自动配料控制系统的设计.doc

0 引言随着计算机技术和自动化技术的发展，自动配料系统的相关技术也日益成熟，并以其计量准确、安全可靠、自动化程度高，广泛应用于化工、矿山、建材、食品、冶金、港口、电力等多种行业。它既可以自成系统, 独立工作, 也可以接人DCS、FCS系统以下介绍的自动配料技术设计合理、精度高、运行可靠, 可完全替代进口产品。本设计根据精细化工生产配料系统的功能要求，研究了变频调速技术在生产中的应用，根据原有的控制结构，基于PLC技术，提出了一个改进的系统控制结构，采用此体系结构实现一个自动配料系统，使之具有称重、配比、流量控制、故障检测报警及通讯功能，具有智能化程度高、控制稳定、可靠、操作维修方便等特点，对各种原料能进行精确的计量，保证化工产品准确的成分。设计在对上述装置分析研究后在自动配料系统中进行相关应用，该系统的总体方案：自动配料控制由一个多输入，多输出，各条配料输送生产线严格协调控制，对料位、流量及时准确地进行监测和调节。所以，系统由可编程控制器与电子皮带秤组成一个两级计算机控制系统，通过对现场总线连接现场仪器仪表、控制计算机、PLC、变频器等智能程度较高，处理速度快的设备。1 绪论1.1 配料系统的发展情况目前, 称重配料系统的流程控制大多数由可编程控制器(PLC) 来实现, 上位计算机主要用于配方管理、屏幕人机对话和称重资料的存储打印等工作。随着微处理器技术的发展, 配料系统中的称量仪表由最初的专用积木式仪表发展为智能化的工业控制终端以及专门的配料控制器。配料控制器是用来控制一种或多种物料的配制的微电脑系统, 可以完全或部分取代可编程控制器, 实现配料的自动化。称量仪表的功能也由最初的资料显示发展为具有自诊断、自动零位跟踪、置零去皮、预置点输出、动态称重、数据通信等多项功能。近年来, 随着现场总线技术的推广, 将传统的配料控制系统改进为基于现场总线的控制系统成为科技进步的必然趋势。目前, 许多用于配料的称重仪表已经有了Profibus、Modbus 等现场总线接口,使基于现场总线的配料控制系统成为可能, 基于现场总线的配料控制系统正在迅速推广。也有一部分采用的控制器为单片机，并利用其开发专用的称重控制器。利用一台或多称重控制器和称重传感器构成配料系统。这种方法控制程序用汇编语言编写。具有成本低廉、设备可靠性高以及操作简单等特点。但还是有兼容性能、再开发能力差的缺点。另外这种方法较适合于单台设备的控制，对于复杂的控制系统难以处理。1.2 设计背景随着计算机技术与自动化技术的发展, 自动配料系统的相关技术也日益成熟, 并以其计量准确、安全可靠、自动化程度高, 广泛地应用于化工、矿山、建材、食品、冶金、港口、电力等多种行业它既可以自成系统, 独立工作, 也可以接人DCS、FCS系统以下介绍的自动配料技术设计合理、精度高、运行可靠, 可完全替代进口产品。由于生产的需要，要求在某些时候可以实现各种物料的不同比例搭配，在生产任务繁重的时候加快生产速度，要求能够集中控制电机的启动、浏览生产工业流程图、做出事故报警响应、可调节电机运行速度等。原配料系统的配料皮带秤采用模拟电路控制滑差调速电机的方法进行速度控制，只是采用PLC作为联锁控制，采用VC开发工具进行控制界面和控制算法的开发。由于滑差电机调速方式在低速时特性差、效率低，现场外部工作环境又很恶劣，工业粉尘很多，这些粉尘很容易进入滑差电机内部而出现磨损、卡死等现象，维修、维护麻烦，造成工作故障多，影响正常生产;另外由于采用模拟电路控制方式，控制不稳定，精度低，调试烦琐，使用极不方便。再者，采用VC开发工具进行开发软件的控制界面和控制算法功能是靠软件工作人员通过编程从底层来实现的，工作量大且设计的软件通用性差，软件功能可靠性也低。所以对配料系统要采用新的方案来提高系统的提高企业生产和管理的自动化水平，同时又提高了整个配料系统的精度和可靠性，提高了生产线的质量。1.3 设计研究的内容及意义本设计主要介绍了PLC(可编程程序控制器)的基本组成、工作原理、主要特点并分析西门子公司S7-300PLC的主要技术指标和性能，变频器内部结构进行深入的学习，比较电机调速的几种类型，深入探讨变频调速的原理和优点，并且介绍三菱公司的FR-740变频器。设计在对上述装置分析研究后在自动配料系统中进行相关应用，该系统的总体方案：自动配料控制由一个多输入，多输出，各条配料输送生产线严格协调控制，对料位、流量及时准确地进行监测和调节。所以，系统由可编程控制器与电子皮带秤组成一个两级计算机控制系统，通过对现场总线连接现场仪器仪表、控制计算机、PLC、变频器等智能程度较高，处理速度快的设备。