15V交流電壓后經(jīng)橋式整流電路變?yōu)橹绷麟妷�，再�?jīng)過限流采樣和無感濾波，如圖2所示。
    (2)信號(hào)送由運(yùn)放UA組成的積分器積分，其輸出送由UD組成的比較器后送輸入電路。采用這樣的電路是基于以下思想：電機(jī)允許短時(shí)過載，不必馬上切斷電機(jī)電源，這樣可以充分利用電機(jī)的過載能力；只有當(dāng)嚴(yán)重過載超過一定的時(shí)間（這個(gè)時(shí)間與電機(jī)具體參數(shù)有關(guān)，這里不再贅述）后，為了保護(hù)電機(jī)電樞不致溫升過高而燒毀，必須切斷電機(jī)電源。前置處理電路連續(xù)檢測(cè)主電機(jī)電流，將檢測(cè)到的電流變化經(jīng)過積分等運(yùn)算，在比較器內(nèi)與一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的值（該值由電機(jī)允許過載的最大電流及最長(zhǎng)過載時(shí)間決定）比較，從而判斷電機(jī)的負(fù)載狀況是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)。如果超過被比較值，則發(fā)出封鎖信號(hào)。前置處理電路如圖3所示。
    為防止整流二極管開路時(shí)變壓器B次級(jí)產(chǎn)生高壓，在B次級(jí)兩端裝入Rl電阻。Cl為電容濾波，R4為分壓取樣電阻，C2、R5、C3組成無感輸出濾波。
    (3)由比較器送來的信號(hào)送輸入電路，由輸入電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成開關(guān)量信號(hào)，再送入PLC，由PLC發(fā)出信號(hào)停機(jī)，輸入電路見圖4。
4、PLC選型與接線、編程
4.1PLC選型
    本機(jī)需要6個(gè)按鈕：整機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)按鈕，主電機(jī)單獨(dú)啟動(dòng)、停止：反轉(zhuǎn)按鈕，急停按鈕。另外，還需要兩個(gè)輸入點(diǎn)，一個(gè)用于輸入主電機(jī)負(fù)載檢測(cè)電路送來的過載控制信號(hào)，另一個(gè)用來接收重量傳感器的計(jì)量達(dá)標(biāo)信號(hào)。所以，輸入點(diǎn)數(shù)總共為8個(gè)。
    輸出點(diǎn)數(shù)為5，即1#電機(jī)、2#電機(jī)、主電機(jī)正、反轉(zhuǎn)接觸器，集料槽重量達(dá)標(biāo)后蜂鳴器提示信號(hào)。
    1/0點(diǎn)數(shù)總計(jì)為13個(gè)。
    選用性價(jià)比很高的西門子S7-200系列PLC，CPU224。I/O點(diǎn)數(shù)為14/10。
4.2現(xiàn)場(chǎng)器件與PLC內(nèi)部繼電器對(duì)照
    現(xiàn)場(chǎng)器件與PLC內(nèi)部繼電器對(duì)照如表1所示。
4.3 PLC與現(xiàn)場(chǎng)器件的實(shí)際連接
    如圖4所示，由前置處理電路送來的電機(jī)過載封鎖信號(hào)經(jīng)過三極管的功率放大后使繼電器Jl的觸點(diǎn)閉合，將一個(gè)開關(guān)量信號(hào)送入PLC，由PLC發(fā)出指令切斷主電機(jī)電源和上料傳送帶電機(jī)電源，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。
4.4梯形圖
如圖5所示，圖中1M，2M，3M為中間繼電器。T×為定時(shí)器。
5、結(jié)束語
    通過PLC對(duì)樹枝粉碎機(jī)進(jìn)行改造，提高了它的自動(dòng)化程度，同時(shí)又控制了成本，達(dá)到了自動(dòng)化、大型化的目的。這種方式對(duì)其它農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械的改造也有一定的借鑒意義。