畢業(yè)設計（論文）基于PLC的物料均化系統(tǒng)

1、河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文）基于plc的物料均化系統(tǒng)摘 要本課題根據生產工藝要求，結合當前自動控制技術的發(fā)展狀況，提出了基于可編程序控制器(plc)的物料均化系統(tǒng)的設計方案。本文首先根據工藝流程分析，制定了該系統(tǒng)的物料輸送和計量方案如下：（1）固體物料采用電子皮帶秤輸送和計量。（2）液體物料計量采用電磁流量計。（3）固體物料的喂料量通過plc模擬量模塊反饋的4-20ma電流給變頻器，改變調速電機的速度。（4）液體物料的喂料量通過plc模擬量模塊反饋的4-20ma電流給電磁調節(jié)閥，改變電磁調節(jié)閥的開度。其次，本文又分析了變頻調速系統(tǒng)的工作原理和變頻調速的優(yōu)點。根據對該系統(tǒng)的整體分析，詳細設計

2、了該物料均化系統(tǒng)的供電系統(tǒng)圖、開關量輸入與輸出、模擬量輸入與輸出、i/o地址分配表、變頻器接線端子圖。隨著自動化技術的發(fā)展，在自動控制系統(tǒng)領域形成了以plc、機器人、計算機輔助設計/計算機輔助制造（cad/cam）為三大支柱的現(xiàn)代工業(yè)自動化，其中用plc設計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流，世界上很多plc的生產廠家在進行plc的研究。本設計主要采用西門子（siemens）公司的s7-200系列小型plc為主要工具簡單、明了地設計出物料均化系統(tǒng)的梯形圖，完成了物料均化系統(tǒng)的控制過程。關鍵詞：plc，物料均化，變頻器，梯形圖 the materials are based on plc systema

3、bstracton the basis of the production technology requirements, this subject combined with the current automatic control technology development and proposed a design project based on materials homogenizing system of programmable logic controller (plc). first , according to the analysis of process flo

4、w, it makes a plan for the material handling and metrology, such as: (1) solid material using e-belt transfering and metering. (2) liquid materials measurement using electromagnetic flowmeter. (3) the feed amount of the solid materials is though plc analog module which feedback 4-20ma current to the

5、 frequency converter, and then change the speed of adjustable speed motor. (4) the feed amount of the liquid materials is though plc analog module which feedback 4-20ma current to magnetic regulating valve, and then change the opening degree of the magnetic regulating valve. secondly, this article a

6、lso analysised the working principle and advantange of the frequency control system. in the basis of the system's overall analysises, we perform particular design for the power supple of the materials homogenizing system，digital input and output, analog input and output ,i/o address allocation t

7、able and the schematic diagram of the inverter connection terminal. as the development of the automation technology, it formed the modern industrial automation which the three pillars are plc, robotics, computer aided design/computer aided manufacturing (cad/cam) in the field of automatic control sy

8、stems. one of the plc design automation system has become the world trending, many plc manufacturers are in the study of plc. this design mainly use s7-200 series plc from siemens company which design the ladder diagram of the materials homogenizing system simply and straightforward, and complete th

9、e control procedures of the overvall system. key words: plc, materials, frequency converter, ladder diagram 目 錄前 言1第1章 概述2§1.1 可編程控制技術的發(fā)展狀況2§1.2 基于plc的物料均化系統(tǒng)簡介3§1.3 plc的應用范圍3§1.4 交流調速系統(tǒng)的發(fā)展概況4第2章 變頻調速原理6§2.1 變頻器的基本結構6§2.2 變頻調速的基本原理及特點6§2.3 變頻調速的優(yōu)點7第3章 系統(tǒng)控制方案的設計9

10、7;3.1 工藝流程分析9§3.2 物料的控制與計量10§3.2.1 物料輸入量的控制10§3.2.2 物料a的控制與計量方式11§3.2.3 物料b的控制與計量方式12§3.3 所用電氣設備選型15第4章 系統(tǒng)硬件設計16§4.1 plc的基本組成與各部分的作用16§4.1.1 cpu16§4.1.2 i/o單元17§4.1.3 通訊單元17§4.1.4 電源單元18§4.2 一次系統(tǒng)的設計18§4.2.1 plc機型選擇18§4.2.2 供電系統(tǒng)圖的設計19&#