本设计根据精细化工生产配料系统的功能要求，研究了变频调速技术在生产中的应用，根据原有的控制结构，基于PLC技术，提出了一个改进的系统控制结构，采用此体系结构实现一个自动配料系统，使之具有称重、配比、流量控制、故障检测报警及通讯功能，具有智能化程度高、控制稳定、可靠、操作维修方便等特点，对各种原料能进行精确的计量，保证化工产品准确的成分。1.4 小结 本章首先介绍了自动配料系统的背景，通过对自动配料系统控制方式的比较，展望了自动配料系统控制方式的发展趋势，介绍了本课题研究的内容及意义。2 可编程控制器（PLC）2.1 定义PLC可编程序控制器：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。DCS集散系统: DCS英文全称 DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM ,中文全称为集散型控制系统。DCS可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的，尽量将控制所造成的危险性分散,而将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品。DCS一般由五部份组成：1：控制器2：I/O板 3：操作站 4：通讯网络 5：图形及遍程软件。2.2 发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器。称ProgrammableController（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。 PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按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设计。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30-40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。2.3 PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。可编程控制器的硬件由微处理器、存储器、I/O接口电路、电源、扩展接口、外设接口及编程器等组成。如图2-1所示图2-1 可编程控制器的硬件简化框图Fig.2-1 The hardware simplification frame diagram of PLCCPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 2.3.1 I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 2.3.2 电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。2.3.3 底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.4 PLC的工作原理可编程控制器中CPU的扫描过程也就是PLC的工作过程，型号不同的可编程控制器的扫描过程有所差异，典型的扫描工作过程如图2-2所示。如图可知，可编程控制器有两种基本的工作状态：运行状态和停止状态。当处于停止状态时，只重复进行内部处理和通信服务等工作。处于运行状态时，从内部处理、通信服务、自诊断到输入处理、用户程序执行、输出处理，一直反复不断地重复执行，直到可编程控制器停机或转换到停止状态。编程控制器工作时，它的CPU每一瞬间只能做一件事，也就是说一个CPU每一时刻只能执行一个操作而不可能同时执行多个操作。CPU对许多需要处理的任务依次按规定须序进行访问和处理的工作方式为扫描工作方式。此扫描过程分为三个阶段：输入处理阶段又叫输入采样阶段。这一阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。程序执行阶段，PLC按从上到下、从左到右的顺序扫描执行梯形图程序。CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行存储器中按步序号从小到大排列的由若干条指令组成的用户程序。在程序执行过程中，根据用户程序的需要从输入映像寄存器及其他的元件映像寄存器中将元件的“0/1”状态读出来，并按程序的要求进行逻辑运算，运算结果写入对应的元件映像寄存器中。在输出处理阶段，CPU一次性集中将元件映像寄存器中输出映像寄存器的“0/1”状态转存到输出锁存器中。信号经输出模块隔离和功率放大后送到输出端子。