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1、精选优质文档-倾情为你奉上人造大理石生产过程控制系统的硬件设计本研究的是一种工业现场使用的人造大理石生产过程控制系统，实现了对沿线电机、振荡器、真空泵、感应加热电源等的控制，添加了闭锁控制，采集系统运行中包括压力和温度等参数并进行反馈调节等。为了保证系统的稳定性和通信能力，主站采用57-300系列PLC作为控制器。考虑到经济因素和对控制对象实现精确控制等情况，最终选择S7-200系列PLC作为系统分站控制器。四个分站通过通信电缆与主站实现通信，构成人造大理石生产过程控制系统。系统的设备连接示意图如图1所示。 图1设备连接示意图 由于生产现场设备复杂，系统设计现场层设备通过6芯橡套软电缆与主站和
2、分站PLC连接。24V,GND为沿线现场层设备提供工作电压;闭锁线提供沿线闭锁信号，在闭锁状态下实现系统快速停机;CANH, CANL是负责传递通过CAN总线的数据，它们建立了监控层与现场层之间的联系。1、系统主站的硬件结构与组成 PLC作为控制器是整个生产过程控制系统的核心，在系统的运行中起着“大脑”的作用，它的稳定性以及通信、运算速度直接关系到操作系统在现场的工作性能。通过总线通信方式，主站和分站建立起直接的数据交流，这就要求主站的通信能力和数据处理能力要强;带动分站对异步电机、振荡器、真空泵、超音频感应加热电源、变频器等设备的运行进行命令的发送与数据接收等相关的操作;同时将采集到的压力和
3、温度等模拟量显示在上位机上;现场工作环境较复杂，这对主控站的抗干扰能力提出了较高的要求。综合上述技术要求，选择西门子公司研发生产的57-300系列PLC。系统的CPU选用314C-2DP，它集成了数字量和模拟量的输入和输出端口，能够符合本系统技术要求的点数和扩展需求。该CPU具体的参数如下:它配置了一个9针的MPI接线端口和一个9针DP接线端口。其中通过MPI端口，CPU可以将自身的总线数据，例如波特率、奇偶校验等，自动进行传递。然后，编程器通过自动查找，检测到相应的参数，进而与MPI网络建立连接，其缺省传输速率为把主站的硬件安装在标准导轨上，通过软件StepV5.4，对硬件进行组态。首先，利
4、用StepV5.4对模块的组态和软件的编制。在软件中建立新项目，并插入新对象一SIMATIC 300站点。双击SIMATIC300对象，就会自动弹出它的配置窗口。选择RACK-300，配置系统模块。 图2配置机架界面其次，对控制器进行配置，然后保存，如图2所示。 图3 CPU参数设置再次，设置CPU参数，如图3所示。要保证MPI与后面PG/PC接口设置的波特率一致，时钟存储器设定为0。在载入程序之前，要对PG/PC接口进行设置。在SIMATIC主界面选择选项一设置PG/PC接口，弹出设置窗口如图4所示。通过USB-MPI适配器进行下载操作。进入PC Adapter (MPI)的属性窗口，如图5
5、所示。PC默认地址为0，本地连接选择USB。图5本地连接端口设置经过实验室的模拟实验，系统能够实现既定的技术要求，运行稳定。当系统检测到温度超出设定范围时，能够自动进行反馈调节;当出现故障时，系统能够及时停机。2配料分站的硬件设计2. 1控制对象和I/0分配配料分站控制器采用西门子CPU 226模块，扩展模块包括数字量混合模块EM223和模拟量混合模块EM235各一个。控制对象是带动配料车、上料斗、搅拌机、皮带等设备运行的三相异步电机。PLC通过检测限位开关和内部定时程序控制电机的起停和正反转，实现精确的过程控制。同时实时采集配料车和皮带下方的压力传感器的信号，并在触摸屏上显示重量。CPU对采
