基于PLC的多路信息采集系统——毕业论文

基于PLC的多路信息采集系统 摘 要本设计主要介绍了可编程控制器的发展，多路信息采集技术的发展历程。通过对液压油进行分析，利用各种压力、油温传感器，对液压系统的主要动态参数（温度、压力）信号进行在线实时检测。实时准确的获得各项参数的真实信号，经过PLC的采集分析后，能够与PC机进行通讯，并能够对检测的参数在线显示、存储、打印等。关键字：可编程控制器；液压系统动态参数；人机界面；信息采集技术。 AbstractThe design focuses on the development of programmable controllers, multi-path information collection technology development process. Through the hydraulic oil analysis, using a variety of pressure, oil temperature sensor on the hydraulic system of the main dynamic parameters (temperature, pressure) signal-line real-time detection. Real-time and accurate access to the parameters of the real signal, through the PLC's acquisition analysis, be able to communicate with the PC, and can detect the parameters of the online display, storage, printing, etc.Key words: Programmable controller; hydraulic system dynamic parameters; man-machine interface; information collection technology.前 言信号采集技术属于信息科学，是信息科学的一个重要分支，是由传感器、信号测量与处理、计算机等综合形成的一门技术，它广泛应用于各个领域。信号采集系统是信号与信息处理中不可缺少的重要组成部分。在液压设备的状态监测与故障诊断中,数据采集系统提供设备的运行状态数据,其采集技术水平直接影响诊断结果。研制高性能的液压数据采集系统将有利于设备维护的信息化、智能化,进一步提高设备利用率,减少因设备故障带来的经济损失甚至人员伤亡。多路信息采集是从多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及，多路信息采集技术已成为日益重要的检测技术，被广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力的场合。多路信息采集是工业控制等系统中的重要环节，通常通过一些功能相对独立的单片机或PLC系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，多路信息采集的性能特点会直接影响到整个系统。要检测的液压系统，在大型施工设备中，液压油既是传递功率的介质，又对液压元件起着润滑、密封和冷却作用，因此，液压油的状况对于液压系统的工作状况和工作性能十分重要。液压油是液压系统不可缺少的组成部分。液压系统的故障大约有70%是由污染引起的，因而必须掌握有关油液状态的信号。机械设备在正常工作情况下，液压系统中油液的工作温度一般都希望控制在3580范围内，这一温度范围对机械的工作状况及液压油的寿命是最为理想的。如果液压油温度超过这个范围将会对液压系统产生不良影响。同时工作压力是液压系统最基本的参数之一，工作压力对液压系统有着至关重要的作用。工作压力的正常与否在很大程度上会影响液压系统的工作性能。液压系统的工作压力失常经常表现为对压力进行调解时出现调压阀失效、系统压力建立不起来、完全无压力、持续保持高压、压力上升后又掉下来及压力不稳定等情况。一旦出现压力失常，液压系统的执行元件将难以执行正常的工作循环，可能出现始终处于原始位置不工作，动作速度显著降低，动作时相关控制阀组常发出刺耳的噪声等，导致机器处于非正常状态，影响整机的使用性能。由于液压系统中温度、压力的重要性，此次设计要求用可编程控制器PLC，对液压系统中液压油温度、有杆腔压力、无杆腔压力进行采集，并能够实现实时显示，存储，打印功能。本文设计的多路信息采集系统采用CPM2A系列PLC作为核心控制元件。该系统采用Pt-100作为温度传感器，采用3200系列OEM型压力传感器，通过A/D7705模拟量采集模块将模拟信号转变为数字信号并进行放大滤波等处理，使系统具有硬件电路简单，功耗低的特点。同时PLC与上位PC机实现通讯是借助了VB的强大功能，将采集的数据显示、打印等。