毕业设计--基于PLC的农产品加工机械性能检测系统硬件设计--论文.doc

河南科技大学本科毕业设计（论文）基于PLC的农产品加工机械性能检测系统硬件设计摘 要随着社会的发展和科技的进步，人们对农产品加工机械产品的要求越来越高，而目前我国农产品加工设备品种繁多、规格复杂，产品鉴定采用传统方法检测周期长、工作量大、效率低。为了使农产品加工机械在大批量生产和投放市场之前达到国家规定的性能指标和要求，本文根据现场要求和系统技术指标，采用数据采集技术和PLC控制技术研究和设计了农产品加工机械性能检测系统的硬件。本文首先概述了计算机控制系统和PLC在工业控制中的重要性，分析了农产品加工机械产品的质量现状。其二，介绍了数据采集技术及PLC控制技术。其三，提出了检测系统的总体设计方案，设计了检测系统的硬件。通过数据采集卡PCL813采集现场各个传感器传来的数据，然后通过工控机的PCI数据总线把数据传给上位工控机，工控机与下位机PLC之间采用RS232C进行串行通信，PLC控制农产品加工机械的性能检测系统，PLC与变频器之间通过RS485串口通信，变频器通过改变交流变频电动机的频率从而控制交流异步电动机的转速，从而控制原料的流量。本文所设计的农产品加工机械性能检测系统运行稳定，系统的各项控制功能均能可靠实现，结果证明该系统方案切实可行。关键词： PLC控制，数据采集，串行通信，变频器 The Hardware Design of Agricultural Products Processing Mechanical Property Examination System Based on PLCABSTRACTWith the development of the society and the progress of technology, peoples request to the agricultural products processing mechanical products is more and more high, but agricultural products processing machines are various in style and complicated in specification in our country. Products examination with traditional method exist the following questions: long measure cycle, heavy work load, low efficiency. In order to make the agricultural products processing machines can reach the performance and requirement that the country stipulates before producing in enormous quantities and putting on market, this article adopts data acquisition technology and PLC control technology to research and design the hardware of performance examination system about agricultural products processing machines in foundation the require live and systematic technical indicator.Firstly, this article summed up the importance for the computer control system and PLC in industrial control and analyzed the quality current situation of agricultural products processing machines. Secondly, the article recommended the data acquisition technology and PLC control technology. Thirdly, the article proposed the overall design scheme of the examination system, designed the hardware of the examination system. Data acquisition card PCL813 gathers the data transmitted by the testing scenes each sensor, and then the data are