山药粉自动加工生产线监控系统设计单片机期末课程设计.docx

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山药粉自动加工生产线监控系统设计单片机期末课程设计

目录

第1节引言……………………………………………………………………………3

1.1三药监控生产线系统概述……………………………………………………4

1.2本文主要工作及技术路线……………………………………………………6

第2节系统主要硬件电路设计………………………………………………………7

2.1系统中的PLC控制环节………………………………………………………7

2.2PLC控制环节的硬件电路……………………………………………………7

2.2.3数据存储器的扩展电路………………………………………………7

2.3PLC控制环节的梯形图………………………………………………………8

2.4数据采集模块的硬件电路设计…………………………………………………9

2.4.1与上位机通信的处理器电路设计……………………………………10

2.4.2模块输入输出端口电路设计…………………………………………10

2.4.3双机通信的电路设计…………………………………………………12

第3节数据采集模块的软件设计…………………………………………………15

3.1模块的指令系统………………………………………………………………16

3.2与上位机通信的处理器软件设计……………………………………………16

3.3模块输入输出端口的软件设计………………………………………………20

第4节结束语…………………………………………………………………………29

参考文献…………………………………………………………………………30

山药粉自动加工生产线监控系统设计

第1节引言

贵州安顺山药粉加工项目，是贵州省申请的国家星火计划项目之一[1]，旨在挖掘贵州山药生产加工的区域优势和资源优势，将山药进行深加工，生产出多种形式，多体系的山药饮料食品，以带动山区经济的发展。

项目的生产线有五条，它们是山药速溶粉生产线，山药仿生食品生产线，山药罐头生产线，山药八宝粥生产线，山药饮料生产线。

每一条生产线的生产工序基本上是相同的[2]，可分为以下几个工序：

（1）原料净化粉碎处理。

该阶段对山药漂洗，挑选，去皮，粉碎，山药经过筛选工作台、破碎机等设备加工成山药粉。

（2）浆化研磨调制处理。

经过粉碎处理阶段的山药粉，再经过磨浆机研磨成胶状液体，浓浆泵将山药粉粒度满足一定要求的液体浓缩，进入下一个加工工序，其余的重新进行研磨处理。

该阶段还有一些辅助工序，那就是在调浆罐中加入一些食品佐料。

研磨过程生成的粉末，最终将保证将来生产的山药粉能溶于水，形成胶状食品。

（3高温高压分离处理。

上一工序所生成的山药粉末需进行高温消毒处理方可直接食用。

为了保证在连续工作的生产流水线上山药粉消毒比较彻底，山药浆液经过二次液化系统，重新进行稀释，在闪蒸冷却系统内进行高温高压处理，达到消毒的目的。

经过消毒处理的山药液体再经过糖化罐、板框过滤机、储液槽、板式换热机，调浆罐等设备。

对山药液体进一步进行过滤，并向其中加入食品佐料。

需要说明的是，在加工的不同阶段，所加入的佐料是不同的，这是根据最终所生产的山药粉末的不同要求及佐料本身的特性所决定的。

该阶段是整个生产流程的核心环节，也是监控系统中最复杂的控制环节。

所需控制的参数有温度，压力，流量，电机开关等。

（4）药浆粉化处理。

上一工序所生成的山药液体用高压泵送入三级降膜蒸发器中，在三级降膜蒸发器中，山药液体经过三个负压不同的腔室，脱去大部分水份，从蒸发器内出来的山药粉与加热过的空气在喷雾干燥器内混合，进行最后一次干燥处理最终形成山药粉末。

（5）山药粉包装。

在干燥机的下端安装有计量仪器与自动打包机，实现山药粉的打包与装箱。

整个生产线既要保证每个工作设备不出现空闲又不能出现“堵死”现象，在监控系统中分配了许多闭环控制环节，有的地方还出现闭环控制环节之间的嵌套，以保证整个生产线连续有序地工作。

