基于PLC的多路信息采集系统——毕业论文.doc

1、基于 PLC 的多路信息采集系统摘 要本设计主要介绍了可编程控制器的发展，多路信息采集技术的发展历程。通过对液压油进行分析，利用各种压力、油温传感器，对液压系统的主要动态参数（温度、压力）信号进行在线实时检测。实时准确的获得各项参数的真实信号，经过 PLC 的采集分析后，能够与 PC 机进行通讯，并能够对检测的参数在线显示、存储、打印等。关键字：可编程控制器；液压系统动态参数；人机界面；信息采集技术。 AbstractThe design focuses on the development of programmable controllers, multi-path information

2、 collection technology development process. Through the hydraulic oil analysis, using a variety of pressure, oil temperature sensor on the hydraulic system of the main dynamic parameters (temperature, pressure) signal-line real-time detection. Real-time and accurate access to the parameters of the r

3、eal signal, through the PLCs acquisition analysis, be able to communicate with the PC, and can detect the parameters of the online display, storage, printing, etc.Key words: Programmable controller; hydraulic system dynamic parameters; man-machine interface; information collection technology.前 言信号采集

4、技术属于信息科学，是信息科学的一个重要分支，是由传感器、信号测量与处理、计算机等综合形成的一门技术，它广泛应用于各个领域。信号采集系统是信号与信息处理中不可缺少的重要组成部分。在液压设备的状态监测与故障诊断中,数据采集系统提供设备的运行状态数据,其采集技术水平直接影响诊断结果。研制高性能的液压数据采集系统将有利于设备维护的信息化、智能化,进一步提高设备利用率,减少因设备故障带来的经济损失甚至人员伤亡。多路信息采集是从多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及，多路信息采集技术已成为日益重要的检测技术，被广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力的场合。多路信息采集是工业

5、控制等系统中的重要环节，通常通过一些功能相对独立的单片机或 PLC 系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，多路信息采集的性能特点会直接影响到整个系统。要检测的液压系统，在大型施工设备中，液压油既是传递功率的介质，又对液压元件起着润滑、密封和冷却作用，因此，液压油的状况对于液压系统的工作状况和工作性能十分重要。液压油是液压系统不可缺少的组成部分。液压系统的故障大约有 70%是由污染引起的，因而必须掌握有关油液状态的信号。机械设备在正常工作情况下，液压系统中油液的工作温度一般都希望控制在3580范围内，这一温度范围对机械的工作状况及液压油的寿命是最为理想的。如果液压油温度超过这个范围将会对液压系

6、统产生不良影响。同时工作压力是液压系统最基本的参数之一，工作压力对液压系统有着至关重要的作用。工作压力的正常与否在很大程度上会影响液压系统的工作性能。液压系统的工作压力失常经常表现为对压力进行调解时出现调压阀失效、系统压力建立不起来、完全无压力、持续保持高压、压力上升后又掉下来及压力不稳定等情况。一旦出现压力失常，液压系统的执行元件将难以执行正常的工作循环，可能出现始终处于原始位置不工作，动作速度显著降低，动作时相关控制阀组常发出刺耳的噪声等，导致机器处于非正常状态，影响整机的使用性能。由于液压系统中温度、压力的重要性，此次设计要求用可编程控制器 PLC，对液压系统中液压油温度、有杆腔压力、无

7、杆腔压力进行采集，并能够实现实时显示，存储，打印功能。本文设计的多路信息采集系统采用 CPM2A 系列 PLC 作为核心控制元件。该系统采用 Pt-100 作为温度传感器，采用 3200 系列 OEM 型压力传感器，通过 A/D7705模拟量采集模块将模拟信号转变为数字信号并进行放大滤波等处理，使系统具有硬件电路简单，功耗低的特点。同时 PLC 与上位 PC 机实现通讯是借助了 VB 的强大功能，将采集的数据显示、打印等。使得该设计人机界面良好，对于其它相关设计具有很好的借鉴价值。1 绪论1.1 基于 PLC 的多路信息采集系统概述1.1.1 信息采集技术概述信号采集技术属于信息科学，是信息科