transmitted to the industrial personal computer(IPC) by the data bus PCI of IPC, RS232C realizes the serial communication between the IPC and lower position machine PLC, PLC controls the performance examination system of agricultural products processing machines, RS485 realizes the serial communication between PLC and the variable-frequency driver(VFD), VFD changes the alternative variable frequency motors frequency, thus which control the flow of raw materials.The performance examination system about agricultural products processingmachines run steadily, every control function of the system can be realized reliably. It proves the scheme of this system is feasible.KEY WORDS：PLC Control, Data Acquisition, Serial Communication, Variable-Frequency Driver11目录前 言1第1章 数据采集技术和PLC控制技术31.1 数据采集技术31.1.1 微型计算机数据采集系统的结构41.1.2 数据采集系统的几个主要考虑因素51.1.3 数据采集系统设计基本原则61.2 PLC控制技术71.2.1 可编程控制器的组成及功能71.2.2 PLC的工作原理81.2.3 PLC的主要特点10第2章 检测系统的总体设计方案122.1 检测系统的总体设计要求122.2 检测系统的技术要求122.3 检测系统的组成及工作原理14第3章 检测系统的硬件设计及实现163.1 数据采集系统硬件实现163.1.1 传感器的选择163.1.2 称重传感器与其信号调理电路173.1.3 数据采集卡的选择173.1.4 上位工控机193.2 PLC控制系统硬件实现213.2.1 PLC控制系统的工作原理213.2.2 下位机PLC243.2.3 上位工控机与下位机PLC之间的通信253.2.4 变频器27结论31参考文献32致谢34附录35河南科技大学本科毕业设计（论文）前 言农产品加工机械是对农业生物资源进行加工所使用的各种机械和设备的总称，是实现先进的农产品加工技术的载体。长期以来计划经济下形成的农产品检验检测体系与当前我们面临的形势很不适应，无论是在农产品检验检测机构的设置、基础建设还是在有关政策等方面，都还跟不上形势发展的要求，存在着大量亟需解决的问题。因此，完善能有效提高农产品国际竞争力的农产品安全检验检测体系已迫在眉睫。为了对农产品加工机械(如碾米机、榨油机、茶叶加工机、饲料机等)的性能进行检测和鉴定，使其在大批量生产和投放市场之前达到国家规定的性能指标和要求，必须有一个完善的检测和鉴定系统对农产品加工机械进行检测和鉴定。本设计的研究目的是设计农产品加工机械性能检测系统，在检测过程中用自动化控制和通信的技术来测定被测机械的相关性能参数，然后再把这些测得的性能参数和国家标准进行比较，进而判断该被测机械的性能好坏。该检测系统的运用使农产品加工机械在大批量生产之前先确定其性能好坏，从而避免性能不合格的农产品加工机械流入市场，扰乱农产品加工市场。本设计通过对数据采集和PLC工业控制系统的基本理论研究和实践，掌握数据采集和PLC工业控制系统的基本结构和控制方法。通过个人计算机与PLC控制系统的通信，实现对PLC工业控制系统的数据读写和基本管理、质量管理等。本设计研究了PLC控制技术，在熟悉PLC基本原理的基础上完成农产品加工机械性能检测系统硬件设计包括：（1）数据采集系统实现；（2）工控机与下位机PLC之间的通信实现；（3）PLC与变频器之间通信实现。具体每一章的内容如下：第一章介绍数据采集技术和PLC控制技术。数据采集技术包括数据采集的概念和方法、数据采集系统的结构、基本功能和性能参数以及系统设计原则；介绍PLC的基本组成及各部分功能以及PLC的工作原理和主要特点。第二章阐述农产品加工机械性能检测系统的总体方案。总体设计方案包括系统的功能要求与技术要求、检测系统的组成及工作原理。第三章介绍检测系统的硬件设计及实现。