可編程控制器在微波測濕控制系統(tǒng)中的應用研究.doc

可編程控制器在微波測控制系統(tǒng)中的應用研究 網絡教育學院本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設 計） 題 目：可編程控制器在微波測濕控制系統(tǒng)中的應用研究I內容摘要本文介紹了以三菱FX 系列可編程控制器（又稱PLC）為控制系統(tǒng)，選用三菱FX2N-4AD A/D轉換模塊、英國HYDRONIX微波測濕儀等元器件組成的濕度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了PLC技術在干性混泥土濕度的控制。分析和比較單片機控制和PLC控制的優(yōu)缺點，結合實際情況，設計出一套以PLC為大腦的控制系統(tǒng)，通過改變控制方式來達到提高工作效率，減少故障的發(fā)生概率，同時針對改造過程中所出現(xiàn)的問題提出了解決的方法。關鍵詞： 可編程控制器； A/D轉換模塊 ；微波測濕系統(tǒng) ；混凝土濕度控制目錄內容摘要I引 言11 問題的提出與分析22 解決問題的要求及主要元器件的選擇32.1 對新系統(tǒng)提出的幾點要求32.2 濕度檢測探頭與控制系統(tǒng)的選擇33 系統(tǒng)方案的設計53.1 電器元件選用說明及元件功能53.2 總體方案設計示意圖73.3 測濕控制器的組成74 系統(tǒng)硬件的設計與安裝84.1 操作面板的設計84.2 PLC安裝設計84.2.1 PLC工作環(huán)境的要求84.2.2 PLC的安裝94.3 HYDRO-MIX V探頭的安裝94.4 濕度顯示儀表AS154的安裝設置104.4.1 按鍵功能說明104.4.2 AS154調校114.5 電氣安裝接線124.6 其它硬件設備具體選用型號,安裝位置125 程序的設計135.1 程序設計的思路135.2 控制方法135.2.1 手動控制135.2.2 半自動控制135.2.3 全自動135.3 自動控制流程圖145.4 PLC I/O分配145.5 編程說明156 系統(tǒng)的調試176.1 檢查接線176.2 上電試驗176.3 調試過程中碰到的問題177 結 論188 致 謝19參考文獻20附錄1:電氣接線圖21附錄2:硬件設備具體選用表22附錄3:主要軟元件表23附錄4:控制面板24附錄5 程序指令表2520引 言可編程序控制器，英文為programmable controller簡稱PC，又稱PLC，是以微電子技術、自動控制技術和通訊技術相結合的一種新型的、通用的自動控制裝置。多年來，PLC從其產生到現(xiàn)在，實現(xiàn)了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數字控制的進步；其應用領域從小到大，實現(xiàn)了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制及集散控制等各種任務的跨越。PLC的編程類似繼電控制梯型圖，且具有在線修改能力，功能易于擴展。 PLC在處理模擬量、數字運算、人機接口和網絡的各方面能力都已大幅提高，成為工業(yè)控制領域的主流控制設備，在各行各業(yè)發(fā)揮著越來越大的作用。1 問題的提出與分析公司現(xiàn)狀：公司有一臺里立軸式攪拌站，采用時間繼電器控制混泥土的加水時間。 原系統(tǒng)在運行中存在的問題：原系統(tǒng)采用改變水泵的開啟時間來控制混凝土水分的含量，由于沙，陶粒等原料為露天堆放，其含水率隨氣候和時間的不同變化很大，尤其在夏天晴雨交替更加明顯。加上公司生產所采用的是干硬性混凝土，對含水率要求比較高，混凝土中水多了產品表面塌陷，缺棱少角，合格率低，水少了，表面粗糙，容產生裂紋，強度降低。所以用時間繼電器加水無法滿足要求，一直采用人工點動加水，然后用手抓取混凝土，檢查濕度，憑經驗控制混凝土的含水率，效率低，誤差大，針對上述情況，經公司領導研究決定，要求拿出方案解決混凝土加水難的問題。