理工基于PLC和變頻器的物料攪拌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ) LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題 目 基于 PLC 和變頻器的物料攪拌系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 陳建龍 學(xué) 號 09230220 專業(yè)班級 電氣工程及其自動化（2）班 指導(dǎo)教師 楊巧玲 學(xué) 院 電信工程學(xué)院 答辯日期 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )I摘要 隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，物料混合技術(shù)技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，它廣泛應(yīng)用與化學(xué)工藝與生產(chǎn)中，但在應(yīng)用中，傳統(tǒng)的物料攪拌工藝也存在嚴(yán)重的問題和產(chǎn)能的制約。PLC 是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的通用自動控制裝置，也可以說它是一種用程序來改變控制功能的計(jì)算機(jī)。隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和通

2、信技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程序控制器 PLC 已在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用，而且所占比重在迅速的上升。PLC 主要由 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程裝置組成。它應(yīng)用于工業(yè)混合攪拌設(shè)備，使得攪拌過程實(shí)現(xiàn)了自動化控制、并且提升了攪拌設(shè)備工作的穩(wěn)定性，為攪拌機(jī)械順利、有序、準(zhǔn)確的工作創(chuàng)造了有力的保障。本文介紹的物料攪拌系統(tǒng)以 PLC 作為控制核心，結(jié)合變頻器等完成物料攪拌的自動控制系統(tǒng)，能夠較好的滿足攪拌系統(tǒng)的要求。關(guān)鍵詞：可編程控制器 PLC；變頻器；電動調(diào)節(jié)閥；物料攪拌系統(tǒng)；PID 控制；電動調(diào)節(jié)閥蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )IIAbstract With the development o

3、f modern industrial technology, material mixing technology has been rapid development, it is widely used and the chemical technology and production, but in the application, the traditional material mixing process also exists serious problems and capacity constraints。Computer technology as the core o

4、f PLC in the general automatic control equipment, it is a kind of program to change control function of the computer. As microprocessors, computer and communication technology, the rapid development of PLC programmable controller has widely applied in industrial control, and the proportion of the ra

5、pid rise in. PLC mainly consists of CPU module, input and output module and programming module device. It is applied in industry, mixing equipment mixing process realized automation control, and improved the stability, agitate equipment work for the mixing machine smoothly, orderly, accurate working

6、 creates powerful guarantee. In this paper, the material mixing system with PLC as control core, combined with frequency converter, etc material stirring of the automatic control system.Key words: PLC programmable controller；frequency converter； material mixing system；PID control; Electric control v

7、alve蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )III 目 錄第一章 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 傳統(tǒng)的物料混合設(shè)備的控制存在的問題 1 1.3 物料設(shè)備的發(fā)展趨勢用 PLC 來代替?zhèn)鹘y(tǒng)物料混合設(shè)備控制 2 1.4 引入 PLC 來實(shí)現(xiàn)其物料混合設(shè)備的控制功能 3第第 2 2 章章 總體方案設(shè)計(jì) 42.1 總體方案論證 42.2 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思想 62.3、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 103.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成原理 103.2 硬件系統(tǒng)器件選型 113.3、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 223.4、系統(tǒng)安全性，可靠性、實(shí)用性設(shè)計(jì) 31第 4 章 程序設(shè)計(jì) 394.1 PLC 編程語言 394.2 設(shè)計(jì)程序

8、的流程圖 404.3 程序梯形圖 414.4 程序設(shè)計(jì)語句 494.5 人機(jī)界面設(shè)計(jì) 52第五章 系統(tǒng)調(diào)試 555.1 系統(tǒng)模擬調(diào)試 555.2 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試 57 第六章 總結(jié) 586.1、本設(shè)計(jì)的功能和優(yōu)點(diǎn) 58蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )IV6.2、 本次設(shè)計(jì)的心得體會 58結(jié)論 60致 謝 61參考文獻(xiàn) 62外文文獻(xiàn) 63蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 1 頁第 1 章 緒論攪拌作為工藝過程的基礎(chǔ)操作單元，廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥、食品、油漆、涂料等許多行業(yè)。但是，由于這些行業(yè)中所用到的材料，多為易燃易爆、有毒有腐蝕性的介質(zhì), 以致于現(xiàn)場工作環(huán)境十分惡劣，不適合人工現(xiàn)場操作，另外

9、生產(chǎn)要求該系統(tǒng)要具有混合精確、控制可靠、工作效率高等特點(diǎn)，這也是人工操作和半自動化控制所難以實(shí)現(xiàn)的?；赑LC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建造工作量小、維護(hù)方便、容易改造的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以PLC作為控制核心，結(jié)合變頻器等完成物料攪拌的自動控制系統(tǒng)。1.1 引言 作為一種面向工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用型技術(shù)，PLC與CAD/CAM、NC技術(shù)并成為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱技術(shù)。PLC專為在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計(jì)，采用可編程的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字或模擬的I/O接口控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC是微處理器技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，他克服了繼

10、電接觸控制系統(tǒng)中機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗低、通用性和靈活性比較差等缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)；本次設(shè)計(jì)采用PLC也是充分考慮了PLC的優(yōu)越性，以及他在工業(yè)控制環(huán)境中的優(yōu)異表現(xiàn)。1.2 傳統(tǒng)的物料混合設(shè)備的控制存在的問題鑒于攪拌設(shè)備的廣泛應(yīng)用，隨著近年來工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，物料混合技術(shù)在上世紀(jì) 60 到 80 年代期間得到了迅猛發(fā)展,其重點(diǎn)主要是對于常規(guī)攪拌槳在低粘和高粘非牛頓均相體系、固液懸浮和氣液分散等非均相體系中的攪拌功耗、混合時(shí)間等宏觀量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。長期以來,雖然有大量設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和關(guān)聯(lián)式可用于分析和預(yù)測混合體系,但將攪拌反應(yīng)器從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模直接放大到工業(yè)規(guī)模,仍是十分危險(xiǎn)的,至今