8、学的一个重要分支，是由传感器、信号测量与处理、计算机等综合形成的一门技术。信号采集技术与传感器信号处理和计算机技术是构成现代检测技术的基础，通过对信号进行一系列的检测、处理、控制等实现相应的需求。一个完整的信号（数据）采集系统由传感器、接口、采集硬件、软件等几部分组成，如图 1 示：传感器 信号调理传感器 信号调理传感器 信号调理PLC硬件总线接口计算机分析处理软件图 1 信号采集系统信号采集技术的研究具有很强的实用性，如：在液压油箱温度、压力的检测中，信号采集系统有着重要的地位。随着大规模集成电路技术与计算机技术的发展，信号采集技术许多领域得到越来越多的应用，同时人们对信号采集系统的要求越来

9、越高，特别是系统的速度、分辨率等成为使用者和设计者共同关心的问题，故，进一步提高信号采集系统的采集速度、精度成为信号采集领域的首要目标。信息采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。1.1.2 液压系统概述（ 1） 液 压 系 统 的 组 成一 个 完 整 的 液 压 系 统 由 五 个 部 分 组 成 ， 即 动 力 元 件 、 执 行 元 件 、 控 制 元 件 、 辅助 元 件 （ 附 件 ） 和 液 压 油 。动 力 元 件 的 作 用 是 将 原 动 机 的 机 械 能 转 换

10、 成 液 体 的 压 力 能 ， 指 液 压 系 统 中 的 油泵 ， 它 向 整 个 液 压 系 统 提 供 动 力 。 液 压 泵 的 结 构 形 式 一 般 有 齿 轮 泵 、 叶 片 泵 和 柱 塞泵 。执 行 元 件 (如 液 压 缸 和 液 压 马 达 )的 作 用 是 将 液 体 的 压 力 能 转 换 为 机 械 能 ， 驱 动负 载 作 直 线 往 复 运 动 或 回 转 运 动 。辅 助 元 件 包 括 油 箱 、 滤 油 器 、 油 管 及 管 接 头 、 密 封 圈 、 快 换 接 头 、 高 压 球 阀 、胶 管 总 成 、 测 压 接 头 、 压 力 表 、 油 位

11、 油 温 计 等 。液 压 油 是 液 压 系 统 中 传 递 能 量 的 工 作 介 质 ， 有 各 种 矿 物 油 、 乳 化 液 和 合 成 型 液压 油 等 几 大 类 。（2）工程机械液压系统质量优劣，可以按下面的指标进行比较：系统的构成在满足机器工作要求和使用条件的基础下，系统构成优势主要表现在系统简单、紧凑、自重轻，元件选择合理，三化（标准化、系列化、通用化）程度高，便于安装、调试、使用和维护，工作安全可靠，应急能力强等方面。要达到这些要求，不仅要有良好的元件，还必须对系统进行合理的设计。经济性经济性指标包括系统的造价和使用费、系统传动效率和功率利用等。这几项指标不是相互独立的，

12、需要进行综合设计。技术性能技术性能包括微动性能，调速范围，传动平稳性，限速性，启动、制动及换向动作灵敏性，缓冲、锁紧、限压、缸荷、补油等完善功能及振动、噪声和外泄大小等 。（3）液压油箱的作用储放系统工作用油散发系统工作中产生的热量分离油液中混入空气沉淀污物一般油箱中油温在 3050C 范围内比较合适，最高不超过 65C。固定装置油温应在 4055C。移动装置，如车辆、工程机械等，最高温度允许达到 65C。特殊情况下允许达到 85C。高压系统，为避免漏油，推荐油温不超过 50C。（4）液压系统的液压油控制污染液压系统故障多数起因于液压油的污染。为了保证系统正常工作，提高工作可靠性，延长寿命，要

