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文档简介
唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目:矿渣水泥生产线自动控制系统设计系 别: 机电工程系 班 级: 姓 名: 指 导 教 师: 王天杰 2011 年 06 月 5 日基于 PLC的矿渣水泥生产线自动控制系统摘 要矿渣水泥又称作矿渣硅酸盐水泥,它是生产过程是利用水泥熟料与粉磨后的矿渣按照工艺要求进行配比混合,制造出来的高性能的成品水泥。随着现代工业的发展以及各国对资源循环利用的要求,生产低成本、高性能的水泥迫在眉睫。随着计算机技术和PLC技术的飞速发展,以及国内外的组态软件不断完善,矿渣水泥生产线自动控制系统也在不断改进。PLC控制正在成为工业控制领域的首要选择。它可以用于各种规模的工业控制场合,在各个领域都发挥着巨大的作用。组态王监控组态软件是面向生产过程集监控与数据采集为一体的软件平台工具,利用人机图形界面可以把PLC与组态王软件的完美组合,通过组态软件完成对PLC及其它智能设备的I/O 数据进行监控。这种控制系统由于极高的可靠性,强大的功能以及其低廉的价格受到越来越广泛的应用。本文着重介绍利用PLC及组态王监控组态软件来实现矿渣水泥生产线的自动控制。首先根据矿渣水泥生产线工艺流程及技术要求,确定具体的控制方案。阐述了控制系统要实现得主要功能、控制回路设计、硬件的选择以及软件的设计。其中主要包括 PLC 机型的选择、低压电气元件的选择、I/O 端口的分配、电气原理图的绘制、电气接线图的绘制、PLC 梯形图程序的设计等。并用组态软件完成组态演示。本次设计利用 S7-300 系列 PLC 和组态王 6.53 软件设计整个控制系统,来实现对矿渣水泥生产线全部动作的控制和计算机动态显示。关键字:矿渣水泥 控制系统 PLC 组态软件 The control system of slag cement production line based on PLCAbstractThe process of slag cement production is using cement clinker grinding and slag in accordance with the requirements for mixing ratio, to create cement products with high performance.With the development of modern industry and the requirements of the circular economy development in each country , to create production of low cost, high performance of slag cement is imminent.In recent years, along with the rapid development of computer technology and the PLC technology, and the constant improvement of the configuration software, slag cement production line control system in the control plan is continuously improving. PLC control is becoming the mainstream of industrial control equipment, and it can be used to control various scale of industrial control. It playing a more and more important role in each field. Control configuration softwares are software platform tools ,which face production process monitoring and control and data acquisition, solving the problem of man-machine graphical interface. As PLC combined with the control configuration software perfectly, the control system through using configuration software to monitor and control PLC and other intelligent device of I/O data is more and more widely. This paper introduces the design and realization method of slag cement production line control system using PLC and control configuration software.According