大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)解讀

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1、 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 1 章 緒論 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的發(fā)展， 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛， 其重要作用也越 來(lái)越顯著。而生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制是自動(dòng)控制技術(shù)在石油、化工、電力、冶金、機(jī)械、輕 工、紡織等生產(chǎn)過(guò)程的具體應(yīng)用，是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。 PLC 于 20 世紀(jì) 60 年 代末期在美國(guó)首先出現(xiàn)，目的是用來(lái)取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功 能，建立柔性程序控制系統(tǒng)。 1976 年正式命名，并給予定義： PLC（ Programmable logic Controller）是

2、一種數(shù)字控制專(zhuān)用電子計(jì)算機(jī)，它使用了可編程序存儲(chǔ)器儲(chǔ)存指令，執(zhí)行 諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過(guò)模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控 制各種機(jī)械或工作程序。 隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高， 計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用， 人們對(duì)工業(yè)自動(dòng) 化的要求越來(lái)越高，種類(lèi)繁多的控制設(shè)備和過(guò)程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得傳統(tǒng) 的工業(yè)控制軟件已無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)的各種需求。 本次設(shè)計(jì)的大米加工生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)是以 PLC 為核心控制器， 并結(jié)合昆侖組態(tài)軟件 MCGS，輔以光電傳感器，繼電器等實(shí)現(xiàn)的可 遠(yuǎn)程控制的集成系統(tǒng)。它能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問(wèn)題

3、，使用戶(hù)能 根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程。 1.1 本課題研究的目的、意義 現(xiàn)代自動(dòng)控制越來(lái)越朝著智能化發(fā)展，在很多自動(dòng)控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī)，小 型機(jī)、甚至是巨型機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個(gè)很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行 速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但隨之而來(lái)的是巨額的成本。在很多的小型系 統(tǒng)中，處理機(jī)的成本占系統(tǒng)成本的比例高達(dá) 20%，而對(duì)于這些小型的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，配置一 個(gè)如此高速的處理機(jī)沒(méi)有任何必要，因?yàn)檫@些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)效益，而不是最在乎系統(tǒng) 的快速性，所以用可編程序邏輯控制器（

4、 PLC）[1] 控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運(yùn)算的系統(tǒng)中是非常適合的。 本論文是對(duì)現(xiàn)在大量使用的大米生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)改造。 現(xiàn)有的控制系統(tǒng)很大部分是采用老式的繼電器觸點(diǎn)控制，系統(tǒng)故障率高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，系統(tǒng)設(shè) 1 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 備升級(jí)困難。大米生產(chǎn)過(guò)程中，如果系統(tǒng)控制不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)雜質(zhì)、碎米率大、加工精 度不易控制等問(wèn)題。為了提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，解決大米生產(chǎn)中產(chǎn)生的這些問(wèn)題，利 用現(xiàn)代化的 PLC 與 MCGS 組態(tài)結(jié)合的集中控制技術(shù)，在一定程度上能夠提高勞動(dòng)生產(chǎn)

5、 率，改善勞動(dòng)條件，克服人為的不穩(wěn)定因素，為現(xiàn)代化的生產(chǎn)管理提供強(qiáng)有力的物質(zhì)條 件，以達(dá)到系統(tǒng)自動(dòng)化控制和系統(tǒng)升級(jí)的目的。 1.2 PLC 的簡(jiǎn)介 可編程序控制器 （ Programmable Logic Controller ）簡(jiǎn)稱(chēng) PLC, 是一種以微處理器為 核心的用于工程自動(dòng)控制的工業(yè)控制機(jī)，其本質(zhì)是一臺(tái)工業(yè)控制專(zhuān)用計(jì)算機(jī) [2] 。PLC 是 一種專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)，它是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，綜合了 計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制 裝置，是當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家自動(dòng)控

6、制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一。 1.2.1 PLC 的特點(diǎn)及應(yīng)用 可編程序控制器（ PLC）得以迅速發(fā)展和廣泛使用的原因是由于它具有繼電接觸器 控制裝置和通用計(jì)算機(jī)以及其他控制系統(tǒng)所不具備的特點(diǎn)： 1．運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 2．設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)方便 3．編程語(yǔ)言直觀易學(xué) 4．與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合 5．體積小、質(zhì)量輕、能耗低 [3] 可編程控制器所具有的功能，使它既可用于開(kāi)關(guān)量控制，又可用于模擬量控制；既 可用于單機(jī)控制， 又可用于組成多級(jí)控制系統(tǒng)； 既可控制簡(jiǎn)單系統(tǒng)， 又可控制復(fù)雜系統(tǒng)。

7、 它的應(yīng)用可大致歸納為如下幾類(lèi)：邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理、多級(jí)控 制。 2 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1.3 論文主要研究?jī)?nèi)容 本篇論文主要論述了如何用三菱 FX-2N 系列 PLC 設(shè)計(jì)大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系 統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的各項(xiàng)功能，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。本文研究?jī)?nèi)容主要是以 PLC 控 制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，其內(nèi)容有以下幾個(gè)方面： 1．接通電源開(kāi)關(guān)后，將設(shè)備模式旋轉(zhuǎn)到自動(dòng)定量輸送物料模式，將所有閥門(mén)旋轉(zhuǎn) 到關(guān)閉位置； 2．按下啟動(dòng)按鈕， 利用真

8、空泵把原料吸進(jìn)吸料漏斗內(nèi)。 由吸料漏斗落入預(yù)量漏斗， 再由預(yù)量漏斗落入稱(chēng)量漏斗。通過(guò)稱(chēng)重傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱(chēng)量控制； 3．原料由稱(chēng)量漏斗進(jìn)入礱谷缸，當(dāng)原料達(dá)到礱谷缸設(shè)定的位置時(shí)，關(guān)閉進(jìn)料閥門(mén) 開(kāi)始礱谷，礱谷后，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)， 進(jìn)行谷糙分離， 分離時(shí)，糙米預(yù)存缸的進(jìn)料閥門(mén)打開(kāi)； 4．谷糙分離完畢后，糙米預(yù)存缸內(nèi)開(kāi)始進(jìn)行碾米，碾米結(jié)束后，起動(dòng)振動(dòng)電機(jī)篩 選碾好的大米，利用鼓風(fēng)機(jī)與高壓空氣推出大米，通過(guò)高壓輸管送入料籠。 1.4 論文組成 對(duì)大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文主要從機(jī)械和電氣兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和 說(shuō)明。 第一章講述的是

9、課題研究意義和目的以及簡(jiǎn)單地介紹了以下 PLC 的有關(guān)內(nèi)容如： PLC 特點(diǎn)、 PLC 的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)、 PLC 的結(jié)構(gòu)、 PLC 的工作方式等等。 第二章講述系統(tǒng)概述及控制方案設(shè)計(jì)， 包括制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容， 大 米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)方案選擇論證。 第三章是本次論文設(shè)計(jì)的核心部分之一： 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 它包括了控制系統(tǒng) 分析及元件選擇， PLC 控制系統(tǒng) I/O 點(diǎn)數(shù)的估算， PLC 及主要模塊的選型控制系統(tǒng)的 I/O 地址分配，控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。 第四章講述的是軟件設(shè)計(jì)。包括 PLC 控制系統(tǒng)梯形圖， PLC 控制系統(tǒng)程序的編制