11、仍然需要通過逐級放大來達(dá)到攪拌設(shè)備所要求的傳質(zhì)、傳熱和混合。這種方法不但耗費(fèi)巨額的資金和大量的人力物力,而且設(shè)計(jì)周期很長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)高度發(fā)達(dá)的美國，化學(xué)工業(yè)由于攪拌反應(yīng)器設(shè)計(jì)不合理所造成的蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 2 頁損失每年約為 10100 億美元。 因此，從更微觀更本質(zhì)的角度,例如采用先進(jìn)的測試手段和建立合理的數(shù)學(xué)模型,獲取攪拌槽中的速度場、溫度場和濃度場,不僅對開發(fā)新型攪拌設(shè)備，而且對攪拌設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義,對放大和混合的基礎(chǔ)研究具有現(xiàn)實(shí)的理論意義。 而對于攪拌設(shè)備的研究，除功率問題外，有關(guān)攪拌的流體力學(xué)研究具有重要意義。這方面已做了許多工作，但尚需擴(kuò)大和

12、深入。在液體中進(jìn)行攪拌時(shí)，攪拌器的功能不僅引起液體的整個(gè)運(yùn)動，而且要在液體中產(chǎn)生湍動，湍動程度與攪拌器使液體旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的旋渦現(xiàn)象有密切關(guān)系。這些旋渦因經(jīng)常地互相撞擊和破裂，使液體受到劇烈的攪拌。由此可見在攪拌操作中，對于流體力學(xué)理論的研究是極其重要的。1.3 物料設(shè)備的發(fā)展趨勢用 PLC 來代替?zhèn)鹘y(tǒng)物料混合設(shè)備控制近代化學(xué)工業(yè)中，流動的物料不再只是一些低粘度的牛頓型流體，許多高粘度流體也常常遇到，尤其是各種各樣的高分子溶液以及混有催化劑粒子的漿狀流體等非牛頓型流體的應(yīng)用日益廣泛。它們與通常的牛頓型流體具有不同的流動特性，所以對于非牛頓型液體的研究是當(dāng)今的一個(gè)重要課題。對高粘度流體，特別是非牛頓

13、型流體的攪拌傳熱的研究，也是近年來的一個(gè)方向。聚合釜的傳熱特性與其中所用的攪拌器的型式關(guān)系甚大。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。設(shè)備有大型化發(fā)展的趨勢，也需求攪拌設(shè)備大型化。如國外聚合釜的容積已由最初的 840m3擴(kuò)大到 60100m3，最火的已達(dá)到140m3。采用大型聚臺釜可大大減少操作和檢修人員，有利于自動化，減少投資，提高生產(chǎn)率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。隨著容積的大型化，釜型逐漸由細(xì)長型向矮胖型發(fā)展。而且采用底部攪拌的方式越采越多，多用三葉后掠式攪拌器。三葉后掠式攪拌器是目前大型聚合釜采用的一種較好攪拌器。因它排出量大，釜內(nèi)液相循環(huán)充分，每分鐘可達(dá) 510 次，能促使釜內(nèi)反應(yīng)均勻一致。 攪拌也可以在管路中進(jìn)行

14、，采用在管路中安裝裝置的辦法對氣-液系和液-液系進(jìn)行混合。例如采用噴射泵對水及醋酸丁酯進(jìn)行混合；在石油精制中，也采用使液體流過設(shè)置在管路中的銳孔板或擋板，以便使兩種液體進(jìn)行接觸。還有在管道中放入攪拌器的，即所謂管道攪拌。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 3 頁可見，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶動了攪拌應(yīng)用面的擴(kuò)大。攪拌技術(shù)的發(fā)展又使得攪拌設(shè)備大型化。為了提高攪拌的全自動化和穩(wěn)定性能，就需要一個(gè)功能更強(qiáng)、性能更好的系統(tǒng)做支持。 在本設(shè)計(jì)中我將引入 PLC 來實(shí)現(xiàn)其攪拌控制功能。1.4 引入 PLC 來實(shí)現(xiàn)其物料混合設(shè)備的控制功能本設(shè)計(jì)基于采用可編程序控制器（PLC）的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對物料混合攪拌的控制。以

15、PLC S7-200 為主要控制器。根據(jù)攪拌設(shè)備的功能特性、運(yùn)作順序等，設(shè)計(jì)中可選用電磁閥、時(shí)間繼電器來實(shí)現(xiàn)液體的流入和時(shí)間上的延時(shí)，從而滿足其控制要求。根據(jù)控制要求，可以看出此程序是一個(gè)很典型的順序控制問題。這樣就可以先按照攪拌設(shè)備的先后運(yùn)行順序畫出相應(yīng)的順序功能圖，然后在根據(jù)順序功能圖畫梯形圖，最后再用仿真軟件對其進(jìn)行調(diào)試仿真。這樣就可以實(shí)現(xiàn) PLC 對混合攪拌控制程序的設(shè)計(jì)。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 4 頁第第 3 3 章章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 總體方案論證 就目前的現(xiàn)狀有以下幾種控制方式滿足系統(tǒng)的要求：繼電器控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制、可編程序控制器控制。 1、繼

16、電器控制系統(tǒng) 控制功能是用硬件繼電器實(shí)現(xiàn)的。繼電器串接在控制電路中根據(jù)主電路中的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、時(shí)間及溫度等參量變化而動作，以實(shí)現(xiàn)電力拖動裝置的自動控制及保護(hù)。系統(tǒng)復(fù)雜，在控制過程中，如果某個(gè)繼電器損壞，都會影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，查找和排除故障往往非常困難，雖然繼電器本身價(jià)格不太貴，但是控制柜的安裝接線工作量大，因此整個(gè)控制柜價(jià)格非常高，靈活性差，響應(yīng)速度慢。 2、單片機(jī)控制 單片機(jī)作為一個(gè)超大規(guī)模的集成電路，機(jī)構(gòu)上包括 CPU、存儲器、定時(shí)器和多種輸入/輸出接口電路。其低功耗、低電壓和很強(qiáng)的控制功能，成為功控領(lǐng)域、尖端武器、日常生活中最廣泛的計(jì)算機(jī)之一。但是，單片機(jī)是一片集成電路，不能直

