毕业设计--基于PLC的农产品加工机械性能检测系统硬件设计--论文

毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 --基于PLC的农产品加工机械性能检测系统硬件设计-- 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 基于PLC的农产品加工机械性能检测系统硬件设计 摘 要 随着社会的发展和科技的进步，人们对农产品加工机械产品的要求越来越高，而目前我国农产品加工设备品种繁多、规格复杂，产品鉴定采用传统方法检测周期长、工作量大、效率低。为了使农产品加工机械在大批量生产和投放市场之前达到国家规定的性能指标和要求，本文根据现场要求和系统技术指标，采用数据采集技术和PLC控制技术研究和设计了农产品加工机械性能检测系统的硬件。 本文首先概述了计算机控制系统和PLC在工业控制中的重要性， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了农产品加工机械产品的质量现状。其二，介绍了数据采集技术及PLC控制技术。其三，提出了检测系统的总体设计方案，设计了检测系统的硬件。通过数据采集卡PCL813采集现场各个传感器传来的数据，然后通过工控机的PCI数据总线把数据传给上位工控机，工控机与下位机PLC之间采用RS232C进行串行通信，PLC控制农产品加工机械的性能检测系统，PLC与变频器之间通过RS485串口通信，变频器通过改变交流变频电动机的频率从而控制交流异步电动机的转速，从而控制原料的流量。 本文所设计的农产品加工机械性能检测系统运行稳定，系统的各项控制功能均能可靠实现，结果证明该系统方案切实可行。 关键词: PLC控制，数据采集，串行通信，变频器 The Hardware Design of Agricultural Products Processing Mechanical Property Examination System Based on PLC ABSTRACT With the development of the society and the progress of technology, people’s request to the agricultural products processing mechanical products is more and more high, but agricultural products processing machines are various in style and complicated in specification in our country. Products examination with traditional method exist the following questions: long measure cycle, heavy work load, low efficiency. In order to make the agricultural products processing machines can reach the performance and requirement that the country stipulates before producing in enormous quantities and putting on market, this article adopts data acquisition technology and PLC control technology to research and design the hardware of performance examination system about agricultural products processing machines in foundation the require live and systematic technical indicator. Firstly, this article summed up the importance for the computer control system and PLC in industrial control and analyzed the quality current situation of agricultural products processing machines. Secondly, the article recommended the data acquisition technology and PLC control technology. Thirdly, the article proposed the overall design scheme of the examination system, designed the hardware of the examination system. Data acquisition card PCL813 gathers the data transmitted by the testing scene's each sensor, and then the data are transmitted to the industrial personal computer(IPC) by the data bus PCI of IPC, RS232C realizes the serial communication between the IPC and lower position machine PLC, PLC controls the performance examination system of agricultural products processing machines, RS485 realizes the serial communication between PLC and the variable-frequency driver(VFD), VFD changes the alternative variable frequency motor's frequency, thus which control the flow of raw materials. The performance examination system about agricultural products processing machines run steadily, every control function of the system can be realized reliably. It proves the scheme of this system is feasible. KEY WORDS:PLC Control, Data Acquisition, Serial Communication, Variable-Frequency Driver 目 录 前 言 ................................................................................................ 1 第1章 数据采集技术和PLC控制技术 .......................................... 3 ?1.1 数据采集技术 ....................................................................... 3 ?1.1.1 微型计算机数据采集系统的结构 ................................. 4 ?1.1.2 数据采集系统的几个主要考虑因素 ............................. 5 ?1.1.3 数据采集系统设计基本 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 ......................................... 6 ?1.2 PLC控制技术 ....................................................................... 7 ?1.2.1 可编程控制器的组成及功能 ......................................... 7 ?1.2.2 PLC的工作原理 ............................................................ 8 ?1.2.3 PLC的主要特点 .......................................................... 10 第2章 检测系统的总体设计方案 ................................................. 12 ?2.1 检测系统的总体设计要求 .................................................. 12 ?2.2 检测系统的技术要求 .......................................................... 12 ?2.3 检测系统的组成及工作原理 .............................................. 14 第3章 检测系统的硬件设计及实现 .............................................. 16 ?3.1 数据采集系统硬件实现 ...................................................... 16 ?3.1.1 传感器的选择 .............................................................. 16 ?3.1.2 称重传感器与其信号调理电路 ................................... 17 ?3.1.3 数据采集卡的选择 ....................................................... 17 ?3.1.4 上位工控机 .................................................................. 19 ?3.2 PLC控制系统硬件实现 ...................................................... 21 ?3.2.1 PLC控制系统的工作原理 ........................................... 21 ?3.2.2 下位机PLC .................................................................. 24 ?3.2.3 上位工控机与下位机PLC之间的通信 ...................... 25 ?3.2.4 变频器 .......................................................................... 27 结 论 .............................................................................................. 31 参考文献 .......................................................................................... 32 致 谢 .............................................................................................. 34 附 录 .............................................................................................. 35 前 言 农产品加工机械是对农业生物资源进行加工所使用的各种机械和设备的总称，是实现先进的农产品加工技术的载体。长期以来计划经济下形成的农产品检验检测体系与当前我们面临的形势很不适应，无论是在农产品检验检测机构的设置、基础建设还是在有关政策等方面，都还跟不上形势发展的要求，存在着大量亟需解决的问题。