基于plc的砂石加工控制系统设计

基于plc的砂石加工控制系统设计内容摘要：

NCE W7881RR和 IWLAN/PB LINK PN IO。 现场控制站点和中控室站点构成分布式控制系统。 本文首先对分布式控制系统及其通信方式进行了分析 ， 并对本系统的背景、内容和意义进行阐述 ； 然后对砂石加工自动控制系统的需求和控制任务进行说明 ； 介绍了ProfibusDP 协议 ， 讨论了无线通信方式在工业控制领域的应用 ； 最后 ， 介绍砂石加工自动控制系统的总体结构、设计思路、硬件选型、软件设计等详细实现过程。 构建 设计（论文）专用纸 第 2 页 分布式且含无线通信的控制系统 ， 以粗碎车间生产的控制要求完成 PLC 硬件设计与控制程序 梯形图 设计 ， 在组态王软件上开发粗碎车间上位监视系统画面。 仿真调试结果表明 ， 本文设计的控制系统能够完成生产任务 ， 有很好的应用效果。 设计（论文）专用纸 第 3 页 第一章绪论 引言 随着自动化技术、计算机技术、网络技术和通信技术的飞速发展，工业自动化控制范围不断扩大，自动化水平不断提高。 越来越多的现场设备被加入到自动控制的范围，日益增加的被控节点要求控制系统向大型化、网络化、分散化和系统化的方向发展。 当现场设备和系统分布范围比较广时，需依靠有分散控制功能的多台 PLC 来完成各种复杂的任务。 这一发展趋势，对工业控制 领域的通信功能有了更高的要求，不但要求不同单元的生产设备之间能够相互交流信息，使得生产现场不同设备之间能够相互配合，更加需要从生产现场到工厂管理级进行信息交流，实现管理级与生产现场的信息共享，从而提高效率，降低成本。 按照目前较为流行的分层方法，可以将自动化控制系统分为信息层、控制层和设备层三个层次 [8]， 间的设备通信和不同层次之间的通信构成了整个系统的通信网络。 现场总线是自动化控制的数字通信网络，是连接基于某种现场总线标准的现场设备的开放系统 [3]，它能将不同厂商的可编程设备连接在单层或多层网络上，完成相 互之间的数据交互，实现分散控制和集中管理。 随着计算机网络和通信技术的发展， PLC的通信及网络技术也将向高速、多层次、大信息吞吐量、高可靠性的现场总线技术发展。 近年来无线通信技术迅速发展，其在工业控制领域的应用也日益广泛，尤其在工业环境复杂、布线不方便、被控制对象位置不固定的控制系统中，无线技术的优势更为明显，应用范围也将更加广泛。 技术 可编程逻辑控制器 PLC (programmable logic controller)，是以微处理技术为核心，综合了自动控制技术、计算机技术、通信技术、 网络技术发展起来的一种通用 设计（论文）专用纸 第 4 页 工业控制装置。 具有体积小、功能强、可靠性高、环境适应能力强、编程简单、组态灵活等一系列优点，在工业控制领域获得了非常广泛的应用，被称为现代工业技术的三大支柱之一。 设计之初， PLC 被定位为用来替代传统继电器控制电路的简单控制装置，因此只能进行简单的逻辑运算、定时和计数操作。 随着微处理技术的快速发展，PLC 在逻辑运算的基础功能之上，增加了数值运算、闭环调节功能，并且提高了运算速度，扩大了控制规模。 与计算机通信功能发展相联系， PLC 在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布式的通信网络体系 ，但是由于生产厂家各自独立，通信协议自成系统，因此不同生产厂家的设备很难实现相互通信。 从 20 世纪 80 年代中期开始，由于开放式系统的提出，使得 PLC 得到了飞跃式的发展，主要表现为通信系统的开放，通信协议实现标准化，使得各生产厂家的产品间可以互相通信。 PLC 控制系统的规模不断扩大，功能也不断完善。 计算机与 PLC 之间，以及各个 PLC 之间的联网和通信能力不断增强，使工业网络可以有效地提高系统可靠性和灵活性、节省资源、降低成本。 现场总线技术 20 世纪 40 年代开始，工业生产过程开始了自动化控制的步伐，第一代 控制系统采用具有简单测控功能的基地式仪表，被称作气动控制系统 PCS。 