17、接將它與外部 I/O 信號相連。要將它用于工業(yè)控制還要附加一些配套的集成電路和 I/O 接口電路，硬件設(shè)計(jì)、制作和程序設(shè)計(jì)的工作量相當(dāng)大。 3、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制 工控機(jī)采用總線結(jié)構(gòu)，各廠家產(chǎn)品兼容性強(qiáng)，有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，在要求快速、實(shí)用性強(qiáng)、功能復(fù)雜的領(lǐng)域中占優(yōu)勢。但工控機(jī)價(jià)格較高，將它用于開關(guān)量控制有些大材小用。且其外部 I/O 接線一般都用于多芯扁平電纜和插頭、插座，直接從印刷電路板上引出，不如接線端子可靠。 4、可編程序控制器控制 可編程序控制器配備各種硬件裝置供用戶選擇，用戶不用自己設(shè)計(jì)和制作硬件裝置，只須確定可編程序控制器的硬件配置和設(shè)計(jì)外部接線圖，同時(shí)采用梯形圖語言編程，用軟

18、件取代繼電器電器系統(tǒng)中的觸點(diǎn)和接線，通過修改程序適應(yīng)工藝條件的變化。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 5 頁 可編程控制器(PLC)從上個(gè)世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制系統(tǒng)，起初它主要是針對開關(guān)量進(jìn)行邏輯控制的一種裝置，可以取代中間繼電器、時(shí)間繼電器等構(gòu)成開關(guān)量控制系統(tǒng)。隨著 30 多年來微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC也通過不斷的升級換代大大增強(qiáng)了其功能?，F(xiàn)在 PLC 已經(jīng)發(fā)展成為不但具有邏輯控制功能、還具有過程控制功能、運(yùn)動控制功能和數(shù)據(jù)處理功能、連網(wǎng)通訊功能等多種性能，是名符其實(shí)的多功能控制器。由 PLC 為主構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制功能強(qiáng)大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)

19、自動化的首選控制裝置。故選擇 PLC 來實(shí)施本次設(shè)計(jì)。 PLC 的基本功能：(1) 開關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 (2) 運(yùn)動控制PLC 可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制，世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。(3) 閉環(huán)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(jì)算機(jī)，PLC 能編制各種各樣的控制算法程序

20、，完成閉環(huán)控制。PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。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(yīng)用。(4) 數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算） 、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)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)。(5) 通信及聯(lián)網(wǎng)PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功蘭州理工大學(xué)

21、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 6 頁能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。2.2 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思想（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。（2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向

22、工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。（4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。（5）體積小，重量輕，能耗低（6）硬件配套齊全，擁護(hù)使用方便，適應(yīng)

23、性強(qiáng)2.3、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)原理圖如圖 2.1 所示蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 7 頁 圖 2.1 系統(tǒng)原理圖1、固體物料A的給料控制方式與計(jì)量（1） 、物料 A 的給料量控制物料 A 是一種固體狀物料，在給料時(shí)要求給料控制設(shè)備能夠根據(jù)用料量的大小來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。給料電機(jī)要求通過變頻調(diào)速實(shí)時(shí)改變喂料量的大小。變頻調(diào)速原理：變頻器的原理是將固定的交流電變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。通常電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表示為： 式中 旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，通常稱為同步轉(zhuǎn)速 電流頻率； 旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)。當(dāng)頻率連續(xù)可調(diào)時(shí)，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)。又電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也是連續(xù)可調(diào)的。變頻器就是通過改變電流的頻率來使電動機(jī)調(diào)

24、速的。（2） 、物料 A 的計(jì)量方式采用壓力傳感器組成的電子皮帶秤的計(jì)量方式進(jìn)行物料 A 的計(jì)量。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 8 頁電子皮帶秤是一種連續(xù)輸送松散物料進(jìn)行自動稱量的專用儀器，在我國各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)皮帶輸送物料時(shí)，稱重段上的物料重量通過皮帶稱量拖輥載臺作用于稱重傳感器，稱重傳感器將重量裝換成電信號，送入運(yùn)算器。運(yùn)算器將兩個(gè)電信號進(jìn)行積分運(yùn)算，從而得出物料重量累計(jì)值并顯示。運(yùn)算器的計(jì)算方法一般有積分法和累加法兩種數(shù)學(xué)模式。（3） 、給料與計(jì)量的配合控制 當(dāng)物料 A 下落到電子皮帶秤上時(shí)，通過給電子皮帶秤上的壓力傳感器確定一個(gè)物料量數(shù)值，然后通過物料下落到電子皮帶秤上

25、秤得的數(shù)據(jù)與給定數(shù)值進(jìn)行比較得到一個(gè)給料信號，然后將這個(gè)給料信號傳送到 PLC 的 A/D 模擬量模塊中，通過 PLC 的 D/A 模擬量模塊來給給料電機(jī)上的變頻器一個(gè)控制信號，通過這個(gè)控制信號來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制物料 A 的給了的大小。最后由電子皮帶秤將物料 A 輸送到攪拌器中。2、液體進(jìn)料量的控制方式與計(jì)量（1） 、物料 B 的給定量控制 物料 B 是一種液體狀物料（如水） ，在給料時(shí)要求給料控制設(shè)備能夠根據(jù)用料量的多少實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)。對于調(diào)節(jié)閥要求其可以通過調(diào)節(jié)閥開度的大小，以改變物料 B 給予的多少。 利用電動調(diào)節(jié)閥來控制液體給量的裝置。由檢測流量的傳感器將檢測到的流量變化信號，經(jīng)交

26、流電橋轉(zhuǎn)換成交流電信號，再經(jīng)過檢波、比較、調(diào)零、PI放大后，成為一個(gè)線性的液位信號。此信號與流量給定信號、閥位反饋信號進(jìn)行比較，經(jīng)比例運(yùn)算后輸出一個(gè)三位電信號（開停關(guān)） ，控制調(diào)節(jié)閥上的執(zhí)行器。（2） 、物料 B 的計(jì)量 常用的液體物料的計(jì)量方式有以下幾種：電磁流量計(jì)、計(jì)量泵、渦街流量計(jì)。鑒于電磁流量計(jì)的眾多優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用電磁流量計(jì)作為物料 B 的計(jì)量方式。（3） 、給料與計(jì)量的配合控制 打開電磁閥，原料 B 開始進(jìn)料到攪拌機(jī)中，其料量的多少通過電磁流量計(jì)中的流量傳感器來測量。在測量時(shí)通過給流量計(jì)傳感器一個(gè)給定值（給定值由蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 9 頁物料 A 和物料 B 的比例來