使得该设计人机界面良好，对于其它相关设计具有很好的借鉴价值。1 绪论1.1 基于PLC的多路信息采集系统概述1.1.1 信息采集技术概述 信号采集技术属于信息科学，是信息科学的一个重要分支，是由传感器、信号测量与处理、计算机等综合形成的一门技术。信号采集技术与传感器信号处理和计算机技术是构成现代检测技术的基础，通过对信号进行一系列的检测、处理、控制等实现相应的需求。一个完整的信号（数据）采集系统由传感器、接口、采集硬件、软件等几部分组成，如图1示：传感器信号调理传感器信号调理传感器信号调理PLC硬件总线接口计算机分析处理软件图1 信号采集系统信号采集技术的研究具有很强的实用性，如：在液压油箱温度、压力的检测中，信号采集系统有着重要的地位。随着大规模集成电路技术与计算机技术的发展，信号采集技术许多领域得到越来越多的应用，同时人们对信号采集系统的要求越来越高，特别是系统的速度、分辨率等成为使用者和设计者共同关心的问题，故，进一步提高信号采集系统的采集速度、精度成为信号采集领域的首要目标。信息采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。1.1.2 液压系统概述（1）液压系统的组成一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、快换接头、高压球阀、胶管总成、测压接头、压力表、油位油温计等。液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。（2）工程机械液压系统质量优劣，可以按下面的指标进行比较：系统的构成在满足机器工作要求和使用条件的基础下，系统构成优势主要表现在系统简单、紧凑、自重轻，元件选择合理，三化（标准化、系列化、通用化）程度高，便于安装、调试、使用和维护，工作安全可靠，应急能力强等方面。要达到这些要求，不仅要有良好的元件，还必须对系统进行合理的设计。经济性经济性指标包括系统的造价和使用费、系统传动效率和功率利用等。这几项指标不是相互独立的，需要进行综合设计。技术性能技术性能包括微动性能，调速范围，传动平稳性，限速性，启动、制动及换向动作灵敏性，缓冲、锁紧、限压、缸荷、补油等完善功能及振动、噪声和外泄大小等 。（3）液压油箱的作用储放系统工作用油散发系统工作中产生的热量分离油液中混入空气沉淀污物一般油箱中油温在3050C范围内比较合适，最高不超过65C。固定装置油温应在4055C。移动装置，如车辆、工程机械等，最高温度允许达到65C。特殊情况下允许达到85C。高压系统，为避免漏油，推荐油温不超过50C。（4）液压系统的液压油控制污染液压系统故障多数起因于液压油的污染。为了保证系统正常工作，提高工作可靠性，延长寿命，要采取有效措施，对液压油进行控制。为了以简单的结构实现在任意方向上的各种不同形式的运动，现代机械，除了设备必备的机械传动机构和电气设备之外，普遍采用液压传动。液压系统的工作载荷往往是多变并伴有振动，工作速度经常处于瞬态转换兼有惯性冲击，因此对液压系统性能提出了挑战。而液压油的温度，液压系统的压力是检验液压系统性能的两大重要标准，所以对压力温度的检测成为当前的主要任务。1.2 课题背景、提出及相关技术的发展现状1.2.1 课题背景为了以简单的结构实现在任意方向上的各种不同形式的运动，现代机械，除了设备必备的机械传动机构和电气设备之外，普遍采用液压传动。液压系统的工作载荷往往是多变并伴有振动，工作速度经常处于瞬态转换兼有惯性冲击，因此对液压系统性能提出了挑战。而液压油的温度，液压系统的压力是检验液压系统性能的两大重要标准，所以对压力温度的检测成为当前的主要任务。机械设备在正常工作情况下，液压系统中油液的工作温度一般都希望控制在3580范围内，这一温度范围对机械的工作状况及液压油的寿命是最为理想的。如果液压油温度超过这个范围将会对液压系统产生不良影响。同时工作压力是液压系统最基本的参数，工作压力的正常与否在很大程度上会影响液压系统的工作性能，所以对压力、温度的检测是至关重要的。液压系统故障多数起因于液压油的污染。为了保证系统正常工作，提高工作可靠性，延长寿命，要采取有效措施，对液压油进行控制。液压油是液压系统不可缺少的组成部分。它既是传递功率的介质，又对液压元件起着润滑、密封和冷却作用，因此，液压油的状况对液压系统的工作状况和工作性能十分重要。以下是有关液压油油温及压力不正常而产生的常见故障：1液压油油温过高的原因：（1）油品选择不当油的品牌、质量和黏度等级不符合要求，或不同牌号的液压油混用，造成液压油黏度指数过低或过高。若油液黏度过高，则功率损失增加，油温上升；如果黏度过低，则泄漏量增加，油温升高。（2）污染严重施工现场环境恶劣，随着机器工作时间的增加，油中易混入杂质和污物，受污染的液压油进入泵、马达和阀的配合间隙中，会划伤和破坏配合表面的精度和粗糙度，使泄漏增加、油温升高。