因此，完善能有效提高农产品国际竞争力的农产品安全检验检测体系已迫在眉睫。 为了对农产品加工机械(如碾米机、榨油机、茶叶加工机、饲料机等)的性能进行检测和鉴定，使其在大批量生产和投放市场之前达到国家规定的性能指标和要求，必须有一个完善的检测和鉴定系统对农产品加工机械进行检测和鉴定。 本设计的研究目的是设计农产品加工机械性能检测系统，在检测过程中用自动化控制和通信的技术来测定被测机械的相关性能参数，然后再把这些测得的性能参数和国家标准进行比较，进而判断该被测机械的性能好坏。该检测系统的运用使农产品加工机械在大批量生产之前先确定其性能好坏，从而避免性能不合格的农产品加工机械流入市场，扰乱农产品加工市场。 本设计通过对数据采集和PLC工业控制系统的基本理论研究和实践，掌握数据采集和PLC工业控制系统的基本结构和控制方法。通过个人计算机与PLC控制系统的通信，实现对PLC工业控制系统的数据读写和基本管理、质量管理等。 本设计研究了PLC控制技术，在熟悉PLC基本原理的基础上完成农产品加工机械性能检测系统硬件设计包括:(1)数据采集系统实现;(2)工控机与下位机PLC之间的通信实现;(3)PLC与变频器之间通信实现。具体每一章的内容如下: 第一章介绍数据采集技术和PLC控制技术。数据采集技术包括数据采集的概念和方法、数据采集系统的结构、基本功能和性能参数以及系统设计原则;介绍PLC的基本组成及各部分功能以及PLC的工作原理和主要特点。 第二章阐述农产品加工机械性能检测系统的总体方案。总体设计方案包 括系统的功能要求与技术要求、检测系统的组成及工作原理。 第三章介绍检测系统的硬件设计及实现。硬件设计包括数据采集系统与PLC控制系统的设计，数据采集系统包括传感器的选型、称重传感器的信号调理电路、数据采集卡的选型、上位工控机，PLC控制系统包括下位机PLC的设备选型、控制系统中PLC的输入输出、上位工控机与下位PLC之间的RS-232C串口通信、变频器VFD-M的性能介绍、变频器参数重新设定、PLC与变频器的连接等。 第1章 数据采集技术和PLC控制技术 随着大规模及超大规模集成电路的发展，计算机的可靠性和性能/价格比越来越高，这使得计算机控制系统得到越来越广泛的应用。计算机数据采集系统是计算机控制系统的一个重要的组成部分，系统的主要功能是对过程参数进行采集、处理、显示、记录和报警，对过程进行监督。而PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，它按照用户程序存储器中预先编制的控制程序，通过输入接口采用现场信息，执行逻辑或数值运算，进而通过接口控制各种执行机构动作。本章主要介绍数据采集技术及PLC控制技术。 ?1.1 数据采集技术 数据采集与处理是计算机应用的一个重要分支，主要研究信息数据的采集、存贮、处理及控制等内容。70年代以来，由于微机技术的快速发展及其在军、民用工程领域的广泛应用，尤其是适于通用微机(如IBM PC系列)使用的板卡级数据采集产品的大量出现，以微机为核心的可编程数据采集与处理技术得到迅速发展。现在的微机，只需在其扩展槽内插上一块数据采集板，并辅以应用软件，即可组成一套微机数据采集与处理系统，实现信息处理和实时控制功能。 数据采集与处理技术主要研究模数、数模转换(A/D、D/A)、数据处理等问题，需要计算机硬件电路和软件编程知识。 “数据采集”是指为对温度、压力、流量、速度、位移、振动、噪声等物理量进行测控，首先通过传感器把上述物理量转换成模拟电信号，而后由A/D-D/A板将模拟电信号转换成时间、数值上量化且离散的数字量输入计算机系统。数据采集的核心是A/D转换。 “数据处理”是指计算机根据被测控对象的需要，对采集到的数据进行数学分析运算，处理结果一方面送至显示器、打印机等外设，一方面由A/D-D/A板将数字量转换成模拟电信号输出，对外部物理量进行实时监控。数据处理的核心是数值处理和D/A转换。 ?1.1.1 微型计算机数据采集系统的结构 微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持、A/D转换器、计算机及外设等部分组成。各部分的作用如下: 1. 传感器 各种待转换的物理量，如温度、压力、位移、流量等都是非电量。首先要把这些非电量转换成电信号，然后才能进一步的处理。把各种物理量转换成电信号的器件称为传感器。 2. 模拟多路开关 数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集。在不要求高速采集的场合，一般采用公共的A/D转换器，分时对各路模拟量进行模/数转换，目的是简化电路，降低成本。可以用模拟多路开关来轮流切换各路模拟量与A/D转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器，从而实现分时转换的目的。 3. 程控放大器 在数据采集时，来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平信号。程控放大器的作用是将微弱的输入信号进行放大，以便充分利用A/D转换器的满量程分辨率。例如，传感器的输出信号一般是毫伏数量级，而A/D转换器的满量程输入电压多数是2.5V，5V或10V，且A/D转换器的分辨率是以满量程电压为依据确定的。为了能充分利用A/D转换器的分辨率，即转换器输出的数字位数，就要把模拟输入信号放大到A/D转换器满量程电压相应的电平值。 一般通用数据采集系统均支持多路模拟通道，而各通道的模拟信号电压可能有较大差异，因此最好是对各通道采用不同的放大倍数进行放大，即放大器的放大倍数可以实时控制改变，这样，在多路开关改变其通道序号时，程控放大器也由相应的一组数码控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数，它的使用大大拓宽了数据采集系统的适应面。 4. 采样/保持器 A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望A/D转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。这可以用采 样/保持器来实现，采样/保持器的加入，大大提高了数据采集系统的采样频率。 5. A/D转换器 因为计算机只能处理数字信号，所以须把模拟信号转换成数字信号，实现这一转换功能的器件是A/D转换器。A/D转换器是采样通道的核心，因此，A/D转换器是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。 6. 接口电路 该电路用来将传感器输出的数字信号进行整形或电平调整，然后再传送到计算机的总线。 7. 微机及外部设备 它们负责对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据做必要的处理,然后根据需要来显示和打印。 8. 定时与逻辑控制电路 数据采集系统各部件的定时关系是比较严格的，如果定时不合适，就会严重影响系统的精度。例如，模拟多路开关的两个开关切换时间是800ns;在模拟多路开关切换期间，程控放大器同时切换放大倍数，大约是800ns;从程控放大器的一个新放大倍数到产生稳定的输出大约是400ns;那么，从程控放大器倍数开始切换到采样/保持器开始跟踪至少需要1.2us。若采样/保持跟踪时间是6us，A/D转换至少再延时6us后才能开始。 ?1.1.2 数据采集系统的几个主要考虑因素 对数据采集系统来说，不同的工作环境对其就有不同的要求，但总有一些主要性能指标是必须要考虑的。以下给出几个主要性能指标的含义。 1. 系统分辨率:是指数据采集系统可以分辨出的最小的输入信号的变化量。通常用最低有效位置(LSB)占系统满度信号的百分比表示，或直接用系统可分辨的实际电压数值来表示，有时也用满度信号可分级数来表示。 2. 采集速率:又称为系统通过速率，是指在满足系统精度指标的前提下， [1]系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数。 3. 动态范围:某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大 幅值数和最小幅值数之比的分贝数。对大动态范围信号的高精度采集时，还要用到“瞬时动态范围”这样一个概念。它是指某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅值之比的最大值。 4. 系统精度:是指当系统工作在额定采样速率下，每个离散采样的转换精度。A/D转换器的精度是系统精度的极限值。而实际情况是，系统精度往往达不到A/D转换器的精度，这是因为，系统精度取决于系统各部分的精度综合效应，只有系统各部分精度都达到A/D转换器的精度时，系统总的精度才能达到A/D转换器的精度，而这是不可能实现的。系统精度是系统的实际输出值和理论输出值之差，它是各种系统误差的总和。通常表示为满度值的百分数。 5. 非线性失真:也称谐波失真。当给系统输入一个频率为f的正弦波时，其输出中出现很多频率为kf(k为整数)的频率分量的现象，成为非线性失真。 ?1.1.3 数据采集系统设计基本原则 1. 确保性能指标的完全实现 系统设计的根本依据是系统所要达到的性能指标，主要应考虑系统输入信号的特征，如输入信号的通道数是模拟量还是数字量、信号的强弱和动态输入范围、信号的输入方式是周期信号还是瞬态信号、信号的频带宽度、信号的噪声及其共模电压的大小、信号源的阻抗等等。 2. 系统结构的合理选择 系统结构的合理与否，对系统的可靠性、性价比等有直接影响。首先是硬件及软件功能的合理分配，原则上尽可能的“以软代硬”，其次考虑系统布局及接口特征。接口特征包括:采用什么样的总线、采样数据的输出形式(串行或并行)、数据编码格式等。 3. 安全可靠，具有一定的抗干扰能力 要保证在一定的工作环境下，系统具有最大的稳定性，可靠的工作;保证系统达到设计精度，同时也要保证使用系统的工作人员的安全。 ?1.2 PLC控制技术 可编程控制器(PLC)是在电子技术、计算机技术等基础上发展起来的一种先进的自动控制设备。它具有可靠性高，抗干扰能力强，编程简单，设计周期短，安装、接线、调试工作量小，使用维护方便，具有很高的灵活性、适应性及很强的信息处理能力和多功能、体积小、重量轻的优点。因此它己经成为绝大多数机械设备首选的控制系统。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 ?1.2.1 可编程控制器的组成及功能 可编程控制器是一种以微型计算机为主体、具有强大控制功能和抗干扰能力的工业控制装置。所以它的组成与一般计算机系统基本一致，有中央处 [2]理器(CPU)、存储器、I/O接口部分、电源、通信接口、编程工具等。下面分别介绍它们的功能: 1. 中央处理单元(CPU) CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU模块是可编程控制器的核心，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:(1)接收并存储用户程序和数据;(2)检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误;(3)当PLC投入运行后，以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据;(4)读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算;(5)根据用户程序的执行结果，更新有关状态标志位的状态输出和状态寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。 2. 存储器 可编程控制器存储器中配有两种存储系统，即用于存放系统程序的系统 程序存储器和存放用户程序的用户程序存储器。系统程序存储器主要用来存储可编程控制器内部的各种信息。在大型可编程控制器中，又可分为寄存器存储器、内部存储器和高速缓存存储器。在中、小型可编程控制器中，常把这三种功能的寄存器混合在一起，统称为功能存储器，简称存储器。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。 由用户编的程序称为用户程序。用户程序存放在用户程序存储器中，用户程序存储器的容量不大，主要存储可编程控制器内部的输入输出信息，以及内部继电器、移位寄存器、累加器、数据寄存器、定时器和计数器的动作状态。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储的PLC，都有后备电池(锂电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。