山药速溶粉生产线的设备连接图[2]（如附图1所示），它直观地描绘了生产线的全貌，其它几个生产线的全貌与此生产线相同。

系统中所用到的自来水、工业纯水及蒸汽另有专门的供水系统及蒸汽供热系统设备提供。

自来水工业纯水及蒸汽等由安装有智能系统。

在控制系统的设计中，它们将分工序段与现场采集控制的开关量模拟量一起在控制系统中统一实现现场控制。

对于单个生产线来说，所有设备平面布局在大约60*210m的车间范围内［2］。

而生产线控制环节根据生产工序，实行分工序安装现场采集模块。

同时模块设计安装要体现便于安装，便于操作，集中管理的特点。

系统考虑到食品生产的卫生及高温高压等生产标准和生产条件的要求，整个生产线实行全自动化监测与监控。

生产线需监测与监控的对象包括全厂的动力源，电机、阀门的启动与停止，整个生产过程多点图像监视，各种生产参数如温度、压力、负压、液位等生产工艺参数的测定等。

1.1山药加工生产线监控系统概述

（1）开关量控制。

山药速溶粉加工生产线上开关量控制可分为两大类。

第一类动力源控制。

从第一道工序原料净化粉碎处理到最后一个工序山药粉的包装都离不开动力源，在整个生产线上，通过采用各种功率大小的泵，来提供药液、药泵、药粉流动所需的动力。

本系统使用的各种大小电机总共有115台，其中单机功率大于10kw的电机有6台［1］。

第二类是自来水、工业纯水和蒸汽的控制。

系统所使用的远程控制阀共69套。

根据现场动力源，自来水及蒸汽控制阀的分布情况，将它们分为15个逻辑控制区域（如图1所示），分别由相应的现场控制单元实现数据采集与控制。

引起的失控现象发生，每个电机的控制使用手动与自动两种控制方式。

任何时候电机的工作状态既可以在维修时现场由人工在设备附近进行手动控制，也可以在正常生产过程中用计算机从远程进行集中控制，使系统控制具有很好的灵活性和可靠性。

为了满足功率的要求和便于布线和维护，电机控制、阀门启停的电源统一使用220V交流市电。

（2）图像监视系统。

为了提高车间后续加工工序的环境质量以提高产品的卫生标

准，在不影响生产的前提下，尽量减少各精加工工序中车间里的工作人员，本系统在各主要生产工序设置了多个实时监测头，以便控制中心能够即时全面快速的了解各工序设备的运行情况。

在图像监视的控制模式上采用分块多路切换的模式，在中央控制室分上下两层布

置有10台工段监视器，集中控制台使每个监视器（21寸）由其相应的远程控制分切机（可以选择4—8个摄像头，仅采用一路控制线和一路视频信号线），可以选择监视多个生产过程，控制室中间为大屏幕主监视器（61寸）可以切换到多个监视器中的任意一个。

（3）现场的模拟量采集。

在山药速溶粉加工生产线的二次液化系统、糖化罐、板框换热器、调浆罐、三效降膜蒸发器，喷雾干燥塔等设备中需要监控系统的温度、压力、负压及液位等模拟量。

现场总共有123个监控模拟量［1］，根据其分布情况，将所有的模拟量分配在十个控制櫃中，与开关量采用同一条现场总线进行控制，具体分布如图1.2所示。

（4）计算机控制系统。

主系统采用两台工业控制计算机（其中一台备用，计算机的技术指标为PⅣ1.7G，80G，256Mb，目前工控机中的最高配置，产品的供货，目前国内使用量大和后期服务比较好的有台湾研华和华控）作为上位机，其上运行的监控系统组态程序是整个生产线的控制中心。

它可以随时了解生产过程中各种工艺参数的变化情况，并对各模拟量进行数据分析、判断，报警。

及时将主要生产信息通过计算机网络发送到厂内的相关部门。

1.2本文主要工作及技术路线

本文以山药速溶粉加工生产线为设计研究对象，在模拟完成山药速溶粉加工生产线监控系统的整体设计及局部设计时，主要作了以下几个方面的工作：

（1）系统采用了基于现场总线型监控系统结构，研究讨论了整个生产线监控系统的总体设计方案。

其中包括监控系统组态软件的选择、现场总线的选择、系统开关量控制、模拟量控制元件的选择及系统的总线布局等。

（2）就某些具体的控制环节，采用PLC设计完成了该控制环节的硬件连接图及流程图，据此开发了控制环节的梯形图程序并进行了模拟现场调试。

（3）根据现场开关量控制及模拟量控制的组合情况，用MCS51系列单片机开发出了适合现场控制量组合灵活多变，能与ADAM一同在485现场总线下协调工作的数据采集模块。

