可编程控制器在微波测湿控制系统中的应用研究

网络教化学院本科生毕业论文（设计）题目：可编程限制器在微波测湿限制系统中的应用探讨内容摘要本文介绍了以三菱FX系列可编程限制器（又称PLC）为限制系统，选用三菱FX2N-4ADA/D转换模块、英国HYDRONIX微波测湿仪等元器件组成的湿度限制系统，实现了PLC技术在干性混泥土湿度的限制。分析和比较单片机限制和PLC限制的优缺点，结合实际状况，设计出一套以PLC为大脑的限制系统，通过变更限制方式来达到提高工作效率，削减故障的发生概率，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：可编程限制器；A/D转换模块；微波测湿系统；混凝土湿度限制书目内容摘要 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湿度检测探头与限制系统的选择 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测湿限制器的组成 74系统硬件的设计与安装 84.1操作面板的设计 84.2PLC安装设计 84.2.1PLC工作环境的要求 84.2.2PLC的安装 94.3HYDRO-MIXV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 104.4.2AS154调校 114.5电气安装接线 124.6其它硬件设备详细选用型号,安装位置 125程序的设计 135.1程序设计的思路 135.2限制方法 135.2.1手动限制 135.2.2半自动限制 135.2.3全自动 135.3自动限制流程图 145.4PLCI/O安排 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调试过程中遇到的问题 177结论 188致谢 19参考文献 20附录1:电气接线图 21附录2:硬件设备详细选用表 22附录3:主要软元件表 23附录4:限制面板 24附录5程序指令表 25引言可编程序限制器，英文为programmablecontroller简称PC，又称PLC，是以微电子技术、自动限制技术和通讯技术相结合的一种新型的、通用的自动限制装置。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，实现了逻辑限制到数字限制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简洁限制到胜任运动限制、过程限制及集散限制等各种任务的跨越。PLC的编程类似继电限制梯型图，且具有在线修改实力，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实力都已大幅提高，成为工业限制领域的主流限制设备，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，采纳时间继电器限制混泥土的加水时间。原系统在运行中存在的问题：原系统采纳变更水泵的开启时间来限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更很大，尤其在夏天晴雨交替更加明显。加上公司生产所采纳的是干硬性混凝土，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意要求，始终采纳人工点动加水，然后用手抓取混凝土，检查湿度，凭阅历限制混凝土的含水率，效率低，误差大，针对上述状况，经公司领导探讨确定，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≤0.2％d:操作简洁2.2湿度检测探头与限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，测量精度受四周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,确定采纳微波测湿传感器。限制系统的选择高牢靠性是电气限制设备的关键性能。PLC由于采纳现代大规模集成电路技术，采纳严格的生产工艺制造，内部电路实行了先进的抗干扰技术，具有很高的牢靠性。运用PLC构成的限制系统，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削减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，出现故障时可刚好发出警报信息。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爱护。这样，整个系统将极高的牢靠性。限制要求可以随时修改，采纳PLC限制系统,配以专用的A/D转换模块，可实现现场限制的要求，综合各方面的考虑，确定采纳PLC限制系统。3系统方案的设计3.1电器元件选用说明及元件功能新限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。系统主限制采纳三菱公司FX2N系列的PLC，它是三菱公司推出的超小型可编程序限制器,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限制器，同时在AC电源DC输入型中DC24V供应电源。具有肯定的扩展单元，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，很简洁就可实现各种特殊功能限制，运行牢靠，性价比高。（见图3.1）图3.1考虑到以后扩展的须要，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检测探头采纳英国HYDRONIX公司HYDRO-MIXV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，它是利用微波汲取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汲取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，依据须要，选用圆盘式。（见图3.3）图3.3湿度显示仪表采纳日本ASAHI公司的AS154显示仪（见图3.4）图3.4水泵采纳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测湿限制器的组成湿度值设定湿度显示HYDRO-MIXV探头MIXVPLC4ADMIXVPLC4ADAS154 限制模拟信号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，借鉴搅拌站限制面板的方法，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，简洁。(见图4.1)图4.14.2PLC安装设计PLC工作环境的要求温度PLC要求环境温度在0~55℃，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）。振动应使PLC远离剧烈的振动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。当运用环境不行避免振动时，必需实行减震措施，如采纳减震胶等。空气避开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限制室或限制柜中，并安装空气净扮装置。电源PLC供电电源为50Hz、220（1±10%）V的沟通电，对于电源线来的干扰，PLC对于电源线带来的干扰具有肯定的抵制实力。在牢靠性要求很高或电源干扰特殊严峻的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以削减设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出供应应输入端，当输入端运用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为一般的整流滤波电源，由于纹波的影响，简洁使PLC接收到错误信息。上述1～5的问题，因为测湿限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，考虑到限制牢靠性，加装隔离变压器。4.2.2PLC的安装(1)在安装FX2NPLC或其所连接之设备时，必需将全部电源全部关闭，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)在完成全部安装配线作业后，必需将端子爱护盖板装上，方可通电测试,避开触电。(4)良好的接地是保证PLC牢靠工作的重要条件，可以避开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100Ω，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、机器外壳等都有牢靠接地，接地电阻不大于４Ω。(5)在安装完成后，必需将PLC散热孔上之防尘纸撕下，以保证PLC良好的散热。(6)在PLC输出限制继电器线圈之间反向并接二极管，爱护PLC的输出点。