硬件设计包括数据采集系统与PLC控制系统的设计，数据采集系统包括传感器的选型、称重传感器的信号调理电路、数据采集卡的选型、上位工控机，PLC控制系统包括下位机PLC的设备选型、控制系统中PLC的输入输出、上位工控机与下位PLC之间的RS-232C串口通信、变频器VFD-M的性能介绍、变频器参数重新设定、PLC与变频器的连接等。第1章 数据采集技术和PLC控制技术随着大规模及超大规模集成电路的发展，计算机的可靠性和性能/价格比越来越高，这使得计算机控制系统得到越来越广泛的应用。计算机数据采集系统是计算机控制系统的一个重要的组成部分，系统的主要功能是对过程参数进行采集、处理、显示、记录和报警，对过程进行监督。而PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，它按照用户程序存储器中预先编制的控制程序，通过输入接口采用现场信息，执行逻辑或数值运算，进而通过接口控制各种执行机构动作。本章主要介绍数据采集技术及PLC控制技术。1.1 数据采集技术数据采集与处理是计算机应用的一个重要分支，主要研究信息数据的采集、存贮、处理及控制等内容。70年代以来，由于微机技术的快速发展及其在军、民用工程领域的广泛应用，尤其是适于通用微机（如IBM PC系列）使用的板卡级数据采集产品的大量出现，以微机为核心的可编程数据采集与处理技术得到迅速发展。现在的微机，只需在其扩展槽内插上一块数据采集板，并辅以应用软件，即可组成一套微机数据采集与处理系统，实现信息处理和实时控制功能。数据采集与处理技术主要研究模数、数模转换（A/D、D/A）、数据处理等问题，需要计算机硬件电路和软件编程知识。 “数据采集”是指为对温度、压力、流量、速度、位移、振动、噪声等物理量进行测控，首先通过传感器把上述物理量转换成模拟电信号，而后由A/D-D/A板将模拟电信号转换成时间、数值上量化且离散的数字量输入计算机系统。数据采集的核心是A/D转换。 “数据处理”是指计算机根据被测控对象的需要，对采集到的数据进行数学分析运算，处理结果一方面送至显示器、打印机等外设，一方面由A/D-D/A板将数字量转换成模拟电信号输出，对外部物理量进行实时监控。数据处理的核心是数值处理和D/A转换。1.1.1 微型计算机数据采集系统的结构微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持、A/D转换器、计算机及外设等部分组成。各部分的作用如下：1. 传感器各种待转换的物理量，如温度、压力、位移、流量等都是非电量。首先要把这些非电量转换成电信号，然后才能进一步的处理。把各种物理量转换成电信号的器件称为传感器。2. 模拟多路开关数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集。在不要求高速采集的场合，一般采用公共的A/D转换器，分时对各路模拟量进行模/数转换，目的是简化电路，降低成本。可以用模拟多路开关来轮流切换各路模拟量与A/D转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器，从而实现分时转换的目的。3. 程控放大器在数据采集时，来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平信号。程控放大器的作用是将微弱的输入信号进行放大，以便充分利用A/D转换器的满量程分辨率。例如，传感器的输出信号一般是毫伏数量级，而A/D转换器的满量程输入电压多数是2.5V，5V或10V，且A/D转换器的分辨率是以满量程电压为依据确定的。为了能充分利用A/D转换器的分辨率，即转换器输出的数字位数，就要把模拟输入信号放大到A/D转换器满量程电压相应的电平值。一般通用数据采集系统均支持多路模拟通道，而各通道的模拟信号电压可能有较大差异，因此最好是对各通道采用不同的放大倍数进行放大，即放大器的放大倍数可以实时控制改变，这样，在多路开关改变其通道序号时，程控放大器也由相应的一组数码控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数，它的使用大大拓宽了数据采集系统的适应面。4. 采样/保持器A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望A/D转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。这可以用采样/保持器来实现，采样/保持器的加入，大大提高了数据采集系统的采样频率。5. A/D转换器因为计算机只能处理数字信号，所以须把模拟信号转换成数字信号，实现这一转换功能的器件是A/D转换器。A/D转换器是采样通道的核心，因此，A/D转换器是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。6. 接口电路该电路用来将传感器输出的数字信号进行整形或电平调整，然后再传送到计算机的总线。7. 微机及外部设备它们负责对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据做必要的处理,然后根据需要来显示和打印。