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测控工程学课程设计说明书姓 名： 沈游 学 号： 200906028 班 级： 测控091 专 业： 测控技术与仪器 学 院： 机械工程学院 时 间： 2012.12.242013.01.11 地 点： 机械工程学院机房 指导教师： 林海波、李霞、杨淑燕 目 录测控工程学课程设计任务书1一、前言2二、试验台主要工作部件参数设计32.1 种床长度的确定32.2 种床带前进速度的确定32.3 排种盘转速的调整范围32.4 种床带传送装置驱动电机功率的确定32.5 排种器驱动电机功率的确定4三、系统硬件组成63.1 驱动电机的选择63.2 变频器的选择63.3 底板、控制器、I/O模块的选择83.4 上位机的选择83.5 排种器试验台结构9四、系统软件设计104.1 系统设置104.2 ioControl编程104.3 ioDisplay编程18五、总 结23参考文献24- 26 -测控工程学课程设计任务书设计题目： 1. 温度测试控制实验系统开发（单号）2. 精密播种器实验测控系统开发（双号）设计目的：学会测控系统的分析、设计及实现，能用软件进行测控系统的开发。设计要求：1. 学会如何从设计任务出发进行测控系统的分析与设计；2. 掌握传感器及其数据采集控制模块的选型与使用；3. 学习并掌握测控系统软件开发方法，学习并掌握一种测控系统开发软件；4. 进一步加深对测控工程学及相关课程知识的理解；5. 写一份测控工程学课程设计说明书。设计成绩评定标准：设计成绩由三部分组成：平时成绩占20，面板图和程序框图设计占40，说明书占40。一、前 言播种是农业栽培生产的首要环节。排种器是播种机械的核心部件，其技术水平和性能直接影响播种机的播种质量。近年来，我国播种机械发展迅速，需求量不断增加，适宜高速作业的气力式排种器等各种新型排种器得到了日益广泛的应用。为了高效率地研制和改进排种器，应用排种器试验台进行室内台架试验十分必要，其可以不受田间条件的限制，模拟各种工况。因此，对其性能进行深入的试验研究或鉴定，探索排种技术规律，并为科研人员提供可靠的设计依据，具有重要意义。播种作业是农业生产中最基本最重要的一环，目前大多数播种方式仍采用撒播和条播，单位产量较低，精密播种技术是播种技术的一个重要发展方向。精密播种不仅可以节约种子，节省工时，有利于田间管理，而且能使种植作物时所需的资源(如种、肥、水)得到充分的利用，从而能大大提高作物的产量 。播种机是执行播种作业的主要机具，其性能好坏直接关系到农作物的生产和产量。而排种器是播种机上的关键部分，它的性能的好坏直接决定了播种机的性能好坏，因此在播种机的设计和实验过程中对排种器性能进行充分的实验和检测，是保证播种机质量的重要一环。播种机性能试验台属大型专用检测设备，综合应用技术包括：机械设计，液压传动与控制技术，机器视觉与图像处理技术，机电控制技术，计算机技术，农业机械试验与检测技术等。根据图像处理与分析技术测量种子粒距，具有检测快速、准确、直观、稳定性好。计算机识别、计算、处理和自动控制为一体的综合技术优势。种子粒距综合测量误差2mm。排种器试验台能模拟田间环境和工作条件，进行多次重复试验，在尽短的时间内，获得排种器性能多组试验数据。因此，为了提高试验台测试数据的准确性和方便性，本研究用小型可编程控制器（PLC）对排种器试验台更新设计，实现试验过程自动（手动）控制，改变传统电气控制操作繁琐和精度不够的缺陷。需要做的工作主要有：（1）设计制作了实验台，本实验台可以进行各种机械式精密排种器或播种机的性能测试。（2）设计了控制柜（包括控制器、I/O模块、变频器以及一系列的控制按钮）。（3）通过上位机与控制器通信和控制器与变频器的通信，实现了上位机对试验台的控制。（4）通过计算机Opto 22界面，自动（手动）调节控制按钮，从而控制试验台的传动，使种床带上种子的间距达到试验要求。二、试验台主要工作部件参数设计2.1 种床长度的确定考虑到本排种器试验台采用机器视觉方法测得粒距，试验中可进行不问断的测量、实时采集、处理图像和存储数据。试验标准上必须1次连续测得超过250个粒距样本的要求，一段很短的种床带就可以满足。然而，有时希望还能从种床带上直观地观察一小段排种实况，而种床带刹车后还会运行一段距离。基于以上两个方面，把种床带有效长度定为l0m较合适。该种床带周长20.83m、宽0.7m、厚0.04m 。2.2 种床带前进速度的确定当前，国内外的中耕作物精播机作业速度一般都在5-8kmh左右，部分先进的气力式播种机可达l0 -l2kmh。