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1、-基于PLC的水泥自动配料控制系统设计毕业论文-第 34 页基于PLC的水泥自动配料控制系统设计作者姓名：邱忠林专业名称：自动化指导教师：王 洋 讲师成都理工大学工程技术学院学位论文诚信承诺书本人慎重承诺和声明：1.本人已认真学习学位论文作假行为处理办法（中华人民共和国教育部第34号令）、成都理工大学工程技术学院学位论文作假行为处理实施细则（试行）（成理工教发201330号）文件并已知晓教育部、学院对论文作假行为处理的有关规定，知晓论文作假可能导致作假者被取消学位申请资格、注销学位证书、开除学籍甚至被追究法律责任等后果。2.本人已认真学习成都理工大学工程技术学院毕业设计指导手册，已知晓学院对论
2、文撰写的内容和格式要求。3.本人所提交的学位论文（题目: ），是在指导教师指导下独立完成，本人对该论文的真实性、原创性负责。若论文按有关程序调查后被认定存在作假行为，本人自行承担相应的后果。承诺人（学生签名）： 20 年 月 日 注：学位论文指向我校申请学士学位所提交的本科学生毕业实习报告、毕业论文和毕业设计报告。摘要随着科技的发展，现在许多的工厂都在使生产逐渐变得自动化、现代化，而可编程序控制器PLC的快速发展也为此做出了巨大的贡献。本文针对水泥制造的环境恶劣等一系列情况，设计了一种基于PLC的水泥自动配料系统。该系统由西门子的S7200型号的PLC作为测量和控制核心，西门子MM420变频器
3、作为调速装置，采用了定量给料机作为称重装置，旋转编码器作为测速装置等。采用固定时间采集重量和转速，并进行PID调节，能够实现水泥生产的在线动态称重并调节，增强了系统的抗干扰能力，提高了配料精度并减轻了工人的工作负担。关键词：PLC 变频器 自动配料 PIDAbstractWith the development of science and technology, many factories are in production now became automation, modernization, and the rapid development of the programmable
4、 controller PLC also made great contributions for this purpose. In the light of the conditions and a series of cement manufacture, design a kind of cement automatic batching system based on PLC. The system by Siemens S7200 models of PLC as measurement and control core, Siemens SM420 inverter as spee
5、d regulating device, constant feeder is adopted as a weighing device, rotary encoder as speed measuring device, etc. Adopting fixed time gathering weight and speed, and the PID adjustment, cement production can be implemented on-line dynamic weighing and adjustment, to enhance the anti-interference.
6、Keywords: PLC, Inverter, Automatic batching, PID目录摘要IAbstractII目录III前言11 水泥概述21.1 水泥的产生和发展21.2 水泥的分类31.3 水泥的生产工艺流程42 系统模型及总体设计62.1 水泥自动配料的原理分析62.2 系统的模型分析72.3 系统的总体设计83 系统主要器件的介绍103.1 西门子变频器简介103.1.1 MM420基本组成及特点103.1.2 MM420适用环境及优点113.2 称重及测速装置简介113.3 定量给料机简介134 PLC简介及控制系统设计144.1 PLC简介144.2 系统控制要求分
