基于PLC的自動配料系統(tǒng)方案

./航空大學(xué)課程設(shè)計題目:基于PLC的自動配料系統(tǒng)專業(yè):自動化班級:110441班學(xué)號:姓名:指導(dǎo)老師:.摘要自動配料系統(tǒng)是集輸送、計量、配料、定量等功能于一體的動態(tài)計量系統(tǒng),在建材、化工、冶金、礦山、電力、食品、飼料加工等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)化程度的提高,常需要對自動配料系統(tǒng)中輸送的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制達(dá)到準(zhǔn)確的配比。本論文主要針對自動配料系統(tǒng)恒流量控制達(dá)到配比的控制要求,設(shè)計一套基于PLC的自動配料系統(tǒng),并使用觸摸屏開發(fā)運行管理界面。自動配料系統(tǒng)由可編程控制器〔PLC、變頻器、皮帶驅(qū)動電動機、稱重傳感器等構(gòu)成。系統(tǒng)包含三臺皮帶驅(qū)動電動機,它們根據(jù)需要依次順序啟動。采用變頻器實現(xiàn)對三相電動機的變頻調(diào)速。稱重傳感器對物料進(jìn)行稱重并實時計量,PLC計算出實時流量及累計流量,比較設(shè)定值與實際流量的偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)改變輸出信號以控制變頻器對皮帶驅(qū)動電動機的速度調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)恒流量控制,并對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。關(guān)鍵詞：自動配料,變頻調(diào)速,PID調(diào)節(jié),PLC目錄摘要IAbstractII第一章緒論11.1課題背景及意義11.2自動配料系統(tǒng)11.2.1電子皮帶秤11.2.2可編程控制器〔PLC21.2.3變頻器31.3本課題主要研究容3第二章自動配料系統(tǒng)理論分析及方案確定52.1自動配料系統(tǒng)理論分析52.1.1電子皮帶秤稱重原理52.1.2流量控制原理62.2自動配料系統(tǒng)控制方案的確定82.2.1自動配料系統(tǒng)控制方案的確定82.2.2自動配料系統(tǒng)的組成及控制原理8第三章自動配料系統(tǒng)的硬件設(shè)計113.1系統(tǒng)主要配置的選型113.1.1皮帶驅(qū)動電動機的選型113.1.2PLC及其擴展模塊的選型113.1.3變頻器的選型133.1.4稱重傳感器的選型153.1.5其他設(shè)備選型163.2系統(tǒng)主電路分析及設(shè)計173.3系統(tǒng)控制電路分析及設(shè)計193.3.1可編程控制器〔PLC的I/O端子分配193.3.2系統(tǒng)控制電路設(shè)計20第四章自動配料系統(tǒng)的軟件設(shè)計234.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計234.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計27第五章組態(tài)軟件監(jiān)控305.1組態(tài)軟件簡介305.1.1組態(tài)軟件的功能305.1.2組態(tài)軟件的特點315.2人機界面設(shè)計32結(jié)束語33致34參考文獻(xiàn)35附錄：36附錄一：自動配料系統(tǒng)電器元件清單36附錄二：自動配料系統(tǒng)主電路圖37附錄三：自動配料系統(tǒng)PLC接線圖38附錄四：自動配料系統(tǒng)程序39.第一章緒論1.1課題背景及意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,工業(yè)上快速、精準(zhǔn)的需求,對自動化的要求也不斷增加。在很多工藝過程中,人們需要平衡準(zhǔn)確的稱量,滿足產(chǎn)品的質(zhì)量需要,但是光靠人類自身,工作效率和成品的合格率大大降低,而成本卻增高。因此,人們需要依靠自動配料稱重的自動配料系統(tǒng)來大幅度提高工作效率,降低成本。尤其是冶金、煤礦、水泥、化工等行業(yè),常需對輸送中的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制達(dá)到準(zhǔn)確的配比。自動配料系統(tǒng)可以按照設(shè)定配比和流量控制各輸入物料的瞬時值,從而達(dá)到控制各種產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量,是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化和智能化、節(jié)能降耗的重要技術(shù)手段。自動配料系統(tǒng)在生產(chǎn)中不僅僅保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量,也大大降低了崗位工人的勞動強度,提高了工作效率。本課題設(shè)計開發(fā)的自動配料系統(tǒng)能有效解決動態(tài)計量衡器的控制精度問題,可代替企業(yè)中舊的配料工藝設(shè)備,很大程度降低勞動強度,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,帶來可觀的經(jīng)濟效益,推動國民經(jīng)濟的發(fā)展。1.2自動配料系統(tǒng)1.2.1電子皮帶秤電子皮帶秤是指對放置在皮帶上并隨皮帶連續(xù)通過的松散物料進(jìn)行自動稱量的衡器。電子皮帶秤主要由稱重部分、測速部分、計算部分、通訊部分構(gòu)成。電子皮帶秤的應(yīng)用廣泛,主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),如食品加工、煤礦等場所。