一般说来，速度超过lOkmh，播种质量就有明显下降的趋势，且试验标准要求，播种机试验前进速度为1.03ms(3.6一l0.8kmh )。排种器试验台的设计，除了满足现有播种机的实际速度要求之外，还应提高其测试范围，从而种床带前进速度确定为1.514kmh。2.3 排种盘转速的调整范围从现有国内外先进的中耕作物精播机的作业速度来看，其前进速度在12kmh时，则对应的排种盘转速一般在20200rmin之间。所以，本试验台排种盘转速调试范围为15300rmin。2.4 种床带传送装置驱动电机功率的确定从结构上看，本排种器试验台的种床带传送装置是属于皮带输送机，其背面设计了突起肋条限制跑偏，并配有张紧和托辊装置。工作时，种床带处于匀速滑动状态，因此可粗略计算驱动种床带传送装置平移运动所做的功，来确定驱动电机功率。计算电机额定转矩(1)运动中滚筒所需的驱动扭力为 (1-1)式中 G种床带总质量，G=61kg；f橡胶带与钢的动摩擦系数，f=0.65。(2)滚筒的驱动转矩为 (1-2)式中 R滚筒半径，R=0.1425m。(3)电机的额定转矩为 (1-3) 式中 i电机与滚筒传动比，i=2。 计算电机额定功率(1)滚筒在种床最大前进速度下的转数为 (1-4)式中 Vm种床带最大前进速度，Vm=14kmh。(2)在种床带最大前进速度下驱动电机的转数 (1-5)由于采用专用变频电机，电机频率范围内大部分处于恒功率工作状态,电机额定功率P0为： (1-6)因此，选取2.2kW的专用变频电机较为适合。 验算种床带启动转矩种床带启动扭力可为 (1-7)式中一橡胶带与钢的静摩擦系数，=0.8。种床带启动转矩为 (1-8)电机的启动转矩为 (1-9)所选22kW专用变频电机的启动转矩是额定的转矩的1.8倍，因此该电机启动转矩是足够的。2.5 排种器驱动电机功率的确定播种机上排种器大都为地轮驱动，单个排种器的排种盘转动所需转矩最大约为12.75Nm。排种器驱动电机的额定转矩为 (1-10)式中 排种盘所需最大转矩， =12.75Nm；电机与排种轴传动比， =2。由于也是采用专用变频电机，则电机额定功率为 (1-11)式中 排种盘最高转数，=300rmin。因此，选取1.5kw的专用变频电机较为适合。图2-1 实验台工作过程三、系统硬件组成计算机（ioControl、ioDisplay）底板、控制器、I/O模块变频器电 机排种器试验台图3-1 系统硬件系统组成3.1 驱动电机的选择Y系列三相异步电动机主要特点是全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，具有高效、节能、起动转矩大、噪声低、振动小、可靠性高等特点。其功率等级及安装尺寸完全符合IEC标准。主要技术指标-工作方式 S1 ； 电 压：三相380V ；电机能承受额定转矩的50%过载，历时1分钟；绝缘等级：B 级。典型应用：Y系列三相交流异步电动机是一般用途的电动机，适用于驱动无特殊性能要求的各种机械设备，如机床、水泵、风机、压缩机、运输机、搅拌机、农业机械、矿山机械等。选择了由上海力超有限公司生产的型号为Y100L-6，功率1.5kw,电流4A，转速940r/min，工作制S1,重量33kg,绝缘等级B级。3.2 变频器的选择变频器主要用于交流电动机(异步电机或同步电机)转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案。目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高。但随着中国加入WTO，产品质量和生产效率都需要面临国际竞争，因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。除了具有卓越的调速性能之，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。作为交流电动机变频调速用的高新技术产品，各种国产和进口的通用变频器，在国民经济的各部门得到了广泛的应用。所谓通用一词，有两个方面的含义:一是这种变频器可以用来驱动通用型交流电动机，而不一定使用专业变频电动机;二是通用变频器具有各种可供选择的功能，能适应许多不同性质的负载机械。通用变频器也是相对于专业变频器而言的，专用变频器是专为某些有特殊要求的负载机械而设计制造的。如某些纺织专业变频器，要求其输出频率在额定频率上、下平滑的作周期性变化，变化的周期和幅度都可以调节(俗称横动功能)。