大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的畢業(yè)設計解讀

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1、 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 第 1 章 緒論 隨著國民經濟和國防建設的發(fā)展， 自動控制技術的應用日益廣泛， 其重要作用也越 來越顯著。而生產過程自動控制是自動控制技術在石油、化工、電力、冶金、機械、輕 工、紡織等生產過程的具體應用，是自動化技術的重要組成部分。 PLC 于 20 世紀 60 年 代末期在美國首先出現，目的是用來取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計時、計數等順序控制功 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、一種數字控制專用電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執(zhí)行 諸如邏輯、順序、計時、計數與演算等功能，并通過模擬和數字輸入、輸出等組件，控 制各種機械或工作程序。 隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高， 計算機在工業(yè)領域的廣泛應用， 人們對工業(yè)自動 化的要求越來越高，種類繁多的控制設備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領域的應用，使得傳統(tǒng) 的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。 本次設計的大米加工生產線控制系統(tǒng)是以 PLC 為核心控制器， 并結合昆侖組態(tài)軟件 MCGS，輔以光電傳感器，繼電器等實現的可 遠程控制的集成系統(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題

3、，使用戶能 根據自己的控制對象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。 1.1 本課題研究的目的、意義 現代自動控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機，小 型機、甚至是巨型機處理機等，當然這些處理機有一個很大的特點，那就是很高的運行 速度，很大的內存，大量的數據存儲器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系 統(tǒng)中，處理機的成本占系統(tǒng)成本的比例高達 20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一 個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系統(tǒng)追求經濟效益，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，而又不是很復雜，不需要大量復雜運算的系統(tǒng)中是非常適合的。 本論文是對現在大量使用的大米生產線控制系統(tǒng)進行自動化設計改造。 現有的控制系統(tǒng)很大部分是采用老式的繼電器觸點控制，系統(tǒng)故障率高，工人勞動強度大，系統(tǒng)設 1 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 備升級困難。大米生產過程中，如果系統(tǒng)控制不當，則會出現雜質、碎米率大、加工精 度不易控制等問題。為了提高系統(tǒng)的自動化水平，解決大米生產中產生的這些問題，利 用現代化的 PLC 與 MCGS 組態(tài)結合的集中控制技術，在一定程度上能夠提高勞動生產

5、 率，改善勞動條件，克服人為的不穩(wěn)定因素，為現代化的生產管理提供強有力的物質條 件，以達到系統(tǒng)自動化控制和系統(tǒng)升級的目的。 1.2 PLC 的簡介 可編程序控制器 （ Programmable Logic Controller ）簡稱 PLC, 是一種以微處理器為 核心的用于工程自動控制的工業(yè)控制機，其本質是一臺工業(yè)控制專用計算機 [2] 。PLC 是 一種專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的數字運算電子系統(tǒng)，它是以微處理機為基礎，綜合了 計算機技術、自動控制技術和通信技術等現代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制 裝置，是當今工業(yè)發(fā)達國家自動控

6、制的標準設備之一。 1.2.1 PLC 的特點及應用 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 控制裝置和通用計算機以及其他控制系統(tǒng)所不具備的特點： 1．運行穩(wěn)定、可靠性高、抗干擾能力強 2．設計、使用和維護方便 3．編程語言直觀易學 4．與網絡技術相結合 5．體積小、質量輕、能耗低 [3] 可編程控制器所具有的功能，使它既可用于開關量控制，又可用于模擬量控制；既 可用于單機控制， 又可用于組成多級控制系統(tǒng)； 既可控制簡單系統(tǒng)， 又可控制復雜系統(tǒng)。

7、 它的應用可大致歸納為如下幾類：邏輯控制、運動控制、過程控制、數據處理、多級控 制。 2 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 1.3 論文主要研究內容 本篇論文主要論述了如何用三菱 FX-2N 系列 PLC 設計大米加工生產線集中控制系 統(tǒng)。從而實現系統(tǒng)所需要的各項功能，滿足設計要求。本文研究內容主要是以 PLC 控 制整個生產過程，其內容有以下幾個方面： 1．接通電源開關后，將設備模式旋轉到自動定量輸送物料模式，將所有閥門旋轉 到關閉位置； 2．按下啟動按鈕， 利用真

8、空泵把原料吸進吸料漏斗內。 由吸料漏斗落入預量漏斗， 再由預量漏斗落入稱量漏斗。通過稱重傳感器實現自動稱量控制； 3．原料由稱量漏斗進入礱谷缸，當原料達到礱谷缸設定的位置時，關閉進料閥門 開始礱谷，礱谷后，啟動鼓風機， 進行谷糙分離， 分離時，糙米預存缸的進料閥門打開； 4．谷糙分離完畢后，糙米預存缸內開始進行碾米，碾米結束后，起動振動電機篩 選碾好的大米，利用鼓風機與高壓空氣推出大米，通過高壓輸管送入料籠。 1.4 論文組成 對大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計論文主要從機械和電氣兩方面進行設計和 說明。 第一章講述的是