10、方法選擇，主要模塊程序設(shè)計(jì)和模擬量輸入的算法設(shè)計(jì)。 第五章講述的是監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。包括系統(tǒng)操作界面，系統(tǒng)參數(shù)界面，報(bào)表界面，也是本設(shè)計(jì)的核心控制部分。 3 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 2 章 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高， 對(duì)大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程 度也提出了更高的要求。 傳統(tǒng)的大米加工生產(chǎn)線(xiàn)多采用繼電器 [8] 控制電路實(shí)現(xiàn)控制要求， 機(jī)械觸點(diǎn)多，可靠性差，控制設(shè)備體積大。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械和電 氣化程度的提高，新技術(shù)產(chǎn)品

11、PLC 由于其特有的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地用于糧食加工行業(yè)。 2.1 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 2.1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容 根據(jù)大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，要求達(dá)到以下目標(biāo) : 1．設(shè)備具有全自動(dòng)模式。 2．可遠(yuǎn)程監(jiān)控大米加工情況，并對(duì)加工量進(jìn)行歷史記錄。 3．保證出糙率和大米加工精度。 根據(jù)課題要求，該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有以下內(nèi)容： 1．真空吸料：用一臺(tái)真空泵將待發(fā)原料吸入吸料漏斗，保證原料的稱(chēng)料供應(yīng)； 2．稱(chēng)量設(shè)定：面板人工設(shè)置一次加工需要量，通過(guò)稱(chēng)重傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱(chēng)量控制；

12、 3．礱谷控制：檢測(cè)壟谷缸內(nèi)的原料位置，到達(dá)設(shè)定值時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)礱谷控制； 4．大米接收：礱谷完畢，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行谷糙分離，分離出的糙米進(jìn)入碾米缸繼 續(xù)加工，加工后，自動(dòng)打開(kāi)缸門(mén)，利用鼓風(fēng)機(jī)和高壓空氣將經(jīng)過(guò)篩選的大米送入料倉(cāng)。 2.1.2 控制系統(tǒng)的主要工藝流程 如圖 2.1 所示大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的工藝流程圖， 可知該集中控制系統(tǒng)的 工作過(guò)程大概如下： 原料先置于缸內(nèi)或傳送袋內(nèi)，通過(guò)真空泵吸入吸料漏斗，由吸料漏斗再自動(dòng)落入預(yù) 量漏斗，由于吸料漏斗為真空，預(yù)量漏斗在此起緩沖作用。原料由預(yù)量漏斗落入稱(chēng)量漏 斗，待光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到原料達(dá)到

13、設(shè)定位置時(shí)，關(guān)閉放料閥門(mén)，進(jìn)行稱(chēng)量，取得數(shù)據(jù)后， 再打開(kāi)放料閥門(mén)，讓稱(chēng)好的稻谷進(jìn)入礱谷缸進(jìn)行礱谷，礱谷完畢后，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，讓糙 4 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 米和谷殼經(jīng)過(guò)振動(dòng)電機(jī)進(jìn)行谷糙分離，糙米進(jìn)入碾米缸進(jìn)行碾米，碾米結(jié)束后起動(dòng)振動(dòng) 篩，讓合格的大米顆粒進(jìn)入填料器，鼓風(fēng)機(jī)和高壓空氣將經(jīng)過(guò)篩選的大米送入料倉(cāng)。 直 徑 為 50 的 pvc 管 谷倉(cāng)

14、 或傳送袋 高壓風(fēng)機(jī)  吸料漏斗 原料 自動(dòng)落入 預(yù)量漏斗 原料 自動(dòng)落入 稱(chēng)量漏斗 礱谷缸 鼓風(fēng)機(jī) 高壓輸管 碾米缸 振動(dòng)篩 料倉(cāng) 注入式 填料器 圖 2.1 工藝流程圖 2.2 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)方案選擇論證 由基于 PLC的大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的工藝過(guò)程可知， 整條生產(chǎn)線(xiàn)三個(gè)單元 功能相

15、對(duì)獨(dú)立且分散，但又需要相互連鎖協(xié)調(diào)。這需要一個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行指揮控制。這 些都給控制系統(tǒng)提出了較高要求，需要采用先進(jìn)的控制技術(shù)和控制方法，以提高工程質(zhì) 量并簡(jiǎn)化控制線(xiàn)路的復(fù)雜性，兼顧降低項(xiàng)目成本。故本課題控制系統(tǒng)選型的基本原則如 下： 5 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1. 采用先進(jìn)、可靠、成熟的控制技術(shù)以提高系統(tǒng)可靠性； 2. 采用模塊化設(shè)計(jì)，提高通用性及設(shè)備效率，易于維護(hù)； 3. 適應(yīng)今后的技術(shù)發(fā)展、要求，系統(tǒng)有較高的可擴(kuò)展性 [7] 。 控制系統(tǒng)一般采用 PLC控制或繼電器 - 接觸器控制系統(tǒng)。 P

16、LC的控制與繼電器的控制 差別有以下幾個(gè)方面。 1. 控制邏輯 繼電器控制邏輯采用硬接線(xiàn)邏輯，利用繼電器觸點(diǎn)的串聯(lián)或并聯(lián)，及延時(shí)繼電器的 滯后動(dòng)作等組合成控制邏輯，其接線(xiàn)多而復(fù)雜，體積大、功耗大、故障率高，一旦系統(tǒng) 構(gòu)成后，想再改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點(diǎn)數(shù)目有限，每只只有 4～ 8 對(duì)觸電，因此靈活性和擴(kuò)充性很差。而 PLC采用存儲(chǔ)邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲(chǔ) 在內(nèi)存內(nèi)，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，故成為“軟接線(xiàn)” 。其接線(xiàn)少，體積 小，因此靈活性和擴(kuò)展性都很好。 PLC中大規(guī)模集成電路組成，功耗小。 2. 工作方式

17、 電源接通時(shí)，繼電器控制線(xiàn)路中各繼電器同時(shí)都處于受控狀態(tài)，即該吸合的都應(yīng)吸 合，不該吸合的都應(yīng)受到某種條件限制不能吸合，它屬于并聯(lián)工作方式。而 PLC的控制 邏輯中，各內(nèi)部器件都處于周期性循環(huán)掃描中，屬于串聯(lián)工作方式。 3. 可靠性和可維護(hù)性 繼電器控制邏輯使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，連線(xiàn)也多。觸點(diǎn)開(kāi)閉會(huì)受到電弧的損壞， 并有機(jī)械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護(hù)性差。而 PLC采用微電子技術(shù)，大量的開(kāi) 關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路完成，體積小，壽命長(zhǎng)，可靠性高。 PLC還配有自檢和監(jiān) 控功能。能檢查出自身的故障。并隨時(shí)顯示給操作人員。還能動(dòng)態(tài)地監(jiān)視控制程序