電子皮帶秤的準(zhǔn)確度按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7721-1995規(guī)定,分為0.25、0.5、1.0、2.0四個等級。其稱量準(zhǔn)確度受皮帶輸送機影響,而使用準(zhǔn)確度取決于電子皮帶秤的安裝質(zhì)量和維護水平。電子皮帶秤的稱重橋架橫梁中的稱重傳感器檢測皮帶上物料的重量信號,速度傳感器檢測皮帶的運行信號,積算器將接收到的重量信號和速度信號,進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入CPU進(jìn)行積分運算,然后將物料的瞬時流量和累計重量在面板上顯示出來,積算器具有可選的聯(lián)網(wǎng)、通訊、打印、DCS聯(lián)機等功能。1.2.2可編程控制器〔PLC早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器〔ProgrammableLogicController,PLC,它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展,這種采用微型計算機技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的圍,因此,今天這種裝置稱作可編程控制器,簡稱PC。但是為了避免與個人計算機〔PersonalComputer的簡稱混淆,所以將可編程序控制器簡稱PLC。PLC自1969年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司〔DEC研制出現(xiàn),現(xiàn)行美國、日本、德國的可編程序控制器質(zhì)量優(yōu)良,功能強大。PLC由中央處理單元〔CPU、存儲器、輸入輸出模塊、電源、構(gòu)成。PLC采用掃描方式作為它的工作原理。當(dāng)PLC投入運行后,其工作過程一般分為三個階段,即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段,完成此三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間,PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行這三個階段。PLC的掃描周期包括自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間之和。PLC具有以下特點：功能完善,組合靈活,擴展方便,實用性強。使用方便,編程簡單,采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言,而無需計算機知識,因此系統(tǒng)開發(fā)周期短,現(xiàn)場調(diào)試容易。安裝簡單,容易維修。抗干擾能力和可靠性能力都強,遠(yuǎn)高于其他各種機型。環(huán)境要求低。易學(xué)易用。經(jīng)過一系列發(fā)展應(yīng)用,PLC現(xiàn)已成為工業(yè)控制三大支柱〔PLC、CAD/CAM、ROBOT之一,以其可靠性高、邏輯功能強、體積小、可在線修改控制程序、具有遠(yuǎn)程通信聯(lián)網(wǎng)功能、以易與計算機接口、能對模擬量進(jìn)行控制,具備高速計數(shù)與位控等性能模塊等優(yōu)異性能,日益取代由大量中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)繼電—接觸控制系統(tǒng),在機械、化工、石油、冶金、電力、輕工、電子、紡織、食品、交通等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。PLC應(yīng)用深度和廣度已經(jīng)成為一個國家工業(yè)先進(jìn)的重要標(biāo)志之一。1.2.3變頻器變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù),通過改變電動機工作電源的頻率和幅值來控制交流電動機的電力傳動元件,曾被稱為VVVF。自20世紀(jì)70年代開始,脈寬調(diào)制變壓變頻〔PWM-VVVF調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代,作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題引起人們的濃厚興趣,并得出諸多優(yōu)化模式,其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期,美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家開發(fā)的U/f控制變頻器投入市場并得到廣泛使用。U/f控制變頻器的控制方式較為簡單,主要是根據(jù)電動機的電壓與頻率比進(jìn)行調(diào)速,機械硬度特性也比較好,能夠滿足平滑調(diào)速的一般要求,已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是,這種控制方式在低頻時由于輸出電壓較小,受定子電阻壓降的影響比較顯著,造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外,其機械特性終究沒有直流電動機硬,動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意,因此人們又提出矢量控制思想。矢量變換控制方法通過測量和控制異步電動機定子電流矢量,根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制,從而控制異步電動機的轉(zhuǎn)矩。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義,它使得異步電動機的機械特性和他勵直流電動機的機械特性完全一樣。目前矢量控制方法已被廣泛地應(yīng)用在西門子、ABB、復(fù)式電動機和三菱等國際化大公司的變頻器上。變頻器具有節(jié)能效果顯著、維護簡單、啟停特性好、調(diào)速性能好等特點。