27、定）和測量值進(jìn)行比較，將比較結(jié)果傳輸?shù)?PLC 的A/D 模擬量模塊中去，再通過 PLC 的 D/A 模擬量模塊將控制信號傳到電動調(diào)節(jié)閥中，通過控制信號來控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到控制物料 B 的進(jìn)量大小。3、混合設(shè)備的控制 攪拌裝置中的混合裝置是通過一個(gè)恒速的三相 M3 來帶動。物料 A 和物料 B通過這一裝置達(dá)到混合均勻。4、控制方案 （1） 、工藝流程的分析1首先根據(jù)混合物料 A 和物料 B 的比例給電子皮帶秤中的秤重傳感器和電磁流量計(jì)一個(gè)給料信號。2接通各個(gè)電氣設(shè)備電源后，電氣設(shè)備開始工作，其中攪拌電機(jī)一直帶動攪拌器工作。3物料 A 輸送到變頻調(diào)速電機(jī) M1 所帶動的傳送帶上。通過

28、 M1 帶動的傳送帶把物料 A 送到帶有稱重傳感器的電子皮帶秤上，然后由帶有恒速電機(jī)的電子皮帶秤將物料 A 輸送到攪拌器中去。4變頻調(diào)速電機(jī) M1 的轉(zhuǎn)速大小由電子皮帶秤所帶的秤重傳感器所反饋的420mA 電流信號通過 PLC 中的 A/D 和 D/A 模塊把反饋信號送到變頻器中去，通過這一反饋信號讓變頻器來調(diào)節(jié) M1 電機(jī)的轉(zhuǎn)速，已達(dá)到調(diào)節(jié)物料 A 的給料量的目的。5在輸送物料 A 的同時(shí)打開電磁閥，物料 B 開始向攪拌器中輸送。6通過電磁流量計(jì)帶有的流量傳感器與給定值比較向 PLC 反饋一個(gè) 4-20mA 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(diào)節(jié)閥中，通

29、過這一信號控制調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到調(diào)節(jié)物料 B 進(jìn)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(jìn)行攪拌。（2）控制流程控制過程電氣設(shè)備的啟動順序?yàn)?首先啟動攪拌電機(jī) M3；然后打開電磁閥，接通物料 A 的輸送電機(jī) M1、電子皮帶秤、電動調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)及 PLC 的電蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 10 頁源。通過電子皮帶秤和電磁流量計(jì)的反饋信號實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié) M1 電機(jī)和電動調(diào)節(jié)閥，以控制物料 A 和物料 B 的輸送量。第 4 章 硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成原理 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，可以構(gòu)建如圖 3.1 所示的硬件系統(tǒng)框圖： 圖 3.1 硬件系統(tǒng)框圖其中：（1）控制模

30、塊：控制模塊由各種開關(guān)根據(jù)實(shí)際的開關(guān)需要發(fā)出開關(guān)量信號，使 PLC 根據(jù)相關(guān)開關(guān)信號發(fā)出相關(guān)控制指令。本設(shè)計(jì)需要的開關(guān)主要有手自動裝換開關(guān)、急停開關(guān)、循環(huán)啟動開關(guān)、循環(huán)停止開關(guān)、手動送 A 物料開關(guān)、手動送 B 物料開關(guān)、手動攪拌開關(guān)。（2）傳感器模塊：傳感器模塊主要是采集相關(guān)部位的動態(tài)變化信號，輔助 PLC完成相關(guān)過程的控制。本設(shè)計(jì)所用的傳感器主要有液位傳感器用于顯示攪拌器內(nèi)液位高度；稱重傳感器用于反饋物料 A 的量，從而控制物料 A 的量；電磁流量計(jì)用于計(jì)量物料 B 的量。（3）PLC :PLC 是本設(shè)計(jì)中的主要控制元件，也是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 11 頁（

31、4）物料 A 的控制模塊：物料 A 的控制模塊主要有幾部分組成,變頻電機(jī) M1 主要用于控制物料 A 的量；恒速電機(jī) M2 主要用于將物料 A 送入攪拌器。（5）物料 B 的控制模塊：物料 B 的控制模塊也有幾部分組成，下料閥 Y1 主要是將物料 B 送入下料管道，電動調(diào)節(jié)閥主要用于控制物料 B 的量。（6）顯示模塊：主要是直觀的顯示攪拌器內(nèi)液位的高度。3.2 硬件系統(tǒng)器件選型1、PLC 機(jī)型選擇 PLC 機(jī)型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠、維護(hù)使用方便及最佳的性能價(jià)格比。具體應(yīng)考慮的因素如下所述。（1）結(jié)構(gòu)合理 對于工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好、維修量較小的場

32、合，選用整體式結(jié)構(gòu)的 PLC；否則，選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC，物料混合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 能夠達(dá)到要求。（2）功能強(qiáng)、弱適當(dāng) 對于開關(guān)量控制的工程項(xiàng)目，若控制速度要求不高，一般選用低檔的PLC，西門子公司的 S7-200 系列機(jī)。（3）機(jī)型統(tǒng)一 PLC 的結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式兩種。整體式結(jié)構(gòu)把 PLC 的 I/O 和 CPU 放在一塊印刷電路板上，并封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去了插接環(huán)節(jié)，因此體積小、價(jià)格便宜。但由于整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 功能有限，只適用于控制要求比較簡單的系統(tǒng)。一般大型的控制系統(tǒng)都使用模塊式結(jié)構(gòu)，這樣功能易擴(kuò)展，比整體式靈活。一個(gè)大型企業(yè)選用 PLC 時(shí)，盡量

