基于PLC的自动配料控制系统设计——毕业设计论文

广德爱众 砺能善医毕 业 设 计 作 品 题 目：基于PLC的自动配料控制系统设计姓 名：专 业：机电一体化技术班 级：学 号：校内指导老师：校外指导老师：填表日期： 湘潭医卫职业技术学院教务处制湘潭医卫职业技术学院 毕业设计作品二级学院医电学院专 业机电一体化技术 班 级 姓 名学 号校内指导老师毕业设计名称基于PLC的自动配料控制系统设计校外指导老师毕业设计时间 课题进度：2016年3月15日3月23日 确定选题、收集相关资料；2016年3月23日4月30日 整理资料、撰写论文初稿；2016年4月30日5月07日 通过指导老师的审查，完成论文的第一次修改；2016年5月07日5月14日 通过指导老师的审查，完成论文的第二次修改；2016年5月14日5月21日 排版整理；2016年5月21日5月25日 接受指导老师审查评阅，论文定稿；2016年5月25日5月26日 参加论文答辩。基于PLC自动配料控制系统设计摘 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，并使用上位机开发运行管理界面。自动配料控制系统有以下部分组成：PLC(控制中心)、变频器（驱动中心）、皮带驱动电机。用于称重的传感器。系统在运行过程中，需要采用顺序启动，使用变频器对三台电机进行驱动并调速。在物料称重方面，使用传感器进行称重并计量。可编程控制器通过设定的物料流量和反馈回来的物料流量进行比较计算差值，经过PID调节输出控制变频器的速度。实现物料的恒定流量调节。采用组态王软件对控制系统进行监控和仿真。【关键词】 ： 自动配料 变频调速 PID调节 PLCAbstractThe auto-dispensation system is widely used in industrial, such as Building Materials industry, Metallurgical industry, food processing industry. According to the prescription, this system can transport the needed materials and calculate it. With the development of science and the improvement of the industrialization, its necessary to adjust the flow that the auto-dispensation transports and controls to the accurate ratio.This paper mainly aimed at the automatic batching system of constant ratio of flow control to control requirements, design a set of automatic batching system based on PLC, and use configuration software development operation management interface. Automatic batching system is constitute by programmable controller (PLC), inverter, belt drive motor, weighing sensor, computer, etc. System contains three belt drive motor, which in turn according to need order started. Frequency converter, is adopted to realize frequency control of motor speed of three-phase motor. Weighing sensors for weighing and real-time measurement for the material, PLC calculates the real-time flow and cumulative flow, more set value and the actual flow deviations by the PID adjustment to change output signal to control the