1.3本課題主要研究容本課題主要是以工業(yè)配料系統(tǒng)為控制對象,采用PLC與變頻技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計一套基于PLC的自動配料系統(tǒng),并引用計算機對配料系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。PLC控制自動配料系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、稱重傳感器和皮帶驅(qū)動電機一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本設(shè)計中有3臺電子皮帶秤,3臺皮帶驅(qū)動電機,采用實時流量累計方法,即皮帶電機運料時,稱重傳感器將重量信號傳給PLC并轉(zhuǎn)換為流量信號,PLC根據(jù)給定流量與檢測值之間的偏差進(jìn)行PID運算,輸出給變頻器控制其輸出頻率,調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)恒流量給料,各輔料同時計量,并按配方工藝添加。自動配料系統(tǒng)由1#主料電機開始按順序起動。根據(jù)以上控制要求,進(jìn)行總體控制方案設(shè)計,硬件設(shè)備選型、PLC及模擬量輸入輸出模塊選型,I/O端子分配,繪制系統(tǒng)主電路圖、PLC接線圖,設(shè)計梯形圖控制程序。第二章自動配料系統(tǒng)理論分析及方案確定2.1自動配料系統(tǒng)理論分析2.1.1電子皮帶秤稱重原理〔1電子皮帶秤的結(jié)構(gòu)原理如下圖所示,皮帶秤分為3個區(qū)域,自左至右分別是落料區(qū)、稱重區(qū)和出料區(qū),物料在皮帶上運行至稱重區(qū)時,對皮帶秤稱重托輥產(chǎn)生向下的作用力,通過稱體,將作用力作用至稱重傳感器上,如圖2.1所示,傳感器部彈性體上的電阻應(yīng)變計電阻發(fā)生變化,通過測量電路將這一電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴瞞V經(jīng)變送器放大后送入A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入PLC,再由PLC的D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出控制變頻器。圖2.1電子皮帶秤結(jié)構(gòu)圖〔2稱重傳感器工作原理稱重傳感器實現(xiàn)了對物料的快速、準(zhǔn)確的稱量,是影響電子稱測量精度的關(guān)鍵部件,目前除特殊用途外,90%以上采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器。四片電阻應(yīng)變片分別粘在傳感器梁的上下平面,即連成惠思登電橋,如下圖所示。圖中為電橋測量電阻應(yīng)變片；為初始不平衡補償電阻；為零點溫度補償電阻；為輸出靈敏度溫度補償電阻。圖2.2稱重傳感器原理圖當(dāng)被測物的重量通過傳感器直接作用在粘有電阻應(yīng)變片的彈性梁時,使其彎曲變形,梁相對變形大小正比于外加載荷。同時,粘貼在梁上、下平面上的電阻應(yīng)變片同步產(chǎn)生電阻應(yīng)變,且與梁變形〔或梁應(yīng)力成正比。粘貼在梁平面的、電阻應(yīng)變片阻值增加,、電阻應(yīng)變片阻值減小,故電橋失去平衡,對角端有不平衡電壓輸出,其不平衡電壓正比于被測物重量。稱重傳感器根據(jù)所受力的大小輸出一個電壓信號,輸出的電壓信號與所受力的大小之間是一種線性關(guān)系,如圖2.3所示。特性曲線橫坐標(biāo)表示稱重傳感器所受的力,縱坐標(biāo)表示稱重傳感器輸出的電壓。圖2.3稱重傳感器受力與輸出電壓關(guān)系圖2.1.2流量控制原理〔1流量的基本知識所謂流量,就是一定時間皮帶上走過的物料量。用式子表示為,式中,T為某一段時間,W為T時間物料走過的重量,F為T時間物料的實際流量。如果每次采樣都由脈沖來決定,即每來一個脈沖進(jìn)行一次流量采樣,則在計算機設(shè)置一個計數(shù)器,在每次采樣的同時也能從計數(shù)器上得到兩次采樣之間〔每兩個脈沖之間,亦即△Ｌ這段距離用了多長時間,瞬時值就可由這些已知量求出。知道了瞬時流量,并且讀取了流量設(shè)定值,但是流量值和速度控制是兩個不同概念。在實際控制中采用工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的PID算法,即比例、微分、積分法。在過程控制中,按偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制,簡稱為PID控制。〔2PID調(diào)節(jié)原理流量就是一定時間皮帶上走過的物料量。電子皮帶秤稱量的是瞬時流量,上位機給出的是設(shè)定流量,二者在實時計量中有所偏差。在流量實際控制中采用工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的PID調(diào)節(jié),根據(jù)流量偏差,利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制,控制量輸入和輸出〔誤差之間的關(guān)系在時域中可用公式表示如下：公式中是控制器的輸出,為比例系數(shù),為積分時間常數(shù),為微分時間常數(shù)。圖2.4為系統(tǒng)流量PID閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。在生產(chǎn)過程進(jìn)行自動調(diào)節(jié)時,以主料成分的流量計量為依據(jù),根據(jù)生產(chǎn)工藝要求通過上位機設(shè)定出總流量及主、輔料配比參數(shù),按配方比例摻雜其余輔料。流量計量控制是計量偏差與變頻調(diào)速的結(jié)合,具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠和調(diào)整方便等優(yōu)點。