18、的執(zhí) 行情況。為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)提供了方便。 4. 控制速度 繼電器控制邏輯依靠觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制，工作頻率低，觸點(diǎn)的開(kāi)閉動(dòng)作一般 在幾十 ms 數(shù)量級(jí)。另外，機(jī)械觸點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問(wèn)題。而 PLC是由程序指令控制半導(dǎo) 體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。屬于無(wú)觸點(diǎn)控制，速度極快，一般一條用戶(hù)指令的執(zhí)行時(shí)間在 μ m 數(shù)量級(jí)，而不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。 5. 定時(shí)控制 6 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 繼電器邏輯利用時(shí)間繼電器進(jìn)行時(shí)間控制。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)間繼電器存在定時(shí)精確度 的不高，定時(shí)范圍窄，且易受環(huán)境濕度

19、和溫度變化的影響，調(diào)整時(shí)間困難等問(wèn)題。 PLC 使用半導(dǎo)體集成電路做定時(shí)器，時(shí)基脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度相當(dāng)高。且定時(shí)時(shí)間 不受環(huán)境的影響，定時(shí)范圍一般從 0.001s 到若干天或更長(zhǎng)。用戶(hù)可以根據(jù)需要在程序中設(shè)置定時(shí)值，然后由軟件來(lái)控制定時(shí)時(shí)間 [8] 。 從以上幾個(gè)方面的比較可知， PLC在性能上比控制邏輯優(yōu)異， 特別是可靠性高， 設(shè)計(jì)施工周期短，調(diào)試修改方便，而且體積小，功耗低，使用維護(hù)方便，但在很小的系統(tǒng)中使用時(shí)，價(jià)格要高于繼電器控制系統(tǒng)。 可編程序邏輯控制器（ PLC）采用微處理器作為控制系統(tǒng)的核心，內(nèi)含存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器，根據(jù)工業(yè)控制過(guò)程的特點(diǎn)，進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的電

20、路設(shè)計(jì)，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。 PLC的輸入、輸出模塊與主模塊組裝在一起，不需要另外的接口，可以直接與行程開(kāi)關(guān)等傳感器及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電磁線(xiàn)圈連接在一起， 使控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單。 PLC根據(jù)類(lèi)似于繼電器控制系統(tǒng)的梯形圖進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單明了。與繼電器控制 相比較， PLC性能好價(jià)格低，功率價(jià)格適中 [9] 。 根據(jù)上述分析， PLC 是現(xiàn)階段基于 PLC的泡沫發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)最理想的控制機(jī)。 所以本設(shè)計(jì)選用 PLC 作為系統(tǒng)控制機(jī)。下面是對(duì)選定方案的分析： 1. 可行性分析 A. 功能可行性分析： 由于系統(tǒng)各主要部分所需要滿(mǎn)足的功能步驟及要求大多是開(kāi)關(guān) 量

21、信號(hào)，所以選擇可編程序邏輯控制器是完全能夠滿(mǎn)足其功能要求的。 B. 系統(tǒng)可靠性分析：系統(tǒng)設(shè)置了光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)，對(duì)整條生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)控，使系統(tǒng)可靠性得到了進(jìn)一步的保證。 C.系統(tǒng)擴(kuò)展性分析：系統(tǒng)采用 PLC 作為控制器，其本身就具有極強(qiáng)的功能擴(kuò)展性， 加之 PLC 產(chǎn)品的完整性，使得系統(tǒng)功能擴(kuò)展極其方便。 D. 系統(tǒng)可維護(hù)性分析：系統(tǒng)采用先進(jìn)控制方式，大大降低了工程成本，并由于系統(tǒng)組態(tài)及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這使得可維護(hù)性增強(qiáng)。 2. 技術(shù)性能 A．吸料漏斗物位的控制； B．欲量漏斗物位的控制； 7 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)

22、的設(shè)計(jì) C．壟米，碾米時(shí)間限制； D．閥門(mén)受阻時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警； E．整個(gè)工作流程的自動(dòng)化。 本課題所設(shè)計(jì)的基于 PLC 的大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)，利用可編程序控制器 和傳感器，克服了人為的不穩(wěn)定因素，充分利用了現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率， 為現(xiàn)代化的生產(chǎn)管理提供了強(qiáng)有力的物質(zhì)條件。

23、 8 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成。本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并 對(duì)硬件的每一個(gè)部分進(jìn)行了分析。硬件設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)完成相應(yīng)的功能，并組成一個(gè) 統(tǒng)一的整體。在對(duì)控制系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)所用的元器件進(jìn)行選型， PLC地址分配， 最后對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。 3.1 控制系統(tǒng)分析及元件選擇 本設(shè)計(jì)的加工集中控制系統(tǒng)是可編程控制器（ PLC）

24、為主要控制其，需要進(jìn)行控制 的是整個(gè)工藝流程的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)可編程控制器（ PLC）與電機(jī)（包括礱谷機(jī)、振蕩電機(jī)、 碾米機(jī)、真空泵及鼓風(fēng)機(jī)）以及其他外部硬件（電磁閥，傳感器）相連實(shí)現(xiàn)了整個(gè)大米 加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖 3.1 所示： 行程開(kāi)關(guān) 1 KV16 吸料漏斗 KV3 KV1 KV4 行程開(kāi)關(guān) 2 預(yù)量漏斗 KV2 真空泵 KV5 KV6 稱(chēng)量漏斗

25、谷倉(cāng) KV7 KV8 KV9 鼓風(fēng)機(jī) 壟谷缸 壟谷電機(jī) 光電開(kāi)關(guān) KV10 KV11 KV12 碾米電機(jī) 排氣電磁閥 KV13 空 氣 電 磁 閥 碾米缸 電動(dòng)閥 KV15 振動(dòng)電機(jī) 圖 3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 9 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 其主要工作原理如下： 接通電源后，將設(shè)備模式旋轉(zhuǎn)到自動(dòng)定量輸送物料模式，

26、將所有閥門(mén)旋轉(zhuǎn)到關(guān)閉位 置；按下啟動(dòng)按鈕，利用真空泵把原料吸進(jìn)吸料漏斗內(nèi)，等光電開(kāi)關(guān) 1 檢測(cè)到原料到位 后，關(guān)閉真空泵， 打開(kāi)吸料漏斗開(kāi)關(guān)門(mén)電磁閥 KV1吸料漏斗空氣閥 KV16，使原料由吸料 漏斗落入預(yù)量漏斗； 重復(fù)該步驟直至光電開(kāi)關(guān) 2 檢測(cè)原料到位后，關(guān)閉 KV1，打開(kāi)預(yù)量漏斗開(kāi)關(guān)門(mén)電磁 閥 KV3， KV2及預(yù)量漏斗開(kāi)關(guān)門(mén)電磁閥 KV4，KV5，讓原料快速落入稱(chēng)量漏斗內(nèi)，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，關(guān)閉所打開(kāi)的 KV3，KV2及 KV4，KV5，，進(jìn)行稱(chēng)量，稱(chēng)量結(jié)束后，把所測(cè)量的數(shù)值傳送給 MCGS觸摸屏； 完成稱(chēng)量步驟后， 打開(kāi)稱(chēng)量漏斗高壓空氣電磁閥 KV6