frequency converter speed adjustment of belt drive motor, so as to realize constant flow control, and communication 【KEY WORD】: the auto-dispensation system, variable frequency speed control, PID control, PLC目 录第一章 自动配料系统的基本构成- 1 -1.1 电子皮带秤- 1 -1.2 可编程控制器- 1 -1.3 变频器- 6 -1.4 本课题主要研究内容- 7 -第二章 自动配料系统的总体设计- 8 -2.1 自动配料系统理论分析- 8 -2.1.1 电子皮带秤称重原理- 8 -2.1.2 流量控制原理- 9 -2.2 自动配料系统控制方案的确定- 10 -2.2.1 自动配料系统控制方案的确定- 10 -2.2.2 自动配料系统的组成及控制原理- 11 -第三章 自动配料系统的硬件设计- 13 -3.1 系统主要配置的选型- 13 -3.1.1 皮带驱动电动机的选型- 13 -3.1.2 PLC及其扩展模块的选型- 13 -2.1.2 I/O模块的选型- 14 -3.1.3 变频器的选型- 16 -3.1.4 称重传感器的选型- 17 -3.2 配料控制系统主电路部分设计- 17 -3.3 配料控制系统控制电路设计- 19 -3.3.1 可编程控制器（PLC）的I/O端子分配- 19 -3.3.2 系统控制电路设计- 20 -第四章 自动配料系统的软件设计- 23 -4.1 控制系统主程序设计- 23 -4.1.2主程序数据转换及调用设计- 27 -4.2 控制系统子程序设计- 32 -4.2.1数据滤波子程序- 32 -4.2.2数据转换子程序- 34 -4.2.3PID控制子程序- 35 -第五章 自动配料控制系统组态设计- 38 -5.1 组态软件简介- 38 -5.1.1 组态软件的功能- 38 -5.1.2 组态软件的特点- 39 -5.2 人机界面设计- 39 -致 谢- 41 -参考文献- 42 -第一章 自动配料系统的基本构成1.1 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、水泥煤矿等场所。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联机等功能。1.2 可编程控制器可编程控制器是一种数字运算操作的系统，它是专门为工业而设计，主要应用在工业环境中。是一种可以编写程序并控制的存储器。用于其执行逻辑运算,内部存储程序，定时，计数，顺序控制，与算术操作等面向用户的指令，可以将现场的数字信号和模拟量信号进行输入采集控制，并且输出给现场的控制工艺方法。世界上第一台可编程控制器在1969年诞生于美国。在七十年代，一些发达国家将微处理的芯片应用在可编程控制器中。使用了集成电路的存储器，并且结合电气控制技术和计算机技术，实现PLC的集成化，并且规模化，使可编程控制器更能适用于工业环境，并且具有高可靠性。它的功能很强大，使用更加灵活，成本比较低，开发周期也比较短。这使得可编程控制器进入实用。科技的不断进步让可编程控制器的性能快速增强，可编程控制器的研究情况和应用情况主要表现在下面几个方面：1.开关量越来越大，控制规模也越来越大，大型机的使用规模越来越多2.各种各样的功能模块增多，使用功能丰富，也新增了许多模块，比如说PID功能模块，温度控制的功能模块以及运动控制的功能模块。3.现在的可编程控制越来越开放，互相操作也越来越方便，曾经的可编程控制器的市场中，好几个可编程控制器制造商垄断了市场，但都是各自的标准，互通性很差，现代可编程控制器越来越开放，各大可编程控制器的厂商都注意这些。形成了长期的妥协和竞争。这些过程也将继续下去。4.可编程控制器的运行速度越来越高，可以实现对控制系统的实时控制以及监控。5.现代的可编程控制器具有强大的网络联网功能。通信技术的发展，让联网功能也得到发展，基本实现了远程控制功能。以上这些可编程控制器的性能，让工业系统实现了自动化、信息化以及远程控制的智能化，在运动控制方面和模拟量控制已经有了很广泛的使用，这也成了我们系统工作的最好的有效实用工具。在中国现代发展中，可编程控制器的研发、引进、生产都是随着改革开放发展的，刚开始在设备上引进了大量的可编程控制器，在许多中小企业的生产设备中也得到了广泛的使用，现在我国可以自己生产一些可编程控制器，伴随着中国改革开放和现代化进程的加深，我国的可编程控制器发展将会有更好的发展空间。