李　洋，坎　雜，李成松，王麗紅，趙毅兵

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832003;2.石河子開發(fā)區(qū)石大銳拓機(jī)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(tǒng)設(shè)計(jì)—基于PLC和組態(tài)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(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832003;2.石河子開發(fā)區(qū)石大銳拓機(jī)械裝備有限公司，新疆 石河子832003)

摘要：籽棉回潮率的測量對(duì)于穩(wěn)定棉花市場、發(fā)展棉花生產(chǎn)具有重要意義。為此，針對(duì)目前新疆籽棉回潮率測量存在的采集時(shí)間長、采集效率低及勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，在現(xiàn)有籽棉回潮率自動(dòng)測量裝置的基礎(chǔ)上，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控制要求設(shè)計(jì)了一種基于PLC和組態(tài)王的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行軟件開發(fā)。該系統(tǒng)采用三菱FX2N-64MR系列CPU作為主控單元，通過組態(tài)王6.53監(jiān)控界面對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)有效提高了籽棉回潮率的采集效率，為實(shí)現(xiàn)籽棉回潮率的自動(dòng)化和智能化測量奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：籽棉回潮率；測量裝置；控制系統(tǒng)；PLC；組態(tài)王

0引言

截止2014年，新疆棉花產(chǎn)量達(dá)367.7萬t，占全國總產(chǎn)量的59.7%[1]。棉花回潮率不僅是影響棉花安全儲(chǔ)運(yùn)、加工工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性及加工質(zhì)量的重要因素[2-3]，還是棉花貿(mào)易結(jié)算的重要依據(jù)。目前，運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率大多依靠人工利用手持式籽棉回潮率儀進(jìn)行測量，存在采集時(shí)間長、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、采集深度低，以及運(yùn)棉車內(nèi)部數(shù)據(jù)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(yè)強(qiáng)度，石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院設(shè)計(jì)了一種籽棉回潮率測量裝置，但缺少與之配套的監(jiān)控系統(tǒng)，尚未實(shí)現(xiàn)籽棉回潮率的自動(dòng)化與智能化測量。因此，設(shè)計(jì)一種與測量裝置配套的監(jiān)控系統(tǒng)，使其實(shí)現(xiàn)對(duì)測量裝置進(jìn)行控制同時(shí)也可對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

本文根據(jù)籽棉回潮率測量裝置的控制要求，設(shè)計(jì)了一種基于PLC和組態(tài)王的籽棉回潮率測量裝置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用三菱FX2N-64MR-001型PLC作為核心控制器，配合使用空氣開關(guān)、交流接觸器、熱繼電器等電氣元件。作業(yè)時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的三相異步電動(dòng)機(jī)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)籽棉回潮率數(shù)據(jù)采集儀器運(yùn)動(dòng)至相應(yīng)位置進(jìn)行測量，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率多點(diǎn)、多層次的測量，為籽棉回潮率測量裝置及測量技術(shù)的研究提供了參考。

1測量裝置結(jié)構(gòu)及控制要求

1.1　測量裝置結(jié)構(gòu)

籽棉回潮率測量裝置主要由橫梁、側(cè)梁、支架、卡具、電機(jī)(安裝位置與序號(hào)圖中已標(biāo)出)等部分組成，如圖1所示。

1~12.電機(jī)　13.卡具　14.支架　15.橫梁　16.側(cè)梁

籽棉回潮率數(shù)據(jù)采集儀器安裝于卡具上，每一個(gè)卡具均配有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多層次測量。該裝置利用絲杠螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，類似機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠[6]。工作時(shí)，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用下，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)橫梁、側(cè)梁、支架、卡具有序運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集儀器在三維空間里的有序動(dòng)作，使數(shù)據(jù)采集儀器插入運(yùn)棉車籽棉內(nèi)部進(jìn)行測量。

1.2　控制要求

1)定位控制?？刂?、2號(hào)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)橫梁、側(cè)梁做縱向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，即數(shù)據(jù)采集儀器在X方向上的運(yùn)動(dòng)；控制3、4號(hào)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)頂面支架作橫向直線往返運(yùn)動(dòng)，即數(shù)據(jù)采集儀器在Y方向上的運(yùn)動(dòng)；控制5、6號(hào)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)側(cè)面支架作豎直方向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，即數(shù)據(jù)采集儀器在Z方向上的運(yùn)動(dòng)。

2)數(shù)據(jù)采集控制?？刂?~10號(hào)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)頂面卡具作豎直方向即Z方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，使頂面數(shù)據(jù)采集儀器插入或抽離運(yùn)棉車；控制11~12號(hào)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)側(cè)面卡具作水平方向即Y方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，使側(cè)面數(shù)據(jù)采集儀器插入或抽離運(yùn)棉車。