to the process and technical requirements of the control system of slag cement production, I have determined specific control scheme, expounded the main functions of the control system, the control circuit and the design of software and hardware, including the choice of PLC, type of I/O port distribution, electrical schematic diagram of the drawing, electrical wiring diagram of drawing and PLC program design, ladder diagram of electrical components etc. This design completed the whole control system by S7-300 series PLC control system and kingview 6.53, realizing the slag cement production line automatic control of all the movements and computer displays, thus finishing the work in process monitoring. Through simulation and experimental system for presentation.Key words: slag cement control system PLC configuration software 目 录1 引言 11.1 课题研究的 背景及意义 11.2 水泥工业自动化的发展及现状 12 文献综述 32.1 现代监控系统 32.2 水泥生产线自动控制系统设计思路及特点 53 矿渣水泥生产线控制系统总体设计 53.1 水泥生产工艺介绍 .53.2 监控系统具体方案及特点 .73.3 水泥生产自动控制过程 .84 监控系统硬件设计 94.1 可编程控制器的选型 .94.1.1 PLC 的系统组成 及各部 分的作用 94.1.2 PLC 具体型号的选择 94.2 上位机的介绍 104.2.1 上位机在控制系统中的作用 104.2.2 上位机的选择 114.3 通讯网络的介绍 114.4 系统生产设备的简介 124.4.1 螺旋输送机的选型 124.4.2 斗式提升机的选型 124.4.3 搅拌机的选型 124.4.4 电振机的选型 134.4.5 称重表的选型 134.4.6 各种低压电器的选型 144.4.7 电动阀门与电磁阀门的区别 155 监控系统软件设计 165.1 上位机组态软件的设计 165.1.1 组态软件概述 165.1.2 组态软件的特点 .165.1.3 本次设计中的组态显示 175.2 下位机 PLC 软件的设计 .215.2.1 PLC 软件流程 框图 215.2.2 报警设计 .225.2.3 PLC 的 编址与 I/O 分配 235.2.4 PLC 顺序功能图 255.2.5 PLC 梯形图设计 286 总 结 31谢辞 .32参考文献 .33附录 .34外文资料 .41译文 .46唐 山 学 院 毕 业 设 计11 引言1.1 课题研究的背景和意义水泥是极其重要的建筑和工程基础材料,它被称为建筑工业三大基本材料之一。随着国民经济的发展,水泥获得越来越广泛的应用,在国民经济中具有举足轻重的地位。虽然现在我国的水泥产量居世界第一,但因此引起的严重环境污染和高额的能源消耗与当前建设绿色环保型社会格格不入。只有尽可能的提高生产效率、减少水泥废料的排放、竭力降低不必要的损耗才能使得社会进入一个可持续发展的良性循环,为今后的发展提供必要的条件。如今全国现有的大部分水泥企业生产设备落后,自动化控制水平低,仍然采用常规的继电器、接触器加模拟仪表控制方式,严重影响了水泥生产效率的提高。熟料粉和矿渣粉按照不同比例混合经搅拌机搅拌形成不同品种、不同等级的水泥。因此,水泥生产配料的合格率是影响水泥锻烧质量的重要因素。配料系统是实现生产过程控制和质量控制的关键环节。同时,它也是实现生产过程自动化、安全稳定生产和节能降耗的重要技术手段。所以,为了提高生产效率、降低能源消耗,必须加强对水泥配料生产过程的自动控制。计算机监控在生产过程中起着至关重要的作用,它提高了水泥生产的可靠性,降低了人为因素对生产造成的不利影响,同时还减少人力投入,降低人工成本。而且,如今工业生产的速变性、复杂性、连续性,都需要对生产过程进行快速、准确的控制。现代的先进的计算机控制系统能很好的完成此项任务。及时对参数的调整对生产过程的协调控制、对设备故障的快速检测等优点为先进的水泥生产管理提供了保障,为企业适应当前激烈的竞争增加了重要的砝码。1.2 水泥工业自动化的发展及现状自从1824年英国人阿斯普丁发明水泥以来,水泥工业经过了将近200年的发展,已经更加系统化、智能化、规模化。自动化在水泥工业的应用极大的促进了水泥的应用。