27、，KV7，讓待加工的原料由稱(chēng)量漏斗落入礱谷缸內(nèi)。啟動(dòng)礱谷電機(jī)，進(jìn)行礱谷，待到礱谷結(jié)束后啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，讓脫出的稻谷殼與糙米分離開(kāi)來(lái)； 分離后，打開(kāi)礱谷缸高壓空氣電磁閥 KV8，KV9，壟谷缸開(kāi)關(guān)門(mén)電磁閥 KV10，讓糙米快速落入碾米缸內(nèi)，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，關(guān)閉 KV8，KV9，KV10，啟動(dòng)碾米電機(jī)，碾米結(jié)束后，啟動(dòng)振動(dòng)電機(jī)， 利用振動(dòng)篩選取合格大米，最后打開(kāi)空氣電磁閥 KV14，碾米缸高壓空氣閥 KV11，KV12，電動(dòng)閥 KV15，把加工好的大米送入料倉(cāng)。 3.1.1 控制系統(tǒng)分析 根據(jù)課題設(shè)計(jì)要求及大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的控制分析如 下：

28、 1．打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)后，設(shè)定加工方式：自動(dòng)或手動(dòng)，并設(shè)定原料重量。 2．按下啟動(dòng)按鈕，利用真空泵把原料吸進(jìn)吸料漏斗內(nèi)。由吸料漏斗落入預(yù)量漏斗， 再由預(yù)量漏斗落入稱(chēng)量漏斗。通過(guò)稱(chēng)重傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱(chēng)量控制。 3．原料由稱(chēng)量漏斗進(jìn)入礱谷缸，通入空氣，由壓力傳感器測(cè)量缸內(nèi)壓力，光電傳 感器檢測(cè)原料位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)礱谷控制。 4．礱谷完畢，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行谷糙分離，分離出的糙米進(jìn)入碾米缸繼續(xù)加工，加 工后，自動(dòng)打開(kāi)缸門(mén)，利用高壓空氣將經(jīng)過(guò)篩選的大米送入料倉(cāng)。 10 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

29、 3.1.2 元器件選擇及依據(jù) 根據(jù)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)分析以及對(duì)元器件的要求，為滿(mǎn)足系統(tǒng)功能，系統(tǒng)需要的主要 元器件有 PLC控制器、壓力傳感器、稱(chēng)重傳感器、光電傳感器、礱谷機(jī)、碾米機(jī)、電磁閥等，下面對(duì)幾個(gè)主要的器件功能進(jìn)行介紹： 1. 三菱 FX-2N PL C介紹 三菱 FX-2N運(yùn)行速度快、功能強(qiáng)，適用于要求較高的中小型控制系統(tǒng)。所以本設(shè)計(jì)應(yīng)用此系列的 PLC。 FX-2N基本單元由中央處理器（ CPU）、電源 以及數(shù)字量輸入輸出單元組成。 這些都被緊湊地 安裝在一個(gè)獨(dú)立的裝置中。 在基本單元上連接擴(kuò)展單元或

30、擴(kuò)展模塊， 可 進(jìn)行 16-256 點(diǎn)的靈活輸入輸出組合?？蛇x用 圖 3.2 帶有擴(kuò)充模塊的三菱 FX-2N CPU 模塊  16/32/48/64/80/128 點(diǎn)的主機(jī)，可以采用最小 8 點(diǎn)的擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展?？筛鶕?jù)電源及輸出形 式，自由選擇。程序容量：內(nèi)置 800 步 RAM（可輸入注釋?zhuān)┛墒褂么鎯?chǔ)盒，最大可擴(kuò)充 至 16K 步。豐富的軟元件應(yīng)用指令中有多個(gè)可使用的簡(jiǎn)單指令、高速處理指令、輸入過(guò) 濾常數(shù)可變，中斷輸入處理，直接輸出等。便利指令數(shù)字開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)讀取， 16 位數(shù)據(jù)的 讀取，矩陣輸入的讀取， 7 段顯示器輸

31、出等。數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)排列、三角函 數(shù)運(yùn)算、平方根、浮點(diǎn)小數(shù)運(yùn)算等。 特殊用途、脈沖輸出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V）， 脈寬調(diào)制， PID 控制指令等。外部設(shè)備相互通信，串行數(shù)據(jù)傳送， ASCII code 印刷， HEX ASCII 變換，校驗(yàn)碼等。時(shí)計(jì)控制內(nèi)置時(shí)鐘的數(shù)據(jù)比較、 加法、減法、讀出、寫(xiě)入等。 2. 稱(chēng)重傳感器的介紹 智能化稱(chēng)重傳感器是近些年來(lái)的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。智能傳感 器的定義在各國(guó)傳感器雜志上討論多年，直到 90 年代初才有了比較一致的看法 : 把凡具有一種或多種敏感功能， 

32、 圖 3.3 稱(chēng)重傳感器外形 11 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 能夠完成信號(hào)探測(cè)和處理、邏輯判斷、雙向通訊、自檢、自校、自補(bǔ)償、自診斷和計(jì)算 等全部或部分功能的器件叫做智能傳感器。智能傳感器可以是集成的，也可以是分離件 組裝的。數(shù)字式智能稱(chēng)重傳感器正是按此思路發(fā)展和應(yīng)用的，同樣有兩種結(jié)構(gòu)形式，即整體型和分離型 [11]。 整體型是在稱(chēng)重傳感器內(nèi)部安裝有放大、濾波、 A/D 轉(zhuǎn)換、微處理器芯片和溫度敏 感元件等組成數(shù)字處理電路，利用微處理器已存入

33、的軟件，實(shí)施各項(xiàng)數(shù)字補(bǔ)償工藝進(jìn)行各項(xiàng)性能調(diào)整和測(cè)試，最后采用電子束焊或激光焊進(jìn)行密封。數(shù)字式智能稱(chēng)重傳感器的 制造工藝完全不同于模擬式稱(chēng)重傳感器，主要是兩個(gè)環(huán)節(jié) : 其一彈性體貼片組成惠斯登電橋電路后，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試建立數(shù)字補(bǔ)償工藝要求的各項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，形成便于程序化計(jì)算的公式。其二是根據(jù)數(shù)學(xué)模型編制出簡(jiǎn)單實(shí)用的補(bǔ)償計(jì)算軟件，存儲(chǔ)在微處理器芯片中進(jìn)行各項(xiàng)誤差修正和補(bǔ)償。軟件技術(shù)主要有數(shù)字濾波技術(shù)，標(biāo)度變換技術(shù)，數(shù)字調(diào)零 技術(shù)，溫度補(bǔ)償技術(shù)和線(xiàn)性補(bǔ)償技術(shù)等。 同時(shí)還應(yīng)解決抗射頻干擾 (RFI) 、電磁干擾 (EMI ) 和閃電引起的電瞬變等過(guò)壓保護(hù)問(wèn)題。 分離型是將放置在稱(chēng)重傳感器內(nèi)部的