圖2.4流量PID調(diào)節(jié)原理圖2.2自動配料系統(tǒng)控制方案的確定2.2.1自動配料系統(tǒng)控制方案的確定自動配料系統(tǒng)主要由稱重傳感器、變頻器、皮帶驅(qū)動電機及低壓電器組成。系統(tǒng)的主要任務(wù)是比較設(shè)定值與實際流量的的偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)改變輸出信號以控制變頻器對皮帶驅(qū)動電動機的速度調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)恒流量控制,同時各輔料根據(jù)配比按配方工藝要求添加,且各輔料同時混合計量。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求,選擇變頻器+PLC+觸摸屏+稱重傳感器的控制方案對進(jìn)行自動配料系統(tǒng)設(shè)計。這種控制方式具有以下優(yōu)點：控制方式靈活方便具有良好的通信接口,可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,通用性強；由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化,用戶可以靈活組成各種規(guī)模和要求的不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上,只需確定PLC的硬件配置和I/O端子的外部接線,當(dāng)控制要求發(fā)生改變時,可以方便地通過計算機來改變存儲器中的控制程序,方便現(xiàn)場調(diào)試；由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高,因此系統(tǒng)的可靠性大大提高2.2.2自動配料系統(tǒng)的組成及控制原理基于PLC控制的自動配料系統(tǒng)主要由可編程控制器〔PLC、變頻器、稱重傳感器、皮帶驅(qū)動電動機組成,該系統(tǒng)的控制流程圖如下圖所示。從圖中可看出,系統(tǒng)可分為執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分,具體為：〔1執(zhí)行機構(gòu)：皮帶驅(qū)動電動機。皮帶驅(qū)動電機驅(qū)動電子皮帶秤運行,由變頻器控制根據(jù)設(shè)定流量與實時流量偏差進(jìn)行變頻調(diào)速,改變電機轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)恒流量控制?！?信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制中,需要檢測的信號包括重量信號、料位信號和報警信號。重量信號反映的是電子皮帶秤上的流量值,是自動配料系統(tǒng)的主要反饋信號。重量信號是模擬信號,需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；料位信號反映物料是否充足,此信號來自料斗中的料位傳感器；報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行、電機是否過載、變頻器是由有異常,該信號為開關(guān)量信號；〔3控制機構(gòu)：此系統(tǒng)中,控制機構(gòu)為可編程控制器〔PLC、變頻器。PLC是整個控制系統(tǒng)的核心。它直接對系統(tǒng)中料位、重量、報警信號進(jìn)行采集,對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法,得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案,通過變頻器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制；變頻器是對皮帶驅(qū)動電動機進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元,根據(jù)PLC的控制信號來改變電機的運行頻率,完成對電機的轉(zhuǎn)速控制。圖2.5自動配料系統(tǒng)工藝流程圖自動配料系統(tǒng)控制流程如下：〔1系統(tǒng)通電,設(shè)置配比,按下啟動按鈕SB1,檢查料斗有無物料,若有物料,皮帶驅(qū)動電機起動,配料生產(chǎn)線啟動；若無物料,則向料斗送料,送料電機起動,送至料位滿,送料電機停止,皮帶驅(qū)動電機起動,配料生產(chǎn)線起動。圖2.6系統(tǒng)配料控制原理圖〔2如上圖所示,當(dāng)物料量大于設(shè)定值時,稱重傳感器反饋的重量信號增大,偏差減小,PLC的輸出信號減小,變頻器的輸出頻率減小,皮帶驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速減小,使流量穩(wěn)定在設(shè)定值?！?當(dāng)物料量小于設(shè)定值時,稱重傳感器反饋的重量信號減小,偏差增大,PLC的輸出信號增大,變頻器的輸出頻率增大,皮帶驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速增大,使流量穩(wěn)定在設(shè)定值。第三章自動配料系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)主要配置的選型自動配料系統(tǒng)主要包括皮帶驅(qū)動電動機、可編程控制器〔PLC、模擬量輸入輸出模塊、稱重傳感器及變頻器。下面對這些設(shè)備進(jìn)行選型。3.1.1皮帶驅(qū)動電動機的選型在滿足生產(chǎn)機械對拖動系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性要求的前提下,電動機種類選擇要力求結(jié)構(gòu)簡單、運行可行、維護方便、價格低廉。考慮到電機的工作環(huán)境,可能會出現(xiàn)較多灰塵、水汽、鐵屑等,因此選擇封閉式的三相異步電動機,即Y系列電動機。