33、要做到機(jī)型統(tǒng)一。由于同一機(jī)型的 PLC，其模塊可互為備用，以便備件的采購和管理；另外，功能及編程方法統(tǒng)一，有利于技術(shù)人員的培訓(xùn)；其外部設(shè)備通用也有利于資源共享。若配備了上位計(jì)算機(jī)，可把各獨(dú)立系統(tǒng)的多臺 PLC 聯(lián)成一個(gè)多級分布式控制相互通信，集中協(xié)調(diào)管理。物料混合控制系統(tǒng)控制要求比較簡單選擇整體式結(jié)構(gòu)的 PLC（4）是否在線編程 PLC 的特點(diǎn)之一是使用靈活。當(dāng)被控設(shè)備的工藝過程改變時(shí)，只需用編程器重新修改程序，就能滿足新的控制要求，給生產(chǎn)帶來很大方便。PLC 的編程蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 12 頁分為離線編程和在線編程兩種。離線編程的 PLC，其主機(jī)和編程器共用物料混合控制系統(tǒng)采用

34、離線編程（5）PLC 的環(huán)境適應(yīng)性 由于 PLC 是直接用于工業(yè)控制的工業(yè)控制器，生產(chǎn)廠家都把它設(shè)計(jì)成能在惡劣的環(huán)境條件下可靠地工作。盡管如此，每種 PLC 都有自己的環(huán)境技術(shù)條件，用戶在選用時(shí)，特別是在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，對環(huán)境條件要進(jìn)行充分的考慮。一般 PLC 及其外部電路（I/O 模塊、輔助電源等）都能在下列環(huán)境條件下可靠工作：溫度 工作溫度 055，最高為 60儲存溫度 -4085濕度 相對濕度 5%95%(無凝結(jié)霜)振動和沖擊 滿足國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)電源 交流 200V，允許變化范圍為-15%15%，頻率為 4753Hz 瞬間停電保持 l0ms 環(huán)境 周圍空氣不能混有可燃性、爆炸性和腐蝕

35、性氣體對 于 需要應(yīng)用在特殊環(huán)境下的 PLC，要根據(jù)具體的情況進(jìn)行合理的選擇。 1） 、 PLC 容量選擇 PLC 容量包括兩個(gè)方面：一是 I/O 的點(diǎn)數(shù)；二是用戶存儲器的容量（字?jǐn)?shù)）。PLC 容量的選擇除滿足控制要求外，還應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ?，以做備用。根?jù)經(jīng)驗(yàn)，在選擇存儲容量時(shí)，一般按實(shí)際需要的 10%25%考慮裕量。對于開關(guān)量控制系統(tǒng)，存儲器字?jǐn)?shù)為開關(guān)量 I/O 乘以 8；對于有模擬量控制功能的 PLC，所需存儲器字?jǐn)?shù)為模擬內(nèi)存單元數(shù)乘以 100。通常，一條邏輯指令占用存儲器一個(gè)字。計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、移位及算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎噶钫加么鎯ζ鲀蓚€(gè)字。各種指令占存儲器的字?jǐn)?shù)可查閱 PLC 產(chǎn)品使用手冊

36、。I/O 點(diǎn)數(shù)也應(yīng)留有適當(dāng)裕量。由于目前 I/O 點(diǎn)數(shù)較多的 PLC 價(jià)格也較高，若備用的 I/O 點(diǎn)的數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常 I/O 點(diǎn)數(shù)按實(shí)際需要的 10%15%考慮備用量。2） 、 I/O 模塊的選擇蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 13 頁 PLC 是一種工業(yè)控制系統(tǒng)，它的控制對象是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，它的工作環(huán)境是工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過 I/O 接口模塊來實(shí)現(xiàn)的。 通過 I/O 接口模塊可以檢測被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，并以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為控制器對被控制對象進(jìn)行控制的依據(jù)。同時(shí)控制器又

37、通過 I/O 接口模塊將控制器的處理結(jié)果送給工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控設(shè)備，驅(qū)動各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)控制。外部設(shè)備或生產(chǎn)過程中的信號電平各種各樣，各種機(jī)構(gòu)所需的信息電平也是各種各樣的，而 PLC 的 CPU 所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以 I/O 接口模塊還需實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。PLC 從現(xiàn)場收集的信息及輸出給外部設(shè)備的控制信號都需經(jīng)過一定距離。為了確保這些信息的正確無誤，PLC 的 I/O 接口模塊都具有較好的抗干擾能力。根據(jù)實(shí)際需要，PLC 相應(yīng)有許多種 I/O 接口模塊，包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇使用。（1）確定 I/O 點(diǎn)數(shù) I/O

38、 點(diǎn)數(shù)的確定要充分的考慮到裕量，能方便地對功能進(jìn)行擴(kuò)展。對一個(gè)控制對象，由于采用不同的控制方法或編程水平不一樣，I/O 點(diǎn)數(shù)就可能有所不同。（2）開關(guān)量 I/O 標(biāo)準(zhǔn)的 I/O 接口用于同傳感器和開關(guān)（如按鈕、限位開關(guān)等）及控制（開/關(guān)）設(shè)備（如指示燈、報(bào)警器、電動機(jī)起動器等）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。典型的交流I/O 信號為 24240V（AC） ，直流 I/O 信號為 524V（DC） 。 （3）選擇開關(guān)量輸入模塊主要從下面兩方面考慮： 一是根據(jù)現(xiàn)場輸入信號與 PLC 輸入模塊距離的遠(yuǎn)近來選擇電平的高低。一般 24V 以下屬于低電平，其傳輸距離不宜太遠(yuǎn)。如 12V 電壓模塊一般不超過10m，距離較遠(yuǎn)的

39、設(shè)備選用較高電壓模塊比較可靠。二是高密度的輸入模塊，如32 點(diǎn)輸入模塊，能允許同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不得超過總輸入點(diǎn)數(shù)的 60%。（4）選擇開關(guān)量輸出模塊時(shí)應(yīng)從以下三個(gè)方面來考慮： 一是輸出方式選擇。輸出模塊有三種輸出方式：繼電器輸出、晶閘管輸出、蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 14 頁晶體管輸出。其中，繼電器輸出價(jià)格便宜，使用電壓范圍廣，導(dǎo)通壓降小，承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力強(qiáng)，且有隔離作用。但繼電器有觸點(diǎn)，壽命較短，且響應(yīng)速度較慢，適用于動作不頻繁的交直流負(fù)載。當(dāng)驅(qū)動電感性負(fù)載時(shí)，最大開閉頻率不得超過 1Hz。晶閘管輸出（交流）和晶體管輸出（直流）都

