（机械制造及其自动化专业论文）锰粉制备输送控制系统设计与研究.pdf

硕+ 学位论文 摘要 锰粉的制备输送是冶炼及电解等基础工业的一个重要生产环节，其主要由破 碎机、磨机、刮板机、提升机及称重设备等构成。本论文以某某有限公司的锰粉 制备输送控制系统的开发设计为背景，借助于最新的可编程逻辑控制器技术、现 场总线技术及组态软件技术，全面深入地讨论锰粉制备输送现场总线控制系统的 设计及实现，着重研究锰粉颗粒度大小与输送带转速之间的关系及化合筒的精确 加料等关键性问题，并结合其控制过程的自身特点，给出生产工艺设计的控制方 案。 本文针对用户现场硬件系统的实际情况，实现p l c 整体控制，运用工业计算 机实现上位机监控。控制系统中存在较多的不确定及干扰因素，传统p i d 控制算法 很难实现控制效果，因此，将闭环控制和智能控制嵌入p l c 中。利用s i m a t i cs 7 p r o t o c o ls u i t e 进行驱动，实现p l c 与w i n c c 组态软件之间的通信，使智能算法方便 地应用于控制系统中，同时能够适应具有严重非线性、多扰动因素的复杂工况。 运用自适应模糊p i d 控制向化合筒加料的重量，使称重加料能够随着干扰的变化自 行调整，达到化合物锰的最佳电解度；运用前馈反馈模糊p i d 控制输送带的转速， 使磨机的进料量得到很好的控制，自我调整因外界环境变化的影响，达到磨出的 化合物锰颗粒度不小于1 2 0 目。 本课题研究开发的锰粉制备输送控制系统及生产过程的在线监控系统，可以 实现矿粉颗粒度的控制及化合筒的精确加料控制，从而提高电解锰生产过程自动 化程度，降低成本，增强产品竞争力。 关键词：前馈反馈；自适应模糊p i d ；m a t l a b 仿真；p l c ； a b s t r a c t t h ep r e p a r a t i o na n dd e l i v e r yo fp o w d e ri s a ni m p o r t a n tb a s i ci n d u s t r i e s ，i ti s c o n s t i t u t e do ft h ec r u s h e r s ，m i l l s ，s c r a p e rm a c h i n e ，e l e v a t o r sa n dt h ee q u i p m e n t so f w e i g h i n g t h eb a c k g r o u n do f t h i sp a p e ri sad e v e l o p i n ga n dd e s i g n i n go ft h ec o n t r o l s y s t e mo fp r e p a r a t i o n a n dd e l i v e r yv i ax xc o ，l t d ，b ym e a n so ft h e i n s t e s t p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e rt e c h n o l o g y ，f i e l d b u st e c h n o l o g ya n dc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r et e c h n o l o g y ，i n d e p t hd i s c u s s i o n s y s t e mv i at r a n s p o r t a t i o n f i e l d b u so f o ft h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f c o n t r o l o r e ，t h er e l a t i o n s h i p o fp a r t i c l es i z eo f m a n g a n e s ep o w d e ra n db e l ts p e e d ，p r e c i s i o nf e e d i n ga st h ec r i t i c a li s s u e st h a tw e a r e s t u d y i n g i n t h es a n l ct i m e ，c o m b i n e dw i t ht h ei n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so fi t s e q u i p m e n t ，t h ec o n t r o lp r o g r a m o fp r o c e s s i n gd e s i g nw a sg i v e n a g a i n s tt h eu s e r s ，a c t u a ls i t u a t i o no