若用户程序已经完全调试好，并且一段时间内不需要改变功能，也可将其固化到EPROM中。但是用户程序存储器中必须有部分RAM，用以存放一些必要的动态数据。 3. I/O单元 I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收操作指令和现场的状态信息，加控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元[3]件。 ?1.2.2 PLC的工作原理 可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。因为专门在工业环境下应用，所以采用了循环扫描的工作方式，整个工作过程如图1-1所示。 在正常情况下，一个用户程序扫描周期由三个阶段组成。PLC通上电后，CPU首先使 I/O状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常以后， 就采用循环扫描工作方式执行用户程序。 启动 初始化处理: I/O状态表清零 自诊断 输入信号处理:扫描 输入信号、将结果 存入I/O状态表 程序处理:顺序处 理用户程序、将结 果存入I/O状态表 输出信号处理:扫描 输出结果、送入输出锁 存电路进行输入 图1-1 可编程控制器工作过程图 三个阶段的工作过程是: 1. 输入处理阶段 又称为输入采样。在此阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息关到I/O状态表中存放。在同一扫描周期内，某个输入点的状态在I/O状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影 [4]响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。 2. 程序处理阶段 又称为程序执行。当输入状态信息全进入I/O状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编过程控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/O状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/O状态表的输出状态寄存器中。 3. 输出处理阶段 又称为输出刷新。这个阶段 CPU对用户程序己扫描处理完毕。并将运算结果写入到I/O状态表中的输出状态暂存器中。此时将输出信号从输出状态寄存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。PLC的一个工作周期主要有上述三个阶段，但严格说还应该包括下述四个过程: (1)系统自监测。 (2)与编程器交换信息。 (3)与数字处理器交换信息。 (4)网络通信。 值得注意的是在一个扫描周期内，对输入状态的扫描只是在输入处理阶段进行。当CPU进入程序处理阶段后，输入端被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状态进行新的扫描，这就是所谓集中采样，即在CPU工作的一个扫描周期内，定时集中对输入状态进行扫描。在用户程序中如果对输出多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只是在输出处理阶段将输出信息从输出寄存器中送出去，而在其它阶段，输出值一直保留在输出寄存中，即输出也采取集中定时输出的方式。输出寄存器中的状态在用户程序中也可作为中间结果或输入条件来使用。 可编程序控制器所采用的集中采样，集中输出的工作方式，使得CPU工作时的大多数时间与外设隔离，因而从根本上提高了它的抗干扰能力，增强了可靠性，但响应滞后、速度慢，也就是说PLC以降低速度求得高可靠性。 ?1.2.3 PLC的主要特点 可编程控制器的种类虽然千差万别，但为了在恶劣的工业环境中使用，它们都有许多共同的特点。 1. 抗干扰能力强，可靠性高。 PLC是专门为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境，有些PLC的平均故障时间可以达到几十万小时以上。绝大多数的用户都将可靠性作为选取控制装置的首要条件，因此PLC在许多硬件和软件方面均采取了一系列 的抗干扰 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。 硬件方面:(1)隔离，在微处理与 1/O电路之间采用光电隔离减少外部干扰源对PLC的影响。(2)滤波，对供电系统以及输入线路采用多种形式的滤波，减少高频干扰。且有些模块设置了连锁保护、自诊断电路等。 软件方面:(1)设置故障检测与诊断程序。(2)当软件的故障条件出现时，立即把状态重要信息存入指定存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防止存储器信息被冲掉。这样，一旦外界调整正常后，便可以恢复故障发生前的状态，恢复原来的工作。 2. 编程简单、使用方便。目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些 PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。 3. 设计安装容易，维护工作量少。功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。 4. 设计、施工、调试周期短。易于实现机电一体化。 第2章 检测系统的总体设计方案 农产品加工机械的性能检测系统由数据采集系统和PLC控制系统两大部分组成。其中数据采集系统由传感器、变送器、数据采集卡、研华工控机等设备组成;PLC控制系统由台达DVP系列的PLC、变频器等设备组成。数据采集系统采集各个实验阶段的有关参数并在研华工控机的人机界面上实时显示;PLC控制系统主要完成在实验过程中对现场机械的启停、被测机械的轴承温度、拨板给料电动机的原料流量等的控制。 ?2.1 检测系统的总体设计要求 针对目前我国农产品加工设备品种繁多、规格复杂(如各类型碾米机、榨油机、饲料机等)、产品鉴定采用传统方法检测周期长、工作量大、效率低的现状，为使农产品加工机械在大批量生产和投放市场之前达到国家规定的性能指标和要求， 避免性能不合格的农产品加工机械流入市场，扰乱农产品加工市场，使人们放心食用高质量的农产品加工机械产品。必须有一个对农产品加工机械进行性能检测的系统，且要求本农产品加工机械性能检测系统具备以下功能要求: (1)能够准确、实时地采集检测现场的相关参数。 (2)能够自动控制现场机械的启停及原料的流量控制。 (3)当系统的运转出现异常时能够及时报警，使系统功能完善、使用方便、操作简单。 (4)能够对采集的数据进行相应的处理并储存。 ?2.2 检测系统的技术要求 检测系统除了要满足以上功能要求以外，还需要满足技术性能指标的要求。检测系统的技术性能指标包括硬件的精度要求、分路测量精度要求、数据采集方面的要求。 1. 硬件精度要求 硬件精度要求如表2-1所示。 表2-1 硬件的精度要求 硬件名称 量程 精度 质量传感器 ,10,100? 0.05% 温度传感器 500kg 0.5? 三相功率仪 30kW 0.5% 电压表 380V 2级 电流表 80A 2级 大气压力传感器 80,106Pa 0.1kPa 转速仪 5000r/min 1r/min 湿度传感器 0,100% 1% 2. 分路测量精度要求 (1)质量测量精度:1% (2)温度测量精度:?1? (3)电压测量精度:3% (4)电流测量精度:?3% (5)湿度测量精度:2% (6)转速测量精度:?5r/min (7)电功率测量精度:1% 3. 控制方面的要求 (1)料斗加料控制装置:要求采用程序自动控制和手动控制两种形式。 (2)料流量控制装置:要求采用自动和手动双重控制形式。既能手动控 制阀门的大小，又能根据被测试机械的生产率自动调节阀门的大小;还能根 据事先给定的测试原料质量的参数自动启动阀门。 4. 数据采集方面的要求 (1)采集数据保留两位小数。 (2)各相关测试参数应根据实验工作状况实现同步采集控制。 (3)原始数据和处理结果均能保存和打印。 (4)具有查找历史数据的搜索功能，可按被测机器型号、检测日期进行 搜索并显示、打印等。 ?2.3 检测系统的组成及工作原理 检测系统包括数据采集系统和PLC控制系统两大部分。数据采集系统由传感器(变送器)、数据采集卡、上位工控机等设备组成，PLC控制系统由下位机PLC、变频器等设备组成。其系统组成框图如图2-1所示。 1个通道原料质量(电子秤) 1000kg(数打主磁主系据印轴1个通道盘轴统成品质量(电子秤) 1000kg输转拷机转紧(速贝?(速)出?急数1个通道 轴承温度?(红外测量) 0~100ºC停脉据脉 车冲冲采1个通道 量)装量)轴承温度?(红外测量) 0~100ºC集 置 1个通道卡 成品温度(温度变送器) 0~100ºC接 PCI 口1个通道工控计算机环境温度(温度变送器) -10~60ºC RS-232C1个通道环境湿度(湿度变送器) 0~100% PLC 控制器1个通道大气压力(压力变送器) 80~160KPaRS485 1个通道输入电功率(功率传感器)15KW被电提测轴32动升机承通变频器3个通道电源电压(三相)机机械温道(电压传感器) 380V超启启度载闭停报给报控电流(三相)3个通道控警料警制(电流传感器) 80A制装电装装装置动置17个通道置置预留通道机 图2-1 检测系统组成框图 数据采集系统中的传感器(变送器)把现场需要测量的信号从非电量信号转化成电量信号;称重传感器测量原料质量和成品质量;非接触红外线温度传感器测量轴承温度，温度变送器测量成品温度;温、湿度变送器测量环 境温度、环境湿度;压力变送器测量大气压力;电功率变送器测量被测电动机的电功率;电压变送器测量电源电压;电流变送器测量电源电流等等。以上传感器、变送器测量所得的电信号传送到数据采集卡，数据采集卡将采集到的模拟量信号转换成数字量信号传送到上位工控机。 PLC控制系统中的核心器件PLC作为下位机，上位工控机与下位工控机PLC之间通过RS-232串口进行串行通信，PLC控制检测系统电机的启停以及原料的流量控制。光电耦合隔离传感器测量被测电机的主轴转速，主轴转速经光电耦合隔离传感器转换成电脉冲信号并传送到PLC的高速计数端X2、X3，由PLC内部的高速计数器CR237、CR238统计光电耦合隔离传感器传来的脉冲数，从而采集被测机的主轴转速I和主轴转速II。PLC与变频器之间通过RS-485串口进行串行通信，变频器改变拨板给料电动机(异步交流电动机)的转速以实现对原料的流量控制。 第3章 检测系统的硬件设计及实现 整个硬件系统由数据采集系统和PLC控制系统两大部分组成。下面分别介绍数据采集系统和PLC控制系统的硬件设计。 ?3.1 数据采集系统硬件实现 ?3.1.1 传感器的选择 在本控制系统中选择的传感器的名称、型号、测量范围、测量精度、等主要技术性能指标以及所测量的物理量如表3-1所示。 表3-1 各传感器的主要技术性能指标与其所测的物理量 测量 测量的 器件名称 型号 测量范围 模拟量输出 精度 物理量 原料质量 称重传感器 BHR-4B (0,500)kg×4 0.05%FS 0,100mV 成品质量 非 接 触 红 外 ST-AB-A-015 0,150? ?1%F.S 4,20mA 轴承温度 温 度 传 感 器 -M28/10/25 Pt 铂 电 阻 二 WLB-1 0,100? ?0.5? 4,20mA 成品温度 线 制 变 速 器 温度变送器 WLHT-IS 0,80? ?0.5? 4,20mA 环境温度 湿度变送器 WLHI-IS 0,100%RH 4,20mA 环境湿度 压力变送器 BP800 0.1K,0.35Mpa 0.5%F.S 4,20mA 大气压力 功率传感器 HRP114S91 30kw 0.5级 4,20mA 功率 电压传感器 HRV417U01 500V 0.2级 4,20mA 电压 电流传感器 HR1417S41 0 0.2级 4,20mA 电流 光电耦合隔 E3T-FD12 0,5000Hz ?3HzFS 脉冲 主轴转速 离传感器 ?3.1.2 称重传感器与其信号调理电路 BHR-4B传感器采用空心圆柱体应变筒和剪切式结构作为弹性敏感元件，具有结构简单，应变测量可靠等特点，有一定的抗冲击振动稳定性，有优良的静态性能和良好的动态性能，配用电子称、数字电压表或电阻应变仪可在自动化系统中作为称重测力自动控制元件。