完成了该采集模块的硬件设计，及控制软件的编写调试工作。

（4）根据MCGS组态软件开放式接口的特点开发完成了上述数据采集模块在MCGS组态软件下的设备驱动程序，完成了数据采集模块在MCGS组态软件下的组态。

（5）开发出了该监控系统在MCGS组态软件下的部分控制工序的组态程序。

完成了组态程序控制界面设计，内存变量定义，报警系统，数据维护，脚本程序开发等工作。

（6）结合以上工作，就某些工序特例，完成了其整个控制工程的安装，测试实验工作。

第2节系统主要硬件电路设计

2.1系统中的PLC控制环节

在基于现场总线的监控系统中，对于循环运行环节，经常采用PLC作为数据采集与控制的器件。

本章以监控系统中山药预处理阶段PLC控制环节为例，重点讨论了控制环节的硬件电路设计及PLC内部运行软件设计。

2．2PLC控制环节的硬件电路

如图所示，KM1表示提升机1的动力电机1，01002接清洗机的状态指示灯；KM表示提升机2的动力电机2，01004输出通道接去皮机的状态指示灯；KM3表示沥干输送机的动力电机，01006接粉碎机的状态指示灯。

00000输入通道连接整个控制环节的启停开关，它采用两路逻辑开关，一路经采集模块，RS485总线由远程监控主机控制。

另一路由现场手动控制。

00001输入通道接传感器1，它与KM1，信号灯1组成一个小型闭环控制环节，形成对清洗机工作状态的控制。

00002输入通道接传感器2，它与KM2信号灯2组成一个小型闭环控制环节，形成对去皮机工作状态的控制。

00003输入通道连接传感器3，它与KM3，信号灯3组成一个小型闭环控制环节。

实现对后序工段粉碎机工作状态的控制。

整个环节的操作过程如下：

启动开关闭合，KM1，KM2，KM3三个电机启动，信号灯1，信号灯2，信号灯3处于熄灭状态。

若信号灯3亮，电机3停止工作40秒，在下一个PLC控制循环周期到来时，电机1及电机2各停止工作1分钟。

若信号灯2亮，电机2，停止工作40秒，在下一个PLC控制周期到来时，电机1停止工作1分钟，若信号灯1亮，则电机1停止工作1分钟。

传感器1控制信号灯1的状态，传感器2控制信号灯2的状态，传感器3控制信号灯3的状态［27］［28］［29］。

2.3PLC控制环节的梯形图

根据上一节的工作流程编制的PLC梯形图程序如下：

LD00000

OUT20000

LD20000

ANDNOT00000

ANDNOTT001

ANDNOTT004

ANDNOTT007

OUT01001

LD00001

ANDNOT00000

CJP701

LD00001

OUT01002

TIM001

#0400

EJP701

LD20000

ANDNOT00000

ANDNOTT002

ANDNOTT005

ONT01003

LD00002

ANDNOT00000

CJP702

LD00002

OUT01004

TIM002

#0400

TIM005

#0600

EJP702

LD20000

ANDNOT00000

ANDNOTT003

OUT01005

LD00003

ANDNOT00000

CJP703

LD00003

OUT01006

TIM003

#0400

TIM005

#0600

TIM007

#0600

EJP703

END

2.4数据采集模块的硬件电路设计

2.4.1与上位机通信的处理器电路设计

数据采集模块中的微处理器采用MCS51单片机，MCS51系列单片机是8位CPU，

其片内时钟振荡器，最高时钟频率为12MHz；片内程序存储器有4K，8K，16K等多种

情况；片内有128B数据存储器；可寻址外部程序存储器和数据存储器空间各64K；21个特殊功能寄存器；4个8位并行I/O；共32根I/O线；1个全双工串行口；2个16位定时器/计数器；5个中断源，有2中断个优先级［38］。

