Информационно-управляющее устройство для электротехнологических установок

Современный уровень развития электротехнологических установок требует высокой степени автоматизации и электромеханизации технологических систем, способных обеспечивать требуемый уровень технологической эффективности и безопасность при эксплуатации этих установок.

На сегодня огромное количество семенных смесей не являются кондиционными. Поэтому сельскохозяйственным производителям приходится находить все новые способы и устройства их обработки перед посевом.

К прогрессивным тенденциям в совершенствовании систем автоматизации относится переход к разработке систем, основанных на электронно-оптической оценке свойств продукта на базе цифровых систем технического зрения. Такие системы позволяют производить процесс обработки семенных смесей без участия обслуживающего персонала, так как оперативно и в реальном времени получают информацию о свойствах обрабатываемых семенных смесей, используя ее для изменения параметров работы установки [1].

Подобная система способна реализовывать целый спектр задач, таких как измерение, оценка по заданным признакам, выведение средних зависимостей и т.д. При поступлении данной информации на устройство обработки данных (персональный компьютер, логический микроконтроллер) возможно создание системы, которая будет бесконтактно и быстро оценивать оптическую информацию, адекватно управлять рабочим органом, своевременно регулировать процесс обработки семенных смесей.

Информационными параметрами в сортировальных машинах являются геометрические (длина, ширина) и морфологические (форма, цвет) характеристики семян.

Цель исследований

Разработать электронно-оптическую систему для ленточного электростатического триера с целью повышения технологической эффективности и обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала.

Материалы исследований и их обсуждение

Для семян овощных культур семейства «Тыквенные» известна зависимость напряженности срыва семян с полочки триера от геометрических свойств семян, описываемая следующей зависимостью [1]:

E вк = √2fmg/K в πεN, кВ/см , (1) где f - коэффициент трения; m - масса частицы, кг; g - ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с²; ε - диэлектрическая проницаемость воздуха ε =1; K в - функция вытянутости; N - функция выполненности частицы.

Указанная математическая зависимость показывает, что, определив среднее значение размеров семян, можно автоматически устанавливать напряженность межэлектродного промежутка и тем самым повысить технологическую эффективность работы установки.

Кроме того, проведенные эксперименты [3, 4] показали, что с увеличением напряженности срыва семян с полочки уменьшается время. При этом с увеличением толщины семян напряженность и время срыва семян уменьшается.

Это можно описать следующим уравнением:

t ср = а о + а 1 /Е ср , с , (2) где а о , а 1 - постоянные коэффициенты.

Таким образом, по результатам проведенных экспериментов можно сделать следующий вывод: при работе с ленточным электростатическим триером необходимо проводить регулирование по напряжению, подаваемому на электрод, или по длительности обработки семян путем изменения скорости движения транспортерной ленты. В обоих случаях необходимо основываться на геометрической и морфологической оценке семян. Оба параметра - напряжение на электроде и длительность обработки - влияют на качество семенного материала, что было ранее подтверждено путем эксперимента [3, 4].

Для поставленных целей возможно использование ленточного электростатического триера с установкой программируемого логического контроллера с камерой, поддерживающей алгоритм технического зрения (в дальнейшем - камера технического зрения).

На базе данных исследований была предложена модель [4] возможного усовершенствования. Но в силу развития техники [5] были проведены преобразования имеющейся схемы.

Предлагаемое устройство включает в себя: транспортерную ленту с заземленными ребрами-полочками; высоковольтный электрод с пластиной, выполненной из диэлектрика; высоковольтный источник питания; семенные частицы; бункер крупных семян; ВЭП-камеру; интерфейс связи; программируемый контроллер; загрузочный бункер; приемный бункер (бункер мелких семян).

Перед межэлектродным промежутком, являющимся рабочей зоной электростатического триера, во время движения транспортерной ленты семена осматриваются со всех сторон в ярком свете с помощью оптической системы, после чего происходит регистрация цифрового изображения в режиме «макросъемка». Через USB-интерфейс отснятые изображения поступают в ПЛК. Анализатор изображения состоит из оптической системы и фотодетектора.

Оптическая система включает объектив для фокусировки изображения объекта на фотоприемник или преобразователь изображения, а также вспомогательные элементы.

Предполагаемое устройство использует IVC-2DM-камеру технического зрения, которая подключена к программируемому логическому контроллеру 308 фирмы ОВЕН. В ПЛК установлена программа SLM20*1200, управляющая высоковольтным источником питания.