水泥工业最初的控制基于传统仪表的模拟控制,产量很低。初步发展在20世纪70年代,当时工业自动化经过发展,基于生产过程的逻辑控制已经初步产生,由中央计算机控制模拟信号的输出来控制设备的自动运行。但过低的稳定性使水泥工业并不能完全大规模生产。不久可编程控制器(PLC)开始应用于工业生产的自动化领域,但早期的PLC只能进行简单的逻辑控制及定时、计数功能。唐 山 学 院 毕 业 设 计2集散型控制系统(DCS)的发展促进了水泥工业自动化的进程,但其昂贵的价格限制了其发展。随着计算机技术的发展,微处理器的引入使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能。在国内水泥工业自动控制领域, PLC控制生产工艺的方法占首要地位。于PLC控制相比纯DCS控制系统侧重于多种PID算法、比值控制、串级调节等功能,成本较高。而PLC以其极高的运算速度,小巧的体积,可靠的稳定性,极低的价格逐渐奠定了它在现代工业领域中的地位。未来水泥企业更加大型化、集团化、智能化,控制系统也应向简明化、集中化发展。实现统一的数据管理、通信管理、控制管理,而且系统网络的建立应该以互联网作为基础连接各站、节点,提高通讯速率。国内于1889在唐山开平煤矿附近建立第一个“细绵土”厂,即以后的启新洋灰公司。由于资金的缺少和国际环境的原因,中国水泥自动控制与发达国家相比发展很慢,现在的中小型水泥厂自动控制系统只是基于简单的继电器、接触器的PLC控制,自动化程度很低,从而造成污染严重,能耗较高,效率底下等问题。所以提高自动化程度是国内中小型水泥厂面临的严峻问题。随着计算机技术的快速发展,如今基于PLC的控制系统多采用“PLC+计算机组态画面显示”的方式来实现对工业生产的自动监控。基于PLC的自动控制系统以其低成本、高速率、范围广、永远在线和便捷的优点在工业自动控制中起到了越来越重要的作用。而组态监控软件的应用,是控制更加便捷,简明,迅速。如今对于整个控制过程中以开关量输入/输出约占75%的中小规模水泥厂来讲,从节省投资的角度来考虑,选择PLC+组态画面的控制系统是非常合理的。例如:目前700t/d的水泥采用PLC控制系统大约只需190万元,远远低于纯DCS的自动控制系统。这对于企业具有非常现实的经济意义。本系统以 S7-300 PLC 为核心,以工控机画面实现人机交互来完成对矿渣水泥生产过程的监测与控制,硬件结构简单,操作方便,抗干扰性强,控制安全可靠,调节灵活,且经济实用,具有广阔的应用前景。唐 山 学 院 毕 业 设 计32 文献综述2.1 现代监控系统 目 前 国 内 外 监 控 系 统 的 主 要 形 式 有 以 下 几 种 :1)一 般 集 散 控 制 系 统 (DCS)集 散 控 制 系 统 (DCS)在 工 控 系 统 中 应 用 较 多 。 其 以 集 中 管 理 、 集 中 操 作 、 功能 分 散 、 危 险 分 散 的 优 点 适 应 了 工 业 自 动 化 的 要 求 。 它 由 三 大 部 分 组 成 : 分散 过 程 控 制 装 置 、 集 中 管 理 装 置 和 通 信 系 统 。 DCS 与 生 产 过 程 之 间 通 过 分 散 过程 控 制 装 置 控 制 , 即 把 工 业 生 产 中 的 各 种 过 程 变 量 通 过 分 散 过 程 装 置 转 化 为 监控 数 据 , 而 操 控 的 各 种 指 令 也 通 过 分 散 过 程 控 制 装 置 送 达 到 各 个 执 行 机 构 。 集中 管 理 装 置 是 设 备 的 操 控 人 员 与 监 控 系 统 之 间 的 交 互 界 面 。 操 控 人 员 通 过 集 中管 理 装 置 来 了 解 生 产 过 程 的 运 行 状 况 , 并 通 过 它 向 生 产 过 程 发 出 操 作 指 令 。 而且 生 产 过 程 的 各 种 参 数 都 在 操 作 管 理 装 置 上 显 示 , 以 便 于 操 作 人 员 的 监 视 和 操作 。 通 信 系 统 起 沟 通 协 调 操 作 管 理 装 置 和 分 散 过 程 控 制 装 置 的 桥 梁 作 用 。DCS 控制系统的优点是控制功能强,可实现复杂的控制规律,如串级、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控制等,也可实现顺序控制。但 其 主 要 缺 点 DCS 种类 繁 多 , 不 同 的 厂 家 有 不 同 的 通 信 方 式 , 这 造 成 不 同 厂 家 的 DCS 之 间 难 以 实 现互 联 和 信 息 共 享 。 如 此 来 看 DCS 不 是 完 全 开 放 的 。 而 且 从 现 场 设 备 到 控 制 室 信号 电 缆 接 线 过 多 , 造 成 资 金 投 入 量 很 大 , 且 系 统 维 护 起 来 也 很 困 难 。2)基 于 工 控 机 (IPC)的 分 布 式 控 制 系 统基 于 IPC 的 分 布 式 控 制 系 统 结 构 往 往 采 用 嵌 入 式 结 构 特 点 , 并 结 合 Ethemet 技 术 构 成 分 布 式 网 络 , 实 现 模 块 化 和 组 合 化 。 在 硬 件 方 面 , 许 多 工 控 硬 件 公司 相 继 推 出 了 符 合 IPC 标 准 的 各 种 控 制 模 块 , 例 如 I/O 卡 、 A/D 卡 、 D/A 卡 等。 