基于NetLinx网络的混矿流量控制系统设计课程设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 plcplc技术及应用技术及应用课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 基于基于netlinxnetlinx网络的混矿流量控制系统设计网络的混矿流量控制系统设计 本科生课程设计（论文） i 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级自动化102 课程设计 （论文）题 目 基于netlinx网络的混矿流量控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能：课题完成的功能： 在氧化铝生料浆配料过程中，需要将混矿原料输送到球磨机中。采用罗克韦 尔公司的netlinx三层网络完成混矿流量的控制系统设计，该控制系统的功能 包括： 1、实现皮带秤的启停功能； 2、实现联锁功能； 3、实现混矿流量的控制功能。 设计任务及要求：设计任务及要求： 1、控制系统采用罗克韦尔公司的netlinx三层网络； 2、完成 ethernet, controlnet, devicenet网络结构的配置和规划； 3、完成方案设计和i/o分配表； 4、完成硬件设计和软件编程； 5、离线运 行分析； 6、撰写课程设计论文 技术参数：技术参数： 1、电动机的额定功率22kw，额定电压380v，额定电流7a，额定转速 1450rpm。 2、混矿的流量范围为 60-80t/h；流量信号变化范围，420ma。 进度计划 1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2天） ； 2、设计系统的结构原理图（1天） ； 3、仪表、控制系统等设备的选型（1天） ； 4、程序开发（4天） ； 5、撰写课设论文（1天） ； 6、设计结果考核（1天） ； 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） ii 摘 要 生料浆配料过程是将赤泥浆、碱粉、混矿以及石灰石四种原料输送入磨机中，进行 混合、研磨后形成钙比、碱比以及水分等质量指标合格的生料浆。其中混矿是一个很重 要的过程，在氧化铝生料浆配料过程中，需要将混矿原料输送到球磨机中。本文采用罗 克韦尔公司的netlinx三层网络，以controllogix plc为控制器，采用powerflex40变频 器控制电动机。通过rslogix5000编程软件完成程序审计，将流量计检测到的混矿流量反 馈给plc，通过pid调节输出给变频器控制电动机转速。 其中，电动机的额定功率 22kw，额定电压 380v，额定电流 7a，额定转速 1450rpm； 同时，碱粉的流量范围为 20-40t/h，赤泥浆流量范围为 60-80t/h。最后通过 rslogix 5000 完成梯形图编写。同时实现了皮带秤的启停功能及联锁功能，最后通过离线运行检 验系统设计。 关键词：混矿；pid；netlinx；controllogix 本科生课程设计（论文） iii 目 录 第 1 章 绪论.1 第 2 章 课程设计的方案.2 2.1 概述 2 2.2 设计方案 4 第 3 章 系统硬件设计.5 3.1 控制器选择 5 3.2 流量计及变频器 7 3.3 变频器选择 7 3.4 controlnet控制网络.8 3.5 i/o 地址及接线图.9 第 4 章 软件设计.10 4.1 流程图 10 4.2 pid 参数设置11 4.3 程序编写 13 4.3.1 混矿皮带秤的启停.13 4.3.2 混矿流量控制.13 第 5 章 课程设计总结.15 参考文献.16 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 在烧结法氧化铝的配料过程中，配制生料浆的原料主要有：铝土矿、石灰 (或石渣)、生料煤、碱粉(纯碱)、返回碱液以及生产过程中进入的污水等。