7、析164.2.1 硬件介绍及信号传递184.2.2 PLC外部接线图 205 程序和组态225.1系统主程序设计225.2 子程序设计265.3系统监控画面设计265.3.1人机界面简介265.3.2 画面设计27总结30参考文献31致谢32附录1 PLC接线图33附录2 自动配料系统程序34A2.1 系统主程序34A2.2系统子程序36前言在现今的各种行业当中，自动化的生产制造已经随处可见了，在配料系统上的应用也在不断地提高、改进。水泥最早产生于18世纪，那个时候的水泥制法比较简单，并且水泥的种类单一，所涉及到的工艺过程不像现在那么复杂。以前用于生产的水泥原料比较少，随着对水泥的进一步研究和
8、社会需求，研制了很多用于不同工程建筑的水泥，原料的添加也会根据所生产水泥的强度不同而适当调整。发展到现在，水泥的种类已经很多了，并且生产流程也一步步的在趋于自动化。其中原料的配料过程也有了很大的改进。在工业生产上，由于需求量大，生产量大，所以对配料的量有很高的要求。以前的工业配料过程大多都是人为达成的，这不仅效率低，而且所需人力较大，资源消耗了往往还无法达到预期的生产量。随着时代的进步和科技的发展，很多生产制造企业的生产线都在逐步的变得自动化、智能化，这些都离不开自动化控制设备。PLC便是这些众多设备其中之一，作为专为工业控制设计的计算机，它的应用范围非常广，并且还在进一步的发展，掌握它的使用
9、方法非常实用，这正是本篇论文选题的原因。1 水泥概述现如今，水泥混凝土与我们的生活息息相关，不管是房屋建造、公路的修建还是在一些其他的地方，水泥都是随处可见的。水泥是一种粉状的水硬性无机胶凝材料，加水混合搅拌以后会成为浆状物，可以在大气中固化或在水里更好的固化，并且能够把砂、石等材料牢固地胶结在一起。早期人们使用的石灰和火山灰的混合物与现在的石灰火山灰水泥相似度很高，用它和碎石混合制造而成的混凝土，固化以后不仅强度比较高，而且还可以有效地抵抗淡水和含盐水的侵蚀。一直以来，水泥作为一种重要的胶凝材料，被广泛的用在了建筑等行业。1.1 水泥的产生和发展水泥的产生起源于英国，18世纪中期，一名英国的
10、工程师进行石灰在水中硬化特性的研究时发现了用含有粘土的石灰石来烧制，可以获得水硬性石灰；用于水下建筑的砌筑砂浆，最理想的成分是由水硬性的石灰和火山灰组成。这算是最早发现的水泥制法了，这是水泥研制和发展的一个良好开始。1796年，英国人J.帕克用泥灰岩烧制出了一种水泥，它外观呈棕色，很像古罗马时代的石灰和火山灰混合物，因此被命名为罗马水泥。又因它采用的是天然泥灰岩来作原料并且没有进行配料就生产出来了，所以还叫做天然水泥。此种水泥的水硬性和快速凝结特性都非常不错，非常适合于那些需要跟水接触的建设。法国的一位土木技师毕加，在1813年发现了将石灰和粘土按三比一的比例混合制而成的水泥性能非常的好。18
11、24年，英国的建筑工人约瑟夫阿斯谱丁发明了水泥。他把灰石和粘土作为原料，按一定的配比混合后，在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料，再将熟料研磨制成水泥。因为这种水泥硬化之后跟波兰特用来修建房屋等的材料颜色差不多，所以被命名为波特兰水泥，这位建筑工人也获得了此种水泥的专利。波兰特水泥用在建筑上的效果非常好，它的出现在水泥发展历史上有很重大的意义。1877年，英国的克兰普顿在已有的生产水泥基础上，发明了回转炉，这种设备和以前的窑式制造水泥的设备相比在各方面都具有很大的提升。这种设备被不断地改良，现今被广泛地应用于水泥工业中煅烧水泥熟料的过程。我国的水泥厂是在河北唐山的一个“细绵土”厂的基础上建立起来的
12、，名叫启新洋灰公司，当时的产量可达每年四万吨。近代，由于发展的需要，对各类建造的要求不一样，比如水利设施所需水泥的强度就很高，因此人们都在不断地改进和提高波特兰水泥性能，在此过程中，还成功地发现并研制了一批可以满足特殊建筑工程需求的水泥，例如高铝水泥，特种水泥等等。现如今已经有的水泥品种达到了100多种，据统计，在2007年全世界的水泥产量大概达20亿吨。水泥使用的地方非常广泛，而且不同的工程对其的要求也不一样，因此早在1952年我国就制定了第一个水泥的全国统一标准，确定了水泥生产的原则是多品种、多标号，并由波兰特水泥所含的主要矿物组成将其改名为矽酸盐水泥，后来又改成了硅酸盐水泥直到现在。20