可编程控制器的特点：1)可编程控制器可靠性和抗干扰能力很强所有电气设备，可靠性是最重要的指标性能，可编程控制器在生产的时候采用了大规模的集成电路，以及严格的先进生产工艺，可编程控制器的内部电路也抗干扰技术增强，可靠性很高。2)可编程控制器的功能很完善，配套比较齐全 可编程控制器发展到今天，也形成了许多规模的系列化产品，可以使用在各种规模的工厂控制场合，现代的可编程控制器除了逻辑控制处理功能之外，还有许多数据运算功能，可以用于许多数字控制的领域及场合。在近年来，可编程控制器的功能单元大量涌现出来，比如位置控制、CNC加工控制、温度控制等。可编程控制器的通信能力也增强。人机界面技术发展很快。这样使可编程控制器的控制系统变得很简单容易。3)可编程控制器的能耗低，体积小，重量轻现代可编程控制器的体积很小，只有巴掌大，而且重量很轻。功耗只有几瓦。可编程控制器的应用具体表现在以下方面：1)PLC开关量的逻辑控制这是PLC开关量的逻辑控制是基本的控制方法。它可以实现各种逻辑控制工艺，顺序控制工艺以及其他自动化生产线控制工艺等。PLC的开关量逻辑控制基本取代了接触器-继电器电路，广泛应用于各行各业，如注塑机、订书机械、机床、仓库生产线、灌装流水线等。2)PLC模拟量控制自然界有许多物理量是连续变化的量，比如我们经常知道的温度、流量、压力和液位都是模拟量。要将模拟量转换为数字量，才能在程序中进行计算和处理，将处理的结果转换为模拟量。3)PLC数据处理可编程控制器具有各种各样的计算方法，便于完成实际数据处理，数据传送和转换等，可以对数据进行采集和分析处理，具有很明显优势。4)PLC过程控制在自然界，过程控制应用较为广泛，比如流量压力温度等这些模拟量，都形成闭环控制，可编程控制器可以通过许多编程方法和控制算法完成过程控制，形成闭环控制。在模拟量的系统中，闭环控制主要使用PID调节，采用PID调节是最频繁的使用方法。5)PLC通信及联网可编程控制器的通信主要包含工控设备之间的通讯，可编程控制器之间的通讯，也包含其他智能设备之间的通讯，现在可编程控制器的厂家都非常重视通讯功能。PLC由三个基本部分组成：外部输入采样单元、内部逻辑计算处理单元、处理结果输出执行单元。可编程控制器的结构框图如图1-1可知。逻辑处理输出接口输入接口M 图1-1 PLC基本组成框图SBQAKA1ARtHLKA2A可编程控制器的I/O输入单元包含主令按钮、限位开关、检测器等外部输入主令接口，可编程控制器在对外部I/O输入单元收集的各种逻辑信号和模拟量采样数据，以及主令台的各种命令等信息进行储存和处理。可编程控制器根据所设计的程序对这些输入信号进行处理计算，并将结果通过输出单元进行输出。通常下都是输出给继电器，继电器通过动作来控制外面的执行单元。可编程控制器可根据外部工程需要建立通讯控制，通过通讯可以将某执行机构的具体数据进行采样和监控，并计算和输出。如图2-2所示，可编程控制器的原理框图。由图可知，外部输入变量都有开关量，模拟量，通讯接口传送的变量数据，以及编程执行器等。CPU开关量I/O接口RAM 、 ROM模拟量I/O接口EPROM/E2ROM通迅接口编程器电源图1-2 可编程控制器框图编程工具一般就是电脑设计的编程软件，我门可以根据编程软件对可编程控制器进行硬件组态设计，输入输出点的分配设计，程序编写设计，可以通过在线连接进行监控，通过监控可以调试程序，并修改程序。当可编程控制器启动运行后，我们可以根据外部动作情况来判断程序的错误和需要完善的地方。这也是现场调试工程师必须具备的技能。可编程控制器编程软件都是各自厂家自主研发的，对这些软件必须学习，了解指令含义和编程原则，技巧等。我们在编程时，一般要对系统进行总体设计，总体设计可以保证编程的思路清晰，明朗。总体设计完后进行分布设计，对各种功能实现进行单独编程，有必要的时候对程序进行模块化设计，节省编程空间和时间。分布设计完毕后，就进行系统的调试阶段，在调试时，首先必须对系统调试步骤进行了解，对系统工艺进行了解，以免调试时出现差错。1简易编程器简易编程器就是很简单的编程工具，在编程工具上我们可以看到功能输入键，各种指令输入键，各种指令地址数字输入键，还有显示屏显示当前编程的具体情况。在编程时首先简易编程器就可以直接接在可编程控制器的端口上，用专用的通讯电缆与可编程控制器进行连接，通过设置可以对可编程控制器进行程序设计调试工作。在编程时，首先对各种按键进行熟悉，在编程过程中必须进行记录，以便后面的调试修改。在编程的时候必须对输入输出点的地址分配进行详细说明，以免编写程序过程中，思路混乱。