2 解決問題的要求及主要元器件的選擇2.1 對新系統(tǒng)提出的幾點要求經過與生產人員、品質部人員的商討，對新系統(tǒng)提出幾點要求:a:濕度可設定b:有濕度顯示c:濕度誤差要求0.2d:操作簡單2.2 濕度檢測探頭與控制系統(tǒng)的選擇目前混凝土在線濕度檢測的方法大致有電阻法，電容法，紅外線法，微波法等幾種。表2.1是測濕方法優(yōu)、缺點的比較:表2.1 測濕方法優(yōu)、缺點的比較測濕方法優(yōu)點缺點電阻法，電容法價格便宜精度低（因為濕料的導電率不僅與含水率有關，而且與水中所含鹽類離子濃度有關）紅外線法精度高價格貴，測量精度受周圍環(huán)境溫度的影響微波法精度高，不受材料顏色，溫度，顆粒和像鹽分等污染的影響價格高 通過對優(yōu)、缺點的分析與比較,決定采用微波測濕傳感器。控制系統(tǒng)的選擇高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。使用PLC構成的控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)將極高的可靠性?？刂埔罂梢噪S時修改，采用PLC控制系統(tǒng),配以專用的A/D轉換模塊，可實現(xiàn)現(xiàn)場控制的要求，綜合各方面的考慮，決定采用PLC控制系統(tǒng)。3 系統(tǒng)方案的設計3.1 電器元件選用說明及元件功能新控制系統(tǒng)選用的主要硬件如下，(詳見附錄2)，表中列出了本次改造電氣元件的代號、名稱、型號、安裝位置。系統(tǒng)主控制采用三菱公司FX2N系列的PLC，它是三菱公司推出的超小型可編程序控制器,I/O點數可擴展到256點。它具有緊湊的機身設計，電源、CPU、存儲器、輸出輸入組成一個單元的可編程序控制器，同時在AC電源DC輸入型中DC24V供應電源。具有一定的擴展單元，強大的指令功能，支持輸入輸出高速處理，如高速計數、脈沖輸出功能?？蛇M行各種鏈接，配以相應的特殊功能模塊，很容易就可實現(xiàn)各種特殊功能控制，運行可靠，性價比高。（見圖3.1）圖3.1考慮到以后擴展的需要，A/D轉換模塊選用三菱的FX2N -4AD，該模塊有四個輸入通道,電壓輸入DC (-10至10V)或電流輸入DC ( -20至20mA)； 對每一通道可以規(guī)定電壓或電流輸入，為以后的改造升級留下了余地。（見圖3.2） 圖3.2檢測探頭采用英國HYDRONIX公司HYDRO-MIX V微波測濕傳感器，該傳感器是該公司專為在線混凝土測濕而設計的，它是利用微波吸收技術進行含水率測量，這種技術是依據水分子在某個諧頻率激發(fā)下較濕的材料比較干的材料明顯吸收更多能量的原理而研制，測量深度高達120mm，綜合精度較高，該傳感器有直棒式，滑附式和圓盤式三種，根據需要，選用圓盤式。（見圖3.3）圖3.3濕度顯示儀表采用日本ASAHI公司的AS154顯示儀（見圖3.4）圖3.4水泵采用廣州第一水泵廠的單相自吸水泵（見圖3.5）圖3.53.2 總體方案設計示意圖3.3 測濕控制器的組成濕度值設定 濕度顯示 HYDRO-MIXV探頭MIX VPLC 4 ADAS154控制 模擬信號0-10V 模擬信號4-20mA4 系統(tǒng)硬件的設計與安裝4.1 操作面板的設計考慮到操作人員的要求，借鑒攪拌站控制面板的方法，在操作面板附上一塊不銹鋼板，并外協(xié)加工蝕刻上形象的圖形（設計圖見附錄4），使操作直觀，簡單。(見圖4.1)圖4.14.2 PLC安裝設計4.2.1 PLC工作環(huán)境的要求溫度PLC要求環(huán)境溫度在055，安裝時不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風散熱的空間應足夠大，基本單元和擴展單元之間要有30mm以上間隔。濕度為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對濕度應小于85%（無凝露）。震動應使PLC遠離強烈的震動源，防止振動頻率為1055Hz的頻繁或連續(xù)振動。當使用環(huán)境不可避 免震動時，必須采取減震措施，如采用減震膠等?？諝獗苊庥懈g和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中，并安裝空氣凈化裝置。