11、167;4.3 二次系統(tǒng)的設計19§4.3.1 電動機的二次接線19§4.3.2 plc的各模塊端子接線圖21§4.3.3 i/o地址分配26§4.3.4 變頻器接線端子圖26第5章 系統(tǒng)軟件設計29§5.1 plc程序設計流程圖29§5.2 plc梯形圖設計31§5.3 程序調試過程38結 論39參考文獻40致 謝42外文資料翻譯4350前 言plc是在繼電器控制和計算機技術的基礎上開發(fā)出來的，在可編程控制器問世之前，工業(yè)控制領域中以繼電器控制技術占主導地位。plc以其功能強、可靠性高、使用靈活方便、易于編程以及適于在工業(yè)

12、環(huán)境下應用等一系列優(yōu)點，成為工業(yè)控制領域中增長速度最快的工業(yè)控制設備。當前，plc已經成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱之一，用plc設計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。本設計主要用西門子（siemens）公司的s7-200系列小型plc為主要工具，結合其他行業(yè)自動控制技術的應用情況，提出了基于可編程序控制器(plc)的物料均化系統(tǒng)的設計，是通過應用電氣、plc、檢測等多項專門技術開發(fā)的物料均化系統(tǒng)。本文首先分析和制定了該系統(tǒng)的物料控制和計量方式，根據該系統(tǒng)的工藝流程，設計電機的運行方式，并在設計中加入了電機過載信號，確保該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效運行。本文詳細分析了物料均化系統(tǒng)供電系統(tǒng)原理圖、開關量輸入與輸

13、出、模擬量輸入與輸出、i/o地址分配表、變頻器接線端子圖。根據對物料均化系統(tǒng)整體要求的分析，并結合各個開關量與模擬量的需求，設計出物料均化系統(tǒng)的plc梯形圖。通過梯形圖，簡單、明了地介紹系統(tǒng)的程序及控制的過程。由于時間倉促，加之理論水平有限，論文中難免有疏漏和不足之處，懇請老師指正。第1章 概述§1.1 可編程控制技術的發(fā)展狀況可編程序邏輯控制器（programmable logic controller）通常稱為可編程控制器，英文縮寫為plc或pc，是以微處理器為基礎，綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術等技術發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。它具有體積小、功能強、程序設計簡

14、單、靈活通用、維護方便等優(yōu)點，特別是它的高可靠性和較強的工業(yè)環(huán)境適應能力更是得到用戶的好評。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術和現(xiàn)代計算機信息處理技術的優(yōu)點結合起來，成為工業(yè)自動化領域中最重要、應用最多的控制設備。目前已廣泛應用于冶金、能源、化工、交通、電力等行業(yè)。plc自問世以來，經過40多年的發(fā)展，在美、德、日等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產業(yè)之一。世界總銷售額不斷上升、生產廠家不斷涌現(xiàn)、品種不斷翻新，產量產值大幅度上升而價格則不斷下降。目前，世界上有plc廠商200多家，各種型號產品幾千種。plc產品按地域上分成三個流派，分別是美國產品、歐洲產品、日本產品。美國：a-b（allen-bradly）、g

15、e（general electric）；歐洲：德國的西門子（siemens）、法國的te（telemecanique）；日本：三菱電機（mitsubishi electric）、 歐姆龍（omron）。此外，國內市場上還有韓國、臺灣地區(qū)等plc產品。自上世紀七十年代以來，我國就開始了plc的研究與應用，1974我國首先仿制了美國生產的第二代plc。1977年我國又采用了美國motorola公司的一位機mc14500集成芯片，研制成功了我國第一臺具有實用價值的，不僅有了批量產品，而且開始應用于工業(yè)生產控制。在以后的幾年里，我國積極引進國外的plc生產線，建立一些合資企業(yè)，并開發(fā)自己的產品，如天津

16、自動化儀表廠、遼寧無線電二廠等。上世紀八十年代以來，世界范圍內的plc年增長率保持為20%30%，近年來，plc在中國等發(fā)展中國家的增長十分迅速,在自動化領域發(fā)揮越來越重要的作用。plc的技術發(fā)展動向為：1. 產品規(guī)模向大、小兩個方向發(fā)展 大： i/o點數達千點以上、32位為微處理器、多cpu并行工作、大容量存儲器、掃描 速度高速化。 ?。?由整體結構向小型模塊化結構發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本。 2. plc在閉環(huán)過程控制中應用日益廣泛 3. 不斷加強通訊功能 4. 新器件和模塊不斷推出 高檔的plc除了主要采用cpu以提高處理速度外，還有帶處理器的eprom或ram的智能i/o模塊

