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南京理工大学硕士学位论文 水泥配料自动化系统的研制 摘要 配料是水泥生产中极其重要的环节之一，配料质量控制的优劣直接关系着下游生 产能否顺利进行。 本文针对水泥配料系统中的自动化问题，进行了系统的总体方案论证与设计：根 据系统的实际运行情况，采用了基于p c 总线的工业计算机作为中心控制单元，通过电 子皮带秤、高精度数据卡、变频器、三相交流电机等组成控制系统；针对系统反馈调 节不准确现象，提出采用p i d 算法进行反馈调节，使配料过程更趋于合理；同时，针 对配料系统恶劣的工作环境，研究了各种干扰抑制措施，提出了系统硬件的抗干扰设 计、软件抗干扰谤十、印制线路板抗干扰设计方案等，有效地提高了系统的抗干扰能 力：配料系统采用w i n d o w s2 0 0 0 操作系统作为软件开发平台，v i s u a lb a s i c6 0 作为 编程工具，实现了单机多路的控制，节省了成本，并在包头明峰水泥厂得到了应用。 经现场运行表明：该系统具有界面友好、运行稳定等优点，达到了预定目标。系 统不仅可以应用在水泥生产行业中，对冶金、化工、粮食等行业的计量与配料控制也 具有重要参考意义。 关键词：自动配料，p i d 算法，干扰，多路控制 南京理工大学硕士学位论文水泥配料自动化系统的研制 a b s t r a c t t h em a t e r i a lb l e n d i n ga n dp u l v e r i z a t i o ns y s t e mi sa l li m p o r t a n tf a c t o ri nc o n c r e t e p r o d u c t i o n , t h eq u a l i t yo f t h em a t e r i a lb l e n d i n ga n dp u l v e r i z a t i o ns y s t e mi sv e r yi l l l p o r t a n t t ot h es u b s e q u e n tp r o d u c t i o n 。 t os o l v et h ea u t o m a t i o n , t h i sp a p e rm a k e saw h o l et e c h n i c a la n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n ； a c c o r d i n gt ot h er e a lw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，w eb u i l dac o n t r o ls y s t e ml 坞i i 唱i n d u s t r i a l c o m p u t e rb a s e do i lp cb u s 雏t h ec e n t e ro fc o n t r o ls y s t e m a l s o w eu s et h eb a l a n c e 、 h i g h - p r e c i s i o nd a t ai n p u tc a r da n do u t p u tc a r d 、u a 1 s d l w c r ，a l t e r n a t i n gc u r r e n t - c j e e r r o m o t o r w e 眦p i dc o n t r o lt os o l v et h ei m p r e c i s eo ff e e d b a c k ；w i t ht h eh a r d w o r k i n g e n v i r o n m e n to ft h i ss y s t e m , w eb r i n gf o r w a r dt h ew a yt os o l v eh a r d w a r ei n t e r r u p t i o n 、 s o f t w a r ei n t e r r u p t i o na n dp c b i n t e r r u p t i o n t h es y s t e mn m su n d e rw i n d o w s 2 0 0 0a n dt h e p r o g r a m m i n gt o o li sv i s u a lb a s i c6 0 t h i ss y s t e ms a v e dt h ec o s tb e c a u s ei tr e a l i z e d m u l t i - c o n t r o l 、“t has i n g l ec o m p u t e ra n dh a sb e e na c t u a l i z e di nb a o t o um i n g f e n g c o n c r e t ef a c t o r y i th a sb e e np r o v e dt h a tt h i ss y s t e mh a ss u c ha d v a n t