13、12年，中国的水泥年产量达到21.84 亿吨，占全球水泥总产量的50%以上1。1.2 水泥的分类总的来说，水泥的分类方式可以有以下三大类：1. 按其用途和性能分：（1）通用水泥: 这种水泥是土木建筑工程使用最为广泛的水泥。通用水泥主要指的是：GB1752007规定的六大类水泥，即硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。人们日常生活中见到最多的便是通用水泥。（2）专用水泥：这种水泥具有专门的用途。如：G级油井水泥，道路硅酸盐水泥等。这种水泥的针对性很强，只有在相应的要求下才会使用专用水泥。（3）特性水泥：在水泥生产过程中添加的辅料不同或者
14、添加量不同，会让生产出来的水泥带有一定的特性。如：快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、磷铝酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥和磷酸盐水泥等。2. 按其主要水硬性物质名称分：（1）硅酸盐水泥，即国外通称的波特兰水泥；（2）硫铝酸盐水泥；（3）铝酸盐水泥；（4）铁铝酸盐水泥；（5）氟铝酸盐水泥；（6）磷酸盐水泥；（7）以火山灰或潜在具有水硬性的材料及其他活性材料为主要成分的水泥。3. 按其主要技术特性分：（1）快硬性（水硬性）：分为快硬和特快硬两类；（2）水化热：分为低热和中热两类；（3）抗硫酸盐性：分中抗硫酸盐腐蚀和高抗硫酸盐腐蚀两类；（4）膨胀性：分为膨胀和自应力两类；（5）耐高温性：铝酸盐水泥是耐高
15、温的水泥，它的耐高温性能是按照水泥中氧化铝含量来分级的2。 本文设计的是硅酸盐水泥的生产配料系统。1.3 水泥的生产工艺流程水泥生产线是由生产水泥的一系列设备组成的水泥设备生产线。整个生产过程主要有原料的破碎及预均化、生料制备均化、预热分解、水泥熟料的加工、水泥粉磨包装等。下面对这些过程做一个简单地介绍：1. 破碎及预均化：这是水泥生产的第一个步骤，将运来的水泥原料石灰石等用破碎机破碎并均化混合后经皮带运输机送入生料均化库。2. 生料制备均化：由于预均化的混合达不到配比需求，还必须将破碎的原料再进行一次均化。3. 预热分解：石灰石等原料按比例均化后便是煅烧了，由于直接煅烧所需时间久，能量大，这
16、就要在煅烧之前先将生料加热，使之获取足够能量分解后再经回转窑送到篦冷机冷却后输送到熟料存放的地方。4. 水泥熟料的加工：这时的水泥也可以使用，但成品相对较高，因此往往还需要加入一些其他便宜的辅料，用来降低成品。将熟料和辅料按比例混合后送入磨机房进一步加工，这时出来的水泥便是成品了，经提升机送入水泥库。5. 水泥粉磨包装：这是水泥制备的最后一道工序。因有的地方使用水泥量不是特别多，并且易于储藏，需要将水泥成品进行装袋处理。这整个过程中，在生料的制备和后面的熟料加工都会有配料这个过程，因此它对于水泥的生产是非常重要的。配料的精度决定着水泥的质量，自动配料系统对水泥生产带来很多便利。2 系统模型及总
17、体设计本章主要介绍水泥配料系统的工作原理，整个系统的模型，以及总体设计。2.1 水泥自动配料的原理分析水泥成品是由熟料（石灰石、粘土等煅烧而得）、矿渣、石膏等材料按一定比例的配比混合后磨制而成。该自动配料系统由3台皮带秤配料线组成，编号为1#、2#、3#，其中1#为主料即熟料秤，2#，3#分别为矿渣和石灰石秤。配比方式采用的是总量比例控制，即操作员只需设定三种物料总的下料量，再设定这几种物料的具体配比是多少，系统就可以自动计算出各物料的下料设定值，分别存储在CPU中，在系统运行过程中将测量值与设定值对比，再相应的去调节电机转速，自动控制各物料的下料量，使各物料的实际下料量与设定值相同3。当生产
18、工艺发生改变，需要生产另一种强度的水泥时，操作员可以直接修改各物料新的下料量，系统会自动计算出设定值，非常便捷，能满足不同的生产需求。自动配料系统其实就是一个将生产需要的每一种物料进行单独称重后并按照工艺设定的比例去混合的自动化过程，可以简单地描述成以下几部分：1. 给料部分：给料部分是从物料库向定量给料机中下料的执行机构。2. 称重部分：物料下到定量给料机上，上面的皮带秤获取重量后将数据反馈给PLC，通过与设定值对比，调节皮带电机的转速。3. 下料部分：在配料过程中，还需要运输皮带按固定的转速运转，经系统调节后的物料从下料口下到皮带上。4. 配料控制系统：这是整个系统的核心，它主要由称重和测