17、、高速計數模塊、遠程i/o模塊等專用化模塊。 5. 編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標準化 有各種簡單或復雜的編程器及編程軟件，采用梯形圖、功能圖、語句表等編程語言，亦有高檔的plc指令系統(tǒng)。 6. 發(fā)展容錯技術 采用熱備用或并行工作、多數表決的工作方式。 7.追求軟硬件的標準化。§1.2 基于plc的物料均化系統(tǒng)簡介在生產領域中，各種原料之間的配比精度對生產過程的穩(wěn)定和產品的質量、產量有重要的影響。物料均化系統(tǒng)已廣泛應用于水泥建材、冶金化工、電力煤炭、醫(yī)藥、食品等行業(yè)中。物料均化系統(tǒng)一般是有喂料部分、傳送部分和攪拌部分組合來完成的特定過程。本次物料均化系統(tǒng)的設計采用pl

18、c控制，通過電機、輸送泵、電子皮帶秤和電磁流量計等一系列電器設備配合來完成。本次設計通過采樣、pid運算來反饋給傳送系統(tǒng)的變頻器和電磁閥實時監(jiān)控物料的輸送量，使物料達到所需配比的要求。§1.3 plc的應用范圍 plc應用領域廣泛，在鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)都有plc設備，使用情況大致可歸納為如下幾類1 。1.開關量的邏輯控制 這是plc最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電

19、鍍流水線等。2.模擬量控制 在工業(yè)生產過程當中，有許多模擬量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（analog）和數字量（digital）之間的a/d轉換及d/a轉換。plc廠家都生產配套的a/d和d/a轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 3.運動控制 plc可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量i/o模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要plc廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 4

20、.過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，plc能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。pid調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。大中型plc都有pid模塊，目前許多小型plc也具有此功能模塊。pid處理一般是運行專用的pid子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 5.數據處理 現(xiàn)代plc具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，

21、或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 6.通信及聯(lián)網 plc通信含plc間的通信及plc與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網絡發(fā)展得很快，各plc廠商都十分重視plc的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統(tǒng)。新近生產的plc都具有通信接口，通信非常方便2。§1.4 交流調速系統(tǒng)的發(fā)展概況調速就是在一定的負載下，根據生產的需要人為地改變電動機的轉速。調速性能的好壞往往影響到生產機械的工作效率和產品質量。這就要求我們根據不同的實際要求，選擇合適的調速方法。由異步電動機的

22、轉速原理可得3 式中：為同步轉速、為轉差率、為定子電流頻率、為極對數。由公式可知，三相異步電動機的調速方法可以分為兩大類：一類是通過改變同步轉速來改變轉速，具體方法有變極調速（改變）和變頻調速（改變）；另一類是通過改變轉差率來實現(xiàn)調速，具體方法有變壓調速（改變），轉子電路串電阻調速（改變）等等。交流調速的發(fā)展可具體歸納為三個方面：首先，轉差頻率控制、矢量變換控制和直接轉矩控制等新的交流調速理論的誕生，使交流調速有了新的理論基礎；其次，gtr、mosfet、igbt 等為代表的新一代大功率電力電子器件的出現(xiàn)，其開關頻率、功率容量都有很大的提高，為交流調速裝置奠定了物質基礎；再者，微處理器的飛速發(fā)

23、展，使交流調速系統(tǒng)許多復雜的控制算法和控制方式能得以實現(xiàn)。第2章 變頻調速原理§2.1 變頻器的基本結構變頻器是把工頻電源(50hz或60hz)變換成頻率可調的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的cpu以及一些相應的電路。目前大部分低壓變頻器均采用以下主電路4。圖2-1 變頻器主電路圖§2.2 變頻調速的基本原理及特點主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變

24、換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶閘管變流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源頻率的脈動電壓，此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈

25、動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出?？刂齐娐肥墙o異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。1.運算電路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。2.電壓、電流檢測電路：與主

26、回路電位隔離檢測電壓、電流等。3.驅動電路：驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。4.速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器的信號為速度信號，送入運算回路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。5.保護電路:檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻調速系統(tǒng)主要設備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類，目前國內大都使用交直交變頻器。§2.3 變頻調速的優(yōu)點交流變

27、頻調速的方法是異步電機最有發(fā)展前景的調速方法。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，性能可靠、匹配完善、價格便宜的變頻器會不斷出現(xiàn)，這一技術會得到更為廣泛、普遍的應用。與其它幾種調速的方法相比，變頻調速有以下幾個優(yōu)點：1.調速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關率較高，相對穩(wěn)定性好。 2.調速范圍較大，精度高。 3.起動電流低，對系統(tǒng)及電網無沖擊，節(jié)電效果明顯。 4.變頻器體積小，便于安裝、調試、維修簡便。 5.易于實現(xiàn)過程自動化。 第3章 系統(tǒng)控制方案的設計§3.1 工藝流程分析根據對設計要求的分析，該系統(tǒng)的工藝流程示意圖如圖3-1：圖3-1 攪拌系統(tǒng)工藝流程示意圖1.接通所有電氣設備的電源