因此MCS51单片机具有很强的控制功能。

根据4.2.1节数据采集模块总体设计方案，数据采集模块与上位机通信的处理器1

需要完成以下几点功能：

（1）与上位机以固定的波特率实现通信，89C51单片机的一个全双功串行口可以满足要求，文中设计与上位机通信的波特率为9600bps，8位数据通信格式，无奇偶校验。

处理器1的晶振频率选用11.059MHz就是与上位机波特率要求所决定的。

（2）模块与上位机通信采用RS－485电平方式，系统选用MAX485芯片与89C51

的串行口连接［42］，P1.7作为MAX485芯片的数据流向控制电平选通引脚，为了使数据采集模块工作状态为监听上位机状态，处理器开始工作将P1.7引脚的电平拉为低电平。

MAX485的差模数据传输端口本身有12KΩ的输入电阻，若模块作为监控系统的中间控制环节，则MAX485芯片本身的电阻特性就可满足RS－485总线通信的需要。

若模块作为终端采集模块，则在差模传输端口要并联120Ω左右的终端电阻［35］。

（3）处理器1应该具有整个据采集模块的地址标识，解决这个问题的方法有两种，

一种是采用在程序存储器中写入地址标识；另一种方法通过硬件跳线来解决。

两种方法都要求模块的地址信息可隨现场的具体要求来改变。

文中采用第二种方法，由于在与ADAM模块一同工作的网络中，地址采用两种十六进制来标识，与上位机采集模块中选用89C51的P0口连接8个SW开关来完成。

开关闭合，P0口相应引脚的电平被拉至0电平，相应位为“0”。

开关断开，P0口相应位的电平为5V左右，相应位为“1”。

系统启动时，首先读取P0口的状态值，经地址转换程序将地址存于系统约定的RAM单元中，模块监听到上位机的指令，首先将指令的地址与此地址值相比较，若不符则表示上位机不是对本模块进行操作，否则进一步按指令要求处理指令［40］。

