（电路与系统专业论文）基于PLC控制的农产品加工机械性能检测系统的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 针对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、工作璧大、效率低的现状，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p l c 控制技术研究和设计了农产品加工机械性能检测系统。 本文蓠先概逑了计算栅控制系统和p l c 在工业控制中的重要性，分析了农产 品加工机械产品的震量现状。其二，介绍了数据采集技术及p l c 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 p c l 8 1 3 采集现场各个传感器传来的数据，然后通过工控机的p c i 数据总线把数据 传给上位工控机，工控机与下位机p l c 之间采用r s 2 3 2 c 进幸亍串行通信，p l c 控制 农产晶加工机械的性能检测系统，p l c 与变频器之间通过r s 4 8 5 串口透信，变频 器通过改变交流变频电动机的频率从焉控制交流异步电动机的转速，从而控制原 米辛的流量。其四，设计了检测系统的软件，包括p l c 控嗣稔测现场的程序及p l c 与 交频器之间采用m o d b u s 协议实现的r s 4 8 5 串口通信程序。采用基于r s 4 8 5 接口 的m o d b u s 通信协议对交频器进行控制的方法，大大减少了系统布线，避免了现 场可能的各种电磁干扰对控制设备的影响，有效地提赢系统的抗干扰能力；采用 组态王6 5 软件制作了上位工控枫中的监控界面，使操作篙单直溉。将组态王界面 和p l c 程序二毒有机的结合起来，使系统j e 常而有效魂工作，达到了使用方便、 控制简单、功能完善、运行理惩的效果。其五，对检测系统运行的数据进行了分 析和处理。 本文所设计的农产品加工机械性能检测系统被应用于碾米机的检测， 行及测试结果表睨该系统运季j 稳定，系统的各项控制功熊均能可靠实现。 验结果证明该系统方案切实可行。 关键词：p l c ：数据采集：r s 2 3 2 ；变频器：m o d b u s ；组态王 l i 现场运 检测试 基于p l 拄稍的农产品触工概碱性能检测晨统瓣馥究与设计 a b s t r a c l a tp r e s e n t ，a g r i c u l t u r a lp r o d u c t sp r o c e s s i n gm a c h i n e sa r ev a r i o u si n s t y l ea n d c o m p l i c a t e di ns p e c i f i c a t i o ni n o u rc o u t r y p r o d u c t se x a m i n a t i o nw i t ht r a d i t i o n a l 壤o t h o de x s t 璩ef o l l o w i 珏g q u e s t i o n s ：l o n gm e a s 珏f ee y c l e ，h e a v yw o r kl o a 或l o w e f 巍c i e n c y 1 n6 r d e rt om a k et h ea g f i c u l t u f a lp r o d u c t sp r o c e s s i n gm 矗c h i n e sc a nr e a c ht h e p e r f o r m a n c ea n dr e q u i r e m e n tt h a tt h ec o u n t r ys t i p u l a t e sb e f o r ep r o d u c i n gi ne n o r m o u s q u a n t i t i e sa n dp u t t i n g0 nm a r k e t ，t h i sa f t j c l ea d o p t sd a t aa c q u i s i t i o nt e c h o l o g ya n dp l c c o n l r o ll e c h n o l o g yl or e s e a r c h 强dd e s i g nt 圭圭e p e f f o f l 纛a 蘸c ee x a m i 娃a l i o ns y s l e m 鑫b o u l a g r c u l u f 蠢p r o 如c t sp f o s s i n gm a c 董l i n e si n 如u n d a t i o nt h er e q u i f el i v ea n ds y s t e m a t i c t e c 鼽n i c a li n d i c a t or f i r s t ly ，t h i sa r t i c l es u m m e du pt h ei m p o r t a n c ef o rt h ec o m p u t e rc o n t m ls y s t e l l ：la n d p l i ni n d u s t r 妊l lc o n t l 鞋n da n a l y z e dl h eq 珏a l i yc 珏f r e n t t 驻8 t 至o no fa 2 r i c u l t u r a l p o d u c t sp l o c e s s i n gm a c h i n e s s e c q n d l y ，h e8 r | i c l er e c o m m e n d e dt 董l ed a t aa c q u i s i t i o n t e c h n 0 1 0 9 ya n dp l