8. 定时与逻辑控制电路数据采集系统各部件的定时关系是比较严格的，如果定时不合适，就会严重影响系统的精度。例如，模拟多路开关的两个开关切换时间是800ns；在模拟多路开关切换期间，程控放大器同时切换放大倍数，大约是800ns；从程控放大器的一个新放大倍数到产生稳定的输出大约是400ns；那么，从程控放大器倍数开始切换到采样/保持器开始跟踪至少需要1.2us。若采样/保持跟踪时间是6us，A/D转换至少再延时6us后才能开始。1.1.2 数据采集系统的几个主要考虑因素对数据采集系统来说，不同的工作环境对其就有不同的要求，但总有一些主要性能指标是必须要考虑的。以下给出几个主要性能指标的含义。1. 系统分辨率：是指数据采集系统可以分辨出的最小的输入信号的变化量。通常用最低有效位置（LSB）占系统满度信号的百分比表示，或直接用系统可分辨的实际电压数值来表示，有时也用满度信号可分级数来表示。2. 采集速率：又称为系统通过速率，是指在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数1。3. 动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值数和最小幅值数之比的分贝数。对大动态范围信号的高精度采集时，还要用到“瞬时动态范围”这样一个概念。它是指某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅值之比的最大值。4. 系统精度：是指当系统工作在额定采样速率下，每个离散采样的转换精度。A/D转换器的精度是系统精度的极限值。而实际情况是，系统精度往往达不到A/D转换器的精度，这是因为，系统精度取决于系统各部分的精度综合效应，只有系统各部分精度都达到A/D转换器的精度时，系统总的精度才能达到A/D转换器的精度，而这是不可能实现的。系统精度是系统的实际输出值和理论输出值之差，它是各种系统误差的总和。通常表示为满度值的百分数。5. 非线性失真：也称谐波失真。当给系统输入一个频率为f的正弦波时，其输出中出现很多频率为kf（k为整数）的频率分量的现象，成为非线性失真。1.1.3 数据采集系统设计基本原则1. 确保性能指标的完全实现系统设计的根本依据是系统所要达到的性能指标，主要应考虑系统输入信号的特征，如输入信号的通道数是模拟量还是数字量、信号的强弱和动态输入范围、信号的输入方式是周期信号还是瞬态信号、信号的频带宽度、信号的噪声及其共模电压的大小、信号源的阻抗等等。2. 系统结构的合理选择系统结构的合理与否，对系统的可靠性、性价比等有直接影响。首先是硬件及软件功能的合理分配，原则上尽可能的“以软代硬”，其次考虑系统布局及接口特征。接口特征包括：采用什么样的总线、采样数据的输出形式（串行或并行）、数据编码格式等。3. 安全可靠，具有一定的抗干扰能力要保证在一定的工作环境下，系统具有最大的稳定性，可靠的工作；保证系统达到设计精度，同时也要保证使用系统的工作人员的安全。1.2 PLC控制技术可编程控制器(PLC)是在电子技术、计算机技术等基础上发展起来的一种先进的自动控制设备。它具有可靠性高，抗干扰能力强，编程简单，设计周期短，安装、接线、调试工作量小，使用维护方便，具有很高的灵活性、适应性及很强的信息处理能力和多功能、体积小、重量轻的优点。因此它己经成为绝大多数机械设备首选的控制系统。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 1.2.1 可编程控制器的组成及功能可编程控制器是一种以微型计算机为主体、具有强大控制功能和抗干扰能力的工业控制装置。所以它的组成与一般计算机系统基本一致，有中央处理器(CPU)、存储器、I/O接口部分、电源、通信接口、编程工具等2。下面分别介绍它们的功能：1. 中央处理单元(CPU)CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU模块是可编程控制器的核心，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：（1）接收并存储用户程序和数据；（2）检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误；（3）当PLC投入运行后，以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据；（4）读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算；（5）根据用户程序的执行结果，更新有关状态标志位的状态输出和状态寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。2. 存储器可编程控制器存储器中配有两种存储系统，即用于存放系统程序的系统程序存储器和存放用户程序的用户程序存储器。