籽棉回潮率測量裝置控制系統設計—基于PLC和組態王

李　洋，坎　雜，李成松，王麗紅，趙毅兵

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832003;2.石河子開發區石大銳拓機械裝備有限公司，新疆 石河子　832003)

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籽棉回潮率測量裝置控制系統設計—基于PLC和組態王

李洋1，坎雜1，李成松1，王麗紅1，趙毅兵2

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832003;2.石河子開發區石大銳拓機械裝備有限公司，新疆 石河子832003)

摘要：籽棉回潮率的測量對于穩定棉花市場、發展棉花生產具有重要意義。為此，針對目前新疆籽棉回潮率測量存在的采集時間長、采集效率低及勞動強度大等問題，在現有籽棉回潮率自動測量裝置的基礎上，根據其結構特點和控制要求設計了一種基于PLC和組態王的控制系統，并進行軟件開發。該系統采用三菱FX2N-64MR系列CPU作為主控單元，通過組態王6.53監控界面對電機運行狀態、運行時間等參數進行實時監控。實驗結果表明：該系統有效提高了籽棉回潮率的采集效率，為實現籽棉回潮率的自動化和智能化測量奠定了基礎。

關鍵詞：籽棉回潮率；測量裝置；控制系統；PLC；組態王

0引言

截止2014年，新疆棉花產量達367.7萬t，占全國總產量的59.7%[1]。棉花回潮率不僅是影響棉花安全儲運、加工工藝系統穩定性及加工質量的重要因素[2-3]，還是棉花貿易結算的重要依據。目前，運棉車內籽棉回潮率大多依靠人工利用手持式籽棉回潮率儀進行測量，存在采集時間長、效率低、勞動強度大、采集深度低，以及運棉車內部數據難以采集等問題[4-5]。為了提高籽棉回潮率測量效率、降低多次測量作業強度，石河子大學機械電氣工程學院設計了一種籽棉回潮率測量裝置，但缺少與之配套的監控系統，尚未實現籽棉回潮率的自動化與智能化測量。因此，設計一種與測量裝置配套的監控系統，使其實現對測量裝置進行控制同時也可對其運行狀況進行實時監控。

本文根據籽棉回潮率測量裝置的控制要求，設計了一種基于PLC和組態王的籽棉回潮率測量裝置控制系統。該系統采用三菱FX2N-64MR-001型PLC作為核心控制器，配合使用空氣開關、交流接觸器、熱繼電器等電氣元件。作業時，控制器驅動相應的三相異步電動機，通過傳動機構帶動籽棉回潮率數據采集儀器運動至相應位置進行測量，能夠實現運棉車內籽棉回潮率多點、多層次的測量，為籽棉回潮率測量裝置及測量技術的研究提供了參考。

1測量裝置結構及控制要求

1.1　測量裝置結構

籽棉回潮率測量裝置主要由橫梁、側梁、支架、卡具、電機(安裝位置與序號圖中已標出)等部分組成，如圖1所示。

1~12.電機　13.卡具　14.支架　15.橫梁　16.側梁

籽棉回潮率數據采集儀器安裝于卡具上，每一個卡具均配有相應的驅動電機以實現多點、多層次測量。該裝置利用絲杠螺母機構進行傳動，以傳遞運動為主，類似機床工作臺的進給絲杠[6]。工作時，在電機的驅動作用下，通過傳動機構帶動橫梁、側梁、支架、卡具有序運動，實現數據采集儀器在三維空間里的有序動作，使數據采集儀器插入運棉車籽棉內部進行測量。

1.2　控制要求

1)定位控制。控制1、2號電機，驅動橫梁、側梁做縱向往復直線運動，即數據采集儀器在X方向上的運動；控制3、4號電機，驅動頂面支架作橫向直線往返運動，即數據采集儀器在Y方向上的運動；控制5、6號電機，驅動側面支架作豎直方向往復直線運動，即數據采集儀器在Z方向上的運動。

2)數據采集控制。控制7~10號電機，驅動頂面卡具作豎直方向即Z方向的往復直線運動，使頂面數據采集儀器插入或抽離運棉車；控制11~12號電機，驅動側面卡具作水平方向即Y方向的往復直線運動，使側面數據采集儀器插入或抽離運棉車。

完整的一次測量：開始后，PLC分別賦予1~6號電機一個隨機的時間值，1~6號電機同時啟動，每個電機按照各自隨機值運行，直至最后一個電機停止運行，從而帶動機械裝置的橫梁、側梁以及支架有序運動，實現數據采集儀器的隨機定位；隨后同時啟動7~12號電機運動一定時間，使安裝于卡具上的數據采集儀器插入運棉車內，停頓30s(此時間段為籽棉回潮率數據采集時間)，進而7~12號電機反轉帶動卡具歸至原位，1~6號電機反轉帶動橫梁、側梁以及支架歸至原位，使數據采集儀器歸回原位，本次測量結束。