cc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i r d l y t h ea f t i d ep r o p o s e dt h eo v e r a l ld e s i g n s c h e m eo ft h ee x a m i n a t i o ns y s t e m ，d e s i g n e dt h e 且a r d w a r eo ft h ee x a m i n a t i o ns y s t e m d a t aa c q u i s i t i o nc a f dp c i 名1 3g a t h e r st h ed a t 鑫l f a 珏s m i n e db yt h et e s t i n gs c e n e se a c h s e n s o 毛a n dl h 蠊壤ed 甜aa f e 协a l l s m i t | e d 耄。壤ei n d u s t f i a lp e r s o n a | c o m p u t e f ( i p c ) b y 睡e d a t ab u sp c io fi p c r s 2 3 2 cr e a l i z e st h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h el p ca n d l o w e rp o s i t i o nm a c h i n ep l c ，p l cc o n l r o l st h ep e f f o r m 柚c ee x a m i n a t i o ns y s t e mo f a g r i c l l l t u f a lp r o d u c t sp f o c e s s i n gm a c h i n e s ，r s 4 8 5r e a l i z e st h es e r i a lc o m m u n l c a t i o n b e l w e e np l c 熊d 睡ev a f i a b l e f f c 鼋毛l e n c yd r 主v e ( v f p ) ，dc h 髓g e st h e 扭e f n a l i v e v a “a b l ef r e q u e n c ym o t o r sf r e q u e n c y ，t h u sw h i c hc o n t r o lt h ef l o wo fr a wm a t e r i a l s f o u r t h l y ，t h ep a p e rd e s i g n e dt h es o f t w a r eo ft h ee x a r n i n a t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gt h e p r o c e d u r e o fp l cc o n t r o l st h ee x a m i 狂a t i o ns c e n ea 硅dt h ep r o c e d u r eo fs e r i a l c o m m 疆珏i c a 重i o n 蘸o p t i n g 袋s 4 8 5 s e r i a li n l 雕陲e e sb e t w e e np i a 稚v f dw i 谯攮e m o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h em e t h o dw “hr s 4 8 5s e r i a li n t e r f a c et oc o n t r o l v f dr e d u c e dt h e s y s t e m t o c o n n e c t u pg r e a t l y ，p r e v e n t e d v a r i o u s p o s s i b l e e l e c t r o m a g n e t i s m s 主n t h es c e n ef r o mi n t e f f c r i n gw i t ht h ei n n u e n c eo nc o n t f o l l i n g a p p 鑫耀t u s ，a 建di m p r o v e de f 耗畦i v e l ys y s t e m a 毫i ca n i i 瓤t e r f e f e n c ea b i l i l y a 矗o p 鼍i 建g6 5 s o f t w a r e ，c o n f i g u r a t j o nk i n gt om a k e 撮eh u m a nm a c h i n ei n l e f f a c e ( h m i ) i ni p c ，w h i c h m a d et h eo p e r a t i o nw a se a s ya n ds i m p l e h m ia n dp l ep r o c e d u r et w oa f ec o m b n e d o r g a n i c l yt o g e t h e r t h a tm a d et h es y s t e m r u n n i n gi sn o r i n a la n de 矗 e c t i v e ，t h eu s ei se a sy 攮ec o 藏t f o l ss i m p l e ，也ef u n c t 0 ni sp e f f e c t ，a n dt h eo p e r a t i o ni s d e a l f i b | i ly ，谯e 翻t a f r o mt h eo p e r a t i n gs y s t e mw e f ea n a