9、課題研究意義和目的以及簡單地介紹了以下 PLC 的有關內容如： PLC 特點、 PLC 的應用和發(fā)展趨勢、 PLC 的結構、 PLC 的工作方式等等。 第二章講述系統(tǒng)概述及控制方案設計， 包括制系統(tǒng)設計目標控制系統(tǒng)設計內容， 大 米加工生產線集中控制系統(tǒng)方案選擇論證。 第三章是本次論文設計的核心部分之一： 控制系統(tǒng)的硬件設計。 它包括了控制系統(tǒng) 分析及元件選擇， PLC 控制系統(tǒng) I/O 點數的估算， 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)電路設計。 第四章講述的是軟件設計。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，主要模塊程序設計和模擬量輸入的算法設計。 第五章講述的是監(jiān)控界面的設計。包括系統(tǒng)操作界面，系統(tǒng)參數界面，報表界面，也是本設計的核心控制部分。 3 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 第 2 章 控制系統(tǒng)方案設計 隨著我國工業(yè)自動化水平的不斷提高， 對大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的自動化程 度也提出了更高的要求。 傳統(tǒng)的大米加工生產線多采用繼電器 [8] 控制電路實現控制要求， 機械觸點多，可靠性差，控制設備體積大。近年來，隨著計算機技術的發(fā)展，機械和電 氣化程度的提高，新技術產品

11、PLC 由于其特有的優(yōu)點，已廣泛地用于糧食加工行業(yè)。 2.1 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)設計要求 2.1.1 控制系統(tǒng)設計目標控制系統(tǒng)設計內容 根據大米加工生產線集中控制系統(tǒng)設計的要求，要求達到以下目標 : 1．設備具有全自動模式。 2．可遠程監(jiān)控大米加工情況，并對加工量進行歷史記錄。 3．保證出糙率和大米加工精度。 根據課題要求，該控制系統(tǒng)的設計主要有以下內容： 1．真空吸料：用一臺真空泵將待發(fā)原料吸入吸料漏斗，保證原料的稱料供應； 2．稱量設定：面板人工設置一次加工需要量，通過稱重傳感器實現自動稱量控制；

12、 3．礱谷控制：檢測壟谷缸內的原料位置，到達設定值時實現自動礱谷控制； 4．大米接收：礱谷完畢，啟動鼓風機進行谷糙分離，分離出的糙米進入碾米缸繼 續(xù)加工，加工后，自動打開缸門，利用鼓風機和高壓空氣將經過篩選的大米送入料倉。 2.1.2 控制系統(tǒng)的主要工藝流程 如圖 2.1 所示大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的工藝流程圖， 可知該集中控制系統(tǒng)的 工作過程大概如下： 原料先置于缸內或傳送袋內，通過真空泵吸入吸料漏斗，由吸料漏斗再自動落入預 量漏斗，由于吸料漏斗為真空，預量漏斗在此起緩沖作用。原料由預量漏斗落入稱量漏 斗，待光電開關檢測到原料達到

13、設定位置時，關閉放料閥門，進行稱量，取得數據后， 再打開放料閥門，讓稱好的稻谷進入礱谷缸進行礱谷，礱谷完畢后，啟動鼓風機，讓糙 4 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 米和谷殼經過振動電機進行谷糙分離，糙米進入碾米缸進行碾米，碾米結束后起動振動 篩，讓合格的大米顆粒進入填料器，鼓風機和高壓空氣將經過篩選的大米送入料倉。 直 徑 為 50 的 pvc 管 谷倉

14、 或傳送袋 高壓風機  吸料漏斗 原料 自動落入 預量漏斗 原料 自動落入 稱量漏斗 礱谷缸 鼓風機 高壓輸管 碾米缸 振動篩 料倉 注入式 填料器 圖 2.1 工藝流程圖 2.2 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)方案選擇論證 由基于 PLC的大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的工藝過程可知， 整條生產線三個單元 功能相

15、對獨立且分散，但又需要相互連鎖協調。這需要一個控制系統(tǒng)進行指揮控制。這 些都給控制系統(tǒng)提出了較高要求，需要采用先進的控制技術和控制方法，以提高工程質 量并簡化控制線路的復雜性，兼顧降低項目成本。故本課題控制系統(tǒng)選型的基本原則如 下： 5 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 1. 采用先進、可靠、成熟的控制技術以提高系統(tǒng)可靠性； 2. 采用模塊化設計，提高通用性及設備效率，易于維護； 3. 適應今后的技術發(fā)展、要求，系統(tǒng)有較高的可擴展性 [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 差別有以下幾個方面。 1. 控制邏輯 繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器觸點的串聯或并聯，及延時繼電器的 滯后動作等組合成控制邏輯，其接線多而復雜，體積大、功耗大、故障率高，一旦系統(tǒng) 構成后，想再改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點數目有限，每只只有 4～ 8 對觸電，因此靈活性和擴充性很差。而 PLC采用存儲邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲 在內存內，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，故成為“軟接線” 。其接線少，體積 小，因此靈活性和擴展性都很好。 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，繼電器控制線路中各繼電器同時都處于受控狀態(tài)，即該吸合的都應吸 合，不該吸合的都應受到某種條件限制不能吸合，它屬于并聯工作方式。而 PLC的控制 邏輯中，各內部器件都處于周期性循環(huán)掃描中，屬于串聯工作方式。 3. 可靠性和可維護性 繼電器控制邏輯使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點開閉會受到電弧的損壞， 并有機械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護性差。而 PLC采用微電子技術，大量的開 關動作由無觸點的半導體電路完成，體積小，壽命長，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。并隨時顯示給操作人員。還能動態(tài)地監(jiān)視控制程序