fh a r d w a r es y s t e mi nt h es c e n e ，t h ep l c c o m p l e t i n gt h eo v e r a l l c o n t r o la n di n d u s t r i a lc o m p u t e r sa c h i e v i n gc o n t r o ls y s t e m m o n i t o r e dw a su s e d i nt h es a m et i m e ，t h e r ei s m o r eu n c e r t a i n t ya n di n t e r f e r e n c e f a c t o ri nt h ec o n t r o ls y s t e m ，t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h mi sd i f f i c u l tt oa c h i e v e c o n t r 0 1e f 佗c t t h e r e f o r e ，t h ec l o s e d l o o p c o n t r o la n di n t e l l i g e n tc o n t r o lw a s e m b e d d e di np l c ，v i au s i n gs i m a t i cs 7p r o t o c o ls u i t et od r i v e ，t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e np l ca n dw i n c cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew a sa c h i e v e d ，i n t e l l i g e n ta l g o r i t h m i se a s i l ya p p l i e dt ot h ec o n t r o ls y s t e m ，a n da l s o i ti sa d a p t e dt om o r ec o m p l e x c o n d i t i o n sw h e r et h e r ew a sas e r i o u sn o n l i n e a r ，d i s t u r b a n c ef a c t o r w ec a n c o n t r o lt o f e e db vt h ec o m p o u n dt u b e sv i at h eu s eo fa d a p t i v ef u z z yp i d ，a n dm a k ew e i g hc a n a d j u s tw i t ht h ec h a n g e si nt h ei n t e r f e r e n c ef a c t o r ，a c h i e v e dt h eb e s te l e c t r o l y s i so f t h e c o m p o u n d s o f m a n g a n e s e u s i n g f e e d f o r w a r d - f e e d b a c kf u z z yp i dc o n t r o l o f c o n v e y o r b e l t s p e e d ，t h e a m o u n to ff e e dm i l li s w e l lc o n t r o l l e d ，e f f e c to f s e i f - a d j u s n n e n td u et oc h a n g e si ne x t e r n a le n v i r o n m e n t ，a c h i v eg r i n d i n gp a r t i c l es i z e n o tl e s st h a n12 0m a n g a n e s ec o m p o u n d s t h ec o n t r o ls y s t e mo fm a n g a n e s ep o w d e rc o n v e y i n ga n dt h eo n l i n em o n i t o r i n g s v s t e mo fp r o d u c t i o np r o c e s sw e r er e s e a r c h e di n t h i ss t u d y t h em i n e r a lp o w d e r p a i r t i c l es i z ea n dp r e c i s i o nf e e d i n gc o n t r o lf o rc o m p o