19、速元件、PLC、上位机及现场控制箱等组成。自动配料系统相当于是一种自动衡器，它要连续自动的测量出物料在运输过程中的重量，也就是实时的物料重量，并且还要自动完成累计，具有实时动态自动测量的特点。在称重过程中所测量得到的值，也就是流量的累计量，这个值跟物料重量和皮带电机速度都有关系。所以，在采集皮带上物料重量的同时，必须采集皮带运行的速度，并把这两个值送到控制器进行乘积和积分运算，运算的结果即为此时配料系统的配料速度和已经配料的累计值。2.2 系统的模型分析整个配料系统的模型由物料库、定量给料机、皮带运输机三大部分组成。物料库是三种原料存储的地方，当整个系统的皮带运输机启动后开启阀门下料；定量给料
20、机集称重、测速和输送物料为一身；皮带运输机用作运输混合后的材料。其结构如图2.1所示。图2.1 自动配料结构图从图中可以看出，系统是由三大部分组成，熟料库的下料口是有固定开度的，皮带运输机的速度也是固定的，所以熟料库下料及运输机部分的控制相对简单，整个控制重点集中在定量给料机上面。它集测速和称重，而且三台机器的运行状态是需要实时同步的。2.3 系统的总体设计在水泥的生产过程中，配料是为了将各种原料按照合适的比例来下料，优良的配料比例，可以降低成本，使生产的水泥质量优秀。不同的配料比例所得到的产品就不一样，不合适的配料比例甚至会使生产的产品质量不合格。因此，配料的精确度、准确度，决定了水泥成品的
21、质量。配料系统中，定量给料机按照200t/h的总量来进行给料，三种物料的比例分别为熟料80%，矿渣15%，石膏5%。因此，需要满足熟料每小时给料量为160t，矿渣30t,石膏10t。当然，实际生产过程中不可能是一小时才累积一次数据，这样万一有误差就非常大了。本设计通过皮带运行一定时间内来对系统的物料重量采样一次，称重传感器检测的是皮带上某段物料的重量，把这段时间作为系统的固定采样时间，再将实际流量值与系统设定值作对比，由PLC判断有无误差，来调节电机转速。简单点说就是采用流量控制原理。将称重传感器的测量值和速度传感器的测量值同时送入上位机，控制器将速度信号与称重信号进行处理，得到瞬时流量及累计
22、量。速度传感器直接连在大直径测速滚筒上，提供一系列脉冲信号，每个脉冲表示一个皮带运动单元，脉冲的频率正比于皮带速度。我们可以把每次采集的物流量看成是脉冲信号，每来一个上升沿信号就对流量采样一次，这样只需要在PLC的程序内添加一个计数器，就可以通过两次采样在皮带运行一定距离所花的时间，计算出瞬时值。知道了实际测量值和设定的流量值，就可以作出比对，来调节电机的转速。因为这两个值的概念不同，无法统一计算，因此需要用到PID调节。在工业生产的过程中，经常会出现实际测量值和设定值有偏差，但是这些偏差又是人们不想要的，因此需要想办法消除或者减少它们，普遍采用的是对偏差进行比例、积分、微分三种控制方式组合的
23、办法，人们称之为PID调节。仅使用比例控制时，能够将比例用来体现系统的偏差，当系统有了偏差时，它会马上产生调节作用来降低偏差。调节时间跟比例的大小成反比关系，一个大一个就小，但如果比例太大会造成系统的稳定性降低，严重还会出现系统不稳定的情况。积分的作用就是要将系统的稳态误差消除，让整个系统没有一点误差。当系统出现误差时，积分调节就开始作用，直到消除误差。积分作用的强弱取决于积分的时间常数Ti。Ti越小，积分强度越大；反之则越小。加入了积分调节后，会让系统的响应速度降低，因此普遍将其它两种调节方式和积分作用相组合，组成PI或PID调节。PI是最常用的控制方式。最后一种是微分调节，它能将系统产生的
24、偏差信号变化率反映出来，这样就可以在偏差变化之前知道它的趋势并且在它产生之前就将其消除掉，能够达到超前的控制作用。但是微分作用对噪声等的干扰有放大作用，因此太大的微分调节，反而不利于系统的抗干扰。这里强调一下，微分作用不能单独使用，需要和另外两种调节方式结合使用，组成PID控制器4。PID的调节原理如图2.2所示。图2.2 PID调节原理在配料过程中，需要同时采集三台皮带机上物料的重量以及电机的转速，将采集后的数值送到控制器（PLC）与设定值做对比，检测是否有误差，并作出相应的调节。对每一台的控制都是相同的。3 系统主要器件的介绍3.1 西门子变频器简介 变频器，是现今工业自动化上使用较为广泛