（3）液压油箱内油位过低若液压油箱内油量太少，将使液压系统没有足够的流量带走其产生的热量，导致油温升高。（4）液压系统中混入空气混入液压油中的空气，在低压区时会从油中逸出并形成气泡，当其运动到高压区时，这些气泡将被高压油击碎，受到急剧压缩而放出大量的热量，引起油温升高。（5）滤油器堵塞磨粒、杂质和灰尘等通过滤油器时，会被吸附在滤油器的滤芯上，造成吸油阻力和能耗均增加，引起油温升高。（6）液压油冷却循环系统工作不良。通常，采用水冷式或风冷式油冷却器对液压系统的油温进行强制性降温。水冷式冷却器，会因散热片太脏或水循环不畅而使其散热系数降低；风冷式冷却器，会因油污过多而将冷却器的散热片缝隙堵塞，风扇难以对其散热，结果导致油温升高。（7）零部件磨损严重齿轮泵的齿轮与泵体和侧板，柱塞泵和马达的缸体与配流盘、缸体孔与柱塞，换向阀的阀杆与阀体等都是靠间隙密封的，这些元件的磨损将会引起其内泄漏的增加和油温的升高。（8）环境温度过高环境温度过高，并且高负荷使用的时间又长，都会使油温太高。 2液压油油温过高的危害（1）液压油黏度、容积效率和液压系统工作效率均下降，泄漏增加，甚至使机械设备无法正常工作。（2）液压系统的零件因过热而膨胀，破坏了相对运动零件原来正常的配合间隙，导致摩擦阻力增加、液压阀容易卡死，同时，使润滑油膜变薄、机械磨损增加，结果造成泵、阀、马达等的精密配合面因过早磨损而使其失效或报废。（3）加速橡胶密封件老化变质，寿命缩短，甚至丧失其密封性能，使液压系统严重泄漏。（4）油液汽化、水分蒸发，容易使液压元件产生穴蚀；油液氧化形成胶状沉积物，易堵塞滤油器和液压阀内的小孔，使液压系统不能正常工作。3液压系统压力失常的原因：（1）液压泵、马达方面的原因液压泵、马达使用时间过长，内部磨损严重，泄漏较大，容积效率低导致液压泵输出流量不够，系统压力偏低。发动机转速过低，功率不足，导致系统流量不足，液压系统偏低。液压泵定向控制装置位置错误或装配不对，泵不工作，系统无压力。（2）液压控制阀的原因工作过程中，若发现压力上不去或降不下来的情况，很可能是换向阀失灵，导致系统持续卸荷或持续高压。溢流阀的阻尼孔堵塞、主阀芯上有毛刺、阀芯与阀孔和间隙内有污物等都有可能使主阀芯卡死在全开位置，液压泵输出的液压油通过溢流阀直接回油箱，即压力油路与回油路短接，造成系统无压力；若上述毛刺或污物将主阀芯卡死在关闭位置上，则可能出现系统压力持续很高降不下来的现象；当溢流阀或换向阀的阀芯出现卡滞时，阀芯动作不灵活，执行部件容易出现时有动作、时无动作的现象，检测系统压力时则表现为压力不稳定。有单向阀的系统，若单向阀的方向装反，也可能导致压力上不去。系统内外泄漏，例如阀芯与阀体孔之间泄漏严重，也会导致系统压力上不去。（3）其他方面的原因液压油箱油位过低、吸油管太细、吸油过滤器被杂质污物堵塞会导致液压泵吸油阻力过大（液压泵吸空时，常伴有刺耳的噪声），导致系统流量不足，压力偏低。另外，回油管在液面上（回油对油箱内油液冲击时产生泡沫，导致油箱油液大量混入空气），吸油管密封不好漏气等易造成液压系统中混入空气，导致系统压力不稳定。4液压系统压力失常的危害（1）压力过低 执行机构不足以克服外界载荷，系统建立不起压力，执行机构无动作；需要同时联动的机构，不能联动。执行机构这种推不动、举不起、拉不走的现象严重影响工程机械的工作效率。（2）压力过高运动件的相对运动副，管道连接，液压元件固定连接处漏油和渗漏，造成油液对环境的污染，油液的浪费，机械效率降低，严重时还将引起系统工作的不稳定和系统的破坏。液压系统噪声强烈，甚至产生嚎叫，引起系统剧烈振动，不仅污染环境，而且可能使系统工作丧失稳定性。我们在使用液压设备的时候，除了避免外界原因引起的油温、压力异常之外，还应该有一套完善的检测设备，以尽早发现问题提出对策。本文就是运用计算机、温度传感器、压力传感器和PLC等组成的信号采集系统对油箱内液压油的温度、有杆腔压力和无杆腔压力进行检测的。1.2.2 课题的提出现代机械液压系统向着高性能、高精度和复杂的方向发展，液压系统的可靠性成了一个十分重要的问题，除了对液压系统进行可靠性设计外，液压系统故障检测和诊断技术越来越受到重视，成为液压技术发展的一个重要方向。由于液压系统工作元件及工作介质的封闭性，给系统的在线检测及不解体在线故障诊断带来困难，目前，主要还停留在人工巡回检测和定期检修的水平上。近年来，由于计算机技术、检测技术、信息技术和智能技术的发展，大大促进了液压系统故障检测与诊断技术的发展。现在的检测技术主要是以工况监视为特点，对机械设备的特征信号进行检测、分析处理，利用特征信号进行故障诊断。本设计主要是利用各种传感器，对液压系统的主要动态参数（温度、压力）信号进行在线实时检测。这是整个故障检测与诊断系统的重要环节，要求实时准确的获得各参数的真实信号，经过PLC的采集分析后，能够与PC机进行通讯，并能够对检测的参数在线显示、存储、打印等。1.2.3 相关技术的发展现状随着计算机技术的飞速发展和普及，多路信息采集系统在多个领域有着广泛的应用。