34、 A/D 轉(zhuǎn)換等數(shù)字處理電路移至一個(gè)外部接線(xiàn)盒內(nèi)，將普通的模擬式稱(chēng)重傳感器接入數(shù)字接線(xiàn)盒后， 其輸出便以數(shù)字信號(hào)傳輸給與其配套的稱(chēng)重顯示控制儀表。 通常把模擬式稱(chēng)重傳感器加數(shù)字接線(xiàn)盒模式稱(chēng)為模塊化數(shù)字稱(chēng)重傳感器系統(tǒng)。 模擬式稱(chēng)重傳感器基本上是手工化生產(chǎn)，人為的因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，數(shù)字式智能稱(chēng)重傳感器基本上是自動(dòng)化生產(chǎn)，排除了人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。數(shù)字式智能稱(chēng)重傳感器具有輸出信號(hào)大，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，易實(shí)現(xiàn)智能化控制等特點(diǎn)，較廣泛的應(yīng)用于大型電子平臺(tái)秤、電子汽車(chē)衡，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電子料斗秤、電子容器秤和大死載、小活載的特殊電子秤。 NS-TH16系列智能（數(shù)字）稱(chēng)重傳

35、感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、安裝方便、抗振動(dòng)沖擊力強(qiáng)，采用先進(jìn)的微處理技術(shù)和數(shù)字通訊技術(shù) , 全密封結(jié)構(gòu)，防水、防腐。被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，作為稱(chēng)量、測(cè)力等自動(dòng)控制元件。所以本設(shè)計(jì)采用此類(lèi)型的稱(chēng)重傳感器。 3 礱谷機(jī)的介紹 本次設(shè)計(jì)所選用的 HR10C是佐竹（蘇州）機(jī)械有限公司的最新研制的礱谷機(jī)，它具有以下特點(diǎn)： 1. 脫殼率高且保持穩(wěn)定，本機(jī)采用自動(dòng)控制操作，脫殼率在 90%左右，能在生產(chǎn)過(guò) 12 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 程中保持穩(wěn)定的脫殼率； 2. 操作調(diào)節(jié)方便，本機(jī)通過(guò)氣動(dòng)控制輥間壓力，有料位器

36、與之連接，斷料可立即松輥，來(lái)料自動(dòng)延時(shí)緊輥； 3. 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，機(jī)器主要回轉(zhuǎn)件都經(jīng)動(dòng)平衡檢驗(yàn)，所以運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)??； 表 3.1 礱谷機(jī)主要參數(shù) 型號(hào) HR10C 加工能力 長(zhǎng)粒稻 3-5t/h 短粒稻 4-6t/h 所需功率 7.5kw-4p, 52W+3.7kw-4p, 0.1kw 主軸轉(zhuǎn)速 HU 10FT 1150 轉(zhuǎn) /分 HA 10W(2) 1400 轉(zhuǎn) /分 橡膠輥尺寸 直徑： 10 英寸，寬： 10 英寸 橡膠輥硬度 875 凈重 HU 10FT 410kg

37、 HA 10W(2) 890kg 4 碾米機(jī)的介紹 新型立式碾米機(jī)的設(shè)計(jì)思想是近百年來(lái)立式碾米經(jīng)驗(yàn)的積累。 該機(jī)匯集了許多立式碾磨的最新技術(shù)，它廣泛使用在美國(guó)、歐洲和亞洲國(guó)家的許多主要加工廠中。用于加工不同等級(jí)白米的 VTA系列是現(xiàn)代大米加工工業(yè)的理想設(shè)備，其具有以下特點(diǎn)： 1. 加工產(chǎn)量高、破碎低，在碾磨過(guò)程中，由于采用了新研制的最佳碾磨室，因此大米產(chǎn)量提高，破碎減少，水分損失?。? 2. 操作調(diào)節(jié)方便，通過(guò)卸料門(mén)壓力調(diào)整即可容易地獲得所需的研白精度； 3. 部件易于更換，砂輥能很容易從機(jī)器頂部抽出。篩片設(shè)計(jì)從機(jī)器旁邊取出，在不 拆除機(jī)器框架情

38、況下，篩片更換迅速、容易。全部其它部件易于操作、易于更換； 4. 部件使用壽命長(zhǎng)， 由于碾白室進(jìn)行了特殊的熱處理以及它受到均勻一致的較小壓力，從而該磨損部件的使用壽命延長(zhǎng)； 5. 機(jī)器內(nèi)部的米糠殘留量最少，碾白室的下部有回轉(zhuǎn)式排出器，有助于米糠順利排 13 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 出機(jī)外； 6. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，特殊設(shè)計(jì)的碾白室?guī)缀跏莻鹘y(tǒng)設(shè)備碾白面積的兩倍，而且該機(jī)占地小，產(chǎn)量高； 表 3.2 礱谷機(jī)主要參數(shù) 型號(hào) VTA7C 糙米處理量 4-6(t/h) 電機(jī) 37kw-6p 主

39、軸轉(zhuǎn)速 700r.P.m 風(fēng)量 40m3/min 靜壓 -100- -150mmAq 外形尺寸 1,447 8501,989(mm) 5 觸摸屏的介紹 本次設(shè)計(jì)采用 MCGS觸摸屏， MCGS即" 監(jiān)視與控制通用系統(tǒng) " ，英文全稱(chēng)為 Monitor and Control Generated System 。 作為工業(yè)過(guò)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域服務(wù)的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件 MCGS，它的功能十分 完善，不僅操作簡(jiǎn)便、 可視性好，而且具有可維護(hù)性強(qiáng)等突出特點(diǎn)。 MCGS為解決工程監(jiān) 控問(wèn)題提供了豐富多樣的手段，從設(shè)備驅(qū)動(dòng)（數(shù)據(jù)采集）到數(shù)據(jù)處理、報(bào)警處

40、理、流程 控制、動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)表輸出、曲線(xiàn)顯示等各環(huán)節(jié)，均有豐富的功能組件和常用圖形庫(kù)可 供選用，用戶(hù)只需根據(jù)工程作業(yè)的需要和特點(diǎn)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和組態(tài)配置，即可生成用 戶(hù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)。 在這次大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，觸摸屏的使用加深了自動(dòng)化的程 度，我們不僅可以通過(guò) PLC 的在上位機(jī)的線(xiàn)上監(jiān)控功能查詢(xún)加工情況，更能直接通過(guò) MCGS直觀圖像獲取我們大米加工所進(jìn)行的流程， 大米實(shí)時(shí)加工量，及歷史加工量的記錄， 也能直觀的找到報(bào)警記錄，同時(shí)我們可以直接在觸摸屏上對(duì)加工物料量進(jìn)行調(diào)整設(shè)置 等，極大地便利了加工生產(chǎn)線(xiàn)的操作。