25、的产品之一，它将变频技术和微电子技术相结合，可以通过改变电压输出频率，去相应的调节电机转速，在实际的生产中，有着很大的作用。3.1.1 MM420基本组成及特点对本系统来说，电机带动皮带运作，要使配料准确、精确度高，因此电机的转速是需要变化的，需要随时按照PLC的信号进行调速，所以变频器是必不可少的重要元器件。而且变频器还具有节能的特点，非常适用于水泥生产这一类的高能耗企业。一般来说，变频器的内部电路都有两个部分，一是完成电能转换过程（整流、逆变）的主电路；二是处理信息的收集、变换和传输的控制电路。1. 主电路变频器的主电路可以将电源提供的交流电压先经整流转换成直流电压；在内部控制下，再将直流
26、电压经逆变转换成频率和电压都可以调节的交流电压输出给负载电机，这就可以根据需要去调节电机的转速，而不需要负载电机一直在工频运行，起到了一定的节能作用。其中直流环节是通过电容来进行滤波的，因此其属于电压型的交-直-交变频器。2. 控制电路控制电路包含了CPU、模拟输入、模拟输出、数字输入、输出继电器触头、操作面板等部件。MM420是西门子公司生产的一个变频器系列，它功能强大，并且型号多种，能满足绝大多数工厂的使用要求。3.1.2 MM420适用环境及优点1. MM420适用环境由于变频器的节能以及调速性能优越，被广泛的应用在了现代化工厂生产上面，不仅仅如此，连我们熟知的空调都早已有了变频功能。M
27、M420是西门子公司的一款性能非常好的变频器，可以满足大多数工厂的生产需求，相应的，变频器对工作环境也是有着一定的要求:一般来说，它的工作环境温度不得低于-10，高于60；空气的相对湿度要95%，没有结露现象，露水使内部器件损坏。不能将变频器从高处掉落或受到猛烈的撞击,这可能使变频器损坏；不能把变频器安装在会有经常震动和离电磁辐射源头很近的地方，因为震动久了也会使并聘请受损，而电磁辐射源头的辐射一般比较强，会对其精确性造成影响。2. 变频器的优点再来说说它的优点，变频器的安装非常容易，而且调试比较简单易懂，新人也会很快上手；EMC设计得非常坚固；可以用IT（中性点不接地）电源来对自身供电；能非
28、常迅速的响应接收到的信号并且可重复；其内部的参数很多，确保了它可以应用的区域非常广，能配置多种应用对象。3. 保护特性变频器本身也是具有很多保护设置的，如过电压/欠电压保护；过热保护；短路保护等等，使用安装都非常简单方便5。3.2 称重及测速装置简介在本系统的控制中，需要知道皮带电机的速度和物料的实时下料重量来进行计算，这就需要用到测速和称重的器件来进行测量。旋转编码器是一类能够测量电机转速的器件。光电式的旋转编码器可以通过光信号和电信号的相互转换，将电机旋转轴的角位移、角速度等信息转换成与这些信息相对应的电脉冲信号再以数字量输出。它的技术核心参数主要有对应码盘每一转的脉冲个数（从几十个到上千
29、个都有）和额定电压大小等。光电式旋转编码器的输出有单路和双路两种类型。其中单路输出指的是旋转编码器的输出就只有一组脉冲信号，而双路输出的旋转编码器的输出有两组A/B相位差90度的脉冲信号，这样我们不仅可以通过这两组脉冲测量电机转动速度，还可以判断电机旋转的方向，实际使用中非常便利6。1. 基本简介根据编码器的工作原理去划分，我们可以将它分为增量式和绝对式两个类别。增量式编码器是利用计数增量的方法来测量设备位移的。电机转动的同时，它将所测得的位移量转变成为具有周期性质的模拟量信号，即电流信号，再通过内部转换，把电信号转换成一个个的脉冲，再用累计到的脉冲数去计算出位移的大小；绝对式编码器的测量就相
30、对简单了，它用来测量的码盘上面所有位置都刻上了相应的数字码，我们只需要知道测量的开始和结束的位置就能够求得结果，至于它具体是怎么测量的可以不用过问。相对来说，绝对编码器的抗干扰性和所测数据的准确性要比其它编码器好一点，这是因为它的机械结构比较特别。它的码盘上面每个位置都有数字码，并且这些数字没有重复的，每个位置的数字都是唯一的7。在工作的时候，它只需要读取当前位置的数字就可以知道所处的位置，而不需要通过记忆和找寻参考点来得知。绝对值编码器的轴跟着电机旋转轴转动起来时，不断会有二进制码或BCD码输出，这些输出的代码都是与编码器上刻度位置相对应的，我们可以从代码大小的变化去获得电机此时旋转的方向和