l y z e da n dd e a l w i t h t h ep e r f o l t n a n c ee x a m i l l a t i o n s y s t e m a b o u ta g r i c u l t u r a l p r o d u c t s p r o c e s s i n g m a c h i n e sh a sa p p l i e dt ot h ee x a mo ft h er i c em i l l ，t h eo p e 糟t i o na n dt e s tr e s u l ti n d j c a t e d 地es y s t e mf u ns t e a 卤l y ，e v e r yc o n 圭r o l 如n c l i o no ft h es y s t e me 基nb e e a l i z e dr e l i a b ly n p r o v e st 圭l es c h e m eo ft h i ss y s t e mi sf e a s i b l e k e yw o r d s ：p l c ； d a t aa c q u i s i t i o n ；r s 2 3 2 ；v f d ； m o d b u s ：c o n f i g u r a t i o nk i n g m 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 刘徊p 弱 日期：渺( 年多月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：壶划桐p 胡 日期：砷锌乡月哆日 刷磁轹味音日期：抄6 年弓月哆日 1 1 选题背景 第1 章绪论 本项目来源于湖南省农机研究所。在农产品加工机械性能检测系统的研究与 设诗中，需要结合诗箕机控制系统和p l c 按钊豹理论，来实现对农产晶加工枫械 进行性能检测的置业控制。 计算机控制系统是以计算机为主机，加上检测装置、执行机构，与被检测控 制对象共同构成豹整体。在整个系统中，计算机具有数据采集与处理功能、监督 功能和控制功能。它利用计算视高速度、大容量和锂髓纯的特点，把一个复杂的 生产过程组织管理成为一个综含、完整、高效的自动化熬体。计算机控制系统简 单地说就是采用计算帆来实现的工业自动控制系统。谯工业自动控制中计算机控 翎系统实现生产过程控制酶其体过程是：对象产过程的裔关参数进行采样，遥遥输 入澡道，把模拟量数字化送入计算机，计算机根据这些数字信息，按预先制定的 程序进行处理，再通过输出通道把计算机结果转换成模拟量去控制生产过程，使 被控涮量达到预期的指标。 一般情况下，在工业自动化工程中采用p l c 可靠、方便、易于维护。进入2 0 世纪7 0 年代，采用微处理器的工业控制计算机出现了，它与p l c 共同推动着传统 工业的技术改造。p l c 是专为工业环境应用弑设计制造的计算机。它具有多输入 输蹬接嗣，劳虽爨有较强的驱动能力。在p l c 中采用了如下昀硬件和软件措施： ( 1 ) 光电耦台隔离和r c 滤波器，有效地防止了干扰信号的进入； ( 2 ) 内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。 ( 3 ) 采露饯楚的开关电源，防止电源弓| 入的干扰。 ( 4 ) 具有良好的自诊断功能可对c p u 等内部电路进行检测，一旦出错，立 即报警。 ( 5 ) 对程序及有关数据用电漶供电进彳亍后备，一虽断电或运零亍终止，有关状 态及信息不会丢失。 随着构成p l c 的元器件性能的提高，p l c 的可靠憔也在相应地提高。另外， p l c 程序设计简单，易学易懂易维护，更适合于工程技术人员。因此，p l c 在工 监控制串获得了极大的优势，成为工业控铜孛的主流。但是必须指出的是；计算 机在信息处理方耐还是优于p l c ，所以在一些自动化控制系统中，常常将两者结 合起来，p l c 做下位机传送和交换。这样相辅相成，构成一个功能较强的控制系 统i 引。 基于p l c 控制的农产品加工机槭性能检测系统的研究与设计 1 2 农产品加工机械产品的质量现状 我国农产品加工机械产品质量形势不容乐观，产品抽查合格率低于全国机械 产品质量平均水平近1 0 个百分点。近年来，我国农产品加工机械在品种和质量上 有了明显进步，一些骨干企业在提高产品质盘、加快技术创新、健全质量管理体 系方面做了大量工作，产品性能和质量比较稳定，但从总体上说，我国农产品加 工机械在设计、工艺、作业性能和可靠性方面还存在不少问题，产品质量还处在 以合格品为主的低水平阶段。多数小型企业生产条件较差，制造工艺落后，检验 手段薄弱，质量体系不健全，导致产品质量不稳定。根据1 9 9 5 年至2 0 0 2 年部分农 产品加工机械国家监督抽查资料统计，其抽样平均合格率如下：碾米机6 8 3 ，磨 粉机7 6 3 ，小型螺旋榨油机6 5 2 ，磨浆机7 2 7 ，粉碎机7 0 6 0 从抽查和用户 调查中反映，农产品加工机械产品质量的主要问题有如下几个方面：安全性差；加 工品质差、资源利用率低；能耗高，产品加工吨料电耗超标；工作噪声偏高；外 观质量粗糙，油漆涂层附着力差1 3 j 。 1 3 课题研究目的和意义 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。要提高农产品加工机械的质量，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。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， 使湖南省乃至全国各类农产品加工机械在大批量生产和投放市场前达到园家规定 的性能指标和要求，湖南省农业机械研究所专门建立了一个对农产品加工机械的 性能进行检测和鉴定的实验室。