调速称配料课程设计.doc

目录 一、 调速秤配料系统的总体设计方案 .3 二、 调速秤配料系统的实现方法及各环节的工作原理分析 .4 2.1调速秤配料系统的实现方法4 2.2 各环节工作原理分析.5 三、 调速秤配料系统中的 plc 硬件选型与设计 .6 3.1 plc 选型简介 .6 3.2 调速秤配料系统 plc 选型依据.9 3.3 调速秤配料系统 cpu 模块选型11 3.4 plc 数字量输入输出模块选型 .11 3.5 plc 模拟量输入输出模块的选型与线路连接 .12 3.6 plc 电源模块容量计算与选型 14 四、 调速秤配料系统中的传感器和变频器的选型 15 4.1 传感器15 4.2 称重传感器简介与选型16 4.3 测速传感器的简介与选型22 4.4 变频器的简介24 五、 调速秤配料系统软件设计 27 5.1 调速秤配料系统硬件组态27 5.2 调速秤配料系统梯形图设计28 5.3 调速秤配料系统 wincc 组态设计44 六、 模拟仿真 48 6.1 仿真软件 s7-pclsim 简介48 6.2 模拟仿真运行48 2 七、 总结 49 参考文献 .50 3 1、 调速秤配料系统的总体设计方案 图 1 系统的总体设计方案 由上位机通过 wincc 组态软件或者可编程控制器控制整个系统的启 停。主体“调速秤”通过线路与两样设备连接：称重传感器、测速传感 器、变频器。 其中前两个设备的主要功能是信号采集，称重传感器采集各路皮带 秤的数据，转换成相应的电信号，反映到可编程序控制器中，由其中的 cpu 按照事先编制的程序进行计算，从而得到各路配料的实际情况和给 定值之间的差距。这种算法是根据 pid 算法控制进行控制，pid 控制是 最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、可靠性高，被广泛应 用于工业过程控制。本系统的核心控制算法也是 pid 控制算法。实现该 系统控制流程的方式主要分两种： (1)通过 step7 编写好的程序由 plc 按照设定的值进行 pid 控制。 变频器 柜 頻压转换 板 信号放大 板 7- 332 7- 331 7- 331 电 源 7-315 2pn/d p 监控计算 机 888 以太 网 4 完成 8 路的自动配料。 (2)通过手动控制，在变频器上输入 pid 参数，完成 8 路的自动配 料。 变频器的功能则是按照信息指令调节圆盘给料机电机的频率，达到 对单路原料进行控制配比的目的。对各路皮带秤进行总体调节，即可完 成按工业要求进行配比工作。 这时，plc 要完成两个工作：第一，要通过线路将各信号上传到上 位机，由上位机的组态软件 wincc 接收，从而使工作人员可以完成组态 监控工作；第二，plc 向下将控制信号传送到各路变频器，变频器经过 信号转换来控制皮带秤的圆盘给料机电机转速，实现各路配料按要求配 比。在此过程中，工作人员可以通过上位机的组态画面实时监控系统的 运行情况，或进行定期维护，即可由上位机对 plc 进行控制。 如图 1 所示，为系统的总体设计方案图，通过上位机软件 wincc 可 以控制控制器 plc,同时系统的一些信息可以及时的反映在上位机的画 面中，中间为 plc，它由 cpu 模块，模拟量输入输出模块组成。 2、调速秤配料系统的实现方法及各环节的工作原理分析 2.1 调速秤配料系统的实现方法 该自动配料系统由 8 台电子皮带秤配料线组成，编号分别为 1#、2#、3# 、4#、5#、6#、7#、8#，系统具有恒流量和配比控制两种 功能。对于恒流量控制时，电子皮带秤根据皮带上物料的多少自动调节 皮带速度，以达到所设定流量要求。工艺流程如图 2 所示。 5 图 2 调速秤控制系统 自动配料系统加电后，皮带驱动电机开始旋转，微处理机根据当前 操作控制电机转速。料斗中的物料落在落料区，经皮带运送到达称重区， 由电子皮带秤对皮带上的物料进行称重。称重传感器根据所受力的大小 输出一个电压信号，经变送器放大，输出一个正比于物料重量的计量电 平信号。该信号送至上位机的接口，经采样后并转换成一个流量信号， 同时将此流量信号送至 plc 接口，与上位机设定的各种配料给定值进行 比较，然后进行调节运算，其控制量送至变频器，以此来改变变频器的 输出值，从而改变驱动电动机的转速。调整给定量，使之与设定值相等， 完成自动配料过程。它可以采用两种运行方式：自动方式和半自动/手 动方式。 我们要实现的是八路调速秤配料的控制系统。该系统共有八路上料， 每一路的上料都是有一定的配比，受到各个参数的约束。 它的基本工 作原理是：当系统开始运行，八路上料系统根据需要开始上料，每一路 的上料与否以及根据产品配比的要求下料多少，是受 plc 控制的。每一 路上料的实际多少是由称重传感器测量，皮带传送速度由接近开关测出， 将测得的数据送到 plc 由预先使用 step7 编写好的程序进行处理，其中 速度和重量是相乘的关系，这样可以得到每一路每一个小时下料的吨位。 这个每小时的吨位与要求的吨位对比形成负反馈，反馈到 plc，经过预 置程序的控制以及使用 pid 控制算法处理调节执行机构变频器控制电动 机，使整个系统达到预先的要求，从而生产出合格的产品。 2.2 各环节介绍及工作原理分析 定量给料机系统包括机械和电器两大部分。机械部分主要是秤体、 电机、减速机以及料斗。秤体上装有称重传感器、测速传感器、跑偏开 关和接线盒等。 电器部分包括控制柜内的控制仪表、空气开关、变频调速器和接线 端子等。 