18、的執(zhí) 行情況。為現場調試和維護提供了方便。 4. 控制速度 繼電器控制邏輯依靠觸點的機械動作實現控制，工作頻率低，觸點的開閉動作一般 在幾十 ms 數量級。另外，機械觸點還會出現抖動問題。而 PLC是由程序指令控制半導 體電路來實現控制。屬于無觸點控制，速度極快，一般一條用戶指令的執(zhí)行時間在 μ m 數量級，而不會出現抖動。 5. 定時控制 6 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 繼電器邏輯利用時間繼電器進行時間控制。一般來說，時間繼電器存在定時精確度 的不高，定時范圍窄，且易受環(huán)境濕度

19、和溫度變化的影響，調整時間困難等問題。 PLC 使用半導體集成電路做定時器，時基脈沖由晶體振蕩器產生，精度相當高。且定時時間 不受環(huán)境的影響，定時范圍一般從 0.001s 到若干天或更長。用戶可以根據需要在程序中設置定時值，然后由軟件來控制定時時間 [8] 。 從以上幾個方面的比較可知， PLC在性能上比控制邏輯優(yōu)異， 特別是可靠性高， 設計施工周期短，調試修改方便，而且體積小，功耗低，使用維護方便，但在很小的系統(tǒng)中使用時，價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，內含存儲器、運算器、控制器，根據工業(yè)控制過程的特點，進行專門的電

20、路設計，是一種通用的標準的工業(yè)控制計算機。 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，可以直接與行程開關等傳感器及驅動執(zhí)行機構的電磁線圈連接在一起， 使控制系統(tǒng)比較簡單。 PLC根據類似于繼電器控制系統(tǒng)的梯形圖進行程序設計，簡單明了。與繼電器控制 相比較， PLC性能好價格低，功率價格適中 [9] 。 根據上述分析， PLC 是現階段基于 PLC的泡沫發(fā)泡機控制系統(tǒng)最理想的控制機。 所以本設計選用 PLC 作為系統(tǒng)控制機。下面是對選定方案的分析： 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足的功能步驟及要求大多是開關 量

21、信號，所以選擇可編程序邏輯控制器是完全能夠滿足其功能要求的。 B. 系統(tǒng)可靠性分析：系統(tǒng)設置了光電檢測開關，對整條生產線進行監(jiān)控，使系統(tǒng)可靠性得到了進一步的保證。 C.系統(tǒng)擴展性分析：系統(tǒng)采用 PLC 作為控制器，其本身就具有極強的功能擴展性， 加之 PLC 產品的完整性，使得系統(tǒng)功能擴展極其方便。 D. 系統(tǒng)可維護性分析：系統(tǒng)采用先進控制方式，大大降低了工程成本，并由于系統(tǒng)組態(tài)及結構簡單，這使得可維護性增強。 2. 技術性能 A．吸料漏斗物位的控制； B．欲量漏斗物位的控制； 7 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)

22、的設計 C．壟米，碾米時間限制； D．閥門受阻時進行故障報警； E．整個工作流程的自動化。 本課題所設計的基于 PLC 的大米加工生產線集中控制系統(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，充分利用了現代先進技術，提高了勞動生產率， 為現代化的生產管理提供了強有力的物質條件。

23、 8 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 整個系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成。本章詳細介紹了系統(tǒng)的硬件設計，并 對硬件的每一個部分進行了分析。硬件設計的每一個環(huán)節(jié)完成相應的功能，并組成一個 統(tǒng)一的整體。在對控制系統(tǒng)分析的基礎上，對所用的元器件進行選型， PLC地址分配， 最后對系統(tǒng)硬件進行總體設計。 3.1 控制系統(tǒng)分析及元件選擇 本設計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，需要進行控制 的是整個工藝流程的實現。通過可編程控制器（ PLC）與電機（包括礱谷機、振蕩電機、 碾米機、真空泵及鼓風機）以及其他外部硬件（電磁閥，傳感器）相連實現了整個大米 加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計。 本次設計的控制系統(tǒng)的結構示意圖，如圖 3.1 所示： 行程開關 1 KV16 吸料漏斗 KV3 KV1 KV4 行程開關 2 預量漏斗 KV2 真空泵 KV5 KV6 稱量漏斗