В данной программе реализуется метод регулирования по напряжению. С помощью преобразователя частоты вращения ПЧВ-2 фирмы ОВЕН можно добиться изменения скорости движения ленты триера, и, как следствие, изменения времени обработки.

Принцип работы схемы следующий: при первом запуске требуется подать питание на схему. После активации контроллер включает зависимые от него устройства - преобразователь частоты вращения, камеру и высоковольтный источник питания. Пока с камеры не поступит сигнал, управляющая программа не активируется. После включения камеры и появления соответствующего отклика производится загрузка семенного материала в бункер, преобразователь частоты устанавливает минимальный порог. Скорость движения ленты составляет 57 см/с. После попадания семян на полочки они оказываются в поле технического зрения камеры, производится измерение геометрических размеров семян и устанавливаются их характеристические признаки. Измерения производятся для пяти полочек для исключения возможности настройки системы для малых или крупных семян. По завершении расчета камера выводит на контроллер средние значения геометрических размеров семян и основные характеристические признаки, позволяющие различать семена одной сельскохозяйственной культуры от другой. В контроллере по заданным зависимостям определяется напряжение, которое необходимо подать на электрод, либо время экспозиции. Так как время экспозиции функционально зависит от скорости движения ленты, оно вычисляется через частоту вращения вала электродвигателя.

Данное значение устанавливается в преобразователе частоты вращения. По получении результатов расчетов контроллер передает рассчитанные значения на соответствующие элементы и по обратной связи устанавливает готовность элементов. Система переходит в стационарный режим работы.

Оборудование, необходимое для работы данной автоматизированной системы, - это камера, поддерживающая алгоритм технического зрения, с интеграцией управляющего кода.

В качестве камеры технического зрения была выбрана 2D-камера SICK IVC-2DR1111.

Для определения места установки камеры необходимо определить ширину кадра на данной дистанции.

Преимущества данной камеры:

• -    все необходимые комплектующие (кабель связи, осветительная насадка, платформа визуализации, один набор линз) идут в комплекте с камерой, что снижает общие затраты;

• -    камера совместима с программируемыми контроллерами и способна работать по интерфейсу связи RS-485. При необходимости камера может выступать в качестве автоматического регулятора для преобразователя частоты вращения, если работать без обратной связи;

• -    собственная платформа визуализации. Платформа визуализации - это программное обеспечение, позволяющее пользователю настроить необходимые параметры работы камеры: поле обработки информации, количество циклов обработки, установить параметры на ввод или вывод информации на другие устройства;

• -    время экспозиции - от 64 мкс до 0,5 мс, что позволяет работать минимум с 2000 измерениями в одну секунду;

• -    высокая степень защиты от условий окружающей среды (IP 65), что позволяет использовать камеру в запыленных помещениях при условии периодической прочистки линзы.

Сбор и обработка информации, а также соединение с ПК осуществляется программируемым логическим контроллером ПЛК 304-24-CS фирмы ОВЕН, на который распространяется стандарт МЭК 61131-13, позволяющий использовать для его программирования программное обеспечение других производителей. Выбранный ПЛК имеет два разъема, поддерживающих протокол RS-485, отличающийся высокой точностью передачи данных при работе в непосредственной близости от полей, создающих электромагнитные помехи. Кроме того, быстродействие ПЛК соответствует быстродействию камеры, что позволяет избежать конфликтов в работе системы.

Согласно параметрам контроллера и необходимым рабочим величинам совместимое оборудование: преобразователь частоты фирмы ОВЕН ПЧВ-102-1К5-А и высоковольтный источник питания.

Оба устройства управляются по интерфейсу связи RS, с обратной связью по частоте и напряжению соответственно, что позволяет не устанавливать дополнительные датчики и снижает капитальные затраты на установку. Для отслеживания опустошения и наполнения бункеров устанавливается два емкостных датчика фирмы ОВЕН ВБ1.18М.75.10.1.1.К. Для подключения датчиков для контроллера требуется дополнительная панель расширения МВА 8.

Вывод

Представленное информационно-управляющее устройство реализует принцип определения геометрических свойств семян по изображениям, поступающим с видеокамер, составляющих оптико-электронную систему. Может быть использовано для калибровки семян семейства «Тыквенные» с целью выделения более жизнеспособных семян для повышения их посевных качеств и продуктивности растений.