第2章方案设计
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我们想要设计出完善的基于PLC控制的大型地秤控制系统，首先需要制定出一套完整的研究方案。在此设计中我们了解地秤的工作原理和特点，其次我们需要了解此次设计用到的传感器、变送器以及PLC的工作原理和选型，因为对于一个好的设计元器件的选型是非常重要的。2.1 研究方案
本课题主要设计一个以PLC控制为核心的大型地秤控制系统，系统包括按钮、称重传感器好、称重变送器、PLC、和上位机组成。在此系统中当有物体放在传感器上它把压力信号转换为较小的电压信号，然后通过称重变送器把信号接收放大传输给PLC的CPU经过数模转换后，最终在电脑上的组态软件上显示出来重物具体的重量。大型地秤的控制系统还有实时记录数据，打印数据的功能。其结构框图如图2-1所示。
图2-1 结构框图
2.2 地秤简介
地磅，英文为truck scales ，也被称为汽车衡是设置在地面上的大磅秤，是用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，通常用来称卡车的载货吨数。地秤是人们在日常生活中用来称量比较重的物体的称重设备。在二十世纪80年代的时候生产的地磅基本上都是依据杠杆原理发明制造出来的，因此也被人们称作机械地磅。 随着称重行业的全民化发展，人们对地磅的配置也有所提高。机械式地磅在出现误差小、实用性好、功能强大的模拟式地磅和数字式地磅之后慢慢地被它们所淘汰。
2.2.1地秤的结构
大型地秤一般由承重面、称重传感器、称重变送器、信号线、接线盒和上位机组成。它不仅能够为人们达到称重的目的,还能够根据人们的需要实现对称重数据的保存记录和数据的打印等，但实现这些功能需要使用者自行安装打印机、电脑等外部设备。地秤总体来说是以称重传感器为核心，当有物体放在传感器上是它把压力信号转换为相应的电压信号。传感器的准确度直接关系到整个地磅的测量值。当然称重变送器和其他的一些器件在称重系统中也是必不可少的。
2.2.2 地秤的分类
地秤按原理可以分为电子地磅秤、机械秤、机电结合秤；按功能分为计数秤、计价秤、计重秤；按用途分工业秤、商业秤、特种秤。地磅按传感器输出信号分类可分为模拟式地磅和数字式地磅；按秤体结构可分为工字钢地磅、T型梁地磅、L梁地磅、U型钢地磅、槽钢地磅、钢筋混凝土地磅；按称量方式分为静态汽车衡和动态地磅；按安装方式可分为地上衡和地中衡；按秤台结构分为钢结构台面和混凝土台面；按使用环境状况可分为防爆地磅和非防爆地磅；按地磅的自动化程度可分为非自动地磅和自动地磅。当今社会随着人们生活水平不断提高，全自动的不需要人为操作的地磅控制系统也成为将来地磅发展的必然选择。在生产地磅的时候最重要的就是要注意地磅的结构性能，地磅的选材和生产质量在很大程度上会影响其测量的精度和使用时间的长短。
2.2.3 地秤的工作原理
当有物体或汽车等称重物体在地秤的承重面上时，在物体压力作用下，利用承重面将物体的压力信号传输给称重传感器，此时称重传感器发生弹性形变，传感器的弹性体电桥失去平衡，称重传感器将按照一定的比例将压力信号转换为电压信号，在经过称重变送器将信号转换放大为数字信号或模拟信号。由上位机的CPU对变送器输出的数据进行处理然后显示物体的质量,物体的质量可以在液晶屏幕上直接显示，也可以在上位机的组态软件上显示出来。
2.3 PLC简介和选型
PLC是一种电子装置，用于工业环境中的数字操作。当今社会只有加快自动化产业的发展才能够满足市场需求，所以必须生产出控制精度高、稳定性好、品种、价格低廉和实用性好的自动化产品，为了满足这一要求，自动化设备和流水线的控制系统应该拥有良好的稳定性和实用性，可编程控制器就是遵循这样的原理研发出来的，它是在微处理器的基础上开发来的适用于大多数自动化工业控制装置。PLC的功能非常全面，可以连接到计算机网络实现分层控制。基于综合特性，大型地秤控制系统将采用西门子S7-200系列PLC为下位机。
西门子S7-200系列PLC是专门为小型的控制系统而设计的,S7-200具有控制精度高、稳定性好、较好的通信功能、硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强等特点。能够独立运行，可以使用在继电器控制系统，也可以使用在自动化控制系统。因为它的通信能力较高，在网络控制系统中也占有者比较重要的地位。S7-200凭借稳定性好、使用方便等特性在许多自动化领域都有所应用。西门子S7-200系列PLC的CPU有六种基本类型，分别为CPU221,CPU222,CPU224,CPU224XP / CPU224XPsi,CPU226。每个电源电压分为交流电压和直流电压，输出类型有晶体管输出(DC)、晶间输出(AC)和继电器(DC/AC)输出。CPU221不具有扩展能力，能够用于小型的控制器。CPU222具有扩展功能，CPU224控制器具有强大的控制功能，有24个数字量点(14点输入/10点输出),具有7扩展模块可以连接，最大能够扩展到168数字量I/O点或35路模拟量I/O点。12KB的程序内存容量和8KB的数据存储容量。CPU224XP集成有2路模拟输入(10位DC +10V)，1路模拟输出(10位，DC0-10V，或0-20mA)，有2个RS-485通信端口，高速脉冲输出频率高达100kHz，高速计数器频率高达200kHz。另外，它有2个RS485通信编程端口。它具有PPI通信协议、MBI通信协议和自由模式通信能力。采用PC/PPI通信电缆，通过西门子提供的STEP7-Micro/WIN编程软件编写程序。程序被下载到PLC，相关操作由PLC进行。根据所学知识和现有的实验设备大型地秤控制系统最终 选择CPU224XP型PLC。
2.4 传感器简介