6 (1) 机架：是定量给料机的基础部件，各功能部件均安装在此机架 上，构成定量给料机的机械秤体。 (2) 驱动装置：包括电机和减速机，电机通过法兰与减速机相连。 减速机具有体积小，速比大的特点并且是通过空心轴与主动滚筒连接， 不采用联轴器，具有结构紧凑的优点。速度传感器安装在电机轴端，直 接测出电动机的速度。 (3) 称重装置：由称重框架和称重托辊组成。皮带上的物料重量通 过称重托辊作用到称重传感器上，框架设有配重装置与标定砝码支座， 整个称重系统无水平和侧向位移，无摩擦影响，不需维护。 (4) 主、从动滚筒及环形橡胶运输带：完成物料的输送与喂料。 (5) 托辊：用于承受仓压及保证物料在称重过程中的平稳性。 (6) 卸料罩：保证物料顺利进入生产流程，防止粉尘污染环境。 (7) 挡料装置：防止物料从漏斗闸门流出后散落、外溢，保证设备 正常运转。 (8) 皮带外表面清扫装置及梨形内表面清扫器：防止皮带沾料，有 利于提高计量精度并能防止皮带因卡料造成损坏。 (9) 跑偏自动开关：皮带跑偏超过允许值时报警，防止造成生产设 备事故。 (10) 标定砝码：用于给料机的静态、动态标定。 (11) 供料料斗：根据物料不同的特性，配有用于散状物料的 t 型 料斗，用于易起拱物料的带有振动器的 v 型料斗，用于倾泻性物料的 s1 和 s2 型料斗。 (12) 自动张紧装置：保证皮带具有恒定张力，利于精度稳定。 三、调速秤配料系统中的 plc 硬件选型与设计 由于可编程序控制器在工业控制领域中所占的核心地位和日趋重要 的发展态势。本章对配料系统中的可编程控制器进行了详细的介绍，并 对可编程控制器 s7-300 的各个模块进行了细致的选型及设计。 3.1 plc 选型简介 plc 选型依据 ： 7 1)具有足够大的暂存器空间且独家提供档案暂存器空间，保证系统 的配料配方量足够多足够大，透过专用指令操作保证配方的绝对安全 2)通讯功能强大，通讯协议编程简单方便 3)可扩展多个通讯口，为系统延伸控制与联网提供硬件支持 4)经济实惠，运行可靠稳定性要好 (1)概述 西门子 s7-300 可编程序控制器是模块化小型 plc 系统，各种单独 的模块之间可进行广泛组合以用于扩展，能满足中等性能要求。 (2)s7-300 的组成 s7-300 主要组成部分有:导轨、中央处理单元模板、接口模板 (im)、 信号模板(sm)、功能模板 (fm)等。s7-300 组成如图 8 所示。 图 8 s7-300 的组成 负载电源模块 (ps):用于将 simatic s7-300 连接到 120/220 v 交流电源，或 24/48/60/110 v 直流电源。 中央处理单元 (cpu) 不同的 cpu 有不同的性能，有的 cpu 上集成有输入/输出点，有的 cpu 上集成有 propibus-dp 通讯接口等。 信号模块 (sm):用于数字量和模拟量输入/输出。 通讯处理器 (cp):用于连接网络和点对点连接 功能模块 (fm):用于高速计数，定位操作 (开环或闭环定位)和 闭环控制。 接口模块 (im):用于多机架配置时连接主机架 (cr)和扩展机架 (er) 。s7-300 通过分布式的主机架 (cr)和 3 个扩展机架 (er)，可以 操作多达 32 个模块。运行时无需风扇。 （3）s7-300 的类型 标准型 :温度范围从 0到 60 cpupssmsmsmsmsmsmsmsm 8 环境条件扩展型:温度范围从-25 到+60更强的耐受振动和污 染特性。 （4） s7-300 的功能 simatic s7-300 的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维 护。 高速的指令处理 :0.60.1s 的指令处理时间在中等到较低的 性能要求范围内开辟了全新的应用领域。 浮点数运算:用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算 方便用户的参数赋值 :一个带标准用户接口的软件工具给所有模 块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。 人机界面 (hmi):方便的人机界面服务已经集成在 s7-300 操作 系统内。因此人机对话的编程要求大大减少。simatic 人机界面 (hmi)从 s7-30o 中取得数据，s7-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。 s7-300 操作系统自动地处理数据的传送 。 诊断功能 :cpu 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正 常、记录错误和特殊系统事件 (例如 :超时，模块更换，等等)。 口令保护:多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机 密，防止未经允许的复制和修改。 操作方式选择开关 :操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当 钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程 序 (5) s7-300 的通讯 方便用户的 step7 的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非 常容易、简单。 