在编写程序结束后，就要对系统进行调试，调试的时候，必须判断系统功能实现是否准确，如果不准确，对相应部分进行修改。使其准确。如果修改完毕，程序运行正常，就可以将简易编程器拔下，保存。2图形编程器一些图形编程器是液晶的手持式的编程器。这是一个比较大型的点阵显示频，这种显示频除了有比较简易的功能以外，还有编程的功能，使用起来很方便，而且直观。但它的价格很高。操作起来不方便。输入输出数字输入624 数字输出416模拟输入1632 模拟输出828输入输出映像（可扩展）128输入 128输出硬件扩展最多7台扩展模块中断输入4脉冲数出2（20k100k）CPU特性8个PID控制器 最多2个串行端口实时时钟 运行中编辑浮点运算 状态LED指示CPU处理时间位处理：0.22us程序存储器425k数据存储器210k定时器256温度模块16位分辨率网络扩展串行通讯 AS-interfaceMPI Profibus-DP从站Modbus主站/从站通讯速率PPI/MPI：187.5kbps自由口：115.2kbps编程软件Step7-MicroWIN安装方式IEC导轨工作电压DC24V/AC220V1.3 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，脉宽调制变压变频（PWM-VVVF）调速研究受到学术界的重视，在上世纪八十年代，变频技术的PWM模式优化问题收到广泛科学学者的研究，采取了很多优化模式。关于鞍形波的PWM优化模式，使用效果理想。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。但是在这种控制模式下，由于在低频状态下，输出的电压比较低，这样受到电机定子电阻的压降就比较明显，就造成了输出的最大转矩减小。还有交流电机的机械特性始终没有直流电机的机械特性理想。特别是动态情况下，电机转矩不能满足要求。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。1.4 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。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及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 自动配料系统的总体设计2.1 自动配料系统理论分析2.1.1 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主要实现对物料的准确称量，所以传感器是精度非常高的电子器件，能影响电子称量的精度。目前生产中，大多数采用电阻应变式的称重传感器。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 称重传感器原理图称重传感器主要是通过受力作用的大小输出模拟量电压信号，输出的电压信号就和称重传感器受力部件的受力大小程线性关系。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2.1.2 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。在每次数据采样的时候，通过脉冲信号来决定的话，也就是说每个脉冲来到就进行一次流量的采样，就在可编程控制器里面设置个计数器功能，在对实物进行采样的同时，就可以知道两次采样之间的时间，这样就可以知道瞬时值，瞬时值就可由这些已知量求出。如果知道流量的瞬时值，并且设定了流量值，但是流量控制和平时说的速度控制是不同的概念，关于流量控制，在工程中采用比较多的是PID控制算法，也就是比例、积分和微分。PID控制就是在控制过程中，通过设定比例值，积分值和微分值就可以进行偏差调准输出控制，也就是PID控制。（2）PID调节原理流量的控制就是在单位时间里，物料通过皮带的量，而我们使用的称重传感器采样的是某一瞬时的流量值，我们在监控系统上位机上给出了物料的流量设定值，那么在采样瞬时值进行滤波后，就可以算出他们之间的偏差，这个偏差值就可以经过流量控制的PID调节，也就是说通过流量的偏差值，经过比例积分和微分的计算就可以对物料的流量进行控制。控制的值直接输出给变频器，从而调节了流量。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， 是控制器的输出， 为比例系数， 为积分时间常数， 为微分时间常数。图2.4为系统流量PID闭环调节结构图。在生产过程进行自动调节时，以主料成分的流量计量为依据，根据生产工艺要求通过上位机设定出总流量及主、辅料配比参数，按配方比例掺杂其余辅料。