28、, 根據混合物料a和物料b的比例要求，給電子皮帶稱中的稱重傳感器和電磁流量計一個給料信號。 2.使所有電氣設備開始工作,攪拌電機3m帶動攪拌器一直處于工作狀態(tài)。3.固體物料a輸送到變頻調速電機1m所帶動的傳送帶上,通過1m帶動的傳送帶把物料a送到帶有稱重傳感器p的電子皮帶稱上,然后由帶有恒速電機的電子皮帶稱將物料a輸送到攪拌器中去。4.變頻調速電機1m的轉速大小有電子皮帶稱所帶的稱重傳感器所反饋的4-20毫安的電流信號通過plc中的a/d和d/a模塊把反饋信號傳送到變頻器中去,通過這一反饋信號讓變頻器來調節(jié)1m電機的轉速來達到調節(jié)物料a的給料量的多少的目的。5.在輸送物料a的同時打開電磁閥和輸

29、送泵電機2m,使物料b開始向攪拌器中輸送。6.液體物料b通過電磁流量計帶有的流量傳感器q與給定值比較向plc反饋一個4-20毫安的電流信號,通過plc中的a/d和d/a模塊把信號傳送到電動調節(jié)閥中,通過這一信號來調節(jié)電動調節(jié)閥的開度達到調節(jié)物料b進料大小的目的。7.將物料a和物料b輸送到攪拌器中后對其進行攪拌。§3.2 物料的控制與計量§3.2.1 物料輸入量的控制物料a是一種粒度比較小的固體狀物料，物料b是一種液體狀（如水）物料，按照一定的比例要求，使物料a和物料b進行均化，達到生產中要求的比例，然后投入生產。物料a由變頻調速電機與電子皮帶秤配合輸送到攪拌器中，物料b采用

30、電磁閥、輸送泵、電磁流量計配合輸送到攪拌器中，a、b兩種物料的混合是通過一個恒速的三相鼠籠式電動機3m來帶動攪拌機運轉進行物料攪拌，設計兩者物料的控制要求如下：圖3-2 兩種原料進入量的控制方式1.當ss置于“獨立”位置時，為閉環(huán)定值控制方式。在此方式下，原料a和原料b的控制方式為兩個獨立的閉環(huán)定值控制回路，即兩種原料的給定值分別單獨預先設定，通過壓力傳感器/流量傳感器得到兩種物料進入量的反饋信號，按設定值與反饋量的偏差信號進行相應的控制運算產生各自的控制信號，然后通過調節(jié)變頻器和電磁閥，使其保持在給定值要求的量上。2.當ss置于“協(xié)調”位置時，為兩種原料的協(xié)調控制。在此方式下，原料a仍采用定

31、值控制方式，而原料b控制的給定量有原料a的反饋量提供，當原料a在調節(jié)過程中變化時，要求原料b的流量也隨之變化，即在這種方式下，原料b的調節(jié)屬于隨動控制方式。3.不論開關ss處于那種狀態(tài)下，原料a和原料b都采用pid控制。§3.2.2 物料a的控制與計量方式物料a是一種粒度比較小的固體狀物料,在給料時要求給料控制設備能夠根據用料大小來適時調節(jié).給料調速通過變頻器調速適時改變喂料量的大小，物料a的計量用恒速皮帶和壓力傳感器組成的電子皮帶秤。電子皮帶秤的原理: 皮帶秤就是專門針對散裝物料的連續(xù)計量而設計的。它也是根據杠桿原理，在連續(xù)運行的皮帶下面安裝杠桿裝置，杠桿的承載面則是幾個滾筒裝置，

32、用來滿足皮帶在上面走過時減小皮帶與承載面的磨擦而造成的計量誤差。同時計量部分也甩掉了傳統(tǒng)的秤砣裝置，而采用利用應變電阻制造的稱重傳感器來進行計量。電子皮帶秤由承重裝置、稱重傳感器、速度傳感器和稱重顯示器組成（如圖3-3）。稱重時，承重裝置將皮帶上物料的重力傳遞到稱重傳感器上，稱重傳感器即輸出正比于物料重力的電壓(mv)信號，經放大器放大后送模數轉換器變成數字量a，送到運算器；物料速度輸入速度傳感器后，速度傳感器即輸出脈沖數b，也送到運算器；運算器對a、b進行運算后，即得到這一測量周期的物料量。對每一測量周期進行累計，即可得到皮帶上連續(xù)通過的物料總量。電子皮帶秤承重裝置的秤架結構主要有雙杠桿多托