（4）处理器在工作异常的情况下，应能及时复位。

本文采用C1161看门狗电路在

处理器工作异常时及时复位单片机，C1161的复位输出时间为1.6毫秒［35］。

（5）89C51的4K程序存储器内需用程序设置模块的名称及程序版本号，供模块在组态软件中组态时用。

同时处理的程序还要完成模块内两个处理器之间的通信，上位机指令的处理工作。

若上位机指令是读取数据采集模块的名称及程序版本信息，该指令在本处器内执行，并向上位机返回处理结果，否则，将指令下传另一个处理器。

片内128B的RAM，可以存储模块工作过程中的地址信息，与上位机通信状态标识，与另一个处理器通信的

状态标识，模块名称及程序版本号，上位机下传指令，另一处理器返回的需上传上位机的指令处理结果［43］。

2.4.2模块输入输出端口电路设计

输入输出模块的处理器也选用89C51单片机，本处理器需对上位机下传的大部分

指令进行释意并完成指令的最终执行工作，需要编制大部分指令处理程序，因此处理器的程序存储器应根据程序存储的需要选用16K、32K或64K的单片机［33］。

本实例模块的输入输出端口包涵有两路模拟量输入，两路开关量输入，两路模拟量输出，两路开关量输出。

模拟量的输入电气幅值是0－5V的电压，这与生产线系统上的模拟量采集传感器的输出相一致。

两路输入开关量的输入为＋24V电压电平。

两路模拟量输出也是0－5V的电压，两路开关量若在光电隔离器输出端接入可控硅开关，则可控制的电压可达到500V以上。

两路模拟量的A/D转换芯片选用TLC1543，它是一个8位转换芯片，有11位输入通道，本模块只用了其中的两路输入采集端口。

模拟信号输入首先接入一个电压制单元，其后紧接一个射极跟隨器，以实现模块与外部器件的阻抗隔离，输入量超限保护电

两个输出端，系统中TLC7528数据输出模块作为89C51的一个外部的RAM设备，其数据传输由89C51的P0口输出，由P2口进行选址。

TLC7528的片选端CS连接89C51

的P2.2接口，DACA/DACB输出端口选通端口接P2.3，则TLC7528的A输出端口在89C51的输出寻址地址为＃F3FF，B端口的寻址地址为＃FBFF。

TLC7528的输出端口根据该芯片的输出要求与一个运放电路相连。

具体的电路如上图所示。

A/D数据传换模块与D/A数据传换模块的数据转换精度是由其传换的参考电压决

定的，系统选用LM336B－5.0基准电压作为TLC1543及TLC7528的参考电压。

常温下

其电压输出幅值波动在0.1V范围内。

允许导通的最大反向电流15毫安,允许导通的正向电流10毫安。

采用LM336基准电源模块提高了A/D，D/A模块的转换精度。

电路连接如下图所示：

基准电压电路为信号转换提供了一个衡量的

尺度，将0－5V的范围内的输入模拟量转换为传

输过程中的数值信号［40］。

同时将输出的数值

信号按5V的标准转换为模拟信号。

系统中两路开关输出量与89C51的接口电路

系统中两路开关输出量与89C51的接口电路也是作为其外部RAM扩展端口进行操作。

开关状态的数据信号从P0口输出，选用74HC373作为输出端口的状态锁存器，74HC373的选通端口OE与89C51的P2.0端口相连，低电平有效，锁存控制信号LE与P2.1端口相连，由于74HC373是高电平锁存，

所以两路开关量输出的端口地址是＃FEFF。

在开关量的输出通道中，为了防止现场强磁场的干扰或工频电压输出通道反串到模块系统中，使用TLP521光电耦合器作为输出端口，拟制输出端口对模块电路的干扰信号。

输出端口的功率元件选用的是双向可控硅。

具体电路图如下：

处理器2的晶振频率选用12MHz,选用C1161看门狗电路作为系统异常复位处理。

输入输出端口总原理图如下：

2.4.3双机通信的电路设计

在模块工作过程中，处理器需要隨时响应上位机下传的指令，所以处理器1的串口需要一直处于对上位机的监听状态。

而处理器2在不与处进器1进行通信时，一直处于将输入端口的状态值读入，将输出端口的状态从片内RAM固定单元读出的循环操作。

双机通信只有在上位机下传的指令需要对输入输出端口进行读写操作时才发生。

因此设计的双机通信的电路如图8所示，双机通信采用中断申请方式。

将处理器1的P1.3作为处理器1向处理器2通信的申请中断线。

处理器2的P3.0作为处理器2向处理器1进行中断申请的中断申请线［43］。

通信的“握手”信号线及数据传输线分别由处理器1的P0口与处理器2的P3口的信号线完成，具体连接如下：

当处理器2申请中断向处理器1通信时，P1.2－P3.1与P1.4－P3.3两对线的功能互相置换，其它线的功能不变。

上述通信线路连接将通信字符按位方式传送，要求严格地控制通信系统的时序才能完成。

图8所示的双机通信方案，相当于处理器1扩展的一个串行通信口。

单片机的晶振采用12MHz,这样每一个指令周期运行时间为1微秒，经过测算这种通信方法速率要比一般串行口高，且对处理器晶振频率没有限制。

经过调试，设计完成了双机成功通信的一种时序，且通信过程中无用语句相对较少，这样可以提高通信的速率。

以处理器1向处理器2申请中断进行的时序为例，处理器2向处理器1申请中断的时序与此类似。

图示如下：

处理器1申请中断（P1.3拉低）后，检测处理器2的的握手信号（P3.3拉低），处理器1的P1.4端口检测到握手信号后，向处理器2发出准备接收信号（P1.2拉低）后第8个指令周期将第一位数据位写入P1.6端口，处理器2P的3.1端口检测到准备接收信号后第9个指令周期从P3.5端口读出第一个数据位。