图2-2 PLC的扫描周期Fig.2-2 Scan cycle of PLC2.5 西门子S7-300简介2.5.1 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；其优越的性能价格比，使之成为中小规模控制系统理想的选择。其主要特点为:1) 多种规格的处理器，系统采用独特的导轨安装；2) 高速的指令处理，可满足快速程序控制要求；3) 浮点数运算，可有效地实现更为复杂的数学运算；4) CPU内集MPI接口，多种通讯模块能用来连接AS-I接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统；5) 具有时间/中断驱动、开环定位和PID等高级控制功能；6) I/O模块采用前连接器方式，维修或更换十分方便；7) 系统自行组态，信号或通讯模块不受限制地随意安放；8) 具有满足高速计数、步进电机和伺服定位控制等特殊应用的IIO模块；9) STEP 7 编程语言具有大量的以STEP5 为基础的指令集，使程序的编制简单快捷2.5.2 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。1) 高速的指令处理:0.060.1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。2) 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。3) 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。4) 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。5) 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)。6) 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。7) 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。2.5.3 S7-300的组成S7-300 PLC功能强、速度快、扩展灵活，它具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，其主要组成部分有: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2-3所示。 槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10电源PS3075VCPU315-2DPIM365DI32DC24VDI32DC24VDI32DC24VDI32DC24VDO 16VReLAC120V/230VDO 16VReLAC120V/230VDO 16VReLAC120V/230VIM365AI812BitAI812BitAI812Bit图2-3 S7-300的组成Fig.2-3 Compose of S7-3001) 负载电源模块(PS)；用于将SIMATICS 7-300连接到120/230V 交流电源，或24/48/60/110 V直流电源。 2) 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。3) 信号模块(SM):用于数字量和模拟量输入/输出。4) 通讯处理器(CP):用于连接网络和点对点连接。5) 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。6) 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。2.5.4 S7-300的类型1) 标准型:温度范围从0到60。2) 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。2.5.5 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：1) 多种通讯处理器用来连接AS-I接口、和工业以太网总线系统。2) 串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统。3) 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。CPU支持下列通讯类型:1) 过程通讯2) 通过总线(AS-1或PROFIBUS)对u0模块周期寻址(过程映象交换)3) 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。