基于plc控制在木材含水率检测中的应用-5

制材生产线板材含水率在线检测及分选控制系统的设计1傅煜花军王春雨张怡卓（东北林业大学，哈尔滨150040）摘要：介绍了PLC控制的制材生产线板材含水率在线检测及分选控制系统的设计。该系统利用单一平面电容传感器对高含水率板材进行在线检测，以西门子S7-200CPU226为控制核心，同时结合计算机对所得数据进行实时显示及分选控制，提高了制材生产线板材含水率在线检测及分选的自动化和可视化，为后续的板材分级干燥，达到节能降耗、提高干燥质量和生产效率奠定了基础。关键词：PLC控制；制材生产线；含水率；在线检测；分选DesignofMoistureContentfortheBoardOnlineTestingandDetectionSystemonTimberProductionLineFuYuHuaJunWangChunyuZhangYizhuo(NortheastForestryUniversity,Harbin150040)Abstract:DescribesthedesignofmaterialsheetmoisturedetectionlinesortingsystemwhichiscontrolledbythePLCcontrolsystemforlumberingproductionline.Thesystemusesasingleplanecapacitancesensorofhighmoisturecontentplank,proceedonlinedetection,withSiemenss7-200CPU226ascontrolcore,incombinationwiththecomputertothereal-timedatadisplayandsortingcontrol,improvethesystemofmaterialproductionlineplankon-linedetectioninmoisturecontentautomationandvisualization,forsubsequentplankclassificationtodry,savingenergyandreducingconsumption,andimprovethequalityofdrylaidafoundation.Keyword:PLCcontrol;TimberProductionLine;Moisturecontent;Onlinetesting;Separation引言木材含水率是检测木材质量的重要指标之一，对木材的物理、力学性质具有重要影响。测定木材的含水率，尤其是制材生产线原木加工成的板材含水率在线检测及分选是合理利用木材、节约木材的重要技术措施，是制材加工生产中的重要工序。板材含水率在线检测的准确程度直接影响后续板材干燥的质量、出材率，干燥及加工过程中的生产成本，生产效率等；实现制材生产线板材含水率在线检测及分选的自动化和可视化，为后续的板材分级干燥，达到节能降耗、提高干燥质量和生产效率奠定了基础，为合理、节约利用我国有限的森林资源，保持生态平衡，实现可持续发展具有非常重要的意义。目前，检测木材含水率的测量方法很多，主要有称重法、电阻法、电容法、红外光谱法、射线法、超声波法等，实际生产中大多采用电阻法。但是，电阻法一般在6％~30％之间时比较精确，当木材含水率超过30%时，导电性变化很小，所以无法实现在高含水率下的含水率连续在线检测；而单一平面电容传感器在工作时与被测木材完全无接触，并可以保证在高含水率下高效、高速、连续无接触地测量木材含水率[1]。因此，采用电容法在线测试木材含水率，近年来在许多木材工业发达国家的应用日益广泛，检测技术也日趋成熟。1项目资助：948项目实木优选在线检测与控制关键技术引进（2011-4-04）资助。