籽棉回潮率测量装置控制系统设计—基于PLC和组态王

李　洋，坎　杂，李成松，王丽红，赵毅兵

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832003;2.石河子开发区石大锐拓机械装备有限公司，新疆 石河子　832003)



籽棉回潮率测量装置控制系统设计—基于PLC和组态王

李洋1，坎杂1，李成松1，王丽红1，赵毅兵2

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832003;2.石河子开发区石大锐拓机械装备有限公司，新疆 石河子832003)

摘要：籽棉回潮率的测量对于稳定棉花市场、发展棉花生产具有重要意义。为此，针对目前新疆籽棉回潮率测量存在的采集时间长、采集效率低及劳动强度大等问题，在现有籽棉回潮率自动测量装置的基础上，根据其结构特点和控制要求设计了一种基于PLC和组态王的控制系统，并进行软件开发。该系统采用三菱FX2N-64MR系列CPU作为主控单元，通过组态王6.53监控界面对电机运行状态、运行时间等参数进行实时监控。实验结果表明：该系统有效提高了籽棉回潮率的采集效率，为实现籽棉回潮率的自动化和智能化测量奠定了基础。

关键词：籽棉回潮率；测量装置；控制系统；PLC；组态王

0引言

截止2014年，新疆棉花产量达367.7万t，占全国总产量的59.7%[1]。棉花回潮率不仅是影响棉花安全储运、加工工艺系统稳定性及加工质量的重要因素[2-3]，还是棉花贸易结算的重要依据。目前，运棉车内籽棉回潮率大多依靠人工利用手持式籽棉回潮率仪进行测量，存在采集时间长、效率低、劳动强度大、采集深度低，以及运棉车内部数据难以采集等问题[4-5]。为了提高籽棉回潮率测量效率、降低多次测量作业强度，石河子大学机械电气工程学院设计了一种籽棉回潮率测量装置，但缺少与之配套的监控系统，尚未实现籽棉回潮率的自动化与智能化测量。因此，设计一种与测量装置配套的监控系统，使其实现对测量装置进行控制同时也可对其运行状况进行实时监控。

本文根据籽棉回潮率测量装置的控制要求，设计了一种基于PLC和组态王的籽棉回潮率测量装置控制系统。该系统采用三菱FX2N-64MR-001型PLC作为核心控制器，配合使用空气开关、交流接触器、热继电器等电气元件。作业时，控制器驱动相应的三相异步电动机，通过传动机构带动籽棉回潮率数据采集仪器运动至相应位置进行测量，能够实现运棉车内籽棉回潮率多点、多层次的测量，为籽棉回潮率测量装置及测量技术的研究提供了参考。

1测量装置结构及控制要求

1.1　测量装置结构

籽棉回潮率测量装置主要由横梁、侧梁、支架、卡具、电机(安装位置与序号图中已标出)等部分组成，如图1所示。

1~12.电机　13.卡具　14.支架　15.横梁　16.侧梁

籽棉回潮率数据采集仪器安装于卡具上，每一个卡具均配有相应的驱动电机以实现多点、多层次测量。该装置利用丝杠螺母机构进行传动，以传递运动为主，类似机床工作台的进给丝杠[6]。工作时，在电机的驱动作用下，通过传动机构带动横梁、侧梁、支架、卡具有序运动，实现数据采集仪器在三维空间里的有序动作，使数据采集仪器插入运棉车籽棉内部进行测量。

1.2　控制要求

1)定位控制。控制1、2号电机，驱动横梁、侧梁做纵向往复直线运动，即数据采集仪器在X方向上的运动；控制3、4号电机，驱动顶面支架作横向直线往返运动，即数据采集仪器在Y方向上的运动；控制5、6号电机，驱动侧面支架作竖直方向往复直线运动，即数据采集仪器在Z方向上的运动。

2)数据采集控制。控制7~10号电机，驱动顶面卡具作竖直方向即Z方向的往复直线运动，使顶面数据采集仪器插入或抽离运棉车；控制11~12号电机，驱动侧面卡具作水平方向即Y方向的往复直线运动，使侧面数据采集仪器插入或抽离运棉车。

完整的一次测量：开始后，PLC分别赋予1~6号电机一个随机的时间值，1~6号电机同时启动，每个电机按照各自随机值运行，直至最后一个电机停止运行，从而带动机械装置的横梁、侧梁以及支架有序运动，实现数据采集仪器的随机定位；随后同时启动7~12号电机运动一定时间，使安装于卡具上的数据采集仪器插入运棉车内，停顿30s(此时间段为籽棉回潮率数据采集时间)，进而7~12号电机反转带动卡具归至原位，1~6号电机反转带动横梁、侧梁以及支架归至原位，使数据采集仪器归回原位，本次测量结束。