33、輥式、單托輥式、懸臂式和懸浮式4種。雙杠桿多托輥式和懸浮式秤架的電子皮帶秤計量段較長，一般為28組托輥，計量準確度高，適用于流量較大、計量準確度要求高的地方。單托輥式和懸臂式秤架的電子皮帶秤的皮帶速度可由制造廠確定，適用于流量較小的地方或控制流量配料用的地方。皮帶上面無料時速度最快也不是無限制的快速，皮帶電機也不能直接帶動皮帶運轉。所以，不同的物料喂料量，會采用不同的減速機構來控制皮帶的最快速度，改變變速比也就改變了不同物料計量皮帶秤的滿量程的范圍。圖3-3 ics-st4型電子皮帶秤§3.2.3 物料b的控制與計量方式物料b是一種液體狀(如水),在給料時要求給料控制設備能夠根據用料

34、大小來適時調節(jié).給料調速通過改變電動調節(jié)閥開度的大小來改變物料b給予多少。電動調節(jié)閥由電動執(zhí)行機構或氣動執(zhí)行機構和調節(jié)閥兩部分組成，主要作用是調節(jié)介質的壓力、流量、溫度等等參數，是工藝環(huán)路中最終的控制元件。調節(jié)閥通常分為直通單座式和直通雙座式兩種，后者具有流通能力大、不平衡辦小和操作穩(wěn)定的特點，所以通常特別適用于大流量、高壓降和泄漏少的場合。電動調節(jié)閥有壓力調節(jié)、流量調節(jié)2種方式。 壓力調節(jié)閥工作原理：設定流路系統(tǒng)壓力限定值，當傳感器感應到壓力信號到設定限度后，發(fā)送電信號給閥門的電磁控制組件，電磁控制組件受到電信號后，接通電路，電磁強磁場開始吸引閥芯移動，打開閥門，排放流體，降低壓力。反之達到

35、設定下限時，電磁閥受到電信號，斷電，松開閥芯，機械式的閥芯靠彈簧力復位，關閉閥門，斷開排放流體，閥門內部流路將流體輸送到流路中，加壓后壓力回升。流量調節(jié)式有機械杠桿式、真空盒控制式、流量傳感器式。為了使調節(jié)閥正常工作，配用的執(zhí)行機構要能產生足夠的輸出力來保證高度密封和閥門的開啟。對于雙作用的氣動、液動、電動執(zhí)行機構，一般都沒有復位彈簧。作用力的大小與它的運行方向無關，因此，選擇執(zhí)行機構的關鍵在于弄清最大的輸出力和電機的轉動力矩。對于單作用的氣動執(zhí)行機構，輸出力與閥門的開度有關，調節(jié)閥上的出現(xiàn)的力也將影響運動特性，因此要求在整個調節(jié)閥的開度范圍建立力平衡。圖3-4 電子式電動雙座調節(jié)閥物料b的計

36、量用電磁流量計來控制,下面介紹它的工作原理5。電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律制成的，用來測量導電液體的體積流量。在結構上，電磁流量計由電磁流量傳感器和轉換器兩部分組成。1.電磁流量計的測量原理根據法拉第電磁感應定律，當一導體在磁場中運動切割磁力線時，在導體的兩端即產生感生電勢，其方向由右手定則確定，其大小與磁場的磁感應強度，導體在磁場內的長度及導體的運動速度成正比，如果、三者互相垂直，則 (3-1)如圖3-5所示，如果在磁感應強度為的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個內徑為的不導磁管道，當導電液體在管道中以流速運動時，導電液體就切割磁力線，如果在管道截面垂直于磁場的直徑兩側安裝一對電極，則可

37、以證明，只要管道內流速分布為與軸對稱分布，則兩電極間將產生感生電勢，即 （3-2）式中 管道截面上的平均流速，； 測量管直徑，； 常系數，無量綱； 磁感應強度，。圖3-5 電磁流量計原理簡圖由此可得通過管道的體積流量   (3-3)由式（3-3）可知，當測量管結構一定時，體積流量與成正比，而與流體的狀態(tài)和物性參數無關，測量比值即可得到體積流量值。當磁感應強度為恒定值時，體積流量與感生電勢成正比。磁場的感應強度是由電磁流量計的勵磁系統(tǒng)提供。2.電磁流量計的勵磁方式（1）直流勵磁直流勵磁技術是最初的電磁流量計采用的勵磁技術，它是利用永磁體或者直流電源給電磁流量傳感器勵磁繞組供電，以形成恒