系统程序存储器主要用来存储可编程控制器内部的各种信息。在大型可编程控制器中，又可分为寄存器存储器、内部存储器和高速缓存存储器。在中、小型可编程控制器中，常把这三种功能的寄存器混合在一起，统称为功能存储器，简称存储器。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。 由用户编的程序称为用户程序。用户程序存放在用户程序存储器中，用户程序存储器的容量不大，主要存储可编程控制器内部的输入输出信息，以及内部继电器、移位寄存器、累加器、数据寄存器、定时器和计数器的动作状态。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储的PLC，都有后备电池(锂电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。若用户程序已经完全调试好，并且一段时间内不需要改变功能，也可将其固化到EPROM中。但是用户程序存储器中必须有部分RAM，用以存放一些必要的动态数据。3. I/O单元I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收操作指令和现场的状态信息，加控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件3。1.2.2 PLC的工作原理可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。因为专门在工业环境下应用，所以采用了循环扫描的工作方式，整个工作过程如图1-1所示。在正常情况下，一个用户程序扫描周期由三个阶段组成。PLC通上电后，CPU首先使 I/O状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常以后，就采用循环扫描工作方式执行用户程序。 图1-1 可编程控制器工作过程图三个阶段的工作过程是：1. 输入处理阶段 又称为输入采样。在此阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息关到I/O状态表中存放。在同一扫描周期内，某个输入点的状态在I/O状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行4。2. 程序处理阶段又称为程序执行。当输入状态信息全进入I/O状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编过程控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/O状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/O状态表的输出状态寄存器中。3. 输出处理阶段又称为输出刷新。这个阶段 CPU对用户程序己扫描处理完毕。并将运算结果写入到I/O状态表中的输出状态暂存器中。此时将输出信号从输出状态寄存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。PLC的一个工作周期主要有上述三个阶段，但严格说还应该包括下述四个过程：（1）系统自监测。（2）与编程器交换信息。（3）与数字处理器交换信息。（4）网络通信。值得注意的是在一个扫描周期内，对输入状态的扫描只是在输入处理阶段进行。当CPU进入程序处理阶段后，输入端被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状态进行新的扫描，这就是所谓集中采样，即在CPU工作的一个扫描周期内，定时集中对输入状态进行扫描。在用户程序中如果对输出多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只是在输出处理阶段将输出信息从输出寄存器中送出去，而在其它阶段，输出值一直保留在输出寄存中，即输出也采取集中定时输出的方式。输出寄存器中的状态在用户程序中也可作为中间结果或输入条件来使用。可编程序控制器所采用的集中采样，集中输出的工作方式，使得CPU工作时的大多数时间与外设隔离，因而从根本上提高了它的抗干扰能力，增强了可靠性，但响应滞后、速度慢，也就是说PLC以降低速度求得高可靠性。1.2.3 PLC的主要特点可编程控制器的种类虽然千差万别，但为了在恶劣的工业环境中使用，它们都有许多共同的特点。1. 抗干扰能力强，可靠性高。PLC是专门为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境，有些PLC的平均故障时间可以达到几十万小时以上。绝大多数的用户都将可靠性作为选取控制装置的首要条件，因此PLC在许多硬件和软件方面均采取了一系列的抗干扰措施。硬件方面：（1）隔离，在微处理与 1/O电路之间采用光电隔离减少外部干扰源对PLC的影响。