41、 14 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)所需主要元器件及功能要求表如下所示。 表 3.3 系統(tǒng)所需主要元器件及功能要求 序號(hào) 器件名稱(chēng) 規(guī)格 數(shù)量 性能 1 PLC 控制器 三菱 FX -2N 系 1 控制大米加工工作流程 列 2 昆侖通態(tài)觸摸屏 TPC7062KS 1 監(jiān)控生產(chǎn)流程 用于檢測(cè)稱(chēng)量漏斗和預(yù)量漏 3 光電開(kāi)關(guān) SA3M-1K 2 斗的原料到位情況

42、 用來(lái)測(cè)稻谷的重量 4 稱(chēng)重傳感器 NS-TH16 1 輸出 0～10V 量程： 0～ 500Kg 通過(guò)真空管把原料顆粒吸入 5 真空泵 1.5Kw 1 吸料缸內(nèi) 6 振動(dòng)電機(jī) 0.5Kw 1 電機(jī)振動(dòng)使碎米粒篩選出去 7 鼓風(fēng)機(jī) 3． 7Kw 1 通過(guò)鼓風(fēng)將谷糙分離 8 礱谷機(jī) HR10C 1 給稻谷脫殼 9 碾米機(jī) VTA7C 1 糙米 3.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，主要包括 I/O 點(diǎn)數(shù)的

43、估算、模塊選型、 I/O 地址分配和電路 設(shè)計(jì)。 3.2.1 PLC 控制系統(tǒng) I/O 點(diǎn)數(shù)的估算 由大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的 PLC自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)示意圖以及工藝流程圖可得： 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)需要兩個(gè)模擬量輸入通道： 1 個(gè)稱(chēng)重傳感器檢測(cè)原料重量， 1 個(gè)壓力傳感器用來(lái)檢測(cè)礱缸內(nèi)的壓力。系統(tǒng)還要求 6 臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，所以需接接觸器線(xiàn) 15 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圈。還應(yīng)用到大量的電磁閥及少量的開(kāi)關(guān)和按鈕等器件。 所需各元器件功能及所占 PLC 輸入輸出點(diǎn)數(shù)見(jiàn)表 3.

44、2，表 3.3，表 3.4。 由表可知，本次設(shè)計(jì)的泡沫發(fā)泡機(jī)控制系統(tǒng)的輸入模擬量是 2 個(gè)通道，輸入開(kāi)關(guān)量 點(diǎn)數(shù)是 6，輸出點(diǎn)數(shù)是 22。 表 3.2 模擬量輸入所需各元器件功能及所占 PLC通道 項(xiàng)目名稱(chēng) 模擬量輸入通道 備 注 1 一次礱谷所需原料顆 稱(chēng)量測(cè)量變送模塊 粒的重量 表 3.3 開(kāi)關(guān)量輸入所需各元器件功能及所占 PLC點(diǎn)數(shù) 項(xiàng)目名稱(chēng) 開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù) 備注 按鈕 3 啟動(dòng)與停止 光電開(kāi)關(guān) 2 檢測(cè)原料到位情況 電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)

45、門(mén)到位 2 出料開(kāi)關(guān)門(mén)情況控制 表 3.4 開(kāi)關(guān)量輸出所需各元器件功能及所占 PLC點(diǎn)數(shù) 項(xiàng)目名稱(chēng) 開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù) 備注 16 控制原料落入，空氣輸 電磁閥 入等 1 在壓力過(guò)高時(shí)進(jìn)行自動(dòng) 報(bào)警 報(bào)警 接觸器線(xiàn)圈 8 控制 6 臺(tái)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)  總通道 1 個(gè)通道 總點(diǎn)數(shù) X 點(diǎn)： 7

46、 總點(diǎn)數(shù) Y 點(diǎn)： 22 3.2.2 PLC 及主要模塊的選型 FX-2N 主機(jī)的型號(hào)規(guī)格種類(lèi)較多，以適應(yīng)不同需求的控制場(chǎng)合。三菱公司 FX-2N系 列產(chǎn)品有： FX-16MR、FX-32MR、FX-48MR、FX-64MR、FX-80MR、FX-128MR。FX-48MR系列 產(chǎn)品指令豐富、速度快、具有較強(qiáng)的通信能力。 根據(jù)需求本設(shè)計(jì)用 FX-48MR模塊，其 I/O 總數(shù)為 48 點(diǎn)。FX2N-48MR-001是日本三菱公司的可編程控制器 (PLC), 繼電器輸出及輸入 24 點(diǎn) , 輸出 24

47、點(diǎn).FX2N 是 FX系列中功能 16 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 最強(qiáng)、速度最高的微型 PLC，內(nèi)置用戶(hù)存儲(chǔ)器 8Kb，可擴(kuò)展到 16K 步，最大可擴(kuò)展到 256 個(gè) I/O 點(diǎn)，可有多種特殊功能擴(kuò)展， 實(shí)現(xiàn)多種特殊控制功能 （PID、高速計(jì)數(shù)、 A/D、D/A、等）。有功能很強(qiáng)的數(shù)學(xué)指令集。通過(guò)通信擴(kuò)展板或特殊適配器可實(shí)現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù) 鏈接。 模擬量信號(hào)是—種連續(xù)變化的物理量， 如電流、電壓、溫度、壓力、位移、 速度等。工業(yè)控制中，要對(duì)這些模擬量進(jìn)行采集并送給 PLC的 CPU，必須先對(duì)這些模擬量進(jìn)行模 /

48、數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換。模擬量輸入模塊就是用來(lái)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成 PLC所能接受的數(shù)字信號(hào)的。生產(chǎn)過(guò)程的模擬信號(hào)是多種多樣的，類(lèi)型和參數(shù)大小也不相同，所以，一般先用現(xiàn)場(chǎng)信 號(hào)變送器把它們變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) ( 如 4—20mA的直流電流信號(hào)、 1～5V 的直流電壓 信號(hào)等 ) ，然后再送入模擬量輸入模塊將模擬且信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)， 以便 PLC的 CPU 進(jìn)行處理。模擬量輸入模塊一般由濾波、模數(shù) (A／D)轉(zhuǎn)換，光耦合等部分組成。光耦合 器有效地防止了電磁干擾，對(duì)多通道的模擬量輸入單元，通常設(shè)置多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行通 道的切換，且在輸出端設(shè)置信號(hào)寄存器。 模