此过程应调整指令周期数，保证处理器1向数据传输端口写出数据后，处理器2再从数据端口读出数据。

处理器1写出第一个数据位后，操作一次同步传输时钟信号（P1.5从高拉低再拉高）后的第4个指令周期向数据传输端口写入第二个数据位。

处理器2读出第一位的数据位后，提前进入检测同步信号的上升沿（当然当处理器2检测时已保证处理器1将同步信号拉为低电平）。

当处理器2检测到同步信号上升沿第5个指令周期从数据端口读出数据。

这样保证了处理器1向处理器2传输数据的准确性。

数据字符的3至8位通信时序与第2位完全相同。

当一个字符发送完后，再发送下一个字符。

所有字符发送完后处理器1及处理器2将握手信号线恢复，为下次通信做准备。

上图程序中的指令个数的选用主要是由数据位的循环发送流程决定的。

第3节数据采集模块的软件设计

3.1模块的指令系统

模块的每条指令以4.2.3节中四种特定的指令界定符中的一种为起始位

（0Dh）结束

［31］

。

模块的指令系统可分为以下几个方面，指令中“AA”表示

具体设计如下：

（1）读取模块的名称及软件版本信息

$AAM（cr）：

该指令表示读取模块的名称，指令操作返回如下指令：

！

AAXU2222（cr）：

XU2222表示该模块的名称；

$AAF（cr）：

该指令是读取模块当前运行软件的版本信息，其操作返

！

AAVER1.0（cr）：

VER1.0表示模块运行软件的版本号。

（2）读取模块输入输出端口的状态值

模块定义：

输入的两路开关量为1通道，2通道；两路输出开关量为

通道。

两路模拟输入通道为5,6通道，两路模拟输出为7,8通道。

要对相当

操作，在操作指令中需加入一个字符来表示操作的端口：

“0”：

表示对四个开关量输入输出端口进行读写操作，开关状态可用

表示。

“0000”表示1、2、3、4通道全部断开，“1111”表示四个端口全部闭

表示2号通道闭合，其它均处于断开状态。

“1”：

表示模拟输入通道的A0输入端口；

“2”：

表示模拟输入通道的A1输出端口；

“3”：

表示模拟输出端口的A输出端口；

“4”：

表示模拟输出端口的B输出端口。

经过以上约定，读取指令的格式确定如下：

＠AADI0（cr）。

＠是读取端口指令的界定符，DI表示读入端口操作，这

ADAM模块相一致，0表示对模块的两个开关量输入端口进行读入操作。

其

！

AA003（cr）。

!

表示读取指令执行成功返回的界定符，地址AA后跟的

开关量进行操作，“03”是操作返回的状态值，3前的0无意义，3表示两路

端口全部闭合，若将3用2代替，则表示1通道开关量断开，2通道闭合。

＠AADI1（cr）。

1表示对模拟输入端口A0进行读入操作，其返回指令：

！

AA1DE（cr）。

1是端口标识，DE是A/D转换端口的状态值。

其它三个模拟量端口的读操作与模拟端口1相类似。

（2）向输出端口进行改写输出操作

＠AADO001（cr）。

@AA所表示的意义同上，DO表示对端口进行输出操作，其后

跟的0表示操作针对开关量，1前的0表示对开关量通道3进行输出操作，若改写成1，表示对开关量通道4进行输出操作。

1是开关量的开关状态标识，1表示闭合开关，若改写成0表示断开开关。

例如：

指令＠AADO010（cr）则表示将开关量通道4断开。

其它有关输出开关量的操作与上述事例类似。

正常返回操作指令：

！

AA（cr）

@AADO1CE（cr）。

@AADO意义与同上，1表示对模拟输出端口A进行操作，CE

是向D/A8路并行输入口输出的数据值。

指令＠AADO210（cr）表示向模拟输出端口B输出10数值所代表的模拟电平。

所有指令操作在非正常操作进，均返回指令：

！

AA（cr）。

若指令操作无法执行或操作失败，均返回指令：

？

AA（cr）。

指令系统是模