在医药、化工、食品、机械等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数，多路信息采集势必将会得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。总之，不论在哪个应用领域中，多路信息采集与处理将直接影响工作效率和所取得的经济效益。此外，可编程控制器PLC的发展对信息采集起了巨大的推动作用。计算机和信息采集系统的紧密结合构成了灵活多样的通信控制系统，对社会发展产生了深远的影响。 （一）PLC技术的发展可编程控制器（简称PLC）是一种专用于工业环境下的数字式电子装置。它使用可编程的存储器存储程序指令，完成逻辑运算、计数、定时和算术运算等功能，以便控制各种机械和生产过程。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点，在现代工业中应用十分广泛。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30%40%。在这时期，PLC处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高。进入21世纪，可编程序控制器仍保持旺盛的发展势头，并不断扩大其应用领域，如为用户配置柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）。目前可编程序控制器主要向两个方向扩展：一是综合化控制系统，它已经突破了原有的可编程序控制器的概念，将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来，甚至向上为MES和ERP系统准备了技术基础，这种发展趋势会使得举步为艰的ERP系统有了坚实的技术基础，从而会带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息化工厂；二是微型可编程序控制器异军突起，体积如手掌大小，功能可覆盖单体设备及整个车间的控制功能，并具备联网功能，这种微型化的可编程序控制器使得控制系统可将触角延伸到工厂的各个角落。因而现代制造业更加注重采用PLC控制。长期以来，PLC以其可靠性高、通用性强和使用简便等优点始终处于工业控制自动化领域的主战场。它不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需求，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，使其功能更加完备，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，广泛应用于各种工业场合。在制造业领域，PLC作为自动控制的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，成为大多数自动化系统的设备基础。由于综合了计算机和自动化技术，其发展日新月异，大大超过出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。随着科学技术和微处理技术的迅猛发展，PLC技术和产品日趋完善。PLC的发展与制造业的发展相辅相成，PLC的发展推动了制造业的发展，而制造业的发展又对PLC的发展提出了更高的要求，目前，为适应大中小型企业的不同需要，进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，PLC的发展趋势主要表现在：（1）多品种方向发展A：结构、规模的发展：整体结构向小型模块化方向发展，使配置更加方便灵活，B：开发更丰富的I/O模块(包括智能模块)在增强PLC的CPU功能的同时，不断推出新的I/O模块，如数控模块、高速计数模块、远程I/O模块、通讯和人机接口模块等，另外，在模块上逐渐向智能化方向发展11。（2）发展容错技术，进一步提高系统的可靠性。（3）高性能，组态编程，随着工厂自动化和计算机集成制造系统的发展，功能强大的PLC需求日益增加。其高功能主要体现在：函数运算及符点运算，数据处理和方案处理，队列和矩阵运算，PID运算以及超前、滞后补偿，多段斜坡曲线，配方和批处理，菜单组合的多窗口技术，控制与管理综合，组态编程简便等。（4）分散型、智能型和现场总线型I/O子系统。（5）增强通信网络功能：PLC的通信联网功能增强就可以使PLC与PLC之间，PLC与计算机之间能够通信、交换信息，形成一个分布式控制系统。（6）实现软、硬件标准化。总之，PLC正朝着体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉、大容量、高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主要方向。