2.6 PLC的编程语言PLC与微机一样，是以指令程序的形式进行工作的，各种型号的PLC一般均以梯形图语言为主，同时也兼顾一些其它形式的编程语言。1) 梯形图 (LAD)梯形图是一种图形编程语言，是面向控制过程的一种“自然语言”，它延用继电器的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，同时也增加了一些继电器控制系统中没有的特殊符号，以便扩充PLC的控制功能。梯形图语言比较形象、直观，对于熟悉继电器表达方式的电气技术人员来说，不需要学习更深的计算机知识，极易被接受，因此在PLC编程语言中应用最多。2) 指令语句表(STL)指令语句用助记符来表达PLC的各种控制功能，一般与梯形图语言一一对应。它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，因此也是应用很广泛的一种编程语言。指令语句通常由地址、操作码和操作数(器件编号)三部分组成。这种编程语言可使用简易编程器编程，编程设备简单、逻辑紧凑，连接范围不受限制，但比较抽象，一般与梯形图语言配合使用，互为补充。3) 逻辑功能图(FBD)这种编程语言基本上延用了半导体逻辑电路的逻辑方块图形式。对于每一种功能都使用一个运算方块，其运算功能由方块内的符号确定。常用“与”、“或”、“非”等逻辑功能表达控制逻辑。采用这种编程语言对于熟悉逻辑电路和只有逻辑代数基础的技术人员来说，是非常方便的。3 交流变频调速系统概述3.1 变频器变频调速器也称变频器，全称为变频变压调速器VVVFI(Variable Voltage Variable Frequency Inverter)，是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它采用大功率晶体管GTR作为功率元件，以单片机为核心进行控制，采用SPWM正弦脉宽调制方式，是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化产品。从结构上看，变频器可分为间接变频和直接变频两类。间接变频装置先将工频交流电原通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换为可控频率的交流，因此又称为有中间直流环节的变频装置。直流变频装置则将工频交流一次变换为可控频率的交流，没有中间环节，目前应用较多的还是间接变频装置。间接变频装置如图3-1所示。图3-1 间接变频装置Fig.3-1 Indirect Converter(a) 电压源变频器 (b) 电流源变频器图3-2 电压源和直流电源交直交变频器Fig.3-2 DC voltage source and the AC power inverter对于交-直-交变频装置，当中间直流环节主要采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阴为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，叫做电压源变频器；当中间直流环节采用大电感滤波时，直流回路中的电流波形比较平直，对负载来说基本上是一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，叫做电流源变频器。如图3-2所示表3-1 电压源与电流源交-直-交变频器主要特点比较Tab3-1 Current voltage source and the source of AC-DC-AC inverter main features comparison变频器类别比较项目电 压 源电 流 源直流回路滤波环节输出电压波形输出电流波形输出阻抗回馈制动调速动态响应对晶闸管的要求适用范围电容器矩形波决定于负载的功率因数，有较大的谐波分量小须在电源侧设置反并联逆变器较慢关断时间要短，对耐压要求一般较低多电动机拖动，稳频稳压电源电抗器决定于负载，对异步电动机负载近似为正弦波矩形波大方便，主回路不需附加设备快耐压高，对关断时间无特殊要求单电动机拖动，可逆拖动在基于晶闸管的交-直-交变频器供电的变压变频调速系统中，为了获得变频调速所要求的电压频率协调控制，调速时须同时控制整流器和逆变器。要采用PWM控制。它利用了采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即指矩形脉冲的面积。这里所说的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。