31、位移在编码器上刻度的位置，而不需要靠向电路去判断。绝对编码器上有一个绝对零位代码，意味着有某个位置一直都是零位，当突然掉电或重新启动后再做新一次的测量时，它依旧能够无误地读出掉电或重启位置的代码，并准确无误地找到零位代码的位置。一般地，绝对值编码器能够测量的范围为一个圆周，但如果使用的地方有需求的话，也有对应的型号来进行多周测量。 针对于水泥生产的环境，本文所采用的是绝对编码器。称重传感器是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置，本设计将这两个原件都安装在定量给料机上。3.3 定量给料机简介定量给料机是一种为固体散状物料（块状、颗粒、粉状等）连续称重计量兼定量输送的机械设备，由环形皮带、
32、秤架、电机、称重和测速传感器等组成的一个整体，它是集称重计量与流量控制于一体的连续称重设备，也叫调速秤或者电子皮带秤8。 被广泛应用于水泥、矿山、建材、粮食、化工等行业。定量给料机是对散状物料进行连续称量并给料的的高科技产品，根据我国的工业发展情况，对它做了一些改进。改良后的定量给料机不仅价格相对便宜，而且质量也有了很大的提升。它能在比较恶劣的环境下运作，适应性较强。定量给料机主要用于各种粒状和粉状物料等进行自动喂料和累积物料量，为许多工业生产过程提供自动化的运行状态并能获得一些用户想知道的实时计量数据。其工作原理依据的是PID调节，将测量的电机速度和实时物料量送入上位机求出瞬时流量，再和设定
33、值对比，PLC将对比结果进行PID调节后输出调节信号到变频器，不断地去控制电机转速，使给料量尽可能地和设定值一致。图2.1为定量给料机实物图。图2.1 定量给料机实物图4 PLC简介及控制系统设计本章主要介绍了主控制器PLC，对系统的要求，PLC输入/输出端口的的分配，PLC及其扩展模块的外部接线图。4.1 PLC简介PLC，是一种可由程序通过其内部的运算，并通过一些数字量或模拟量去控制各种类型的机械或生产过程的设备，它是由美国的一家公司最先研制开发出来的。PLC的诞生起源于美国的汽车制造业，在20世纪60年代那一个时期，美国的汽车行业发展非常快，相应的，汽车制造商们的竞争也是非常明显，各个生
34、产厂商为了抢占市场获取更大的利益，不断地更新自身厂商的汽车型号，去吸引消费者的眼球，这就要求汽车生产线的控制系统跟着汽车型号的更新而去不断更新，并且还要针对不同的需求去重新设计或大量更改已有的生产线的控制系统。由于在当时普遍使用继电器控制，并且线路是硬件电路连接，如果频繁且大规模的改动非常麻烦，因此在1968年美国通用汽车公司（GM）针对上面的问题首次进行公开招标，并对其所需要的控制系统提出了下列要求:第一个是系统的继电控制系统短期内就可以设计，比较容易更改，接线不能太过繁琐，并且成本要低；第二个是系统能结合计算机和继电器控制两者的特点，但编程又比计算机简单易学、操作方便；第三个是系统通用性强
35、9。基于上诉要求，美国数字设备公司（EDC）在第二年就研制开发出了一台设备，并在GM公司汽车生产线上应用成功。这就是世界上第一台可编程序控制器，型号为PDP-14。人们根据它的特性和所能实现的功能，把这台设备叫做可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PLC。当时开发这种设备主要是想用来替代那种更换和维护都不容易的继电器逻辑控制系统，所以最开始它也仅仅只是具有跟以前系统相似的等一些比较简单地功能。随着科技的飞速进步，在20世纪中后期发明制造出了微处理器和微型计算机，人们将其和可编程逻辑控制器相结合，使可编程序逻辑控制器在原有的基础上增加了微机所具有
36、的运算、数据传送及处理等功能，这使它进一步升级，成为了比较完善、功能全面的工业控制装置。这个时候的可编程逻辑控制器可以说是同时具有了继电器常规控制概念和微机技术两者的特点。在家用电脑越来越多的走进人们生活中后，就将可编程逻辑控制器正式定名为Programmable Logic Controller（PLC），这样不仅比较方便，能够反映出可编程控制器的功能特点，而且还不会和计算机（PC）相冲突。1. PLC的定义国际电工委员会(IEC)在1980年代初就开始了有关可编程序控制器国际标准的制定工作，并发布了数稿草案。在2003年发布的可编程序控制器国际标准IEC61131-1(通用信息)中对可编程
