（控制理论与控制工程专业论文）镁砖配料控制系统设计与开发.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 镁砖配料控制系统设计与开发 摘要 论文设计的是一套面向镁砖的自动配料系统。在化工、冶金等行业的生产过程中， 配料是十分重要也是必不可少的环节，配料的关键是保证配料过程中称重的准确性和可 靠性。 论文首先对配料控制系统的应用背景、发展趋势进行了综述，以不定形耐火材料生 产工艺为研究对象，深入分析了自动配料系统的结构与控制原理，完成了系统的总体设 计。配料系统设计时采用u 下位机两级结构，上位机负责监控，主要完成对现场设备工 作状态的监视，对配料实际情况的监测，对生产过程的控制，对采集的数据的处理，历 史趋势图绘制和故障报警等功能。监控画面和程序用西门子开发的s i m a t i cw i n c c 开 发。系统中下位机的功能主要是完成生产控制。现场用4 套西门子s 7 2 0 0 系；i j p l c 来完成 对双斗双秤配料车和给料机的控制。p l c 逻辑程序采用s i m a t i cs t e p 7 m i c r o w i n 3 2 编写。下位机和上位机间通l x l p r o f i b u s 通讯，主控制室内的上位机间则通过工业以太 网连接。 针对自动配料系统的复杂性，存在多种不确定性及难以确切描述的非线性，传统的 补偿控制方法常常不能精确满足要求的问题。通过对影响配料精度因素的分析，设计了 一种基于动态神经网络的配料控制系统。利用神经网络具有任意逼近非线性的能力和较 高精度的优点，以及动态神经网络的b p 算法将多层前向网络可实现任意非线性影射和 回归网络动态系统结合的特点，提出了补偿的网络结构。通过现场实际采集的配料历史 数据，对系统进行仿真分析。结果表明该方法可以有效减小配料误差。 关键词：配料控制；可编程序控制器；神经网络；b p 算法 一一 东北大学硕士学位论文 d e s i g n a n dd e v e l o p m e n to fm a g n e s i ab r i c km i x t u r ec o n t r o l s y s t e m a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cm i x t u r es y s t e mf o rm a g n e s i u mb r i c kf i r ei sd e s i g n e di nt h i sa r t i c l e i nt h e p r o d u c t i o np r o c e s so fc h e m i c a le n g i n e e r i n g ，m e t a l h r g ye t c ，m i x t u r ei sv e r yi m p o r t a n ta n d e v i t a b l e a n dt h ek e yp o i n to fm i x t u r ei st oa s s u eo ft h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yi nt h e p r o c e s so f w e i g h i n g i nt h i sa r t i c l e ，t h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dt r e n di nd e v e l o p m e n to f a u t o m a t i cm i x t u r e s y s t e ma r eo v e r v i e w e df l r s t l y t h e n , t h es t r t l e t u r ea n dc o n t r o lt h e o r yo fa u t o m a t i cm i x t u r e ， s y s t e ma r ei n v e s t i g a t e d , a n do v e r a l ld e s i g ni sc o m p l e t e dw i t hs t u d y i n gr a n d o mr e f i a c t o r y m a t e r i a l i nt h es y s t e m , u p p e r l o w e rc o m p u t e r ( t w o - s t a g es t r u c t u r e ) i sa d o p t e d t h eu p p e r c o m p u t e ri si nc h a r g eo f m o n i t o r , a n dt h em a i nf u n c t i o no f i ti st om o n i t o rw o r ks t a t eo f l o c a l a p p a r a t u sa n d m i x t u r ep r o c e s s ，t oc o n t r o lp r o d u c t i o np r o c e s s ，t oh a n d l ec o l l e c t i v ed a t a , t op l o t h i s t o r i c a lt r v n da n dt oa l a r m , e t c t h em o n i t o rf i r 1 1 ea n dp r o g r a mi sd e v e l o p e dw i t ht h e s i m a t i cw m c cs o r w a r e t h em a i nf u n c t i o no fl o w e rc o m p u t e ri si nc h a r g eo fp r o d u c t i o n c o n t r 0 1 f o u rs e t so fs i e m e n s $ 7 - 2 0 0s e r i e sp l ca r ea d o p t e dt oc o n t r o lt h ed o u b l e - h o p p e r s d o u b l c - w c i g h t i n g sb a t c ht r u c ka n df e e d i n gm a c h i n e s t h ep l cp r o g r a mi s w r i t t e nb y s t e p 7 - m i c r o w i n 3 2 t h eu p p e rc o m p u t e ra n dt h el o w e rc o m p u t e rc o m m u n i c a t ew i t h p r o f i b u s ，a n dt h eu p p e rc o m p u t e r si nt h ec o n t r o lc e n t e rc o n n e c tt oe a c ho t h e r st h r o u g ht h e e t h e r n e tn e t w o r k b c c a l l s eo fc o m p l e x i t y , m u l t i - i n d e t e r m i n a c ya n du n - d e s c r i b e dn o n l i n e a ro fa u t o m a t i c m i x t u r es y s t e m , c o n v e n t i o n a lc o m p e n s a t i n gc o n t r o lm e t h o dc a nn o tm e e tt h er e q u i r e d q u e s t i o np r e c i s e l y ak i n do fm i x t u r ec o n t r o ls y s t e m , b a s e do nd y n a m i cn e u r a ln e t w o 咄i s d e s i g n e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h ei n f l u e n c ep r e c i s i o nf a c t o r so f m i x t u r e c o m p e n s a t i n gn e t w o r k s m l c l u r ei sd e s c r i b e db e c a u s eb o t ho ft h ea d v a n t a g eo fn e u r a ln e t w o r k - c a p a b i l i t yt o a p p r o a c ht h en o n l i n e a ra r b i t r a r i l ya n dh i g h e rp r e c i s i o n , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed y n a m i c n e u r a ln e t w o r kb pa l g o r i t h m - c o m b i n em u l t i - l a y e rf o r w a r dn e t w o r k ( w h i c hc a nr e a l i z e n o n l i n e a ri m i t a t i o na r b i t r a r i l y ) w i t hr e g r e s s i o nd y n a m i cs y s t e m s i m u l a t i o ni ss t u d i e db y c o l l e c t i n gt h em i x t u r eh i s t o r i c a ld a t af r o mf i e l de n g i n e e r i n g a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s i l l u s t r a t et h a tt h em e t h o dc a nr e d u c et h em i x t u r eg r o re f f e c t i v e l y 一一 东北大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：m