可编程控制器在微波测湿控制系统中的应用研究

精品资料 网络教育学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目：可编程控制器在微波测湿控制系统中的应用研究可编辑内容摘要本文介绍了以三菱FX 系列可编程控制器（又称PLC）为控制系统，选用三菱FX2N-4AD A/D转换模块、英国HYDRONIX微波测湿仪等元器件组成的湿度控制系统，实现了PLC技术在干性混泥土湿度的控制。分析和比较单片机控制和PLC控制的优缺点，结合实际情况，设计出一套以PLC为大脑的控制系统，通过改变控制方式来达到提高工作效率，减少故障的发生概率，同时针对改造过程中所出现的问题提出了解决的方法。关键词： 可编程控制器； A/D转换模块 ；微波测湿系统 ；混凝土湿度控制目录内容摘要I引 言11 问题的提出与分析22 解决问题的要求及主要元器件的选择32.1 对新系统提出的几点要求32.2 湿度检测探头与控制系统的选择33 系统方案的设计53.1 电器元件选用说明及元件功能53.2 总体方案设计示意图73.3 测湿控制器的组成74 系统硬件的设计与安装84.1 操作面板的设计84.2 PLC安装设计84.2.1 PLC工作环境的要求84.2.2 PLC的安装94.3 HYDRO-MIX V探头的安装94.4 湿度显示仪表AS154的安装设置104.4.1 按键功能说明104.4.2 AS154调校114.5 电气安装接线124.6 其它硬件设备具体选用型号,安装位置125 程序的设计135.1 程序设计的思路135.2 控制方法135.2.1 手动控制135.2.2 半自动控制135.2.3 全自动135.3 自动控制流程图145.4 PLC I/O分配145.5 编程说明156 系统的调试176.1 检查接线176.2 上电试验176.3 调试过程中碰到的问题177 结 论188 致 谢19参考文献20附录1:电气接线图21附录2:硬件设备具体选用表22附录3:主要软元件表23附录4:控制面板24附录5 程序指令表25引 言可编程序控制器，英文为programmable controller简称PC，又称PLC，是以微电子技术、自动控制技术和通讯技术相结合的一种新型的、通用的自动控制装置。多年来，PLC从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。PLC的编程类似继电控制梯型图，且具有在线修改能力，功能易于扩展。 PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。1 问题的提出与分析公司现状：公司有一台里立轴式搅拌站，采用时间继电器控制混泥土的加水时间。 原系统在运行中存在的问题：原系统采用改变水泵的开启时间来控制混凝土水分的含量，由于沙，陶粒等原料为露天堆放，其含水率随气候和时间的不同变化很大，尤其在夏天晴雨交替更加明显。加上公司生产所采用的是干硬性混凝土，对含水率要求比较高，混凝土中水多了产品表面塌陷，缺棱少角，合格率低，水少了，表面粗糙，容产生裂纹，强度降低。所以用时间继电器加水无法满足要求，一直采用人工点动加水，然后用手抓取混凝土，检查湿度，凭经验控制混凝土的含水率，效率低，误差大，针对上述情况，经公司领导研究决定，要求拿出方案解决混凝土加水难的问题。2 解决问题的要求及主要元器件的选择2.1 对新系统提出的几点要求经过与生产人员、品质部人员的商讨，对新系统提出几点要求:a:湿度可设定b:有湿度显示c:湿度误差要求0.2d:操作简单2.2 湿度检测探头与控制系统的选择目前混凝土在线湿度检测的方法大致有电阻法，电容法，红外线法，微波法等几种。表2.1是测湿方法优、缺点的比较:表2.1 测湿方法优、缺点的比较测湿方法优点缺点电阻法，电容法价格便宜精度低（因为湿料的导电率不仅与含水率有关，而且与水中所含盐类离子浓度有关）红外线法精度高价格贵，测量精度受周围环境温度的影响微波法精度高，不受材料颜色，温度，颗粒和像盐分等污染的影响价格高 通过对优、缺点的分析与比较,决定采用微波测湿传感器。控制系统的选择高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成的控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。控制要求可以随时修改，采用PLC控制系统,配以专用的A/D转换模块，可实现现场控制的要求，综合各方面的考虑，决定采用PLC控制系统。3 系统方案的设计3.1 电器元件选用说明及元件功能新控制系统选用的主要硬件如下，(详见附录2)，表中列出了本次改造电气元件的代号、名称、型号、安装位置。系统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编程序控制器,I/O点数可扩展到256点。