主要技术有: (1)输入范围:0,5mV或更大 (2)电源:220VAC 特殊电压可定制 (3)精度:0.1% (4)放大器零点:可调 (5)放大倍数:可调 (6)允许环境温度:,10,50度 (7)重量:0.5kg (8)尺寸:115×90×55(mm) 但是称重传感器的输出信号是0~100mV的微弱信号，且含有干扰噪声，故选择SY-2C有源放大器作为信号调理。SY-2C有源放大器集放大器、供电电源于一体 ，可直接与各种电阻应变式传感器配套使用，最显著的特点是能避免用户电源和出厂调试电源之间而引起的系统误差，其工作原理图如图3-1所示。 0~5VDC 1~5VDC放大传感器电压输出: 0~10VDC -5VDC~+5VDC 0~10mADCV/I转换4~20mADC电流输出: 0~20mADC 电源稳压电源:24VDC或220VAC 图3-1 SY-2C有源放大器的工作原理 ?3.1.3 数据采集卡的选择 根据控制各传感器、变送器的主要技术要求及采集系统对数据的精度要求，选择了12位32路A/D数据采集卡PCL-813。该采集卡能对每路模拟量输入提供电压保护，是工业测量和监控的理想解决方案。该卡良好的接地的四层PCB上提供了32路模拟量输入和2个DC/DC转换器。每路模拟量输入的增益都可以软件编程。光隔离在模拟量输入和PC之间提供了500VDC的支流隔离保护，能够防止PC机外设被输入线上的高电压损坏。具有价位低、灵活性好、稳定性高以及高隔离保护的特点。其主要技术指标如表3-2所示。 表3-2 PCL-813B主要技术指标 A/D通道数 单端32路 补偿误差 0,5V:?1LSB +5V,0,10V:?2LSB 0,10V,0,5V,0, 输入信号范围 精度 0.01% of reading ?1 LSB 2.5V,0,1.25V 最大允许输入电压 ?30V 电源功耗 +5V @ 660mA max， +12V @140mA max 转换器 A/D574 工作温度 0?,50? 分辨率 12 bits (SAR) 隔离电压 〉500VDC A/D触发数据传输 程序控制 采样速率 最高25KHz，仅软件控制 A/D转换时间 25μS 相对湿度 (5%,95%)RH 输入阻抗 >10M 存储温度 -20?,65? 程控增益 1、2、4、8 温漂 ?25PPM/? 数据采集系统的连接示意图如图3-2所示。 PCLD-881 PCL-81337针电缆 4~20mA电流MUXA/D Current PCIshunt隔离输入到PC机 的数据总线将电流转换成变送器电压信号 图3-2 数据采集系统的连接示意图 数据采集卡PCL-813B插入工控机的数据总线PCI插槽中，通过PCI插槽将采集到的信号传送到工控机。 在本控制系统中，数据采集卡PCL-813B的主要功能有以下两个: (1)由多路切换开关完成多点多通道信号的分时采样，时间连续信号x(t)经过采样后变为离散时间序列x(n)，n=0，1，2...... (2)将信号采样值由逐次逼近型A/D574转换器转换为幅值离散化的数字量，然后经过光电隔离电路对系统总线和模拟信号之间进行光电隔离，以免相互间干扰，同时使得被测量系统与工控计算机之间完全电气隔离，以适应于环境恶劣的工业现场数据采集和工控机的正常工作。 ?3.1.4 上位工控机 工业控制机简称工控机，是用于工业控制现场的计算机(Industrial Personal Computer简称IPC )。工控机有以下特点:(1)机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。(2)机箱内有专用底版，底版上有PCI和ISA插槽。(3)机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。 工控机的应用对象及使用环境的特殊性，决定了它的性能主要有以下特点和要求: (1)实时性。实时性是指计算机控制系统能在限定的时间内对外来事件作出反应的能力。为了满足实时控制的要求， 通常既要满足从信息采集到生产设备受到控制作用的时间尽可能短，又要求系统能实时地监视现场的各种工艺参数，并进行在线修正，对紧急事故能及时处理。因此，工业控制机应具有较完善的中断处理系统以及快速信号通道。 (2)高可靠性。工业控制机直接控制着工业过程的操作，如果其质量不高，运行时发生故障，又没有相应的冗余措施，则轻者使生产停顿，重者可能产生灾难性的后果。很多生产过程是日夜不停地连续运转，这便要求与这些过程相连的工业控制机也必须无故障地连续运行，实现对生产过程的正确控制。另外，工业控制机用于工业现场，环境恶劣，震动、冲击、噪声、高频辐射及电磁波干扰往往十分严重，以上这一切都要求工业控制机具有高质量和很强的抗干扰能力，并且具有较长的平均物故障间隔时间。 (3)硬件配件的可装配可扩充性。工业控制机的使用场合千差万别，系统性能、容量要求、处理速度等都不一样，特别是与现场相连接的外围设备的接口种类、数量等差别更大，因此宜采用模块化设计方法。硬件模板功能单一化，模板品种多样齐全并尽量采用各种板级产品，使硬件配件有最灵活的装配性和可扩充性，硬件开发周期降到最小。 (4)可维护性。工业控制机应有很好的可维护性，这要求系统的结构设计合理，便于维修，系统使用的板级产品一致性好，更换模板后，系统的运行状态和精度不受影响;软件和硬件的诊断功能强，在系统出现故障时，能 [5]快速准确地定位。另外，模块化模板上的信号应加上隔离措施。 在数据采集系统中采用工控机作为处理机。工控机是系统的神经中枢，它使整个数据采集与处理系统作为一个智能化的有机整体，在软件引导下按预定的程序自动进行信号采集与存储，自动进行数据的运算分析与处理，指令以适当形式输出、显示或记录测量结果。 根据应用对象及使用环境的特殊性，以及控制系统对实时性、高可靠性、可维护性、硬件配件的可装配可扩充性以及经济合理性等方面的要求，本控制系统中选择了研华工控机。 以研华工控机作为处理机的PC总线测控系统的主要优点如下: (1)软件、硬件设计简单快捷。使用PC机的用户对其软件、硬件已比较熟悉，因而PC机用户能比较快的组建PC总线测控系统。 (2)系统的可扩展性好。当测控系统需要增加功能时，只需加相应的功 [6]能模块，插入扩展槽中， 再配上相应的软件即可。 (3)可维修性好。当出现故障时，先运行诊断程序，按照结果换下己换模板，插上功能相同的模板即可。 (4)易于升级换代。因为PC机的升级产品都能兼容下级产品，所以当需要给PC机升级时，只需要换上新的模块，有时可能要安装新的操作系统，改装之后再对原来的软件稍加调试即可。 ?3.2 PLC控制系统硬件实现 ?3.2.1 PLC控制系统的工作原理 本系统首先启动提升电动机将原料提升到在半空的容器中，将原料质量加到1000Kg时，停止提升电动机加料，再启动被测电动机。对被测电动机分别进行3~5次的空载测量和负载测量，通过对一定量的原料进行加工与实时监控，根据实时测量的数据可以计算出被测机的纯工作小时生产率、吨料电耗、成品温升、轴承温升、出成品率等参数值，然后将这些参数值与标准值进行比较，从而得知被测机的机械性能好坏。其中一些参数的定义如下: 1. 纯工作小时生产率E: c (1)单次试验纯工作小时生产率E: i 单次加工原料质量Q(h)i E= (kg/h) (3-1)i单次测试时段T(h)i Q=单次试验开始时的原料质量(kg),单次结束时的原料质量(kg) i (2)纯小时生产率E: c n E,ii,1 E= (kg/h) (3-2) cn 式中:n--测量次数 2. 吨料电耗G: n (1)单次实验吨料电耗G: i 单次实验电耗量Gnzi, G= 1000 (kWh/t) (3-3) ，iQi (2)吨料电耗G: n n G,ii,1,G= (kWh/t) (3-4) nn 3. 出成品率d: s (1)单次实验出成品率d: si 单次实验成品质量Qmi(kg)d= 100% (3-5) ，si单次实验原料质量Qri(kg) (2)出成品率d: s n ,,si,1id= (3-6) sn 负载测量时，通过可编程控制器PLC与变频器的RS-485串口通信可以实时改变变频器的频率指令，随着变频器输出频率的变化，拨板给料电动机的频率也跟着变化，拨板给料电动机的转速随着它的电源频率的变化而变化，电动机的转速与频率之间的关系表达式: 额定转速/额定频率=实际转速/工作频率 因此电动机的转速随变频器频率的变化而变化，使由拨板给料电动机带动的叶片旋转式阀门的转速也跟着变化，从而达到控制原料流量的目的。 电路工作原理:LD是电源指示灯，LD1是被测电动机工作的指示灯，LD2是提升电动机工作的指示灯，LD3为报警指示灯。TA、TA1、TA2为停止按钮，是常闭开关;Q1、Q2是启动按钮，是常开开关;C1、C2是交流接触器，有主触点、吸引线圈、辅助触点;RJ1、RJ2热继电器，有常闭触点。 (1)启动被测电动机:手动时，按启动按钮Q1，交流接触器C1吸引线圈得电，其主触点C1闭合，被测电动机M1启动。同时，C1的辅助触点自锁闭合，被测电动机正常运转。同时指示灯LD1亮。自动时，只要PLC-Y0输出高电平，交流接触器C1的吸引线圈得电，其主触点得电，被测电动机M1工作，指示灯LD1亮。 (2)停止被测电动机:当按停止按钮TA1时，接触器C1的吸引线圈失电，C1的主触点断开，被测电动机M1失电停转。同时，C1的辅助触点断开，消除自锁电路，清除“记忆”。 (3)过载保护:当负载过载或电动机单相运行时，热继电器RJ1动作，其常闭触点RJ1控制电路断开，接触器C1吸引线圈失电，切断被测电动机主电路使被测电动机停转，指示灯LD1灭。 (4)欠压保护:当电源电压消失(如停电)或电源电压严重下降时，接触 器C1由于铁心吸力消失或减少而释放，这时被测电动机停转，接触器辅助触点C1断开并失去自锁。 同理，提升电动机的工作情况是由交流接触器C2和热继电器RJ2控制的。当被测电动机的轴承温度?、轴承温度?超过100ºC，或者拨板给料机的流量不正常时也就是拨板给料机的转速小于额定转速的15%时，或者变频器工作在过电压、过电流、过热等异常状况时，PLC-Y2为高电平，报警指示灯LD3亮。 PLC控制系统的电路原理图如图3-3所示。 N L1NFU L2FU7 L3LD TA FU3FU4FU5FU6FU2FU1TA1Q1手动RJ1S1 C1R S T自C1 动C1C2PLC-Y0 LD1TA2手动Q2RJ2C2 Ia自VFD-MC2Ic动PLC-Y1LD2 BLIbPLC-Y2RJ-11RS-485LD3 PLC V1V2V361 RJ2RJ1U U W M1M2M3 被测电动机提升电动机拨板给料机 图3-3 PLC控制系统的电路原理图 ?3.2.2 下位机PLC 1. 选择PLC机型 目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种已经达到数百个，其性能各有特点，价格也不尽相同。在设计PLC控制系统时，要选择适宜的PLC机型，一般应考虑以下因素:系统的控制目标;PLC的硬件配置，包括机型的选择、容量的选择、1/O 模块的选择、电源模块的选择等几个方面。根据综合控制系统对PLC的功能要求、使用的1/O点数以及现场环境等因素，选择了台达公司生产的整体式小型PLC，型号为DVP20EX00R。其特点如下: 该型号的PLC是自带有A/D，D/A功能的混合功能型主机，有20个输入输出点，其中有8个开关量输入点，4个模拟量输入点，6个开关量输出点，2个模拟量输出点，使用的电源为100,240VAC，输出单元为继电器输出电路。 2. PLC的输入输出 PLC的输入信号有系统紧急停止、主轴转速?、主轴转速?。其中紧急系统、主轴转速?、主轴转速?是数字量输入信号，主轴转速?、主轴转速?由PLC的高速脉冲计数器读取;PLC的输出信号有提升机启/停、被测机械启停、报警装置，这些输出信号都是数字量输出信号。拨板给料电动机的流量控制是通过PLC与变频器的RS485串口用MODBUS协议通信实现。PLC的输入输出点接线图如图3-4所示。 DVP20EX00R有四个高速计数端X0-X3，每个高速计数端均有相应的高速计数器专用，高速计数器的运行建立在中断的基础上，即每个高速计数器所输入的快速脉冲波均采用中断方式作为输入信号计数，这意味着事件的触发与扫描时间无关。在对外部高速脉冲计数时，梯形图中高速计数器的线圈应处于一直通电的状态，以表示与它有关的输入点已被使用，其他高速计数器的处理不能与它冲突。高速计数端也可以作为普通的开关量输入端使用，但是只能作为高速计数器和普通的开关量输入端中的一种。 TAKM1被测机驱动X0Y0KM2 X1Y1提升机驱动DVP20EX00R主轴转速IX2Y2报警装置 主轴转速IIX3Y3 X4Y4 C1,X5 X6 X7 C0 CH0 CH1A/D CH2 CH3 CH0 D/A CH1 图3-4 PLC的输入输出点接线图 ?3.2.3 上位工控机与下位机PLC之间的通信 在本控制系统中，工控机是数据采集系统中的处理机，PLC是PLC控制系统中的处理机，数据采集系统PLC控制系统之间的数据通信通过工控机和PLC这两个处理机的RS-232C串口实现串行通信。