49、擬量輸入模塊設(shè)有電壓信號(hào)和電流信號(hào)輸入端。輸入信號(hào)經(jīng)濾波、放大、模 / 數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量信號(hào)，再經(jīng)光耦合器進(jìn)入 PLC內(nèi)部電路 [14] 。 本次設(shè)計(jì)就采用 FX2N-4AD的 4 通道模擬量特殊模塊。 FX2N-4AD模擬特殊模塊有四 個(gè)輸入通道。輸入通道接收并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， 這稱(chēng)為 A/D 轉(zhuǎn)換。FX2N-4AD最大分辨 率是 12 位，基于電壓或電流的輸入 / 輸出的選擇通過(guò)用戶(hù)配線(xiàn)來(lái)完成，可選用的模擬值 范圍是 -10V 到 10VDC(分辨率 5mV),或者 4 到 20mA,-20 到 20mA(分辨率 :20 μA) FX2N-

50、4AD 和 FX2N主單元之間通過(guò)緩沖存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)， FX2N-4AD共有 32 個(gè)緩沖存儲(chǔ)器 ( 每個(gè) 16 位 ) ，F(xiàn)X2N-4AD占用 FX2N擴(kuò)展總路線(xiàn)的 8 個(gè)點(diǎn) . 這 8 點(diǎn)可以分配成輸入或輸出 .FX2N-4AD 消耗 FX2N主單元成有源擴(kuò)展單元 5V 電源 30mA的電流。 3.2.3 控制系統(tǒng)的 I/O 地址分配 由上述對(duì) I/O 點(diǎn)的估算，根據(jù)控制系統(tǒng)要求利用 PLC控制的信號(hào)的分布情況，綜合 考慮各輸入、輸出點(diǎn)的性質(zhì)，對(duì)各輸入、輸出點(diǎn)進(jìn)行分組分配。其對(duì)應(yīng) PLC 輸入 / 輸出 地址分配如表 3.5 所示

51、。 17 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 表 3.5 輸入 /輸出信號(hào)地址分配表 輸入 序號(hào) 名稱(chēng) I 分配 序號(hào) S1 系統(tǒng)啟動(dòng) X0 KV13 S2 系統(tǒng)停止 X1 KV1 S3 系統(tǒng)緊急停止 X2 KV2 S4 觸摸屏集中控制 X3 KV3 S5 行程開(kāi)關(guān) 1 X4 KV4 S6 行程開(kāi)關(guān) 2 X5 KV5 S7 光電開(kāi)關(guān) X6 KV6 KV7 KV8 KV9 KV

52、10 KV11 KV12 KV14 KV15 KV16 LH1 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 KM8  輸出 名稱(chēng) 排氣電磁閥 吸料漏斗開(kāi)關(guān)門(mén)電磁閥預(yù)量漏斗開(kāi)關(guān)門(mén)電磁閥預(yù)量漏斗高壓空氣電磁 閥 稱(chēng)量漏斗高壓空氣電磁 閥 稱(chēng)量漏斗開(kāi)關(guān)門(mén)電磁閥 礱谷缸高壓空氣電磁閥 壟谷缸開(kāi)關(guān)門(mén)電磁閥 碾米缸高壓空氣電磁閥 空氣電磁閥 電動(dòng)閥 吸料漏斗高壓空氣閥閥門(mén)受阻報(bào)警 抽真空 攪拌機(jī)運(yùn)

53、行 鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行 振動(dòng)電機(jī)運(yùn)行 壟谷電機(jī)運(yùn)行 碾米電機(jī)運(yùn)行 出料開(kāi)關(guān)門(mén)電動(dòng)閥正轉(zhuǎn)出料開(kāi)關(guān)門(mén)電動(dòng)閥反轉(zhuǎn)  Q 分配 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 Y16 Y17 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24 Y25 Y26 Y27 Y30

54、 18 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.2.4 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 為了保證大米加工集中控制系統(tǒng)的高度可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了一系列 控制措施。如接直流電源的輸出口并聯(lián)反向二極管續(xù)流電路，接交流電源的輸出口并聯(lián) RC構(gòu)成續(xù)流電路，用以防止斷電產(chǎn)生高壓，擊壞 PLC輸出口。 在對(duì) PLC供電時(shí)，是通過(guò)了 ARV穩(wěn)壓電源再給 PLC供電的，這種高精度全自動(dòng)交流 穩(wěn)壓器 AVR系列是引進(jìn)了臺(tái)灣技術(shù)并結(jié)合我國(guó)電力實(shí)況設(shè)計(jì)而開(kāi)發(fā)的一種新型高精度全 自動(dòng)交流穩(wěn)壓器，廣泛應(yīng)用于

55、PCB、 CNC等多種進(jìn)口機(jī)械設(shè)備中。產(chǎn)品具有容量大、精 度高、無(wú)波形畸變，并具有過(guò)壓、 欠壓、過(guò)載自動(dòng)保護(hù)功能。使用安全可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便。 這樣不僅可以防止人員觸電事故，也能保證整個(gè)控制系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。 在對(duì)各個(gè)電機(jī)供電時(shí)，是經(jīng)過(guò)斷路器、接觸器及熱繼電器后再給電機(jī)供電的，這樣 對(duì)電路的過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載及欠壓等常見(jiàn)故障能迅速起到自動(dòng)保護(hù)作用。 電機(jī)接線(xiàn)圖見(jiàn)附錄 A。

56、 19 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 4 章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù) PLC控制系統(tǒng)工藝流程和系統(tǒng)控 制要求，對(duì) PLC進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。 4.1 PLC 控制系統(tǒng)的流程圖 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求， PLC實(shí)現(xiàn)以下功能 : 真空吸料：用一臺(tái)真空泵將待加工原料吸入吸料漏斗，保證原料的稱(chēng)料供應(yīng)； 稱(chēng)量設(shè)定：面板人工設(shè)置一次加工稻谷需要量， 通過(guò)稱(chēng)重傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱(chēng)量控制； 壟谷控制：檢測(cè)壟谷缸內(nèi)的原

57、料位置，到達(dá)設(shè)定值時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)礱谷控制； 大米接收：礱谷完畢，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行谷糙分離，分離出的糙米進(jìn)入碾米缸繼續(xù)加 工，加工后，自動(dòng)打開(kāi)缸門(mén)，利用高壓空氣將經(jīng)過(guò)篩選的大米送入料倉(cāng)。 根據(jù)系統(tǒng)工藝對(duì)控制的要求，可詳細(xì)寫(xiě)出控制系統(tǒng)的流程圖，系統(tǒng)的 PLC流程圖如 圖 4.1所示： 開(kāi)始 真空泵運(yùn)行， 稻谷進(jìn) 入吸料缸內(nèi)。 N 光電傳感器 1 有信號(hào)？ Y 電磁閥門(mén) KV1，KV16 打開(kāi)通入高壓 空氣，使稻谷迅速落入預(yù)量漏斗。