完整的一次測量：開始后，PLC分別賦予1~6號(hào)電機(jī)一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間值，1~6號(hào)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，每個(gè)電機(jī)按照各自隨機(jī)值運(yùn)行，直至最后一個(gè)電機(jī)停止運(yùn)行，從而帶動(dòng)機(jī)械裝置的橫梁、側(cè)梁以及支架有序運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集儀器的隨機(jī)定位；隨后同時(shí)啟動(dòng)7~12號(hào)電機(jī)運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間，使安裝于卡具上的數(shù)據(jù)采集儀器插入運(yùn)棉車內(nèi)，停頓30s(此時(shí)間段為籽棉回潮率數(shù)據(jù)采集時(shí)間)，進(jìn)而7~12號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)卡具歸至原位，1~6號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)橫梁、側(cè)梁以及支架歸至原位，使數(shù)據(jù)采集儀器歸回原位，本次測量結(jié)束。

2監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的籽棉回潮率測量裝置監(jiān)控系統(tǒng)以組態(tài)王人機(jī)界面作為主控界面，采用PLC技術(shù)，配合使用空氣開關(guān)、交流接觸器、熱繼電器等電氣元件，對(duì)三相交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)籽棉回潮率數(shù)據(jù)采集儀器在三維空間里的有序動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)棉車內(nèi)部籽棉回潮率多點(diǎn)多層次的測量?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC的選擇主要應(yīng)從PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊，以及通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮[7]。根據(jù)以上原則，本設(shè)計(jì)選用三菱FX2N-64MR-001型PLC，系統(tǒng)共有31個(gè)輸入設(shè)備和32個(gè)輸出設(shè)備，I/O分配如表1和表2所示。選用PC應(yīng)用kingview6.53工業(yè)組態(tài)軟件作為上位機(jī)，通過USB-SC09電纜線與PLC進(jìn)行通訊。

本系統(tǒng)采用電機(jī)均為1.1kW三相異步交流電動(dòng)機(jī)，12臺(tái)電機(jī)并聯(lián)使用，單臺(tái)電機(jī)額定電流為2.2A，綜合考慮性價(jià)比及系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性等多方面因素，選用正泰公司生產(chǎn)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(shí)，為了保證機(jī)械裝置的安全、可靠運(yùn)行，選用正泰公司生產(chǎn)的YBLX-19/001型，其動(dòng)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(tǒng)的需求。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

輸入端口功能X0程序啟動(dòng)按鈕SB1X1程序關(guān)閉按鈕SB2X2電機(jī)控制按鈕SB3X3~X361~12號(hào)電機(jī)兩端限位開關(guān)SB4-SB31

表2　輸出端分配表

系統(tǒng)設(shè)置交流接觸器KM，可在緊急情況切斷負(fù)載電源。系統(tǒng)共有3個(gè)控制按鈕：SB1為“總開關(guān)”按鈕，按下時(shí)表示系統(tǒng)通電，為下一步工作準(zhǔn)備；SB2為"關(guān)閉開關(guān)"按鈕，按下時(shí)表示切斷系統(tǒng)電源，且KM觸點(diǎn)斷開，工作時(shí)間結(jié)束；SB3為"開始測量按鈕"，按下時(shí)表示啟動(dòng)控制系統(tǒng)，使各KM線圈得電自鎖，各主觸點(diǎn)接通，各電機(jī)按控制要求有序動(dòng)作。系統(tǒng)設(shè)置行程開關(guān)，用于各機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的行程保護(hù)和控制，保證機(jī)械部件在規(guī)定的X、Y、Z3個(gè)方向上的有序動(dòng)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求及總體設(shè)計(jì)方案，利用對(duì)應(yīng)的編程語言指令編寫實(shí)現(xiàn)控制要求與功能的PLC用戶程序。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式:手動(dòng)操作主要由控制柜上的按鈕開關(guān)控制各個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)與停止，便于設(shè)備的調(diào)試和維修;在設(shè)備的正常工作狀態(tài)下采用自動(dòng)控制方式并由組態(tài)王人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)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(tài)轉(zhuǎn)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(jiān)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(duì)PLC控制系統(tǒng)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1)定位電機(jī)(1~6號(hào)電機(jī))控制程序。1~6號(hào)電機(jī)控制過程相同，下面以1號(hào)電機(jī)為例進(jìn)行定位控制梯形圖的闡述。1號(hào)電機(jī)控制程序如圖5所示。其中，M0為1號(hào)電機(jī)正轉(zhuǎn)線圈，由組態(tài)王生成隨機(jī)數(shù)并送到數(shù)據(jù)寄存器D中，時(shí)間寄存器T按照對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器D中的數(shù)據(jù)運(yùn)行一定時(shí)間后斷開對(duì)應(yīng)的線圈，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的隨機(jī)性。