传感器是一种以一定精确度把被测量转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量的测量装置。以满足对测量信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制要求。在一般情况下，传感器由敏感元件、检测器、转换器和发讯器等组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分，传感器的工作方式有很多种，它在许多的科学领域都有涉及，生产种类多，所以研究者们也给出了不同的分类方法，按照物理原理可以分为电参量式、压电式、气电式、磁电式、半导体式传感器。
称重传感器的工作原理是将检测到的质量信号转换成相应的便于测量的电信号的称重设备。使用传感器的时候首先要注意传感器的工作地点，它会影响到传感器的测量精度、使用时间和稳定性。称重传感器的定义在新旧国标的解释下有所差异。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁型、电容型、电阻应变式等,称重传感器具有操作简单、精度高、反应快、等特点。当今社会大部分的称重产品是使用的传感器都是电阻应变式。电阻应变式称重传感器稳定性好、精度高、使用范围广、能够在较差的环境下工作。因此，在大多数自动化工厂的称重设备都使用电阻应变式称重传感器。
2.4.1传感器选型
电阻应变式称重传感器具有可靠性高、测量范围广、持久耐用、稳定性好等特性，能够在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、潮湿等恶劣环境下正常工作。结构简单、体积小、质量好、价格低廉、产品种类多、有多种使用频率可供选择，不仅能够实现静态测量也可以实现动态测量。传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，也就是说在金属应变片在受到拉力或压力时发生机械形变，此时其内部的电阻值会随着拉力或压力的改变而发生相应的变化。电阻应变片一般由金属或半导体两种材料组成，金属应变片主要有金属丝式、箔式、薄膜式等几种类型。半导体应变片具有测量精度高（一般是丝式、箔式的几十倍）、体积较小等优点。本设计采用大洋传感系统工程有限公司生产的S型称重传感器，型号为DYLY-102。此传感器具有高精度、底温漂、拉压双向测量且具有多种量程。采用40CR合金钢抗机械疲劳性能强淬透性好，5.6mm外径导线信号稳定抗干扰强，防水接头且带弹簧缓冲防止导线拉扯断裂，黄铜镀镍加强型防水接头。
2.4.2传感器技术参数
我们想要很好的使用称重传感器除了要了解它自身的特点和工作原理，还需要详细的了解其技术参数，在一个控制系统中了解使用元器件的技术参数是非常重要的，因为如果不了解其技术参数有可能在使用时出现预想不到的错误，影响到整个测量系统的稳定性和测量精度甚至是整个系统的安全性。DYLY102称重传感器的技术参数如表2-1所示。
表2-1 技术参数表
参数
单位
技术指标
灵敏度
Mv/v
1.0-3.0±0.05
非线性
≤%F.S
±0.03
滞后
≤%F.S
±0.03
重复性
≤%F.S
±0.03
工作温度范围
℃
-20℃~+80℃
输入电阻
Ω
350±20Ω
输出电阻
Ω
350±5Ω
零点输出
≤%F.S
±1
零点温度系数
≤%F.S/10℃
±0.3
推荐激励电压
V
24v
绝缘电阻
MΩ
≥5000
2.5 称重变送器简介
称重变送器又被称为重量转换器，是一种将压力信号变换成电压信号，把传感器输出的较小的电压或电流信号经隔离放大转换成标准直流信号的变送器。称重变送器大多数采用国际领先的SMT技术制造完成，是为了电阻应变式称重传感器而研究发明的，能够适配市场上大多数称重传感器。
2.5.1称重变送器选型
本设计采用上海铠安自动化有限公司生产的TW1系列称重变送器，此称重变送器采用先进的SMT技术生产、体积小、控制精度高、能耗低、采用直流24V电压供电，即可以输出0-10V电压信号也可以输出4-20mA电流信号供上位机使用，能够适配市场上不同的应变电阻传感器。输出、输入、电源三端全隔离，DIN导轨独立式安装方式。称重变送器在当代自动化工厂的称重环节是必不可少的一种数据转换器件，通常应用在数据转换、信号转换、集散式控制系统和液体配料系统中，主要应用在沙子、钢筋、木材、汽车、造铁、建筑、交通运输等行业的称重环节，能够很好地实现拉压力的转换和放大。
2.5.2称重变送器技术参数
此变送器具有大面积散热孔，电源工作指示灯，并且外壳采用优质ASB耐火阻燃材料等优点。其技术参数如表2-2所示。
表2-2 技术参数表
输入端输出端
传感器类型:所有电阻应变测力传感器输出信号：4-20mA；0-10v
传感器灵敏度:1mv/v; 2mv/v; 3mv/v输出负载电阻：RL≤500Ω（电流信号）
RL≤500Ω（电压信号）
传感器激励电压：DC10v
传感器驱动能力:180mA传感器驱动能力:180mA（可带350Ω传感器最多6只）
电源：DC24v
基本精度：0.1%F.S消耗电流：≤100mA（24v供电，输入接350Ω传感器，20mA输出时）
工作温度范围：-20~+55℃
绝缘电阻：大于等于100MΩ电磁兼容性：符合GB/T18262
响应时间：≤50ms(0-90%)(TYP)绝缘强度：1500v AC/1min(输入,输出,电源之间
本章小结
本章首先介绍了地秤控制系统的整体研究设计方案，画出了此设计的结构框图，其次分析了地秤的结构、分类及其工作原理。在最后介绍了PLC、传感器、变送器的选型和特点，还简单的介绍了一下传感器和变送器的技术参数。
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