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1、#航空大学课程设计题目:基于PLC的自动配料系统专业:自动化 班级:110441班学号:姓名:指导老师: / 摘 要自动配料系统是集输送、计量、配料、定量等功能于一体的动态计量系统,在建材、化工、冶金、矿山、电力、食品、饲料加工等行业中得到广泛应用.随着科学技术的发展,工业化程度的提高,常需要对自动配料系统中输送的流量进行调节、控制达到准确的配比.本论文主要针对自动配料系统恒流量控制达到配比的控制要求,设计一套基于PLC的自动配料系统,并使用触摸屏开发运行管理界面.自动配料系统由可编程控制器PLC、变频器、皮带驱动电动机、称重传感器等构成.系统包含三台皮带驱动电动机,它们根据需要依次顺序启动.
2、采用变频器实现对三相电动机的变频调速.称重传感器对物料进行称重并实时计量,PLC计算出实时流量与累计流量,比较设定值与实际流量的偏差经PID调节改变输出信号以控制变频器对皮带驱动电动机的速度调节,从而实现恒流量控制,并对系统进行监控.关键词：自动配料,变频调速,PID调节,PLC目 录摘要IAbstractII第一章绪论11.1 课题背景与意义11.2 自动配料系统11.2.1 电子皮带秤11.2.2 可编程控制器PLC21.2.3 变频器31.3 本课题主要研究内容3第二章自动配料系统理论分析与方案确定52.1 自动配料系统理论分析52.1.1 电子皮带秤称重原理52.1.2 流量控制原理6
3、2.2 自动配料系统控制方案的确定82.2.1 自动配料系统控制方案的确定82.2.2 自动配料系统的组成与控制原理8第三章自动配料系统的硬件设计113.1 系统主要配置的选型113.1.1 皮带驱动电动机的选型113.1.2 PLC与其扩展模块的选型113.1.3 变频器的选型133.1.4 称重传感器的选型153.1.5 其他设备选型163.2 系统主电路分析与设计173.3 系统控制电路分析与设计193.3.1 可编程控制器PLC的I/O端子分配193.3.2 系统控制电路设计20第四章自动配料系统的软件设计234.1 控制系统主程序设计234.2 控制系统子程序设计27第五章组态软件监
4、控305.1 组态软件简介305.1.1 组态软件的功能305.1.2 组态软件的特点315.2 人机界面设计32结束语33致谢34参考文献35附录：36附录一：自动配料系统电器元件清单36附录二：自动配料系统主电路图37附录三：自动配料系统PLC接线图38附录四：自动配料系统程序39第一章 绪论1.1 课题背景与意义随着科学技术的不断发展,工业上快速、精准的需求,对自动化的要求也不断增加.在很多工艺过程中,人们需要平衡准确的称量,满足产品的质量需要,但是光靠人类自身,工作效率和成品的合格率大大降低,而成本却增高.因此,人们需要依靠自动配料称重的自动配料系统来大幅度提高工作效率,降低成本.尤其
5、是冶金、煤矿、水泥、化工等行业,常需对输送中的流量进行调节、控制达到准确的配比.自动配料系统可以按照设定配比和流量控制各输入物料的瞬时值,从而达到控制各种产品的质量和产量,是实现生产过程自动化和智能化、节能降耗的重要技术手段.自动配料系统在生产中不仅仅保证了产品的质量和产量,也大大降低了岗位工人的劳动强度,提高了工作效率.本课题设计开发的自动配料系统能有效解决动态计量衡器的控制精度问题,可代替企业中陈旧的配料工艺设备,很大程度降低劳动强度,提高生产效率和产品质量,带来可观的经济效益,推动国民经济的发展.1.2 自动配料系统 电子皮带秤电子皮带秤是指对放置在皮带上并随皮带连续通过的松散物料进行自
6、动称量的衡器.电子皮带秤主要由称重部分、测速部分、计算部分、通讯部分构成.电子皮带秤的应用广泛,主要应用于工业生产,如食品加工、煤矿等场所.电子皮带秤的准确度按国家标准GB/T7721-1995规定,分为0.25、0.5、1.0、2.0四个等级.其称量准确度受皮带输送机影响,而使用准确度取决于电子皮带秤的安装质量和维护水平.电子皮带秤的称重桥架横梁中的称重传感器检测皮带上物料的重量信号,速度传感器检测皮带的运行信号,积算器将接收到的重量信号和速度信号,进行放大、滤波、A/D转换后进入CPU进行积分运算,然后将物料的瞬时流量和累计重量在面板上显示出来,积算器具有可选的联网、通讯、打印、DCS联机
7、等功能. 可编程控制器PLC早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器Programmable Logic Controller, PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制.随着技术的发展,这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC.但是为了避免与个人计算机Personal Computer的简称混淆,所以将可编程序控制器简称PLC.PLC自1969年美国数据设备公司DEC研制出现,现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良,功能强大.PLC由中央处理单元CPU、存储器、输入输出模块、电源、构成.PLC采用扫描方式作为它的
8、工作原理.当PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段,完成此三个阶段称作一个扫描周期.在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行这三个阶段.PLC的扫描周期包括自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间之和.PLC具有以下特点：a) 功能完善,组合灵活,扩展方便,实用性强.b) 使用方便,编程简单,采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言,而无需计算机知识,因此系统开发周期短,现场调试容易.c) 安装简单,容易维修.d) 抗干扰能力和可靠性能力都强,远高于其他各种机型.e) 环境要求低.f) 易学易用.经过一系列发展应