2监控系统设计

2.1　总体设计方案

本文设计的籽棉回潮率测量装置监控系统以组态王人机界面作为主控界面，采用PLC技术，配合使用空气开关、交流接触器、热继电器等电气元件，对三相交流异步电动机进行控制，驱动对应的传动机构，实现籽棉回潮率数据采集仪器在三维空间里的有序动作，以实现运棉车内部籽棉回潮率多点多层次的测量。控制系统结构图如图2所示。

2.2　系统硬件设计

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块，以及通信联网能力等方面加以综合考虑[7]。根据以上原则，本设计选用三菱FX2N-64MR-001型PLC，系统共有31个输入设备和32个输出设备，I/O分配如表1和表2所示。选用PC应用kingview6.53工业组态软件作为上位机，通过USB-SC09电缆线与PLC进行通讯。

本系统采用电机均为1.1kW三相异步交流电动机，12台电机并联使用，单台电机额定电流为2.2A，综合考虑性价比及系统可靠性、稳定性等多方面因素，选用正泰公司生产的CJX2-0910型交流接触器、JR16-20/3D型继电器与RL1-15型熔断器。同时，为了保证机械装置的安全、可靠运行，选用正泰公司生产的YBLX-19/001型，其动作原理与按钮类似，适用于速度高于0.4m/min的场所，符合本控制系统的需求。

图2　监控系统结构图

输入端口功能X0程序启动按钮SB1X1程序关闭按钮SB2X2电机控制按钮SB3X3~X361~12号电机两端限位开关SB4-SB31

表2　输出端分配表

系统设置交流接触器KM，可在紧急情况切断负载电源。系统共有3个控制按钮：SB1为“总开关”按钮，按下时表示系统通电，为下一步工作准备；SB2为"关闭开关"按钮，按下时表示切断系统电源，且KM触点断开，工作时间结束；SB3为"开始测量按钮"，按下时表示启动控制系统，使各KM线圈得电自锁，各主触点接通，各电机按控制要求有序动作。系统设置行程开关，用于各机械运动部件的行程保护和控制，保证机械部件在规定的X、Y、Z3个方向上的有序动作。PLC外部接线端子图如图3所示。

图3　三菱FX2N-64MR-001型PLC外部接线图

2.3　系统软件设计

根据控制要求及总体设计方案，利用对应的编程语言指令编写实现控制要求与功能的PLC用户程序。本文设计的控制系统采用手动和自动两种操作方式:手动操作主要由控制柜上的按钮开关控制各个电机的启动与停止，便于设备的调试和维修;在设备的正常工作状态下采用自动控制方式并由组态王人机界面实现对各个电机运行状态与参数的实时监控，自动控制流程图如图4所示。

GX Developer编程软件可以编写梯形图和状态转移图程序，支持在线和离线编程功能，并具有软元件注释、声明、注解及程序监视、测试、故障诊断及程序检查等功能[8]。本文利用GX Developer编程软件对PLC控制系统程序进行设计。

1)定位电机(1~6号电机)控制程序。1~6号电机控制过程相同，下面以1号电机为例进行定位控制梯形图的阐述。1号电机控制程序如图5所示。其中，M0为1号电机正转线圈，由组态王生成随机数并送到数据寄存器D中，时间寄存器T按照对应数据寄存器D中的数据运行一定时间后断开对应的线圈，以实现电机运行时间的随机性。

图4　自动控制流程图

图5　1号电机控制梯形图

2)采集电机(7~12号电机)控制程序。7~12号电机控制过程相同，下面以7号电机为例进行定位控制梯形图的阐述。7号电机控制程序如图6所示。探针电机正转、停顿、反转运行的固定时间均由PLC的时间继电器T赋予，M0~M5为1~6号定位电机正转继电器线圈的常闭触点，将其串入程序中目的是为了避免定位电机运转过程中探针电机同时运转对测量仪器造成的机械伤害。

图6　7号探针电机控制梯形图

3)限位开关控制程序。限位开关控制程序如图7所示。此图为定位电机正转至最大行程末端的限位开关，图中的X为限位开关，M为定位电机反转接触器线圈。工作时，定位电机行至最大行程处触碰限位开关，反转接触器线圈通电，电机开始反转，此处限位开关的作用是防止因误操作或其他非人为因素导致的机械损伤。

