基于plc的水泥自动配料控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于plc的水泥自动配料控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 基于 PLC 的水泥自动配料控制系统设计 8 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。 基于 PLC 的水泥自动配料控制系统设计 9 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 所示。 图 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。 基于 PLC 的水泥自动配料控制系统设计 10 3 系统主要器件的介绍 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。 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。 基于 PLC 的水泥自动配料控制系统设计 11 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。 MM420 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]。 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 和双基于 PLC 的水泥自动配料控制系统设计 12 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。 基于 PLC 的水泥自动配料控制系统设计 13 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、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 为定量给料机实物图。 图 定量给料机实物图基于 PLC 的水泥自动配料控制系统设计 14 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。 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）。