因此把工控机称作上位机，把PLC称作下位机。 所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线。数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。 每个PLC都有一个编程口，一般情况下，将PLC用户程序从计算机编程软件中下载到PLC用户区后，PLC编程口大多就没有再利用，故本系统中利用此编程口实现上位计算机和PLC的数据进行串行通信本系统中DVP PLC的编程口格式为RS-232C，用编程电缆将DVP PLC的编程口与计算机的RS-232C连接起来(如图3-5所示)。 串口 RS-232C RS-232C DELTA-DVP 图3-5 PC与PLC的连接示意 本控制系统中，上位计算机与PLC的通信使用9针的RS-232C接口。 RS-232C串行数据接口标准是1969年由美国电子工业协会EIA (Electronic Industries Association)公布的串行通信接口标准，“RS”(Recommend Standard)是英文“推荐标准”一词的缩写，“232”是标志号，“C”是表示此标准修改的次数。它既是一种协议标准，又是一种电气标准，它规定了终端和通讯设备之间信息交换的方式和功能。PLC与上位机的通信就是通过RS-232C来完成的。该串行通信接口采用按位串行的方式单端发送、单端接收，传送距离近(最大传送距离为15m)，数据传送速率低(最高传送速率为20Kbps)，抗干扰能力差。 RS-232C采用负逻辑，用-5 — -15V表示逻辑状态“1”，用+5 — +15V表示逻辑状态“0”，这样在线路上传送的电平可高达?12V，较之小于+5V的TTL电平来说有更强的抗干扰性能。 RS-232C的标准接插件是25针的D型连接器。但是，实际应用中并没有将25个引脚全部用完，近距离的通信只需3根引线，最多的也不过用到22根引线，所以在上位计算机与PLC的通信中，使用的连接器有25针的和9针的。在本控制系统中，上位计算机与下位机PLC的通信使用9针的RS-232C接口。PLC的9芯RS-232C接口的信号内容如表3-3所示。 表3-3 RS-232C接口的信号内容 引脚信号 信号名称 说明 1 FG 保护接地 2 SD 发送数据 3 RD 接收数据 4 RS 请求发送 5 CS 允许发送 6 VCC +5V 7 DR 数据设备准备就绪 8 ER 数据终端准备就绪 9 SG 信号地 ?3.2.4 变频器 VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的缩写，意为改变电压和改变频率，CVCF 是 Constant Voltage and Constant Frequency 的缩写，意为恒电压、恒频率。 通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。 1. 变频器原理 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频或矢量控制变频)，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。 2. 变频器选型 变频器选型时要确定以下几点: (1)采用变频的目的:恒压控制或恒流控制等。 (2)变频器的负载类型:如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。 (3)变频器与负载的匹配问题。(a)电压匹配:变频器的额定电压与负载 的额定电压相符。(b)电流匹配:普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。(c)转矩匹配:这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。 3. 变频器VFD-M的性能介绍 台达M系列—高功能低噪音迷你型变频器具有体积小、低速力矩大、性能完善、使用方便等特点，可广泛应用于小型恒压供水系统、产业机械、工业自动化控制等各种应用领域。其主要功能及特点如下:体积小，使用方便;1.0Hz，150%以上额定转矩输出;内置PID功能;计数器功能;多段速及自动程序运转，简易定位;累计电机运行时间;自动侦测电机参数;摆频功能;散热风扇运行模式设定;主、辅频率控制;睡眠功能;节能运转;RS485通讯接口可实现远程通信，支持Modbus协议等。本控制系统中使用的拨板给料电动机是额定转速为1440r/min。额定功率为0.37KW，额定电压为380V的交流变频电动机，电源为三相电源。考虑实用性和经济性，采用台达VFD-004M型的变频器。该变频器的保护功能有:过电压、过电流、低电压、过负载限制、电子热电驿、过热自我测试、接地保护、异常接点等。其性能参数如表3-4所示。 表3-4 变频器 VFD004M的性能 额定输出容量 1.0KVA 容许电压变动范围 180,264VAC 额定输出电流 2.5A 容许频率变动 50Hz?5% 最大输出电压 对应输入电压 输出频率分辨率 0.1Hz 额定输出电流的150% 最高输出频率 0.1,400Hz 过负载耐量 一分钟 信号设定 串行通信RS485 RS485接口 RJ-11 环境温度 -10ºC,50ºC 环境湿度 90%以下(无结露) 4. 变频器参数设定 变频器出厂时，所有的功能码都己设定，但在变频器系统运行时，为了使变频器和电动机在最佳状态下运行，应根据系统的工艺要求，必须对变频器的运行频率和功能码进行重新设定。本系统中对变频器重新设定的参数如 表3-5所示。 表3-5 变频器重新设定的参数 参数 参数功能 设定值 P00 频率指令来源设定 04 P01 运转指令来源设定 03 P03 最高操作频率选择 50.00 P04 最大电压频率选择 50.00 P06 中间频率选择 1.30 P07 中间电压选择 12.0 P08 最低输出频率选择 1.30 P09 最低输出电压选择 12.0 P24 禁止反转设定 01 P36 输出频率上限设定 50.00 P66 通信主频设定 50.00 交流电机驱动器机种代码 P80 01 设定 P88 通信地址 02 P89 通信传输速度 01 P92 通信资料格式 01 5. PLC 与变频器的连接 PLC 和变频器都是以计算机技术为基础的现代工业控制产品，将二者有机地结合起来，用PLC来控制变频器，是现代工业控制中经常会遇到的问题。PLC可以通过以下三种途径来控制变频器，使电动机在不同转速下运行: (1)PLC的输出端子接变频器的多功能端子，变频器中设置多功能端子为多道速功能，并设置相应频率。通过PLC的输出端子的闭合和断开的组合，使变频器在不同转速下运行。它的优点是响应速度快，抗干扰能力强，但是不能无级调速。 (2)通过PLC和变频器上的RS485通讯接口，采用PLC编程通信控制。 优点是可以无级变速，速度变换平滑，速度控制精确，适应能力好; 缺点是抗 干扰差，响应有延时。 (3)通过PLC加数模(D/A)转换模块，将PLC数字信号转换成电(或电流视变频器设置而定)信号，输入到变频器的模拟量控制端子，控制变频器工作。优点是无级调速;缺点是调速精度低，不直观，数模转换模块较贵。 本系统中因为DVP20EX00R是整体型的可编程逻辑控制器，PLC和变频器均自带有RS-485通讯模块，不需要增加额外的硬件，故通过PLC的RS-485串行通信模块来控制变频器。 6. RS-485标准简介 RS-485标准实质上是RS-232标准的改进增强版。该标准兼容了RS-422，且其技术性能更加先进，因而得到了更广泛的应用。RS-485不仅传输距离远，通信可靠，而且使用单一+5V或+3V电源，逻辑电平与传统数字逻辑TTL兼容，此外对传输介质物理层没有任何严格要求，只需将普通双绞线捆绑在一起就可以组成简单网络。除点到点与广播通信方式外，RS-485还具有多点通信方式。在多点系统中，发送驱动器的接受器节点数可以到32个。而且无论是点对点还是多点系统，都有单工双工两种方式。在多点系统中，通常使用一个PC做主站，余下的单片机为从站，当主站发送数据时，从数据串中嵌入从站固有的ID识别码，从而实现主从间的任意通信，如果不附带任何识别码则可以面向所有从站实现广播通信。RS-485标准器件的数据传输速率目前有32/20/12/10/2.5Mb/s等多种规格。 结 论 本论文首先分析了农产品加工机械产品的质量现状，概述了计算机控制系统和PLC在工业控制中的重要性，其次研究了数据采集技术及PLC控制技术，对数据采集的概念、方法以及数据采集系统的结构、性能参数、PLC的结构、工作原理、特点等进行了详尽的阐述。最后设计和实现了检测系统的总体设计方案及硬件。通过数据采集卡PCL813采集现场各个传感器传来的数据，然后通过工控机的PCI数据总线把数据传给上位工控机，工控机与下位机PLC间用RS232C进行串行通信，PLC控制农产品加工机械的性能检测系统，PLC与变频器之间通过RS485串口通信，变频器通过改变交流变频电动机的频率从而控制交流异步电动机的转速，从而控制原料的流量。 本文所介绍的农产品加工机械性能检测系统运行效果比较理想，且具有功能完善、使用方便、操作简单的特点，具有一定的实用价值。 但是设计本系统时还存在一些问题: 第一，在对农产品加工机械性能检测系统进行方案设计时，要全盘考虑以得到一个较好的解决方案。根据现场被控设备特性和要求特点以及经济角度决定PLC控制系统配置。本设计只考虑了被测机工作于三相电压时的情况，没有考虑到有的被测机工作于单相时的情况。 第二，对系统的故障处理与维护没有进行设计，还需要在以后的设计中加以完善。 参考文献 [1] 马建明,周长城.数据采集与处理技术.西安:西安交通大学出版社,1997:1-5 [2] Bryant T. 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Software requirements for carrying out proportional, ratio or three term control of process variables are relatively trivial, and microcomputers can be used to implement such process control systems. It would not be possible to use many of the currently available microcomputers for the implementation of high speed adaptive control systems which require the use of suitable process models and considerable on-line manipulation of data. Microcomputer based data loggers are used to carry out intermediate functions such as data acquisition at comparatively low speeds, simple mathematical manipulations of raw data and some forms of data reduction. The first generation of data loggers, without any programmable computing facilities, were used simply for slow speed data acquisition from up to one hundred channels. All the acquired data could be punched out on paper type or printed for subsequent analysis. Such hardwired data loggers are being replaced by the new generation of data loggers are being replaced by the new generation of data loggers which incorporate microcomputers and can be programmed by the user. They offer an extremely good method