i x t u r ec o n t r o l t p l c t n e u r a ln e t w o r k tb p a l g o r i t h m 一一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：王艳 签字日期：2 0 0 7 ；2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：王籀 签字日期：勿卯；，j 导师签名 签字日期 丕 慨俨 一0 印 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着镁砖生产技术的不断发展，越来越迫切需要一种集称重、输送、数据管理于一 体的配料系统来提高工作效率，降低生产成本，增强产品的竞争实力。在镁砖配料的生 产工艺控制过程中，精确的控制、监控和计量对于加强企业的经济核算，节约能源，降 低成本，具有重要的意义。 1 1 研究背景 配料是建材、冶金、化工、饲料等行业生产过程中的一个重要环节。由控制设备对 配料过程进行控制在工农业生产中十分广泛，例如镁砖生产需要将各种原料按一定的比 例进行混合配成生料；饲料生产需根据牲畜的不同，配制不同成分的饲料；各种化工产 品、建筑材料的生产也是一样。随着产品质量要求的不断提高，人们对各种成分原料的 配比也提出了更高的要求，同时也要求配料控制系统具有更高的自动化和智能化。为了 满足这些要求，需要一套经济实用的分布式微机配料控制系统。 一般情况下配料现场的环境较差，而且控制过程复杂，不适合人工现场操作。为了 保证配料的速度和一致性，近年来广泛采用自动配料系统来代替人工进行配料。早期的 自动配料系统大多采用单片机控制，使用简易键盘和l e d 数码显示作为人机交互接口。 这种控制方式具有结构简单、成本低廉，可以满足一般的配料要求等特点，但也存在人 机界面差、扩展能力低、无统计查询管理功能等不足之处。随着工业生产自动化和信息 化程度的不断提高，这种简单的自动配料系统越来越难以满足现代工业生产的需要，各 种新型自动配料系统不断涌现。论文介绍了一种自动配料系统，该系统采用分布式结构， 不仅可以按照配方自动地进行配料，而且能够将分布在不同地点的配料装置通过通讯总 线连接起来，接入p c 机进行集中监控和管理。 1 2 研究内容及现实意义 课题为镁砖配料控制系统而设计开发，镁砖配料是镁砖生产过程中一项重要的原料 准备工作，配料准确与否直接影响炉内各种物料间的反应进度、电炉的操作稳定性和炉 衬的寿命，因此准确配料是镁砖电炉正常运行的重要条件。随着技术的进步，计算机控 制的配料系统在工业中得劲了广泛应用。课题采用上下位机的结构模式：以p c 机作为 上位机，p l c 作为下位机。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 传统配料控制系统设备陈旧、精度低，不仅造成原材料的浪费，更为严重的是导致 许多工程质量不合格针对配料工业的生产现状，出现了一种新兴的配料控制工业，在 较短的时间内迅速发展起来，既有效地利用了现有工业资源，又为工业自动化发展提 供了强有力的保障，因此受到了企业界的高度重视为了更快发展现代工业，自动化配 料控制已日益引起配料行业的极大关注与之相配套的配料控制系统的需求也逐渐增 加。针对这种状况，论文设计开发了基于p l c 控制的高精度动态配料系统【i - 6 1 。我们在 原有生产控制过程中进一步研制适用的自动控制管理系统。该系统可提高配料工业的质 量水平，节省大量的人力、物力。大幅度提高劳动生产率，完成自动控制生产全过程， 具有很大的应用发展前景，并为今后扩充联网，实现在区域行业现代化管理准备条件。 分布式自动配料系统不仅具有基本的自动配料控制功能，而且通过通讯总线可将分 布在各处的配料单元连接起来，可以在上位机上进行集中监控及配方等数据的管理，具 有结构灵活、人机界面好、集控制和管理于一体等优点m 实践证明，该系统功能全面， 工作稳定可靠，性能价格比高，可以满足各种配料生产的要求，具有较大的推广应用价 值 1 3 研究现状与发展动态 目前大部分自动配料控制系统的构成主要有三种方法。一种是采用工业控制计算机 作为控制器，称重传感器信号通过a d 数据采集卡进入计算机，其它信号通过计算机上 的i o 卡处理；人机交互界面采用计算机显示界面或专门开发的薄膜面板、l e d 数显等。 这种方法控制程序用v b 或v c 等语言编写。具有称重算法丰富，数据库功能强大，人机 交互性能好等特点。但缺点是控制软件为各个厂家专门开发的，兼容性能不好，同时系 统的再开发能力和对开关量的处理能力都比较差另外计算机的稳定性和可靠性也有待 提高 8 - 9 1 。 第二种方法采用的控制器为单片机，并利用其开发的专用称重控制器。利用一台或 多台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尉临1 n 。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。 第三种方法是采用可编程控制器口l c ) 作为系统控制器【1 2 1 ，称重传感器信号通过 p l c 的a i d 模块进入p l c 主机，其它信号通过i o 模块处理；人机交互界面采用触摸屏、 l e d 数显等这种方法控制程序用梯形图语言l a d 或语句表s t l 等p l c 编程语言编写。 