電源PLC供電電源為50Hz、220（110%）V的交流電，對于電源線來的干擾， PLC對于電源線帶來的干擾具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴重的環(huán)境中，可以安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。一般PLC都有直流24V輸出提供給輸入端，當輸入端使用外接直流電源時，應選用直流穩(wěn)壓電源。因為普通的整流濾波電源，由于紋波的影響，容易使PLC接收到錯誤信息。上述15的問題，因為測濕控制器是安裝在密封性良好且?guī)в锌照{的攪拌站操作室中，可以得到很好的解決。另外，考慮到控制可靠性，加裝隔離變壓器。4.2.2 PLC的安裝(1)在安裝FX2NPLC或其所連接之設備時，必須將所有電源全部關閉，否則會觸電或壞機器設備的可能。(2)在安裝未完成前，切勿將PLC散熱孔上的防塵紙撕下，以防止施工時鉆孔鐵屑配線之線頭掉入PLC內部造成火災、故障或誤動。(3) 在完成所有安裝配線作業(yè)后，必須將端子保護蓋板裝上，方可通電測試,避免觸電。(4)良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。PLC的接地線與機器的接地端相接，接地線的截面積應不小于2mm2 ，接地電阻小于100，F(xiàn)X2N-4AD其接地點應與基本單元的接地點接在一起。為了抑制干擾，PLC接專用地線。安裝線路有鐵線管、柜體、機器外殼等都有可靠接地，接地電阻不大于。(5)在安裝完成后，必須將PLC散熱孔上之防塵紙撕下，以保證PLC良好的散熱。(6)在PLC輸出控制繼電器線圈之間反向并接二極管，保護PLC的輸出點。（接線圖詳見附錄1）4.3 HYDRO-MIX V探頭的安裝在每一個HYDRO-MIX V探頭出廠時，均已將功能設定正確，HYDRO-MIX V 的模擬輸出信號4-20mA在出廠時已將它設定為線性變化，4-20mA信號對應濕度為0%-20%線性變化，因此，用戶可不用調?；蛟O定HYDRO-MIX V探頭而直接使用。為保證對攪拌機內物料的有代表性的取樣,傳感器的安裝位置非常重要.決定攪拌機內傳感器的安裝位置時,應注意以下事項:安裝于能充分采集到具有代表性的物料濕度的區(qū)域;不應位于容易在傳感器表面造成物料累積的區(qū)域,也不應位于有不代表被測混合體的物料的殘余區(qū)域;不要安裝于物料或水的直接出口處;HYDRO-MIX V探頭的各引腳定義如表4.1所示（接線圖詳見附錄1）表4.1 HYDRO-MIX V探頭的各引腳定義雙絞線編號引腳電纜顏色檢測探頭連接1A紅色+15+30直流電1B黑色0V返回2C黃色第1數字信號輸入3D藍色0/420mA輸出3E黑色0/420mA返回4F白色RS485(A)4G黑色RS485(B)5J綠色第2數字信號輸入H屏蔽屏蔽線4.4 濕度顯示儀表AS154的安裝設置（接線圖詳見附錄1）4.4.1 按鍵功能說明 “ME，DZ，PH，RE”：當指示燈亮時，表示在正在執(zhí)行相應的功能；“F”當指示燈亮時，表示設定的數是負數，反之為正數；“E”在功能設定中，按此鍵退出功能設定；“M”在功能過程中，按此鍵選擇下一個功能設置；“S”移動數字位、小點閃動位，表示正在修改該位；“I”在功能設定中，此鍵用于改變此選位的數字大小。4.4.2 AS154調校用鍵選擇需要修改的位,用鍵修改小數點閃動位數字.設定數字時,F指示燈必須為熄滅,否則設定值為-20。先按鍵,不要放手,然后再按下鍵,當顯示“F5C”時，進入調校狀態(tài)。第一步，按一次鍵，將AS154設定為20.0,表示AS154的滿值最大顯示為20。第二步, 按一次鍵，顯示“F1N”,是指AS154最大輸入值的模擬信號為20mA。第三步，按一次鍵，顯示“OF5”,是指AS154在輸入信號為4mA時的顯示值。第四步，按一次鍵，顯示“OLN”,是指AS154輸入的模擬電流信號的零值為4mA。第五步，按一次鍵，顯示“AOH1”,是指AS154輸出模擬信號的最大值為10V。第六步，按一次鍵，顯示“AOLO”,是指AS154輸出模擬信號的最小值為0V。第七步,按一次鍵，顯示“B-H1”,是指AS154顯示數值下面的亮條最大顯示到20.0。