可 以 根 据 需 要 购 买 相 应 的 模 块 插 到 IPC 的 扩 展 槽 中 , 搭 建 起 自 己 的 工 业 控 制系 统 , 实 现 “即 插 即 用 ”(Plug and Play)。 在 软 件 方 面 , 国 际 、 国 内 有 众 多的 基 于 PC 机 平 台 的 工 控 软 件 , 如 InTouch 人 机 接 口 软 件 包 、 KingView 工 控 软件 包 、 WinCC 工 控 软 件 包 等 , 这 些 成 熟 的 工 控 软 件 极 大 地 节 省 了 工 控 应 用 软 件的 开 发 时 间 。 利 用 IPC 丰 富 的 软 硬 件 资 源 可 组 成 各 种 控 制 装 置 、 各 种 数 据 采 集装 置 和 计 算 机 监 控 系 统 等 。 应 该 说 IPC 是 分 布 式 控 制 系 统 的 理 想 平 台 之 一 , 但是 系 统 的 可 靠 性 不 高 , 一 旦 IPC 出 现 故 障 系 统 就 陷 入 瘫 痪 , 而 且 可 维 护 性 较 差。3) 基 于 一 般 PLC 的 自 动 控 制 系 统PLC控 制 系 统 从开关量控制发展到顺序控制、运算处理,是从下往上的。逻辑唐 山 学 院 毕 业 设 计4控制、数据控制、定时控制、步进(顺序)控制、 计数控制、连续PID控制。而且PLC具有数据处理能力、 通信和联网等多功能。可用一台PC机为主站,多台同型号PLC为从站,构成主从结构的PLC控制网络。缺点主要是控制功能单一,程序运行负担较重,人机交互苦难等问题。PLC系统与DCS系统的结构差异不大,只是在功能的着重点上的不同,DCS着重于闭环控制及数据处理。PLC着重于逻辑控制及开关量的控制,也可实现模拟量控制。4)基 于 IPC+PLC 的 分 布 式 控 制 系 统成 系 统 的 控 制 站 , IPC 构 成 系 统 的 操 作 站 。 过 程 的 数 据 采 集 和 过 程 控 制 都由 PLC 来 完 成 , IPC 完 成 数 据 显 示 、 人 机 界 面 操 作 和 对 整 个 工 艺 、 控 制 系 统 的管 理 , 以 及 报 表 打 印 等 , 这 种 方 式 结 合 上 述 两 种 方 案 的 优 点 。PLC 原 本 用 于 代 替 继 电 器 进 行 数 字 逻 辑 控 制 , 但 随 着 技 术 的 发 展 , 如 今 的PLC 己 经 具 备 模 拟 量 控 制 、 闭 环 PID 控 制 、 运 动 控 制 、 数 据 处 理 、 函 数 运 算 、通 信 连 网 等 功 能 , 其 高 度 的 可 靠 性 和 硬 件 组 态 的 灵 活 性 使 它 被 广 泛 地 应 用 于 工业 现 场 。 在 这 种 结 构 的 分 布 式 控 制 系 统 中 , PLC 一 般 用 于 底 层 的 数 据 采 集 和 过程 控 制 、 运 动 控 制 , 实 现 控 制 算 法 等 功 能 , 而 上 位 机 主 要 用 于 人 机 交 互 , 实 现数 据 显 示 、 工 艺 流 程 显 示 、 报 警 以 及 报 表 打 印 等 功 能 。 由 于 工 业 生 产 现 场 的 恶劣 环 境 需 要 控 制 系 统 能 够 稳 定 的 工 作 , 而 PLC 是 目 前 稳 定 性 最 高 的 。 所 以 这 种方 案 的 整 体 可 靠 性 是 最 高 的 , 且 系 统 在 功 能 和 结 构 上 是 分 层 分 布 的 , 这 是 目 前工 业 生 产 中 运 用 最 多 的 结 构 。5)基 于 IPC+PLC+现 场 总 线 的 分 布 式 控 制 系 统 ( FCS)FCS 是 由 DCS 与 PLC 发 展 而 来 , FCS 不 仅 具 备 DCS 与 PLC 的 特 点 , 而 且 跨出 了 革 命 性 的 一 步 。 与 传 统 的 基 于 PLC+PIC 的 分 布 式 控 制 系 统 相 比 , PLC 的 地位 和 作 用 都 发 生 了 改 变 。 在 传 统 的 分 布 式 控 制 系 统 中 , 所 有 控 制 功 能 无 论 是 最基 本 的 控 制 算 法 的 运 算 , 还 是 各 设 备 的 数 据 的 采 集 都 是 完 全 通 过 PLC 来 完 成 的, 这 导 致 其 程 序 运 行 负 担 很 重 。 而 现 场 总 线 的 引 入 , 使 底 层 的 传 感 器 、 执 行 器等 具 备 了 一 定 的 数 据 处 理 和 控 制 功 能 , 一 些 底 层 的 控 制 功 能 就 能 由 现 场 设 备 完成 , PLC 只 需 要 负 责 完 成 协 调 功 能 和 其 它 一 些 更 高 层 的 控 制 算 法 。FCS 具有很好的开放性、互操作性和互换性。关键三点是:(1)FCS 系统的核心是总线协议,即总线标准。采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号,减少大量导线,提高了可靠性和抗干扰能力。 (2)FCS 从传感器、变送器到调节器一直是数字信号,这就使我们很容易地处理更复杂、更精确的信号,FCS 系统的基础是数字智能装置。 (3)FCS 将 PID 控制彻底分散到现场设备(Field Device)中,即 FCS 系统的本质是信息处理现场化。