13、采取有效措施，对液压油进行控制。为了以简单的结构实现在任意方向上的各种不同形式的运动，现代机械，除了设备必备的机械传动机构和电气设备之外，普遍采用液压传动。液压系统的工作载荷往往是多变并伴有振动，工作速度经常处于瞬态转换兼有惯性冲击，因此对液压系统性能提出了挑战。而液压油的温度，液压系统的压力是检验液压系统性能的两大重要标准，所以对压力温度的检测成为当前的主要任务。1.2 课题背景、提出及相关技术的发展现状1.2.1 课题背景为了以简单的结构实现在任意方向上的各种不同形式的运动，现代机械，除了设备必备的机械传动机构和电气设备之外，普遍采用液压传动。液压系统的工作载荷往往是多变并伴有振动，工作速

14、度经常处于瞬态转换兼有惯性冲击，因此对液压系统性能提出了挑战。而液压油的温度，液压系统的压力是检验液压系统性能的两大重要标准，所以对压力温度的检测成为当前的主要任务。机械设备在正常工作情况下，液压系统中油液的工作温度一般都希望控制在3580范围内，这一温度范围对机械的工作状况及液压油的寿命是最为理想的。如果液压油温度超过这个范围将会对液压系统产生不良影响。同时工作压力是液压系统最基本的参数，工作压力的正常与否在很大程度上会影响液压系统的工作性能，所以对压力、温度的检测是至关重要的。液压系统故障多数起因于液压油的污染。为了保证系统正常工作，提高工作可靠性，延长寿命，要采取有效措施，对液压油进行控

15、制。液压油是液压系统不可缺少的组成部分。它既是传递功率的介质，又对液压元件起着润滑、密封和冷却作用，因此，液压油的状况对液压系统的工作状况和工作性能十分重要。以下是有关液压油油温及压力不正常而产生的常见故障：1液压油油温过高的原因：（1）油品选择不当油的品牌、质量和黏度等级不符合要求，或不同牌号的液压油混用，造成液压油黏度指数过低或过高。若油液黏度过高，则功率损失增加，油温上升；如果黏度过低，则泄漏量增加，油温升高。（2）污染严重施工现场环境恶劣，随着机器工作时间的增加，油中易混入杂质和污物，受污染的液压油进入泵、马达和阀的配合间隙中，会划伤和破坏配合表面的精度和粗糙度，使泄漏增加、油温升高。

16、（3）液压油箱内油位过低若液压油箱内油量太少，将使液压系统没有足够的流量带走其产生的热量，导致油温升高。（4）液压系统中混入空气混入液压油中的空气，在低压区时会从油中逸出并形成气泡，当其运动到高压区时，这些气泡将被高压油击碎，受到急剧压缩而放出大量的热量，引起油温升高。（5）滤油器堵塞磨粒、杂质和灰尘等通过滤油器时，会被吸附在滤油器的滤芯上，造成吸油阻力和能耗均增加，引起油温升高。（6）液压油冷却循环系统工作不良。通常，采用水冷式或风冷式油冷却器对液压系统的油温进行强制性降温。水冷式冷却器，会因散热片太脏或水循环不畅而使其散热系数降低；风冷式冷却器，会因油污过多而将冷却器的散热片缝隙堵塞，风扇

17、难以对其散热，结果导致油温升高。（7）零部件磨损严重齿轮泵的齿轮与泵体和侧板，柱塞泵和马达的缸体与配流盘、缸体孔与柱塞，换向阀的阀杆与阀体等都是靠间隙密封的，这些元件的磨损将会引起其内泄漏的增加和油温的升高。（8）环境温度过高环境温度过高，并且高负荷使用的时间又长，都会使油温太高。 2液压油油温过高的危害（1）液压油黏度、容积效率和液压系统工作效率均下降，泄漏增加，甚至使机械设备无法正常工作。（2）液压系统的零件因过热而膨胀，破坏了相对运动零件原来正常的配合间隙，导致摩擦阻力增加、液压阀容易卡死，同时，使润滑油膜变薄、机械磨损增加，结果造成泵、阀、马达等的精密配合面因过早磨损而使其失效或报废。