其中 铝 土矿包括普矿和高铝矿、高铁矿、低铝矿三种调整矿；返回碱液是后续工艺返回 的碳分母液和硅渣的混合浆液。它们的化学成分主要是氧化铝、氧化硅、氧化铁、 氧化钙、氧化钠和固定碳等。 生料浆配料是氧化铝生产过程的重要工序，也是氧化铝生产的能耗大户，在 要求生料浆配料稳产、高产和质优的基础上，降低碱耗，节约电能，对提高企业 的经济效益与社会效益有着十分重要的意义。 为了使生料浆的碱比控制趋于合 理，针对现有加碱系统的状况，需要对目前的加碱方式进行改造，将螺旋给料机 改为皮带秤。改为皮带秤的好处是加碱量可按工艺要求严格控制，得以提高、稳 定一次合格率，但需增加一台皮带秤，同时要对加碱仓及相关设备进行改造。 由于生料浆配料过程具有上述综合复杂特性，因此难以采用现有的控制方法对生 料浆的钙比、碱比、水分指标和磨机负荷状态进行控制，目前采用人工操作方式， 更多的是依赖于操作员在配料过程中的大量工作，依赖于操作员的经验是否合理 以及操作是否精心，所以目前的控制现状非常落后。为了满足工艺要求和实现控 制目标，不仅需要操作员对配料过程中的各种信息进行判断和决策后给出适当的 赤泥浆流量设定值、碱粉流量设定值、各台磨机的混矿流量设定值、石灰石流量 设定值和碱赤泥浆流量设定值，还需要对各个流量调节过程进行手动调整。 在氧化铝的生产工艺中，生料浆的制备是烧结法生产中的一项最重要工序之 一，生料浆的各项指标：水分、细度、碱比、钙比、铝硅比等能否满足生产要求， 将直接影响熟料的质量、窑的产能、窑的热工制度及操作、熟料中氧化钠、氧化 铝的溶出率和沉降槽的操作。生料浆生产过程中，由于原来的取样、检测手段落 后：样品人工化学分析的精度不高，时间较长（约两个小时），导致不能及时准 确地调整原料配比，人工调节下料量准确性差，造成一次配料合格率不高，二次 调配工作量大，操作工作量大，劳动强度高，严重制约了生料浆合格率的提高和 成份的稳定，进而影响着氧化铝的产量及其技术经济指标。 配料作为氧化铝生产的第一道工序， 配制生料浆指标的好坏直接关系到熟 料质量的高低，“配料是基础， 烧结是关键”的思想已是广大科技人员的共识。 本科生课程设计（论文） 2 基于规则的专家系统相对于传统手工计算配比方法，提高了计算速度和配比精度。 但专家系统的知识瓶颈问题使得系统扩展性差，不能适应生产工序变化。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 目前，中铝集团中州分公司的配料工艺流程如图21所示，配制合格生料浆 主要分为调整配比和三次调配两大过程，分别有四个工作岗位(饲料岗位、磨房 岗位、槽上岗位、值班长岗位)完成。 (1)调整配比。调整配比由饲料岗位和磨房岗位负责，饲料岗位主要负责固体物 料的下料，磨房岗位主要负责碱液的流量和磨机的开停。在配制生料浆的过程中， 饲料岗位工作人员根据槽上岗位下达的c指令(c指令指生料浆干物中cao的百分含 量)和入磨物料成分，确定各种固体物料下料量，并稳定下料量，另还根据磨工 通知及时调整和稳定下料量，包括补充碱粉保证碱平衡；磨房岗位在n指令(n指 令指生料浆干物中na20的百分含量)指标下，调整碱液量或下达调整下料量通知 来控制和稳定生料浆水分，另还结合细度和磨机状况，稳定磨机产能。配比调整 后，各原料按一定的配比送入管磨机进行湿磨，然后经溜槽混合，流入缓冲槽。 缓冲槽共有六个，其中1群、2撑、3舟管磨机磨制的生料浆混合后流入三个西缓 冲槽，而错、5撑、甜、7撑管磨机磨制的生料浆混合后流入三个东缓冲槽，准备 进行生料浆的三次调配。 (2)三次调配。由于配比调整的滞后，从管磨机出来的生料浆往往难以满足 指标要求，一般要进行三次调配才能合格。生料浆的三次调配过程主要由槽 上岗位负责，槽上岗位工作人员根据入磨物料成分及返回物料量不同，通过生、 熟料指标的对应关系分析，针对熟料指标要求，结合当前生料浆成分情况，确定 入a、b、k槽的料浆指标，并向饲料、磨房岗位下达c和n指令。