2監控系統設計

2.1　總體設計方案

本文設計的籽棉回潮率測量裝置監控系統以組態王人機界面作為主控界面，采用PLC技術，配合使用空氣開關、交流接觸器、熱繼電器等電氣元件，對三相交流異步電動機進行控制，驅動對應的傳動機構，實現籽棉回潮率數據采集儀器在三維空間里的有序動作，以實現運棉車內部籽棉回潮率多點多層次的測量。控制系統結構圖如圖2所示。

2.2　系統硬件設計

PLC的選擇主要應從PLC的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊，以及通信聯網能力等方面加以綜合考慮[7]。根據以上原則，本設計選用三菱FX2N-64MR-001型PLC，系統共有31個輸入設備和32個輸出設備，I/O分配如表1和表2所示。選用PC應用kingview6.53工業組態軟件作為上位機，通過USB-SC09電纜線與PLC進行通訊。

本系統采用電機均為1.1kW三相異步交流電動機，12臺電機并聯使用，單臺電機額定電流為2.2A，綜合考慮性價比及系統可靠性、穩定性等多方面因素，選用正泰公司生產的CJX2-0910型交流接觸器、JR16-20/3D型繼電器與RL1-15型熔斷器。同時，為了保證機械裝置的安全、可靠運行，選用正泰公司生產的YBLX-19/001型，其動作原理與按鈕類似，適用于速度高于0.4m/min的場所，符合本控制系統的需求。

圖2　監控系統結構圖

輸入端口功能X0程序啟動按鈕SB1X1程序關閉按鈕SB2X2電機控制按鈕SB3X3~X361~12號電機兩端限位開關SB4-SB31

表2　輸出端分配表

系統設置交流接觸器KM，可在緊急情況切斷負載電源。系統共有3個控制按鈕：SB1為“總開關”按鈕，按下時表示系統通電，為下一步工作準備；SB2為"關閉開關"按鈕，按下時表示切斷系統電源，且KM觸點斷開，工作時間結束；SB3為"開始測量按鈕"，按下時表示啟動控制系統，使各KM線圈得電自鎖，各主觸點接通，各電機按控制要求有序動作。系統設置行程開關，用于各機械運動部件的行程保護和控制，保證機械部件在規定的X、Y、Z3個方向上的有序動作。PLC外部接線端子圖如圖3所示。

圖3　三菱FX2N-64MR-001型PLC外部接線圖

2.3　系統軟件設計

根據控制要求及總體設計方案，利用對應的編程語言指令編寫實現控制要求與功能的PLC用戶程序。本文設計的控制系統采用手動和自動兩種操作方式:手動操作主要由控制柜上的按鈕開關控制各個電機的啟動與停止，便于設備的調試和維修;在設備的正常工作狀態下采用自動控制方式并由組態王人機界面實現對各個電機運行狀態與參數的實時監控，自動控制流程圖如圖4所示。

GX Developer編程軟件可以編寫梯形圖和狀態轉移圖程序，支持在線和離線編程功能，并具有軟元件注釋、聲明、注解及程序監視、測試、故障診斷及程序檢查等功能[8]。本文利用GX Developer編程軟件對PLC控制系統程序進行設計。

1)定位電機(1~6號電機)控制程序。1~6號電機控制過程相同，下面以1號電機為例進行定位控制梯形圖的闡述。1號電機控制程序如圖5所示。其中，M0為1號電機正轉線圈，由組態王生成隨機數并送到數據寄存器D中，時間寄存器T按照對應數據寄存器D中的數據運行一定時間后斷開對應的線圈，以實現電機運行時間的隨機性。

圖4　自動控制流程圖

圖5　1號電機控制梯形圖

2)采集電機(7~12號電機)控制程序。7~12號電機控制過程相同，下面以7號電機為例進行定位控制梯形圖的闡述。7號電機控制程序如圖6所示。探針電機正轉、停頓、反轉運行的固定時間均由PLC的時間繼電器T賦予，M0~M5為1~6號定位電機正轉繼電器線圈的常閉觸點，將其串入程序中目的是為了避免定位電機運轉過程中探針電機同時運轉對測量儀器造成的機械傷害。

圖6　7號探針電機控制梯形圖

3)限位開關控制程序。限位開關控制程序如圖7所示。此圖為定位電機正轉至最大行程末端的限位開關，圖中的X為限位開關，M為定位電機反轉接觸器線圈。工作時，定位電機行至最大行程處觸碰限位開關，反轉接觸器線圈通電，電機開始反轉，此處限位開關的作用是防止因誤操作或其他非人為因素導致的機械損傷。