38、定的直流勵磁。直流勵磁技術具有方法簡單可靠、受工頻干擾影響很小以及流體中的自感現(xiàn)象可以忽略不計。但是，直流勵技術的最大問題是直流感應電勢在兩電極表面上形成固定的正負極，引起被測流體介質電解而產生正負離子，導致電極表面極化現(xiàn)象，使感生的流量信號電勢減弱，電極間電阻增大，影響信號處理部分工作。直流勵磁在電極間產生不均衡的電化學干擾電勢疊加在直流流量信號中，無法消除，并隨流體介質特性及流動狀態(tài)而變化。另外，直流放大器的零點漂移、噪聲和穩(wěn)定性難以解決，這就限制了直流勵磁技術的應用范圍。（2）交流勵磁早期電磁流量計用于50hz工頻市電勵磁，產生正弦波交變磁場，即它的磁場是由正弦交變電流產生的，所以產生的

39、磁場也是一個交變磁場。交變磁場變送器的主要優(yōu)點是消除了電極表面的極化干擾。另外，由于磁場是交變的，所以輸出信號也是交變信號，放大和轉換低電平的交流信號要比直流信號容易得多。采用交流激磁的理由是為了避免像用直流激磁時電磁表面產生極化現(xiàn)象，但是由于易受市電鎖引起的與流量信號同相應各種感應噪聲的疊加，形成零點漂移等，現(xiàn)在已漸被低頻矩形波激磁所代替。§3.3 所用電氣設備選型電氣設備選型如表3-1所示：表3-1 電氣設備選型設備名稱設備選型1m電機采用變頻調速的異步電機西門子micromaster 440通用型變頻器ybp系列變頻調速三相異步電機2m電機的選擇三相鼠籠異步電機ip54y23m

40、電機的選擇三相鼠籠異步電機y2-80m2-2電子皮帶稱的選擇ics-st4系列電子皮帶秤電磁流量計的選擇szld系列智能電磁流量計電磁閥選用zqdf系列電磁閥zqdf-1y電動調節(jié)閥的選擇zdsn型電子式電動雙座調節(jié)閥第4章 系統(tǒng)硬件設計§4.1 plc的基本組成與各部分的作用plc控制系統(tǒng)的硬件設計主要是指硬件選型，近十幾年來，國內外眾多廠家提供了多種系列、功能各異的plc產品，已有幾十個系列、幾百種型號。plc品種繁多，其結構形式、性能、i/o點數、用戶程序內存容量、運算速度、指令系統(tǒng)、編程方法和價格各有不同，使用場合也各有側重。因此，plc的合理選擇，對提高plc控制系統(tǒng)的技術

41、、經濟指針以及對于控制系統(tǒng)都有著重要作用7。plc技術不斷向高性能、高速度、大容量方向發(fā)展，將plc運用到自動送料裝車系統(tǒng)，可實現(xiàn)運料小車的全自動控制，降低系統(tǒng)的運行費用。輸入輸出也很明顯，不需要好多額外的外接電路，讓設計更簡潔。在出現(xiàn)故障、緊急停止等環(huán)節(jié)中都能快捷操作。plc自動送料裝車系統(tǒng)具有連線簡單控制速度快，精度高，可靠性和可維護性好，維修和改造方便。但是它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環(huán)境中，要提高plc控制系統(tǒng)可靠性仍然需要各種器件和設備多方配合才能完善解決問題，有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能。§4.1.1 cpucpu是核心，起神經中樞的作用，每套plc至少有

42、一個cpu。plc的cpu有8位，16位，32位。中型plc以上，均采用16位-32位cpu，微、小型plc原采用8位cpu，現(xiàn)在根據通訊等方面要求，有的也改用16位-32位cpu。（注8位 cpu一次處理二進制數的位數，也代表cpu通用寄存器的位寬）。在工作頻率相同的情況下，32位cpu的處理速度比8位、16位的更快。存儲器,存儲器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機存儲器ram。另一種是只讀（當然也是可寫的）存儲器主要有eeprom和flash menory（擦寫能在10萬次以上，數據保存也能在10年以上）。在plc中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數據。cpu速度和內存容量是

43、plc的重要參數，它們決定著plc的工作速度，i/o數量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模11。§4.1.2 i/o單元1.開關量的邏輯控制 這是plc最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。常用的開關量輸入接口按其使用的電源不同有三種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交/直流輸入接口，常用的開關量輸出接口按輸出開關器件不同有三種類型：是繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出。2.模擬量控制 在工業(yè)生產過程當中，有許多連續(xù)變化的

44、量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（analog）和數字量（digital）之間的a/d轉換及d/a轉換。plc廠家都生產配套的a/d和d/a轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。電流型（4-20ma,0-20ma）、電壓型（0-10v, 0-5v,-10-10v），模擬量和數字量都有8bit, 12bit, 14bit,16bit等。3.高速脈沖控制 接受旋轉編碼器發(fā)出的高速脈沖信號，控制步進馬達/伺服電機。4.運動控制 plc可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量i/o模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構