PLC本身就是一台适合工业现场使用的专用计算机，其硬件组成有下面7个部分，如图2所示。图2 硬件组成PLC的工作方式有周期扫描方式、定时中断方式、输入中断方式和通信方式等，最主要的方式是周期扫描方式。周期扫描方式大致可以分为7个过程，如图3所示启动处理共同处理通讯服务外设服务输入刷新程序执行输出刷新扫描周期图3 PLC的工作过程（二） 多路信息采集技术的发展随着大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，数字技术渗透到各个技术领域。但是自然界中大多数物理信号却是模拟信号，因此，将模拟信号转化成数字信号是进行信号处理和分析的首要前提。此次多路信息采集系统的设计就是完成对采集到的多路模拟信号转换成计算机能识别的数字信号并进行控制操作的任务。随着计算机和PLC技术的飞速发展，越来越多的企业以计算机和PLC为平台，实现生产控制，根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势这一系统比一般系统具有更低的成本，更灵活的配置，更短的开发周期。多路信息采集系统一般由数据输入通道，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这五个部分组成。输入通道作用是实现对被测对象的检测，采样和信号转换等工作。数据存储与管理是要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理则是从采集到的原始数据中，滤除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，并提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索，或者把数据恢复成原来物理量的形式，以可输出的形态在输出设备上输出。最后数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示15。近年来，多路信息采集与处理的新技术、新方法，直接或间接地引发其革新和变化，实时监控(远程监控)与仿真技术(包括传感器、数据采集、微机芯片数据、可编程控制器PLC、现场总线处理、流程控制、自动故障诊断与报表输出等)把多路信息采集与处理技术提高到一个崭新的水平。同时计算机技术的发展和普及更加提升了多路信息采集系统的技术水平。在生产过程中，可应用这一系统对生产现场的工艺参数进行采集、监视、和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，通过应用多路信息采集系统可以获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。不论在哪个应用领域中，多路信息的采集与处理越及时，工作效率就越高，进而取得的经济效益就越大。对多路信息采集技术的研究具有很强的实用性，如：在液压油温度、压力的检测中，信息采集系统就有着重要的地位。PLC为高速可编程控制器设备提供了良好的软件、硬件支持且适应了现代I/O设备对系统的要求，只需要很少的模块就可以实现信息的多路采集。将PLC技术应用于多路信息采集领域，可以满足在保证精度的前提下，提高采集速度，同时达到实时处理和实时控制的目的。运用 VB6.0对采集的数据进行处理，可提高信息采集的实时性，并且具有很强的可操作性。2 硬件系统简述 2.1 硬件设计概述本设计实现的基于PLC的多路信息采集系统,不同于一般的信息采集系统，主要体现在应用场合（液压油缸出厂检测）和检测多路模拟信号方面。在温度和压力测控系统中，硬件部分的主要功能是对传感器采集的模拟信号转变为电压信号并进行放大、滤波等操作，通过PLC将信号送到工控机平台；并按照试验要求由工控机发出控制信号，再通过PLC驱动执行机构，对温度和压力进行采集分析17。该系统能够检测液压系统中的油箱温度、有杆腔压力、无杆腔压力，并能够对检测的参数在线显示、存储、打印等，鉴于要实现的功能，该系统采用的PLC为欧姆龙CPM2A。整个硬件系统如图4所示。有杆腔压力温度传感器无杆腔压力油箱温度压力传感器1压力传感器2采集处理模块1PLCCPM2A现场监控PC机RS-232C打印机等外部设备采集处理模块2采集处理模块3图4 硬件结构对温度和压力信号的采集拟采用温度传感器和压力传感器实现，通过传感器将温度和压力信号转换为电压信号；利用采集处理模块A/D7705实现对测量信号的放大、滤波等操作，且每一路信号都采用独立的采集处理模块，尽可能的减少干扰；同时对PLC进行多路输入给每路电压信号分配不同的采集通道，便于信号的并行同步传输，减少信号干扰。2.2 硬件系统控制单元2.2.1 CPM2A的系统结构和性能介绍当前PLC的生产厂家有数百家，目前世界上产销量大，尤其是我国较为熟悉的厂家有美国A-B公司的PLC、日本欧姆龙(OMRON)公司PLC、日本三菱(MITSUBSHI)公司的PLC、美国通用电气(GE)公司的PLC和德国西门子公司的PLC。