又如电梯专业变频器，要求可以四象限运行;要求频率的上升和下降速率呈S型，以使电梯轿厢平稳的加速和减速。专用变频器的价格一般较贵，大部分负载机械都选用通用变频器。变频器系统选用海利博公司生产的HLP07D543B变频器，其内建RS485串联通讯界面，可设定的控制参数达113个，通讯埠位于控制回路端子。通讯协议采用RS485串行通讯，RS一485采用平衡发送接收方式，具有传输距离长(最大可达1200m)、抗干扰能力强和多站能力的优点。因此， 只需一个RS485串行口就可以与一个变频器网络相连，并统一由一台主机进行控制。此变频器输入电压3相380V，50HZ 1、参数设定：CD033=01设定外部控制；CD050=02 设定正转功能；CD051=03 设定反转功能；CD052=04 设定STOP功能。2、动作说明：触发K2，变频器正转；触发K3，变频器为反转；触发K1，变频器停机。3、该功能在食品、印染、轻工机械上有广泛使用，可利用光电开关式行程开关达到正反转切换的目的。表2-1 变频器标准规格项目名称HLP-A控制方式SPWM输入电源380V电源：330440V；220V电源：170240五位数码显示及状态指示灯显示频率、电流、转速、电压、计数器、温度、正反转状态、故障等。通信控制RS-485操作温度-1040湿度095%相对湿度（不结露）振动0.5G以下频率控制范围0.10400.00Hz精度数字式：0.01%（-1040）；模拟式：0.1% （2510）设定解析度数字式：0.01Hz；模拟式：最大操作频率的1输出解析度0.01Hz键盘设定方式可直接以 设定模拟设定方式外部电压0-5V，0-10V，420mA，020mA。其它功能频率下限，启动频率，停车频率、三个跳跃频率可分别设定一般控制加减速控制4段加减速时间（0.1-6500秒）任意产品通用规格选择V/F曲线可任意设定V/F曲线转矩控制可设定转矩提升，最大10.0%启动转矩在1.0Hz时可达150%多功能输入端6个多功能输入端，实现8段速控制，程序运行，4段加减速切换，UP、DOWN机能、计数器，外部急停等功能多功能输出端有5个多功能输出端，实现运转中、零速、计数器、外部异常、程序运行等指示及报警其它功能自动电压稳压（AVR）、减速停止或自由停止、直流刹车，自动复位再起动，频率跟踪，PLC程序控制、横动控制、载波可调，最高达20KHz等保护功能过载保护电子电驿保护马达驱动器（恒转矩150%/1分钟，风机类120%/1分钟）FUSE熔断保护FUSE熔断，马达停止过电压220V线：直流电压400V；380V线：直流电压800V不足电压220V线：直流电压200V；380V线：直流电压400V瞬间停电再起动瞬停后可以频率跟踪方式再起动失速防止加/减速运转中失速防止输出端短路电子线路保护其它功能散热片过热保护，反转限制，开机后直接起动及故障复归之功能，参数锁定等。3.3 底板、控制器、I/O模块的选择由于精密排种器的测量参数主要为：风机压力（AI）、排种器电机转速（AO，DI）、种床电机转速（AO，DI）、排种速度（DI），即一个模拟输入、两个模拟输出和三个数字输入。选择底板安装的可编程自动化控制器SNAP-PAC-R1；底板选择SNAP M系列底板有4槽的SNAP-M16型号；模拟输入采用SNAP-AIMA-4模块，模拟输出采用SNAP-AOV-25模块，数字输入采用SNAP-IDC5-FAST模块。3.4 上位机的选择上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，速度，频率等）。下位机是直接控制设备获取设备状况的的计算机，一般是PAC控制器/单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般模拟量），转化成数字信号反馈给上位机。简言之如此，真实情况千差万别不离其宗。上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。一般来说选择的上位机具有强大的I/O端口扩展功能，具有15000v静电保护功能，并且能够在此共控机上完成对PAC控制器程序的开发和控制。目前监控系统上位机一般采用Windows平台，Windows平台下的串行通讯程序设计一般有2种途径:一是直接调用WindowsAPI函数，响应速 度快，但程序设计较复杂;二是采用MSCOMM串行通讯控件，灵活性稍差，但控件的使用使得通讯程序设计大为简单。在一般控制要求并不太高的情况下，通过 第二种途径进行程序开发既能满足控制要求，又能简化程序设计。