simatic s7-300 具有多种不同的通讯接口: 多种通讯处理器用来连接 as-1 接口、和工业以太网总线系统。 串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统。 多点接口 (mpi)集成在 cpu 中，用于同时连接编程器、pc 机、 人机界面系统及其他 simatic s7/m7/c7 等自动化控制系统。 9 cpu 支持下列通讯类型: 过程通讯 通过总线 (as-1 或 profibus)对 u0 模块周期寻址 (过程映象交 换) 数据通讯 在自动控制系统之间或人机界面 (hmi)和几个自动控制系统之间， 数据通讯会周期地进行或被用户程序或功能块调用 。 3.2 调速秤配料系统 plc 的选型依据 在 plc 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 plc 工 程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。plc 及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整 体，易于扩充其功能的原则选型所选用 plc 应是在相关工业领域有投运 业绩、成熟可靠的系统，plc 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规 模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语 言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工 艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作， 然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 plc 的 功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 plc 和设计相应 的控制系统。 （1）输入输出（i/o）点数的估算 i/o 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数， 再增加 10%20%的可扩展 余量后，作为输入输出点数估算数据。实际 订货时，还需根据制造厂商 plc 的产品特点，对输入输出点数进行调整。 （2）存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程 序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量 小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序 容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时 10 能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不 同公式，大体上都是按数字量 i/o 点数的 1015 倍，加上模拟 i/o 点 数的 100 倍，以此数为内存的总字数（16 位为一个字） ，另外再按此数 的 25%考虑余量。 （3）机型的选择 plc 的类型 plc 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和 控制室安装两类；按 cpu 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。 整体型 plc 的 i/o 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型 控制系统；模块型 plc 提供多种 i/o 卡件或插卡，因此用户可较合理地 选择和配置控制系统的 i/o 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型 控制系统。 输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块， 应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。 对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价 格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模 块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能 力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要 求应一致。 可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水 平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程 i/o 机架等。 电源的选择 plc 的供电电源，除了引进设备时同时引进 plc 应根据产品说明书 要求设计和选用外，一般 plc 的供电电源应设计选用 220v 电源，与国 内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。 