u n d i n gc y l i n d e r c a l lb ec o n t r o l l e d t h e r e b y ，t h ee l e c t r o l y t i cm a n g a n e s ep r o d u c t i o np r o c e s sa u t o m a t i o n w a si m p r o v e d ，t h e c o s tc 锄b er e d u c e da n dt h ec o m p e t i t i v e n e s so fp r o d u c t sc a nb ee n h a n c e d k e vw o r d s ：f e e d f o r w a r d f e e d b a c k ，a d a p t i v e - f u z z yp i d ，m a t l a bs i m u l a t i o n ，p l c n - 硕十学位论文 附表索引 表2 1 锰粉的制备输送设备8 表2 2 制备系统控制配置9 表2 3 输送系统配置一1 0 表2 4 机架配置表1 5 表3 1a 朋模糊控制规则表2 5 表3 2八叫莫糊控制规则表一2 5 表3 3k d l 模糊控制规则表2 6 表3 4e 1 、e 2 模糊变量赋值表2 7 表3 5 模糊变量赋值表2 7 表3 6 模糊控制查询表3 0 表3 7 糊控制查询表3 0 表3 8 糊控制查询表3 1 表4 1 序块的分类一4 4 表4 2 s t e p 7 中建立的模糊k p 查询表5 2 锰粉制各输送控制系统设计与研究 附图索引 图1 1系统工作示意图6 图1 2 输送带给料量控制图6 图2 1控制系统配电图1 2 图2 2 控制系统网络结构图：1 3 图2 3控制系统功能图。1 4 图2 4 控制系统主柜体图一1 6 图2 5主柜体内部配置图16 图3 1p i d 控制系统原理框图1 9 图3 2 模糊控制器的基本原理框图一2 1 图3 3设计模糊控制器的流程图2 2 图3 4 模糊p i d 控制器结构图2 3 图3 5 q 隶属度函数曲线一2 4 图3 6 模糊控制器输入输出变量的确定3 3 图3 7隶属度函数的编辑3 4 图3 8模糊控制规则的编辑一3 4 图3 9 三维坐标图3 5 图3 1 0 称重控制系统图3 5 图3 1 1 称重控制系统方框图一3 7 图3 1 2 传统p i d 控制器控制系统方框图3 8 图3 1 3 仿真比较图3 8 图3 1 4 输送带转速模糊p i d 控制原理图4 0 图3 1 5 输送带转速模糊p i d 控制系统方框图4 1 图3 1 6 输送带转速控制系统仿真结果图4 1 图4 1创建一个p l c 项目的过程4 3 图4 2s t e p 7 中建立机架图4 6 图4 3符号表图4 6 图4 4电机控制程序模块图4 7 图4 5d b l 数据库图4 8 图4 6 控制系统的块图4 8 图4 7 监控画面图5 0 图4 8f b 4 1 ( c o n tc ) 控制框图：。5 l 图4 9p i d 参数设定图5 2 硕士学位论文 第一章绪论帚一早珀下匕 1 1 课题研究背景及研究意义 伴随科学技术日新月异的发展，自动控制技术发挥着越来越重要的作用。在 科学技术的发展领域中，最具生命力及最快的三大技术分别是自动化技术、生物 技术及计算机技术，尤其是近年来，自动化技术的发展更为迅速。 目前，我国的经济正处在快速发展之中，各种大型轨道交通、航天及电子等 重点工业更是其中的重点项目，由于电解锰的制备纯度不断提高及低杂质特点， 锰及锰合金更是成为电子技术、有色冶金、钢铁冶炼、化学工业、环境保护、食 品卫生、电焊条业及航天工业等不可缺少的重要原料之一。 锰粉制备输送控制系统是工业生产中较为庞大的一个重要系统。随着我国工 业的迅速发展，锰粉制备输送系统的规模也在大幅度地提升。大多数工业的制备 输送系统【1 1 仍就采用常规的继电器逻辑控制方式，只有通过操作台的按钮进行操 作。同时存在设备陈旧、继电器数量很多、动作十分频繁、触点易被损坏和故障 率高等问题，采用的控制方式是现场手动，现场与控制室之间需要进行电话沟通， 整个控制系统的自动化程度不高，不利于对突发事故进行及时的处理，严重影响 企业生产的正常运行。另外，工作环境十分恶劣，人工通讯很难保持畅通，对控 制方式、运行水平的要求也会越来越精确，这些继电器逻辑控制在可靠性以及性 能价格比等方面已经远远跟不上工业发展的需求。同时人工操作需要很强的经验 性，操作误差比较普遍。由于种种原因，迫切需要在传统的锰粉制备输送控制系 统上加以改进提高，以达到提高生产效率、节能降耗的目的。 虽然我国在计算机控制、数据采集与监控和故障诊断等【2 卅方面的技术，是通 过国外引进或国内模仿开发研究的，但也提高了国内的自动化水平，减少了故障 的发生率和事故发生率。由于控制系统是国外进口的，部分关键技术并没有向我 们公开。