三次调配的过程 为：六个缓冲槽内的生料浆通过缓冲泵打到a槽分料箱内，进行第一次调配，然 后分配到16个a槽中；若a槽中的生料浆质量相互间有波动，但通过相互混合可基 本满足质量要求，则将几个a槽的生料浆相互混合后入b槽，进行二次调配；9对 于24个b槽的生料浆，通过三次调配进行微调后可基本认为合格，送往熟料窑烧 结。 生料浆配料是氧化铝生产过程的重要工序，也是氧化铝生产的能耗大户，在 要求生料浆配料稳产、高产和质优的基础上，降低碱耗，节约电能，对提高企业 的经济效益与社会效益有着十分重要的意义。 为了使生料浆的碱比控制趋于合 理，针对现有加碱系统的状况，需要对目前的加碱方式进行改造，将螺旋给料机 本科生课程设计（论文） 4 改为皮带秤。改为皮带秤的好处是加碱量可按工艺要求严格控制，得以提高、稳 定一次合格率，但需增加一台皮带秤，同时要对加碱仓及相关设备进行改造。 由于生料浆配料过程具有上述综合复杂特性，因此难以采用现有的控制方法对生 料浆的钙比、碱比、水分指标和磨机负荷状态进行控制，目前采用人工操作方式， 更多的是依赖于操作员在配料过程中的大量工作，依赖于操作员的经验是否合理 以及操作是否精心，所以目前的控制现状非常落后。为了满足工艺要求和实现控 制目标，不仅需要操作员对配料过程中的各种信息进行判断和决策后给出适当的 赤泥浆流量设定值、碱粉流量设定值、各台磨机的混矿流量设定值、石灰石流量 设定值和碱赤泥浆流量设定值，还需要对各个流量调节过程进行手动调整。 在氧化铝的生产工艺中，生料浆的制备是烧结法生产中的一项最重要工序之一， 生料浆的各项指标：水分、细度、碱比、钙比、铝硅比等能否满足生产要求，将 直接影响熟料的质量、窑的产能、窑的热工制度及操作、熟料中氧化钠、氧化铝 的溶出率和沉降槽的操作。生料浆生产过程中，由于原来的取样、检测手段落后： 样品人工化学分析的精度不高，时间较长（约两个小时），导致不能及时准确地 调整原料配比，人工调节下料量准确性差，造成一次配料合格率不高，二次调配 工作量大，操作工作量大，劳动强度高，严重制约了生料浆合格率的提高和成份 的稳定，进而影响着氧化铝的产量及其技术经济指标。 配料作为氧化铝生产的第一道工序， 配制生料浆指标的好坏直接关系到熟 料质量的高低，“配料是基础， 烧结是关键”的思想已是广大科技人员的共识。 基于规则的专家系统相对于传统手工计算配比方法，提高了计算速度和配比精度。 但专家系统的知识瓶颈问题使得系统扩展性差，不能适应生产工序变化。 碱粉铝土矿石灰煤碱液槽 螺旋输送机建业泵皮带输送机 管磨机 溜槽 缓冲槽 缓冲泵 本科生课程设计（论文） 5 图2.1 配料工艺流程 2.2 设计方案 本系统采用罗克韦尔公司的 contrologix 为控制器，采用 powerflex40 变频器 控制电动机。其中，电动机的额定功率 22kw，额定电压 380v，额定电流 7a， 额定转速 1450rpm；同时，混矿的流量范围为 60-80t/h。最后通过 rslogix 5000 完成梯形图编写。 本次课程设计主要是运用工业控制网络及 plc 等相关知识， 设计混矿流量控制系统。在氧化铝生料浆配料过程中，需要将混矿原料输送到球 磨机中。本文采用罗克韦尔公司的 netlinx 三层网络，以 controllogix plc 为控 制器，将流量计检测到的混矿流量反馈给 plc，通过 pid 调节输出给变频器控制 电动机转速。同时实现了皮带秤的启停功能及联锁功能，最后通过离线运行检验 系统设计。 图 2.2 为混矿系统的结构框图 contrologix 控制器 皮带秤状态 皮带秤 变频器 混矿流量 图 2.2 混矿系统的结构框图 本科生课程设计（论文） 6 第 3 章 系统硬件设计 3.1 控制器选择 rockwell 内有三种控制器分别为 compactlogix，flexlogix，controllogix。 compactlogix 提供了一个从单机到分布式应用系统的 logix 解决方，案。其 中 1769-l35e 控制器不仅具有增强的处理性能，支持多达 30 个的本块 1769 i/o 模块，还内置有可进行实时 i/o 控制的 100mbps ethernet/ip 网络接口，与包括 1769 i/o 模块在内的多种 i/o 模块在内的多种 i/o 模块一起实现分布式 i/o 扩展。 