40、屬于無觸點(diǎn)開關(guān)輸出，適用于通斷頻繁的感性負(fù)載。感性負(fù)載在斷開瞬間會產(chǎn)生較高反電壓，必須采取抑制措施。二是輸出電流的選擇。模塊的輸出電流必須大于負(fù)載電流的額定值，如果負(fù)載電流較大，輸出模塊不能直接驅(qū)動時(shí)，應(yīng)增加中間放大環(huán)節(jié)。對于電容性負(fù)載、熱敏電阻負(fù)載，考慮到接通時(shí)有沖擊電流，要留有足夠的余量。三是允許同時(shí)接通的輸出點(diǎn)數(shù)。在選用輸出點(diǎn)數(shù)時(shí)，不但要核算一個(gè)輸出點(diǎn)的驅(qū)動能力，還要核算整個(gè)輸出模塊的滿負(fù)荷負(fù)載能力，即輸出模塊同時(shí)接通點(diǎn)數(shù)的總電流值不得超過模塊規(guī)定的最大允許電流值。3） 、電源模塊的選擇 電源模塊的選擇一般只需考慮輸出電流。電源模塊的額定輸出電流必須大于處理器模塊、I/O 模塊、專用模塊

41、等消耗電流的總和。以下步驟為選擇電源的一般規(guī)則：（1）確定電源的輸入電壓；（2）將框架中每塊 I/O 模塊所需的總背板電流相加，計(jì)算出 I/O 模塊所需的總背板電流值；（3）I/O 模塊所需的總背板電流值再加上以下各電流： 框架中帶有處理器時(shí)，則加上處理器的最大電流值； 當(dāng)框架中帶有遠(yuǎn)程適配器模塊或擴(kuò)展本地 I/O 適配器模塊時(shí)，應(yīng)加上其最大電流值。（4）如果框架中留有空槽用于將來擴(kuò)展時(shí)，可做以下處理； 列出將來要擴(kuò)展的 I/O 模塊所需的背板電流； 將所有擴(kuò)展的 I/O 模塊的總背板電流值與步驟（5）在框架中是否有用于電源的空槽，否則將電源裝到框架的外面。（6）根據(jù)確定好的輸入電壓要求和所需

42、的總背板電流值，從用戶手冊中選擇合適的電源模塊。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 15 頁 需要，還要力爭最佳的性價(jià)比。具體應(yīng)考隨著 PLC 技術(shù)的發(fā)展，PLC 產(chǎn)品的種類越來越多，而且功能也日益完善。PLC 的種類繁多，其結(jié)構(gòu)、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等各有不同，當(dāng)然使用場合也有所不同。因此選擇合理的 PLC 對提高 PLC 控制系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)意義重大。因此在選擇機(jī)型時(shí)不僅要滿足其功能要求及維護(hù)等方面的慮：（1）合理的結(jié)構(gòu)形式（2）安裝方式的選擇（3）相當(dāng)?shù)墓δ芤螅?）系統(tǒng)可靠性的要求綜合了輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)、存儲器容量、各項(xiàng)控制功能和機(jī)型的考慮以及性價(jià)比等各方面的因素，

43、在此我為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇了 S7-200CPU224PLC 一臺。 圖 3.2 S7-200 PLC CPU 的外形模型圖S7-200 有 5 種 CPU 模塊、6 個(gè)有 12 種工作方式的高速計(jì)數(shù)器和兩點(diǎn)高速計(jì)數(shù)器/和脈沖寬度調(diào)制器、直接讀寫的模擬量 I/O 模塊、先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)、靈活方便的尋址方式以及程序化的 PID 編程控制。強(qiáng)大的通訊功能，它支持多種通信協(xié)議。價(jià)格是它在所有品牌在同一功能區(qū)內(nèi)很有競爭力的。最重要的是它還提供了完善的的網(wǎng)上支持。這些都為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供很好的條件和方便。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 16 頁2、變頻器的選擇 正確選擇通用型變頻器對于傳動系統(tǒng)能夠正常運(yùn)

44、行時(shí)至關(guān)重要的，首先要明確使用通用變頻器的目的，按照生產(chǎn)機(jī)械的類型、調(diào)速范圍、速度響應(yīng)和控制精度、啟動轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動負(fù)載特性，決定采用什么功能的通用變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，然后決定選用哪種控制方式最合適。所選用的通用變頻器應(yīng)是既滿足生產(chǎn)工藝要求，又要在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上合理。若對通用變頻器選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用不當(dāng)，往往會使通用變頻器不能正常的運(yùn)行、達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，甚至引發(fā)設(shè)備故障，造成不必要的損失。另外，為了確保通用變頻器長期可靠的運(yùn)行，變頻器的地線的連接也是非常重要的。變頻器在調(diào)速系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)：（1） 控制電機(jī)的啟動電流；（2） 降低電力線路的電壓波動；（3） 啟動時(shí)需要的功率更低

45、；（4） 可控的加速功能；（5） 可調(diào)的運(yùn)行速度；（6） 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限；（7） 受控的停止方式；（8） 節(jié)能；（9） 可逆運(yùn)行控制；（10)減少機(jī)械傳動部件。 1)、變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。 n=60f(1-s)/p對于成品電機(jī)，其磁極對數(shù) p 已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率 s 變化不大，故電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 與電源的頻率 f 成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)的調(diào)試目的。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 17 頁 2)、 變頻器的工作原理變頻器的工作原理是把市電（380V 、50Hz）通過整流器變成平滑直流，然后利用半導(dǎo)體