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 该方法具有算法丰富，可靠性能高，开关量处理能力强及人机交互性能好等特点。但缺 点是数据储存和处理能力较差。但是如果加上一个二级系统和数据库连接的话，这种缺 点会大大改善。 生产过程的微机自适应控制系统具有适应性强、控制精度高，减少电耗和延长电振 机寿命等优点，是目前技术上较为先进、经济上较为合理的一种，因而受到广大厂家的 亲睐。 基于现场总线的微机控制，使得系统扩展性强，适用于区域大、控制点多的场合。 采用价格低廉的设备设计通讯器件，使整个系统的造价低，性价比高。该系统结构简洁， 在现场两根裸线对接，不分极性，现场接线方便。采用工业组态软件进行设计，组态灵 活，易于扩展。 基于模糊神经网络的智能配料控制系统，将人工智能中的神经网络控制技术和模糊 控制技术结合，采用闭环控制方式实现对各种水泥生料流量的自动控制。实践证明，该 控制系统控制精度高，控制质量可靠、稳定，具有较大的推广应用价值。 目前我国耐火材料行业所使用的微机配料控制系统存在成本高、控制不完全、抗干 扰能力差、显示画面不丰富、缺少动态模拟显示等缺点，不能完全满足生产要求。在设 计微机配料系统时，为了满足配料、搅拌、出料全过程采用自动控制的要求，并实现投 资少、技术先进的指标，决定采用与控制规模相符的高性能可编程控制器进行总体控制， 并采用上位机实现生产过程的动态显示、数据打印及随时修改、输入工艺参数等较齐全 的新型控制系统。该控制系统充分发挥了可编程控制器与上位管理机的优点，是工业生 产中值得大力推广的一项微机控制应用技术。 1 4 镁砖生产工艺过程概况 1 4 1 镁砖配料过程概述 镁砖配料过程由三部分组成：矿石进场后根据不同的颗粒大小被装入给料仓，这部 分称为备料工段；料从配料仓至进入小车称料斗之前称为配料工段；料由小车放入混料 仓的过程称为加工工段。 镁碳砖的烧制原料包括镁矿粉( 原矿和精矿粉) 、熔剂( 石灰石、自云石或生石灰) 、 燃料( 焦粉或无烟煤) 、附加物( 硫酸渣、轧钢皮、钢铁厂回收的粉尘、铁屑等) 及反 矿。按照一定的比例配合，混合后形成均匀料。均匀料不仅要有一定的化学成份，而且 又要具有一定的化学成份稳定性和良好的透气性。因为用于烧制镁碳砖的含镁、铁原料、 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 熔剂和燃料的品种甚多，而且它们在化学成份和物理性质方面又很大的差异，所以必须 根据厂房对产品的要求把各种原料按照一定的比例进行配料。通常配料的方法有容积配 料法和重量配料法两种。容积配料法配料量由于原料堆积密度随其水分以及料仓料位的 不同而发生变化，配料比易发生较大误差重量配料法配料准确，对添加量少的物料( 如 燃料、生石灰等) ，采用重量配料法更为必要。经过混匀的原料，品位波动范围很小， 尤应采用重量配料法 1 4 2 镁砖配料系统生产工艺 镁碳砖的生产制造过程是按照比例对大小不同的原料进行混合，然后进入混料仓充 分搅拌混捏，成型后焙烧，使之发生物理变化，生成镁碳砖。其配料的大体流程图如下： 图1 1 配料结构图 f i g i 1b a t c h i n ga r c h i t e c t u r e 本套系统采用分布式配料方法配料是由一台带电子称量秤的称重配料车完成的。 在配完了后再由小车放入下料仓中充分混合。 配料系统的主要特征为：物料称量系统采用单轨双车( - - 斗两秤) 的形式，轨道全 长约为7 0 米，十个卸料口给料系统中，粉料采用螺旋给料机，颗粒料采用振动给料 机，料仓为双排直列式，共有7 2 个料仓( 从右到左的序号为l 一7 2 ，每两个料仓公用一 个下料口) ，3 6 个下料口2 5 4 8 号料仓为粉末料，其余料仓为颗粒料。颗粒料用大 斗配料，粉末料用小斗配料每个生产任务需要的原料种类在十种左右，也就是说，每 台车的每次的最大行走路线为1 0 个工位，最小行走路线小于5 个工位。配料车行走车 位为l - - 3 8 ，其中3 7 号和3 8 号车位为空车位，为两车避让时使用。物料配好后送至指 定的卸料口进行卸料，配料系统共有1 0 个卸料口，分别对应相应的行车位，其地址与 行车位单独编写。需使整条生产线有最大的生产率，发挥两台车的最大使用效率，可提 高生产率。 配料车内设有称重量斗，对所设定物料进行秤重。所有物料均设称量误差自动补偿。 所有扬尘点均设罩封闭后抽风除尘 正常情况下颗粒料使用大斗配料，粉末料使用小斗配料，大斗容量为7 0 0 k g ，小斗 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 容量为3 0 0 k g 。如果只配粉末料，则大斗小斗均可以配料，如果选择两个斗均配料，则 需选择。如果均为颗粒料，大斗如果装不下，可以选择小斗配其余的部分。配料过程需 要启动除尘和振打。合格的物料装入对应的卸料口。料仓如果物料不足，需发送料空讯 号。 项目中的主要现场设备包括：双斗配料车2 台、振动电机、行走电机、拉杆电机、 变频器2 台、调速式电机振动给料机组4 8 组、螺旋给料机组2 4 组、称重显示器2 台、 称重传感器2 只、除尘设备2 台。 自动称量车的配置是两斗两秤。