3.5 排种器试验台结构图3-2 排种器试验台示意图四、系统软件设计4.1 系统设置4.1.1 IP地址分配：192.168.0.10。4.1.2 IO模块分配：表4-1 I/O模块分配表输入输出类型所用模块所用底板插槽使用通道模拟输入SNAP-AIMA-400模拟输出SNAP-AOV-2514、5数字输入SNAP-IDC5-FAST28、9、104.2 ioControl编程启动程序：点击“开始”菜单，选择“程序”“Opto 22”“ioProject Software 7.1”“ioControl Basic”，运行ioControl软件。新建文件：点击“File”菜单“New Strategy”新建策略，出现“创建新策略”对话框，选择合适路径，输入文件名，点击“打开”按钮，完成策略创建。4.2.1 建立Control Engines1、点击“Configure”菜单“Control Engines”或在左侧策略树中双击“Control Engines”或单击工具按钮，打开“Configure Control Engines”对话框，如图4-1；图4-1 “Configure Control Engines”对话框2、点击“Add”按钮，出现“Select Control Engine”对话框，如图4-2；图4-2 “Select Control Engine”对话框3、点击“Add”按钮，出现“Control Engine Configuration”对话框，control engine输入pzq，primary IP输入192.168.0.10，其他选项使用默认值，如图4-3；图4-3 “Control Engine Configuration”对话框4、点击“确定”按钮，保存并返回“Select Control Engine”对话框，选中pzq，点击“OK”按钮，保存并返回“Configure Control Engines”对话框，点击“OK”按钮。4.2.2 建立IO Units及IO Points1、点击“Configure”菜单“I/O”或在左侧策略树中双击“I/O Units”或单击工具按钮，打开“Configure I/O Units”对话框，如图4-4；图4-4 “Configure I/O Units”对话框2、点击“Add”按钮，出现“Add I/O Units”对话框，将各选项填写完整，如图4-5；图4-5 “Add I/O Units”对话框3、点击“OK”按钮，保存并返回“Configure I/O Units”对话框，点击“I/O Points”按钮，打开“Configure I/O Points”对话框，如图4-6；图4-6 “Configure I/O Points”对话框4、单击“模块图标00”并点击“Add”按钮，或双击“模块图标00”，打开“Add Module”对话框，选择“所需类型和模块”，如图4-7；图4-7 打开“Add Module”对话框5、点击“OK”按钮，保存并返回“Configure I/O Points”对话框，单击“模块图标00”加号按钮，展开该模块“I/O Points”，选择“00通道”并点击“Add”按钮或双击“00通道”，打开“Add Analog Point”对话框，将各选项填写完整，如图4-8，点击“OK”按钮，完成ai1的建立；图4-8 “Add Analog Point”对话框6、重复3、4、5，完成剩余IO Points的建立，各见表4-2。表4-2 IO Points类型及名称物理IO类型IO名称电参量实际参数抽 气 机 压 力模拟输入ai1420 mA0100 Kpa种床带速度调节模拟输出ao1010 VDC050Hz排种器速度调节模拟输出ao2010 VDC050Hz种床带速度检测数字输入di12.516VDCCounter排种器速度检测数字输入di22.516VDCCounter排 种 速 度数字输入di32.516VDCCounter4.2.3 建立变量1、点击“Configure”菜单“Variables”或在左侧策略树中双击“Variables”或单击工具按钮，打开“Configure Variables”对话框，如图4-9；图4-9 “Configure Variables”对话框2、点击“Add”按钮，打开“Add Variable”对话框，将各项填写完整，如图4-10；图4-10 “Add Variable”对话框3、重复步骤2，完成其他变量的建立，各如表4-3。