另外进口控制产品在价格方面是非常昂贵的，对于企业来说是一个非常 沉重的负担。因此在引进的锰粉制备输送控制系统的基础上，研究设计自动化程 度【5 1o 】更高的控制系统已迫在眉睫，且对国内企业的生产率低下和自动化水平不高 的现状会有很大的帮助，能够提高企业自身的经济效益，对技术革新会有很大的 推动作用。 锰粉制备输送控制系统决定着生产的锰粉颗粒的大小和电解化合物锰的精 度，是与锰有关工业生产的基础，决定了锰粉的输送系统将向自动化方向发展。 锰粉制各输送控制系统设计与研究 1 2 输送控制系统的研究现状 1 2 1 自动化技术在国内外的发展与应用状态 纵观自动化技术在生产中的发展史，大致经历了这样的三个发展阶段【l l 以6 】： 第一阶段：2 0 世纪5 0 年代以前，随着生产劳动费用和生产成本的增长，工 厂生产设备向大容量、高性能方向发展，这就使得自动控制成为不可缺少的手段。 这个时期自动化的特点是：自动控制系统的结构形式绝大部分都是单输入、单输 出的系统( 如压力、温度、流量、液位参数等控制系统) 。控制目的是保持生产的 稳定性和安全性，总的来说是当时自动化水平还处于低级阶段，一些工业企业的 生产过程只是实现了仪表化和初步自动化。 第二阶段：2 0 世纪5 0 年代末至6 0 年代末，随着工业生产过程不断迅速地向 着大型化、连续化方向发展，工业过程中的非线性、耦合性和时变性等特点已经 十分突出，简单的控制系统已经不能满足生产要求，迫切需要满足复杂工业自动 控制的新理论。同时空间技术的发展和电子技术的应用都已经为自动化发展提供 了有利条件。这一阶段的特点是：控制系统在单回路的基础上发展了多回路系统， 以提高控制质量与实现工业特殊控制要求。控制系统由单变量系统转变为多变量 系统，解决实际生产过程中遇到的更为复杂的问题，同时工业控制计算机也开始 应用于过程控制领域。但是，由于当时的计算机体积庞大、价格昂贵，而且可靠 性和功能等方面都还存在不少的问题，致使计算机控制还停留在试验阶段。在这 一时间段，企业实现了大型装置或车间等几种综合控制和生产过程自动化。 第三阶段：自从2 0 世纪7 0 年代以后，随着微电子技术的发展，大规模集成 电路制造的成功和微电子处理器的出现，微型计算机的出现及应用都促进了控制 系统的发展。同时工业生产提出了以优质低耗、高效、优质低耗为目标的控制要 求，也促进了现代控制技术向深度和广度的发展。这一阶段出现了集散型控制系 统( d c s ) ，即计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术于一体的计算机 控制系统。它的出现及应用，为实现高水平的自动化提供了强有力的技术基础， 给工业生产自动化向更高层次的方向发展带来了深远的影响，使自动化进入了计 算机时代。自动化技术工具方面也出现了飞跃，出现电动、气动型组合仪表、可 编程控制器和微控制器。 随着计算机尤其是网络技术【1 7 d9 】和微型计算机的迅速崛起，制造商之间的竞 争也日益激烈，促使d c s 从第一代，快速发展到9 0 年代的第三代。尽管之前d c s 的技术已经有了很高水平的发展，但是仍然存在一个很常见的弊病：各公司推出 不同型号的控制系统，多数是该公司的专利产品，采用专利网络，与其他公司产 品的有效连接是非常困难的问题，为企业的统一自动化管理带来很大不方便。 目前，工业控制自动化技术正向智能化、网络化和集成化的方向发展。国内 硕十学何论文 瞄o j d c s 主要有：新华x d p s 、国电智深d c s 、浙大中控d c s 、北京和利时d c s 和鲁能l n 2 0 0 0 等：国外d c s 主要有：有西屋( 艾默生) 、a b b 、横河d c s 、霍 尼韦尔、施耐德和西门子等。 1 2 2 输送控制系统的国内外发展现状 物料输送系统是一个典型的工业自动化系统，工业控制自动化技术作为2 0 世 纪现代制造领域中最重要的技术之一。目前，国内外工业控制自动化的研究现状 和发展趋势如下： 随着企业规模的扩大，企业的原料产品、成品都比原来有大规模的增加，物 料量也成倍的增长，物资流通量也随着经济的发展产生翻天覆地的变化，输送系 统的复杂程度也在不同程度的提高。以前输送系统主要采用普通的继电器来实现 控制，且控制要求及精度也较低。现在随着控制系统发展的越来越复杂，对自动 化程度的要求也越来越高，传统的普通继电器控制方式已经不能满足企业大规模 生产的要求了。采用可编程控制器和通讯网络可将生产数据传送上一级计算机， 并进行远端控制，这种现代输送系统将会成为未来发展的重要方向。许多工厂和 设计科研单位都对这样的课题进行了研究，同时对控制设备也提出了更高的要求。 在国外，带式输送系统技术乜卜矧的发展已经是相当成熟，其主要表现在以下2 个方面：一方面，带式输送系统的功能趋向于多元化，应用范围在不断扩大化， 例如：高倾角皮带输送机、管状皮带输送机以及空间转弯皮带输送机等各种机型： 另一方面，带式输送系统本身的技术开发和装备能力得到了巨大的发展空间，尤 其是长距离、大运量和高带速等大型带式输送系统，已成为企业发展的主要方向。 