适用于各种散状( 块状、粒状或粉状) 物料的称量 配料。称量车称量过程全自动程控自动操作，按指定配方，完成装料、称量及卸料全部 动作。以上由工控机、可编程控制器和控制电器等组成的控制系统实现。 称量车能自动行走、对位、加料、称量、出料和除尘。称量车由称量车行走机构、 大称量斗和小称量斗、进料口密封装置、出料口密封装置、称量斗的底门、控制柜及控 制面板组成。 两斗两秤配料车示意图如图1 2 所示。 图1 2 两斗两秤配料车不意例 f i s 1 2t w ob u c k e t sa n dt w ow e i g h i n gs c a l e sb a t c ht r u c kd i a g r a m m a t i cs k e t c h 1 5 论文主要工作 论文一共分为六章。第一章主要介绍了配料系统的研究背景、研究内容、发展动态 及镁砖配料的概述和生产工艺；第二章介绍了自动配料系统总体方案选择与设计，从硬 件和软件两个方面分析了自动配料系统的总体设计；第三章分析了自动配料系统的硬件 设计；第四章介绍了软件设计，包括下位机程序和监控程序；第五章描述了基于神经网 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 络配料在线补偿方法，仿真研究；第六章结论，总结全文并提出配料控制系统未来的研 究方向。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第二章自动配料系统总体方案设计 第二章自动配料系统总体方案设计 自动配料系统是一种的分布式的控制系统，采用通讯总线将各配料控制模块与上位 机连接起来，使系统不仅具有基本的配料控制功能，还可以进行集中监控、数据管理、 报表打印等操作。 2 1 自动配料系统总体方案设计 2 1 1 自动配料系统控制方案 配料控制系统设计采用了以p l c 为主的自动化控制系统。系统总体方案基于集散 控制系统的思想，以集中控制和分散管理为指导原则。选用计算机和p l c 构成上下位 机的结构形式，从而实现系统控制目标。硬件部分包括上位机设计选用，下位机设计选 用，通信硬件设计选用。上位机设计选型本着经济使用，满足要求的原则，通过比较工 控机和品牌、个人电脑，决定选用适合于工业生产环境的工控机，可满足系统管理要求。 系统中下位机的功能主要是完成生产控制，考虑到现场控制所受的干扰大，并且，系统 控制精度要求较高，通过对比分析选用西门子公司的s 7 - 2 0 0 系列的p l c 。p l c 的高 可靠性可以很好地满足控制要求。通信硬件选择的是无线通讯即可实现通信。软件设计 采用s t e p 7 m i c r o 懈，1 n 3 2 编程软件作为开发工具。 控制方案及系统的结构图如图2 1 所示。 控制系统拟以p l c 为核心，上位机由两台工业控制机采用双机热备份的形式，由 以太网联接通信；下位机采用主一从式结构，上位机与下位机之间通过以太网连接通信， 下位机主机与从机之间通过r s - 4 8 5 总线相联接通信。 主控制室内设净化电源和不问断电源，主p l c 与一台从p l c 安装在控制室的配电 柜中，配料车上分别安装一个配电控制柜。 上位机主要完成生产任务管理，配料车行走路径生成，生产任务下达，生产过程实 时监控，设备运行状态监控，远程手动操作，生产过程数据存储及报表打印，与主p l c 之间进行通信等功能。 下位机主p l c 主要完成与上位机及从p l c 间的通信，向从站p l c 发送动作命令及 运行参数，接收来自从p l c 的相关数据，并发给上位机。 下位机从站p l c 执行来自主p l c 的命令，完成数据的采集及处理，并发给主p l c 。 一7 一 东北大学硕士学位论文第二章自动配料系统总体方案设计 其具体内容设计为配料分布在三个不同的地方，通过三台p l c 之间的通讯，采用 一台p l c 作为主机，控制其他两台p l c 的主从式通讯模式，首先p l c 之间的通讯采用 有线的方式，实现三台p l c 之间准确通讯，最终实现p l c 之间的无线通讯。 系统采用的是无线通讯方式( 自由口通讯方式) ，硬件选用的是：t d s p a 0 1 。通讯方 式采用的是自由口通讯方式以往的控制系统中信号电缆线敷设复杂，维护也较困难， 信号在远距离传送中不可避免地受到干扰，从而降低了控制可靠性。使用无线通讯方式 能够克服上述缺点，从而使信号传输远，通讯速率高，抗干扰能力强，可减少布线。主 要可以通过提高称重配料仪的称量精度和速度实现。这是在保证生产速度的条件下节约 原材料和确保水泥质量的关键技术 为保证可编程序控制器可靠运行，在设计、安装电气控制系统设备时，应考虑设置 隔离变压器、电源滤波电路、光电隔离电路、交流吸收电路、直流续流电路及其必要的 屏蔽措施，以保证p l c 系统的可靠运行。 图2 1 控制方案及系统结构图 f i g 2 1c o n t r o ls c h e m ea n ds y s t e ms t r u c t u r a lp a t t e r n 2 1 2 自动配料系统的主要功能 论文所介绍的自动配料系统是分布式的自动配料系统，其主要任务是按照成品要求 对物料的需求量、计算、分配、控制原料仓的下料量，以保证物料平衡以及混合料的化 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章自动配料系统总体方案设计 学成分符合生产要求。 