农产品加工机械性能检测系统由传感器( 变送器) 、 数据采集卡、研华工控机、台达d v p 系列的p l c 、变频器等设备组成，整个系统 对农产品机械进行检测时做三至五次实验，主要完成在实验过程中对轴承温度以 及拨板给料电动机的流量等的控制，采集各个实验阶段的实验数据，然后对采集 的数据进行处理。 本课题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。 本课题通过对数据采集和p l c 工业控制系统的基本理论研究和实践，掌握数 据采集和p l c 工业控制系统的基本结构和控制方法。通过个人计算机与p l c 控 制系统的通信，实现对p l c 工业控制系统的数据读写和基本管理、质量管理等， 硕_ = 学位论文 以及工艺过程动态图像监控和工艺参数模拟运行，提高工艺参数的准确性和可靠 性，从而直观地实现对整个p l c 工业控制系统控制过程的图像化管理 4 1 。 1 4 本文的主要研究内容 第一章概述计算机和p l c 在工业控制中的重要性，介绍农产品加工机械产品 的质量现状和研究农产品加工机械性能检测系统的目的和意义。 第二章介绍数据采集技术和p l c 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和基本功能以及性能参数；介绍p l c 的基本组成 及各部分功能以及p l c 的工作原理和主要特点。 第三章阐述农产品加工机械性能检测系统的总体方案和硬件设计。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；硬件设计包 括数据采集系统与p l c 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，p l c 控制系统包括下 位机p l c 的设备选型、控制系统中p l c 的输入输出、上位工控机与下位p l c 之 间的r s 2 3 2 c 串口通信、变频器在基频以下时恒磁通变频调速的原理、变频器 v f d m 的性能介绍、变频器的参数设定、p l c 与变频器的连接。 第四章阐述农产品加工检测系统的软件设计。检测系统的软件设计部分包括 p l c 控制系统的程序设计和人机界面的设计两大部分。p l c 控制系统的软件设计 包括p l c 程序设计中所用的数学模型、所用的编程软件w p l 2 0 7 、控制系统程序 流程图，p l c 控制程序部分重点是p l c 与变频器之间通信的实现，p l c 与变频器 之间的通信是通过m o d b u s 协议中a s c i i 模式豹通信数据格式来实现的，在此 基础上给出了p l c 控制变频器的程序设计流程图以及p l c 在通信过程中所用的 各特殊辅助继电器之间的相互关系。人机界面设计部分概述了组态王6 5 的功能、 组态王与外围设备之间的通信，组奄王与外围设备之间的通信主要包括在组态王 中数据采集卡设备、串口类设备、d d e 设备的配置；人机界面设计中首先定义相 关变量并进行有关动画连接使其达到生动的效果，其次是运行界面的流程图设计 和画面的运行设计，最后得到测试数据的输出。 第五章是检测系统的运行测试与数据分析，包括检测系统运行测试、数据分 析。 最后，对本文的研究成果进行了总结和展望。 3 基于p l c 控制的农产品加工机械性能检测系统的研究与设计 第2 章数据采集技术及p l c 控制技术的介绍 计算机控制系统是强调计算机作为控制系统的一个重要组成部分而得名，计 算机控制系统也称数字控制系统，这是强调控制系统中包含数字信号。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【5 1 。 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p l c 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p l c 控制技术。 2 1 数据采集系统 计算机只能接收数字信号，丽工业现场的信号大部分都是连续信号，且不只 是一路，而常常是多路。那么，计算机如何接收这些信号，并保持这些信号不失 真，这就是数据采集技术。“数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟 量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相 应的系统称为数据采集系统。 数据采集系统主要由硬件和软件两部分组成。从硬件方面来看，目前数据采 集系统的结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据采集系统；另一种是集散 型数据采集系统。其中微型计算机数据采集系统是基本型系统，由它可组成集散 型数据采集系统。下面介绍微型计算机数据采集系统。 2 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的结构如图2 i 所示。由图可知，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。 4 硕士学位论文 多路开关 圈2 1 微型计算机数据采集系统 2 模拟多路开关 数据采集系统往往黉对多路模拟最进行采集。在不要求高速采集的场合，一 般采用公共的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。霹阻建模拟多终开关来轮流切换各路模拟量与a ，d 转换器闻的遴道， 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，从而突现分 时转换的目的。 一般模拟多路开关有2 “个模拟输入端，n 个通道选择端，枣n 个选通信号 控制选择其中一个开关闭合，使辩应的模掇输入端与多路开关的输出端接通，让 该路模拟信号通过。