25、谷倉 KV7 KV8 KV9 鼓風機 壟谷缸 壟谷電機 光電開關 KV10 KV11 KV12 碾米電機 排氣電磁閥 KV13 空 氣 電 磁 閥 碾米缸 電動閥 KV15 振動電機 圖 3.1 系統(tǒng)結構示意圖 9 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 其主要工作原理如下： 接通電源后，將設備模式旋轉到自動定量輸送物料模式，

26、將所有閥門旋轉到關閉位 置；按下啟動按鈕，利用真空泵把原料吸進吸料漏斗內，等光電開關 1 檢測到原料到位 后，關閉真空泵， 打開吸料漏斗開關門電磁閥 KV1吸料漏斗空氣閥 KV16，使原料由吸料 漏斗落入預量漏斗； 重復該步驟直至光電開關 2 檢測原料到位后，關閉 KV1，打開預量漏斗開關門電磁 閥 KV3， KV2及預量漏斗開關門電磁閥 KV4，KV5，讓原料快速落入稱量漏斗內，達到設定時間后，關閉所打開的 KV3，KV2及 KV4，KV5，，進行稱量，稱量結束后，把所測量的數值傳送給 MCGS觸摸屏； 完成稱量步驟后， 打開稱量漏斗高壓空氣電磁閥 KV6

27、，KV7，讓待加工的原料由稱量漏斗落入礱谷缸內。啟動礱谷電機，進行礱谷，待到礱谷結束后啟動鼓風機，讓脫出的稻谷殼與糙米分離開來； 分離后，打開礱谷缸高壓空氣電磁閥 KV8，KV9，壟谷缸開關門電磁閥 KV10，讓糙米快速落入碾米缸內，達到設定時間后，關閉 KV8，KV9，KV10，啟動碾米電機，碾米結束后，啟動振動電機， 利用振動篩選取合格大米，最后打開空氣電磁閥 KV14，碾米缸高壓空氣閥 KV11，KV12，電動閥 KV15，把加工好的大米送入料倉。 3.1.1 控制系統(tǒng)分析 根據課題設計要求及大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的特點，對系統(tǒng)的控制分析如 下：

28、 1．打開電源開關后，設定加工方式：自動或手動，并設定原料重量。 2．按下啟動按鈕，利用真空泵把原料吸進吸料漏斗內。由吸料漏斗落入預量漏斗， 再由預量漏斗落入稱量漏斗。通過稱重傳感器實現自動稱量控制。 3．原料由稱量漏斗進入礱谷缸，通入空氣，由壓力傳感器測量缸內壓力，光電傳 感器檢測原料位置，實現自動礱谷控制。 4．礱谷完畢，啟動鼓風機進行谷糙分離，分離出的糙米進入碾米缸繼續(xù)加工，加 工后，自動打開缸門，利用高壓空氣將經過篩選的大米送入料倉。 10 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計

29、 3.1.2 元器件選擇及依據 根據控制系統(tǒng)的各項分析以及對元器件的要求，為滿足系統(tǒng)功能，系統(tǒng)需要的主要 元器件有 PLC控制器、壓力傳感器、稱重傳感器、光電傳感器、礱谷機、碾米機、電磁閥等，下面對幾個主要的器件功能進行介紹： 1. 三菱 FX-2N PL C介紹 三菱 FX-2N運行速度快、功能強，適用于要求較高的中小型控制系統(tǒng)。所以本設計應用此系列的 PLC。 FX-2N基本單元由中央處理器（ CPU）、電源 以及數字量輸入輸出單元組成。 這些都被緊湊地 安裝在一個獨立的裝置中。 在基本單元上連接擴展單元或

30、擴展模塊， 可 進行 16-256 點的靈活輸入輸出組合?？蛇x用 圖 3.2 帶有擴充模塊的三菱 FX-2N CPU 模塊  16/32/48/64/80/128 點的主機，可以采用最小 8 點的擴展模塊進行擴展?？筛鶕娫醇拜敵鲂? 式，自由選擇。程序容量：內置 800 步 RAM（可輸入注釋）可使用存儲盒，最大可擴充 至 16K 步。豐富的軟元件應用指令中有多個可使用的簡單指令、高速處理指令、輸入過 濾常數可變，中斷輸入處理，直接輸出等。便利指令數字開關的數據讀取， 16 位數據的 讀取，矩陣輸入的讀取， 7 段顯示器輸

31、出等。數據處理、數據檢索、數據排列、三角函 數運算、平方根、浮點小數運算等。 特殊用途、脈沖輸出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V）， 脈寬調制， PID 控制指令等。外部設備相互通信，串行數據傳送， ASCII code 印刷， HEX ASCII 變換，校驗碼等。時計控制內置時鐘的數據比較、 加法、減法、讀出、寫入等。 2. 稱重傳感器的介紹 智能化稱重傳感器是近些年來的開發(fā)熱點。智能傳感 器的定義在各國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 稱重傳感器外形 11 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 能夠完成信號探測和處理、邏輯判斷、雙向通訊、自檢、自校、自補償、自診斷和計算 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。數字式智能稱重傳感器正是按此思路發(fā)展和應用的，同樣有兩種結構形式，即整體型和分離型 [11]。 整體型是在稱重傳感器內部安裝有放大、濾波、 A/D 轉換、微處理器芯片和溫度敏 感元件等組成數字處理電路，利用微處理器已存入