镁砖配料控制系统设计与开发，主要包括以下功能： ( 1 ) 配料系统的自动控制，手动控制功能 自动控制方式由操作人员在键盘输入物料配方和其它控制参数，自动完成工艺流 程控制。 具体动作如下：两个配料车行走控制( 左行、右行、左慢行、右慢行等行走控制) ， 配料车的进料( 大斗和小斗的上密封动作，除尘动作) 和卸料控制( 大斗和小斗的下密 封动作，大斗和小斗的底门动作，除尘和振打动作) ，给料机控制( 7 2 个料仓的给料控 制) 。手动控制方式是由操作人员在键盘输入物料配方和其它控制参数，以及具体的控 制要求，分步进行操作的控制。其控制的主要内容包括：配料设备的启、停控制，料车 左行、右行的自动及手动控制，上给料仓的开、闭控制，自动换槽下料仓的切换启、停 控制，小车位置及工作状态的监控等 根据工艺要求，配料设备的启、停控制与混合料系统及料流量有严格的连锁关系； 小车的左行或右行以及上给料仓的开与闭的控制根据客户的配方要求来实旌控制；另 外，小车还要把所称的物料按要求放入下配料仓中，放入量由配方来决定这套系统不 但要实现基本的控制功能，还要具备监控功能和数据保存功能，以便查找和管理。 ( 2 ) 设备运行故障状态报警和报警记录查询 监控软件监测各执行机构运行状态，能够对各种故障进行应急处理并报警提示， 从而快速排除故障。同时系统灵活多变的控制方式也给故障处理提供了方便。可对大斗、 小斗动作故障，各种电机故障等信息进行应急处理并提示 ( 3 ) 给料落差值自动补给偿功能 在配料过程中能自动修正空中飞料。文中采用动态神经网络的方法对系统进行在线 补偿，弥补了b p 网络的不足，提高了系统的称量精度。 ( 4 ) 全过程系统运行状态监控显示功能 由显示器动态显示物料重量及各执行机构运行状态。主要对配料车、料仓电机及料 仓原料料位的状态进行监视，并显示其功能，可及时发现问题，及时处理。 ( 5 ) 生产管理以及报表打印 该功能用于对生产进行管理( 如配方管理等) ，以及报表打印功能。系统可以存储 配方，并根据配方进行全自动配料。系统支持报表生成。在查询出相应数据后，可生成 e x c e l 报表。如需要打印，可在e x c e l 中调出相应文件进行打印 一o 一 东北大学硕士学位论文第二章自动配料系统总体方案设计 2 1 3 自动配料系统的特点 系统具有以下特点： ( 1 ) 电气、仪表和计算机系统采用网络连接，实现e i c 三电一体化。 ( 2 ) 电气和仪表采用相同的控制设备，编程及控制统一，且挂在同一个网络上，通 讯方便，减少通讯硬件接口，合理分担控制功能。 ( 3 ) 电气和仪表采用相同的操作站，操作简化且统一，有利于稳定生产。 ( 4 ) 配料系统设有1 个p l c 主站，其余p l c 为从站，通过p m f i b 璐网与主站连接。 主站p l c 的c p u 选用5 7 2 0 0 的高性能中央处理器。 ( 5 ) 每个系统均配有2 个监控站，互为备用。 ( 6 ) 主干网采用工业以太网，配料系统的操作站及p l c 主站通过工业以太网交换机 挂在主干网上，并可通过光纤远距离通讯。主干网可方便地扩展，通过工业以太网与计 算机通讯。每个系统选用1 个工业以太网耦合器，通过光纤连成环网可做到主干网络冗 余。 ( 7 ) 控制器扩展网采用p r o f i b u s 网，采用这种结构具有各控制器、工作站之间数据 交换快，可靠性高，工艺过程直观，操作简便，可扩展性好等优点，这种结构是s i e m e n s 公司通常采用的控制方案，已经广泛地应用于工业控制领域。 ( 8 ) 配料控制室设有监控站，对配料的各项工艺流程进行监控。包括工艺流程显示、 配方、工作方式选择、报警、报表打印等功能。 2 2 系统软件平台简介 该系统的软件主要是由上位工控机的监控软件、下位机的p l c 控制软件。下位工 控机在线实时记录、监控，并显示数据；p l c 向上位机传递设备的实时状态，接受并执 行上位机的实时控制命令。并通过控制继电器、接触器等设备实现对现场设备的控制。 2 2 1p l c 编程软件 p l c 编程软件选用的是西门子公司专为s i m a t i cs 7 - 2 0 0 系列可编程序控制器研制 开发的编程软件s t e p 7 - m i e r o w i n 3 2 ，它是基于w i n d o w s 的应用软件，功能强大， 既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。下面将介绍该软件的安装、 基本功能以及如何应用编程软件进行编程、调试和运行监控等内容1 3 4 1 。 运行s t e p 7 m i c r o 懈4 3 2 编程软件的计算机系统要求：c p u8 0 4 8 6 以上的微处理 一1 0 一 东北大学硕士学位论文 第二章自动配料系统总体方案设计 器，内存8 m b 以上，硬盘5 0 m b 以上，操作系统w m d o w s9 5 ，w m d o w s9 8 ，w m d o w s m e ，w i n d o w s2 0 0 0 。 s t e p 7 - m i c r 0 俺，1 n 3 2 编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要 实现以下功能1 纠6 l 。 ( 1 ) 在脱机( 离线) 方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序在脱机方 式时，计算机与p l c 断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试 和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。 ( 2 ) 在联机( 在线) 方式下可以对与计算机建立通信关系的p l c 直接进行各种操作， 如上载、下载用户程序和组态数据等。 ( 3 ) 在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的 错误经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自 动画上红色，且在错误处加上红色波浪线。 ( 4 ) 对用户程序进行文档管理，加密处理等 ( 5 ) 设置p l c 的工作方式、参数和运行监控等。 2 2 2 监控软件 监控软件选用的是w m c c ( w m d o w sc o n t r o lc e n t e r ) 。w r m c c 是一个集成的人机界面 ( h m i ) 系统和监控管理( s c a d a ) 系统n 7 1 。它提供了适用于工业的图形显示、消息归档， 以及报表的功能模板。高性能的过程耦合，快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高 度的实用性。其特性之一是全面开放，各系统集成商可用w i n c c 作为其系统扩展的基 础，通过开放接口开发自己的应用软件。 w m c c 提供各种p l c 的驱动软件，因为在s t e p 7 中配置的变量表可以在与w m c c 的联接时直接使用，使p l c 与上位计算机的联接变得非常容易。用户如果联合使用 w m c c 与s t e p 7 ，可以大幅度地降低了工程时间。 w m c c 和s i m a t i cs 7 结合的通讯类型有：多点接口网络( m p 0 、t 业以太网、 p r o f m u s 现场总线、t c p 口协议网络。 启动w m c c 后，将首先打开w r m c c 资源管理器。在此可访问各种编辑器，从中执 行操作和监控系统的指定任务。w m c c 资源管理器的主要任务有：完整组态；项目的管 理，包括打开保存移动和复制；项目中多用户( 客户机服务器环境) 的网络编辑功能。即 当多个编辑器在一个项目里工作时，能进行协调的数据管理；画面体系系统结构的控制 东北大学硕士学位论文第二章自动配料系统总体方案设计 和组态，例如：通过树来显示：全局安装设置，例如：语言系统用户路径设置；项目文 件；报表系统状态；运行和组态之间切换；为己组态数据测试模式模拟操作帮助，包 括画面改变变量模拟状态显示和消息创建。 眦c 的控制中心即资源管理器由四个项目组件组成：计算机；变量管理器；数据 类型；编辑器。 变量系统是组态软件的重要组成部分。在组态软件的运行环境下，工业现场的生产 状况将实时地反映在变量的数值中；操作人员监控过程数据，他在计算机上发布的指令 通过变量传送给生产现场。w i n c c 使用变量管理器来组态变量，变量管理器对项目所 使用的变量和通讯程序进行管理。w i b c c 与自动化控制系统间的通讯依靠通讯驱动程 序来实现；自动化控制系统与w i b c c 工程间的数据交换通过过程变量来完成。 w i n c c 的变量按照功能分为外部变量、内部变量、系统变量和脚本变量四类。 在w i n c c 中创建变量的同时还要给变量分配某种可能的数据类型，数据类型取决于 用户将怎么样使用变量。w i n c c 中的变量分为以下数据类型：二进制变量、有符号8 位 数、无符号8 位数、有符号1 6 位数、无符号1 6 位数、有符号3 2 位数、无符号3 2 位数、3 2 位浮点数、6 4 位浮点数、8 位字符集文本变量、1 6 位字符集文本变量、结构类型变量、 原始数据类型和文本参考。 项目中有大量的数据需要p l c 采集及反馈给控制计算机，这些都是过程变量，在 组态变量是把它们定义为外部变量。而且绝大多数都是简单的开关量或者是状态量，因 此这些量可以定义为二进制变量，还有一部分反馈量及输入量如称重量等是具体的数 字，所以把这些变量定位为3 2 位浮点数型。 一1 2 东北大学硕士学位论文第三章自动配料系统的硬件方案与设计 第三章自动配料系统的硬件方案与设计 3 1 上位机硬件与电气控制系统的设计 ( 1 ) 上位机硬件的设计 上位机选择的是工业控制机，因其具有可靠性高，实时性好，扩充性好，软硬件兼 容性好，系统监测和自复位的特点。工业控制机具有在粉尘、烟雾、高低温，潮湿、 震动、腐蚀和快速诊断和可维护性，其m t r r ( m e a nt u n et or e p a i r ) 一般为5 m i n ， h 册1 0 万小时以上，而普通p c 的 册仅为1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 小时。工业控制机对工 业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的变化给予快速响应，及时进行采集 和输出调节，( 看门狗功能这是普通p c 所不具有的) 遇险自复位，保证系统的正常运行。 