基于PLC的多功能喷洒车控制系统的设计.pdf

基于P L C的多功能喷洒车控制系统的i殳计 口申祖武 口王雅奇 口王天运 1 ． 武汉理工大学 机电工程学院武汉4 3 0 0 7 0 2 ． 总参工程兵科研三所河南洛 阳4 7 1 0 2 3 摘要 反应型压制去污剂多功能喷洒车是用于核事故现场大面积放射性沉降物压制和消除的一种新型专用设备， 而 控制 系统是其关键技术之一。 设计 出的喷洒车控制系统主要通过研制 P L C与触摸屏工控机的通信监控， 实现在放射性污 染环境 下作业人 员在 驾驶室 内完成对整 车作业过程 的实时操 控。 采 用以 P L C控制 器为核 心 ， 上位 触摸 屏计算机 为 实时监 控体 的控制 方法， 通过组 态软件 的 系统设计 与优化 ， 使得控制 系统 自动化程度 高、 人机界 面友好 ， 具有 良好 的可靠性和扩 展 性 。 关键词 喷洒车控制 系统P L C触摸屏人机界 面 中图分类号 T P 2 7 3 ． 4 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 0 0 8 0 0 2 70 3 自从 人 类 使 用 核 能 技 术 以 来 ， 放 射 性 污 染 物 质 的 消 除 问 题 就 一 直 是 人 们 所 关 注 的 世 界 性 难 题 。 传 统 放 射 性 沉 降 物 的 消 除 技 术 在 适 用 范 围 、 功 能 、 消 除 效 果 、 作 业 效 率 或 代 价 利 益 比 上 不 同程 度 地 存 在 这 样 或 那 样 的 缺 陷 ， 与 核 事 故 应 急 或 反 核 恐 怖 行 动 的 要 求 还 不 相 适 应 。 目前 在 放 射 性 非 固 定 性 污 染 物 消 除 领 域 中 ， 比较 先 进 的技 术 是 “ 剥离 型 膜 体 大 面积 压 制 去 污 方法 ” ⋯ ， 这 种 技 术 在 用 于 清 除 放 射 性 气 溶 胶 或 沉 降 物 时 有 喷 洒 作 业 、 放 射 性颗粒 与 压制 去污 材料 共 聚膜 体 、 膜 体 的剥 离 回收 和 膜 体 废 物 的 运 输 4 个 阶 段 ， 其 中完 成 喷 洒 作 业 阶 段 的 喷 洒 作 业 机 械 是 实 现 压 制 去 污 效 果 的 重 要 手 段 。 针 对 其 作 业 环 境 恶 劣 、 电 磁 干 扰 严 重 的 情 况 ， 研 制 出 集 成 性 高 、 抗 干 扰 能 力 强 、 操 作 简 便 的 控 制 系 统 对 有 效 地 完 成 喷 洒 作 业 是 十 分 关 键 的 。 1 喷洒车系统概况 根 据 压 制 去 污 材 料 凝 固 快 、 黏 度 高 的 特 性 ⋯ ， 研 制 了 适 用 于 在 核 事 故 现 场 布 洒 压 制 去 污 剂 的 专 用 多 功 能 喷 洒 车 ， 它 是 一 种 可 以 大 流 量 动 态 混 合 双 组 份 反 应 型 的 压 制 去 污 剂 ， 并 且 在 混 合 后 以 更 高 粘 度 的 液 体 均 匀 布 洒 在 污 染 介 质 表 面 。 喷 洒 车 的 主 要 作 业 过 程 包 括 上 料 、 地 面 喷 洒 和 高 空 喷 射 ， 其 中 上 料 包 括 A 罐 上 料 、 B罐 上 料 和 清 洗 液 上 料 ； 地 面 喷 洒 包 括 A 组 份 预 调 、 B组 份 预 调 和 地 面 喷 洒 ； 高 空 喷 洒 包 括 B 组 份 预 调 和 高 空 喷 射 。 喷 洒 系 统 的 工 作 原 理 如 图 1 所 示 。 控 制 系 统 作 为 整 车 正 常 作 业 的 核 心 ， 它 将 高 空 喷 洒 与 地 面 布 洒 功 能 转 换 、 A 组 份 和 B组 份 的 流 量 控 制 选 择 、 动 力 启 动 、 输 送 泵 启 动 与 关 闭 等 功 成 集 成 在 一 起 ， 由操 作 人 员 在 驾 驶 室 的 操 作 平 台 上 通 过 简 单 的 操 作 实 施 自动 作 业 。 2 控 制系统 设计 2．