11 如果 plc 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用 要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入 plc，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管 或熔丝管隔离。 存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为 保证应用项目的正常投运，一般要求 plc 的存储器容量，按 256 个 i/o 点至少选 8k 存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档 次更高的存储器。 3.3 plc 的中央处理器 cpu 的选型 根据输入输出点数的要求选择 cpu315（6es7315-2ag10-0ab0）作 为本次设计的中央处理器。 cpu315 是 s7-300 的大脑，其装载存储器的基本容量为 48k 字节或 80k 字节，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量可达到 512kb。每执 行 1000 条二进制指令约需 0.3ms，最大可扩充 1024 点数字量 i/0 或 128 路模拟量通道。cpu315 内装硬件实时时钟。 cpu315 的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。cpu 响应哪个 事件，操作系统自动调用该事件的组织块 ob。 cpu315 可调用 128 个功 能块 fb (0-127);128 个功能调用 fc (0-127); 127 个数据块 db (1- 127, 0 保留)。ob, fb, fc,db 的容量均不大于 8kb。此外，还有 38 个 系统功能块 sfc 集成在操作系统中供用户调用;有 9 个系统数据块 sdb 装载 s7-300 系统参数。 cpu315 适用于要求高速处理和中等 i/0 规模的任务。它可以装载 中等规模的程序，并具有中等的指令执行速度。cpu315 满足系统的要 求。 3.4 plc 数字量输入/输出模块的选型与线路连接 在调速秤配料自动控制系统中，由于 plc 的 cpu 本身没有输入输出 接口，需要使扩展模块作为系统的 i/o 口。在本系统中我们采用 sm321 以及 sm323 来满足系统的要求。sm 321 为 di 16 x dc 24 v， 12 sm323 数字量的输入/输出模块(6es7 323-1bl00-0aa0) sm 323; di 16/do 16 x dc 24 v/0.5 a 的属性： 16 点输入，电隔离为 16 组 16 点输出，电隔离为 8 组 额定输入电压 24 vdc 额定负载电压 24 vdc 输入适用于开关以及 2/3/4 线接近开关 (bero) 输出适用于电磁阀、dc 接触器和指示灯 3.5 plc 的模拟量输入输出模块的选型与线路连接 在调速秤配料系统的 plc 硬件设计中需要将称重传感器的信号输送 到 plc 中，这就需要用到模拟量的输入模板，模拟量的输入模板为 sm331。 sm331 概述： sm331: ai8*12bit 是 8 通道的模拟量输入模块，在系统中用于输 入称重传感器的测量值。模块主要是由 a/d 转换部件、模拟切换开关、 补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。 a/d 转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。积分式 a/d 转换的积分时间直接影响到 a/d 转换时间和 a/d 转换精度。积分时 间越长，被测值的精度越高。sm331 可选的积分时间有:2.5ms, 16.7ms, 20ms 和 100ms。相对应的以位表示的精度为 8、12、12 和 14。为了抑 制工频及谐波干扰，一般选用 20 ms 的积分时间，相应精度为 12 位。 s7-300 的 cpu 用 16 位的二进制补码表示模拟量的值，其中最高位为符 号位 s。 “0”表示正值， “1”表示负值。s7-300 模拟输入模块的输入 测量值范围很宽，可直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。它用 于连接不带附加放大器的模拟执行元件和传感器，可以将扩展过程中的 模拟信一号转化为 s7-300 内部处理用的数字信号。 sm331 的 8 个模拟量输入通道共用一个积分式 a/d 转换部件。即通 过模拟切换开关，各个输入通道按顺序一个接一个转换。某一通道从开 始转换模拟量输入值起，一直持续到再次开始转换的时间称为输入模块 13 的循环时间。循环时间是对外部模拟信号的采样间隔。对于一个积分时 间设定为 20ms, 8 个输入通道都接有外部信号且都需断线监视的 sm331,其 循环时间为(22+10) *8=256ms。 sm331 的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意 选择测量方法和测量范围。模块上需接 24vdc 的负载电压 l+，有反接 保护功能。模块与 s7-300cpu 及负载电压之间是光电隔离的。