工控机由于采用底板+ c p u 卡结构，因而具有很强的输入输出功能。最多可扩充2 0 个 板卡，能与工业现场的各种外设、板卡如车道控制器、视频监控系统、车辆检测仪等相 连，以完成各种任务。能同时利用i s a 与p c i 及p i c m g 资源，并支持各种操作系统， 多种编程语言，多任务操作系统，充分利用商用p c 所积累的软、硬件资源。如今，看 家狗电路已成为工业p c 设计不可缺少的一部分。它能在系统出现故障时迅速报警，并 在无人干预的情况下，使系统自动恢复运行 具体配置如下： 工业控制机选择的是：研华p 4 ，内存为5 1 2 m ，硬盘为8 0 g ，选择的显示器是1 9 寸彩色显示器，可清晰地显示各种图形和文字，可对系统的操作和监控等进行显示。操 作系统为w i n d o w s2 0 0 0 。工业控制机由一台5 0 0 v a 的不间断电源u p s 供电，保证报 表数据的完整记录。工业控制机外接打印机，可供打印报表使用。 ( 2 ) 电气控制系统的设计 配料控制系统是配料车控制柜、p l c 控制柜、电源控制柜、伺服控制柜，以及一台 控制操作台构成。电源柜的设立是为了对p l c 控制柜等实现电源集中管理。根据现场 分析。控制系统的系统输入输出有近1 6 0 点，为此需设计两台p l c 控制柜，内置1 6 0 点i o 隔离；隔离器件采用继电器，继电器在起到隔离作用的同时，也可增强其控制功 率：p l c 控制柜中有一台采用高质量的钮子开关置于印制的喷砂厚铝板上，组成p l c 矩阵式输入装置。该矩阵板镶嵌于面板上，便于输入操作。对各种设备驱动电机的控制 是根据p l c 的指令，经隔离继电器送至伺服控制柜由伺服控制柜接收p l c 指令，有 一1 3 东北大学硕士学位论文 第三章自动配料系统的硬件方案与设计 序地控制各设备运行。系统运行方式分为自动和手动。为了防止意外故障的出现影响到 系统的正常运行，设置操作台，便于操作工在必要时进行手动操作。 3 2p l c 的选型及模块配置 3 2 1 下位机p l c 的选型 在进行这项工作之前，需要对控制对象和控制任务进行统计和分析。系统需要配置 如下的不同性质的i o 点： ( 1 ) 8 个模拟量输入； ( 2 ) 1 4 5 个开关量输入； ( 3 ) 1 0 3 个开关量的输出。 根据对上述控制任务的分析，项目选择了s i e m e n s 的小型p l c 系统s 7 2 0 0 ，它能 满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。其易于实现分布，易于用户掌握等特点 使得s 7 2 0 0 成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的方案。s 7 2 0 0 系列所具有的多种性能递增的c p u 和丰富的且带有许多方便功能的加扩展模块，使用 户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使 用附加的模块对p l c 进行扩展。s i m a t i cs 7 2 0 0 所具备的高电磁兼容性和强抗振动， 抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。 3 2 2p l c 的模块配置 s 7 2 0 0 p l c 采用背板总线的方式将各模块从物理上和电气上连接起来。除c p u 模 块外，每块信号模块都带有总线连接器。安装时先将总线连接器装在c p u 模块并固定 在导轨上，然后依次将各模块装入。电源模块与c p u 模块和其它信号模块之间是通过 电缆连接。 表3 1 和表3 2 给出了项目中配置的s 7 2 0 0 p l c 的型号和数量，下面对使用的这些 模块作具体介绍。 表3 i 中控室p l c 系统配置 t a b l e3 1c o n f i g u r a t i o no f c e n t r a lr o o mp l c 一1 4 东北大学硕士学位论文第三章自动配料系统的硬件方案与设计 ( 1 ) p l c 的中央处理器c p u 2 2 6 s 7 - 2 0 0 系列是西门予公司推出的微型p l c ，有c p u 2 2 4 ，c p u 2 2 6 等型号，其特点 为体积小、功能强。 c p u 2 2 6 本机集成2 4 输入1 6 输出共4 0 个数字量i ，o 点可连接7 个扩展模块， 最大扩展至2 4 8 路数字量i o 点或3 5 路模拟量i ，o 点1 3 k 字节程序和数据存储空间。 6 个独立的3 0 k h z 高速计数器，2 路独立的2 0 k h z 高速脉冲输出，具有p i d 控制器。2 个r s 4 8 5 通讯编程口，具有p p i 通讯协议、m p i 通讯协议和自由方式通讯能力 s i m a t i c $ 7 - 2 0 0 系列p l c ( c p u 2 2 6 ) 适用于各行各业。各种场合中的检测、监测及 控制的自动化。c p u 2 2 6 的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复 杂控制功能。因此c p u 2 2 6 具有极高的性能，价格