动态分析和监控技术是带式输送系统的关键核心，决定了整个行业的发展状况， 同时也提高了带式输送系统的安全运行性能和可靠性。 我国带式输送系统心p 矧的技术水平也有了很大程度的提高，在煤矿井下用的 大功率、长距离的带式输送系统，其关键技术研究和新产品开发都获得了巨大的 进步。例如：大倾角长距离带式输送系统成套设备和高产、高效工作面顺槽可伸 缩带式输送系统等均已填补了国内技术的空白，并对带式输送机的某些关键技术 和其他主要元部件进行了产品开发和理论研究，同时，也研制成功了多种软起动 装置、制动装置以及以p l c 为核心的可编程电控装置等，驱动系统采用了行星齿 轮减速器和调速型液力偶合器。 孟庆健等乜6 1 将g m x 6 3 0 新型双排链埋刮板输送机运用于输送纯碱，可以改进 刮板结构使有限空间输送量增加2 0 ；降低设备成本，使设备重量减少了八分之 一，占地面积减少四分之一，采购成本减少了1 0 ；在壳体侧面加开检测门若干个， 便于中间检修、观察和清理物料。 张宝良乜 将调频调压软启动器应用在煤矿综采刮板输送机上，利用晶闸管交 锰粉制备输送控制系统设计与研究 流调压技术，配合一定的启动方式，集软启动和真空磁力启动器于一体，应用于 综采刮板输送机取得了较好的效果，故障率极低，效益十分明显，而且刮板输送 机的维修成本较低。 龚杰乜刚研究了烟尘螺旋输送机的改进，实际运行表明，设备故障率大大降低， 螺旋输送机传动部分的柱销式联轴器基本为免维护，不仅减少维修工作量，而且 大大节约备件成本，进而降低了生产成本。 廖永明啪1 研究了智能电机监控器在螺旋输送机上的应用，可以在生产间隙的 停车时间对螺旋输送机电气控制回路进行了改造，主要是利用他的堵转功能，当 三相电流达到或超过整定的堵转电流时，可以在o 3 s 的时间内断开主电源，以保 护设各不受损坏并发出报警信号。 许成章等口们研究了螺旋输送机的技改，将螺旋输送机端盖处原来接触类填料 式密封改为非接触类迷宫式密封；螺旋轴改为可拆装式结构。改进后的螺旋输送 机经过运行，轴承依然完好，粉尘明显减少，停机率降低，保证了生产的持续顺利运 行。 从发展现状看，由p l c 及变频器控制的制备输送系统可以降低粉尘和保护环 境，在粉料制备输送中具有明显的优越性。所以从本课题的实际情况出发，采用 这种控制系统。 1 2 3 关于模糊控制 随着控制对象的复杂性、非线性、滞后性和耦合性的增加，人们获得精确知 识量的能力相对减少，运用传统精确控制的可能性也在不断的减少。正如 “l a z a d e l 不相容原理 所说的那样：“当一个系统复杂性增大时，人们能使其清 晰化的能力将会降低，达到一定阈值时，复杂性和清晰性将是相互排斥的”，这时 便产生了模糊控制。 模糊控制把控制对象作为“黑箱 ，先把人对“黑箱的操作经验用语言表述 成“模糊规则”，让机器根据这些规则模仿人进行操作来实现自动控制。为此。模 糊理论给出了一套系统而有效的方法，可以将人类用自然语言表述的知识或规则 转换成数字或数学函数，让机器也能识别、处理和利用。模糊控制是一种基于自 然语言控制规则、模糊逻辑推理的计算机控制技术，它不依赖于控制系统的数学 模型，而是依赖于由操作经验、表述知识转换成的“模糊规则”，因此实现了人的 某些智能，属于一种智能控制，可以与物理系统结合在一起，加以利用m 侧。 分析研究了锰粉输送控制系统的复杂性及很多偶然性因素的干扰，决定采用 模糊p i d 控制系统，并且它有以下一些优点4 1 ： 其一：模糊控制器的设计不依赖于被控对象的精确数学模型 模糊控制是以人对被控对象的操作经验为依据而设计控制器的，故无须知道 硕十学位论文 被控对象的内部结构及数学模型，这对于传统无法实现自动化的复杂系统进行自 动控制非常有利。 其二：模糊控制易于被操作人员接受 作为模糊控制核心的控制规则是利用自然语言表述的。例如，像“锅炉温度 太高，则减少加煤量 这样的控制规则，很容易被操作人员所接受，便于进行人 机对话。 其三：便于计算机软件实现 模糊控制规则通过模糊集合论和模糊推理理论，可以转换成数学函数，这样 很容易和其他物理规律结合起来，通过计算机软件实现控制策略。 其四：鲁棒性和适应性好 通过专家经验设计的模糊规则，可以对复杂被控对象进行有效的控制，经过 实际调试后其鲁棒性和适应性都容易达到要求。模糊控制是一种反应人类智慧的 智能控制方法，由于它的适应面广和易于普及，使它成为智能控制领域最活跃、 最重要和最实用的分支之一。尤其是它作为传统控制的补充和改进方法，常常与 传统控制相结合被用于各种复杂系统的自动化中。 1 3 主要研究内容及研究目标 1 3 1 锰粉制备输送系统的工作过程 天然锰矿石经破碎机破碎之后，由磨粉机研磨成粉，经刮板输送机将锰粉输 送至提升机的料厢内，再由提升机运送到漏斗型的两个物料缓冲计量仓中，并且 通过插板阀带动电动拉杆启闭仓门。每个缓冲计量仓安装有电子称重传感器，负 责精确称量缓冲计量仓的重量，同时，通过螺旋输送机减料计量的方法向后面的 6 个化合筒中输送锰粉。