根据这个原理，可以用一系列等幅而不等宽的脉冲来近似正弦波，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为SPWM(SinusoidalPWM )。SPWM各脉冲的宽度和间隔可以准确计算出来，按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的SPWM波形。但这种计算很繁琐，较为常用的方法是采用调制的方法。正弦波脉宽调制原理：正弦波脉宽调制分为单极性和双极性脉宽调制，它使每一输出矩形脉冲的面积与对应的正弦波电压面积成正比。把正弦基波作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制即可得到SPWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系，且左右对称，当它与正弦波调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲，这正好符合SPWM控制的要求。3.2 三菱公司的FR-740变频器三菱FR-740变频器的功率范围：0.75630KW，采用了磁通矢量控制方式，实现3Hz时输出转矩达120%；最佳励磁控制方式，实现更高节能运行。内置PID，变频器/工频切换和可以实现多泵循环运行功能；内置独立的RS485通讯口；它具有广泛的使用环境，便利的维护特点及各类简易操作的实用功能，使用更为方便。3.2.1 FR-740系列变频器的功能特点1) 发挥普通电机的最佳性能：驱动无编码器的普通电机实现高精度和快速度响应运行的矢量控制。在0.3Hz的超低速下最高可实现120%的输出转矩。转矩模式下控制范围1：20；响应水平进一步提高，速度响应120rad/s，速度范围1:200。2) 驱动带编码器的电机实现高性能的矢量控制：闭环矢量控制下，变频器可达到比无传感器矢量控制时更高精度和更快速度响应的性能。速度控制范围1:1500；速度波动率0.01%；速度响应300rad/s。转矩控制范围1:50；并具零速控制和伺服锁定功能。位置控制中，内置15段预设位置段，并且可与PLC或脉冲单元连接后可构成通用伺服系统，实现定位操作。3) 强大的网络通讯功能：内置USB接口，方便连接变频器设置软件。4) 内置EMC滤波器：有效地抑制电磁噪声，无需外部配置，节省安装空间。5) 长寿命设计：主回路电容、控制回路电容、新设计的冷却风扇设计寿命为十年。3.2.2 FR-740系列变频器的主要功能参数1) 控制特性：输出频率范围为0.5400Hz。模拟输入的频率设定分辨率：00.15Hz(端子2、4：010V)；0.03Hz/060Hz(端子2、4：05V,020mA )；0.06Hz/060Hz(端子1：05V)。数字输入的频率设定分辨率：0.01Hz。模拟输入的频率精度：最大输出频率的0.2%以内（）。数字输入的频率精度：设定输出频率的0.01%以内。电压/频率特性：基准频率可以在0400Hz之间任意设定，可以选择恒转矩曲线，变转矩曲线。V/F5点可调整。启动转矩：设定转差率补偿时120%（3Hz时）。加/减速时间设定：03600s，可选择直线或S形加减速模式。直流制动：动作频率为0120Hz，动作时间为010s，动作电压为030%可变。失速防止动作水平：动作电流水平可以设定在0150%间可变，可以选择有或无。2) 运行特性：模拟输入频率设定信号：端子2、4可在010V,05V,420mA间选择；端子1可在-10+10V，-5+5间选择。数字输入频率设定信号：用操作面板的M旋钮，参数单元及BCD4位或者16bit二进位制。启动信号：正转、反转分别控制，启动信号自动保持输入（3线输入）可以选择。输入信号：在多段速选择，第2功能选择，端子4输入选择，点动运行选择。瞬间停电再启动选择，外部热保护输入、HC连接（变频器运行许可信号），HC选择（瞬间停电检测），PU操作外部互锁信号，PID控制有效端子，PU操作，外部操作切换，输出停止，启动自保持警惕，正转指令，反转指令，复位变频器，PTC热电阻输入，PID热电阻输入，PID正反动作切换，PU-NET操作，NET外部操作切换，指令权切换中可以用Pr178-189（输入端子功能选择）选择任意的12种。运行功能：上下限频率设定，频率跳变操作、外部热继电器输入选择，极性可逆操作、瞬时停电再启动运行，瞬时停电运行继续，工频切换运行、防止正转或反转，操作模式选择，PID控制，计算机通信操作。3) 保护和报警功能：加速时过电流，恒速时过电流，减速时过电流，加速时过电压，恒速时过电压，减速时过电压，变频器过热保护继电器动作，电面保护热继电器动作，风扇过热，发生瞬时停电，制动晶体管异常。电压不足，输入缺相，电机过载，输出侧直接接地过电流，输出缺相，外部热继电器动作。