流量计量控制是计量偏差与变频调速的结合，具有结构简单、稳定性好、工作可靠和调整方便等优点。图2.4 流量PID调节原理图2.2 自动配料系统控制方案的确定2.2.1 自动配料系统控制方案的确定自动配料系统主要由称重传感器、变频器、皮带驱动电机及低压电器组成。系统的主要任务是比较设定值与实际流量的的偏差经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，同时各辅料根据配比按配方工艺要求添加，且各辅料同时混合计量。根据系统的设计任务要求，选择变频器+PLC+触摸屏+称重传感器的控制方案对进行自动配料系统设计。这种控制方式具有以下优点： 控制方式灵活方便 具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强； 由于PLC产品的系列化和模块化，用户可以灵活组成各种规模和要求的不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O端子的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过计算机来改变存储器中的控制程序，方便现场调试； 由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高2.2.2 自动配料系统的组成及控制原理基于PLC控制的自动配料系统主要由可编程控制器（PLC）、变频器、称重传感器、皮带驱动电动机组成，该系统的控制流程图如下图所示。从图中可看出，系统可分为执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：（1）执行机构：皮带驱动电动机。皮带驱动电机驱动电子皮带秤运行，由变频器控制根据设定流量与实时流量偏差进行变频调速，改变电机转速，从而实现恒流量控制。（2）信号检测机构：在系统控制中，需要检测的信号包括重量信号、料位信号和报警信号。重量信号反映的是电子皮带秤上的流量值，是自动配料系统的主要反馈信号。重量信号是模拟信号，需进行A/D转换；料位信号反映物料是否充足，此信号来自料斗中的料位传感器；报警信号反映系统是否正常运行、电机是否过载、变频器是由有异常，该信号为开关量信号；（3）控制机构：此系统中，控制机构为可编程控制器（PLC）、变频器。 PLC是整个控制系统的核心。它直接对系统中料位、重量、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频器和接触器对执行机构进行控制；变频器是对皮带驱动电动机进行转速控制的单元，根据PLC的控制信号来改变电机的运行频率，完成对电机的转速控制。图2.5 自动配料系统工艺流程图自动配料系统控制流程如下：（1）系统通电，设置配比，按下启动按钮SB1，检查料斗有无物料，若有物料，皮带驱动电机起动，配料生产线启动；若无物料，则向料斗送料，送料电机起动，送至料位满，送料电机停止，皮带驱动电机起动，配料生产线起动。图2.6 系统配料控制原理图（2）如上图所示，当物料量大于设定值时，称重传感器反馈的重量信号增大，偏差减小，PLC的输出信号减小，变频器的输出频率减小，皮带驱动电机的转速减小，使流量稳定在设定值。（3）当物料量小于设定值时，称重传感器反馈的重量信号减小，偏差增大，PLC的输出信号增大，变频器的输出频率增大，皮带驱动电机的转速增大，使流量稳定在设定值。第三章 自动配料系统的硬件设计3.1 系统主要配置的选型自动配料系统主要包括皮带驱动电动机、可编程控制器（PLC）、模拟量输入输出模块、称重传感器及变频器。下面对这些设备进行选型。3.1.1 皮带驱动电动机的选型在满足生产机械对拖动系统静态和动态特性要求的前提下，电动机种类选择要力求结构简单、运行可行、维护方便、价格低廉。考虑到电机的工作环境，可能会出现较多灰尘、水汽、铁屑等，因此选择封闭式的三相异步电动机，即Y系列电动机。Y系列电机具有效率高、能耗少、噪声低、振动小、重量轻、体积小、性能优良、运行可靠、维护方便等优点。根据本设计要求，1#皮带驱动电动机的额定功率为2.2kW，额定电压为380V，额定电流为5A，2#、3#皮带驱动电机的额定功率为0.4kW，额定电压为380V，额定电流为1.05A，转速为1420r/min，调速范围为1201200r/min。选用Y系列电机。1#皮带驱动电机选用Y100L1-4型，2#、3#皮带驱动电机选用Y80M1-4型。