当两个物料缓冲计量仓加满一次料之后，为保证减料计 量的精度，系统会将随后生产的锰粉通过刮板输送机输送至3 个大型储存料仓中 储存。每当物料缓冲计量仓中缺乏锰粉时，系统会通过两种途径进行喂料：一是 把刚刚磨好的锰粉通过刮板输送机和提升机向计量仓中喂料；二是启动插板阀及 电动拉杆，打开储存料仓门，通过喂料机及刮板输送机向物料缓冲计量仓喂料。 系统工作示意图如图1 1 所示。 锰粉制备输送控制系统设计与研究 曼曼曼曼曼皇曼黑曼暑璺罾舅曼量喜量量i i _ i 皇曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼鲁曼曼皇曼量曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼量曼曼量曼量量量曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼量曼量舅曼 鼎一 蓉孺弱瘫l l 一 寸_ 7 ：匝旷毪螂瘩喇碡审i d 【+ t u b iu 440l 图1 1 系统工作示意图 1 3 2 主要研究内容及目标 本文通过对制备输送控制系统的设计及对控制系统的研究，课题主要工作和 研究内容包括： 1 ) 实现输送过程中的料位控制、送料方式的互锁及送料过程的计算机监控， 该监控系统要实现工况监控、历史数据记录、实时趋势等监控要求，也要实现数 据检测、故障报警等功能，最大限度的保证了系统的安全可靠运行。 2 ) 输送带送料量的控制，即利用智能控制，对输送带转速进行控制，通过仿 真此种方法，在稳定性、快速性、准确性方面都优于传统p i d 控制。输送带给料量 控制如图1 2 所示。 图1 2 输送带给料量控制图 硕十学位论文 3 ) 对智能控制算法在化合筒的精确加料控制进行探索，锰粉颗粒的大小将直接 关系到电解的精度，颗粒越细，其电解的精度就越高，但是要保证颗粒度在国家 安全标准的范围内。为实现颗粒度不小于1 2 0 目的研究目标，本系统将采用前馈一 反馈模糊p i d 控制，现场试验研究输送带转速的大小与研磨出的颗粒度之间的定量 关系，从而通过控制输送带频率的大小，进而控制输送带转速的方法，去实现我 们所设定的颗粒度的大小范围。 化合筒的加料是通过缓冲计量仓的减料称重计量、螺旋输送机从计量仓输送 一定量的锰粉至化合筒中。要保证给化合筒精确加料，要控制刮板输送机的运行 速度和状态。本课题拟采用变频控制技术控制输送带、刮板输送机的运行速度和 运行状态，实现输送带的自适应模糊p i d 控制和刮板输送机变速加料，保证加料误 差不大于0 3 。 锰粉制备输送控制系统设计与研究 第2 章锰粉制备输送自动控制系统设计 锰粉制备输送自动控制的目的是提高工作效率、减小劳动强度及改善作业环 境，同时能够降低能耗和成本，提高电解精度，实现运行的自动化和最优化。目 前，锰粉制备输送控制系统由简单的人工操作向自动化节能控制发展，以实现控 制系统的最优化，获得更大的经济效益。基于这种设计思想，本文以工业以太网、 现场总线、p l c 、计算机和组态软件为核心设计锰粉制备输送控制系统( d c s ) 。 d c s 是分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的简称，人们习惯称之为集中 分散控制系统，并且该控制系统通常由过程监控级和过程控制级两部分组成，是 以网络通信为纽带的多级计算机的控制系统。 2 1 系统分析 锰粉制备输送设备包括矿粉的制备设备和矿粉的输送设备两部分，所包括的 主要设备如表2 1 所示。 表2 1 锰粉的制备输送设备 组成部分名称设备名称 给料机( 3 k w ) 、磨粉机( 2 个9 0 k w 的主电机) 、主风机( 1 1 0 k w ) 、 制备设备副风机( 2 2 k w ) 、分级机( 2 2 k w ) 脉冲除尘器、卸料阀等 螺旋输送机、刮板输送机、三通电动阀 输送设备提升机、二通插板电动阀、喂料机、储备仓料位传感器 缓冲仓称重设备等 首先分析一下系统的组成及各部分需要监控的参量，然后进行系统设计。下 面就其组成部分进行分析。 2 1 1 制备系统 为了实现系统的高效节能要求，分级机和给料机的运转频率均由变频器控制， 这样可以实现它们的无极变频调速。制备系统需要监测的量共有六种：电机的选 择集q a ( d i ) 、电机是否运行( d i ) 、电机故障状态( d i ) 、电机电流( a i ) 、电机实际频 率反馈( a i ) 、变频器的频率给定( a i ) ，另外，为了对电机运行状态进行上位机给 定控制，还有数字量输出的电机启动命令( d o ) 和电机停止命令( d o ) 。 制备系统共有数字量输2 x , ( d i ) 点1 8 0 个、数字量输出( d o ) 点1 2 0 个、模拟量 输入( a i ) 点2 4 个、模拟量输出( a o ) 点1 6 个。