18、（3）加速橡胶密封件老化变质，寿命缩短，甚至丧失其密封性能，使液压系统严重泄漏。（4）油液汽化、水分蒸发，容易使液压元件产生穴蚀；油液氧化形成胶状沉积物，易堵塞滤油器和液压阀内的小孔，使液压系统不能正常工作。3液压系统压力失常的原因： （1）液压泵、马达方面的原因液压泵、马达使用时间过长，内部磨损严重，泄漏较大，容积效率低导致液压泵输出流量不够，系统压力偏低。发动机转速过低，功率不足，导致系统流量不足，液压系统偏低。液压泵定向控制装置位置错误或装配不对，泵不工作，系统无压力。（2）液压控制阀的原因工作过程中，若发现压力上不去或降不下来的情况，很可能是换向阀失灵，导致系统持续卸荷或持续高压。溢流

19、阀的阻尼孔堵塞、主阀芯上有毛刺、阀芯与阀孔和间隙内有污物等都有可能使主阀芯卡死在全开位置，液压泵输出的液压油通过溢流阀直接回油箱，即压力油路与回油路短接，造成系统无压力；若上述毛刺或污物将主阀芯卡死在关闭位置上，则可能出现系统压力持续很高降不下来的现象；当溢流阀或换向阀的阀芯出现卡滞时，阀芯动作不灵活，执行部件容易出现时有动作、时无动作的现象，检测系统压力时则表现为压力不稳定。有单向阀的系统，若单向阀的方向装反，也可能导致压力上不去。系统内外泄漏，例如阀芯与阀体孔之间泄漏严重，也会导致系统压力上不去。（3）其他方面的原因液压油箱油位过低、吸油管太细、吸油过滤器被杂质污物堵塞会导致液压泵吸油阻力

20、过大（液压泵吸空时，常伴有刺耳的噪声） ，导致系统流量不足，压力偏低。另外，回油管在液面上（回油对油箱内油液冲击时产生泡沫，导致油箱油液大量混入空气） ，吸油管密封不好漏气等易造成液压系统中混入空气，导致系统压力不稳定。4液压系统压力失常的危害（1）压力过低 执行机构不足以克服外界载荷，系统建立不起压力，执行机构无动作；需要同时联动的机构，不能联动。执行机构这种推不动、举不起、拉不走的现象严重影响工程机械的工作效率。（2）压力过高运动件的相对运动副，管道连接，液压元件固定连接处漏油和渗漏，造成油液对环境的污染，油液的浪费，机械效率降低，严重时还将引起系统工作的不稳定和系统的破坏。液压系统噪声强

21、烈，甚至产生嚎叫，引起系统剧烈振动，不仅污染环境，而且可能使系统工作丧失稳定性。我们在使用液压设备的时候，除了避免外界原因引起的油温、压力异常之外，还应该有一套完善的检测设备，以尽早发现问题提出对策。本文就是运用计算机、温度传感器、压力传感器和 PLC 等组成的信号采集系统对油箱内液压油的温度、有杆腔压力和无杆腔压力进行检测的。1.2.2 课题的提出现代机械液压系统向着高性能、高精度和复杂的方向发展，液压系统的可靠性成了一个十分重要的问题，除了对液压系统进行可靠性设计外，液压系统故障检测和诊断技术越来越受到重视，成为液压技术发展的一个重要方向。由于液压系统工作元件及工作介质的封闭性，给系统的在

22、线检测及不解体在线故障诊断带来困难，目前，主要还停留在人工巡回检测和定期检修的水平上。近年来，由于计算机技术、检测技术、信息技术和智能技术的发展，大大促进了液压系统故障检测与诊断技术的发展。现在的检测技术主要是以工况监视为特点，对机械设备的特征信号进行检测、分析处理，利用特征信号进行故障诊断。本设计主要是利用各种传感器，对液压系统的主要动态参数（温度、压力）信号进行在线实时检测。这是整个故障检测与诊断系统的重要环节，要求实时准确的获得各参数的真实信号，经过 PLC 的采集分析后，能够与 PC 机进行通讯，并能够对检测的参数在线显示、存储、打印等。1.2.3 相关技术的发展现状随着计算机技术的飞