它具有紧凑的机身设计，电源、CPU、存储器、输出输入组成一个单元的可编程序控制器，同时在AC电源DC输入型中DC24V供应电源。具有一定的扩展单元，强大的指令功能，支持输入输出高速处理，如高速计数、脉冲输出功能。可进行各种链接，配以相应的特殊功能模块，很容易就可实现各种特殊功能控制，运行可靠，性价比高。（见图3.1）图3.1考虑到以后扩展的需要，A/D转换模块选用三菱的FX2N -4AD，该模块有四个输入通道,电压输入DC (-10至10V)或电流输入DC ( -20至20mA)； 对每一通道可以规定电压或电流输入，为以后的改造升级留下了余地。（见图3.2） 图3.2检测探头采用英国HYDRONIX公司HYDRO-MIX V微波测湿传感器，该传感器是该公司专为在线混凝土测湿而设计的，它是利用微波吸收技术进行含水率测量，这种技术是依据水分子在某个谐频率激发下较湿的材料比较干的材料明显吸收更多能量的原理而研制，测量深度高达120mm，综合精度较高，该传感器有直棒式，滑附式和圆盘式三种，根据需要，选用圆盘式。（见图3.3）图3.3湿度显示仪表采用日本ASAHI公司的AS154显示仪（见图3.4）图3.4水泵采用广州第一水泵厂的单相自吸水泵（见图3.5）图3.53.2 总体方案设计示意图3.3 测湿控制器的组成湿度值设定 湿度显示 HYDRO-MIXV探头MIX VPLC 4 ADAS154控制 模拟信号0-10V 模拟信号4-20mA4 系统硬件的设计与安装4.1 操作面板的设计考虑到操作人员的要求，借鉴搅拌站控制面板的方法，在操作面板附上一块不锈钢板，并外协加工蚀刻上形象的图形（设计图见附录4），使操作直观，简单。(见图4.1)图4.14.2 PLC安装设计4.2.1 PLC工作环境的要求温度PLC要求环境温度在055，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔。湿度为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。震动应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为1055Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避 免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。空气避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。电源PLC供电电源为50Hz、220（110%）V的交流电，对于电源线来的干扰， PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。上述15的问题，因为测湿控制器是安装在密封性良好且带有空调的搅拌站操作室中，可以得到很好的解决。另外，考虑到控制可靠性，加装隔离变压器。4.2.2 PLC的安装(1)在安装FX2NPLC或其所连接之设备时，必须将所有电源全部关闭，否则会触电或坏机器设备的可能。(2)在安装未完成前，切勿将PLC散热孔上的防尘纸撕下，以防止施工时钻孔铁屑配线之线头掉入PLC内部造成火灾、故障或误动。(3) 在完成所有安装配线作业后，必须将端子保护盖板装上，方可通电测试,避免触电。(4)良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。PLC的接地线与机器的接地端相接，接地线的截面积应不小于2mm2 ，接地电阻小于100，FX2N-4AD其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制干扰，PLC接专用地线。安装线路有铁线管、柜体、机器外壳等都有可靠接地，接地电阻不大于。(5)在安装完成后，必须将PLC散热孔上之防尘纸撕下，以保证PLC良好的散热。(6)在PLC输出控制继电器线圈之间反向并接二极管，保护PLC的输出点。（接线图详见附录1）4.3 HYDRO-MIX V探头的安装在每一个HYDRO-MIX V探头出厂时，均已将功能设定正确，HYDRO-MIX V 的模拟输出信号4-20mA在出厂时已将它设定为线性变化，4-20mA信号对应湿度为0%-20%线性变化，因此，用户可不用调校或设定HYDRO-MIX V探头而直接使用。为保证对搅拌机内物料的有代表性的取样,传感器的安装位置非常重要.