9、用,PLC现已成为工业控制三大支柱PLC、CAD/CAM、ROBOT之一,以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、以易与计算机接口、能对模拟量进行控制,具备高速计数与位控等性能模块等优异性能,日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电接触控制系统,在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用.PLC应用深度和广度已经成为一个国家工业先进的重要标志之一. 变频器变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电动机工作电源的频率和幅值来控制交流电动机的电力传动元件,曾被称为VVVF.自20世纪70年代开始,脉宽
10、调制变压变频PWM-VVVF调速研究引起了人们的高度重视.20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题引起人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,其中以鞍形波PWM模式效果最佳.20世纪80年代后半期,美、日、德、英等发达国家开发的U/f控制变频器投入市场并得到广泛使用.U/f控制变频器的控制方式较为简单,主要是根据电动机的电压与频率比进行调速,机械硬度特性也比较好,能够满足平滑调速的一般要求,已在产业的各个领域得到广泛应用.但是,这种控制方式在低频时由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响比较显著,造成输出最大转矩减小.另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还
11、不尽如人意,因此人们又提出矢量控制思想.矢量变换控制方法通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而控制异步电动机的转矩.矢量控制方法的提出具有划时代的意义,它使得异步电动机的机械特性和他励直流电动机的机械特性完全一样.目前矢量控制方法已被广泛地应用在西门子、ABB、复式电动机和三菱等国际化大公司的变频器上.变频器具有节能效果显著、维护简单、启停特性好、调速性能好等特点.1.3 本课题主要研究内容本课题主要是以工业配料系统为控制对象,采用PLC与变频技术相结合,设计一套基于PLC的自动配料系统,并引用计算机对配料系统进行远程监控和管理
12、.PLC控制自动配料系统主要由变频器、可编程控制器、称重传感器和皮带驱动电机一起组成一个完整的闭环调节系统.本设计中有3台电子皮带秤,3台皮带驱动电机,采用实时流量累计方法,即皮带电机运料时,称重传感器将重量信号传给PLC并转换为流量信号,PLC根据给定流量与检测值之间的偏差进行PID运算,输出给变频器控制其输出频率,调节电机转速,实现恒流量给料,各辅料同时计量,并按配方工艺添加.自动配料系统由1#主料电机开始按顺序起动.根据以上控制要求,进行总体控制方案设计,硬件设备选型、PLC与模拟量输入输出模块选型,I/O端子分配,绘制系统主电路图、PLC接线图,设计梯形图控制程序.第二章 自动配料系统
13、理论分析与方案确定2.1 自动配料系统理论分析 电子皮带秤称重原理1电子皮带秤的结构原理如下图所示,皮带秤分为3个区域,自左至右分别是落料区、称重区和出料区,物料在皮带上运行至称重区时,对皮带秤称重托辊产生向下的作用力,通过称体,将作用力作用至称重传感器上,如图2.1所示,传感器内部弹性体上的电阻应变计电阻发生变化,通过测量电路将这一电阻变化转变为电压信号mV经变送器放大后送入A/D转换模块输入PLC,再由PLC的D/A转换模块输出控制变频器.图2.1 电子皮带秤结构图2称重传感器工作原理称重传感器实现了对物料的快速、准确的称量,是影响电子称测量精度的关键部件,目前除特殊用途外,90%以上采用
14、电阻应变式称重传感器.四片电阻应变片分别粘在传感器梁的上下平面,即连成惠思登电桥,如下图所示.图中为电桥测量电阻应变片；为初始不平衡补偿电阻；为零点温度补偿电阻；为输出灵敏度温度补偿电阻.图2.2 称重传感器原理图当被测物的重量通过传感器直接作用在粘有电阻应变片的弹性梁时,使其弯曲变形,梁相对变形大小正比于外加载荷.同时,粘贴在梁上、下平面上的电阻应变片同步产生电阻应变,且与梁变形或梁应力成正比.粘贴在梁平面的、电阻应变片阻值增加,、电阻应变片阻值减小,故电桥失去平衡,对角端有不平衡电压输出,其不平衡电压正比于被测物重量.称重传感器根据所受力的大小输出一个电压信号,输出的电压信号与所受力的大小
15、之间是一种线性关系,如图2.3所示.特性曲线横坐标表示称重传感器所受的力,纵坐标表示称重传感器输出的电压.图2.3 称重传感器受力与输出电压关系图 流量控制原理1流量的基本知识所谓流量,就是一定时间内皮带上走过的物料量.用式子表示为,式中,T为某一段时间,W为T时间内物料走过的重量,F为T时间内物料的实际流量.如果每次采样都由脉冲来决定,即每来一个脉冲进行一次流量采样,则在计算机内设置一个计数器,在每次采样的同时也能从计数器上得到两次采样之间每两个脉冲之间,亦即这段距离用了多长时间,瞬时值就可由这些已知量求出.知道了瞬时流量,并且读取了流量设定值,但是流量值和速度控制是两个不同概念.在实际控制中采用工业控制中应用最为广泛的PID算法,即比例、微分、积分法.在过程控制中,按偏差的比例、积分、微分进行控制,简称为PID控制.2PID调节原理流量就是一定时间内皮带上走过的物料量.电子皮带秤称量的是瞬时流量,上位机给出的是设定流量,二者在实时计量中有所偏差.在流量实际控制中采用工业控制中应用最为广泛的PID调节,根据流量偏差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制,控制量输入和输出误差之间的关系在时域中可用公式表示如下：公式中表示误差、控制器输入,是控制器的输