33、的軟件，實施各項數字補償工藝進行各項性能調整和測試，最后采用電子束焊或激光焊進行密封。數字式智能稱重傳感器的 制造工藝完全不同于模擬式稱重傳感器，主要是兩個環(huán)節(jié) : 其一彈性體貼片組成惠斯登電橋電路后，通過試驗測試建立數字補償工藝要求的各項數學模型，形成便于程序化計算的公式。其二是根據數學模型編制出簡單實用的補償計算軟件，存儲在微處理器芯片中進行各項誤差修正和補償。軟件技術主要有數字濾波技術，標度變換技術，數字調零 技術，溫度補償技術和線性補償技術等。 同時還應解決抗射頻干擾 (RFI) 、電磁干擾 (EMI ) 和閃電引起的電瞬變等過壓保護問題。 分離型是將放置在稱重傳感器內部的

34、 A/D 轉換等數字處理電路移至一個外部接線盒內，將普通的模擬式稱重傳感器接入數字接線盒后， 其輸出便以數字信號傳輸給與其配套的稱重顯示控制儀表。 通常把模擬式稱重傳感器加數字接線盒模式稱為模塊化數字稱重傳感器系統(tǒng)。 模擬式稱重傳感器基本上是手工化生產，人為的因素對產品質量影響較大，數字式智能稱重傳感器基本上是自動化生產，排除了人為因素對產品質量的影響。數字式智能稱重傳感器具有輸出信號大，抗干擾能力強，信號傳輸距離遠，易實現智能化控制等特點，較廣泛的應用于大型電子平臺秤、電子汽車衡，結構復雜的電子料斗秤、電子容器秤和大死載、小活載的特殊電子秤。 NS-TH16系列智能（數字）稱重傳

35、感器結構簡單、堅固、安裝方便、抗振動沖擊力強，采用先進的微處理技術和數字通訊技術 , 全密封結構，防水、防腐。被廣泛應用在自動化控制系統(tǒng)中，作為稱量、測力等自動控制元件。所以本設計采用此類型的稱重傳感器。 3 礱谷機的介紹 本次設計所選用的 HR10C是佐竹（蘇州）機械有限公司的最新研制的礱谷機，它具有以下特點： 1. 脫殼率高且保持穩(wěn)定，本機采用自動控制操作，脫殼率在 90%左右，能在生產過 12 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 程中保持穩(wěn)定的脫殼率； 2. 操作調節(jié)方便，本機通過氣動控制輥間壓力，有料位器

36、與之連接，斷料可立即松輥，來料自動延時緊輥； 3. 運轉平穩(wěn)，機器主要回轉件都經動平衡檢驗，所以運轉平穩(wěn)，振動?。? 表 3.1 礱谷機主要參數 型號 HR10C 加工能力 長粒稻 3-5t/h 短粒稻 4-6t/h 所需功率 7.5kw-4p, 52W+3.7kw-4p, 0.1kw 主軸轉速 HU 10FT 1150 轉 /分 HA 10W(2) 1400 轉 /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 碾米機的介紹 新型立式碾米機的設計思想是近百年來立式碾米經驗的積累。 該機匯集了許多立式碾磨的最新技術，它廣泛使用在美國、歐洲和亞洲國家的許多主要加工廠中。用于加工不同等級白米的 VTA系列是現代大米加工工業(yè)的理想設備，其具有以下特點： 1. 加工產量高、破碎低，在碾磨過程中，由于采用了新研制的最佳碾磨室，因此大米產量提高，破碎減少，水分損失??； 2. 操作調節(jié)方便，通過卸料門壓力調整即可容易地獲得所需的研白精度； 3. 部件易于更換，砂輥能很容易從機器頂部抽出。篩片設計從機器旁邊取出，在不 拆除機器框架情

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， 由于碾白室進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； 5. 機器內部的米糠殘留量最少，碾白室的下部有回轉式排出器，有助于米糠順利排 13 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 出機外； 6. 結構設計緊湊，特殊設計的碾白室?guī)缀跏莻鹘y(tǒng)設備碾白面積的兩倍，而且該機占地小，產量高； 表 3.2 礱谷機主要參數 型號 VTA7C 糙米處理量 4-6(t/h) 電機 37kw-6p 主

39、軸轉速 700r.P.m 風量 40m3/min 靜壓 -100- -150mmAq 外形尺寸 1,447 8501,989(mm) 5 觸摸屏的介紹 本次設計采用 MCGS觸摸屏， MCGS即" 監(jiān)視與控制通用系統(tǒng) " ，英文全稱為 Monitor and Control Generated System 。 作為工業(yè)過程控制和實時監(jiān)測領域服務的通用計算機系統(tǒng)軟件 MCGS，它的功能十分 完善，不僅操作簡便、 可視性好，而且具有可維護性強等突出特點。 MCGS為解決工程監(jiān) 控問題提供了豐富多樣的手段，從設備驅動（數據采集）到數據處理、報警處