6、集的信号通过程序设定完成逻辑运算和模拟数学计算后，可以发送运行后的输出指令，实现分站系统对设备的控制。配料分站硬件结构如图6所示。 图6配料分站硬件结构配料分站的I/O分配如表1所示。表1配料分站I/O配置表2.2压力信号采集与处理配料分站涉及到的压力信号来自于配料车和皮带下方安装的电阻应变式压力传感器。压阻式应变传感器的主要结构部件是电阻应变片，它是检测被测体上的应变变化，并将其转换成为电信号的敏感器件。当载体承受外力发生应力型变时，电阻应变片随之发生形变，进而改变其阻值，加在电阻两端的电压也呈现出相同的变化趋势。由于此类器件在受力时其阻值改变比较小，所以大多采用组成应变电桥的方式，并通过后
7、续的放大器进行放大后传输给执行机构或者通过A/D转换和CPU处理后显示。配料车和皮带下方的传感器量程为20kg，外加SV工作电压，满量程输出为5mV。由于PLC接收的电压模拟量输入的范围是0-5V，而压力传感器输出的电压信号太小，不能达到AD的采样精度，所以还要对其做放大处理。压力信号处理电路如图7所示。传感器输出的正负差模信号分别接入R2和R1端，由V21端输出PLC能够接收的0-5V模拟量。 图7压力信号处理电路EM 235 CN模块是模拟量输入/输出混合模块，最大输入电压:30VDC。单极性的全量程范围:-32000-+32000;双极性的全量程范围0-32000。该模块的量程有多个档位
8、，可通过DIP开关进行设置。开关1到6可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。其中，开关SW6可改变模拟量输入的极性，当SW6为ON时，代表单极性;反之，代表双极性。开关SW4和SWS代表模拟量的增益选择。开关SW1,SW2,SW3可确定模拟量范围。DIP开关状态与模拟量极性和量程之间的对应关系如表2所示。本系统选择单极性，0-5V模拟量输入，对照上表可知，开关SW1的状态为On;SW2的状态为OFF;SW3的状态为OFF;SW4的状态为OFF;SWS的状态为OFF;SW6的状态为ON。表2 DIP开关状态与模拟量极性和量程的对应关系3搅拌分站的硬件设计搅拌分
9、站控制器采用西门子CPU226模块，扩展模块是一个模拟量混合模块EM2350控制对象是带动旋转托盘、搅拌爪、刮板机、中心活塞、对辊机、皮带等设备运行的三相异步电机。PLC通过检测限位开关和内部定时程序控制电机的起停和正反转，实现精确的过程控制。同时实时采集配料车和皮带下方的压力传感器的信号，并在触摸屏上显示重量。CPU对采集的信号通过程序设定完成逻辑运算和模拟数学计算后，可以发送运行后的输出指令，实现分站系统对设备的控制。配料分站硬件结构如图图8搅拌分站硬件结构搅拌分站的I/O分配如表8所示。表3搅拌分站I/O配置表 搅拌分站涉及到的压力信号来自于旋转托盘和皮带下方安装的电阻应变式压力传感器。
10、传感器量程为SOkg，外加SV工作电压，满量程输出为5mV。其压力信号处理电路和配料分站相同。4定型分站的硬件设计4.1控制对象和I/0分配定型分站控制器采用西门子CPU226模块，扩展模块包括数字量混合模块EM223和模拟量混合模块EM235各一个。控制对象包括带动皮带、切纸机、布料车等设备运行的三相异步电机和真空泵、振荡器等设备。PLC通过检测限位开关和内部定时程序控制电机的起停和正反转，实现精确的过程控制。同时通过单相旋转编码器实时采集切纸机的电机的信号，并在触摸屏上显示振荡器的工作时间。CPU对采集的高速脉冲信号进行逻辑和数学计算后，发出相应的控制指令，调整切纸机的速度链，以满足生产工