1控 制 系 统 原 理 设 计 收稿日期 2 0 1 0 年1 月 控 制 系 统 分 为 上 下 两 级 结 构 ， 上 位 机 采 用 车 载 触 E x p e r i me n t o f Mi c r o R o b o t i n Wa t e r [ C] ． P r o c e e d i n g s o f t h e 1 99 4 I EEE． Co n f e r e n c e o n Ro b o t i c s an d Au t o ma t i on ， Sa n Di e g o ，CA，US A ，1 99 481 4 81 9． [ 2 】 X ． T a n ， Y ． Z h o n g ， Y ． Y a n g ．D e s i g n a n d E x p e fi Me n t o f Mi c r o Mo b i l e Ro b o t i n L i q u i d【 C]． P r o c e e d i n g o f t h e 4 t h Wo r l d Co n g r e s s o n I n t e l l i g e n t Co nt r o l a n d Au t o ma t i o n ，S ha ng h a i ， Ch i n a ， 20 02 1 2 231 22 5． [ 3 ] X ． D e n g ， S ． A v a d h a n u l a ． B i o mi m e t i c Mi c r o U n d e r w a t e r V e h i c l e wi t h Os c i l l a t i n g Fi n P r o p ul s i o n Sy s t e m De s i g n a n d Fo r c e Me a s u r e me n t 【 C] ．P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 5 I EE E I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ro bo t i cs Au t o ma t i o n， Ba r c e l o na ， Sp a i n， 2 005 机械制造4 8 卷第5 5 2 期 3 3 l 2 3 。 J ． [ 4 】 刘佳 宇 ， 谭湘强 ， 李芳． 鱼形微机器人推进的力学分析 【 J I ． 华东理工 大学学报 ， 2 0 0 4 ， 3 3 3 5 8 3 6 0 ． [ 5 】 李东 明 ， 孙宝元 ， 董维杰 ， 等． 压 电双 晶片执行器驱动位移 模 型研究 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 3 ， 1 4 1 7 1 4 9 91 5 0 1 ． [ 6 】 章永华 ， 马记 ， 何建慧 ， 等． 基于人工肌 肉的仿生机器鱼节 机构设计与力学分析 [ J ] ． 机器人 ， 2 0 0 6 ， 2 8 1 4 0 4 4 ． 【 7 ] 于靖军， 宗光华， 毕树生． 全柔性机构与 M E M S 【 J 1 ． 光学精 密工程 ， 2 0 0 5 ， 1 3 1 1 5 ． △ 编 辑 小 前 2 0 1 0 ／ 8 圆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 摸 屏工 控机 ， 作 为操作 人员 的主要 控制 面板 ， 对所 有 被控 设 备 进行 控 制 ； 下 位 机 使 用 可 编程 P L C作 为 主 控 制 器 。 通 过上 位 P C机 对 P L C的通信 监 控 ， 完成 对 整 车 功 能 的 控 制 。 控 制 系 统 结 构 如 图 2 所 示 。 在 系 统 中 ， 由传 感 器 采 集 到 的 环 境 和 储 料 罐 内 的 温 度 、 喷 洒 流 量 、 储 料 罐 内液位 、 车速 、 阀 门状 态等信 号通 过 A／ D转换 在上 位机 中显 示 ， 并 自动 依据 采 样 数 据 进 行 运 算 和处 理 ； 通 过 触 摸 屏 控 制 电 动 阀 开 关 、 出 水 压 力 、 储 料 罐 内 温 度 等 ； 对 可 能 出 现 的 故 障 也 可 以 在 上 位 机 看 到 报 警 提 示 和 记 录 ， 同 时 在 触 摸 屏 上 设 置 现 场 视 频 监 控 窗 口 。 2 ． 2 PLC 选 型 选 用 三 菱 F X2 N～6 4 MR 一0 0 1 型 号 的 P L C， 3 2 点 输 入 ， 3 2 点 输 出 。 