作者简介：傅煜（1987~），男，东北林业大学在读硕士研究生，主要研究方向木工机械通讯作者：花军，男，教授，博士生导师本文设计的制材生产线板材含水率在线检测及分选控制系统是利用单一平面电容传感器检测法对高含水率板材进行在线检测，以西门子S7-200CPU226为控制核心，同时结合计算机对所得数据进行实时显示及分选控制，实现制材生产线板材含水率在线检测及分选的自动化和可视化。1．检测过程、控制系统组成及其工作原理1.1生产线检测控制过程由图1所示板材含水率在线检测生产线示意图。板材1从进料端进入生产线，通过横向电容传感器2进行检测,若板材的含水率大于该传感器的设定值，板材直接通过中间的传送带6送出堆料；若通过的板材含水率小于该传感器的设定值，分选踢腿3落下，把板材送到左侧的传送带7，再经过纵向电容传感器8进行二次检测，确定其含水率进一步分选。整个检测过程由工控机4、9控制，然后上传到计算机5显示，打印等数据处理[2]。1-板材；2-横向电容传感器；3-分选踢腿；4-工控机；5-计算机；6、7-传送带；8-纵向电容传感器；9-工控机图1板材含水率在线检测生产线示意图1.2检测控制系统组成整个检测控制系统由板材检测单元、板材含水率检测单元、分选踢腿机构单元、板材传送机构单元、信号处理转换单元和数据处理显示单元等组成。检测控制系统框图如图2所示。图2检测控制系统框图检测控制系统各部分功能单元简介如下：板材检测单元：在检测装置一端设置光电传感器，以检测板材长度，判别板材是否在检板材检测单元板材含水率检测单元信号处理器PLC高速计数模块PLC主控单元驱动电路分选踢腿单元传送机构单元数据处理显示单元测区内。当板材进入检测区，光电传感器输出状态由1变0，此时单一平面电容传感器开始检测；当板材离开检测区，光电传感器输出由0变为1，单一平面电容传感器结束检测。板材含水率检测单元：此单元采用单一平面电容传感器实现检测，是整个系统的核心部分。单一平面电容传感器的结构如图3所示。首先取两金属板作为检测电容器的两极,并固定在某特定的空间位置(如图3中的D1、D2)，板材D在上方无障碍的通过单一平面电容传感器。其原理是在一定的条件下木材的介电常数可以被它的含水率惟一确定，并且介电常数和含水率的对应关系也是一一对应的，所以当其它条件不改变时，可以利用该电容传感器先测量出木材的介电常数，再利用测量出的木材介电常数得到木材的含水率。这就是单一平面电容传感器的基本工作原理[3]。图3单一平面电容传感器的横截面图分选踢腿机构单元：检测系统的分选机构是将具有相同含水率的板材分选出来，为下一步板材的分级干燥奠定基础。板材传送机构单元：采用交流电动机作为动力源，带动传送带，输送板材。传送带的进给速度通过变频调速来控制。信号处理转换单元：主要包括对上述单元输入模拟信号的放大，压频转换，然后经过主控单元PLCS7-200分析，发出控制信号，经驱动电路后，对执行元件，如交流电动机，分选踢腿等进行动作控制。数据处理显示单元：本单元包括工控机和计算机。采用PLCS7-200作为检测控制的核心，对采集的各种信号进行分析处理和现实输出，同时，通过RS485通讯协议向上位机传输数据，以待进一步处理。1.2检测控制系统工作原理单一平面电容传感器板材含水率检测控制装置原理如图4所示。图4单一平面电容传感器板材含水率检测控制原理示意图电容传感器检测含水率的基本原理是：当周围的其他环境不变时，如果把被测的板材放入检测电容器两极形成的电场中，假设被测物体的尺寸、形状都是确定的，检测电容的电容量C将由被木材的介电常数唯一确定，且该电容量为介电常数的一一对应的单值函数。因此，可以通过测量检测电容器的电容量，来得到木材的介电常数。电源单一平面电容传感器信号处理PLC高速计数模块PLC主控单元试件SCl（1）式中：S——极板见相互覆盖的面积；ε——极板间介质的介电常数；l——极板间的距离。又因为在一定的条件下木材的介电常数可以被它的含水率惟一确定，并且介电常数和含水率的对应关系也是一一对应的，所以当其它条件不改变时，可以利用该电容传感器先测量出木材的介电常数，再利用测量出的木材介电常数得到木材的含水率。