3.1.2 PLC及其扩展模块的选型PLC型号选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比，选择时应考虑以下几点。（1）PLC的硬件功能开关量控制的基本功能是PLC的开关量控制系统,主要需要考虑是否最大数量的开关PLC的I / O点可以满足系统要求。一些系统有特殊要求对PLC的功能,如通信、网络、PID闭环控制,响应速度快,高速计数和运动控制、模块化PLC应该考虑是否有相应的特殊功能模块。一些积分PLC集成有高速计数器,高速脉冲输出,模拟电位器来调整,和脉冲捕获、实时时钟和中断功能。对模拟输入/输出系统、PLC需要考虑最大的模拟I / O是否可以满足要求,模块的分辨率和转换时间，以及平均每点的价格。本系统不需要跨范围使用PLC对某些功能或信号也没有特殊的速度要求，不需要选用具有高速I/O理功能的PLC。（2）PLC指令系统的功能对于小型单台仅需要开关量控制的设备，一般的小型PLC便可以满足要求。如果系统要求PLC完成某些特殊的功能，应考虑PLC指令系统是否有相应的指令来支持。此系统只需用开关量控制，选用一般小型PLC即可（3）PLC物理结构的选择根据物理结构，可以将PLC分为整体式和模块式，集成PLC每个I / O点的平均价格是便宜的,一般采用PLC模块类型,在小控制系统。但方便灵活、模块化PLC功能扩展I / O点,如比率多少输出,输入点和点,和类型的I / O模块块,特殊的I / O模块的使用选择的是更大的比积分PLC,判断故障范围改变了在维护模块,也很方便,因此更复杂,要求更高的一般选择模块化PLC系统。考虑此系统控制比较简单，应用于小批量的生产线故此选择整体试PLC的结构形式较为合适。（4）确定输入/输出（I/O）点数应该确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC驱动，是开关量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的等级；是否有特殊要求，例如快速响应等，并建立相应的表格。如果系统不同部分相互距离很远，可以考虑使用远程I/O。根据系统中的控制要求PLC点数：实际输入点24点，实际输出点15点， 4）输入信号的类型及电压等级开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流直流输入三种种类。选择时主要根据输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，也可以直接和接近开关、光电开关和其他电子输入设备连接;交流输入模块可靠性好,适合油雾、灰尘的条件下使用。开关量输入模块的输入信号和电压等级有:直流5 V、12 V、24 V,48 V,60 V等;交流,110 V,220 V,等等。在选择时应根据输入装置和输入模块之间的距离来考虑。一般5 V、12 V、24V近距离传输的场合,例如5v的输入模块最远不得超过10米。远高模块应选用输入电压水平。本系统传输距离较近可选择24直流输入。2.1.2 I/O模块的选型PLC的型号选好后，根据I/O表和可以供选择的I/O模块的类型，确定I/O模块的型号和块数。选择I/O模块时，I/O点数一般应留有一定的余量，以备今后系统改进或者扩充时使用。（1）开关量输入模块的选择开关量输入模块的输入电压为AC220V DC24V可一般。直流输入电路延迟时间较短,可以直接和接近开关、光电开关和其他电子输入设备连接。交流输入模式适合于油雾、灰尘的条件下使用,在这些条件下交流输入触点的接触较为可靠。1）输入接线方式开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式。汇点式的开关量输入模块和所有输入点共享一个公共端(COM);和数据包类型开关输入模块输入点分成几组,每组(几个输入点)有公共边,团体之间是分开的。分组的开关输入模块和一个结点更高的价格,如果你不需要单独的输入信号之间,一般选择转运站。所以本系统考虑价格便宜问题，且输入信号之间不需要分隔，选用汇点式较合适。 2）输入门槛电平为了提高系统的可靠性,必须考虑输入的大小阈值水平。阈值水平越高,抗干扰能力强,传输距离越远,具体可以参考指令PLC。（2）开关量输出模块的选择开关输出模块是低电压转换为驱动在PLC外部开关信号输出装置,实现PLC信号内部和外部电气隔离。在选择时应该考虑以下几个方面:继电器型输出模块的工作电压范围广，触点的导通压降小，承受瞬时过电压和瞬时过电流的能力较强，但是速度动作较慢，触点寿命（动作次数）有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。