到了 60 年代，开始出现了应用 420ma 标准模拟信号的第二代控制系统，即模拟控制系统 ACS，但是由于不同传感器和执行器的信号定义不同，很难形成规范的信号标准，限制了控制系统的规模和性能，系统的集成度并不高。 随着计算机在逻辑控制领域的广泛使用，以单片机、小型 PLC 以及微处理器作为控制器传输数字信号的第三代控制系统集中控制系统 CCS 开始出现，由于使用了数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低且易受干扰的缺陷，提高了控制系统的可靠性和抗干 扰能力，控制方式选择上也更加随意，但是由于控制器是整个系统的核心，一旦发生故障，将导致系统全面崩溃，无法正常工作。 第四代控制系统集散控制系统 DCS 就是为了克服集中控制系统的这种缺陷应运而生的。 采用集中管理，分散控制的方法，有效的克服了集中控制系统对控制器处理能力和可靠性要求非常高的缺陷。 由此 DCS 系统在化工、石油、电力等重要工业领域得到了普遍的应用。 但是，由于各生产厂家为了各自利益而采取了封闭的控 设计（论文）专用纸 第 5 页 制通信模式，不同厂商的设备难以实现通信与信息连接，使得 DCS 成为了一种封闭专用，不具备大范围扩展的分布式控制系统。 现场总线技术就是在这样一种背景下出现的，国际电工委员会将现场总线定义为：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间支持串行、多点通信的数字式数据总线 []。 它在连接上是一个开放的通信网络，在模式上是全分布式系统，成为了生产过程现场智能设备的联系纽带。 现场总线是一种开放式的数据总线，早在 1985 年，国际电工委员会就开始着手制定现场总线标准，并于 1995 年由ISASP50 和 Word FIP 合并组建的现场总线基金会制定出了第一个现场总线标准，即基金会现场总线 FF。 虽然到目前为止，国际上有多达 40 多种的现场总线标准，但是任何一种标准都是开放的，只要遵守总线标准，无论任何厂商的设备都可以连接到该现场总线网络上。 无线传输技术 在过去的几十年中，无线通信技术获得突飞猛进的发展，从人工操作的无线电报网络到使用扩频技术的自动化无线局域网，无线局域网，覆盖不同通信距离和不同通信速率的无线通信标准达到了数十种，无线通信技术的应用领域随着科技进步也在不断扩展，并在 20 世纪 90 年代进入到工业控制领域。 目前，无线通信技术在工业控制领域的应用主要集中在工厂管理级和远程监控上，其主要的技术优势没有得到充分的发挥。 具有成本低廉、可靠性灵活性高、易用性和安全性好、施工周期短的无线技术要进入到工厂控制层和设备层，才能充分体现其优势，也将给工业控制领域带来更大的变化，提供更多的工业自动化解决方案。 工业自动化相关技术在过去几十年的快速发展，使得控制器拥有更强大的处理能力， PLC 的过程控制和数据处理能力进一步得到完善，也可以替代计算机进行监控和管理，强大的通信和联网能力允许构建体系更加庞大的系统，以现场总线为代表的工业通信网络也逐步完善，开放性和可靠性不断增强，可以将大多数的工业设备添加到控制系统当中去，无线通信技术在工业 控制领域应用的不断深入，是控制系统的结构可以有多种选择，配置系统更为灵活。 这些不断发展的技术，正在适应日益复杂、庞 设计（论文）专用纸 第 6 页 大的工业生产过程。 课题背景及意义 在水利水电工程建设乃至国民经济建设中，土建施工最基本的混凝土材料是必不可少的，而且在目前仍旧是无法取代的。 混凝土的骨架成分是由砂石材料构成的，砂石料的化学成分、物理性能以及有害物质含量等因素都直接或间接对混凝土的性能有着重大影响。 砂石料的性能不但与料源规划，生产工艺、厂址选择、设备选型等技术有着密切联系，控制系统的水平高低也在一定程度上决定了砂石料的性能 和生产成本。 水电站工程砂石加工系统布置于坝址下游右岸 1030m1 130m 高程之 间 ，由粗碎、中碎、细碎、超细碎、一次筛分、二次筛分、脱水筛分、成品堆场等环节组成，拥有加工设备 100 余台 （ 套 ）。 