45、，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要plc廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。5.過程控制 是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，plc能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。pid調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。大中型plc都有pid模塊，目前許多小型plc也具有此功能模塊。pid處理一般是運行專用的pid子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用12。§4.1.3 通訊單元通信及聯(lián)網 plc通信含plc間的通信及p

46、lc與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網絡發(fā)展得很快，各plc廠商都十分重視plc的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統(tǒng)。新近生產的plc都具有通信接口，通信非常方便。§4.1.4 電源單元plc配有開關電源，以供內部電路使用。與普通電源相比，plc電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。對電網提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15% 的范圍內波動。許多plc還向外提供直流24v穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電。電源輸入類型有：交流電源（220vac或110vac），直流電源（常用的為24vdc）。§4.2 一次系統(tǒng)的設計§4.

47、2.1 plc機型選擇 s7-200系列plc是siemens公司推出的一種小型plc，該系列plc功能強大，不論是獨立運行，還是構成網絡皆能實現(xiàn)各種較復雜的控制功能。s7-200系列plc在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能，使用范圍從替代繼電器的簡單控制到復雜的自動化控制。包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等。目前s7-200系列plc主要有cpu221、cpu222、cpu224、cpu224xp和cpu226等型號的cpu模塊。s7-200系列cpu的指令功能強，有傳送、比較、移位、循環(huán)移位、產生補碼、調用子程序、脈沖寬度調制、脈沖序列輸出、跳轉、數制轉換、算術運算、

48、字邏輯運算、浮點數運算、開平方、三角函數和pid控制指令等，采用主程序、最多8級子程序和中斷程序的程序結構，用戶可使用1-255ms的定時中斷。用戶程序可設3級口令保護，監(jiān)控定時器（看門狗）的定時時間為300ms。數字量中有四個用作硬件中斷，6個用于高速功能。32位高速加/減計數器的最高計數頻率為30khz（cpu224xp達100khz）。本次設計選用plc機型是s7-200系列的cpu226，它用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能，可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。cpu226集成24輸入/16輸出共40個數字量i

49、/o點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量i/o或35路模擬量i/o點，13kb程序和數據存儲空間14。§4.2.2 供電系統(tǒng)圖的設計主電路設計力求正確和簡單,這樣系統(tǒng)控制電路及軟件設計才能精簡方便。根據系統(tǒng)的控制工藝要求，設計的供電系統(tǒng)圖如圖4-2所示。圖中，m1，m2，m3為三臺控制電動機，其中m1為變頻調速電機，配合變頻器使用，m2為液體輸送泵，m3為攪拌電機，啟動方式為星三角啟動15。設備編號1234567891011設備名稱電源進線調速電機輸送電機攪拌電機調節(jié)閥流量計皮帶秤plc電源備用電源開關閥變頻器額定電壓380/220v380v380v380v220v220

50、v220v220v380/220v220v380v圖4-2 供電系統(tǒng)圖§4.3 二次系統(tǒng)的設計§4.3.1 電動機的二次接線1.調速電動機的二次接線:圖4-3 調速電機接線圖如上圖所示，1qf閉合,繼電器1ka1線圈通電使1ka1的常開觸點閉合,電機1m處于備妥狀態(tài),同時plc機產生信號使繼電器1ka2的線圈通電。1ka2的常開觸點閉合,則1km的線圈通電, 1km的常開觸點閉合,1ka3線圈通電變頻器接通，電機1m通電工作。2.攪拌電機的起動三相異步電動機的直接啟動時要求的起動電流很大，電源容量要滿足下述條件 (4-1)不能滿足上述條件的就要要求減壓起動，星形-三角形減壓

51、起動簡稱星形-三角形起動，這種起動方法只適應于正常運行時為三角形聯(lián)結的電動機。起動時，定子繞組先按星形聯(lián)結，起動后再換成三角形聯(lián)結。由于攪拌電機啟動的比較頻繁是電壓產生波動，起動方式選擇星-三角形啟動如圖4-4所示，該攪拌電機工作的過程是首先3qf閉合3ka4線圈通電，plc機輸出對3m的驅動信號，啟動線圈3km2，然后接通線圈3km1，攪拌電機處于星形連接狀態(tài)。星形啟動結束后，斷開3km2接通3km3，此時，攪拌電機工作在三角形運行狀態(tài)，星形運行結束，攪拌電機正常工作。星形-三角形減壓起動時的起動電流、電源電流和起動轉矩都只是直接起動的三分之一。圖4-4 攪拌電機星三角形起動§4.