of collecting the process data, using standardized interfaces and subsequently performing the necessary manipulations to provide the information of interest to the process operator. the data acquired can be analyzed to establish correlations, if any, between process variables and to develop mathematical models necessary for adaptive and optimal process control. If the analog data must be transmitted over any distance, differences in ground potential between the signal source and final location can add noise in the interface design. in order to separate common-mode interference form the signal to be recorded or processed, devices designed for this purpose, such as instrumentation amplifiers, may be capability, a high input impedance, low drift, adjustable again, and greater cost than operational amplifiers, they range from monolithic ICs to potted modules, and larger rack-mounted modules with manual scaling and null adjustments. When a very high common-mode voltage is present or the need for extremely-low common-mode leakage current exists (as in many medical-electronics applications), an isolation amplifier is required. Isolation amplifiers may use optical or transformer isolation. Analog function circuits are special-purpose circuits that are used for a variety of signal conditioning operations on signals which are in analog form. When their accuracy is adequate, they can relieve the microprocessor of time-consuming software and computations. Among the typical operations performed are multiplication, division, powers, roots, nonlinear functions such as for linearizing transducers, rims measurements, computing vector sums, integration and differentiation, and current-to-voltage or voltage-to-current conversion. Manu of these operations can be purchased in available devices an multiplier/dividers, log/antilog amplifiers, and others. When data from a number of independent signal sources must be processed by the same microcomputer or communications channel, a multiplexer is used to channel the input signals into the A/D converter. Multiplexers are also used in reverse, ad when a converter must distribute analog information to many different channels. The multiplexer is fed by a D/A converter which continually refreshes the output channels with new information. In many systems, the analog signal varies during the time that the converter takes to digitize an input signal. The changes in this signal level during the conversion process can result in errors since the conversion period can be completed some time after the conversion command. The final value never represents the data at the instant when the conversion command is transmitted. Sample-hold circuits are used to make an acquisition of the varying analog signal and to hole this signal for the duration of the conversion process. Sample-hold circuits are common in multichannel distribution systems where they allow each channel to receive and hold the signal level. In order to get the data in digital form as rapidly and as accurately as possible, we must use an analog /digital (A/D) converte, which might be a shaft encoder, a small module with digital outputs, or a high-resolution, high-speed panel instrument. These devices, which range form IC chips to rack-mounted instruments, converter analog input data, usually voltage, into an equivalent digital form. The characteristics of A/D converters include stability a choice of input ranges, output codes, and other features are available. The successive-approximation technique is popular for a large number of applications, with the most popular alternatives being the counter-comparator types, and dual-ramp approaches. The dual-ramp has been widely-used in digital voltmeters. D/A converters convert a digital format into an equivalent analog representation. The basic converter consists of a circuit of weighted resistance values or ratios, each controlled by a particular level or weight of digital input data, which develops the output voltage or current in accordance with the digital input code. A special class of D/A converter exists which have the capability of handling variable reference sources. These devices are the digital input code and the analog reference voltage, which may vary form full scale to zero, and in some cases, to negative values. Analog multiplexer circuits allow the timesharing of analog-to-digital converters between a number of analog information channels. An analog multiplexer consists of a group of switches arranged with inputs connected to the individual analog channels and outputs connected in common(as shown in Figure). The switches may be addressed by a digital input code. Many alternative analog switches are available in electromechanical and solid-state forms. Electromechanical switch types include relays, stepper switches, cross-bar switches, mercury-wetted switches, and dry-reed relays switches. The best switching speed is provided by reed relays (ablaut 1ms). The mechanical switches. Provide high dc isolation resistance, low contact resistance, and the capacity to handle voltages up to 1KV, and they are usually inexpensive. Multiplexers using mechanical switches are suited to low-speed applications ad well ad those having high resolution requirements. They interface well with the slower A/D converters, like the integrating dual-slope types. Mechanical switches have a finite life, however, usually expressed in number of operations. A reed relay might