这 种 结 构 适合于 I/O 点数多且分布分散唐 山 学 院 毕 业 设 计5、工艺比较复杂的工业控制过程,尤其是那些对各回路之间联系密切、协调性要求比较高以及有特殊控制要求的生产过程。2.2 水泥生产线自动控制系统设计思路及特点(1)利用集中控制系统对水泥生产线监控。其主要特点是由单一的计算机完成对水泥生产线设备自动控制的所有功能。其主要控制包括过程数据的输出输入、对控制回路的闭环控制、实时数据的处理与保存、历史数据处理与保存、历史数据库的管理、报警与日志记录、报表等。由于单一计算机执行的任务复杂繁重,可靠性很低。该种控制方法早已淘汰,不予考虑。(2)利用集散控制系统对水泥生产线监控,其主要特点是 1)针对过程量的输入、输出及控制过于集中的问题,设想使用多台计算机分担过程量的输入、输出和控制等功能,而且各台计算机的地位平等,在运行中互不依赖。这样如果有 1台计算机失效只会影响到自己所承担的那一部分功能,不会破坏整个系统。2)由于不同的计算机有自己不同的作用,使每台计算机的运行单一化,这样不仅提高了单台计算机的运行效率,还增加了软件的可靠性。3)随着科技的进步,控制系统同样需要改进和更新。计算机网络能够完成系统的更新问题,而且计算机网络设备相对简单、可靠、扩展性强、投资较小。(3)利用现场总线控制系统对水泥生产线监控,其主要特点是 1)能同时传送多个过程变量数据,可以实现整个水泥生产线的故障在线检测。2)用数字信号代替 420mA 模拟信号,提高了系统精度,而且把线性化、工程量转换、补偿校正、报警处理等功能赋于现场仪表,使现场仪表具有一定的可靠性和自主性。3)由于现场总线是双向传输的,所以可从中控室对现场仪表进行调整和标定。这种控制方案适用于现场设备类型多样、I/O 点数多且分布分散、PLC 程序设计繁重的复杂控制系统。针 对 水 泥 配 料 系 统 的 实 际 情 况 , 本 着 实 用 、 经 济 、 先 进 的 设 计 思 想 , 控 制系 统 不 仅 要 便 于 维 护 和 扩 展 , 还 应 设 有 各 种 权 限 , 避 免 无 关 人 员 的 误 操 作 而 引起 系 统 的 瘫 痪 。 综 合 以 上 考 虑 基 于 PLC+工 控 机 的 控 制 方 案 以 其 强 大 的 功 能 、 高度 的 稳 定 行 和 性 价 比 受 到 广 泛 应 用 。3 矿渣水泥生产线控制系统总体设计3.1 水泥生产的工艺介绍唐 山 学 院 毕 业 设 计6现 代 水 泥 生 产 一 般 分 为 主 要 包 括 矿 石 破 碎 及 预 均 化 、 生 料 的 制 备 、 水 泥 熟料 的 烧 成 、 水 泥 粉 磨 、 成 品 的 混 合 等 过 程 构 成 。 按 照 生 产 工 艺 流 程 可 分 为 以 下环 节 : 破 碎 及 预 均 化 、 生 料 制 备 、 水 泥 熟 料 的 烧 成 、 辅 助 原 料 制 备 、 水 泥 粉 磨( 石 膏 、 粉 煤 灰 等 ) 原 料 配 比 混 合 、 成 品 水 泥 入 库 。 由 于 水 泥 生 产 是 一 个 连续 的 过 程 , 生 产 线 上 主 要 物 料 运 输 设 备 出 现 故 障 都 会 造 成 整 个 生 产 环 节 的 停 产并 带 来 经 济 损 失 , 其 中 尤 其 以 烧 成 系 统 影 响 更 为 重 大 , 窑 的 停 产 不 仅 是 熟 料 产量 上 的 损 失 , 窑 恢 复 正 常 运 行 还 需 要 大 量 的 时 间 和 能 源 以 及 其 它 生 产 环 节 的 协调 。 因 此 保 证 运 输 系 统 安 全 稳 定 的 运 行 是 水 泥 生 产 的 关 键 。 另 外 水 泥 生 产线上的大型贵重机电设备保护亦非常重要。矿渣水泥是水泥中的一个重要品种,与 普 通 水 泥 相 比 它 可 以 配 制 高 强 、 高 性能 混 凝 土 ; 矿 渣 超 细 粉 混 凝 土 保 水 性 、 可 塑 性 好 , 泌 水 少 , 具 有 较 好 的 工 作 性 ;降 低 水 化 热 , 有 利 于 防 止 大 体 积 混 凝 土 内 部 温 升 引 起 的 裂 缝 ; 能 产 生 较 多 的 钙矾 石 结 晶 , 从 而 补 偿 因 混 凝 土 中 细 粉 过 多 而 引 起 的 干 缩 而 且 能 够 很 好 的 抵 抗海 水 侵 蚀 性 , 抗 碳 化 、 抗 碱 。 提 高 硬 化 混 凝 土 的 耐 久 性 、 耐 磨 性 及 经 济 性 。本设计主要介绍 烧制熟料与水泥辅料混合形成成品水泥的生产控制过程。矿渣水泥配料系统有水泥熟料库、矿渣辅料库、水泥成品库三个储库料仓,矿渣水泥的由水泥熟料+矿渣材料按一定的比例组成,经搅拌机搅拌后行成水泥成品。整个矿渣水泥生产线控制系统的工艺流程如图 1-1 所示。唐 山 学 院 毕 业 设 计7图 1-1 矿渣水泥生产线工艺流程图3.2 监控系统具体方案及其特点在 充 分 比 较 常 用 几 种 自 动 控 制 系 统 的 优 缺 点 后 , 结 合 水 泥 生 料 生 产 的 工 艺特 点 和 经 济 性 , 决 定 整 个 控 制 方 式 为 IPC(KingView 工 控 软 件 包 ) + PLC(带 模拟 量 输 入 输 出 模 块 )的 分 布 式 控 制 系 统 , 系 统 的 整 体 结 构 图 如 图 1-2 所 示 。