输出接线方式，开关输出模块主要包括数据包类型,和单独的两个连接的方式。输出分组类型是几个点作为一个群体,一个组织有一个公众方面,两组之间是分开的,外部输出设备可以用来驱动不同的力,是输出为每个输出点有公共边,孤立的输出点。选择时主要取决于类型的PLC输出设备的电源和电压等级和多少。一般分两个包类型的PLC输出和输出。系统输出选项包类型。3）驱动能力输出电流的开关输出模块(驱动)必须大于额定电流的PLC外部输出设备。用户应根据实际的输出设备的电流大小来选择输出模块输出电流。如果实际的输出设备较大,当前输出模块不能直接驱动,可以增加放大在中间。综合对比三菱FX系列、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为32点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面，本系统可选择PLC型号为：S7-200 CPU226CN，合计总数32点24点输入，DC24V，16点继电器输出；尺寸（mm）：2208790，其性能、价格都优于其他PLC。CPU226系列是西门子S7-200可编程控制器家族中应用最为广泛的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。3.1.3 变频器的选型变频器通过频率的改变实现对皮带驱动电机转速的调节，从而改变瞬时流量。变频器的选择必须根据皮带驱动电机的功率和电流进行选择，要实现监控，所以变频器还应具备通讯功能。由于本系统采用一对一的形式，即一台变频器拖动一台电动机，因此变频器参数应满足以下关系式：按连续恒负载运转时所需的变频器容量（KVA）的计算式计算 (3.1) (3.2) (3.3)式中 电动机的额定功率； 电动机的效率（一般取0.85）； 电动机的功率因数（一般取0.75）； 电动机的额定电压（V）； 电动机额定电流（A）； 电流系数，PWM方式时一般取11.05； 变频器的额定容量（KVA）； 变频器的额定电流（A）选择变频器容量时，应同时满足三个算式。AB公司提供了PF753系列变频器与该公司的标准点击相匹配时的技术参数，按照这些技术参数及上式计算得到的变频器容量，可选出主料和辅料称变频器型号为PF753变频器。3.1.4 称重传感器的选型称重传感器被喻为电子衡器的心脏，它的性能在很大程度上决定了电子衡器的准确度和稳定性。对传感器等级的选择必须满足传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入灵敏度值，且要满足整台电子称准确度的要求。同时在选择传感器的型号时，还要考虑传感器的适用范围。由于EM231模拟量输入模块的输入信号为标准电压、电流信号，因此在选择传感器时应选择内置变送器的称重传感，或另选变送器。3.2 配料控制系统主电路部分设计基于PLC的自动配料系统一共有六台电机：三台主、辅料送料电机，三台皮带驱动电机。其中三台主、辅料电机在系统检测到料位低的信号时启动，向料斗送料，送至系统检测到料位高的信号时停止。三台皮带驱动电机按照主料、辅料的顺序启动。六台电机的主电路接线如下图所示。图3.1驱动电机连接图主料秤电机由变频器驱动，通过模拟量输出模块给定速度，可编程控制器控制变频器的启动停止。以一号送料电机为例，送料电机的变频器接线图如下图3.7所示。图3.2 主料变频器接线图变频器接线图主要由主电路接线和控制电路接线组成，主电路部分包括电源线接线和电机线接线。控制部分包括启动停止信号线，速度给定信号线，故障输出信号线。3.3 配料控制系统控制电路设计系统实现恒流量自动配料的主体控制设备是PLC。控制电路的合理性、程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用西门子公司S7-200 CPU226系列PLC，它体积小、执行速度快、抗干扰能力强、性能优越。3.3.1 可编程控制器（PLC）的I/O端子分配基于PLC的自动配料系统设计的基本要求如下：本自动配料系统由3台电子皮带秤配料线组成，编号分别为1#、2#、3#，其中1#为主料称，2#、3#为辅料称，当不需要添加辅料时，1#电子称单独工作。系统具有恒流量和配比控制功能。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，以达到所设定流量的要求。每台电子皮带秤有一台皮带驱动电动机，两个料位传感器，一个速度传感器，一个称重传感器，一台变频器。变频器由PLC控制，输出驱动皮带电动机。