一个最简单的 compactlogix 单机系统可以只由一个独立的控制器一组 i/o 模 块和电源组成。 compactlogix 控制器可与其他控制器一起构成分布式控制系统： 多个控制 器通过网络连接在一起，进行通讯和数据共享。 每个 compactlogix 控制器可以 通过 devicenet 或 ethernet/ip（仅 1769-l3xe 控制器） ，使用各种不同系列的 i/o 进行分布式扩展。对于 1769compact i/o 每个 i/o 站可支持最多 3 个 i/o 模块组， 最多 30 个模块。 支持多层网络的无缝集成和数据路由。这意味着用户可以方便地自动实现跨 多层网络的远程设备访问，组态和诊断。例如：在控制室布置的 1769- l35e compactlogix 控制器，通过 devicenet 现场总线连接现场的变频器、软启 动、行程开关等智能设备，通过 ethernet/ip 连接上位机。则用户无需附加编程， 即可在上位机上直接对布置在现场的变频器进行远程组态。 flexlogix 系统为工业控制提供了分散控制的方法。不仅 i/o 点能被分散到 传感器执行器件附近，处理器也可分散到部分的 flex,flex ex,flex 集成 i/o 模块 以上，远程控制其他的 i/o 模块。flexlogix 处理器可以与网络连接，用于分布式 处理及分布式 i/o。flexlogix 系统是 logix 平台和罗克韦尔自动化集成架构的一 部分，意味着你可以最大程度地利用控制集成，程序重用，通讯灵活，使用方便， 所以你无需花费太多精力在设置，操作及维护上。 controllogix 系统采用了模块化的设计，并且模块种类不仅包括模拟量、数 字量这些不同模块，而且还有专门的运动控制模块及相应的全套的运动控制指令。 这就可以为工业控制提供种非常灵活并十分完整控制方案。控制器采用 controllogix 作为 plc，无论是高速离散控制、复杂过程控制、伺服控制，还是 本科生课程设计（论文） 7 高速传动控制等各种应用，借助单一的 controllogix 平台，用户只需掌握一种编 程软件，就能根据应用要求的不同，选择标准模块，选择标准工业网络/总线得到 所需的控制系统，如顺控/安全连锁系统、伺服控制系统、分布式控制系统 （dcs） 、高速传动控制系统以及数据采集监控系统（scada）等5。 controllogix 平台不仅技术领先，而且在烟草、消费品制造、冶金、电力6、石化、 油气输送、造纸、水处理、地铁、矿山以及汽车等各个行业中都有许多成功的应 用。 controllogix 平台主要特点如下： 所有模块均可带电插拔； 用户通过软件刷新即可实现包括处理器在内的各种模块的升级； 功能强大的 logix 处理器 处理器具有高速程序及数据处理能力，1k 指令仅需 0.06 毫秒； 单个处理器最多支持：128000 开关量或 4000 模拟量。 用户无需换处理器，通过替换更大容量的内存即可扩充系统处理能力； 本身提供电池后备，从机架取出处理器后仍可保持数据不丢失； iec1131-3 全面支持 实时多任务系统内核：多达 32 个任务，包括 1 个连续任务以及 31 个周期任 务； 有 15 个优先级可选以保证重要任务优先。每个任务中可编制 32 个主程序， 并分别拥有单独数据区。 本系统采用 controllogix 作为控制器，采用设备网模块，使用 1769iq32 作为 数字量输入模块，采用 1769ob16 和 1769ob32 模块为数字输出模块，以及模拟 量输入、输出模块各一个。 其系统硬件图如图 3.1。 图 3.1 控制器图 本科生课程设计（论文） 8 3.2 流量计及变频器 流量计的类型分为差压式，容积式，涡轮流量计及电磁流量计。 差压式流量计应用范围特别广泛。在封闭管道的流量测量中各种对象都有应 用。