46、器件（GTO、GTR 或 IGBT）組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電。在本系統(tǒng)中，選用了由西門子生產(chǎn)的變頻器 MM440。3、電動調(diào)節(jié)閥的選擇 電動調(diào)節(jié)閥是直接用來控制流體流量的裝置，主要是由相互隔離的電氣部分和齒輪傳動部分組成，電機(jī)作為連接兩個(gè)隔離部分的中間部件。電機(jī)按控制要求輸出轉(zhuǎn)矩，通過多級正齒輪傳遞到梯形絲桿上，梯形絲桿通過螺紋變換轉(zhuǎn)矩為推力。因此梯形螺桿通過自鎖的輸出軸將直線行程傳遞到閥桿。執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸帶有一個(gè)防止傳動的止轉(zhuǎn)環(huán)，輸出軸的徑向鎖定裝置也可以做動位置指示器。輸出軸止動環(huán)上連有一個(gè)旗桿，旗桿隨輸出軸同步運(yùn)行，通過與旗桿連接的齒條板將輸出軸位移轉(zhuǎn)換成

47、電信號，提供給智能控制板作為比較信號和閥位反饋輸出。同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程也可由齒條板上的兩個(gè)主限位開關(guān)開限制，并由兩機(jī)械限位保護(hù)。1)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以電動機(jī)為驅(qū)動源、以直流電流為控制及反饋信號，原理方塊圖如圖 3 所示。當(dāng)控制器的輸入端有一個(gè)信號輸入時(shí)，此信號與位置信號進(jìn)行比較，當(dāng)兩個(gè)信號的偏差值大于規(guī)定的死區(qū)時(shí)，控制器產(chǎn)生功率輸出，驅(qū)動伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動使減速器的輸出軸朝減小這一偏差的方向轉(zhuǎn)動，直到偏差小于死區(qū)為止。此時(shí)輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號相對應(yīng)的位置上。伺伺服服電電機(jī)機(jī)位位置置反反饋饋控控制制器器調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)閥閥減減速速器器控控制制信信號號蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 18

48、 頁圖 3.3 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理2)、控制器結(jié)構(gòu)控制器由主控電路板、傳感器、帶 LED 操作按鍵、分相電容、接線端子等組成。智能伺服放大器以專用單片微處理器為基礎(chǔ)，通過輸入回路把模擬信號、閥位電阻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，微處理器根據(jù)采樣結(jié)果通過人工智能控制軟件后，顯示結(jié)果及輸出控制信號。調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)閥閥圖 3.4 智能控制器組成結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)選用 ZDSN 型電子式電動雙調(diào)節(jié)閥。4、 液位傳感器的選擇 在攪拌過稱中對攪拌器內(nèi)的液位高度要時(shí)刻的關(guān)注，本次設(shè)計(jì)選用靜壓式液位變送器，靜壓投入式液位變送器（液位計(jì)）適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的液位測量。精巧的結(jié)構(gòu)，簡

49、單的調(diào)校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。420mA、 05v、 010mA 等標(biāo)準(zhǔn)信號輸出方式由用戶根據(jù)需要任選。 利用流體靜力學(xué)原理測量液位，是壓力傳感器的一項(xiàng)重要應(yīng)用。采用特種的中間帶有通氣導(dǎo)管的電纜及專門的密封技術(shù)，既保證了傳感器的水密性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)定性。用靜壓測量原理：當(dāng)液位變送器投入到被測液體中某一深度時(shí)，傳感器迎蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 19 頁液面受到的壓力公式為： = .g.H + Po 式中：P ：變送器迎液面所受壓力：被測液體密度g ：當(dāng)?shù)刂亓铀俣萈o ：液面上大氣壓H ：變送器投入液體的深度同時(shí)，通過

50、導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 Po 與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，使傳感器測得壓力為： .g.H ，顯然 , 通過測取壓力 P ，可以得到液位深度。功能特點(diǎn)：穩(wěn)定性好，滿度、零位長期穩(wěn)定性可達(dá) 0.1%FS/ 年。在補(bǔ)償溫度 0 70 范圍內(nèi)，溫度飄移低于 0.1%FS ，在整個(gè)允許工作溫度范圍內(nèi)低于 0.3%FS 。具有反向保護(hù)、限流保護(hù)電路，在安裝時(shí)正負(fù)極接反不會損壞變送器，異常時(shí)送器會自動限流在 35MA 以內(nèi)。固態(tài)結(jié)構(gòu)，無可動部件，高可靠性，使用壽命長。安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)耐用。 本次設(shè)計(jì)可選用 SS.45-HSP-100型靜壓

51、式液位變送器。5 、電子皮帶秤的選擇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。稱重時(shí)，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(jīng)放大器放大后送模/數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 20 頁A，送到運(yùn)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(shù) B，也送到運(yùn)算器；運(yùn)算器對 A、B 進(jìn)行運(yùn)算后，即得到這一測量周期的物料量。對每一測量周期進(jìn)行累計(jì)，即可得到皮帶上連續(xù)通過的物料總量。ICS-ST4型電子皮帶稱使用最廣泛的皮帶秤。電子皮帶秤稱重橋架安裝于輸送機(jī)架上，當(dāng)物料經(jīng)過時(shí)，計(jì)量托輥檢測到皮帶機(jī)上

52、的物料重量通過杠桿作用于稱重傳感器，產(chǎn)生一個(gè)正比于皮帶載荷的電壓信號。速度傳感器直接連在大直徑測速滾筒上，提供一系列脈沖，每個(gè)脈沖表示一個(gè)皮帶運(yùn)動單元，脈沖的頻率正比于皮帶速度。稱重儀表從稱重傳感器和速度傳感器接收信號，通過積分運(yùn)算得出一個(gè)瞬時(shí)流量值和累積重量值，并分別顯示出來。物料重力的傳遞途經(jīng)為：輸送帶稱重托輥托輥支架稱量臺稱重傳感器。而在輸送機(jī)式皮帶秤中，物料重力的傳遞途經(jīng)為：輸送帶托輥與滾筒輸送機(jī)架稱重傳感器。本次設(shè)計(jì)也可選用常用的 ICS-ST4型電子皮帶秤。6 、電動機(jī)選型 1） 、 變頻電機(jī) M1選型 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本設(shè)計(jì)選用 BPY 系列三相交流異步電動機(jī)。BPY 系列三相交