4) 环境：周围温度：LD：；SLD：。周围湿度：90%RH以下。保存温度：。周围环境：室内（无腐蚀性气体，可燃性气体，油雾，尘埃）。海拔高度，振动：海拔1000m以下，以下。3.3 交流变频调速系统3.3.1 概述变频调速是通过改变电动机供电电源频率进行调速的一种方法，频率在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。近年来，随着电力电子技术、微电子技术、电动机和控制理论的飞速发展，交流电动机调速系统有了很大的提高，变频调速技术已经趋于成熟，用晶闸管或全控型器件组成逆变器，容量从几十瓦到几十千瓦的异步电动机变频调速系统大量投入到工业、商业等领域中应用。因此，以控制频率为目的的变频器，是作为电机调速设备的优选设备。3.3.2 异步电动机当在三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，便产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，电磁力对转轴形成电磁转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变，电动机的转向也随之发生改变。交流电动机的异步转速表达式为 （3-1）其中为电动机的同步转速；为供电电源频率(Hz)；为电动机定子磁极对数；为转差率。所以，异步电动机的调速方法有改变电动机定子供电频率、改变转差率及改变极对数等三种。其中改变转差率又可通过调定子电压、转子电阻、转差电压及定、转子频率差等方法实现。3.3.3 变频调速的原理异步电动机的转速公式:n = n1(1-s)=60f1(1-S)/Pn,式中:n：电机转速,n1:旋转磁场转速,S:转差率,f1:定子电源频率,Pn:极对数,由上式可知,改变f1、S、Pn 中任意一个变量,n都会随之相应改变通常采用的是改变f1 的方式。此方式调速范围宽,平滑性好,效率高,动态及静态性能良好。受交流变频器控制的感应电动机在调速过程中有两种工作状态,一种是恒转矩调速状态,另一种是恒功率调速状态。已知异步电动机工作时,磁通f1N时,由于电机所用电压受绕组绝缘强度的影响,不能无限制提高,保持U1=U1N ,则磁通减小,但由于转速增加,输出功率近似不变,相当于恒功率调速。把基频以下调速和基频以上调速两种情况合起来，可得图中所示的异步电动机变频调速控制特性。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升条件允许下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下，属于“恒转矩调速”，在基频以上属于“恒功率调速”。 (a)基频以下调速机械特性 (b)变频调速控制特性图3-3 异步电动机变频调速控制特性Fig.3-3 VVVF asynchronous motor control characteristics把基频以下调速和基频以上调速两种情况合起来，可得图中所示的异步电动机变频调速控制特性。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升条件允许下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下，属于“恒转矩调速”，在基频以上属于“恒功率调速”。如图3-3所示3.3.4 交流变频调速的特点1) 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性效率较高，相对稳定性好。2) 调速范围较大，精度高。3) 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。4) 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。5) 易于实现过程自动化。6) 必须有专用的变频电源，目前造价较高。7) 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。 8) 性能上优于以往的变极调速、串阻调速、串极调速、滑差电机调速等交流电机调速方式，并且将会逐步以这种崭新的调速技术取代直流电机调速。用交流异步电机取代直流电机，将使调速系统更加简单。3.3.5 应用、功能交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。目前产品己经广泛地应用于石油、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺织、建筑、造纸等行业，适用于水泵、风机、压缩机、机床等产品的电机调速。