圖4　自動(dòng)控制流程圖

圖5　1號(hào)電機(jī)控制梯形圖

2)采集電機(jī)(7~12號(hào)電機(jī))控制程序。7~12號(hào)電機(jī)控制過程相同，下面以7號(hào)電機(jī)為例進(jìn)行定位控制梯形圖的闡述。7號(hào)電機(jī)控制程序如圖6所示。探針電機(jī)正轉(zhuǎn)、停頓、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的固定時(shí)間均由PLC的時(shí)間繼電器T賦予，M0~M5為1~6號(hào)定位電機(jī)正轉(zhuǎn)繼電器線圈的常閉觸點(diǎn)，將其串入程序中目的是為了避免定位電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中探針電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)測量儀器造成的機(jī)械傷害。

圖6　7號(hào)探針電機(jī)控制梯形圖

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

圖7　限位開關(guān)控制梯形圖

2.4　人機(jī)界面

組態(tài)王的監(jiān)控畫面可用于模擬機(jī)械裝置上1~12號(hào)電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際情況，在"運(yùn)行系統(tǒng)"畫面中可以監(jiān)視各電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行狀態(tài)。該監(jiān)控系統(tǒng)與上位機(jī)PC的通訊采用RS232數(shù)據(jù)傳輸，與PLC連接通訊后，可對(duì)籽棉回潮率測量裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，調(diào)用組態(tài)王軟件中圖庫中的圖素及繪圖工具箱中的工具，設(shè)計(jì)人機(jī)監(jiān)控畫面如圖8所示。

圖8　人機(jī)界面

想要快速、準(zhǔn)確地顯示籽棉回潮率監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，必須將監(jiān)控畫面中的圖素和數(shù)據(jù)庫中已設(shè)定的數(shù)據(jù)變量聯(lián)系起來，即建立動(dòng)畫連接[9]。當(dāng)變量的值改變時(shí)，在監(jiān)控畫面上以圖素的動(dòng)畫效果表現(xiàn)出來。本監(jiān)控系統(tǒng)需要鏈接的圖素包括程序開啟關(guān)閉按鈕、準(zhǔn)備測量按鈕、開始測量按鈕、各個(gè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示燈及運(yùn)行時(shí)間等。

命令語言都是靠事件觸發(fā)執(zhí)行的，如定時(shí)、數(shù)據(jù)的變化、鍵盤鍵的按下及鼠標(biāo)的點(diǎn)擊等[10]。利用后臺(tái)類C命令語言，編寫相應(yīng)的程序可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果。本監(jiān)控系統(tǒng)需要在畫面的命令語言對(duì)話框中輸入下列命令：

if(本站點(diǎn)M1運(yùn)行指示燈==1)

{本站點(diǎn)M1正轉(zhuǎn)時(shí)間=本站點(diǎn)M1正轉(zhuǎn)時(shí)間+1;}

else

{本站點(diǎn)M1正轉(zhuǎn)時(shí)間=本站點(diǎn)M1正轉(zhuǎn)時(shí)間;}

if(本站點(diǎn)M2運(yùn)行指示燈==1)

{本站點(diǎn)M2正轉(zhuǎn)時(shí)間=本站點(diǎn)M2正轉(zhuǎn)時(shí)間+1;}

else

{本站點(diǎn)M2正轉(zhuǎn)時(shí)間=本站點(diǎn)M2正轉(zhuǎn)時(shí)間;}

……

3系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)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(guān)撥到"Run"狀態(tài)，啟動(dòng)組態(tài)王的"運(yùn)行系統(tǒng)"功能；運(yùn)行組態(tài)王籽棉回潮率監(jiān)控系統(tǒng)，按照控制要求，按下PLC程序啟動(dòng)按鈕，觀察監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行效果。調(diào)試過程中，產(chǎn)生故障大多由PLC程序編制不合理、變量參數(shù)設(shè)置不合理造成，經(jīng)過多次調(diào)試，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行正常，基本上可以滿足其控制要求。

4結(jié)論

1)通過對(duì)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(guān)、交流接觸器、熱繼電器等電氣元件，設(shè)計(jì)了一種與籽棉回潮率測量裝置配套的控制系統(tǒng)，為籽棉回潮率測量裝置及測量技術(shù)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(yīng)用kingview6.53工業(yè)組態(tài)軟件作為上位機(jī)，通過USB-SC09電纜線與PLC進(jìn)行通訊配合，有效實(shí)現(xiàn)了籽棉回潮率數(shù)據(jù)采集儀器在三維空間里的有序動(dòng)作及實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3)將控制程序?qū)懭氲絇LC中，運(yùn)行系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試，結(jié)果表明：監(jiān)控系統(tǒng)可正常作業(yè)，具有操作方便、安全可靠等特點(diǎn)，滿足籽棉回潮率測量裝置的控制要求，為實(shí)現(xiàn)籽棉回潮率測量裝置的自動(dòng)化、智能化奠定了基礎(chǔ)。

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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(hào)：S24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(dǎo)師，(E-mail)kz-shz@163.com。

基金項(xiàng)目：科技支疆計(jì)劃項(xiàng)目(2014AB029)

收稿日期：2015-10-14