sm331: ai8*12bbit 模拟量输入模块的电气原理图如图 10 所示。 另外，为了使模拟量输入模块获得最佳的抗干扰性能，可以将不使 用的通道与 m 短接。根据需要我们选用 sm 331（ 6es7 331-7nf00- 0ab0）模拟量输入模板作为我们的模拟量输入模板，具体的参数如下 simatic s7-300 的模拟输入 用于连接电压和电流传感器、 热电耦、电阻器和电阻式温度计 8 输入，高分辨率。 8 路模拟量输入模块的接线示意图 模拟量输出模块的选型与线路连接 模拟量输出模块sm332 用于连接模拟量执行器sm332可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以 采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。采用4线回路能获得比较高的输出精度。图2- 6所示。 14 模拟量输出(简称模出(ao)模块sm332目前有三种规格型号，即4aol2位模块、 2ao12位模块和4aol6位模块，分别为4通道的12位模拟量输出模块、2通道的12位模拟 量输出模块、4通道的16位模拟量输出模块。sm332与负载/执行装置的连接。 我们选择sm332（6es7 332-5hf00-0ab0）模拟量输出模板控制执行机构变频器。 模拟量输出模块接线 3.6 plc电源模块容量计算及选型 ps307 是西门子公司为 s7-300 专配的 24 v dc 电源。ps307 系列 模块除输出额定电流不同外(有 2 a、5 a、10 a 三种)，其工作原理和 各种参数都相同。 ps307 可安装在 s7-300 的专用导轨上，除了给 s7-300 cpu 供电 外，也可给 i/o 模块提供负载电源。 图 11 为 ps307 5a 模块端子接线图。 s7-300 模块使用的电源由 s7-300 背板总线提供，一些模块还需从 外部负载电源供电。在组建 s7-300 应用系统时，考虑每块模块的电流 耗量和功率损耗是非常必要的. 一个实际的 s7-300 plc 系统，确定所有的模块后，要选择合适的 电源模块，所选定的电源模块的输出功率必须大于 cpu 模块、所有 i/o 模块、各种智能模块等总消耗功率之和，并且要留有 30左右的裕量。 当同一电源模块既要为主机单元又要为扩展单元供电时，从主机单元到 最远一个扩展单元的线路压降必须小于 0.25 v。 ps307 电源模块的输入接单相交流，输入电压为 120/230v, 15 50/60hz;输出电压 24vdc，输出电流 5a;在输入和输出之间有可靠的隔 离。 图 11 ps307 5a 模块端子接线图 s7-300 系统时要选择合适的电源模块。其选择准则是电源模块的 输出功率必须大于 cpu 模块与所有 i/0 模块之和。 表 1 s7-300 各模块电流耗量和功率损耗 模块 通过背板总线 吸取的电流（最大 值） 从 24v 负载电源吸 收的电流（不带负载运 行） 功率损耗（正 常运行） cpu3151.2a1a8w sm32125ma1ma3.5w sm32380ma100ma6.5w sm33160ma60ma1.3w sm33260ma340ma6w cm35150ma- 如上表所示，该系统各个模块从 s7-300 背板总线吸取的电流为 60+60+150+80+25=375ma 没有超过 cpu315 所能转供的电流 1. 2a。考虑 到电源应留有一定的余量，所以电源模块应选 ps307 (5a) 。 四、调速秤配料系统中的传感器和变频器的设计与选型 4.1 传感器 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要 16 在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得 到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元， 传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部 件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。 （1）传感器的工作原理 进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为 了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有 时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟 电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相 邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。 （2）以其输出信号为标准可将传感器分为： 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直 接和间接转换)。 开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感 器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 4.2 称重传感器 （1）称重传感器的介绍 称重传感器是皮带秤力与电转换的核心部件，称重传感器按变换原 理分类。