如流体 方面：单相、混相、洁净、脏污、粘性流等；工作状态方面：常压、 高压、真空、常温、高温、低温等；管径方面：从几 mm 到几 m；流动条件方面： 亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的 1/41/3。 容积式流量计按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双 转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量 计、湿式气量计及膜式气量计等。 涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用：石油、有机液体、无机液、 液化气、天然气和低温流体统在欧洲和美国，涡轮流量计在用量上是仅次于孔板 流量计的天然计量仪表，仅荷兰在天然气管线上就采用了 2600 多台各种尺寸， 压力从 0.86.5mpa 的气体涡轮流量计，它们已成为优良的天然气计量仪表。 电磁流量计应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程；中小口径常 用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测量纸浆液 和黑液，化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；小口径、微小口径常用于 医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。 根据应用场合我们检测混矿流量使用电磁流量计，电磁流量计在矿浆测量方 面有着很多的应用实例，测量效果比较可靠的。采用的为 e+h 的 promag 53p 电 磁流量计。 3.3 变频器选择 电动机所带动的负载不一样，对变频器的要求也不一样。 1a:风机和水泵是最普通的负载：对变频器的要求最为简单，只要变频器 容量等于电动机容量即可（空压机、深水泵、泥沙泵、快速变化的音乐喷泉需加 大容量） 。 b:起重机类负载：这类负载的特点是启动时冲击很大，因此要求变频器有一 定余量。同时，在重物下放肘，会有能量回馈，因此要使用制动单元或采用共用 母线方式。 c:不均行负载：有的负载有时轻，有时重，此时应按照重负载的情况来选择 本科生课程设计（论文） 9 变频器容量，例如轧钢机机械、粉碎机械、搅拌机等。 d:大惯性负载：如离心机、冲床、水泥厂的旋转窑，此类负载惯性很大，因 此启动时可能会振荡，电动机减速时有能量回馈。应该用容量稍大的变频器来加 快启动，避免振荡。配合制动单元消除回馈电能。 2.长期低速动转，由于电机发热量较高，风扇冷却能力降低，因此必须采用 加大减速比的方式或改用 6 级电机，使电机运转在较高频率附近。 3.变频器安装地点必需符合标准环境的要求，否则易引起故障或缩短使用寿 命；变频器与驱动马达之间的距离一般不超过 50 米，若需更长的距离则需降低 载波频率或增加输出电抗器选件才能正常运转。 根据电机的负载等因素本文采用常见的 ab powerflex40 系列 3.4 controlnet 控制网络 controllogix控制器的controlnet网络结构罗克韦尔自动化的a - b 品牌可 编程控制器（plc）controllogix 机架具有有各种网络的通信接口。 其中它的 controlnet 网络结构如图3.2所示。本文采用的controllogix机架共有13个插槽,包 括一个logix5555cpu,1756-enbt,1756-cnbr,1756-dnb扫描模块各一个,以及一些 输入输出模块。它支持热插拔技术,并且controllogix5555可以选择混合网络 通讯以满足应用需。1756-cnbr 为controllogix与controlnet网络接口的信息转换 模块。controllogix5555cpu可通过该模块接入controlnet网络。 