有规律地周期性改变n 个选通信号，可以按固定的序列周期 性闭合各个开关，构成一个周期性分缎的分时复髑信号，由后函的刖d 转换器分 对复臻对各通道模拟信号进行罔期罄妻转换。 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 放大器的作髑是将微弱的输入信号迸露放大，以便宠分利用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羹 级，而d 转换器的满攘程输 入电压多数是2 5 v ，5 v 或1 0 v ，且a d 转换器的分辨率是以满量程电压为依据 确定的。为了能充分利用刖d 转换器的分辨率，即转换器输出的数字位数，就要 把模拟输入德号放大至la ，d 转换器满爨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 柯较大差异，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 大蓿数可以实辩弪测改变，这样，在多路开关改变其通遂序号时，程控放大器也 由相应的。组数码控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供墩合适的放大倍数， 它的使用大大拓宽了数据采集系统的通应面。 被测耪理重 基于p l c 控制的农产品加工机械性能检测系统的研究与设汁 4 采样保持器 a d 转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时问内希望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。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 定时与逻辑控狲电路 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，模拟多路开关的鼹个开关切换时间是8 0 0 n s ；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8 0 0 s ；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4 0 0 n s ；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 2 u s 。若采样，保持跟踪时间是6 u s ，a d 转换至少再延时6 u s 后才能开始。 2 1 2 数据采集系统的基本功能 数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识 别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处 理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现 对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来 控制某些物理量【6 】。 由数据采集系统的任务可以知道，数据采集系统具有以下几个方面的功能。 1 数据采集 计算机按照预先选定的采样周期，对输入到系统的模拟信号进行采样，有时 还要对数字信号、开关信号进行采样。数字信号和开关信号不受采样周期的限制， 当这类信号到来时，由相应的程序负责处理。 2 模拟信号处理 模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内， 6 硕士学位论文 其幅值为连续值，即从一个量变到下一个量时中间没有间断。 模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的低电平信号；另一种是由 仪器、变送器输出的0 m a 2 0 m a 的电流信号。这些模拟信号经过采样和a d ( 模 数) 转换输入计算机后，常常要进行数据正确性判断、标度变换、线性化等处理。 模拟信号非常便于传送，但它对于干扰信号很敏感，容易使传送中的信号的 幅值或相位发生畸变。因此，有时还要对模拟信号做零漂修正、数字滤波等处理。 3 数字信号处理 数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字 信号是由有限字长的数字组成，其中每个数字不是o 就是1 这可由脉冲的有无来 体现。数字信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。 数字信号是某些类型的传感器或仪器输出，它在线路上的传送形式有两种： 一种是并行方式传送；另一种是串行方式传送。数字信号对传送线路上的不完善 性( 畸变、噪声) 不敏感。这是因为只需检测脉冲的有无来获取信息，至于信号 的精确性( 幅值、持续时间) 是无关紧要的。 数字信号输入计算机后，常常需要进行码制转换的处理，如b c d 码转换成 a s c i i 码，以便显示数字信号。 4 开关信号处理 开关信号主要来自各种开关器件，如按钮开关、行程开关和继电器触点等。 开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。 5 二次数据计算 把直接由传感器采集到的数据称为一次数据，把通过一次数据进行某种数学 运算而获得的数据称为二次数据。二次数据计算主要有平均、累计、变化率、差 值、最大值和最小值等。 2 1 3 数据采集的性能参数 表征数据采集的基本技术参数有通道数、分辨率与精度、采样速度。 1 分辨率与精度 数据采集常常要求高分辨率与高精度。在组成采集的各功能元件中，a d 转 换器通常是最贵的，当a d 转换器的分辨率与精度确定之后，通常要求其他功能 元件的误差比a d 转换器小得多，以保证总误差与a d 转换器的误差相差无几。 