40、理、流程 控制、動畫顯示、報表輸出、曲線顯示等各環(huán)節(jié)，均有豐富的功能組件和常用圖形庫可 供選用，用戶只需根據工程作業(yè)的需要和特點，進行方案設計和組態(tài)配置，即可生成用 戶應用軟件系統(tǒng)。 在這次大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計中，觸摸屏的使用加深了自動化的程 度，我們不僅可以通過 PLC 的在上位機的線上監(jiān)控功能查詢加工情況，更能直接通過 MCGS直觀圖像獲取我們大米加工所進行的流程， 大米實時加工量，及歷史加工量的記錄， 也能直觀的找到報警記錄，同時我們可以直接在觸摸屏上對加工物料量進行調整設置 等，極大地便利了加工生產線的操作。

41、 14 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 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 器件名稱 規(guī)格 數量 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)控生產流程 用于檢測稱量漏斗和預量漏 3 光電開關 SA3M-1K 2 斗的原料到位情況

42、 用來測稻谷的重量 4 稱重傳感器 NS-TH16 1 輸出 0～10V 量程： 0～ 500Kg 通過真空管把原料顆粒吸入 5 真空泵 1.5Kw 1 吸料缸內 6 振動電機 0.5Kw 1 電機振動使碎米粒篩選出去 7 鼓風機 3． 7Kw 1 通過鼓風將谷糙分離 8 礱谷機 HR10C 1 給稻谷脫殼 9 碾米機 VTA7C 1 糙米 3.2 控制系統(tǒng)的硬件設計 對系統(tǒng)進行硬件設計，主要包括 I/O 點數的

43、估算、模塊選型、 I/O 地址分配和電路 設計。 3.2.1 PLC 控制系統(tǒng) I/O 點數的估算 由大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的 PLC自動控制結構示意圖以及工藝流程圖可得： 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)需要兩個模擬量輸入通道： 1 個稱重傳感器檢測原料重量， 1 個壓力傳感器用來檢測礱缸內的壓力。系統(tǒng)還要求 6 臺電機運行，所以需接接觸器線 15 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 圈。還應用到大量的電磁閥及少量的開關和按鈕等器件。 所需各元器件功能及所占 PLC 輸入輸出點數見表 3.

44、2，表 3.3，表 3.4。 由表可知，本次設計的泡沫發(fā)泡機控制系統(tǒng)的輸入模擬量是 2 個通道，輸入開關量 點數是 6，輸出點數是 22。 表 3.2 模擬量輸入所需各元器件功能及所占 PLC通道 項目名稱 模擬量輸入通道 備 注 1 一次礱谷所需原料顆 稱量測量變送模塊 粒的重量 表 3.3 開關量輸入所需各元器件功能及所占 PLC點數 項目名稱 開關量輸入點數 備注 按鈕 3 啟動與停止 光電開關 2 檢測原料到位情況 電動閥開關

45、門到位 2 出料開關門情況控制 表 3.4 開關量輸出所需各元器件功能及所占 PLC點數 項目名稱 開關量輸出點數 備注 16 控制原料落入，空氣輸 電磁閥 入等 1 在壓力過高時進行自動 報警 報警 接觸器線圈 8 控制 6 臺電機的運轉  總通道 1 個通道 總點數 X 點： 7

46、 總點數 Y 點： 22 3.2.2 PLC 及主要模塊的選型 FX-2N 主機的型號規(guī)格種類較多，以適應不同需求的控制場合。三菱公司 FX-2N系 列產品有： FX-16MR、FX-32MR、FX-48MR、FX-64MR、FX-80MR、FX-128MR。FX-48MR系列 產品指令豐富、速度快、具有較強的通信能力。 根據需求本設計用 FX-48MR模塊，其 I/O 總數為 48 點。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 , 輸出 24

47、點.FX2N 是 FX系列中功能 16 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 最強、速度最高的微型 PLC，內置用戶存儲器 8Kb，可擴展到 16K 步，最大可擴展到 256 個 I/O 點，可有多種特殊功能擴展， 實現多種特殊控制功能 （PID、高速計數、 A/D、D/A、等）。有功能很強的數學指令集。通過通信擴展板或特殊適配器可實現多種通信和數據 鏈接。 模擬量信號是—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，要對這些模擬量進行采集并送給 PLC的 CPU，必須先對這些模擬量進行模 /

48、數 (A/D) 轉換。模擬量輸入模塊就是用來將模擬信號轉換成 PLC所能接受的數字信號的。生產過程的模擬信號是多種多樣的，類型和參數大小也不相同，所以，一般先用現場信 號變送器把它們變換成統(tǒng)一的標準信號 ( 如 4—20mA的直流電流信號、 1～5V 的直流電壓 信號等 ) ，然后再送入模擬量輸入模塊將模擬且信號轉換成數字量信號， 以便 PLC的 CPU 進行處理。模擬量輸入模塊一般由濾波、模數 (A／D)轉換，光耦合等部分組成。光耦合 器有效地防止了電磁干擾，對多通道的模擬量輸入單元，通常設置多路轉換開關進行通 道的切換，且在輸出端設置信號寄存器。 模