其中OMRON公司的CPM2A PLC在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制，中断输入，脉冲输出，模拟量设定和时钟功能等。CPM2A CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。它完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRON PLC和OMRON可编程终端的通信，使用户能设计一个经济的分布式生产系统。CPM2A是一台设有20，30，40，或60内装I/O端子的PLC，有三种输出可用（继电器输出，漏型晶体管输出和源型晶体管输出）和2种电源可用（100/240 VAC或24VDC）。本次设计使用的是20 I/O端子的PLC，8点输入，8点输出。CPM2A 外型结构如图5所示。图 5 CPM2A 外型结构（1）高速计数器和中断：CPM2A计有五个高速计数器输入。一个响应频率为20 kHz/5 kHz的高速计数器输入，与四个响应频率为2 kHz的高速计数器输入（在计数器方式下）。高速计数器可以用在四种输入方式中的任一种下；微分相位方式(5 kHz)，脉冲方向输入方式(20 kHz)，增/减脉冲方式(20 kHz)，或递增方式(20 kHz)。当计数与一设置值匹配或下降在一规定范围内时，能触发中断16。（2）高速中断输入功能：有四个输入用于中断输入（与快速响应输入和计数方式的中断输入共用），最小输入信号宽度与50s，响应时间为0.3 ms。当一中断输入变为ON时，主程序停止而中断程序执行。（3）快速响应输入功能：有四个输入用于快速响应输入（与中断输入和计数方式的中断输入共用），能可靠地读出信号宽度短到5s的输入信号。CPM2A 单元的内部结构如图6所示。外部输入设备 输 入 回 路I/O存储器输 出 回 路程序PC设置外围端口通信开关RS-232设定通讯处理设定外部输出设备设定图6 CPM2A 内部CPU结构（4）完善的通信能力:上位链接通过PC的RS-232C端口或外围端口可进行上位链接连接。在上位链接方式下连接的个人计算机或可编程终端可用于，如读/写PC的I/O存储器的数据或读/改变PC的操作方式的操作。PLC与上位机的连接如图7所示。PC上位机机PLCCPM2ARS-232RS-232RS-232RS-232应 答命 令图7 PLC与上位机的连接程序在执行时读/写这存储器区域中的数据。部分I/O存储器含有反映PC输入、输出状态的位12。部分I/O存储器在电源上电时被清除，而其他部分被保留。CompoBus/S I/O链接单元如表1所示。表1 CompoBus/S I/O链接单元项目CPM2AI/O存储器输入口IR0000IR00915IR02000IR02515输出口IR01000IR00915IR03000IR03515工作位IR02000IR04915IR20000IR22715扩展单元和扩展I/O单元最大单元数量任何一个CPU单元都可以至多外接3个扩展单元（扩展单元和扩展I/O单元两者总数为3个）输入时间常数可设定为1，2，3，5，10，20，40活80ms2.2.2 CPM2A的I/O端子 CPM2A 的CPU单元设有20个I/O端子如图8所示。图8 CPU单元各I/O端子CPM2A的几个部件说明：1.电源输入端子。连接电源（100240 VAC或24 VDC）至这些端子。2.功能接地端子（）务必将这端子（仅AC类PC）接地，以提高抗扰度和降低电击的危险。3.保护接地端子（）务必将这端子接地，以降低电击的危险。5.输入端子连接CPU单元至外部输入设备6.输出端子连接CPU单元至外部输出设备7.PC状态指示灯这些指示灯显示PC，的操作状态，如表2所示。表2 PC状态指示灯指示灯状态意义PWR（绿色）ON在向PC供电OFF不在向PC供电RUN（绿色）ONPC正在RUN或MONITOR方式下操作OFFPC是在PROGRAM方式下或发生了致命错误COMM（黄色）闪烁数据在经由外围端口或RS-232端口传送OFF数据不在经由外围端口或RS-232端口传送ERR/ALARM（红色）ON发生了致命错误（PC操作停止）发生了非致命错误（PC操作继续OFF表示正常工作8.输入指示灯各输入指示灯在对应输入端子为ON时点亮。各指示灯在I/O刷新时点亮。在发生致命错误时，输入指示灯变化如表3所示。表3 输入指示灯致命错误输入指示灯CPU单元错误，I/O总线错误或I/O单元过多变为OFF存储器错误或FALS（致命错误）错误指示灯会随输入信号的状态而改变，但在存储器中输入状态不会更新9.输出指示灯各输出指示灯在对应输出端为ON时点亮。各指示灯在I/O刷新时点亮。在使用脉冲输出时，指示灯在脉冲在输出的同时会继续保持点亮。