（2）滤波，对供电系统以及输入线路采用多种形式的滤波，减少高频干扰。且有些模块设置了连锁保护、自诊断电路等。软件方面：（1）设置故障检测与诊断程序。（2）当软件的故障条件出现时，立即把状态重要信息存入指定存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防止存储器信息被冲掉。这样，一旦外界调整正常后，便可以恢复故障发生前的状态，恢复原来的工作。2. 编程简单、使用方便。目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些 PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。3. 设计安装容易，维护工作量少。功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。4. 设计、施工、调试周期短。易于实现机电一体化。第2章 检测系统的总体设计方案农产品加工机械的性能检测系统由数据采集系统和PLC控制系统两大部分组成。其中数据采集系统由传感器、变送器、数据采集卡、研华工控机等设备组成；PLC控制系统由台达DVP系列的PLC、变频器等设备组成。数据采集系统采集各个实验阶段的有关参数并在研华工控机的人机界面上实时显示；PLC控制系统主要完成在实验过程中对现场机械的启停、被测机械的轴承温度、拨板给料电动机的原料流量等的控制。2.1 检测系统的总体设计要求针对目前我国农产品加工设备品种繁多、规格复杂(如各类型碾米机、榨油机、饲料机等)、产品鉴定采用传统方法检测周期长、工作量大、效率低的现状，为使农产品加工机械在大批量生产和投放市场之前达到国家规定的性能指标和要求， 避免性能不合格的农产品加工机械流入市场，扰乱农产品加工市场，使人们放心食用高质量的农产品加工机械产品。必须有一个对农产品加工机械进行性能检测的系统，且要求本农产品加工机械性能检测系统具备以下功能要求：（1）能够准确、实时地采集检测现场的相关参数。（2）能够自动控制现场机械的启停及原料的流量控制。（3）当系统的运转出现异常时能够及时报警，使系统功能完善、使用方便、操作简单。（4）能够对采集的数据进行相应的处理并储存。2.2 检测系统的技术要求检测系统除了要满足以上功能要求以外，还需要满足技术性能指标的要求。检测系统的技术性能指标包括硬件的精度要求、分路测量精度要求、数据采集方面的要求。1. 硬件精度要求硬件精度要求如表2-1所示。表2-1硬件的精度要求硬件名称量程精度质量传感器101000.05%温度传感器500kg0.5三相功率仪30kW0.5%电压表380V2级电流表80A2级大气压力传感器80106Pa0.1kPa转速仪5000r/min1r/min湿度传感器0100%1%2. 分路测量精度要求（1）质量测量精度：1%（2）温度测量精度：1 （3）电压测量精度：3%（4）电流测量精度：3%（5）湿度测量精度：2%（6）转速测量精度：5r/min（7）电功率测量精度：1%3. 控制方面的要求（1）料斗加料控制装置：要求采用程序自动控制和手动控制两种形式。（2）料流量控制装置：要求采用自动和手动双重控制形式。既能手动控制阀门的大小，又能根据被测试机械的生产率自动调节阀门的大小；还能根据事先给定的测试原料质量的参数自动启动阀门。4. 数据采集方面的要求（1）采集数据保留两位小数。（2）各相关测试参数应根据实验工作状况实现同步采集控制。（3）原始数据和处理结果均能保存和打印。（4）具有查找历史数据的搜索功能，可按被测机器型号、检测日期进行搜索并显示、打印等。2.3 检测系统的组成及工作原理检测系统包括数据采集系统和PLC控制系统两大部分。数据采集系统由传感器（变送器）、数据采集卡、上位工控机等设备组成，PLC控制系统由下位机PLC、变频器等设备组成。其系统组成框图如图2-1所示。图2-1 检测系统组成框图数据采集系统中的传感器（变送器）把现场需要测量的信号从非电量信号转化成电量信号；称重传感器测量原料质量和成品质量；非接触红外线温度传感器测量轴承温度，温度变送器测量成品温度；温、湿度变送器测量环境温度、环境湿度；压力变送器测量大气压力；电功率变送器测量被测电动机的电功率；电压变送器测量电源电压；电流变送器测量电源电流等等。以上传感器、变送器测量所得的电信号传送到数据采集卡，数据采集卡将采集到的模拟量信号转换成数字量信号传送到上位工控机。PLC控制系统中的核心器件PLC作为下位机，上位工控机与下位工控机PLC之间通过RS-232串口进行串行通信，PLC控制检测系统电机的启停以及原料的流量控制。光电耦合隔离传感器测量被测电机的主轴转速，主轴转速经光电耦合隔离传感器转换成电脉冲信号并传送到PLC的高速计数端X2、X3，由PLC内部的高速计数器CR237、CR238统计光电耦合隔离传感器传来的脉冲数，从而采集被测机的主轴转速I和主轴转速II。