表4-3 系统变量名称及类型名称意义类型iPaizhong排种速度Integer 32iPzq排种器速度Integer 32iStatusChart调用返回值Integer 32iZcd种床带速度Integer 324.2.4 建立Charts1、点击“Chart”菜单“New”或在左侧策略树中选中“Charts”单击右键并点击“New”，打开“Add New Chart”对话框，输入Chart名称c1并添加描述，如图4-11，单击“OK”按钮。图4-11 “Add New Chart”对话框2、重复上述步骤，建立c2。4.2.5 绘制流程图1、将工作区域切换至PowerUp，点击工具按钮，放置两个矩形块（处理块），选中图块图块1单击右键并点击“Name”，将其命名为Call Charts，选择点击进行连线，流程图如图4-12；图4-12 PowerUp流程图2、选中图块1（Call Charts）单击右键并点击“Detail”或双击图块1，打开图块指令对话框，如图4-13；图4-13 图块指令对话框3、点击“Add”按钮，打开增加指令对话框，点击“Select”按钮，打开选择指令对话框并选择Call Chart指令，如图4-14，点击“OK”。图4-14 选择指令对话框4、将增加指令对话框其他各项补充完整，如图4-15；图4-15 增加指令对话框5、重复步骤3、4，完成调用c2指令。6、重复步骤1到5，完成c1、c2流程图的建立。c1、c2流程图如图4-16、图4-17。图4-17 c2检测ao1、ao2的值，使其保持050图4-16 c1计数器读取程序流程图4.3 ioDisplay编程启动程序：点击“开始”菜单，选择“程序”“Opto 22”“ioProject Software 7.1”“ioDisplay Configurator Basic”，运行ioDisplay软件。新建文件：点击“File”菜单“New Project”， 出现“New project”对话框，选择合适路径，输入文件名，点击“打开”按钮，完成策略创建。4.3.1 建立ioControl关联点击“Configure”菜单，打开“Control Engines”对话框，点击“Add”按钮，选择先前建立的“排种器.idb”，点击“打开”按钮，返回“Control Engine Properties”对话框，点击“Browse”将pzq（Control Engine），添加到Primary Control Engine。如图4-18。图4-18 “Control Engine Properties”对话框4.3.2 建立人机界面1、点击“File”菜单“Choose Bitmap”，在打开的对话跨中调整路径选择系统总体结构图并打开，在工具箱中选择工具按钮，在工作区域单击左键，将图片放入工作区并适当调整位置；2、在工具箱中选择工具按钮、，在工作区域绘制一个倒圆角矩形、一个矩形和“参数显示”文字，适当调整三者位置，将三者选中单击右键并点击“Group”将三者组合，并填充颜色，如图4-19；图4-19 图4-203、在工具箱中选择工具按钮，在工作区域添加“种床带速度”、“排种器速度”等参数文字，并调整其位置，使其排列如图4-20；4、点击“edit”菜单“paste from file”“symbol factory”，在打开的symbol factory浏览器中选择“computer keys”“up arrow”，点击copy将该按键复制后粘贴到工作区域并适当调整大小及位置。人机界面如图4-21。图4-21 人机界面4.3.3 数据链接1、双击“种床带速度:#.#”,打开“Graphic Dynamic Attributes”对话框，如图4-22；图4-22 “Graphic Dynamic Attributes”对话框2、在左侧“Control Engine Driven Attributes”列表中选择“Text From Control Engine”，点击“Edit”，弹出“Dynamic Aattributes”对话框，如图4-23；图4-23 “Dynamic Aattributes”对话框3、点击问号，打开“Value Tag Selection Dialog”对话框，如图4-24，选择对应参数，单击“OK”。图4-24 “Value Tag Selection Dialog”对话框4、重复步骤1到3，完成其他测量参数的数据链接；5、双击上方向键，打开“Graphic Dynamic Attributes”对话框，如图4-22；6、在右侧“Operator Driven Attributes”列表中选择“Send