11.RS-232C端口将PC连接到编程设备（包括编程器），上位计算机，可编程终端或标准外部设备。12.通信开关这个开关选择外围端口和RS-232C端口是使用PC设置中的通信设定还是使用标准设定。表 4 通信开关OFF除与外围端口连接的编程器外，外围端口和RS-232端口按PC设置中的通讯设定进行工作ON除与外围端口连接的编程器外，外围端口和RS-232端口按标准通讯设定进行工作2.3 信息采集部分在选择传感器时需首要考虑以下具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式是接触式的还是非接触式的；信号的引出方法；传感器的来源，国产还是进口，价格是否能承受。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。传感器的具体指标有灵敏度，频率响应特性，线性范围，稳定性，精度等。这些参数并不是要求越高越好，因为要求越高不仅会带来成本的提高，也会带来信号处理的难度，噪音等问题。在满足检测系统要求的前提下一般选择价格便宜和简单的传感器。综合考虑后我们选定采用Pt-100作为温度传感器采集液压油的温度，3200系列OEM型压力传感器采集有杆腔压力，无杆腔压力。2.3.1 温度传感器Pt-100液压系统中油液的工作温度一般都希望控制在3580范围内，而Pt-100的测温范围为-200850，完全足够。铂热电阻的线性较好，在0100之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度，所以综合考虑各方方面后Pt-100是最合适的。Pt-100的外观如图9所示。图9 Pt-100外观图Pt-100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下：测量范围：-200+850；允许偏差值：A级（0.150.002t），B级（0.300.005t）；热响应时间：30s；最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm；允通电流5mA。另外，Pt-100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。铂热电阻的线性较好，在0100之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。铂热电阻阻值与温度关系为：（1） (2.1)（2） (2.2)式中，可见Pt100在常温0100之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：RPt=100（1+At），当温度变化1摄氏度，Pt-100阻值近似变化0.39欧。Pt-100在0100的分度表如表2.5所示。Pt-100宽范围、高精度的特点,使其测量领域很广，如：轴瓦，缸体，油管，水管，汽管，纺机，空调，热水器等狭小空间工业设备测温和控制；汽车空调、冰箱、冷柜、饮水机、咖啡机，烘干机以及中低温干燥箱、恒温箱等;供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。 Pt-100传感器内部电路如图2.7所示。图10 Pt-100内部结构图R2、R3、R4和Pt-100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，前一级约为10倍，后一级约为3倍。温度在0100变化，当温度上升时，Pt-100阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压对应升高。2.3.2 3200系列OEM型压力传感器工作压力是液压系统最基本的参数之一，工作压力的正常与否会很大程度上影响液压系统的工作性能。美国Gems公司生产的3200系列OEM型压力传感器，压力范围为4-2200bar，工作温度为40到125，具有极高的性能价格比，是适合OEM客户应用的高性能、高可靠性和稳定性的产品。接液部分为不锈钢材质。多种输出形式以及多种压力端口和电气连接的选项可适合绝大多数的应用要求。结构非常紧凑，特别适合安装空间狭窄的场合，非常适合用于液压系统压力的检测。3200系列OEM型压力传感器如图2.8所示。图11 3200系列OEM型压力传感器外观图3200系列OEM型压力传感器的部分性能参数：压力范围：从0-4Bar到0-2200bar表压(60-30,000psi)身长：小于25mm 疲劳寿命：100,000,000次满量程循环激励：高于满程输出2V,最大36V;或5VDC输出:0.5-4.5VDC环路供电电压：10-30V DC输出：4-20mA重量(约)：35g认证等级：CE2.3.3 A/D7705模拟量采集处理模块A/D7705是AD公司新推出的16位转换器。