在制备控制系统中，这些大型设备 会产生极大的震动和噪声，对于系统稳定性带来的干扰，在选择p l c 及各种模块 硕十学位论文 时，要考虑到这些因素。 具体配置如表2 2 所示。 表2 1 制备系统控制配置 设备名称功能描述i o 信号类别信号类型数量 破碎机起动输出 d oa c 2 2 0 vn 05 a 破碎机停止输出 d oa c 2 2 0 vn o5 a 破碎机破碎机运行反馈输入 d i n o 4 破碎机故障反馈输入 d i n o 破碎机就地远程反馈输入 d i n o 给料机起动输出 d od c 2 2 0 vn o 5 a 给料机停止输出 d od c 2 2 0 vn o 5 a 给料机运行反馈输入 d in o 给料机给料机故障反馈输入 d in o8 给料机就地远程反馈输入 d in o 给料机变频器频率给定 a o 4 - 2 0 m a 给料机变频器运行频率反馈 a i 4 - 2 0 m a 磨粉机起动输出 d o c 2 2 0 vn o5 a 磨粉机停止输出d oa c 2 2 0 vn 0 5 a 磨粉机运行反馈输入 d i n o 磨粉机 8 磨粉机故障反馈输入d in o 磨粉机就地远程反馈输入 d in o 磨粉机电流检测信号反馈a 1 分级机起动输出d od c 2 2 0 vn o5 a 分级机停止输出d od c 2 2 0 vn 0 5 a 分级机运行反馈输入d in o 分级机分级机故障反馈输入 d in o8 分级机就地远程反馈输入 d in o 分级机变频器频率给定 a o 4 - 2 0 m a 分级机变频器运行频率反馈 a i 4 - 2 0 m a 主风机起动输出 d oa c 2 2 0 vn o5 a 主风机停止输出 d oa c 2 2 0 vn 05 a 主风机主风机运行反馈输入 d in o8 主风机故障反馈输入 d in o 主风机就地远程反馈输入 d in o 锰粉制各输送控制系统设计与研究 副风机起动输出 d oa c 2 2 0 vn o5 a 副风机停止输出 d oa c 2 2 0 vn o5 a 副风机副风机运行反馈输入 d in o8 副风机故障反馈输入 d in o 副风机就地远程反馈输入 d in o 主卸料机起动输出 d oa c 2 2 0 vn o5 a 主卸料机停止输出 d oa c 2 2 0 vn o5 a 主卸料机主卸料机运行反馈输入 d i n o 8 主卸料机故障反馈输入 d i n o 主卸料机就地远程反馈输入 d in o 副卸料机起动输出 d oa c 2 2 0 vn o5 a 副卸料机停止输出 d oa c 2 2 0 vn o5 a 副卸料机副卸料机运行反馈输入 d in o8 副卸料机故障反馈输入 d in o 副卸料机就地远程反馈输入 d in o 2 1 2 输送系统 输送系统共有数字量输入( d i ) 点1 7 7 个、数字量输出( d o ) 点1 2 7 个、模拟量输 入( a i ) 点5 个。在输送控制系统中，输送设备的运行工况直接关系到后面的称重控 制，因此，要保证系统配置的最优性。具体配置如表2 3 所示。 表2 2 输送系统配置 设备名称功能描述i o 信号类别信号类型数量 刮板输送机起动输出 d o c 2 2 0 vn 0 5 a 刮板输送机停止输出 d oa c 2 2 0 vn o5 a 刮板输刮板输送机运行反馈输入 d in o 8 送机刮板输送机故障反馈输入 d in o 刮板输送机就地远程反馈输 d in o 入 n e i o o - 1 6 m 提升机起动输出 d od c 2 2 0 vn o5 a1 n e i o o - 1 6 m 提升机停止输出d od c 2 2 0 vn 05 a n e i o o - 1 6 m 提升机运行反馈输 d in o n e l 0 0 1 6 m入 提升机 i k t l r j l n1o + 日棚抽* 瞎e 占虫缓 硕+ 学位论文 入 n e l 0 0 1 6 m 提升机就地远程 d i n o 反馈输入 n e i o o - 2 1 m 提升机起动输出 d oa c 2 2 0 vn 05 a n e l 0 0 2 1 m 提升机停止输出d oa c 2 2 0 vn 05 a n e l 0 0 - 2 1 m 提升机运行反馈输 d in o 入 n e l 0 0 21 m1 n e l 0 0 2 1 m 提升机故障反馈输 提升机 d in o 入 n e i o o - 2 1 m 提升机就地远程 d i n o 反馈输入 螺旋输送机起动输出 d od c 2 2 0 vn o 5 a 螺旋输送机停止输出 d od c 2 2 0 vn o5 a 螺旋输送机运行反馈输入 d in o 螺旋输送8 螺旋输送机故障反馈输入 d i n o 机 螺旋输送机就地远程反馈输 d in o 入 5 0 0 x 5 0 0 喂料机起动输出 d oa c 2 2 0 vn 0 5 a 5 0 0 x 5 0 0 