第八步, 按一次鍵，顯示“B-LO”,是指AS154顯示數值下面的亮條最小顯示為0。第九步, 按一次鍵，顯示“.”,是指AS154的顯示有多少位小數點.設一位小數點。第十步, 按一次鍵，退出功能設置到正常顯示。4.5 電氣安裝接線(見附錄1) 4.6 其它硬件設備具體選用型號,安裝位置(見附錄2)5 程序的設計5.1 程序設計的思路 利用HYDRO-MIXV微波測濕傳感器檢測混凝土濕度發(fā)回的模擬信號，經AS154儀表顯示，再由AS154給FX2N-4AD一個標準的電壓信號，經過FX-4AD轉換成數字信號，由PLC讀取并與濕度設定值進行比較，再做出快加水、慢加水、停止加水等處理。5.2 控制方法 考慮到控制的靈活性，系統(tǒng)的控制方式分為手動、半自動、全自動三種。5.2.1 手動控制主要由手動控制水閥的開閉時間，達到控制濕度的目的。5.2.2 半自動控制在物料進入攪拌機后，按下啟動按鈕，起動燈亮，水泵啟動，快加水閥和慢加水閥打開加水到攪拌機內，當AS154顯示的值接近設定的濕度值時，就停止加水，經攪拌機再攪拌一段時間，再讀取濕度值與設定值比較，如濕度已等于或超過設定值時，停止加水，待攪拌排料閘開，輸出完成加水信號給攪拌機，加水完成燈亮起，延時后與起動指示燈同滅，加水完成。如第一次加水后，攪拌機濕度達不到設定值，則開啟慢加水，直至濕度達到設定值。（詳見自動控制流程圖）5.2.3 全自動全自動控制方式與半自動的控制方式的加水過程一樣，所不同的是全自動加水方式是當物料進入攪拌機后，由攪拌機進料控制給濕度控制器一個啟動信號，控制器就開始工作。5.3 自動控制流程圖開始讀濕度入D0D10值乘10入D20（目標量）D20減150入D30（精計量）D20減5入D40（過沖量）D40D0排料口開檢測YES慢速加水啟動讀設定值入D10啟動燈亮D40D0延時5秒啟動燈亮水泵啟動延時6秒延時3秒快速加水D40D0D30D0排料口開檢測結束外部時間繼電器驅動計時到5.4 PLC I/O分配根據實際使用運行要求和安裝調試的方便,將輸入和輸出口分組，并做如下分配，為了方便閱讀與理解PLC運行梯形圖，在程序元件添加注釋，并隨附內部主要軟元件分配表如表5.1所示(詳見附錄3)表5.1 主要軟元件分配表輸入口輸出口軟元件電器元件代號軟元件電器元件代號X0撥碼開關S2Y0撥碼開關S2X1撥碼開關S2Y1撥碼開關S2X2撥碼開關S2Y2撥碼開關S2X3撥碼開關S2Y3X4水泵手動啟動SB3Y4大電磁閥開啟指示燈H4X5攪拌機主機運行信號KA8Y5小電磁閥開啟指示燈H5X6攪拌機排料口開檢測KA31Y6加水完成指示燈H6X7設置偏移，增益Y7水泵啟動指示燈H3X10手動/自動/全自動選擇SA1Y10大電磁水閥TY1X11手動/自動/全自動選擇SA1Y11小電磁水閥TY2X12啟動（攪拌機下料信號）KA30Y12加水完成指示KA6X13大電磁水閥手動SB4Y13水泵啟動KA7X14小電磁水閥手動SB5Y14啟動指示H2X15外部時間繼電器輸入KT1Y15外部時間繼電器動作KT1X16手動啟動SB2X17加水完成（停止）SB65.5 編程說明 數據處理程序段 該段對FX2N-4AD模塊進行設定，讀取濕度設定值與混凝土的濕度值并進行比較?？紤]到控制的精度，在這借鑒攪拌站沙石配重的的方法，設定三種量：目標量（濕度設定值D20）精計量（慢加水時的濕度值D30）過沖量（減允許誤差后的值D40）。X12 PLS M90 攪拌機下料 啟動脈沖 X16 手動啟動 M90 SET M91 啟動脈沖讀濕度設定值M91 DSW X0 Y0 D10 K1 讀濕度設定值入D10 M8029 RST M91DSW 完成動作 對FX4AD ID號進行校驗 M8002 FROM K0 K30 D4 K1 CMP K2010 D4 M80 M8000 M81 MUL D10 K10 D20 FX4AD ID號校驗無誤ON 濕度設定值進一位（設目標量） FROM K0 K5 D0 K1 讀取濕度值D0 CMP D20 D0 M0 D20D0時 M2 ON SUB D20 K150 D30 設置精計量D30 ZCP K50 K200 D10 M13設置撥碼開關數值范圍 CMP D30 D0 M1 D30D0時M1 OFF SUB D20 K5 D40 設置過沖量D40 CMP D40 D0 M2 D40D0時 M2 OFF6 系統(tǒng)的調試系統(tǒng)安裝完畢后，投入系統(tǒng)運行前還要進行必要的調試，其目的主要是檢查PLC，傳感器其性能，功能是否達到設計要求以及滿足實際生產需要。