have a life of 100000000 operations, which would allow a 3-year life at 10 operations/second. Analog multiplexing has been the favored technique for achieving lowest system cost. The decreasing cost of A/D converters and the availability of low-cost, digital integrated circuits specifically designed for multiplexing provides an alternative with advantages for some applications. A decision on the technique to use for a given system will hinge on trade-offs between the following factors: 1. Resolution. The cost of A/D converters rises steeply as the resolution increases due to the cost of precision elements. At the 8-bit level, the per-channel cost of an analog multiplexer may be a considerable proportion of the cost of a converter. At resolutions above 12 bits, the reverse is true, and analog multiplexing tends to be more economical. 2. Number of channels. This controls the size of the multiplexer required and the amount of wiring and interconnections. Digital multiplexing onto a common data bus reduces wring to a minimum in many cases. Analog multiplexing is suited for 8 to 256 channels; beyond this number, the technique is unwieldy and analog errors become difficult to minimize. Analog and digital multiplexing are often combined in very large systems. 3. Speed of measurement, or throughput, High-speed converter to achieve the desired sample rate, a slower converter for each channel with digital multiplexing can be less costly. 4. Signal level and conditioning. Wide dynamic ranges between channels can be difficult with analog multiplexing. Signals less than 1V generally require differential low-level analog multiplexing which is expensive, with programmable-gain amplifiers after the MUX operation. The alternative of fixed-gain converters on each channel, with signal-conditioning designed for the channel requirement, with digital multiplexing may be more efficient. 5. Physical location of measurement points. Analog multiplexing is suited for making measurements at distances up to a few hundred feet from the converter, since analog lines may suffer from losses, transmission-line reflections, and interference. Lines may range from twisted wire pairs to multiconductor shielded cable, depending on signal levels distance, and noise environments. Digital multiplexing is operable to thousands of miles, with the proper transmission equipment, for digital transmission systems can offer the powerful noise-rejection characteristics that are required for long-distance transmission. The conventional hardwired data loggers, without any programming facilities, simply record the instantaneous values of transducer outputs at a regular sampling interval. This raw data often means very little to the typical user. To be meaningful, this data must be linarite and scaled, using a calibration curve, in order to determine the real value of the variable in appropriate engineering units. Prior to the availability of programming the real value of the variable in appropriate engineering units prior to the availability of programmable data loggers, this function was usually carried out in the off-line mode on a mini-or mainframe computer. The raw data values had to be punched out on paper type, in binary or octal code to be input subsequently to the computer used for analysis purpose and converted to the engineering units. Paper tape punches are slow speed mechanical devices which reduce the speed at which channels can be scanned. An alternative was to print out the raw data values which further reduced the data scanning rata. It was not possible to carry out any limit comparisons or provide any alarm information. Every single value acquired by the data logger had to be recorded even though it might not serve any useful purpose during subsequent analysis; many data values only need recording when they lie outside the pre-set low and high limits. For systems with small numbers of channels, medium-scale integrated digital multiplexers are available in TTL and MOS logic families the 74151 is a typical example. Eight of these integrated circuits can be used to multiplex eight A/D converters of 8-bit resolution onto a common data bus. This digital multiplexing example offers little advantages in wiring economy, but it is lowest in cost, and the high switching speed allows operation at sampling rates much faster than analog multiplexers. The A/D converters are required only to keep up with the channel sample rate, and not with the commutating rata. When large numbers of A/D converters are multiplexed, the data-bus technique reduces system interconnections. This alone may in many cases justify multiple A/D converters. Data can be bussed onto the lines in bit-parallel or bit-serial format, as many converters have both serial and parallel outputs. A variety of devices can be used to drive the bus, from open collector and trustate TTL gates to line drivers and optoelectronic isolators. Channel-selection decoders can be built from 1-of-16 decoders to the required size. This technique also allows additional reliability in that a failure of one A/D does not affect the other channels. An important requirement is that a failure of one A/D does not affect the other channels. An important requirement is that the multiplexer operate without introducing unacceptable errors at the sample-rate speed. For a digital MUX system, one can determine the speed from propagation delays and the time required to charge the bus capacitance. Analog