喂料机停止输出 d oa c 2 2 0 vn 0 5 a 5 0 0 x 5 0 0 5 0 0 x 5 0 0 喂料机运行反馈输入 d in o 5 喂料机 5 0 0 x 5 0 0 喂料机故障反馈输入 d in o 5 0 0 x 5 0 0 喂料机就地远程反 d in o 馈输入 电动三通阀右道打开输出 d o a c 2 2 0 vn 05 a 电动三通阀停止输出d oa c 2 2 0 vn 0 5 a 电动三通阀左道关闭反馈输 d i a c 2 2 0 vn o5 a 入 电动三通 电动三通阀右道关闭反馈输 1 阀d in o 入 电动三通阀故障反馈输入 d i n o 电动三通阀就地远程反馈输 d i n o 入 电动二通阀打开输出 d oa c 2 2 0 vn 05 a 2 6 电动二通阀关闭输出d oa c 2 2 0 vn 05 a 锰粉制备输送控制系统设计与研究 电动二通阀停止输出 d o a c 2 2 0 vn o5 a 电动二通电动二通阀开到位反馈输入d i n o 阀 电动二通阀关到位反馈输入d i n o 电动二通阀故障反馈输入d i n o 电动二通阀就地远程反馈输 d in o 入 料位反馈信号 a i3 传感器 净重反馈信号 h i2 由上所述可知，本系统的控制点数量相对较多，其中数字输入量( d i ) 共3 5 7 个、数字输出量( d o ) 共2 4 7 个、模拟输入量( a i ) 共2 9 个、模拟输出量( a o ) 共1 6 个，可以用8 台控制柜实现对所有点数的控制。其中控制系统配电图如图 2 1 所示。 2 2 系统整体设计 图2 1 控制系统配电图 根据用户提出的具体要求，综合考虑系统的可靠性、效率及可维护性，以最 少投资为目的，使设计的系统能够将锰粉制备输送过程中的工艺参数控制在规定 的范围内。设计控制系统网络结构图如图2 2 所示。 硕+ 学位论文 茎 图2 2 控制系统网络结构图 1 ) 操作管理层 操作管理层由2 个站组成，一个是工程师站，另外一个是操作员站。两个站 的硬件平台都为研华工控机i p c 6 1 0 l 。操作员可以通过操作员站观察控制系统的 运行状态、历史趋势和报警等情况，且能够实现对设备进行参数调整和启停的集 中管理。然而，工程师站的主要职能是对操作界面和运行程序进行修改，不会对 控制系统进行任何的操作。在正常运行情况下，操作员站只是显示相应过程控制 的实时工况，只有当操作员站发生异常状况时，工程师站才代替其进行工作，这 样一来就不会产生使系统失控的现象。 管理层的主要目标是针对锰粉制备输送控制系统的安全联锁控制、顺序控制、 逻辑控制和综合报警等进行合理化控制。过程控制层有两方面的任务，一方面实 现现场检测层的远程i o 站与p o r f i b u s d p 现场总线网络的通讯，同时采集现场 执行机构、变送器、传感器和其他设备的实时状态信号和运行数据，执行用户程 序控制相关设备的运行。另一方面把系统的数据信息上传到管理层的工作站进行 相关处理，同时执行操作员站发出的操作命令。s 7 3 0 0p l c 通过p r o f i b u s 电缆和 c p 5 6 1 1 网卡与上位机操作站建立通信，将现场设备采集到的数据传给上位机，并 接收上位机发出的各种数据和控制命令。工控机采用西门子w i n c c 软件进行人 机界面的绘制，并通过人机界面对下位机的所有参数进行设置和调整，监控系统 中所有设备的运行状况。 2 ) 现场检测层 作为过程控制从站的现场检测层的远程i o ，其主要作用是负责与现场开关 量及传统仪表相关的接口问题，并通过过程控制层与p r o f i b u s d p 现场总线网络 进行实时的数据交换，实现对现场所有设备、仪表的信号数据的采集和控制等功 能。 模块i m 3 6 0 i m 3 6 1 与p r o f i b u s d p 现场总线相连，主要由开关量输入输出( i o ) 锰粉制各输送控制系统设计与研究 模块及模拟量输入输出( i o ) 模块等组成。当组态完成之后，分布式i o 将会和集 中式i 0 的功能一样，主要是完成对受控量的检测与控制。系统所要完成的功能 如图2 3 所示。 设 鲁 顺 序 逻 辑 控 制一 变 重 记 录 归 档 及 处 疆一 料 量 瞬 时 及 总 量 流 量一 系 统 流 程 及 报 警 面 面， 系 统 操 作 面 面， 趋 势 及 模 拟 量 面 面一 图2 3 控制系统功能图 2 3 硬件选择 本系统中应用到的主要硬件为变送器、工控机、p l c 及变频器，其中计算机 应用研华工控机，p l c 应用西门子s 7 3 0 0 ，变频器采用施耐德( s c h n e i d e r ) 的变 频器。 s 7 3 0 0 配置及柜体设计：s i m a t i cs 7 3 0 0 是一种通用型的p l c ，其能够适 合应用于自动化工程中的各种场合。模块化以及比较易于实现分布式的设计配置， 同时有易于掌握等特点，使