58、 20 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 真空泵持續(xù)運(yùn)行 N 光電傳感器 2 有信號(hào)？ Y KV1、 KV16、真空泵 OFF；KV2、 KV3、 KV4 ON，使稻谷迅速落入預(yù)量漏斗。 N 放料結(jié)束？ Y N 稱(chēng)量結(jié)束？ Y KV2、KV3、KV4OFF；KV5、KV6、KV7 ON， 使稻谷迅速落入礱谷缸。 N 放料結(jié)束？ Y

59、 KV5、KV6、KV7OFF；礱谷電機(jī) ON； 21 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) N 礱谷結(jié)束？ Y 礱谷電機(jī) OFF；鼓風(fēng)機(jī)、KV10、KV8、 KV9 ON；篩選的糙米進(jìn)入碾米缸 N 放料結(jié)束？ Y 鼓風(fēng)機(jī)、 KV8、KV10、KV9OFF；碾米電機(jī) ON； N 碾米結(jié)束？

60、 Y 碾米電機(jī) OFF；振動(dòng)電機(jī)、KV14、KV11、 KV12、 KV15 ON，篩選的大米進(jìn)入料倉(cāng) N 放料結(jié)束？ Y 振動(dòng)電機(jī)、 KV14、KV11、KV12、KV15OFF， 一次大米加工結(jié)束，等待下次加工指示 圖 4.1 系統(tǒng)流程圖 22 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.2 PLC 常用的程序設(shè)計(jì)方法 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)正確選擇能反映生產(chǎn)過(guò)程的變化參數(shù)作為控制參量進(jìn)行 控制；應(yīng)正確處理各執(zhí)行電器、各編

61、程元件之間的互相制約、互相配合的關(guān)系，即聯(lián)鎖 關(guān)系。應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法有多種， 常用的設(shè)計(jì)方法有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、 順序功能圖法等 [16] 。 1. 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法要求設(shè)計(jì)者具有較豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，掌握較多的典型應(yīng)用程序的基本 環(huán)節(jié)。根據(jù)被控對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗(yàn)選擇基本環(huán)節(jié)，并把它們有機(jī)地組合起來(lái)。其設(shè)計(jì)過(guò)程是逐步完善的，一般不易獲得最佳方案，程序初步設(shè)計(jì)后，還需反復(fù)調(diào)試、修改和完善，直至滿(mǎn)足被控對(duì)象的控制要求。 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)不規(guī)范，沒(méi)有一個(gè)普遍的規(guī)律可遵循，具有一定的試探性和隨意 性，對(duì)于同一被控對(duì)象，設(shè)計(jì)出的程序不是惟一的，程序設(shè)計(jì)的質(zhì)

62、量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有 關(guān)。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由于聯(lián)鎖關(guān)系復(fù)雜，用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)一般難于 掌握，且設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)， 設(shè)計(jì)出的程序可讀性差， 即使有經(jīng)驗(yàn)的工程師閱讀它也很費(fèi)時(shí)。 同時(shí)，給日后產(chǎn)品的使用、維護(hù)帶來(lái)諸多不便。對(duì)于簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，用經(jīng)驗(yàn)設(shè) 計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易行，可以收到明顯的效果。對(duì)于一些舊設(shè)備的改造也可采用經(jīng)驗(yàn) 設(shè)計(jì)法，借鑒原設(shè)備繼電器控制電路圖，并綜合考慮 PLC特點(diǎn)，加以修改和完善，可較 方便地得到符合控制要求的程序。 2. 順序功能圖法 順序功能圖（ SFC，Sequential Function Chart ）采用

63、 IEC 標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)言，用于編制 復(fù)雜的順控程序。利用這種先進(jìn)的編程方法，初學(xué)者也很容易編出復(fù)雜的順控程序，大 大提高了工作效率，也為調(diào)試、試運(yùn)行帶來(lái)許多言傳的方便。順序功能圖用以全面描述 控制系統(tǒng)的控制過(guò)程、功能和特性，而不涉及系統(tǒng)所采用的具體技術(shù)沒(méi)。順序功能圖主 要由步、有向連線(xiàn)、轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換條件及動(dòng)作（或命令）組成。 順序功能圖指令可以用梯形圖表示，在順序功能圖中，將狀態(tài)（ S）看作是一個(gè)控 制工序，從中將輸入條件與輸出控制按順序編成。 這種控制的最大特點(diǎn)是在工序進(jìn)行時(shí)， 與前一工序不接通，以各道工序的簡(jiǎn)單順序，即可控制設(shè)備。 本次的大米加工生

64、產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)既可以選擇一般的梯形圖，也可選用順序功能 圖，最終選擇經(jīng)典的梯形圖。 23 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.3 系統(tǒng)程序的編寫(xiě) 4.3.1 主要程序模塊 1. 報(bào)警系統(tǒng) 在 PLC控制系統(tǒng)發(fā)生事故、故障時(shí)都應(yīng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，一般是聲光報(bào)警信號(hào)。在整個(gè)工藝流程中必須注意做好實(shí)時(shí)報(bào)警檢測(cè)， 因?yàn)樵谡麄€(gè)流程中如果中間出現(xiàn)故障又不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并處理的話(huà)，對(duì)整個(gè)大米加工生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是非常大的損失。

65、 2. 真空吸料 通過(guò)真空管用一臺(tái)真空泵將待發(fā)原料吸入吸料漏斗，保證原料的稱(chēng)料供應(yīng)。真空泵 運(yùn)行的條件是吸料漏斗開(kāi)關(guān)門(mén)電磁閥 KV1處于關(guān)閉狀態(tài)，且吸料漏斗中原料未滿(mǎn)（由光 電開(kāi)關(guān) 1 測(cè)量），如果符合條件，則啟動(dòng)真空泵，當(dāng)原料滿(mǎn)后，停止運(yùn)行真空泵，等待 條件符合，繼續(xù)運(yùn)行。 24 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

66、 3. 原料從吸料漏斗進(jìn)入預(yù)量漏斗 開(kāi) KV1，原料從吸料漏斗進(jìn)入預(yù)量漏斗。開(kāi) KV1的條件是吸料漏斗原料已滿(mǎn)（由光電開(kāi)關(guān) 1 測(cè)量），預(yù)量漏斗原料未滿(mǎn) （由光電開(kāi)關(guān) 2 測(cè)量），且電磁閥 KV2處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)原料滿(mǎn)后，關(guān)閉電磁閥 KV1。 4. 原料從預(yù)量漏斗進(jìn)入稱(chēng)量漏斗 開(kāi)電磁閥 KV2和高壓空氣閥 KV3、KV4，原料從預(yù)量漏斗進(jìn)入稱(chēng)量漏斗。 原料進(jìn)入稱(chēng)量漏斗的條件是預(yù)量漏斗原料滿(mǎn)，稱(chēng)量漏斗原料為 0，且電磁閥 KV7處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)原料稱(chēng)好后，關(guān)閉電磁閥 KV2和高壓空氣閥 KV3、KV4。 25 大米加工生產(chǎn)線(xiàn)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)