对于一个8 位d 转换器的量化误差为o 0 2 4 4 。可见，采集位数多的a d 转换 器，将对相应的采样保持器、前置放大器以及多路模拟开关等提出更高的要求。 2 采样速度 采样速度是数据采集中重要的指标之。一般来说，数据采集装置的速度主 要由功能元件的时延决定，而a d 转换器的转换时间起着最主要的作用【”。 基于p “：控制的农产品趣王撬械性能捡测系统驰研究与设谵 总的来看，数据采集系统性能的好坏 精度的条件下，应有尽可能商的采样速度， 制对速度的要求。 2 2p l c 控制技术 主要取决于它的精度和速度。在保证 以满足实时采集、实时处理和实时控 2 。2 1p l e 的基本组成及各部分功能 可编程控制器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，通过输入接口聚用现场信息，执行逻辑或数 馕运算，进露遴遂接目控铡器秭执行枫构动炸f 戳。佟为一种潋微处瑾器为核心的 用作数字控制的特殊计算机，它的硬件配置与一般微机装置类似，主要由中央处 理单元( c p u ) 、存储器( r a m 、r o m ) 、输入输出模块、电源和编程器筠部分 组成 9 】。其结构如图2 2 职示。 1 中央处理单元( c p u ) c p u 模块是可编程控制器的核心，它是p l c 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 ) 接收并存储瘸户程序和数据；( 2 ) 检查 电源、存储器、i o 以及警戒定时器的状态，并熊诊新孀户程序中的语法错误；( 3 ) 当p l c 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 序的执行结采，更新有关状态标志位的状态输出耧状态寄存器的蠹容，实瑗输出 控制、制表打印或数据通信等功能。 图2 2p l c 系统的基本组成 2 。存储器 根据存储器在系统中的作用，可以把它们分成以下3 种： ( 1 ) 系统程序存储器：它们决定了p l c 的功能，称为系统程序，系统程序 礤士学位论文 存储器就是用来存放这部分程序的。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r o m 或e p r o m 。 ( 2 ) 用户程序存储器：用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程 序，用户程序存放在用户程序存储器中。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r a m 。由于r a m 掉电会丢失数据，因此使用 r a m 作用户程序存诺的p l c ，都有璐备电池( 锂电渔) 傈护r a m ，良免泡源掉 电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用 户程序写入e p r o m 。 ( 3 ) 工佟数据存储器：工作数掇是经常变化、经常存取的一些数据。这部分 数据存储在r a m 中，以遗应随机存取的要求。在p l c 的工作数据存储区，开辟 有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储p l c 的开关量输入输出 和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的o 州o f f 状态。数据表用来存放 各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行对灼某些 可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。 3 i o 单元 i o 单元氇称先o 横块。p l c 逶过i o 单元与工盟生产过程现场葙联系。输 入单元接收搡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、行耧开关、接近开荧等信号，并通过输入电路的滤波、光电 隔离和电平转换等梅这些信号转换成c p u 能够接收和处理的信号。输出单元将 c p u 送出的弱电控制信母透过输出魄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、电磁铁等执行元件f 1 0 】。 2 2 2p l c 的工作原理 p l c 控制任务的完成是建立在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用 户程序来实现的，这一点和计算机的工作原理是致的。因此，p l c 的工作原理 是建立在计算机工作原理纂础上的。但是，由于早期的p l c 是从继电器控制系统 发展而来的，主要完成的任务是开关爨的顺穿控制，对被控制对象控制的实现是 有关逻辑关系的实现。因此，p l c 并不是单纯像营通计算机那样工作，而是发展 了一种巡回扫描的工作机制。 p l e 豹巡回扫描，朝是对整个程序巡霞执行的工作方式，靛是说霞户穗窿的 执行不是从头到尾只执行一次，而是执行一次以后，又返回去执行第二次、第三 次直到停机。p l c 实现控制的过程一般是：输入刷新运行用户程序 输爨鄹耨褥输入碟毅孬运行用户程序蒜输出刷新反复循环进 行。同时系统还会作公共处理，如循环时闻监控、外设服务及通信处理等。因此， p 【c 可以被番成是系统软件支持下的一种扫描设备，p l c 开机后，一直在周而复 9 基于p l c 控制的农产品加_ 】二机械性能检测系统的研究与设计 始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。定义从扫描过程中的一点开始， 经过顺序扫描又回到该点的过程为一个扫描周期。p l c 的内部工作流程如图2 3 所示。 圉2 3p l c 的内部工作流程 p l c 通电后，首先进行系统的初始化，清i 0 区并复位各定时器、检查i o 单元的连接情况等。