11、艺的要求。实现了对分站系统中的所有设备进行合理的联锁和顺序控制。配料分站硬件结构如图3.9所示。定型分站在整套生产工艺起到重要作用。为了满足加压成型的技术要求，选择型号为VRD-30的30升60Hz工业真空泵两台，抽速为10L/s，采用三相380V供电，功率为1.1KW。转速为1720rpm,可达到10吨。定型分站的基本满足生产需要。振荡装置为厂家定制的10振荡器加压装置，最大压I/O分配如表4所示。表4 定型分站I/O配置表图9定型分站硬件结构4. 2切纸机的硬件设计切纸机是人造大理石生产过程必不可少的一个环节，在石板从布料到成型工艺中起到隔离、保护皮带以及平整布料表面、平均受力的作用。在真
12、空振荡器落下罩住物料之前，必须要经过红外位置检测。如果物料顶层和底层的纸张与物料模具差值超出允许的范围，就会造成红外位置检测的不准确以及真空罩密封的不严密，最终导致板材不成型或者成型后强度不能达到质量要求，甚至引发生产事故，危及操作人员人身安全。因此，设计一套完整的精密的切纸设备是工艺流程中至关重要的一个环节，是提高生产效率和保证人身安全的保障。根据实际生产的需要，本文采用双刀辊式切纸机的结构，并设计控制方案。切纸机按如下工作原理对速度链进行控制:在其分布式的传动过程中，各个相邻的传动点间的速度要按照一定的比例进行，只能本级和本级以后的各传动点才会在车速调整过程中受到相互之间的影响，前面各传动
13、的速度将不会受到干扰，这样便形成了速度链。即:后一级的传动点通过对上一级速度信号进行调整后并接收，再传给下一级，以此类推，形成一个链式的结构状。设计系统中对速度链控制采取PLC全数字化控制思想，系统中的8个传动点的控制，通过对现场的操作台的控制方式来实现，PLC接收到操作处理信号，之后发送给相对应的变频器，变频器接收到传动点的执行信号，开始执行调节工作，从而实现变频器系统的控制功能。具体的控制功能如下:1）起动/停止:即控制本部分变频器的起停;2)紧急停车:紧急停车功能。即存在人身安全等危险时方可使用;3)单动/联动:按照要求的负荷对各传动点的单动/联动控制进行分配。4)切长设定:设置切纸长度
14、。5)切长校准:当切纸的长度与其原始设置存在误差时，通过送切纸辊和纸辊的速比的调节，使纸的长度符合生产要求。图10为普通双刀切纸机的基本工作流程，首先原纸卷经过弧形辊，再被送入到纵切机构，按照纸页要求的产品规格实行纵向的切割，纸页被处理后在由1号送纸辊，之后，需要下行的部分进入1号切刀切纸，剩余的送到2号送纸辊，进行2号切刀切纸。 图10切纸机结构图PLC主要对变频器的速度设定和调节采取控制，即模拟、逻辑运算在其内部完成后，各传动点控制器便接收到信号，同时变频器的工作状态和报警等信号也发送到PLC。系统采用RS485,CAN总线，进行变频器和PLC之间的信息收发。本系统还设有人工的手动智能调节
15、，即通过操作台的触摸屏，进行系统的控制。借助9针的通讯线可以实现它与PLC间的通讯连接。图11为系统的结构图。 图11切纸机控制系统结构图 切纸机的传动部分包括弧形辊、纵切刀、传送带、送纸辊和切刀(横切)，纸张的舒展，打皱的预防工作由弧形辊完成，弧形辊的速动等同或稍快于纸页的速度;通常纵切刀的速度约为纸页速度的1.2倍。系统对以上三个部分的控制要求相对较低，其控制方式以变频传动控制便可实现，以速度链式的方式与主传动形成速度差值控制，即可达到控制规定。切刀和送纸辊间采用精度较高的速比控制，即保证切长在误差范围内。变频传动为本设计中送纸辊、切纸刀的控制方式。 (1)主控配置 系统设计的传动点共8个。即弧形辊、纵切刀、1#传送带和2#传送带、1#切刀和2#切刀、1#送纸辊和2#送纸辊，它们均以变频传动PID控制的方式;以达到这些数据通讯的要求对系统的PLC选择配置。PLC主要以控制的方式对其速度的进行设定与校准，将在其内完成不同运算后的信号分送给不同的传动点控制器，同时，控制器的工作状态也会回馈给PLC。以RS-485方式进行变频器和PLC间联系，这就完成了以操作终端以触摸屏的方式、数字化的、高速的、通讯网络系统。 (2)系统操作与控制 以PLC全