37、序控制器有一个标准定义：“可编程序逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序储存器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算等操作的基于用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机器或过程。PLC及其相关的外围设备，都应按易于与工业控制系统集成，易于实现其语气功能的原则设计。”由国际电工委员会给出的对PLC的定义我们可以知道，它是一种专门为工业所设计的设备，我们都知道工业生产的环境往往比较恶劣，因此它作为工业生产所用的设备，必须要有强力的抗干扰能力和高度对不同环境的适应能力，同时也要具有比较广的应用范围。这是把可编程序控制器和
38、一般的微机控制系统加以区分的重要特性。定义也指出了PLC为“数字运算操作系统”，那也就相当于是计算机的一种，只不过它是专在工业生产上使用的计算机，是为工业生产而特意设计的。对用户来说，PLC的程序编写非常的方便，通过程序的运行，它可以完成逻辑运算、顺序控制、定时、计数等操作，输入和输出可以是开关量，也可以是模拟量，而且还能很轻松的跟工厂现有的控制系统相结合，易于实现对PLC在工业上的要求，满足用户的各种需求。从PLC的定义中我们还可以知道，它设计出来是专用在工业控制系统上的，所以尽管它的种类非常多，并且不同厂商制造的PLC在结构、功能上多少有区别，但是其系统内部的组成和它的工作原理基本上都是一
39、致的。总体来说，PLC系统都是由硬件和软件两个部分相结合起来的，工作方式采用的都是集中采样和集中输出的周期性循环扫描。2. PLC的基本组成可编程逻辑控制器实际上也算是计算机的一种，不过它是专用于工业控制的，即使如此，它的硬件结构也基本上与微机相同，主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图4.1所示。图4.1 PLC结构框图PLC有很强的耐用性和适应性，并且抗抗干扰能力也很强。使用期间，不出故障的时间平均下来差不多可以有3-5万小时。并且PLC还具有维修便捷；灵活；通用；功能完善；接线简单；编程简单；使用方便等众多优点。针对水泥生产的环境和自身所学，本
40、设计的主控制器选用的是西门子S7-200系列的PLC。 4.2 系统控制要求分析自动配料系统主要由PLC、称重传感器、变频器、皮带驱动电机及低压电器组成。系统的主要任务是在收到了实际测量值后，上位机通过程序，把这个测量值跟设定值比对，若出现偏差则按照程序进行PID调节，再把调节以后的信号送入变频器，来实时动态的控制电机转速，达到一个平衡的状态；若没有偏差则直接输出。三种物料的调节需要同步。系统运行流程如下：1. 系统通电，按下启动按钮SB1，皮带运输机和定量给料机先后启动，检测四台电机是否正常运转，若正常，开启物料库阀门下料；若有电机故障，则停止。这里，须定量给料机和皮带运输机先顺序启动，并由
41、称重装置检测是否有物料，再开启物料库下料阀门。如果先开启下料阀门而皮带没有运作，容易造成物料将皮带坐死。2. 系统正常启动并运行后，便自动按照程序执行。若物料量大于设定值，称重传感器送入上位机的信号会增大，经PID调节后，控制器输出给变频器的信号变小，相应的降低电机转速，使实际值和设定值一致。反之就是提高电机转速。达到实时稳态恒流量控制。根据控制要求，本系统中总共有四台电机：三台皮带秤上的电机，一台皮带运输机上的电机。其接线如图4.2所示。图4.2电机主电路接线图(1) M1为混料运输电机，M2-M4为三种物料的皮带电机，且这三台电机每一台都有一个变频器；QA0是隔离开关，通段主电源，对主电路