49、擬量輸入模塊設有電壓信號和電流信號輸入端。輸入信號經濾波、放大、模 / 數 (A/D) 轉換得到的數字量信號，再經光耦合器進入 PLC內部電路 [14] 。 本次設計就采用 FX2N-4AD的 4 通道模擬量特殊模塊。 FX2N-4AD模擬特殊模塊有四 個輸入通道。輸入通道接收并將其轉換成數字量， 這稱為 A/D 轉換。FX2N-4AD最大分辨 率是 12 位，基于電壓或電流的輸入 / 輸出的選擇通過用戶配線來完成，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主單元之間通過緩沖存儲器交換數據， FX2N-4AD共有 32 個緩沖存儲器 ( 每個 16 位 ) ，FX2N-4AD占用 FX2N擴展總路線的 8 個點 . 這 8 點可以分配成輸入或輸出 .FX2N-4AD 消耗 FX2N主單元成有源擴展單元 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 I/O 點的估算，根據控制系統(tǒng)要求利用 PLC控制的信號的分布情況，綜合 考慮各輸入、輸出點的性質，對各輸入、輸出點進行分組分配。其對應 PLC 輸入 / 輸出 地址分配如表 3.5 所示

51、。 17 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 表 3.5 輸入 /輸出信號地址分配表 輸入 序號 名稱 I 分配 序號 S1 系統(tǒng)啟動 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 行程開關 1 X4 KV4 S6 行程開關 2 X5 KV5 S7 光電開關 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 排氣電磁閥 吸料漏斗開關門電磁閥預量漏斗開關門電磁閥預量漏斗高壓空氣電磁 閥 稱量漏斗高壓空氣電磁 閥 稱量漏斗開關門電磁閥 礱谷缸高壓空氣電磁閥 壟谷缸開關門電磁閥 碾米缸高壓空氣電磁閥 空氣電磁閥 電動閥 吸料漏斗高壓空氣閥閥門受阻報警 抽真空 攪拌機運

53、行 鼓風機運行 振動電機運行 壟谷電機運行 碾米電機運行 出料開關門電動閥正轉出料開關門電動閥反轉  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 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 3.2.4 控制系統(tǒng)電路設計 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)設計過程中，采用了一系列 控制措施。如接直流電源的輸出口并聯反向二極管續(xù)流電路，接交流電源的輸出口并聯 RC構成續(xù)流電路，用以防止斷電產生高壓，擊壞 PLC輸出口。 在對 PLC供電時，是通過了 ARV穩(wěn)壓電源再給 PLC供電的，這種高精度全自動交流 穩(wěn)壓器 AVR系列是引進了臺灣技術并結合我國電力實況設計而開發(fā)的一種新型高精度全 自動交流穩(wěn)壓器，廣泛應用于

55、PCB、 CNC等多種進口機械設備中。產品具有容量大、精 度高、無波形畸變，并具有過壓、 欠壓、過載自動保護功能。使用安全可靠，維護簡便。 這樣不僅可以防止人員觸電事故，也能保證整個控制系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。 在對各個電機供電時，是經過斷路器、接觸器及熱繼電器后再給電機供電的，這樣 對電路的過壓、過流、過載及欠壓等常見故障能迅速起到自動保護作用。 電機接線圖見附錄 A。

56、 19 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 第 4 章 控制系統(tǒng)的軟件設計 在對控制系統(tǒng)進行分析和硬件設計的基礎上，根據 PLC控制系統(tǒng)工藝流程和系統(tǒng)控 制要求，對 PLC進行了軟件設計。 4.1 PLC 控制系統(tǒng)的流程圖 根據設計的要求， PLC實現以下功能 : 真空吸料：用一臺真空泵將待加工原料吸入吸料漏斗，保證原料的稱料供應； 稱量設定：面板人工設置一次加工稻谷需要量， 通過稱重傳感器實現自動稱量控制； 壟谷控制：檢測壟谷缸內的原

57、料位置，到達設定值時實現自動礱谷控制； 大米接收：礱谷完畢，啟動鼓風機進行谷糙分離，分離出的糙米進入碾米缸繼續(xù)加 工，加工后，自動打開缸門，利用高壓空氣將經過篩選的大米送入料倉。 根據系統(tǒng)工藝對控制的要求，可詳細寫出控制系統(tǒng)的流程圖，系統(tǒng)的 PLC流程圖如 圖 4.1所示： 開始 真空泵運行， 稻谷進 入吸料缸內。 N 光電傳感器 1 有信號？ Y 電磁閥門 KV1，KV16 打開通入高壓 空氣，使稻谷迅速落入預量漏斗。