F X2 N 系 列 P L C 的 C P U 运 算 处 理 速 度 可 以达 到 0 ． 5 5～0 ． 7 I x S ／ 基 本 指 令 。 在 P L C基 本 单 元 右 侧 连 接 1 个 F X2 N一1 6 EX、 3 个 F X2 N一4 AD、1 个F X 2 N 一2 AD 和 1 个 F X2 N一2 DA特 殊 功 能 模 块 ， 用 于 对 泵 、 流 量 计 、 温 度 传 感 器 、 液 位 计 、 车 速 仪 等 的 控 制 。 在 进 行 系 统 编 程 前 ， 需 要 确 定 I ／ O 端 口的 分 配 如 表 1 。 2． 3 P LC 软 件 设 计 P L C程 序 设 计 采 用 三 菱 公 司 专 用 于 F X 系 列 P L C 的 编 程 软 件 S WOP C F XGP ／ WI NC， 其 界 面 和 帮 助 文 件 均 已汉化 ， 占用 的存储 空 间O - “ ， 操 作简 单 ， 具 有 强 大 的 编 译 和 监 控 功 能 。 主 程 序 使 用 梯 形 图 进 行 编 写 ， 主 要 包 括 设 备 初 始 化 子 程 序 、 预 调 子 程 序 、 阀 门 控 制 子 程 序 、 报 警 -T - 程 序 、 手 动 控 制 -T - 程 序 等 。 系 l1 2 8 I 2 0 1 0 ／ 8 表1 P l_ G基本单元 I ／ O分配表 输入 输 出 地址 功能 地址 功能 地址 功能 地址 功能 X 0 手 、 自动切换 X 2 0 阀 F 3关到位 Y 0 变频器 B1 启动 Y 2 3 阀 Q1 开关 X1 A上料 X 2 l 阀 F 4关到位 Yl 变频器 B 2启动 Y 2 4 阀 Q 2开关 X 2 A预调 X 2 3 A喷洒 Y 2 变频器 B l重置 Y 2 5 阀 Q 3开关 X4 B上料 X 2 4 急停 Y 3 变频器 B 2重置 Y 3 O A上料进行 X5 B预调 X 2 6 阀 Ql 上到位 Y1 3 A喷洒开始 Y 3 1 A预调进行 X1 1 地面喷洒 X 2 7 阀 Q 2上到位 Y1 4 地面喷洒进行 Y 3 3 B上料进行 X1 2 高空喷洒 X3 O 阀 Q 3上到位 Y1 5 高空喷洒进行 Y 3 4 B预调进行 X1 3 通信 X3 3 阀 Q1 下到位 Yl 6 通信进行 Y 3 7 环境监测进行 Xl 4 阀 F 3开到位 X3 4 阀 Q 2下到位 Y 1 7 阀 F 3开关 X1 5 阀 F 4开到位 X3 5 阀 Q 3下到位 Y 2 0 阀 F 4开关 1 5 4 8 卷第5 5 2 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 示 。 xo 开关 量输 入 信号 实现 手动 或 自动 切换 ， X2 上 升 沿输入 信号 为 A预 调按扭 ， 保 持 XO 接 通 ， 当第 一次 按 下 按 扭 x2 时 ， 输 入 继 电器 M1 5 1 常 开 触 点 短 时 闭 合 ， 使 辅 助 继 电器 M1 5 1 接 通 一 个 扫 描 周 期 ， 其 一 对 常 开 触 点 接 通 输 出 Y3 1 的 线 圈 回 路 ， 且 Y31 一 对 常 开 触 点 闭 合 使 Y3 1自锁 保 持 ， Y3 1 输 出驱 动 外部 负 载 的 控 制 信 号 ， 启 动 外 部 负 载 开 始 工 作 运 行 。 同 时 Y3 1 的 另 一 对 常 开触 点 闭 合 ， 为 M1 5 2 接 通做 准 备 。 当第 二 次按 下 按 钮 X 2时 ， M1 5l 一 对 常 开 触 点 接 通M1 5 2的 线 圈 回 路 ， M1 5 2的 常 闭 触 点 断 开 ， 使 Y3 1 的 自锁 保 持 电 路 失 效 ， 这 时 外 部 负 载 停 止 运 行 即 A组 份 预 调 停 止 。 B组 份 预 调 控 制 方 法 同 上 ， 不 再 重 述 其 子 程 序 。 程 序 中 使 用 了 两 个 辅 助 继 电 器 M2 5 0、 M2 5 1 ， 在 进 行 地 面 喷 洒 时 先 进 行 A、 B组 份 预 调 ， M2 5 0、 M2 51 的 常 开 触 点 必 须 保 持 接 通 ， 才 能 驱 动 外 部 负 载 即进 行 地 面 喷 洒 。 