决定搅拌机内传感器的安装位置时,应注意以下事项:安装于能充分采集到具有代表性的物料湿度的区域;不应位于容易在传感器表面造成物料累积的区域,也不应位于有不代表被测混合体的物料的残余区域;不要安装于物料或水的直接出口处;HYDRO-MIX V探头的各引脚定义如表4.1所示（接线图详见附录1）表4.1 HYDRO-MIX V探头的各引脚定义双绞线编号引脚电缆颜色检测探头连接1A红色+15+30直流电1B黑色0V返回2C黄色第1数字信号输入3D蓝色0/420mA输出3E黑色0/420mA返回4F白色RS485(A)4G黑色RS485(B)5J绿色第2数字信号输入H屏蔽屏蔽线4.4 湿度显示仪表AS154的安装设置（接线图详见附录1）4.4.1 按键功能说明 “ME，DZ，PH，RE”：当指示灯亮时，表示在正在执行相应的功能；“F”当指示灯亮时，表示设定的数是负数，反之为正数；“E”在功能设定中，按此键退出功能设定；“M”在功能过程中，按此键选择下一个功能设置；“S”移动数字位、小点闪动位，表示正在修改该位；“I”在功能设定中，此键用于改变此选位的数字大小。4.4.2 AS154调校用键选择需要修改的位,用键修改小数点闪动位数字.设定数字时,F指示灯必须为熄灭,否则设定值为-20。先按键,不要放手,然后再按下键,当显示“F5C”时，进入调校状态。第一步，按一次键，将AS154设定为20.0,表示AS154的满值最大显示为20。第二步, 按一次键，显示“F1N”,是指AS154最大输入值的模拟信号为20mA。第三步，按一次键，显示“OF5”,是指AS154在输入信号为4mA时的显示值。第四步，按一次键，显示“OLN”,是指AS154输入的模拟电流信号的零值为4mA。第五步，按一次键，显示“AOH1”,是指AS154输出模拟信号的最大值为10V。第六步，按一次键，显示“AOLO”,是指AS154输出模拟信号的最小值为0V。第七步,按一次键，显示“B-H1”,是指AS154显示数值下面的亮条最大显示到20.0。第八步, 按一次键，显示“B-LO”,是指AS154显示数值下面的亮条最小显示为0。第九步, 按一次键，显示“.”,是指AS154的显示有多少位小数点.设一位小数点。第十步, 按一次键，退出功能设置到正常显示。4.5 电气安装接线(见附录1) 4.6 其它硬件设备具体选用型号,安装位置(见附录2)5 程序的设计5.1 程序设计的思路 利用HYDRO-MIXV微波测湿传感器检测混凝土湿度发回的模拟信号，经AS154仪表显示，再由AS154给FX2N-4AD一个标准的电压信号，经过FX-4AD转换成数字信号，由PLC读取并与湿度设定值进行比较，再做出快加水、慢加水、停止加水等处理。5.2 控制方法 考虑到控制的灵活性，系统的控制方式分为手动、半自动、全自动三种。5.2.1 手动控制主要由手动控制水阀的开闭时间，达到控制湿度的目的。5.2.2 半自动控制在物料进入搅拌机后，按下启动按钮，起动灯亮，水泵启动，快加水阀和慢加水阀打开加水到搅拌机内，当AS154显示的值接近设定的湿度值时，就停止加水，经搅拌机再搅拌一段时间，再读取湿度值与设定值比较，如湿度已等于或超过设定值时，停止加水，待搅拌排料闸开，输出完成加水信号给搅拌机，加水完成灯亮起，延时后与起动指示灯同灭，加水完成。如第一次加水后，搅拌机湿度达不到设定值，则开启慢加水，直至湿度达到设定值。（详见自动控制流程图）5.2.3 全自动全自动控制方式与半自动的控制方式的加水过程一样，所不同的是全自动加水方式是当物料进入搅拌机后，由搅拌机进料控制给湿度控制器一个启动信号，控制器就开始工作。5.3 自动控制流程图开始读湿度入D0D10值乘10入D20（目标量）D20减150入D30（精计量）D20减5入D40（过冲量）D40D0排料口开检测YES慢速加水启动读设定值入D10启动灯亮D40D0延时5秒启动灯亮水泵启动延时6秒延时3秒快速加水D40D0D30D0排料口开检测结束外部时间继电器驱动计时到5.4 PLC I/O分配根据实际使用运行要求和安装调试的方便,将输入和输出口分组，并做如下分配，为了方便阅读与理解PLC运行梯形图，在程序元件添加注释，并随附内部主要软元件分配表如表5.1所示(详见附录3)表5.1 主要软元件分配表输入口输出口软元件电器元件代号软元件电器元件代号X0拨码开关S2Y0拨码开关S2X1拨码开关S2Y1拨码开关S2X2拨码开关S2Y2拨码开关S2X3拨码开关S2Y3X4水泵手动启动SB3Y4大电磁阀开启指示灯H4X5搅拌机主机运行信号KA8Y5小电磁阀开启指示灯H5X6搅拌机排料口开检测KA31Y6加水完成指示灯H6X7设置偏移，增益Y7水泵启动指示灯H3X10手动/自动/全自动选择SA1Y10大电磁水阀TY1X11手动/自动/全自动选择SA1Y11小电磁水阀TY2X12启动（搅拌机下料信号）KA30Y12加水完成指示KA6X13大电磁水阀手动SB4Y13水泵启动KA7X14小电磁水阀手动SB5Y14启动指示H2X15外部时间继电器输入KT1Y15外部时间继电器动作KT1X16手动启动SB2X17加水完成（停止）SB65.5 编程说明 数据处理程序段 该段对FX2N-4AD模块进行设定，读取湿度设定值与混凝土的湿度值并进行比较。考虑到控制的精度，在这借鉴搅拌站沙石配重的的方法，设定三种量：目标量（湿度设定值D20）精计量（慢加水时的湿度值D30）过冲量（减允许误差后的值D40）。