6.1 檢查接線(1) 接線確認，檢查各接線正確，緊固(2) 清掃柜內線頭等，防止短路，損壞設備。(3) 確認各保險絲，接地線等合格，有效。6.2 上電試驗(1)合閘，確認電壓等級(2)手動調試 將開關處于手動模式下試驗狀態(tài)，檢查手動控制功能是否正常。經過手動調試后無誤后，進行自動系統(tǒng)調試。(3)自動調試 打開GPPW軟件的監(jiān)控功能，按啟動開關，看撥碼開關的的輸入數值是否正確，HYDRO-MIX V探頭加濕骨料，觀察PLC內部寄存器D10與D20中的數值可否隨著骨料濕度的不同而變化，D20中的數值應在02000之間。無誤后，攪拌機上料攪拌，啟動自動運行。在根據情況調整D30（精計量）與D40（過沖量減允許誤差后的值）的值。直至達到良好的控制效果。 6.3 調試過程中碰到的問題在頭次調試設備時，沒有裝外部時間繼電器，而是使用PLC內部時間繼電器T30，設了8秒的延時，當時調試時，對濕度的控制準確，但過了兩天，攪拌站的攪拌站的操作人員就反饋濕度控制不準確，明明儀表顯示的濕度已經達到了要求，但配料到了生產線時，就因為太干而做不出板材。7 結 論這套干性混泥土濕度控制器改造成功后，一直使用到現(xiàn)在，可以滿足混凝土濕度控制的要求，運行平穩(wěn)、故障率低，提高了生產率，達到了預期效果。通過這段時間的生產運行，發(fā)現(xiàn)該控制器的一些不足之處，比如精計量（快加水轉慢加水時的濕度值），過沖量等的調整不得不使用電腦，有點不方便。有待進一步改進。此篇論文的編寫讓我學會了如何讓理論識在實踐中得到應用，用實踐去證明理論，使我意識到作為一個合格的電氣技術人員，除了必須具備足夠電氣知識外，還需具有從事行業(yè)產品的一些專業(yè)知識，只有對本行業(yè)產品的性能，要求，工藝流程有了一定的了解，才能做出合理的設備改造。8 致 謝本論文寫作、系統(tǒng)的改造成功，非常感謝學院老師的指導和教育。學院老師嚴謹求實的治學、一絲不茍的作風讓我終身受益，是我以后學習和工作的榜樣。特別要感謝王瑩老師的指點、修改，正是您的不吝指教，使我專業(yè)理論知識進一步提升，同時認識到技術要精益求精。因為知識的日新月異，今后要不斷學習及探索，充實自己，努力尋求解決問題的方法，為今后的學習和工作積累大量的經驗和知識。最后，向所有的老師表示深深的敬意。由于本人水平有限,文中難免有錯漏及不足之處，懇請評委老師批評指正。參考文獻1 岳慶來. 變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應用技術. 北京:機械工業(yè)出版社, 2006.42 吳啟紅. 變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應用技術實操指導書.北京:機械工業(yè)出版社, 2007.73 三菱FX編程手冊. 三菱公司技術手冊4 三菱FX系列特殊功能模塊用戶手冊. 三菱公司技術手冊5 HYDRO-MIXV微波測濕傳感器使用說明書. HYDRONIX公司技術手冊6 AS154儀表使用說明書. ASAHI公司技術手冊附錄1:電氣接線圖PLC接線圖PLC輸入PLC輸出附錄2:硬件設備具體選用表序號代號名稱型號品牌數量單位安裝位置1PLCPLCFX2N-32MT三菱1臺控制柜2SQ6-SQ8微波探頭HYDRO-MIXVHYDRONIX1套攪拌機底部3SQ1-SQ3濕度顯示儀表AS154ASAHI1個控制柜4M水泵ZDK-20廣州第一水泵廠1臺水池邊5A/DA/D模塊FX2N-4AD三菱1個控制柜6E隔離變壓器100VA寶山1臺控制柜7QF1空氣開關C32N C10施耐德 1個控制柜8S撥碼開關KSA溫州萬達3位控制柜9SA選擇開關AS6-Y航天環(huán)宇1個控制柜10SB啟動按鈕AL6-M航天環(huán)宇5個控制柜11SA帶鎖開關AS6-K航天環(huán)宇1個控制柜