它除节电外，还有变频调速系统自身损耗小，工作效率高；电机总可以保持在低转差率运行状态，减小转子损耗；可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。4 自动配料系统的硬件设计与实现自动配料控制由一个多输入，多输出，各条配料输送生产线严格协调控制，对料位、流量及时准确地进行监测和调节。所以，系统由可编程控制器与电子皮带秤组成一个两级计算机控制系统，通过对现场总线连接现场仪器仪表、控制计算机、PLC、变频器等智能程度较高，处理速度快的设备。4.1 系统的总体设计在生产工艺过程中，将辅料与主料按一定比例配合，由皮带秤完成对皮带输送并对输送的物料进行计量，PLC主要承担对输送设备、秤量系统的过程进行实时控制，并完成对系统故障检测，显示及报警，同时向变频器输出信号调节皮带机转控制，使系统可在工作环境温度在1020摄氏度，并且具有累计量和瞬时流量的显示功能、停电数据记忆功能、较秤去皮功能、手动自动控制功能、皮带自动纠偏功能、自动故障检测报警功能、流量累计量的报表打印功能、流量配比值等参数的设定和修改功能等。当系统的被控对象比较多，分布在一个较大的区域里，相互之间比较远，而且被控对象之间经常的交换数据和信息。这时系统的控制器需由若干个想互这间具有通信功能的PLC构成，上位机可以采用PLC，也可以采用工控机。这种控制系统称为分布式PLC控制系统。如图4-1所示。图4-1 分布式PLC系统Fig.4-1 Control system of distributed PLC4.1.1 系统的构成配料装置主要由原料仓、输送机构、配料称及电气控制等部分构成。原料仓为圆筒形，PVC原料及主要辅助材料储存在其中。输送机构是用来将原料输送到配料称中。配料称为圆锥形，被悬空放置在V形刀口上，有原料入口和排出口。配料秤上有电子称，连杆处装有重力传感器，将重量信号转换为电信号。如图4-2所示。图4-2 系统的构成Fig.4-2 Composting of system配料系统中,由上位机进行配料,料流计量控制,建立配料模型,统计打印。下位机用PLC进行皮带顺序控制，皮带机变频调速控制。用变频器控制皮带输送机，确保配料的误差。本设计是由于4台电子皮带秤配料线组成，这4台电子皮带秤为1号，2号，3号，4号。其中1号为主料秤，其余为辅料秤。系统中主、辅秤均由PLC和上位机实现两级控制。4.1.2 工作原理自动配料系统工作原理是利用皮带秤称量所需要原料的重量，将原料重量数据传送给控制仪表和系统工控机，通过调节皮带的运转速度以实现所需原料的重量调节。皮带运转的速度调节通过控制仪表的PID调节器对变频器的频率调节，变频器控制皮带驱动电机的转速来实现的。数据的管理通过系统工控机来完成。该系统数据报表自动生成,调节参数在线修改，工艺流程图界面友好，数据报表自动打印，各种原料重量自动累计等功能。在工业现场中，包括驱动皮带的电动机，电子皮带秤体，速度传感器，称重传感器，控制电机转速的变频器，料斗料位传感器，各种电磁阀，西门子可编程控制器及其扩展模块等。PLC采集电机、电磁阀、变频器等有关的控制对象的信息，经过对输入信息的处理，反馈控制监控对象，将信息送入上一级监控机(上位机)。另一方面接受监控机的控制指令，通过对输入和操作指令的分析判断，进行综合处理，输出控制信号，控制变频调速系统的工作，完成监控机对监控对象的实际控制。工作原理如图4-3所示图4-3 系统结构示意图Fig.4-3 Systemic configurable sketch fig本系统中，实行一台变频器对一台电机变频调速控制。用PLC输出的数字量信号作为变频器的控制端输入信号，通过接受PLC的信号控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号；当发生故障时，能够向PLC及上位机发出报警信号，变频器对驱动皮带秤的电机的控制具有完善的自我保护和电机保护功能。为保证系统的可靠性，应采用较高性能的PLC，选择合适的工业现场应用的数据采集模块，选用合适的变频器。同时，在控制室里由一台控制计算机以及打印机等组成，上位PC接受PLC采集的信息，对监控对象进行故障报警以及参数显示；向下属PLC发送控制信息。在本系统中，具有生产工业流程图显示、电机启动停止控制、变频器工作状态显示、事故报警显示、变频器运行参数设置和显示等功能。4.2 PLC系统的设计4.2.1 系统硬件设计1) 设计依据在实际工程应用中，系统硬件设计需根据控制对象而定，其中包括控制对象的工艺要求、设备状况、控制功能、I/O点数和种类，并据此构成比较先进的控制系统。工艺要求:工艺要求是系统设计的主要依据，也是控制系统所要实现的最终目标。