在初始化的基础上开始进入系统的扫描周期。p l c 的一个扫 描周期基本由三部分组成： ( 1 ) 保证系统正常运行的公共操作。公共操作是每次扫描程序前又一次自检， 若发现故障，除了报警显示灯亮之外，还判断故障性质。一般性故障，只报警不 停机，等待处理；对于严重故障，则停止运行用户程序，此时p l c 切断一切输出。 公共操作这一部分的扫描时间基本是固定的，随计算机类型而不同【1 1 】。 ( 2 ) 系统与外部设备信息交换即数据i o 操作，这一部分并不是每个系统或 系统的每次扫描都有的，占用的时间也是变化的。数据输入输出操作有的称为i 0 状态刷新。它包括两种操作：一是采样输入信号( 即刷新输入状态表的内容) ；= 足送出处理结果( 即按输出状态表的内容刷新输出电路) 。p l c 数据i o 的示意图 如图2 4 所示。 1 0 执行用户程序 执行井设膏令 硬圭学艇论文 ( 3 ) 用户程序的执行，这一部分的扫描时间随控制对象复杂性决定的用户摔 制程序而变化，程序有妖有短，扫描时间也就发生变化。 纂交疆孥至_重3，匪司-萋l_一凳箨 图2 4p l c 数据i o 的示意图 2 。2 3p l c 的主要特点 作为一种新型的工业自动控制装置，p l c 有以下一些特点。 1 高可靠性和强抗干扰能力，平均故障时间为几十万小时。而且p l c 采用了 许多硬件葙软件抗干扰接施。 硬件方丽：( 1 ) 隔离，在微处理与i o 电路之间采用光电隔离减少外部干扰 源对p l c 的影响。( 2 ) 滤波，对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，减少 高频干扰。晨有些模块设鬻了连锁保护、自诊断电路等。 软件方灏：( 1 ) 设置故障捡测与诊断程序。( 2 ) 当软件敲障条件出现时，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，旦外界调整正常后，便w 以恢复故障发生前 熬状态，恢复原来鹩工作。 2 编程简单、使用方便。目前大多数p l c 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p l c 还根据具体问题设计了如步进梯形指令 等，进一步箍豫了擦程。 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【12 1 。 基于p l c 挣制的农产品加工机械性能检测系统的研究与设计 第3 章检测系统的总体设计方案及硬件设计 本章主要研究农产品加工机械性能检测系统的总体设计方案及其硬件设计。 要求检测系统对农产品加工机械的性能进行检测和鉴定时做三至五次实验，然后 对采集的数据进行处理，再把处理得到的数据与被测机械的国家标准进行对照， 从而判断农产品加工机械的性能好坏。 农产品加工机械的性能检测系统由数据采集系统和p l c 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：p l c 控制系统由台达d v p 系列的p l c 、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：p l c 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。 3 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。 为了使产品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，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。 3 1 1 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、控制装置方面 的要求、数据采集方面的要求。 1 硬件精度要求 硬件精度要求如表3 1 所示。 硬件精度要求如表3 1 所示。 硕上学位论文 表3 1 硬件的精度要求 硬件名称量程精度 质量传感器 5 0 0 k g 0 0 5 温度传感器 一1 0 1 0 0 0 c o 5 0 c 三相功率仪 3 0 k w0 5 电压表3 8 0 v2 级 电流表8 0 a2 级 大气压力传感器 8 0 1 0 6 p a0 1 k p a 转速仪 5 0 0 0 r m i n1 f ，m i n 湿度传感器 o 1 0 0 1 2 分路测量精度要求 f 1 1 质量测量精度：1 ( 2 ) 温度测量精度：1 0 c ( 3 ) 电压测量精度：3 ( 4 1 电流测量精度：3 ( 5 1 湿度测量精度：2 ( 6 1 转速测量精度：5 “m i n ( 7 ) 电功率测量精度：1 3 控制装置方面的要求 n 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( 电耗、时间、温度和质量等) 应根据试验工作状况实现 同步采集控制。 ( 3 1 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、检测同期进行搜索并 显示、打印等。 3 1 2 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p l c 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，p l c 控制系统下位机p l c 、 变频器等设备组成。其系统组成框图如图3 1 所示。 基于p l c 控制的农产品加t 机械性能检测系统的研究与设计 图3 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铡电动机的电功率；电压 变送器测量电源电压；