Y系列電機具有效率高、能耗少、噪聲低、振動小、重量輕、體積小、性能優(yōu)良、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。根據(jù)本設(shè)計要求,1#皮帶驅(qū)動電動機的額定功率為2.2kW,額定電壓為380V,額定電流為5A,2#、3#皮帶驅(qū)動電機的額定功率為0.4kW,額定電壓為380V,額定電流為1.05A,轉(zhuǎn)速為1420r/min,調(diào)速圍為120~1200r/min。選用Y系列電機。1#皮帶驅(qū)動電機選用Y100L1-4型,2#、3#皮帶驅(qū)動電機選用Y80M1-4型。3.1.2PLC及其擴展模塊的選型〔1PLC選型PLC選型的主要依據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)的工藝流程的特點和應(yīng)用要求。同時綜合考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。因此選用日本三菱公司FX2N系列PLC。FX2N系列是FX系列中功能最強、速度最高的微型可編程序控制器。其用戶存儲器容量可擴展到16K步,I/O點最大可擴展到256點,它有27條基本指令,其基本指令的執(zhí)行速度超過了很多大型PLC。它有多種特殊功能模塊,如模擬量輸入/輸出模塊、脈沖輸出模塊、位置控制模塊等。它還有多種RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模塊或功能擴展板,使用特殊功能模塊和功能擴展板,可實現(xiàn)模擬量控制、位置控制和聯(lián)網(wǎng)通信等功能。根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目,考慮PLC端子數(shù)目要有一定的留量,因此選用FX2N-32MR-UA1/UL。PLC端子圖如下圖所示：圖3.1PLC端子圖〔2PLC擴展模塊選型本系統(tǒng)中稱重傳感器輸入的壓力信號是模擬量,變頻器要求PLC輸出模擬信號,而PLC的CPU只能處理數(shù)字量。因此PLC需要擴展一個模擬量輸入模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后,需要一個模擬量輸出模塊將經(jīng)過PID調(diào)節(jié)的數(shù)字輸出量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電壓或直流電流去控制變頻器。由于選用了三菱公司FX2N系列的PLC,模擬量輸入輸出模塊同樣考慮選用三菱公司FX系列產(chǎn)品。FX系列有多種模擬量輸入輸出模塊。根據(jù)系統(tǒng)模擬量信號輸入數(shù)量,選擇有4個12位模擬量輸入通道的FX2N-4AD模擬量輸入模塊,其配線圖如下圖所示。圖3.2FX2N-4AD配線圖相應(yīng)的,選擇有相同模擬量輸出通道的FX2N-4DA模擬量輸出模塊,將經(jīng)PID調(diào)節(jié)后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量控制輸出變頻器,其配線圖如下圖所示。圖3.3FX2N-4DA配線圖3.1.3變頻器的選型變頻器通過頻率的改變實現(xiàn)對皮帶驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),從而改變瞬時流量。變頻器的選擇必須根據(jù)皮帶驅(qū)動電機的功率和電流進(jìn)行選擇,要實現(xiàn)監(jiān)控,所以變頻器還應(yīng)具備通訊功能。根據(jù)控制功能,通用變頻器分為3種類型：普通功能型U/f控制變頻器,具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器和矢量控制高性能型變頻器。變頻器類型的選擇主要根據(jù)負(fù)載的要求來進(jìn)行。傳送帶屬于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載,既可采用普通功能型變頻器,采用加大電動機和變頻器容量的方法,以提高低速轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；也可采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型變頻器實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速。對于要求精度高、響應(yīng)快的生產(chǎn)機械采用矢量控制高性能通用變頻器是很好的選擇。由于本系統(tǒng)采用一對一的形式,即一臺變頻器拖動一臺電動機,因此變頻器參數(shù)應(yīng)滿足以下關(guān)系式：按連續(xù)恒負(fù)載運轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量〔KVA的計算式計算<3.1><3.2><3.3>式中—電動機的額定功率；—電動機的效率〔一般取0.85；—電動機的功率因數(shù)〔一般取0.75；—電動機的額定電壓〔V；—電動機額定電流〔A；—電流系數(shù),PWM方式時一般取1~1.05；—變頻器的額定容量〔KVA；—變頻器的額定電流〔A選擇變頻器容量時,應(yīng)同時滿足三個算式。三菱公司提供了FR-E540系列變頻器與該公司的標(biāo)準(zhǔn)點擊相匹配時的技術(shù)參數(shù),按照這些技術(shù)參數(shù)及上式計算得到的變頻器容量,可選出1#主料稱變頻器型號為FR-E540-2.2K-CH,2#、3#輔料稱變頻器型號為FR-E540-0.4K-CH。下圖所示為變頻器接線原理圖：圖3.4變頻器接線原理圖3.1.4稱重傳感器的選型稱重傳感器被喻為電子衡器的心臟,它的性能在很大程度上決定了電子衡器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。對傳感器等級的選擇必須滿足傳感器的輸出信號必須大于或等于儀表要求的輸入靈敏度值,且要滿足整臺電子稱準(zhǔn)確度的要求。