42、起保护作用；热继电器BB对电机起过载保护；QA1-QA4为接触器。4.2.1 硬件介绍及信号传递1. 控制结构在系统运行的状态下，自动配料系统利用定量给料机上的称重传感器和旋转编码器把皮带上通过的物料重量与皮带速度转换成4-20毫安的电信号，转换得到的两组信号由现场端子盒送到主控制器进行计算、调节，最后输出一个合适的控制值到变频器。（1）控制器由于本设计是用于水泥生产的自动配料，考虑到系统应用的工业生产环境较为恶劣，粉尘、噪声等外界的干扰有点多，因此本设计对主控制器的抗干扰性、耐用性和稳定性都有比较高的要求。PLC是专用在工业生产上的控制器，对上诉要求都能够满足。综合自动配料系统的控制要求和自
43、身所学，本设计选用西门子的S7-200PLC作为控制器。三台皮带秤电机需要三台变频器进行调速，因此还需要PLC添加扩展模块。（2）称重及测速装置称重传感器是自动配料系统检测物料重量的部件，它的性能指标很大程度上决定了自动配料系统的测量精度和运行稳定性。本设计采用了电阻应变式传感器作为称重装置，它的工作方式为：当s有重物经过其表面时，它内部的弹性体（弹性元件，敏感梁）会由于外部物品的重力而发生形变，这就会使它表面的一个转换原件，电阻应变片也跟着一起发生形变。在这个原件发生形变以后，它内部的电阻值会发生相应的变化（增大或减小），然后再通过测量电路把这个电阻的变化量转换成相应大小的电信号（电压或电流
44、），这样就可以根据电信号得出具体重量了10。采用绝对值旋转编码器作为测速装置。测得的数据会通过端子盒总线送到PLC。（3）调速装置皮带电机的转速调节的精准度，决定了配料的精确度，且现场外部工作环境恶劣，粉尘多。本设计采用的是西门子MM420变频器作为调速装置，它具有一体化的构造设计；控制方法采用了很强大的IGBT技术，起动、制动性能更优良；还具有强大的通讯能力、准确的控制性能、和高牢靠性；智能维护功能；友好的操作界面等优点。2. 信号传递的I/O点分配 本系统中，共有四台驱动电机，分别为1#、2#、3#定量给料机上的皮带电机，外加一个混料后的运输皮带电机，4#。对于水泥的生产，配料和主料都是需
45、要同时加入的，设定好了进料量后，三种物料分别按比例下料，通过恒流量控制，达到实际下料量跟设定值相同。变频器由PLC进行控制，输出驱动皮带电动机。称重传感器测量物料重量，速度传感器测量电动机的转速。(1) 系统启动五秒后，检测是否所有电机都正常运转，若有故障则停车，正常就开启阀门下料，系统运行。(2) 生产过程中，称重传感器和测速传感器将测得的数据送到PLC，算出实时流量和累积流量，将经计算后的数据与设定值对比，若有偏差则调节器根据系统控制要求，将偏差经PID调节来改变PLC的输出信号以控制变频器对输送电动机的速度调节，从而实现恒流量控制。(3) 整个系统有电源指示、电机运行指示、故障报警等。根
46、据上述要求，PLC的I/O分配表如下：表4.3 I/O分配表输入输出启动按钮SB1I0.01#皮带电机M1Q0.0停止按钮SB2I0.12#皮带电机M2Q0.1急停按钮SB3I0.23#皮带电机M3Q0.21#皮带电机正常运转信号I0.3混料运输机M4Q0.31#皮带电机故障信号I0.41#物料阀Q1Q0.42#皮带电机正常运转信号I0.52#物料阀Q2Q0.52#皮带电机故障信号I0.63#物料阀Q3Q0.63#皮带电机正常运转信号I0.7电源指示灯PG1Q0.73#皮带电机故障信号I1.0送料电机运行信号灯PG2Q1.01#变频器故障信号I1.1皮带电机运行信号灯PG3Q1.12#变频器故
47、障信号I1.2变频器故障信号灯PG4Q1.23#变频器故障信号I1.3蜂鸣器PBQ1.31#测速传感器模拟量输入模块 1#变频器控制信号AQW02#测速传感器2#变频器控制信号AQW13#测速传感器3#变频器控制信号AQW31#称重传感器模拟量输入模块2#称重传感器3#称重传感器4.2.2 PLC外部接线图 从上面的I/O点分配可以知道，有12个数字量输入、14个数字量输出；AI点6个、AO点3个。由此参照S7-200产品目录，选用主机为CPU224（14输入/10输出），加上扩展模块，EM222（4点继电器输出）、EM231（8AI）和EM232（4AO），这样配置是最合适的。图4.4是主机CPU224和扩展的EM222接线图，也可以说是开关量信号的接线图。整体接线图详见附录2。图4.4 开关量信号接线图图4.5是EM231和EM232的接线图。图4.5 模拟量接线图5 程序和组态在上一个章节介绍了PLC的端口分配及外部接线，本章主要做程序和系统组态画面的设计，完成论文。5.1系统主程序设计本设计的主程序主要有皮带