本系统要求工艺流程是把各种配料按一定的比例进行混合，成为满足要求的混合料。为了使混合料不仅有一定的化学成分，而且有一定的化学成分稳定性和良好的透气性，要求物料流量的测量精度高，给料仓的物料下料量控制准确。设备状况:控制对象的设备状况需满足整个工艺要求，而对控制系统来说，设备又是具体的控制对象。控制功能：本系统是模块式的、半自动的控制系统，包括各台电机的运行控制、各种故障的处理、过程变量的计算、PID调节以及校秤操作。根据这些要求，配料系统采用上位机和下位机组成，上位机为实现整个系统的监控与数据检测。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器完成对设备的控制功能。2) PLC的机型选择德国的西门子(SIEMENS)公司是欧洲最大的电子、电气制造商。它以品质精良的电子、电气产品闻名于世。在大、中型PLC领域中，德国西门子与美国的A-B占据着同样重要的地位。本系统采用了西门子S7-300系列PLC。前面已经介绍S7-300系列的PLC具有以下特点：a) 循环周期短、处理速度高，一般每1K语句执行时间为0.30.6ms,位操作时间仅为0.0330.6； b) 指令集功能强大、可用于复杂功能；c) 产品设计紧凑、可用于空间有限的场合；d) 模块化结构、适合密集安装，最多可扩展3个机架，即共可挂接模块32个； e) 有不同档次的CPU、各种各样的功能模块和I/O模块可供选择；f 100%免维护；g) 已检定合格的、可在恶劣气候条件下露天使用的模块类型。S7-300系统图如图4-4所示图4-4 S7-300系统图Fig.4-4 The S7-300 system diagramPLC与工业生产过程是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。根据系统的I/O点数和种类，确定系统的规模、机型和配置。I/O点数的确定要按实际I/O点数以及20%-30%的备用量。a) I/O点的配置I/O点数包括开关量的I/O点数、数字量的I/O点数、模拟量的I/O点数以及特殊功能模块。本系统中共有四套电子皮带秤装置，用PLC控制这四台电子皮带秤。每一电子皮带秤有一台皮带驱动电机、二台料位传感器、一台速度传感器、一台变频器、若干个自称重传感器，构成被控对象。电动机的启、停由开关量控制，PLC数字量输出05V电压信号作为变频器的控制输入，然后经变频器调制输出高频脉冲给异步电动机。料位传感器作为料斗有无物料的测量装置，速度传感器测量电机的转速。数字量输入：8点，包括称量皮带秤、定量皮带秤的流量检测信号和电机速度检测信号；开关量输入：25点，包括称量皮带电机、圆盘给料机、定量皮带电机、集料皮带电机的工作方式(手动、自动)选择信号和变频器工作信号、故障信号，料位传感器信号以及跑偏检测电位器信号；开关量输出:24点，包括各台启动电机的控制回路接触器、电磁阀、信号灯，此外还有变频器启停信号和给定速度信号。I/O点数量和类型如表4-1。表4-1 I/O点数量和类型Tab.4-1 I/O point quantity and typeI/O类型 数字量输入点数 开关量输入点数 开关量输出点数信号类型 流量信号4 按钮 3 电磁阀 4速度信号4 料位传感器 8 信号灯 8变频器故障 4 接触器 9变频器运行 4 变频器调速信号 3自动、手动切换开关SA 2 跑偏检测电位器RP2 4小计 33 24总计 33/24b) CPU的配置根据被控对象的I/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，选用西门子公司S7-300系列PLC的CPU为315-2DP，它具有128KB的RAM和最大为8MB的装载存储器。用它进行逻辑和数字运算，协调整个控制系统各部分的工作。S7-315-2DP系列的CPU主要由微型存储卡(MMC)的插槽、接口X2、电源连接、接口X1(MPI)、模式选择器开关、状态和错误显示组成。 微型存储卡被用作存储器模块，可以将MMC用作装载存储器和便携式存储介质。DP接口X2，一般带有“DP”名称后缀的CPU至少配有一个DP X2接口。它主要用于连接分布式I/O每个CPU都配有一个双孔电源插座。CPU出厂时，带有螺丝接线端子的连接器即插在此插座中。接口X1用于PG/OP连接或用于在MPI子网中进行通讯的CPU接口。模式选择开关用于设置CPU操作模式。带有用于CPU存储器复位的按钮功能的模式选择器开关位置。采用模式选择器开关方式的CPU存储器复位需要特定操作顺序。状态和错误显示是常规显示。c) 响应速度响应速度一般从程序的扫描速度来考虑，通常在PLC的性能指标中给出每千字的扫描时间。3)