同時在選擇傳感器的型號時,還要考慮傳感器的適用圍。由于FX2N-4AD模擬量輸入模塊的輸入信號為標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號,因此在選擇傳感器時應(yīng)選擇置變送器的稱重傳感,或另選變送器。在第二章中,已介紹稱重傳感器的稱重原理,考慮選用CX系列傳感器。其中CXH-128型懸臂梁式傳感器適用于電子皮帶秤系統(tǒng)。由于CHX-128型傳感器僅僅是從輸出端獲得一個與外力成正比的電壓信號,并不是標(biāo)準(zhǔn)電壓信號,需要給傳感器配備一個變送器,通過其將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號,直接與PLC的模擬量輸入模塊通信。福特鑫公司生產(chǎn)的CXH-128型懸臂梁式傳感器如下圖所示,在出廠前已將傳感器與變送器相連,傳感器輸送的是標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號。圖3.5稱重傳感器部接線圖綜合以上因素,本設(shè)計選用福特鑫公司生產(chǎn)的CXH-128型懸臂梁式傳感器。下圖為福特鑫公司生產(chǎn)的CXH-128型傳感器的技術(shù)指標(biāo)。圖3.6CXH-128型傳感器技術(shù)指標(biāo)3.1.5其他設(shè)備選型〔1送料電動機選型根據(jù)系統(tǒng)要求,送料電機選擇小型交流電動機即可。因此考慮選用L-100-50-S型,額定功率100w,額定轉(zhuǎn)速1450r/min,額定電壓220/380V〔2熱繼電器選型熱繼電器電流應(yīng)大于或等于電動機的額定電流：,為電動機額定電流。對于電動機回路,熱繼電器的整定電流應(yīng)等于電動機的額定電流。因此1#皮帶驅(qū)動電機熱繼電器選擇JR20-162S,2#、3#皮帶驅(qū)動電機熱繼電器選擇JR20-107R,送料電機熱繼電器選擇JR20-104R?！?斷路器選型斷路器為系統(tǒng)電源開關(guān),其主回路控制對象為電感性負(fù)載交流電動機,斷路器過電流脫扣值按電動機啟動電流的1.7倍整定。自動配料系統(tǒng)有2.2kw皮帶驅(qū)動電動機一臺,0.4kw皮帶驅(qū)動電動機兩臺,送料電動機為以下,啟動電流較小,因此可根據(jù)2.2kw電動機選擇斷路器QF脫扣電流:由于斷路器的脫扣電流應(yīng)大于計算值,因此選用C45AD型斷路器,其脫扣電流為10A?！?按鈕選型按鈕分啟動、停止、緊急停止按鈕,啟動、停止按鈕可以加以顏色區(qū)分,因此,選擇啟動按鈕型號為XB2-EA135；停止按鈕為XB2-EA142。緊急停止按鈕選擇施耐德生產(chǎn)的XB2-BS542?！?電磁閥選型選擇電磁閥時,要確定這個閥時控制什么的,根據(jù)機械結(jié)構(gòu)所需要的力,再選擇需要多少功率的電磁閥。根據(jù)本系統(tǒng)要求,選擇亞德客生產(chǎn)的4V210-08A型電磁閥。〔6交流接觸器選型接觸器主觸點額定電流：或K為經(jīng)驗系數(shù),取1~1.4。因此,交流接觸器選擇：AC220VDJX2-0910型?！?信號燈選型信號燈選型可根據(jù)所指示信號表達(dá)的系統(tǒng)工作情況選定。因此,電源指示燈、送料電動機運行指示燈、皮帶電動機運行指示燈可選用施耐德生產(chǎn)的AC220V綠色,型號為XB2BVM3LC的塑料指示燈；變頻器故障指示燈、低料位指示燈可選用施耐德生產(chǎn)的AC220V紅色,型號為XB2BVM4LC?！?報警電鈴選型根據(jù)系統(tǒng)要求,選擇AC220V,型號為AD16-22M/k23蜂鳴器?！?料位傳感器選型本系統(tǒng)中,需對料位高低進(jìn)行檢測,考慮選用料位開關(guān),料位開關(guān)即對容器中液體的高度是否達(dá)到某一特定位置進(jìn)行檢測的傳感器。根據(jù)系統(tǒng)要求即應(yīng)用圍,選用BS-CFY射頻導(dǎo)納電容式物位開關(guān)。3.2系統(tǒng)主電路分析及設(shè)計基于PLC的自動配料系統(tǒng)一共有六臺電機：三臺主、輔料送料電機,三臺皮帶驅(qū)動電機?！?其中三臺主、輔料電機在系統(tǒng)檢測到料位低的信號時啟動,向料斗送料,送至系統(tǒng)檢測到料位高的信號時停止。三臺皮帶驅(qū)動電機按照主料、輔料的順序啟動。以1#送料電機與皮帶驅(qū)動電機為例,接線如下圖所示。圖3.6送料電機與皮帶驅(qū)動電機連接圖〔2熱繼電器FR1~FR6對M1~M6進(jìn)行過載保護?！?QF1為電源總開關(guān),對主電路起短路保護作用,也起分?jǐn)嗳嘟涣麟娫吹淖饔?便于設(shè)備的維護與檢修。QF2~QF4分別實現(xiàn)各負(fù)載回路的短路保護?！?DC24V為PLC的擴展模塊FX2N-4AD與FX2N-4DA提供直流電源,如下圖所示。圖3.7直流24V電源〔5AC220V為PLC提供電源,如下圖所示。圖3.8交流220V電源3.3系統(tǒng)控制電路分析及設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)恒流量自動配料的主體控制設(shè)備是PLC。控制電路的合理性、程序的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行性能。本系統(tǒng)采用三菱公司FX2N系列PLC,它體積小、執(zhí)行速度快、抗干擾能力強、性能優(yōu)越。3.3.1可編程控制器〔PLC的I/O端子分配基于PLC的自動配料系統(tǒng)設(shè)計的基本要求如下：本自動配料系統(tǒng)由3臺電子皮帶秤配料線組成,編號分別為1#、2#、3#,其中1#為主料稱,2#、3#為輔料稱,當(dāng)不需要添加輔料時,1#電子稱單獨工作。系統(tǒng)具有恒流量和配比控制功能。對于恒流量控制時,電子皮帶秤根據(jù)皮帶上物料的多少自動調(diào)節(jié)皮帶速度,以達(dá)到所設(shè)定流量的要求。每臺電子皮帶秤有一臺皮帶驅(qū)動電動機,兩個料位傳感器,一個速度傳感器,一個稱重傳感器,一臺變頻器。