multiplexers can be more difficult to characterize. Their speed is a function not only of internal parameters but also external parameters such as channels, and the circuit layout. The user must be aware of the limiting parameters in the system to judge their effect on performance. The no ideal transmission and open-circuit characteristics of analog multiplexers can introduce static and dynamic errors into the signal path. These errors include leakage through switches, coupling of control signals into the analog path, and interactions with sources and following amplifiers. Moreover, the circuit layout can compound these effects. Since analog multiplexers may be connected directly to sources which may have little overload capacity or poor settling after overloads, the switches should have a break-before-make action to prevent the possibility of shorting channels together. It may be necessary to avoid shorted channels when power is removes and a channels-off with power-down characteristic is desirable. In addition to the channel-addressing lines, which are normally binary-coded, it is useful to have inhibit or enable lines to turn all switches off regardless of the channel being addressed. This simplifies the external logic necessary to cascade multiplexers and can also be useful in certain modes of channel addressing. Another requirement for both analog and digital multiplexers is the tolerance of line transients and overload conditions, and the ability to absorb the transient energy and recover without damage. 外文资料译文 数据采集 功能强的小型和大型计算机用以把数据采集和其它功能，例如:比较实际输入与期望输出组合到一起，然后再决定为保证输出变量能在预置范围之内而必须采取的控制措施。所需计算能力取决于预实现的过程控制系统的类型，对过程变量进行比例比率或三项控制的软件要求是比较琐细的，微机便可用来实现这样的过程控制系统，用许多现行微机来实现要用到合适的过程模拟和大量再现数据操作的高速自适应控制系统，是不可能的。 微机控制数据采集便于对大量传感器进行扫描。扫描速率由信号动态特性决定，即某些通道务必以甚高速扫描，以免混叠误差;而当以较低速扫描其他通道可以较低速扫描，也几乎不会有信息丢失。在某些数据记录应用中，高速通道的采样速度要求高达每秒100次，而慢速通道的采样可以每5分钟一次，常规的可编程硬连线数据记录仪按顺序采集所有通道，而且所有通道采样频率必须相同。这种方法导致大量数据的堆积其中一些数据是不必要的，同时也几乎降低了整体的有效采样频率。基于微机的数据记录仪可用比其他低速通道高的频率扫描一些高速通道。 如果模拟数据必须传输一段距离，信号源与中点之间接地电位之差将增加接口设计的噪声。为了将共模干扰从要记录或处理的信号中分离出去，可使用为此目的而设计的仪用放大器之类的器件。仪用放大器的特征有:良好的共模抑制能力、高输入阻抗、低漂移、增益可调以及比运算放大器更高的价格。他们从单片集成电路到封装组件，以及较大的具有人工定标和零调能力的架装模块。如果共模电压相当高，或需要极低的共模漏电流时(如在许多医学电子应用中)，就要有隔离放大器。隔离放大器可以用光隔离或变压器隔离。 模拟运算电路是由于对模拟信号进行各种信号调理操作的专用电路。如果足够的话，它能够减轻CPU费时的软件运算。其中典型的运算有:乘法、除法、幂、根、为使变送器线性化的非线性函数、均方根值测量、向量和计算、积分和微分以及电流电压或电压电流转换。其中许多操作在现在已经可以买到的器件(如乘法器/除法器、对数/反对数运算放大器等)中都实现了。 如果从许多独立信号源中采集的数据必须有统一微机或通信通道处理时，可利用多路转换器将输入信号连接至A/D转换器。 多路转换器也可以反过来用，比如当转换器必须将模拟信息分配到许多不同的通道上时。多路转换器连接在D/A转换器后，这样它就不停的以新的信息刷新输出通道。 在许多系统中，当转换器数字化输入信号时模拟信号是变化的。因为转换周期要在转换命令发出之后过一段时间才能结束，故转换过程中信号电平的变化导致误差。最终只从不代表发出转换命令那一瞬间的数据。采样保持电路用来采集变化的模拟信号，并在转换过程中保持该信号。采样保持电路在多通道分布系统中是常见的，在这种系统中，他们是每个通道都能接受和保持低信号电平。 为尽快可能准确的获得数字形式数据，必须使用模/数转换器。它可能是轴角编码器(一种带有数字输出的小模块)或高分辨率、高速的面板仪器。这些装置(从集成电路芯片到架装仪器)，将模拟输入数据(通常是电压)转换成等价的数字形式。A/D转换器的特性包括绝对和相对精度、线性度、单调性、分辨率、转换速度以及稳定性。还有输入范围的选择、输出编码以及其他特点。逐次逼近技术普遍使用在许多应用场合。其他最流行的方法有:计数器-比较器型和双斜型(即双斜分式)。后者被广泛的应用在数字电压表中。 D/A转换器将数字形式转换为等效的模拟表示。基本转换器有加权电阻电路构成，每个加权电阻有特定电平或数字输入数据的权值控制，该电路产生于数字输入码相对应的输出电压或电流。有一类特殊的D/A转换器具有处理可变参考源的能力。这就是乘法数模转换器。他们的输出值是由数字输入编码所代表的数与模拟参考电压的乘积，其值可能从满标度到零，在某些情况下，还回到负值。 当不只一个通道要求模数转换时，有必要使用分时的多路切换器以便把模拟输入连至单个转换器或者为每一个输入提供一个转换器，然后通过数字多路切换器把各模数转换器的输出组合到一起。 模拟多路器电路允许多个模拟信息通道分时共享模数转换器。模拟多路器有一组开关组成，每个开关的输入连至一个模拟通道，各开关的输出连在一起(如图所示)。各开关可由数字输入码寻址。 已有许多机电式和固态模拟开关可用。机电式开关包括:继电器、步进开关、十字开关、水银湿开关以及干簧继电器开关。干簧继电器的开关速度最好(约1ms)机械 开关的直流隔离电阻高，接触电阻低，有处理高达1千伏电压的能力，通常并不贵。使用机械开关的多路器使用与要求高分辨率的低速应用场合。 他们与低速数模转换器(如双斜微分式)有良好的接口。但是，机械式开关寿命有限，用开关操作次数来表示。干簧继电器的寿命可能是1000000000次操作，按每秒10次操作计，寿命为3年。 模拟多路切换一直都是由于可达到最低系统成本而备受青睐的技术。ADC价格下降以及为多路切换而专门设计的低价位数字集成国内电路上市，对某些应用而言，提供了更好的选择。决定在给定系统中使用哪种技术取决于对下列因素的权衡: 1(分辨率。由于精密元件成本高，所以随着分辨率的提高，A/D转换器的价格也会急剧上升。8位分辨率的模拟多路器的每通道价格几乎相当于一个转换器的价格。分辨率高于12位时，情况则相反，模拟多路切换趋于更加经济。 2. 通道数。通道数决定所用多路器的大小、连线数量以及内部连接。在许多情况下，把数字多路器连到公用数据总线上，可是连线数量降到最低。模拟多路切换适用于8,256个通道;超过这个数目，此技术就难以应用，模拟误差也难以见效。在大系统中，模拟和数字多路切换计数常结合在一起应用。 3(检测速度或吞吐量，高速A/D转换器会使系统造价大幅度上升。如果模拟多路其要求高速转换器以达到所要求的采样速度，那么，每一通道配置一个低速转换器，并进行数字多路切换就会便宜些。 4. 信号电平及调理。对模拟多路切换而言，要是主通道间具有宽广的动态范围是很困难的。低于1V的信号，一般要求价格昂贵的、差分低电平模拟多路切换而且在MUX (多路七)操作之后，还要有可编成增益放大器。另一种方法可能更有效，这就是:每个通道用一个放大倍数固定的运算放大器，并针对该通道的要求设计信号调理，并针对该通道的要求设计信号调理，同时采用数字多路切换。 5. 检测点的物理位置。鉴于模拟信号存在衰减、传输线反射以及干扰等问题，模拟量多路切换适合于据传换器几百英尺以内的检测。依据信号电平、传输距离以及环境噪声，传输线可以从双绞线到多芯屏蔽电缆。如果有合适的传输设备，在几千英里范围之内，均可进行数字切换操作，因为数字传输系统能提供长距离传输所要求的功能强大的抑制噪音特性。 常规的硬连线数据记录仪，由于没有任何可变成的部件，只能以确定的采样间隔记录变送器输出的瞬时值。这宗原始数据对一般用户来说是没有什么意义的。要是这宗数据有意义，就要用校正曲线对数据线性化和换算，一边用合适的工程单位确定变量的实际值。在可编程数据记录仪出现之前，该功能通常是在微机或大型机上以离线方式实现的。原始数据必须以二进制数码或是进制码形式穿孔打在纸带上，然后输入到作分析目的用的计算机中去，并转换为工程单位。纸带穿孔机是低速机械设备，它降低了通道的扫描速度。从而不可能进行任何比较和提供报警信息。 数据记录仪采集的每一个值都要记录下来，尽管在以后的分析中它没有什么用;许多数据只有在超出预先设定的高低限时才需记录。 对通道数少的系统，可用TTL和MOS逻辑系列的中等规模的集成数字多路器。74151就是个典型的例子。8个这样的集成电路便可用于将8位分辨率的8个A/D转换器多路切换至公用的数据总线上去。 这个数字多路切换的例子在连线上并不经济，但价格最低，而且极快的开关速度是的采样操作速率要比模拟多路器快的多。A/D转换器只要能跟上通道采样速度即可，而不要求跟上切换的速率。当有大量A/D转换器要进行多路切换时，数据总线技术简化了系统的内部连接。在许多情况下，禁止这一点就证明了多ADC是有道理的。由于许多转换器既有串行输出又有并行输出，因此数据可以以位并行或以位串行的形式送至总线，各种器件都可用于总线驱动，从集电极开路门和三态TTL门到总线驱动器和光电隔离器。通道选择译码器可设计成从16选1到所要求的规格，这种方法还提高了可靠性，当某个ADC出故障时，不会影响其他通道。一个重要的要求是多路器以采样速率运行时，不会引起不可接受的误差。对数字MUX系统来说，可以根据传播延迟以 及总线电容充电时间来确定速度。 描述模拟多路器的特性要更困难些。他们的速度不仅是内部参数也是诸如通道元阻抗、杂散电容、通道数和电路布局等外部参数的函数。用户必须注意系统中的极限参数以判定他们对性能的影响。 模拟多路器的非理想传输以及开路特性会在信号通路总会造成静态和动态误差。这些误差不好通过开关的泄漏、控制信号对模拟通路的耦合以及与信号源和后继放大器的交互作用。此外，电路布局能使这些影响复杂化。 由于模拟多路器可能直接连着信号源，而信号源可能没有什么过载能力或者过载后的稳定过程很差，所以这些开关应该在为避免通道可能短路而采取措施之前断开。当切除电源是避免通道短路是必要的，另外，除了通常以二进制编码的通道寻址线以外，再设置禁止或允许线，不论对哪个通道进行寻址都可使全部通道断开，是很有用的。这样做不仅简化了多路器连接所需的外部逻辑，在某些通道寻址方式中也是有用的。对模拟和数字多路器的另一个要求是，容许传输线上的瞬变过程和过载情况以及吸收瞬间能量的能力和无损伤恢复能力。