主要有：电阻应变片式、差动变压器式、电容式、压磁式、压 电式等，其中，电阻应变片式称重传感器有以下主要优点： 结构简单、体积小、密封性好 线性度和重复性好 频率响应快，能进行动态称重 长期稳定性好，工作可靠 和称重秤架联接简单、方便 综合误差小。 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件， 敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片 17 （转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变 化（增大或减小） ，实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对 变化与应变成正比，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为便于利 用的电信号（电压或电流） ，电桥测量电路是进行这种变换的常用方法， 从而完成了将外力变换为电信号的过程。因此可以通过对电阻的测量来 测量压力。 如图所示直流电桥测量电路原理： 图 12 称重传感器的原理 在我们的皮带秤配料自动控制系统中，由于称重传感器输出信号非 常小，容易受大环境温度的影响。为了保证称重传感器的精度，我们的 称重传感器不仅需要电压的驱动而且要加上一个电源驱动电路，以保证 称重传感器的信号的准确。 （2）称重传感器的选用原则 称重传感器最大称量的选用原则： 安全系数 安全系数的确定必须注意承载器的自重、最大称量、称重传感器的 灵敏度和过载能力等指标。 、承载器的自重值 这个值是计算称重传感器最大称量的依据之一。对于一般衡器来讲， 在计算称重传感器最大称量值时可以不考虑承载器的自重值，因为其占 衡器总输出信号量的一小部分，平均到每个传感器上就更少了。例如， 一台 80 吨的地磅，用 8 只最大称量为 30 吨的传感器，自重为 18 吨， 负载量最大的称重传感器也只有 3 吨自重，而满载时负荷最大的达到 18 15.5 吨。 但对于一些特殊衡器，称重量占总输出信号的一小部分时就不得不 考虑承载器自重值。 、冲击载荷 在一些自动衡器和专用衡器设计时，在选择称重传感器时必须注意 在称量过程中，被称车辆或物料对承载器的冲击作用。 、称重传感器的灵敏度 目前常用的称重传感器当中，柱式结构的灵敏度通常为 1 mv/v， 桥式结构、悬臂梁结构、平行梁结构的灵敏度通常为 2 mv/v，另有一 小部分悬臂梁结构、s 型结构的灵敏度通常为 3 mv/v。在选用时必须注 意到，灵敏度为 1 mv/v 的称重传感器其安全过载能力一般是最大称量 的 200，极限过载能力一般大于最大称量的 500；灵敏度为 2 mv/v 的称重传感器其安全过载能力一般是最大称量的 150，极限过载能力 一般大于最大称量的 300。 衡器的灵敏度 一台衡器能否正常工作，必须考虑这个系统中各个部件的技术参数 能否匹配，对衡器来讲，也就是称重传感器所选用最大称量、灵敏度值； 称重仪表所选用的供桥电压值、最高灵敏度值等。而且这些参数最终必 须满足这个系统的整体指标。衡器的每个检定分度值输出信号大于称重 仪表最高输入灵敏度时，衡器能够正常工作。 称重传感器准确度的选用原则： 对于一台衡器来讲，选用的称重传感器的准确度越高越好，但也有 两个前提条件：一是能采购得到，二是采购价格能够承受。 称重传感器准确度是由许多指标构成的，当最终确定一只传感器为 某一个准确度等级时，是按许多测试结果中最大的误差值，作为此传感 器的准确度等级的依据，而其他测试项目的误差可能远远优于该等级的 值。因而要根据实际要求，细分准确度指标，挑选合适的传感器。 称重传感器结构的选用原则： 安装方便 19 任何产品设计时除需考虑整体功能和性能上能满足工艺要求外，还 应注意产品安装维修问题，衡器产品也不例外。 衡器结构特点的要求 衡器选用传感器，在许多情况下时根据个人手边的传感器样本 确定的。不过其中也遵循了一些不成文的原则。 、承载器的安装空间 一些作为流水线中一部分的专用衡器，在称重传感器的选型时就要 考虑空间限制的问题。 、安装维护方便 、侧向力的影响 在选择传感器时，必须考虑此衡器在使用中是否存在侧向力的情况。 按剪应力原理设计的称重传感器抗侧向力的能力比较强；按正应力原理 设计的称重传感器抗侧向力的能力比较弱。 、刚度问题 这里讲的刚度是指承载器的刚度，基础结构的刚度和辅件的刚度。 这些结构的刚度会直接影响到变形量，从而影响计量的准确度。 承载器的结构不论是梁式，还是板框式，还是容器式，必须针对不 同的加载方式，被称量物的结构和称量方式，确定其刚度大小。 不同用途的衡器所安装的基础结构不同，但都要遵守结构刚度必须 保证衡器使用要求的原则。 辅件是指安装称重传感器的结构件，如悬臂梁称重模块就要考虑其 安装板的厚度。 、选用传感器的数量问题 选用数量的一般原则是承载器较长，面积较大的衡器选用的传 感器较多。 温度的影响问题 对于承载器较长，面积较大的室外用衡器，必须考虑承载器的 线膨胀系数问题。 、湿度的影响问题 20 对于室外用衡器或恶劣工况用衡器，必须考虑承传感器的密封 问题8。 (3) 称重传感器的放大电路 称重传感器的输出信号一般只有 l020mv 在工业现场极易受干扰， 也不能进行远距离传输，如果不采用放大电路，传感器输出的毫伏信号 只能传递几十米；往往不能满足实际使用现场的要求，因此增加放大器 电路，将称重信号进行放大，变换成 420ma 电流信号进行远距离传输， 信号传输距离可达 1.5km，放大装置的框图。 