器件包括由缓冲器和增益可编程放大器组成的前端模拟调节电路,调制器, 可编程数字滤波器等部件。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A/D转换。这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点,非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。它采用三线串行接口,有两个全差分输入通道,能达到0.003%非线性的16位无误码数据输出,其增益和数据输出更新率均可编程设定,还可选择输入模拟缓冲器,以及自校准和系统校准方式。工作电压3V或5V,3 V电压时,最大功耗为1mw,等待模式下电源电流仅为8A。A/D7705的引脚排列如图12所示。A/D 7705是完整的16位A/D转换器。A/D7705是双通道全差分模拟输入，它是用于智能系统、微控制器系统和基于DSP系统的理想产品。其串行接口可配置为三线接口。增益值、信号极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置。该器件还包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差。A/D7705内部结构图如图13 所示4。图12 A/D7705的引脚排列图13 A/D7705内部结构图部分引脚功能如表5所示。表5 引脚功能表编号名称功能1SCLK MCLK串行时钟，施密特逻辑输入。将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问A/D7705的串行数据。2MCLK IN为转换器提供主时钟信号。能以晶体/谐振器的形式提供。3MCLK OUT当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在MCLK IN和MCLK OUT之间。4VDD电源电压，+2.7V+5.25V。5GND内部电路的地电位基准点ND。6RESET复位输入。用A/D7705做温度测量接线如图14 所示。图14 A/D7705做温度测量用A/D7705做压力测量接线如图15 所示。图15 A/D7705做压力测量2.4 PLC与上位机的连接PLC与计算机通过串行口(RS-232C)连接，承担数据的发送和接收任务。计算机将数据按照一定协议格式封装起来，发送给PLC，PLC启动相应的采集程序完成采集工作，并将按照一定得协议打包将信息发送给计算机，进行相应的显示、存储、打印工作。上位机与PLC的接线如图2.13所示3。图16 上位机与PLC的接线示意图RS-232C接口是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。RS-232C端口分配如图2.14所示。图17 RS-232C端口分配RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232C数字逻辑与电平之间的关系1是：1：-3V-25V，0：+3V+25V。典型应用是微型计算机的串行接口，所以要以RS-232C的方式进行通讯，源信号需要进行电压转换。 RS-232C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232C属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。RS-232C可适用的连接器如表6所示。表6 RS-232C可适用的连接器名称型号规格插头XM2A-09019-pin male连接插头、底座底座XM2S-0911-EAnti-ESD防静电螺丝（1）信号内容：实际上RS-232C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。（2）接口的电气特性：在RS-232C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”，-3V-25V；逻辑“0”，+3V+25V。噪声容限为2V。即要求接收能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。 （3）接口的物理结构：RS-232C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端. 一些设备与PC机连接的RS-232C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。RS-232C有不足之处，主要有以下四点：（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。（4）传输距离有限，最大