23、速发展和普及，多路信息采集系统在多个领域有着广泛的应用。在医药、化工、食品、机械等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数，多路信息采集势必将会得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。总之，不论在哪个应用领域中，多路信息采集与处理将直接影响工作效率和所取得的经济效益。此外，可编程控制器 PLC 的发展对信息采集起了巨大的推动作用。计算机和信息采集系统的紧密结合构成了灵活多样的通信控制系统，对社会发展产生了深远的影响。（一）PLC 技术的发展可编程控制器（简称 PLC）是一种专用于工业环境下的数字式电子装置。它使用可编程的存储器存储程序

24、指令，完成逻辑运算、计数、定时和算术运算等功能，以便控制各种机械和生产过程。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点，在现代工业中应用十分广泛。上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为30%40%。在这时期，PLC 处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高。进入 21 世纪，可编程序控制器仍保持旺盛的发展势头，并不断扩大其应用领域，如为用户配置柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）。目前可编程序控制器主要向两个方向扩展：一是综合化控制系统，它已经突破了原有的可编程序控制

25、器的概念，将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来，甚至向上为 MES 和 ERP 系统准备了技术基础，这种发展趋势会使得举步为艰的 ERP 系统有了坚实的技术基础，从而会带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息化工厂；二是微型可编程序控制器异军突起，体积如手掌大小，功能可覆盖单体设备及整个车间的控制功能，并具备联网功能，这种微型化的可编程序控制器使得控制系统可将触角延伸到工厂的各个角落。因而现代制造业更加注重采用 PLC 控制。长期以来，PLC 以其可靠性高、通用性强和使用简便等优点始终处于工业控制自动化领域的主战场。它不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需求，而且将通信技术和

26、信息处理技术融为一体，使其功能更加完备，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，广泛应用于各种工业场合。在制造业领域，PLC 作为自动控制的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，成为大多数自动化系统的设备基础。由于综合了计算机和自动化技术，其发展日新月异，大大超过出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了 PLC 的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众

27、多行业。随着科学技术和微处理技术的迅猛发展，PLC 技术和产品日趋完善。PLC 的发展与制造业的发展相辅相成，PLC 的发展推动了制造业的发展，而制造业的发展又对 PLC 的发展提出了更高的要求，目前，为适应大中小型企业的不同需要，进一步扩大 PLC 在工业自动化领域的应用范围，PLC 的发展趋势主要表现在：（1）多品种方向发展A：结构、规模的发展：整体结构向小型模块化方向发展，使配置更加方便灵活，B：开发更丰富的 I/O 模块(包括智能模块)在增强 PLC 的 CPU 功能的同时，不断推出新的 I/O 模块，如数控模块、高速计数模块、远程 I/O 模块、通讯和人机接口模块等，另外，在模块上逐

28、渐向智能化方向发展 11。（2）发展容错技术，进一步提高系统的可靠性。（3）高性能，组态编程，随着工厂自动化和计算机集成制造系统的发展，功能强大的 PLC 需求日益增加。其高功能主要体现在：函数运算及符点运算，数据处理和方案处理，队列和矩阵运算，PID 运算以及超前、滞后补偿，多段斜坡曲线，配方和批处理，菜单组合的多窗口技术，控制与管理综合，组态编程简便等。（4）分散型、智能型和现场总线型 I/O 子系统。（5）增强通信网络功能：PLC 的通信联网功能增强就可以使 PLC 与 PLC 之间，PLC与计算机之间能够通信、交换信息，形成一个分布式控制系统。（6）实现软、硬件标准化。总之，PLC 正朝着体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉、大容量、高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，微型化、网络化、PC 化和开放性是 PLC 未来发