图7　限位开关控制梯形图

2.4　人机界面

组态王的监控画面可用于模拟机械装置上1~12号电机运行的实际情况，在"运行系统"画面中可以监视各电机的运行时间及运行状态。该监控系统与上位机PC的通讯采用RS232数据传输，与PLC连接通讯后，可对籽棉回潮率测量装置进行实时监控，调用组态王软件中图库中的图素及绘图工具箱中的工具，设计人机监控画面如图8所示。

图8　人机界面

想要快速、准确地显示籽棉回潮率监控系统的运行情况，必须将监控画面中的图素和数据库中已设定的数据变量联系起来，即建立动画连接[9]。当变量的值改变时，在监控画面上以图素的动画效果表现出来。本监控系统需要链接的图素包括程序开启关闭按钮、准备测量按钮、开始测量按钮、各个电机运行状态指示灯及运行时间等。

命令语言都是靠事件触发执行的，如定时、数据的变化、键盘键的按下及鼠标的点击等[10]。利用后台类C命令语言，编写相应的程序可以实现动画效果。本监控系统需要在画面的命令语言对话框中输入下列命令：

if(本站点M1运行指示灯==1)

{本站点M1正转时间=本站点M1正转时间+1;}

else

{本站点M1正转时间=本站点M1正转时间;}

if(本站点M2运行指示灯==1)

{本站点M2正转时间=本站点M2正转时间+1;}

else

{本站点M2正转时间=本站点M2正转时间;}

……

3系统运行与调试

将GX developer编程软件中写好的程序通过编程电缆写入到PLC中，将PLC开关拨到"Run"状态，启动组态王的"运行系统"功能；运行组态王籽棉回潮率监控系统，按照控制要求，按下PLC程序启动按钮，观察监控系统的运行效果。调试过程中，产生故障大多由PLC程序编制不合理、变量参数设置不合理造成，经过多次调试，监控系统运行正常，基本上可以满足其控制要求。

4结论

1)通过对籽棉回潮装置的控制要求的分析，提出采用三菱FX2N-64MR-001型PLC作为核心控制器，配合空气开关、交流接触器、热继电器等电气元件，设计了一种与籽棉回潮率测量装置配套的控制系统，为籽棉回潮率测量装置及测量技术的研究提供了参考。

2)采用三菱FX2N-64MR-001型PLC为核心控制器，选用PC应用kingview6.53工业组态软件作为上位机，通过USB-SC09电缆线与PLC进行通讯配合，有效实现了籽棉回潮率数据采集仪器在三维空间里的有序动作及实时监控。

3)将控制程序写入到PLC中，运行系统并进行调试，结果表明：监控系统可正常作业，具有操作方便、安全可靠等特点，满足籽棉回潮率测量装置的控制要求，为实现籽棉回潮率测量装置的自动化、智能化奠定了基础。

参考文献：

[1]人民网.2014年新疆棉花产量达367.7万吨,占全国总产量59.7%[EB/OL].[2014-12-18].http://xj.people.com.cn/n/2014/1218/c188514-23260054.html.

[2]张红战.回潮率对棉花加工工艺系统的影响[J].中国棉花加工,2008(4):19,21.

[3]路纹纹,吕新民,张立明,等.棉花水分测试仪的设计[J].农机化研究,2008(5):89-92.

[4]张明柱.新技术在电测器上的应用研究[J].中国纤检,2012(13):68-69.

[5]张建柱.我国棉花回潮率电测器技术发展综述[J].中国棉花加工,2010(5):20-22.

[6]王梦,坎杂,李成松,等.籽棉回潮率自动测量装置的设计[J].江苏农业科学,2014,42(11):428-431.

[7]赵春华.可编程控制器及其工程应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2012:145-150.

[8]史国生,鞠勇.电气控制与可编程控制器技术实训教程[M].北京:化学工业出版社,2014:14-16.

[9]李江全.计算机控制技术项目教程[M].北京:机械工业出版社,2009：27-30.

[10]韩晓新.三菱FX系列PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社,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

中图分类号：S24

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0171-06

作者简介：李洋(1989-)，男，河北沧州人，硕士研究生，(E-mail)457326861@qq.com。通讯作者：坎杂(1963-)，男，新疆精河人，教授，博士生导师，(E-mail)kz-shz@163.com。

基金项目：科技支疆计划项目(2014AB029)

收稿日期：2015-10-14