圖7　限位開關控制梯形圖

2.4　人機界面

組態王的監控畫面可用于模擬機械裝置上1~12號電機運行的實際情況，在"運行系統"畫面中可以監視各電機的運行時間及運行狀態。該監控系統與上位機PC的通訊采用RS232數據傳輸，與PLC連接通訊后，可對籽棉回潮率測量裝置進行實時監控，調用組態王軟件中圖庫中的圖素及繪圖工具箱中的工具，設計人機監控畫面如圖8所示。

圖8　人機界面

想要快速、準確地顯示籽棉回潮率監控系統的運行情況，必須將監控畫面中的圖素和數據庫中已設定的數據變量聯系起來，即建立動畫連接[9]。當變量的值改變時，在監控畫面上以圖素的動畫效果表現出來。本監控系統需要鏈接的圖素包括程序開啟關閉按鈕、準備測量按鈕、開始測量按鈕、各個電機運行狀態指示燈及運行時間等。

命令語言都是靠事件觸發執行的，如定時、數據的變化、鍵盤鍵的按下及鼠標的點擊等[10]。利用后臺類C命令語言，編寫相應的程序可以實現動畫效果。本監控系統需要在畫面的命令語言對話框中輸入下列命令：

if(本站點M1運行指示燈==1)

{本站點M1正轉時間=本站點M1正轉時間+1;}

else

{本站點M1正轉時間=本站點M1正轉時間;}

if(本站點M2運行指示燈==1)

{本站點M2正轉時間=本站點M2正轉時間+1;}

else

{本站點M2正轉時間=本站點M2正轉時間;}

……

3系統運行與調試

將GX developer編程軟件中寫好的程序通過編程電纜寫入到PLC中，將PLC開關撥到"Run"狀態，啟動組態王的"運行系統"功能；運行組態王籽棉回潮率監控系統，按照控制要求，按下PLC程序啟動按鈕，觀察監控系統的運行效果。調試過程中，產生故障大多由PLC程序編制不合理、變量參數設置不合理造成，經過多次調試，監控系統運行正常，基本上可以滿足其控制要求。

4結論

1)通過對籽棉回潮裝置的控制要求的分析，提出采用三菱FX2N-64MR-001型PLC作為核心控制器，配合空氣開關、交流接觸器、熱繼電器等電氣元件，設計了一種與籽棉回潮率測量裝置配套的控制系統，為籽棉回潮率測量裝置及測量技術的研究提供了參考。

2)采用三菱FX2N-64MR-001型PLC為核心控制器，選用PC應用kingview6.53工業組態軟件作為上位機，通過USB-SC09電纜線與PLC進行通訊配合，有效實現了籽棉回潮率數據采集儀器在三維空間里的有序動作及實時監控。

3)將控制程序寫入到PLC中，運行系統并進行調試，結果表明：監控系統可正常作業，具有操作方便、安全可靠等特點，滿足籽棉回潮率測量裝置的控制要求，為實現籽棉回潮率測量裝置的自動化、智能化奠定了基礎。

參考文獻：

[1]人民網.2014年新疆棉花產量達367.7萬噸,占全國總產量59.7%[EB/OL].[2014-12-18].http://xj.people.com.cn/n/2014/1218/c188514-23260054.html.

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[9]李江全.計算機控制技術項目教程[M].北京:機械工業出版社,2009：27-30.

[10]韓曉新.三菱FX系列PLC基礎及應用[M].北京:機械工業出版社,2010:198-200.

Design of Moisture Regain of Unginned Cotton Automatic Measurement Device Control System Based on PLC and Kingview

Li Yang1, Kan Za1, Li Chengsong1, Wang Lihong1, Zhao Yibing2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003, China;2.Shida Ruituo Machinery Equipment Co., Ltd, Shihezi Development Zone,Shihezi 832003,China)

Abstract：The measurement for moisture regain of unginned cotton is significant to the stabilization of cotton market and the development of cotton production. With regard to the existing problems of the measurement for moisture regain of unginned cotton in Xin Jiang such as long acquisition time, low acquisition efficiency, strong work load and so on and based on its structure characteristics and control requirement, the paper designs a controlling system on the basis of PLC and kingview and develops software at the foundation of current automatic measuring device for moisture regain of unginned cotton.This system adopts the CPU of Mitsubish FX2N-64MR series as the main control unit and run a real-time monitoring over the running status, running time and other factors of the motor through monitoring interface of kingview 6.53.The experiment result shows that this system effectively improve the acquisition efficiency of moisture regain of unginned cotton and sets a foundation for realizing the automation and intelligentization of moisture regain of unginned cotton.

Key words：moisture regain of unginned cotton; measurement device; control system; PLC; kingview

中圖分類號：S24

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0171-06

作者簡介：李洋(1989-)，男，河北滄州人，碩士研究生，(E-mail)457326861@qq.com。通訊作者：坎雜(1963-)，男，新疆精河人，教授，博士生導師，(E-mail)kz-shz@163.com。

基金項目：科技支疆計劃項目(2014AB029)

收稿日期：2015-10-14