该 控 制 系 统 在 总 体 上 采 用 层 次 化 结 构 , 将 整 个 系 统 自 下 而 上 分 为 3 个 层次 : 现 场 设 备 层 、 过 程 控 制 层 和 集 中 操 作 监 视 层 。 而 且 每 个 层 次 在 结 构 上 又 是横 向 分 散 的 , 具 有 良 好 的 可 扩 展 性 。 每 层 在 设 计 上 是 独 立 的 , 他 们 通 过 数 据 网络 构 成 一 个 有 机 的 整 体 。 其 中 集 中 操 作 控 制 层 由 上 位 机 对 整 个 生 产 过 程 进 行 实时 的 控 制 管 理 , 在 本 次 设 计 通 过 组 态 王 软 件 制 作 出 人 机 界 面 模 拟 现 场 以 利 于 更方 便 的 操 作 ; 过 程 控 制 层 即 中 间 站 , 实 质 是 中 央 控 制 机 与 下 位 机 之 间 的 通 讯 网络 , 具 有 定 址 双 向 通 讯 功 能 , 支 持 实 现 中 央 控 制 机 与 下 位 机 之 间 的 管 理 与 被 管理 、 监 控 与 被 监 控 的 关 系 ; 现 场 设 备 层 是 有 下 位 机 控 制 , 它 们 将 不 同 的 状 态 变换 成 标 准 的 电 信 号 送 到 过 程 控 制 站 , 同 时 接 收 PLC 发 出 的 各 种 控 制 信 号 , 实 现对 这 些 信 号 的 调 节 。图 1-2 系统总体框图上位机控制 打印显示RS485PLC 控制系统水泥运输称重配比矿渣运输成品入库唐 山 学 院 毕 业 设 计83.3 水泥生产的自动控制过程在整个配料系统为了防止物料的阻塞,电气设备启动停止顺序为逆序启动,顺序停车。即启动时从流程的最后设备开始启动,停止时从开始进料的设备依此顺序停车。具体停车、启动时各台运输设备中间的间隔时间可以在调试时进行确定。在本次设计中,把整个流程分为 4 个部分:A 是水泥熟料的运输区、B 区是辅料矿渣运输区、C 区是称重混合区、D 区是成品水泥运输入库区。具体流程步骤为:启动时首先 D 区开动时:打开电动阀门 Q7(电动机正转) 到达开限位 延时 20 秒 斗提 D2 启动 延时 20S 螺旋输送机 D1 启动。D 区设备正常开动完毕。然后 C 区搅拌机开始启动 延时 20S A,B 组设备顺序启动。A 区开动时:斗提 A2 启动 延时 20S 螺旋输送机 A1 启动 延时 20 秒打开电动阀门 Q2(电动机正转) 到达开限位。A 区设备正常开动完毕。B 区开动时:斗提 B2 启动 延时 20S 螺旋输送机 B1 启动 延时 20 秒打开电动阀门 Q1(电动机正转) 到达开限位。B 区设备正常开动完毕。正常工作过程即 C 区设备循环运行过程:称重表设皮重 K1=1 电磁阀 Q3 打开 达到第一个预定重量 K3=1 电磁阀 Q3 关闭 称重表通道转换 K2=1 电磁阀 Q4 打开 达到第二个预定重量 K3=1 电磁阀 Q4 关闭 称重库电磁阀Q5 打开电振机启动延时 40S电振机停止 称重库电磁阀 Q5 关闭延时 2分钟电磁阀门 Q6 打开延时 40 秒电磁阀门 Q6 关闭同时称重表设皮重 K1=1,行成一个循环。混料过程就是 C 区设备循环往复启动停止过程。停止时首先是 A,B 区设备顺序停止:A 区设备首先关闭电动阀门 Q1(电动机反转)达到关限位延时 20S螺旋输送机 A1 停止延时 20S斗提 A2 停止。A 区设备正常关闭完毕。B 区设备以相同的步骤停止。当 A,B 区设备全部停止后延时 5 分钟C 区搅拌机停止。C 区设备停止完毕。D 区设备停止时:螺旋输送机 D1 停止延时 20S斗提 D2 停止延时 20S关闭电动阀门 Q7(电动机反转)达到关限位。D 区设备关闭完毕,在结束总电源。A、B、C、D 四个区共有 11 台驱动电机,每台驱动电动机都设有一个速度继电器进行故障检测。在运行过程中,无论 AD 区中任何一台电机出现故障,系统都唐 山 学 院 毕 业 设 计9会正常停车。手动操作:每台设备既能自动控制也能现场手动控制,通过转换开关进行自动、手动切换,所有设备都要求能在现场进行手动操作。4 监控系统硬件设计4.1 可编程控制器的选择4.1.1 PLC 的系统组成以及各部分的作用PLC 在生产中是一种通用的工业控制装置,其结构与一般的计算机系统基本相同。按结构形式的不同,PLC 可分为组合式和整体式。组合式 PLC 将 CPU 单元、输入单元、输出单元、I/0 单元、通信单元等做成相应的模块,各模块插在底板的插槽上,而且模块之间通过底板上的总线相连。底板上有电源接口。装有 CPU 单元的底板称为 CUP 底板,其它得称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接。无论实际需要哪种类型的 PLC,都可以根据需要进行组装配合。组合式 PLC 主要是由电源、CPU、存储器和专门设计的 I/O 接口电路等组成。整体式 PLC 是将中央处理器(CPU)、电源、存储器、输入/输出单元、通信接口等组成一个整体,称为主机。另外主机还可以和独立的 I/O 扩展单元配合使用。主机中,CPU 是 PLC 的核心,I/O 单元是连接 CPU 与现场设备之间利用 I/O 单元连接,PLC 与编程器和上位机等外部设备通过通信接口连接连接。