放大器中设置传感器的供桥电源，称重传感器的输出送到放大器进 行电压放大，经电压放大后的信号一般为 l 2v，后经 v/i 转换电路对 放大后的信号进行电压、电流转换，然后进行远距离传输，放大装置的 性能，主要取决于放大电路的性能指标，这里介绍经常使用的简单的差 动放大器电路。 图 13 简单的差动放大器电路 图中，由一个运算放大器和四个匹配的电阻构成，共模电压的存在 是大多数传感器的特点。共模电压是电桥中的直流电平或噪声干扰。假 设运算放大器是理想的，根据零子模型条件，在两个输入瑞的电压相等， 且通过两输入端的电流为零，则很容易导出差动放大器的运算方程： cm v rrr rrrr v r r rr r v r r v )( )1 ( 431 3241 12 1 2 43 4 11 1 2 0 或改写成： 21 cm v r r r r r r v r r r r r r v r r v 3 4 1 2 3 4 12 3 4 1 2 3 4 11 1 2 0 11 1 式中： 共模输入信号电压。 cm v v0 的两个方程都带有共模输入信号电压，显然第一项是反相输入 信号对输出的贡献；第二项是同相输入信号对输出的贡献；第三项是共 模输入信号对输出的影响，显然这运算放大器是理想的。但差动放大器 的输出端仍有共模信号的干扰，主要原因在于差动运算电路的外部参数 不理想，即反馈网络参数有差异，而使闭环共模特性变坏，四个电阻不 匹配和比例失调是关键因素，若取四个电阻满足条件。即： 3 4 1 2 r r r r 则的方程可以简化成： 0 v )( 1211 1 2 0 vv r r v 因此可以看出，四个电阻匹配的足够好，相当于两个差动信号闭环 增益绝对值相等的条件。此时，共模输入信号对输出贡献为零9。 实际上，四个电阻很难做到完全匹配，所以在差动放大器输出端总 存在一定大小的共模干扰信号，在高精度差动放大器中，应当把这个共 模干扰信号控制在一定的范围之内。下图为压力放大板： 22 图 14 压力放大板 (4) 滤波电路 滤波器的作用是防止噪声，将不需要的电信号过滤。 本毕业设计中用到的滤波器为低通滤波器其电路图如下： 图 15 皮带秤配料系统中简单低通滤波电路 4.3 测速传感器 本设计选用的测速传感器为：hsh 齿轮测速传感器。 hsh 齿轮测速传感器通过分辨转过检测面的每一个齿顶和齿谷，将 其转换成方波，对应的一对齿顶和齿谷，将有一个周期的方波输出，通 过计算将其转换成转速。 234567891011121314151617181920 8#重量传感器电源- 8#重量传感器电源+ 8#重量传感器信号+ 8#重量传感器信号- 2#重量传感器信号+ 2#重量传感器信号- 2#重量传感器电源- 2#重量传感器电源+ 3#重量传感器信号+ 3#重量传感器信号- 3#重量传感器电源- 3#重量传感器电源+ 4#重量传感器信号+ 4#重量传感器信号- 4#重量传感器电源- 4#重量传感器电源+ 5#重量传感器信号+ 5#重量传感器信号- 5#重量传感器电源- 5#重量传感器电源+ 6#重量传感器信号- 6#重量传感器信号+ 6#重量传感器电源+ 6#重量传感器电源- 7#重量传感器信号- 7#重量传感器信号+ 7#重量传感器电源+ 7#重量传感器电源- 1#重量传感器信号- 1#重量传感器信号+ 1#重量传感器电源+ 1#重量传感器电源- 131 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 109876543232 压力放大板 23 图 16 接近开关 它的接线图如下所示： 图 17 测速传感器的内部结构 该接近开关的特性如下所示： 供电电源：dc4.5v24v 输出电流：50ma 响应频率：20khz 环境温度：-30 摄氏度50 摄氏度 动作距离：（正常运转） 下图为速度调理板： 24 图 18 测速调理板 4.4 变频器选择 变频器的基本构成 变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种 类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着图 2-1 示的基本结 构。 图 2-1 变频器的基本结构 242322212019181716151413121110987654321 1#速度传感器电源+ 1#速度传感器电源- 1#速度传感器信号 12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 2#速度传感器信号 2#速度传感器电源- 2#速度传感器电源+ 3#速度传感器信号 3#速度传感器电源- 3#速度传感器电源+ 4#速度传感器信号 4#速度传感器电源- 4#速度传感器电源+ 5#速度传感器信号 5#速度传感器电源- 5#速度传感器电源+ 6#速度传感器信号 6#速度传感器电源- 6#速度传感器电源+ 7#速度传感器信号 7#速度传感器电源- 7#速度传感器电源+ 8#速度传感器电源+ 8#速度传感器电源- 8#速度传感器信号 速度调理板 010输出05输出 25 图 2-2 给出了一个典型的电压控制型通用变频器的硬件结构框图。而对于 采用了矢量控制方式的变频器来说，由于进行矢量控制时需要进行大量的运算， 其运算电路中有时还有一个以 dsp（数字信号处理器）为主的转矩计算用 cpu 以及相应的磁通检测和调节电路。 