58、 20 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 真空泵持續(xù)運行 N 光電傳感器 2 有信號？ Y KV1、 KV16、真空泵 OFF；KV2、 KV3、 KV4 ON，使稻谷迅速落入預量漏斗。 N 放料結束？ Y N 稱量結束？ Y KV2、KV3、KV4OFF；KV5、KV6、KV7 ON， 使稻谷迅速落入礱谷缸。 N 放料結束？ Y

59、 KV5、KV6、KV7OFF；礱谷電機 ON； 21 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 N 礱谷結束？ Y 礱谷電機 OFF；鼓風機、KV10、KV8、 KV9 ON；篩選的糙米進入碾米缸 N 放料結束？ Y 鼓風機、 KV8、KV10、KV9OFF；碾米電機 ON； N 碾米結束？

60、 Y 碾米電機 OFF；振動電機、KV14、KV11、 KV12、 KV15 ON，篩選的大米進入料倉 N 放料結束？ Y 振動電機、 KV14、KV11、KV12、KV15OFF， 一次大米加工結束，等待下次加工指示 圖 4.1 系統(tǒng)流程圖 22 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 4.2 PLC 常用的程序設計方法 應用程序設計過程中，應正確選擇能反映生產過程的變化參數作為控制參量進行 控制；應正確處理各執(zhí)行電器、各編

61、程元件之間的互相制約、互相配合的關系，即聯鎖 關系。應用程序的設計方法有多種， 常用的設計方法有經驗設計法、 順序功能圖法等 [16] 。 1. 經驗設計法 經驗設計法要求設計者具有較豐富的實踐經驗，掌握較多的典型應用程序的基本 環(huán)節(jié)。根據被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，憑經驗選擇基本環(huán)節(jié)，并把它們有機地組合起來。其設計過程是逐步完善的，一般不易獲得最佳方案，程序初步設計后，還需反復調試、修改和完善，直至滿足被控對象的控制要求。 經驗設計法的設計不規(guī)范，沒有一個普遍的規(guī)律可遵循，具有一定的試探性和隨意 性，對于同一被控對象，設計出的程序不是惟一的，程序設計的質

62、量與設計者的經驗有 關。對于復雜的控制系統(tǒng)的設計，由于聯鎖關系復雜，用經驗設計法進行設計一般難于 掌握，且設計周期較長， 設計出的程序可讀性差， 即使有經驗的工程師閱讀它也很費時。 同時，給日后產品的使用、維護帶來諸多不便。對于簡單的控制系統(tǒng)的設計，用經驗設 計法進行設計簡單、易行，可以收到明顯的效果。對于一些舊設備的改造也可采用經驗 設計法，借鑒原設備繼電器控制電路圖，并綜合考慮 PLC特點，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 標準的語言，用于編制 復雜的順控程序。利用這種先進的編程方法，初學者也很容易編出復雜的順控程序，大 大提高了工作效率，也為調試、試運行帶來許多言傳的方便。順序功能圖用以全面描述 控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性，而不涉及系統(tǒng)所采用的具體技術沒。順序功能圖主 要由步、有向連線、轉換和轉換條件及動作（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是在工序進行時， 與前一工序不接通，以各道工序的簡單順序，即可控制設備。 本次的大米加工生

64、產線集中控制系統(tǒng)既可以選擇一般的梯形圖，也可選用順序功能 圖，最終選擇經典的梯形圖。 23 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計 4.3 系統(tǒng)程序的編寫 4.3.1 主要程序模塊 1. 報警系統(tǒng) 在 PLC控制系統(tǒng)發(fā)生事故、故障時都應發(fā)出報警信號，一般是聲光報警信號。在整個工藝流程中必須注意做好實時報警檢測， 因為在整個流程中如果中間出現故障又不能及時地發(fā)現并處理的話，對整個大米加工生產線控制系統(tǒng)來說都是非常大的損失。

65、 2. 真空吸料 通過真空管用一臺真空泵將待發(fā)原料吸入吸料漏斗，保證原料的稱料供應。真空泵 運行的條件是吸料漏斗開關門電磁閥 KV1處于關閉狀態(tài)，且吸料漏斗中原料未滿（由光 電開關 1 測量），如果符合條件，則啟動真空泵，當原料滿后，停止運行真空泵，等待 條件符合，繼續(xù)運行。 24 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計

66、 3. 原料從吸料漏斗進入預量漏斗 開 KV1，原料從吸料漏斗進入預量漏斗。開 KV1的條件是吸料漏斗原料已滿（由光電開關 1 測量），預量漏斗原料未滿 （由光電開關 2 測量），且電磁閥 KV2處于關閉狀態(tài)。當原料滿后，關閉電磁閥 KV1。 4. 原料從預量漏斗進入稱量漏斗 開電磁閥 KV2和高壓空氣閥 KV3、KV4，原料從預量漏斗進入稱量漏斗。 原料進入稱量漏斗的條件是預量漏斗原料滿，稱量漏斗原料為 0，且電磁閥 KV7處于關閉狀態(tài)。當原料稱好后，關閉電磁閥 KV2和高壓空氣閥 KV3、KV4。 25 大米加工生產線集中控制系統(tǒng)的設計