X12 PLS M90 搅拌机下料 启动脉冲 X16 手动启动 M90 SET M91 启动脉冲读湿度设定值M91 DSW X0 Y0 D10 K1 读湿度设定值入D10 M8029 RST M91DSW 完成动作 对FX4AD ID号进行校验 M8002 FROM K0 K30 D4 K1 CMP K2010 D4 M80 M8000 M81 MUL D10 K10 D20 FX4AD ID号校验无误ON 湿度设定值进一位（设目标量） FROM K0 K5 D0 K1 读取湿度值D0 CMP D20 D0 M0 D20D0时 M2 ON SUB D20 K150 D30 设置精计量D30 ZCP K50 K200 D10 M13设置拨码开关数值范围 CMP D30 D0 M1 D30D0时M1 OFF SUB D20 K5 D40 设置过冲量D40 CMP D40 D0 M2 D40D0时 M2 OFF6 系统的调试系统安装完毕后，投入系统运行前还要进行必要的调试，其目的主要是检查PLC，传感器其性能，功能是否达到设计要求以及满足实际生产需要。6.1 检查接线(1) 接线确认，检查各接线正确，紧固(2) 清扫柜内线头等，防止短路，损坏设备。(3) 确认各保险丝，接地线等合格，有效。6.2 上电试验(1)合闸，确认电压等级(2)手动调试 将开关处于手动模式下试验状态，检查手动控制功能是否正常。经过手动调试后无误后，进行自动系统调试。(3)自动调试 打开GPPW软件的监控功能，按启动开关，看拨码开关的的输入数值是否正确，HYDRO-MIX V探头加湿骨料，观察PLC内部寄存器D10与D20中的数值可否随着骨料湿度的不同而变化，D20中的数值应在02000之间。无误后，搅拌机上料搅拌，启动自动运行。在根据情况调整D30（精计量）与D40（过冲量减允许误差后的值）的值。直至达到良好的控制效果。 6.3 调试过程中碰到的问题在头次调试设备时，没有装外部时间继电器，而是使用PLC内部时间继电器T30，设了8秒的延时，当时调试时，对湿度的控制准确，但过了两天，搅拌站的搅拌站的操作人员就反馈湿度控制不准确，明明仪表显示的湿度已经达到了要求，但配料到了生产线时，就因为太干而做不出板材。7 结 论这套干性混泥土湿度控制器改造成功后，一直使用到现在，可以满足混凝土湿度控制的要求，运行平稳、故障率低，提高了生产率，达到了预期效果。通过这段时间的生产运行，发现该控制器的一些不足之处，比如精计量（快加水转慢加水时的湿度值），过冲量等的调整不得不使用电脑，有点不方便。有待进一步改进。此篇论文的编写让我学会了如何让理论识在实践中得到应用，用实践去证明理论，使我意识到作为一个合格的电气技术人员，除了必须具备足够电气知识外，还需具有从事行业产品的一些专业知识，只有对本行业产品的性能，要求，工艺流程有了一定的了解，才能做出合理的设备改造。8 致 谢本论文写作、系统的改造成功，非常感谢学院老师的指导和教育。学院老师严谨求实的治学、一丝不苟的作风让我终身受益，是我以后学习和工作的榜样。特别要感谢王莹老师的指点、修改，正是您的不吝指教，使我专业理论知识进一步提升，同时认识到技术要精益求精。因为知识的日新月异，今后要不断学习及探索，充实自己，努力寻求解决问题的方法，为今后的学习和工作积累大量的经验和知识。最后，向所有的老师表示深深的敬意。由于本人水平有限,文中难免有错漏及不足之处，恳请评委老师批评指正。参考文献1 岳庆来. 变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术. 北京:机械工业出版社, 2006.42 吴启红. 变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书.北京:机械工业出版社, 2007.73 三菱FX编程手册. 三菱公司技术手册4 三菱FX系列特殊功能模块用户手册. 三菱公司技术手册5 HYDRO-MIXV微波测湿传感器使用说明书. HYDRONIX公司技术手册6 AS154仪表使用说明书. ASAHI公司技术手册附录1:电气接线图PLC接线图PLC输入PLC输出附录2:硬件设备具体选用表序号代号名称型号品牌数量单位安装位置1PLCPLCFX2N-32MT三菱1台控制柜2SQ6-SQ8微波探头HYDRO-MIXVHYDRONIX1套搅拌机底部3SQ1-SQ3湿度显示仪表AS154ASAHI1个控制柜4M水泵ZDK-20广州第一水泵厂1台水池边5A/DA/D模块FX2N-4AD三菱1个控制柜6E隔离变压器100VA宝山1台控制柜7QF1空气开关C32N C10施耐德 1个控制柜8S拨码开关KSA温州万达3位控制柜9SA选择开关AS6-Y航天环宇1个控制柜10SB启动按钮AL6-M航天环宇5个控制柜11SA带锁开关AS6-K航天环宇1个控制柜