52、3.2 plc的各模塊端子接線圖本次設計核心部件采用德國西門cpu226，它的體積小、價格低，cpu模塊、i/o模塊和電源裝在一個箱形機殼內，前蓋下面有模式選擇開關量、模擬量電位器和擴展模塊連接器，西門子s7-200plc帶有pid模塊，可以對所控制的物料進行實施調節(jié)。i/o模塊中輸入8點，輸出10點，可實現(xiàn)高速輸入輸出響應，內部具有高速計數和中斷處理功能。plc的輸入輸出端子均接到相應的接線端子排，輸入輸出信號通過這些接線端子可由其它地方直接引入，十分方便。這些接線端子排的布置與 plc的輸入輸出端子以及電源端、接地端和公共端的實際位置一一對應。i/o模塊接口將輸入/輸出信號引入到控制臺上。

53、plc編程電纜上標有pc的 rs-232端連接到計算機的rs-232通信接口，標有 ppi的 rs-485端連接到cpu模塊的通信口，并擰緊兩邊接口的螺絲。pc/ppi編程電纜通常在試驗中下載梯形圖程序時使用，實現(xiàn)在線運行和監(jiān)控，修改程序方便快捷。1.plc開關量輸入模塊端子接線圖圖4-5 plc開關量輸入模塊端子接線圖2.plc開關量輸出模塊端子接線圖圖4-6 plc開關量輸出模塊端子接線圖3.plc模擬量輸入模塊端子接線圖西門子s7-200cpu226中帶有em231是四路模擬量輸入模塊，其中輸入類型為差分。輸入范圍：電壓：單極性0v-5v,0v-10v,雙極性正負5v、正負2.5v，電流

54、：020ma。在實際中，為了減少電磁干擾，對于模擬信號應采用屏蔽雙絞線電纜，并且模擬信號電纜的屏蔽層應該兩端接地。有時電纜兩端存在電位差，將會在屏蔽層中產生干擾電流，造成對模擬量信號的影響。此時應該讓電纜的屏蔽層一端接地21。圖4-7 plc模擬量輸入模塊端子接線圖4.plc模擬量輸出模塊端子接線圖西門子s7-200cpu226中em232是兩路模擬量輸出模塊,輸出范圍：電壓：正負10v，電流：020ma。同時電纜線也是采用屏蔽雙絞線。圖4-8 plc模擬量輸出模塊端子接線圖5.驅動部分接線圖圖4-9 驅動部分接線圖§4.3.3 i/o地址分配根據設計需要，系統(tǒng)占用18個plc的i/

55、o端口，分別是11個輸入端口和7個輸出端口，具體的i/o分配如表所示：表4-1 i/o地址分配表序號輸 入序號輸 出1i0.0啟動12q0.01m驅動2i0.1停止13q0.1變頻器運行3i0.2變頻器上限14q0.22m驅動4i0.3變頻器下限15q0.33km1驅動5i0.4變頻器過載信號16q0.43km2驅動6i0.51m過載信號17q0.53km3驅動7i0.61m備妥信號18q1.1電磁閥驅動8i0.71m應答信號9i1.03m備妥信號10i1.13m應答信號11i1.2液體控制方式§4.3.4 變頻器接線端子圖變頻器主回路端子說明：1.主電路電源端子r、s、t 輸入電源

56、通過斷路器或帶漏電保護的斷路器連接至主回路電源端子r、s、t，斷路器（mccb）的額定電流為變頻器額定電流的1.52倍，電源連接不需考慮相序。 2.變頻器輸出端子u、v、w （1）變頻器輸出端子u、v、w按正確相序連接至三相電動機。如運行命令和電動機的旋轉方向不一致時，可在u、v、w三相中任意更換其兩相接線。 （2）不要將電容器或浪涌吸收器連接于變頻器的輸出側。 （3）變頻器和電動機之間配線很長時，由于線間分布電容較大，可能造成變頻器運行不正常甚至過電流跳閘，因此配線很長時在輸出側連接濾波器或磁環(huán)，并且適當降低載波頻率。3.直流電抗器連接用端子p1、p+ （1）連接改善功率因數dc電抗器選件，dc電抗器按變頻器容量配用。（2）出廠時，其上有短接片，連接dc電抗器前，應先取去短路片。 （3）當不用dc電抗器時，不能取去短接片。 4.外部制動電阻器連接用端子p、db或p+、db （1）用于連接外部制動電阻（選件），如果變頻器已經在內部連接制動電阻，請先斷開內部制動電阻，再在p、db 端子上連接外部制動電阻。 （2）配置外部制動電阻時，配線長度應小于5米，并用雙絞線。 （3）p+和db端子間絕對不能短路，否則