53、流變頻調(diào)速異步電動機(jī)是我國吸取國外產(chǎn)品技術(shù)，在廣泛調(diào)研和收集國內(nèi)有關(guān)資料的基礎(chǔ)上開發(fā)成功的最新產(chǎn)品，它具有噪聲小、振動小、調(diào)速范圍廣、運(yùn)用可靠、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，可與國內(nèi)外各類變頻器配套使用，有助于節(jié)能和實(shí)現(xiàn)自動控制。 BPY 系列三相交流變頻調(diào)速異步電動機(jī)采用我國研制開發(fā)的 VVVF 變頻調(diào)速電機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序和 CAD 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)具有較高的啟動轉(zhuǎn)矩，能在1:10范圍內(nèi)做恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，且運(yùn)行平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)矩爬升現(xiàn)象。在高速運(yùn)行時(shí)，具有較高的過載能力，保證電機(jī)恒功率輸出。電機(jī)采用單獨(dú)的軸抽風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)，確保在不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)具有良好的冷卻效果。該電機(jī)絕緣可靠、性能優(yōu)良，對電磁

54、線、侵漬漆等主要的絕緣材料，采取先進(jìn)的介電分析法進(jìn)行質(zhì)量控制，并在絕緣處理過程中采用動態(tài)介電測量，控制侵器烘焙過蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 21 頁程，保證了電機(jī)絕緣質(zhì)量穩(wěn)定可靠，并對變頻器高載波頻率引起的過電壓具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，同時(shí)還可根據(jù)用戶的需求設(shè)置計(jì)算機(jī)控制接口，有助于實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的自動化控制，也可以在非軸伸端裝置制動器，便于快速制動。BPY 系列三相交流變頻調(diào)速異步電動機(jī)，廣泛用于機(jī)床、紡織、化工、冶金、工業(yè)洗衣機(jī)等行業(yè)的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速及風(fēng)機(jī)水泵等場合的節(jié)能調(diào)速。本設(shè)計(jì)所用的電機(jī) M1也可選用 BPY 系列電動機(jī)。2） 、本設(shè)計(jì)所用電動機(jī) M2和 M3可選用三相鼠籠異步電

55、動機(jī)三相異步電動機(jī)。它主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定、轉(zhuǎn)子之間是氣隙。 轉(zhuǎn)子繞組是用作產(chǎn)生感應(yīng)電勢、 并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的，它分鼠籠式和繞線式兩種。 鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組是自己短路的繞組，在轉(zhuǎn)子在每個(gè)槽中放有一根導(dǎo)體（材料為銅或鋁） ，導(dǎo)體比鐵芯長，在鐵芯兩端用兩個(gè)端環(huán)將導(dǎo)體短接，形成短路繞組。若將鐵芯去掉，剩下的繞組形狀似松鼠籠子，故稱鼠籠式繞組。鼠籠式異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、運(yùn)行維護(hù)方便，它被廣泛地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作為電力拖動的原動機(jī)。它的缺點(diǎn)是調(diào)速性能差，啟動力矩較小，因此在一些要求平滑調(diào)速和啟動力矩很大的場合常用其他類型電動機(jī)來完成。本次設(shè)計(jì) M2、M3電動機(jī)可選用型號：YLZ

56、 系列三相鼠籠異步電動機(jī)。7、 電磁流量計(jì)選型電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行流量測量的流量計(jì)。電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是壓損極小，可測流量范圍大。最大流量與最小流量的比值一般為20：1以上，適用的工業(yè)管徑范圍寬，最大可達(dá)3m，輸出信號和被測流量成線性，精確度較高，可測量電導(dǎo)率1s/cm 的酸、堿、鹽溶液、水、污水、腐蝕性液體以及泥漿、礦漿的流體流量。但它不能測量氣體、蒸汽以及純凈水的流量。1蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 22 頁當(dāng)導(dǎo)體在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時(shí)，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的大小與導(dǎo)體在磁場中的有效長度及導(dǎo)體在磁場中作垂直于磁場方向運(yùn)動的速度成正比。同理，導(dǎo)電流體在磁場

57、中作垂直方向流動而切割磁感應(yīng)力線時(shí)，也會在管道兩邊的電極上產(chǎn)生感應(yīng)電勢。感應(yīng)電勢的方向由右手定則判定，感應(yīng)電勢的大小由下式確定：Ex=BDv-式（1）式中 Ex感應(yīng)電勢，V；B磁感應(yīng)強(qiáng)度，TD管道內(nèi)徑，mv液體的平均流速，m/s然而體積流量 qv 等于流體的流速 v 與管道截面積（D）/4的乘積，將式（1）代入該式得：Qv=(D/4B)* Ex -式（2）由上式可知，在管道直徑 D 己定且保持磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 不變時(shí)，被測體積流量與感應(yīng)電勢呈線性關(guān)系。若在管道兩側(cè)各插入一根電極，就可引入感應(yīng)電勢Ex，測量此電勢的大小，就可求得體積流量。 本次設(shè)計(jì)可以選用 LD 系列智能電磁流量計(jì)。3.3、硬件系

58、統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)控制方案的要求物料 A 和物料 B 要用到 S7-200 的 PID 控制指令。下面分別對物料 A 和物料 B 的控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。 PID 控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量來進(jìn)行控制。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)、控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這是應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即使我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或不能不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合采用 PID 控制技術(shù)。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 )第 23 頁 控制系統(tǒng)一般包括開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系

59、統(tǒng)，開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對象輸出對控制器的輸出沒有影響，在這中控制系統(tǒng)不依賴將被控制量反送回來已形成任何的閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對象會反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)，閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反則稱為負(fù)反饋；若極性相同則成為正反饋。一般控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱為負(fù)反饋控制系統(tǒng)。可見，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于開環(huán)控制系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)變頻電機(jī) M1 的控制可采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制框圖如圖 3.5 所示。 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。他是根據(jù)被控過程的特性，確定 PID 控制器的比例參數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。P

60、ID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有如下兩類： 一理論計(jì)算整定法.它主要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接使用，還必須經(jīng)過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 二是工程整定法。它主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)試樣中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛應(yīng)用。PID 控制器的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。這三種方法各有其特點(diǎn)，其中共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際中進(jìn)行最后的整定與完善。 現(xiàn)在一般采用臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID 控