1756-enbt 1756-cnbr 1756-dnb 其他模块 logix5555cpu a链路 b链路 controlnet controlnet 图 3.2 网络结构 本科生课程设计（论文） 10 与controlnet网络连接的所有模块一般有2个独立的controlnet 通道a 和b， 可连接2 个独立的链路，每条介质链路上支持99 个节点，可实现介质冗余，也 可实现处理器模块的冗余。在通信和控制时，冗余的两个链路及处理器模块都在 同时起相同的作用，当a 链路出现故障时，b 链路仍起通信和控制作用，当一个 处理器出现故障时，另一个冗余处理器则承担任务。因此这种处理器冗余方式解 决了普通热备系统发生故障时存在几十毫秒的切换时间问题，保证了控制的实时 性和可靠性。 3.5 i/o 地址及接线图 由于存在联锁，必须是碱粉皮带秤与赤泥浆泵都正常启动后，混矿皮带秤才 启动。若碱粉皮带秤或赤泥浆泵停止，混矿皮带秤立即停止。此次用了四个数字 量输入四个数字量输出及一个模拟量输入一个模拟量输出输入。系统的 i/o 分配 见表 3.1。 表 3.1 i/o 地址接线表 数字量输入数字量输出 i/o 分配功能i/o 分配功能 i1.1 碱粉皮带启动 o4.0 混矿皮带秤 i1.17 碱粉皮带停止 o3.4 黄灯（检测碱粉启动） i1.10 赤泥浆泵启动 o3.2 红灯（检测赤泥启动） i1.2 赤泥浆泵停止 o3.6 绿灯（混矿正常运行） 模拟量输入模拟量输出 i.ch0data 混矿流量计 o.ch0data 混矿流量输出 本科生课程设计（论文） 11 第 4 章 软件设计 4.1 流程图流程图 开始 碱粉皮带启动赤泥浆泵启动 是否都启动 混矿皮带启动 6080t/h？ pid调节 结束 是 否 否否 是 图 4.1 混矿控制系统流程图 本科生课程设计（论文） 12 4.2 程序编写 4.2.1 混矿皮带秤的启停 混矿皮带秤的启停存在联锁，即碱粉皮带秤和赤泥浆泵都启动后，混矿皮带 秤才启动；碱粉皮带秤或赤泥浆泵有停止的，混矿皮带秤就停止。其梯形图见图 4.2。 图4.2控制皮带秤启停梯形图 4.2.2 混矿流量控制 混矿流量控制的梯形图见图 4.3 及图 4.4。流量计检测混矿流量送至 i.ch0data，经过 pid 调节，由 o.ch0data 输出给变频器。 图 4.3 流量检测送回 本科生课程设计（论文） 13 图 4.4 pid 控制编程 4.3 pid 参数设置 单击 pid 指令中的图标，编辑 tuning 配置页面如图 4.5 所示。 其中 tuning constants 参数 kp（比例）=2，ki（积分）=0.2，kd（微分）=0.0。 图 4.5 pid 参数 本科生课程设计（论文） 14 单击 configuration 配置页面，编辑如图 4.3 所示。其中 loop update time 参数设置与其所在的周期任务 pid_control 的周期参数一致为 0.01 秒，并且 cv high limit = 100 %。 图 4.6 周期参数 单击 scaling 配置页面，编辑如图 4.7 所示。其中 pv 参数的 unscaled max = 100，engineer unit max = 100，cv 参数的 max = 100。点击应用，确定 pid 参 数配置完成。 本科生课程设计（论文） 15 图 4.7 点击工具栏 verify controller 图标，检查所有程序是否有误。如果存在错误 请根据错误提示及时更正，如图 4.8 所示。 图4.8 本科生课程设计（论文） 16 第 5 章 课程设计总结 本次课程设计我做的是基于 netlinx 网络的混矿流量控制系统设计 。生料 浆配料过程是将赤泥浆、碱粉、混矿以及石灰石四种原料输送入磨机中，进行混 合、研磨后形成钙比、碱比以及水分等质量指标合格的生料浆。其中混矿是一个 很重要的过程，在氧化铝生料浆配料过程中，需要将混矿原料输送到球磨机中。 本文采用罗克韦尔公司的 netlinx 三层网络，以 controllogix plc 为控制器，通 过 rslogix5000 编程软件完成程序审计，将流量计检测到的混矿流量反馈给 plc，通过 pid 调节输出给变频器控制电动机转速。同时实现了皮带秤的启停功 能及联锁