2．检测控制系统硬件设计检测控制系统硬件部分主要由传感器、PLC主控单元及PLC扩展模块等组成。2．1传感器系统所使用的传感器由光电传感器及单一平面电容传感器组成。本系统采用欧姆龙公司E3Z-R61型光电传感器，该传感器的光源采用红色发光二极管作为检测光线，工作原理与LED位移传感器相似。检测距离可达400mm，最大反应时间1ms。通过其所带的线缆，检测信号可以直接输入主控单元PLCS7-200的I/O端，由PLC查询状态，从而准确地测试板材试件进入检测区，运行在检测区内和离开检测区的三种状态。板材含水率检测采用单一平面电容传感器。该传感器产生一个双频电磁场，当被测板材通过传感器单一平面电极上方表面时，引起传感器电容量的变化，根据测得的这个变化，可以计算出被测板材的含水率。该传感器在工作时与被测板材完全无接触，工作时要求板材要在传感器上侧外表面30mm距离处通过，该传感器可以保证高效、高速、连续无接触地测量木材含水率。在单一平面电容传感器中，装有发射和接收电磁场的电极以及接收和处理信号的一块电路板。在电路板上，有一个对传感器进行校准的装置。传感器电路和电极均密封在一个特制的传感器外壳内，以防止恶劣工作环境中的尘土和轻微的外来损害[4]。2.2PLC主控单元考虑到板材含水率检测系统的控制要求，输入、输出设备的数量和性质，同时PLC有处理模拟量的需要，本文选用了德国西门子公司的PLCS7-200CPU226作为控制部分的核心。在系统中，PLCS7-200作为下位机，主要功能是负责现场高速数据的采集（含水率信号），实现逻辑、定时、对比等功能，通过串行通讯口向计算机和工控机传送PLC工作状态及有关数据，同时工控机接收指令，向驱动电路和外围设备发出指令，控制分选系统动作。2.3PLC扩展模块在控制系统中，PLCS7-200扩展了AD654（V/F）压频转换器，一个高速计数器HSC1和一个多功能通讯单元。其具体功能如下：信号处理单元：单一平面电容器传感器产生的为电压信号，不能被PLC直接识别。所以需将电压信号转换成高速计数器可以识别的脉冲频率信号。设计中采用美国模拟器件公司生产的一种低成本，8脚封装的电压频率（V/F）转换器AD654，它由低漂移输入放大电路气、精密振荡器系统和输出驱动级组成，使用时只需一个RC网络，即可构成应用电路。AD654既可以使用单电源供电，也可以使用双电源供电，且工作电压范围很宽。输出为频率受控于输入电压的方波。可以用于信号源、信号调制、解调和A/D变换等。其工作原理如图5所示，模拟输入电压VIN由放大器的同相端4脚输入，由输入放大器和NPN管跟随器组成的输入级把模拟输入电压VIN转换成一个驱动电流IT：2INTVIR(2)该驱动电流同时向定时电容CT充电，多谐振荡器的振荡频率（输出频率）与这个充电电流成正比。输出频率VIN、R2和C共同确定，其关系为[5]：210INoutTVfVRC(3)NPN管跟随器的最大驱动电流为2mA，但为获得最佳性能，应使满度输入电压时的驱动电流为1mA。因此，当满度输入电压为10V时，R2应取10kΩ。如果CT=0.001μF，则满度输出频率为100kHz。精密RC振荡器-+驱动器AD65443218765C1RVOUTF2R3RINVsV图5AD654型V/F变换器原理图高速计数器HSC1：单一平面电容传感器发射的信号经过压频转换为脉冲频率信号。可以被直接传输到高速计数单元中进行控制处理，并保存在指定的储存单元中，等待计算调用。多功能通讯单元：采用计算机对PLC所采集的数据进行实时显示以及设置分选踢腿动作，并通过RS-485通讯协议进行串行通讯，方便操作员在不改动PLC程序的情况下对工艺参数进行修改，从而实现人机交流。3.检测控制系统软件设计本系统使用step7-micro/win4.0编程软件对系统控制过程进行编程，程序主要包括两部分：主程序及分选程序。其中主程序是板材进入传送带，经过一个