PLC与变频器之间通过RS-485串口进行串行通信，变频器改变拨板给料电动机（异步交流电动机）的转速以实现对原料的流量控制。15河南科技大学本科毕业设计（论文）第3章 检测系统的硬件设计及实现整个硬件系统由数据采集系统和PLC控制系统两大部分组成。下面分别介绍数据采集系统和PLC控制系统的硬件设计。3.1 数据采集系统硬件实现3.1.1 传感器的选择在本控制系统中选择的传感器的名称、型号、测量范围、测量精度、等主要技术性能指标以及所测量的物理量如表3-1所示。表3-1 各传感器的主要技术性能指标与其所测的物理量器件名称型号测量范围测量精度模拟量输出测量的 物理量称重传感器BHR-4B(0500)kg40.05%FS0100mV原料质量 成品质量非 接 触 红 外 温 度 传 感 器ST-AB-A-015-M28/10/2501501%F.S420mA轴承温度Pt 铂 电 阻 二 线 制 变 速 器WLB-101000.5420mA成品温度温度变送器WLHT-IS0800.5420mA环境温度湿度变送器WLHI-IS0100%RH420mA环境湿度压力变送器BP8000.1K0.35Mpa0.5%F.S420mA大气压力功率传感器HRP114S9130kw0.5级420mA功率电压传感器HRV417U01500V0.2级420mA电压电流传感器HR1417S4100.2级420mA电流光电耦合隔 离传感器E3T-FD1205000Hz3HzFS脉冲主轴转速3.1.2 称重传感器与其信号调理电路BHR-4B传感器采用空心圆柱体应变筒和剪切式结构作为弹性敏感元件，具有结构简单，应变测量可靠等特点，有一定的抗冲击振动稳定性，有优良的静态性能和良好的动态性能，配用电子称、数字电压表或电阻应变仪可在自动化系统中作为称重测力自动控制元件。主要技术有： （1）输入范围：05mV或更大 （2）电源：220VAC特殊电压可定制 （3）精度：0.1% （4）放大器零点：可调 （5）放大倍数：可调 （6）允许环境温度：1050度 （7）重量：0.5kg （8）尺寸：1159055（mm） 但是称重传感器的输出信号是0100mV的微弱信号，且含有干扰噪声，故选择SY-2C有源放大器作为信号调理。SY-2C有源放大器集放大器、供电电源于一体 ，可直接与各种电阻应变式传感器配套使用，最显著的特点是能避免用户电源和出厂调试电源之间而引起的系统误差，其工作原理图如图3-1所示。图3-1 SY-2C有源放大器的工作原理3.1.3 数据采集卡的选择根据控制各传感器、变送器的主要技术要求及采集系统对数据的精度要求，选择了12位32路A/D数据采集卡PCL-813。该采集卡能对每路模拟量输入提供电压保护，是工业测量和监控的理想解决方案。该卡良好的接地的四层PCB上提供了32路模拟量输入和2个DC/DC转换器。每路模拟量输入的增益都可以软件编程。光隔离在模拟量输入和PC之间提供了500VDC的支流隔离保护，能够防止PC机外设被输入线上的高电压损坏。具有价位低、灵活性好、稳定性高以及高隔离保护的特点。其主要技术指标如表3-2所示。表3-2 PCL-813B主要技术指标A/D通道数单端32路补偿误差05V:1LSB +5V,010V:2LSB输入信号范围010V,05V,02.5V,01.25V精度0.01% of reading 1 LSB最大允许输入电压30V电源功耗+5V 660mA max， +12V 140mA max转换器A/D574工作温度050分辨率12 bits (SAR)隔离电压500VDCA/D触发数据传输程序控制采样速率最高25KHz，仅软件控制A/D转换时间25S相对湿度(5%95%)RH输入阻抗10M存储温度-2065程控增益1、2、4、8温漂25PPM/数据采集系统的连接示意图如图3-2所示。图3-2 数据采集系统的连接示意图数据采集卡PCL-813B插入工控机的数据总线PCI插槽中，通过PCI插槽将采集到的信号传送到工控机。在本控制系统中，数据采集卡PCL-813B的主要功能有以下两个：（1）由多路切换开关完成多点多通道信号的分时采样，时间连续信号x(t)经过采样后变为离散时间序列x(n)，n=0，1，2.（2）将信号采样值由逐次逼近型A/D574转换器转换为幅值离散化的数字量，然后经过光电隔离电路对系统总线和模拟信号之间进行光电隔离，以免相互间干扰，同时使得被测量系统与工控计算机之间完全电气隔离，以适应于环境恶劣的工业现场数据采集和工控机的正常工作。3.1.4 上位工控机工业控制机简称工控机，是用于工业控制现场的计算机(Industrial Personal Computer简称IPC )。工控机有以下特点：（1）机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。（2）机箱内有专用底版，底版上有PCI和ISA插槽。（3）机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。工