3 触摸屏界 面设计 触 摸 屏 的 基 本 原 理 是 用 手 指 或 其 它 物 体 触 摸 安 装 在 显 示 器 前 段 的 触 摸 屏 ， 所 触 摸 的 位 置 由触 摸 屏 控 制 器 检 测 ， 并 通 过 接 口 如 RS一2 3 2 串 行 口 送 到 C P U， 从 而确 定 输 入 的信 息 。 喷洒 车 控 制 系 统 的触 摸 屏 采 用 车 载 专 用 1 5 寸 T F T， 触 摸 屏 软 件 使 用 北 京 亚 控 科 技 组 态 王 软 件 6 ． 5 2 进 行 图 形 界 面 的 开 发 。 上 位 工 控 机 通 过 通 信 口 R S一2 3 2 所 读 取 的 P L C 内 部 数 据 采 用 数 字 、 状 态 符 号 等 方 式 显 示 在 触 摸 屏 上 ， 并 且 显 示 的 结 果 会 实 时 随着 P L C 内 部 实 际 数 据 的 变 化 而 改 变 。 用 户 界 面 通 过 动 画 的 形 式 模 拟 喷 洒 车 各 个 工 艺 流 程 的管 道 中 液 体 的 流 向 ， 使 操 作 人 员 直 观 、 实 时 地 观 察 和 判 断 系 统 的 状 态 ； 同 时 能 够 通 过 触 摸 屏 改 变 或 设 定 P L C传送 数据 ， 自动控 制设 备 的作 业 ， 减少 人 工操 作 干 预 步 骤 ； 视 频 显 示 通 过 摄 像 头 实 时 观 察 地 面 喷 洒 和 高 空喷洒 的喷 洒情 况 。 当 系统 出现故 障 时 ， 界面会 生 成提 机械制造4 8 卷 第5 5 2 期 示 和报警 声音 ， 并 在动 画上 显示 出故障设 备 如 图5 。 4 结束语 多 功 能 喷 洒 车 的 控 制 系 统 是 整 车 研 制 的 关 键 技 术 之一 ， 是具 有集 多 功 能于一 体 的信 息化 、 自动化 和人 性 化 的 高 技 术 产 物 。 整 车 的 控 制 系 统 以 P L C作 为 底 层 控 制 ， 操 作 员 通 过 触 摸 屏 完 成 喷 洒 车 的 各 个 动 作 的 操 作 。 经 过 一 系 列 的 实 验 和 安 装 调 试 ， 达 到 了 多 功 能 喷 洒 车 的使用 技术 要求 。 参 考 文 献 【 1 ] 王天运． 离型压制去污剂对放射性沉降物 的吸附作用 [ R】 ． 中 国 土 木 工程 学 会 防护 工 程 分 会 第 8 次 年 会 论 文 集 ， 2 0 03 1 27一l 31 ． [ 2 ] 申祖武 ， 熊建军 ， 王天运， 等．基于 P L C和触摸屏技术的 膜体 回收车 控 制 系统 的研 究 【 J ] ．计 算 机工 程 与设 计 ， 2 0 0 7 ， 2 8 2 1 ． 【 3 ] 黄晓玲 ， 申亚芳．P L C在硫磺 回收装 置投 运与紧急停车系 统中的应用[ J 】 ．工业仪表与自动化装置 ， 2 0 0 1 5 ． [ 4 ] 李春菊 ， 王迎旭．普通机械手 P L C与触摸屏全 自动控制设 计 【 J 】 ．湖南 工程学院学报2 0 0 4 ， 1 4 1 2 42 6 ． [ 5 ] 刘小 勇 ， 方 海燕．基于 P C和 P L C的绕线机数 控系统研究 [ J ] ．机床电器 ， 2 0 0 4 1 6 4 6 5 ． [ 6 ] 周巍 ， 牛志刚 ， 李元宗．基 于 P L C的防冻液喷洒控 制系统 设计 【 J 】 ． 煤 矿机 械 ， 2 0 0 9 ， 3 0 1 3 3 3 6 ． [ 7 ] 诸雪征， 孙逊， 廖明鑫， 等．喷洒车半实物仿真训练系统研 究 J 】 ．计算 机仿 真 ， 2 0 0 6 ， 2 3 1 1 2 9 6 2 9 9 ． [ 8 】 齐永胜 ， 王 秀 ， 刘 俊峰．基于 P L C的农 药喷洒靶标输 送装 置控制 系统设计 [ J 】 ． 农机化研究 ， 2 0 0 8 1 2 6 56 7 ． [ 9 ] 潘世 永 ， 郑 萍 ， 高 丽萍 ， 等．P L C远程 仿真 控制 系统研 究 [ J 】 ． 技术应用 ， 2 0 0 5 1 1 ／ 上 7 l一 7 3 ． △ 编 辑 禾 禾 2 0 1 0／ 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m