變頻器由PLC控制,輸出驅(qū)動皮帶電動機。料位傳感器檢測料斗有無物料,速度傳感器測量電動機的轉(zhuǎn)速。①配料生產(chǎn)線工作時,首先設(shè)置配料的配比,檢查料斗有無物料,若無物料則向料斗送料,才能啟動配料生產(chǎn)線。②生產(chǎn)過程中,電子皮帶秤進(jìn)行稱重并實時計量,PLC計算出實時流量及累計流量,若設(shè)定流量與實際流量有偏差,調(diào)節(jié)器根據(jù)系統(tǒng)控制要求,比較設(shè)定值與實際流量的偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)改變輸出信號以控制變頻器對輸送電動機的速度調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)恒流量控制。③根據(jù)配比各輔料按配方工藝要求添加,各輔料同時混合計量。④系統(tǒng)有電源指示、工作方式指示、電動機運行指示。根據(jù)以上控制要求,列出I/O分配表：表3.1基于PLC的自動配料系統(tǒng)I/O分配表輸入輸出停止按鈕SB2X01#送料電機M1Y0啟動按鈕SB1X12#送料電機M3Y1急停按鈕SB3X23#送料電機M5Y21#料位傳感器〔高X31#電磁閥YV1Y31#料位傳感器〔低X42#電磁閥YV2Y42#料位傳感器〔高X53#電磁閥YV3Y52#料位傳感器〔低X61#皮帶驅(qū)動電機M2Y63#料位傳感器〔高X72#皮帶驅(qū)動電機M4Y73#料位傳感器〔低X103#皮帶驅(qū)動電機M6Y101#主料加一按鈕SB4X11電源指示燈HL1Y112#輔料加一按鈕SB5X12低料位信號燈HL2Y123#輔料加一按鈕SB6X13送料電機運行信號燈HL3Y13配比確定按鈕SB7X14皮帶電機運行信號燈HL4Y141#變頻器故障信號X15變頻器故障信號燈HL5Y152#變頻器故障信號X16蜂鳴器HAY163#變頻器故障信號X171#稱重傳感器FX2N-4AD模擬量輸入模塊2#稱重傳感器3#稱重傳感器編程時,需要使用一些輔助繼電器、定時器、數(shù)據(jù)寄存器,如下表所示。表3.2資源分配表M200輔助啟動繼電器M0~M2配比M3~M5檢測料位信號高低,判斷是否啟動皮帶驅(qū)動電機電機M6~M8檢測料位信號高低,判斷是否啟動送料電機M9確定配比M10~M45A/D,D/A模塊使用M26~M281#~3#PID運算D0存儲每份重量D1~D31#~3#配比設(shè)定D4A/D模塊標(biāo)識D5~D7反饋值〔稱重傳感器測量值D8D/A模塊標(biāo)識D10~D12給定值D20~D22輸出值D23~D25模擬量輸出存放3.3.2系統(tǒng)控制電路設(shè)計如圖3.9所示,為PLC輸入信號的接入。圖3.9PLC輸入信號接線圖PLC主要用于實現(xiàn)自動配料系統(tǒng)的自動控制,完成以下功能：〔1自動檢測料位信號,低料位時自動控制三臺送料電機投入運行；〔2物料充足時,啟動配料生產(chǎn)線,自動控制皮帶驅(qū)動電機運行；〔3根據(jù)稱重傳感器輸入的重量信號計算出實時流量及累計流量,并與設(shè)定流量比較,有偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。重量信號為模擬信號,需要通過A/D模擬量輸入模塊才能輸入PLC,如下圖所示。圖3.10重量信號接入PLC〔4PID調(diào)節(jié)后的量為數(shù)字輸出量,需要通過D/A模擬量輸出模塊輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號控制變頻器,從而調(diào)節(jié)皮帶驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速；圖3.11模擬信號輸出PLC〔5根據(jù)配比各輔料按配方工藝要求添加,各輔料同時混合計量；〔6系統(tǒng)有電源指示、工作方式指示、電動機運行指示、報警指示。如下圖所示為輸出信號與PLC的接線圖。圖3.12PLC輸出信號接線圖第四章自動配料系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、送料檢測程序、皮帶驅(qū)動電機啟動程序、模擬量PID調(diào)節(jié)程序和報警程序等構(gòu)成。如圖4.1所示,為系統(tǒng)主程序流程圖。系統(tǒng)主程序主要包括以下容：〔1調(diào)用初始化子程序,設(shè)定各初始值〔2根據(jù)料位檢測信號確定是否需要啟動送料電機送料〔3根據(jù)流量偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制功能〔4進(jìn)行自動故障檢測報警和故障處理功能圖4.1系統(tǒng)控制流程圖通過對控制流程圖的反復(fù)研究,結(jié)合自身情況,將程序分為個部分,梯形圖的總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖4.2梯形圖總體結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)中,公用程序即主程序主要包括初始化、調(diào)用子程序、判斷是否啟動送料電機、工作方式指示與報警等作用。〔1系統(tǒng)初始化當(dāng)按下起動按鈕SB2,輔助繼電器M200得電自鎖,并執(zhí)行初始化過程,清空數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù),復(fù)位輔助繼電器。圖4.3程序初始化〔2調(diào)用子程序圖4.4子程序調(diào)用〔2預(yù)置配比系統(tǒng)工作前,需對主、輔料預(yù)置配比。圖4.5預(yù)置配比〔3檢查料斗是否有料預(yù)置配比后,需檢查料斗是否有料。若無料,需先向料斗送料,再啟動生產(chǎn)線。圖4.6料斗是否有料圖4.7送料電機啟動〔4生產(chǎn)線啟動料斗物料充足,皮帶驅(qū)動電機啟動,啟動生產(chǎn)線。