系统砂石骨料生产分为特大石 （ 80150mm） 、大石 （ 4080 mm） 、中石 （ 2040mm） 、小石 （ 520mm） 、喷锚料 （ 515mm） 、砂 （ 小于 5mm） ，成品设计生产能力 420 t/h，承担着约 310 104m3 混凝土 骨料的生产任务，属于大型砂石加工系统。 大型砂石 加工 系统其现场生产设备范围广，布置较分散。 机 械功率大，传输距离远，安全操作又有严格的联锁，起动或停止的中间缓冲时间较长。 电气控制采用可编程控制技术 PLC，其控制程序可根据实际运行的情况进行编程及调整，使用灵活、方便，占地面积小，可节省大量的常规控制 柜 及土建工程。 减少现场运转工作人员，从而提高整个加工系统运行的可靠性及经济性。 随着我国工业化、信息化的不断快速发展，工业生产系统越来越庞大，生产过程工艺要求越来越高，生产设备数量越来越多，对生产过程自动化控制的要求也越来越高。 为了适应这些新的变化，工业自动化的水平和范围也在不断提高和扩大。 工业自动化是涉及 自动化技术、网络技术、计算机技术、通信技术等众多技术的综合性技术，正是由于这些技术的迅速发展，才使工业自动控制水平能够不断向前发展。 本文就是在自动化要求不断提高，从而相应的自动化控制水平也在快速发展的背景下进行设计的。 本课题设计的基于 PLC 控制的分布式自动控制系统，利用了 PLC 控制技术、现 设计（论文）专用纸 第 7 页 场总线技术和无线通信技术，以砂石加工系统为例，为复杂工业流程的自动化控制提供一种解决方案。 本文主要工作 本文的是在分析现场总线技术和工业无线传输技术的基础上，选用 S7300PLC及配套产品设计利用 ProfibusDP 现场总线和无线数据传输，包括上位监控和下位PLC 控制的分布式砂石加工控制系统。 论文第一章主要阐述了课题研究的背景和现实意义；第二章对砂石加工系统的工艺流程和控制要求进行了介绍；第三章着重描述了系统的硬件配置，以粗碎车间为主介绍了硬件设计；第四章对粗碎车间生产工艺控制程序开发和粗碎车间组态王监控画面进行了介绍；最后，第五章进行了总结。 设计（论文）专用纸 第 8 页 第二章砂石加工系统 砂石加工系统概述 在水利水电工程建设乃至国民经济建设中，土建施工最基本的混凝土材料是必不可少的，而且在目前仍旧是无法取代的。 混凝土的骨架 成分是由砂石材料构成的，砂石料的化学成分、物理性能以及有害物质含量等因素都直接或间接对混凝土的性能有着重大影响。 砂石料的性能不但与料源规划，生产工艺、厂址选择、设备选型等技术有着密切联系，控制系统的水平高低也在一定程度上决定了砂石料的性能和生产成本。 因此设计一套控制合理、性能优越、操作方便的砂石加工自动控制系统有着重要的意义。 在工程建设的不同使用场合，对砂石料的需求是各不相同的，通常情况下，砂石的种类按照颗粒直径可以分为大石、中石、喷骨料、细砂等几种不同规格的产品。 为了完成不同规格砂石产品的生产及筛分任务 ，砂石加工流程要按需求分为粗碎车间、细碎车间、超细碎车间、几个位置对立，相互之间用胶带输送机连接的功能车间。 本系统的位置分布如图 所示 : 图 砂石加工系统车间位置分布图 粗碎车间 中碎车间 第一筛分车间 冲水筛分车间 细碎车间 超细碎车间 设计（论文）专用纸 第 9 页 工艺流程 砂石加工是把来自料场的大石块，经过破碎、筛分和冲洗后制作成颗粒直径符合要求的砂石料的过程，其工艺流程如图 所示 ： 图 砂石加工工艺流程图 来自料场的砂石原料直径一般在 500700mm，用振动给料 机匀速的将原料投入到粗碎车间进行破碎，鄂式破碎机可以将原料处理为直径小于 300mm 的半成品料，通过胶带输送机输送至中碎车间使用圆锥破碎机继续破碎，使砂石料颗粒直径小于 80mm。 经过处理的砂石料被输送至第一筛分车间，进行一次筛分，第一筛分车间圆振动筛具有 05mm、 540mm、 4080mm 三种筛网规格，可以按照颗粒大小使石料从不同的通道排出，其中直径在 4080m。