变频器元件作用 电容 c1： 是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波， 变压器是一种常见的电气设备， 可用来把某种数值的交变电压变换为同频 率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。 压敏电阻： 有三个作用,一过电压保护,二耐雷击要求,三安规测试需要. 热敏电阻：过热保护 霍尔: 安装在 uvw 的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额 定电流的 2 倍左右。 充电电阻： 作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的 26 电压为 0v；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电 阻在整流桥与电解电容之间，则相当于 380v 电源直接对地短路，瞬间整流桥通 过无穷大的电流导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。 充电电阻的选择范围一般为：10-300。 储能电容： 又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。pn 端的电压电压工 作范围一般在 430vdc700vdc 之间，而一般的高压电容都在 400vdc 左右， 为了满足耐压需要就必须是二个 400vdc 的电容串起来作 800vdc。容量选择 60uf/a 均压电阻：防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电 容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压 高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏 。 c2 电容; 吸收电容,主要作用为吸收 igbt 的过流与过压能量。 （2）直-交部分 vt1-vt6 逆变管（igbt 绝缘栅双极型功率管）：构成逆变电路的主要器件， 也是变频器的核心元件。把直流电逆变频率，幅值都可调的交流电。 vt1-vt6 是续流二极：作用是把在电动机在制动过程中将再生电流返回直 流电提供通道并为逆变管 vt1-vt6 在交替导通和截止的换相过程中，提供通道。 （3）控制部分:电源板、驱动板、控制板（cpu 板） 电源板：开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路、检测电路及风扇 等提供低压电源， 开关电源提供的低压电源有：5v、15v 、24v 向 cpu 其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源。 驱动板：主要是将 cpu 生成的 pwm 脉冲经驱动电路产生符合要求的驱动信 号激励 igbt 输出电压。 控制板（cpu 板）：也叫 cpu 板相当人的大脑，处理各种信号以及控制程 序等部分 27 五、调速称控制系统软件设计五、调速称控制系统软件设计 5.1 调速秤配料系统的硬件组态调速秤配料系统的硬件组态 控制系统的硬件组态由编程软件 step7 v5.5 完成，主 要由 plc 控制器电源、s7-300 cpu、数字量输入输出模块、模拟量 输入输出模块以及监控上位机（本设计采用个人 pc）组成。 打开 step7 软件，然后进入 hw config 选项，为 plc 进行硬件 组态，cpu 型号 s7315 2pn/dp。 图 3-1 300plc 与监控上位机的连接 28 图 3-2 300plc、电源以及输入输出模块 plc 硬件组态设计完成后，对其进行编译并保存。 5.2 调速秤配料系统的梯形图设计调速秤配料系统的梯形图设计 5.2.1 plc 主循环主循环 程序程序 ob1 和初始化程序和初始化程序 ob100 1.主循环程序 在程序中有运行、停止开关用以启动系统，整个控制过程循环进行，对各个功能模块 29 的调用，可以实现皮带秤的自动配料功能 2.初始化程序 系统初始化程序。 “测试”和“停止”置位， “停止模式”接通后， “运行模式” “测皮 30 模式” “标称模式”复位，md 值赋零。 5.2.25.2.2 中断程序中断程序 ob35ob35 ob35 用于调用其他环节的各个模块 程序如下： 31 模式切换子程序 fc1 32 运行子程序 fc2 配比计算 fc3 33 累积量清零 fc15 pid 参数初始化 fc612，以其中一路为例。 34 手动控制 fc120 35 调速称输出 fc190 调速称多重调用 fb110 36 调速称检测功能块 fb111 37 pid 调用功能块 fb130，以其中一路为例。 38 报警功能块 fb140 39 40 累计调用功能块 fb150 41 测皮功能 fc160 42 43 fb610 仿真功能块 44 45 5.3 调速秤配料系统的调速秤配料系统的 wincc 组态设计组态设计 5.3.1 wincc 工程的建立工程的建立 首先打开 wincc 资源管理器，如图 3-3 所示建立一个新项目。 图 3-3 建立一个新项目 单击“确定” ，出现“创建新项目”窗口，