圖4.8生產(chǎn)線啟動〔6工作方式指示及報警指示對系統(tǒng)進(jìn)行工作方式指示,系統(tǒng)出現(xiàn)故障時報警。圖4.9系統(tǒng)指示4.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計本系統(tǒng)中,要求自動配料系統(tǒng)恒流量控制,也就是要對重量信號進(jìn)行模擬量閉環(huán)控制,其中最重要的一步便是對偏差量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制,模擬量PID控制系統(tǒng)如下圖所示。圖4.10PID控制圖本系統(tǒng)中,最大配比數(shù)為9,即主、輔料至多每種9份。數(shù)據(jù)寄存器D0中存放的數(shù)據(jù)為一定值不能更改。D0的數(shù)據(jù)表示每份重量信號A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。根據(jù)所選稱重傳感器的指標(biāo),稱重傳感器把0~50kg的重量轉(zhuǎn)換成0~5V的電壓信號,而A/D模塊將0~5V的電壓信號轉(zhuǎn)換成0~2047的數(shù)字量,設(shè)每份重量為2kg,D0中存放的數(shù)據(jù)即為以2kg所對應(yīng)的數(shù)字量。其公式如下：<4.1><4.2>其中,M為以g為單位的質(zhì)量,S為重量M對應(yīng)的數(shù)字量,n為份數(shù)。每份重量所對應(yīng)的數(shù)字量。例如,預(yù)置配比為3:2:1,則PID指令中的給定值分別為3*,2*,1*。本系統(tǒng)中PID控制子成程序主要包括以下3個容：〔1A/D模擬量輸入模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)前,需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并在FX2N-4AD模擬量輸入模塊中設(shè)置參數(shù),存入數(shù)據(jù)寄存器,如下圖所示。圖4.11模擬量輸入〔2PID指令在執(zhí)行PID指令之前,應(yīng)先對PID指令中的參數(shù)賦值并存放于數(shù)據(jù)寄存器D100~D106,而后進(jìn)行PID運算輸出,具體方法如下圖所示。圖4.12PID指令〔3D/A模擬量輸出模塊經(jīng)過PID運算后的數(shù)字量,需通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出控制變頻器。圖4.13模擬量輸出第五章組態(tài)軟件監(jiān)控5.1組態(tài)軟件簡介組態(tài)軟件,又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件,它們處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境,使用靈活的組態(tài)方式,為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣,可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。5.1.1組態(tài)軟件的功能組態(tài)軟件通常有以下幾方面的功能：①強大的界面顯示組態(tài)功能。目前,工控組態(tài)軟件大都運行于windows環(huán)境下,充分利用windows的圖形功能完善界面美觀的特點,可視化的風(fēng)格界面、豐富的工具欄,操作人員可以直接進(jìn)入開發(fā)狀態(tài),節(jié)省時間。豐富的圖形空間和工況圖庫,既提供所需的組件,又是界面制作向?qū)?。提供給用戶豐富的作圖工具,可隨心所欲地繪制出各種工業(yè)界面,并可任意編輯,從而將開發(fā)人員從繁重的界面設(shè)計中解放出來,豐富的動畫連接方式,如隱含、閃爍、移動等等,使界面生動、直觀。②良好的開放性。社會化的大生產(chǎn),使得系統(tǒng)構(gòu)成的全部軟硬件不可能出自一家公司的產(chǎn)品,"異構(gòu)"是當(dāng)今控制系統(tǒng)的主要特點之一。開放性是指組態(tài)軟件能與多種通信協(xié)議互聯(lián),支持多種硬件設(shè)備。開放型是衡量一個組態(tài)軟件好壞的重要指標(biāo)。組態(tài)軟件向下應(yīng)能與低層的數(shù)據(jù)采集設(shè)備通信,向上能與管理層通信,實現(xiàn)上位機與下位機的雙向通信。③豐富的功能模塊。提供豐富的控制功能庫,滿足用戶的測控要求和現(xiàn)場需求。利用各種功能模塊,完成實時監(jiān)控,產(chǎn)生功能報表、實時曲線、報警等功能,是系統(tǒng)具有良好的人機界面,易于操作,系統(tǒng)既能適用于單機集中式控制、DCS分布式控制,也可是戴遠(yuǎn)程通信能力的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。④強大的數(shù)據(jù)庫。配有實時數(shù)據(jù)庫,可存儲各種數(shù)據(jù),如模擬量、離散量、字符型等,實現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。⑤可編程的命令語言。有可編程的命令語言,使用戶可根據(jù)自己的需要編寫程序,增強圖形界面。⑥周密的系統(tǒng)安全防,對不同的操作者,賦予不同的操作權(quán)限,保證整個系統(tǒng)的安全可靠運行。⑦防震功能。提供強大的防真功能使系統(tǒng)丙型設(shè)計,從而縮短開發(fā)周期。5.1.2組態(tài)軟件的特點隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高,計算機在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,人民對工業(yè)自動化的要求越來越高,種類繁多的控制設(shè)備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)