（接线图详见附录1）4.3HYDRO-MIXV探头的安装在每一个HYDRO-MIXV探头出厂时，均已将功能设定正确，HYDRO-MIXV的模拟输出信号4-20mA在出厂时已将它设定为线性变更，4-20mA信号对应湿度为0%-20%线性变更，因此，用户可不用调校或设定HYDRO-MIXV探头而干脆运用。为保证对搅拌机内物料的有代表性的取样,传感器的安装位置特别重要.确定搅拌机内传感器的安装位置时,应留意以下事项:安装于能充分采集到具有代表性的物料湿度的区域;不应位于简洁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干脆出口处;HYDRO-MIXV探头的各引脚定义如表4.1所示（接线图详见附录1）表4.1HYDRO-MIXV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0/4～20mA输出3E黑色0/4～20mA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，此键用于变更此选位的数字大小。4.4.2AS154调校用eq\o\ac(□,S)键选择须要修改的位,用eq\o\ac(□,I)键修改小数点闪动位数字.设定数字时,F指示灯必需为熄灭,否则设定值为-20。先按eq\o\ac(□,E)键,不要放手,然后再按下eq\o\ac(□,S)键,当显示“F5C”时，进入调校状态。第一步，按一次eq\o\ac(□,M)键，将AS154设定为20.0,表示AS154的满值最大显示为20。其次步,按一次eq\o\ac(□,M)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eq\o\ac(□,M)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eq\o\ac(□,M)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eq\o\ac(□,M)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eq\o\ac(□,M)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eq\o\ac(□,M)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eq\o\ac(□,M)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eq\o\ac(□,M)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eq\o\ac(□,M)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其它硬件设备详细选用型号,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限制方法考虑到限制的敏捷性，系统的限制方式分为手动、半自动、全自动三种。手动限制主要由手动限制水阀的开闭时间，达到限制湿度的目的。半自动限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。（详见自动限制流程图）全自动全自动限制方式与半自动的限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，由搅拌机进料限制给湿度限制器一个启动信号，限制器就起先工作。

5.3自动限制流程图起先起先读湿度入D0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）D40D40>D0 排料口开检测 YES慢速加水启动慢速加水 读设定值入D10启动灯亮读设定值入D10启动灯亮D40>D0D40>D0延时5秒 启动灯亮水泵启动 启动灯亮水泵启动延时6秒 延时3秒延时6秒快速加水快速加水D40>D0D40>D0D30>D0D30>D0 排料口开检测结束 结束外部时间继电器外部时间继电器驱动 计时到5.4PLCI/O安排依据实际运用运行要求和安装调试的便利,将输入和输出口分组，并做如下安排，为了便利阅读与理解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安排表如表5.1所示(详见附录3)表5.1主要软元件安排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。考虑到限制的精度，在这借鉴搅拌站沙石配重的的方法，设定三种量：①目标量（湿度设定值D20）②精计量（慢加水时的湿度值D30）③过冲量（减允许误差后的值D40）。X12[PLSM90]搅拌机下料启动脉冲X16手动启动M90[SETM91] 启动脉冲 读湿度设定值M91[DSWX0Y0D10K1]读湿度设定值入D10M8029 [RSTM91]DSW完成动作●对FX4ADID号进行校验M8002 [FROMK0K30D4K1][CMPK2010D4M80]M8000M81[MULD10K10D20]FX4ADID号校验无误ON湿度设定值进一位（设目标量）[FROMK0K5D0K1]读取湿度值D0[CMPD20D0M0]D20﹤D0时M2ON[SUBD20K150D30] 设置精计量D30[ZCPK50K200D10M13] 设置拨码开关数值范围[CMPD30D0M1] D30≤D0时M1OFF[SUBD20K5D40] 设置过冲量D40[CMPD40D0M2] D40≤D0时M2OFF6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意实际生产须要。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，检查手动限制功能是否正常。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-MIXV探头加湿骨料，视察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更，D20中的数值应在0～2000之间。无误后，搅拌机上料搅拌，启动自动运行。在依据状况调整D30（精计量）与D40（过冲量减允许误差后的值）的值。直至达到良好的限制效果。6.3调试过程中遇到的问题在头次调试设备时，没有装外部时间继电器，而是运用PLC内部时间继电器T30，设了8秒的延时，当时调试时，对湿度的限制精确，但过了两天，搅拌站的搅拌站的操作人员就反馈湿度限制不精确，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限制器改造胜利后，始终运用到现在，可以满意混凝土湿度限制的要求，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，发觉该限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运用电脑，有点不便利。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，除了必需具备足够电气学问外，还需具有从事行业产品的一些专业学问，只有对本行业产品的性能，要求，工艺流程有了肯定的了解，才能做出合理的设备改造。8致谢本论文写作、系统的改造胜利，特别感谢学院老师的指导和教化。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。特殊要感谢王莹老师的指引、修改，正是您的不吝指教，使我专业理论学问进一步提升，同时相识到技术要精益求精。因为学问的日新月异，今后要不断学习及探究，充溢自己，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阅历和学问。最终，向全部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，恳请评委老师指责指正。参考文献[1]岳庆来.变频器、可编程序限制器及触摸屏综合应用技术.北京:机械工业出版社,2006.4[2]吴启红.变频器、可编程序限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,2007.7[3]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微波测湿传感器运用说明书.HYDRONIX公司技术手册[6]AS154仪表运用说明书.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:硬件设备详细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台限制柜2SQ6-SQ8微波探头HYDRO-MIXVHYDRONIX1套搅拌机底部3SQ1-SQ3湿度显示仪表AS154ASAHI1个限制柜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个限制柜6E隔离变压器100VA宝山1台限制柜7QF1空气开关C32NC1