料位传感器检测料斗有无物料，速度传感器测量电动机的转速。配料生产线工作时，首先设置配料的配比，检查料斗有无物料，若无物料则向料斗送料，才能启动配料生产线。生产过程中，电子皮带秤进行称重并实时计量，PLC计算出实时流量及累计流量，若设定流量与实际流量有偏差，调节器根据系统控制要求，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输送电动机的速度调节，从而实现恒流量控制。根据配比各辅料按配方工艺要求添加，各辅料同时混合计量系统有电源指示、工作方式指示、电动机运行指示。根据以上控制要求，列出I/O分配表：表3.1 基于PLC的自动配料系统I/O分配表输入输出停止按钮I0.01#送料电机Q0.0启动按钮I0.12#送料电机Q0.1急停按钮I0.23#送料电机Q0.21#料位传感器（高）I0.31#电磁阀Q0.31#料位传感器（低）I0.42#电磁阀Q0.42#料位传感器（高）I0.53#电磁阀Q0.52#料位传感器（低）I0.61#皮带驱动电机Q0.63#料位传感器（高）I0.72#皮带驱动电机Q0.73#料位传感器（低）I1.03#皮带驱动电机Q1.01#主料按钮I1.1电源指示灯Q1.12#辅料按钮I1.2低料位信号灯Q1.23#辅料按钮I1.3送料电机运行信号灯Q1.3配比确定按钮I1.4皮带电机运行信号灯Q1.41#变频器故障信号I1.5变频器故障信号灯Q1.52#变频器故障信号I1.6蜂鸣器Q1.63#变频器故障信号I1.71#称重传感器AIW0主料秤频率输出AQW02#称重传感器AIW21号辅料秤频率输出AQW23#称重传感器AIW42号辅料秤频率输出AQW43.3.2 系统控制电路设计图3.3 PLC输入输出信号接线图PLC主要用于实现自动配料系统的自动控制，完成以下功能：（1）自动检测料位信号，低料位时自动控制三台送料电机投入运行；（2）物料充足时，启动配料生产线，自动控制皮带驱动电机运行；（3）根据称重传感器输入的重量信号计算出实时流量及累计流量，并与设定流量比较，有偏差进行PID调节。重量信号为模拟信号，需要通过A/D模拟量输入模块才能输入PLC，如下图所示。图3.4 模拟量输入和模拟量输出接线图（4）根据配比各辅料按配方工艺要求添加，各辅料同时混合计量；（5）系统有电源指示、工作方式指示、电动机运行指示、报警指示。如下图所示为与PLC输出信号的辅助控制接线图。图3.5辅助控制接线图第四章 自动配料系统的软件设计4.1 控制系统主程序设计PLC主程序主要由系统初始化程序、送料检测程序、皮带驱动电机启动程序、模拟量PID调节程序和报警程序等构成。如图4.1所示，为系统主程序流程图。系统主程序主要包括以下内容：（1）调用初始化子程序，设定各初始值（2）根据料位检测信号确定是否需要启动送料电机送料（3）根据流量偏差进行PID调节控制功能（4）进行自动故障检测报警和故障处理功能图4.1 系统控制流程图本系统中，公用程序即主程序主要包括初始化、调用子程序、判断是否启动送料电机、工作方式指示与报警等作用。在主程序中主要是对系统的逻辑控制进行编译。和对各种功能块进行调用。4.1.1主程序逻辑控制设计本系统逻辑控制主要包括主料变频器启动停止，辅料变频器启动停止，输送带启动停止，皮带驱动启动停止以及各种液位控制，指示灯显示等。程序设计如下图所示。 4.1.2主程序数据转换及调用设计 主程序中数据转换主要包括主配料及辅配料的给定值和反馈值的转换，以及各种功能块的调用。 4.2 控制系统子程序设计4.2.1数据滤波子程序数据滤波子程序主要对模拟量输入的信号进行滤波，取出干扰，程序设计如下：4.2.2数据转换子程序 数据转换子程序主要是对模拟量输入的信号进行转换，转换为百分数的数值，程序设计如下：4.2.3PID控制子程序本系统中，要求自动配料系统恒流量控制，也就是要对重量信号进行模拟量闭环控制，其中最重要的一步便是对偏差量进行PID调节控制。PID子程序属于调用系统的PID程序，调用方法如下：图4.2 S7-200可编程控制器调用PID配置图第五章 自动配料控制系统组态设计5.1 组态软件简介组态软件，又称组态监控软件系统软件。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。5.1.1 组态软件的功能 组态软件通常有以下几方面的功能： 强大的界面显示组态功能。目前，工控组态软件大都运行于windows环境下，充分利用windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的风格界面、丰