4.1.2 PLC 具体型号的选择本次设计 PLC 型号-Siemens S7-300在 PLC 选型时要知道,整体式的 PLC 一般适用于工艺流程相对固定、维修量小、环境条件好的小型控制系统;模块结构的 PLC 适用于工艺流程复杂、维修量大、环境条件差的大型控制系统。根据控制系统的要求考虑需要实现的功能,选择低档机、中档机还是高档。而且最好选择一款自己比较熟悉且性价比比较高的机型。而且,还要考虑 I/O 点数的要求,一般在确定控制系统必须的 I/O 点数后,还需要有 15%-20%备用点数。同时,还要考虑 PLC 的存储容量,一般用户的存储容量=开关量输入点数10+开关量输出点数5+模拟量输入/输出点数100 字节,唐 山 学 院 毕 业 设 计10还要留有 30%左右的的余量。如果 I/O 点数不够,可以酌情扩展模块。在综合考虑各大公司的主流 PLC 产品的性能和价格后,决定选用 SIEMENS 公司的 S7-300 系列 PLC 作为所选设备。SIEMENS 公司生产的 SIMATICS7-300 系列可编程控制器是西门子生产的中小规模控制核心,是其集成与开放特性的重要体现。模块化结构,高速指令运算速度;而且集联网通讯、故障自诊断于一身,取得了业绩公认的成就,完全能满足中等规模生产的控制要求。西 门 子 PLCS7-300 系 列 PLC 为 还 提 供 了 种 类 丰 富 的 扩 展 模 块 , 例 如 单 独 的 输 入 模 块EM321( 8/16/32 路 扩 展 输 入 ) 、 单 独 的 输 出 模 块 EM322( 8/16/32 路 扩 展 输 出 )、 I/O 混 合 模 块 EM323( 具有 8I/O、16 I/O、 32 I/O 等多种配置) 还 有 SM 327( 具 有 8 点 输 入 + 8 点 输 入 或 输 出 ) 各 不 同 扩 展 模 块 。 其 具 体 性 能 见 表 4-1。表 4-1 数字量模块性能一览表数字量模块型号 EM321 EM322 EM323输入点数/点 32 无 8/16输出点数/点 无 32 8/16功耗典型值 6.5W 6.6W 3.5W/6.5W输入电压 24V DC 30V DC(最大)输出电压 24V DC20.4V22.8V DC 或5V30V DC、 20V250V AC电缆长度(屏蔽/不屏蔽)/m 1000/600 1000/600 1000/600输出类型 DC 输出/继电器输出 DC 输出/继电器输出电能消耗(+5V DC)/mA 15 110 40/80本 次 设 计 共有 70 个数字量输入点,23 个数字量输出点,即系统有 3 个 SM321数字量输入模块、1 个 SM322 数字量输出模块。4.2 上位机的介绍唐 山 学 院 毕 业 设 计114.2.1 上位机在控制系统中的作用上位机是指集中管理操作的计算机,一般是 PC,用来显示各种数据的变化如液压,水位,温度等。控制系统对上位机的要求如下:(1)能够对 PLC 进行控制管理。上位机与 PLC 之间通过通讯网络连接,通过获得的生产现场数据,判断各台生产设备的运行清况,并在电脑屏幕上显示出来。而且可以之间向 PLC 发出指令,改变现场设备的工作状况。(2)监控整个生产过程,能够及时发现故障并进行报警。在人机界面上标准故障发生的地点及时间,最好能分析故障发生的原因并给出解决方法。(3)能对各种生产过程中的数据进行记录并统计成表格,方便查阅与打印。(4)具有简单明了的操作界面,方便操作人员的学习与控制。(5)容错性能好。对于一般常识型误操作能够不予响应,并提出警告。防止无关人员的误操作。4.2.2 上位机的选择本次设计上位机选用工程控制机一、工控机简介工控机(Industrial Personal ComputerIPC)是一种加固的增强型个人计算机,它可以作为一个工业控制器,在工业环境中可靠运行。工控机最早在 80 年代有美国 AD 公司发明,后来美国 IBM 公司正式推出个人工业计算机 IBM7532。IPC以其强大的功能、低廉的价格、可靠的性能而受到了日趋广泛的应用。二、工控机特点工控机与普通计算机相比的特点为:机箱一般为全钢结构,防止工业现在的强烈震动和冲击;采用专用电源和底板,具有很高的抗电磁干扰能力,以及长时间连续工作能力;机箱为标准的 4U 机箱,便于安装。本设计中选用工业控制机 IPC-610-H 4U 架式标准工控机箱作为上位机,在工控机上安装组态王 6.53,监控整个生产过程。4.3 通讯网络的介绍本设计采用最简单的串口通信方式,组态王把每个与之连接的通讯设备都看做外部设备。 工控机发出控制指令给 PLC,而 PLC 同时把现场设备的工作状态反馈给工控机。所以在 CPU 的主机架内,插入串行通展模块,用电缆将其与工控机的 COM 口连接起来,实现两者之间的数据交换。唐 山 学 院 毕 业 设 计12串行通讯标准 RS-485 的特点RS-485 协议最高数据传输速率为 10Mbps,最大传输距离为 3000m。其电气特性中,逻辑“1”表示两线间的电压差为+(26)V;逻辑“0”表示两线间的电压差为-(26)V。而且次电平与 TTL 电平兼容,能够与 TTL 电路连接。其接口采用差分接收器和平衡驱动器的组合,能够很好的抵抗共模干扰引起的噪声,而且可以连接多个收发器,故可以方便的建立起网络。 RS-485 接口具有很好的抗噪声的干扰性,较长的传输距离和传输速率等上述优点符合本次设计的要求。4.4 系统生产设备的简介4.4.1 螺旋输送机的选型螺旋输送机是一种连续输送设备广泛应用于水泥、化工、冶金工业企业和粮食加工、粮食谷物仓储、建筑工程等行业的散状物料的输送。适用于水平或倾斜输送粉状、粒状和小块状物料,如煤矿、灰、渣、水泥、粮食等,但不适用于粘度大、易结块物料的运输。与其它运输设备相比,螺旋输送机具有运行平稳可靠,密封性能好,维修简便等优点,在工业生产中受到广泛的应用。本设计要求螺旋输送机能够水平连续输送粉、粒体物料,选用的螺旋输送机型号为 DLS300,其最长输送距离为 4m,螺旋直径为 300mm,电机型号为 Y112S-4,功率 5.5Kw,转速 1440r/min,额定电流 11.6A,额定电压 380V。4.4.2 斗式提升机的选型斗式提升机用于垂直输送颗粒、粉末及小块状的物料。设备驱动功率小,提升高度高,提升量大。因此广泛应用于化工、粮食、饲料、矿山等行业。本设计选用 HL400 斗式提升机,它是一种环链离心斗式提升机,主要应用于颗粒、粉末状和小块物料的输送。它具有占地面积小,提升量大,提升高度大,密封性良好等优点。所以广泛应用于煤、矿渣、石灰石、水泥等的提升运输。HL400 斗式提升机的料斗容量为 10L,斗间距离为 600mm,料斗运行速度1.25m/s。电机型号 Y160M-4,功率为 15KW,转速 1480r/min,额定电流 20.9A,额定电压 380V。4.4.3 搅拌机的选型唐 山 学 院 毕 业 设 计13搅 拌 机 , 是 一 种 带 叶 片 的 轴 在 圆 筒 或 槽 中 旋 转 , 用 以 混 合 或 揉 和 物 质 、 增加 药 剂 作 用 反 应 时 间 的 设 备 。 搅 拌 机 适 用 于 选 矿 业 , 也 可 用 于 作 各 种 化 工 业的 配 料 搅 拌 。搅 拌 机 的 生 产 率 Q 按 下 式 计 算 : Q 3.6VK/T1*T2*T3( m3/h) 式 中 T1、 T2、 T3分 别 为 装 料 、 搅 拌 、 卸 料 时 间 ( S) ; V搅 拌 机 出 料 容 量 ; K每 循 环 工 作 时 间 的 利 用 系 数 。考虑到本设计对水泥混凝土搅拌机的要求,选择 JS500 型号混凝土搅拌机。电动机型号为 Y180M-4,功率为 18KW,转速为 1470r/min,额定电流 35.9A。配用接触器型号 GJ20-63。4.4.4 电振机的选型电振机能够把颗粒状,粉末状的物料从储料仓中连续均匀的输送到运输机或粉碎机中,因此广泛应用于矿山、粮食、煤矿等行业中。尤其适用于工业配料,定量包装等系统。振动电机是振动源与动力源结合为一体的激振源,振动电机在转子轴两端各安装一组可调偏心块,当启动时轴及偏心块高速旋转从而产生离心力使设备得到激振力。本次设计选用电振机型号为 JSO-50-4,激振力 50KN, 额定功率 2.2KW,额定电流 6.96A。4.4.5 称重表的选型一、简介称重仪表也叫称重显示控制仪表,是将称重传感器信号转换为重量数字在屏幕中显示,并可对重量数据进行储存、输出的电子设备,常用于工业生产中的自动化配料中,能够提高生产效率。各个厂家制造的称重仪表各不相同,内部使用的集成电路芯片也多种多样的,但基本功能都差不多。其内部一般由以下几个模块组成:电源模块、CPU 模块、 A/D 转换模块、键盘显示模块、I/O 模块、通讯模块等。 二、分类图 4-1 8100 系列称重仪表唐 山 学 院 毕 业 设 计14称重仪表一般可分为:开环控制型和闭环控制型。 开环控制型称重仪表只有称重显示功能,不具有 I/O 功能,主要用于地上衡、台秤等只要求显示重量的衡器。 闭环控制型仪表不仅具有 I/O 电路,它可以根据所称物料重量的大小来控制外部设备的工作状态。这类仪表主要用于定量包装秤、定量灌装秤、配料系统等带有外部执行机构的工业衡器。 本设计选用的是闭环控制型称重仪表 8100 系列,其能同时称重 2 中物料,可以设定 2 个重量值,当称重表到达第一个设定值时,称重表可以输出一个信号并且继续称重另外一种物料。高速采样速率为 200 次/秒,满足设计要求。4.4.6 各种低压电器的选型(1)熔断器的选择熔断器是一种利用金属导体为熔体串联于电路中,当过载或短路导致电流过大时,金属导体自身发热而熔断,从而使电路断开。能够起到电路保护的作用。在选择熔断器时,必须考虑熔断器的额定电压必须等于或高于熔断器安装处的电路额定电压,电路保护用为使设备正常运行,熔断器熔体的额定电流一般为电动机额定电流的 1.52.5 倍,但是其极限分辨能力必须大于电路中可能出现的最大故障电流。本次设计熔断器选用 RT16 系列 RT16-000 型号。该型号熔断器的熔断体额定电流范围为 4100A,额定电压为 500V,可以满足设计的需要(除搅拌机配用熔断器 RL1-100,熔体电流 100A) 。(2)接触器的选用接触器用于带有负载主电路的自动接通或切断电流。 选择接触器主要考虑额定操作频率,即每小时接通的次数;额定电压和电流必须等于或稍大于负载电路。本系统中采用 CJ10 系列交流接触器
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