a g e s ：e a s yt ou s ea n ds t e a d y - g o i n g t h i ss y s t e mi sn o to n l ya p p l i e dt oc o n c r e t ep r o d u c t i o nb u ta l s oh a sr e f e r e n c et ot h e m e a 翮】r ea n dc o n t r o lo fm e t a l l u r g y p r o d u c t i o n , c b e m i c a lp r o d u c t i o n , c o m m i s s a r i a t p r o d u c t i o na n ds oo n ， k e yw o r d s ：m a t e r i a lb l e n d i n ga n dp u l v e r i z a t i o n ，p i da r i t h m e t i c ，d i s t u r b a n c e ， m u l t i - c o n t r o i n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名 自口免垄、 z 。7 年7 月归 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：熊；户7 年7 月尹日 南京理工大学硕士学位论文 水泥配料自动化系统的研制 1 绪论 1 1 课题背景 江苏南通春光机械电子公司是工业自动控制设备的专业生产厂商。 该公司研发的变频调速配料控制系统，广泛应用于水泥、冶金、化工、粮食及食 品加工等行业。随着工业的发展，对配料的精度提出了更高的要求，公司原有的配料 系统已不能满足其要求，因此，需要对原有的系统进行调整和改造。 本课题所设计的变频调速配料系统，要求实现对物料计量与配料过程的在线监测 和控制，实时显示物料配比、瞬时流量、。台时产量、累计产量等参数：具有对皮带秤 和绞刀秤的静态标定、自动去皮和动态标定功能；并能自动生成各类生产管理报表， 为生产决策提供数据；同时，通过p i d 调节实现了物料的精确配料，配料精度可达到 2 。 一 课题将对提高水泥、冶金、化工等行业的物料计量与配方控制水平、实现物料 的精确计量与配比智能控制和提高企业的综合经济效益等方面提供重要参考价值。 1 2 配料系统国内外发展概况 随着计算机技术和微电子技术的发展，微机配料控制系统的发展经历了人工手动 控制、机械电气控制、单片机控制、工业控制计算机集中控制等几个阶段1 2 ) 。 在第一阶段，微机配料设备庞大，各设备之间互不联系，或联系甚少，由现场的、 操作人员决定是否要调整控制器。一个操作人员只能监视和操作一个至两个计量秤， 并且手工记录配料的相关数据，在很大程度上产品的质量取决于操作员的熟练程度。 在第二阶段，随着电子管、晶体管技术的飞速发展，逐渐出现了各种小型化的微 机配料电动组合仪表。但电动组合仪表也存在着两大问题：一是电噪声的问题比较严 重，为克服噪声，不得不采用极为复杂的电子线路；另一个问题是由于微机配料系统 所控对象、所处环境常常都很恶劣，电子元器件的老化严重，抗干扰的能力和可靠性 不高。 单片机配料系统是在大规模集成芯片技术成熟的基础上应运而生的。单片机配料 系统较之前两种配料系统设计电路复杂程度降低，可靠性大大的提高。而且满足了用 户实用性的要求。所以迄今为止，单片机配料系统仍然在一定程度上占据了中小型企 业配料生产的主控地位。 同时随着我国经济的发展，工业生产规模的扩大，计算机技术的迅猛发展，基于 南京理工大学硕士学位论文 水泥配料自动化系统的研制 s t d 总线或p c 总线的工业控制计算机应用提上了日程。并且迅速的在中国形成热潮， 主要是因为工业控制计算机可靠性高，小巧结构，组成系统功能灵活，组态方便。具 有小型化、模块化、组合化、标准化的特点。随着工业控制计算机的广泛应用，基于 工控机的配料系统也出现在工业场合。这种配料系统大多采用集中控制方式，计算机 除具有工艺流程控制、工况实时显示、提供数据存储、报表打印等功能外，还要完成 对各对象的直接控制和数据采集任务。 比较单片机配料系统和工控机集中式配料系统，工控机配料系统较单片机配料系 统整体结构简单，人机界面更加美观，交互功能更加强大，设计和调试难度相对降低。 但是由于配料生产现场往往距控制室较远。强、弱模拟信号混杂。必须采取较完善的 屏蔽抗干扰措施才能保证系统的稳定运行。集中控制对主机及其测控电路要求较高。 应用工业控制机实现物料的自动称量与配比，不仅提高了生产效率、安全可靠、 精度高、配方可调，而且，配料过程不需要人工操作，从而消除了人为因素的影响。同 时计算机能对生产过程中各种数据进行统计与分析，自动生成包括班次、操作员、日 期、配方、各种物料配出量的日、月报表等，将有利于产品成本核算及质量分析等现 代化管理。并配有串、并行通信口为生产规模扩大、组成小型集散控制系统和实现远 程监视与控制提供可发展空问。 九十年代以来，随着计算机技术的迅猛发展，国外引进或国内设计的大中型水泥 生产线绝大多数使用了计算机控制系统。如琉璃河、邯郸等水泥厂采用b a i l e y 公司的 n 一9 0 系统；北京、葛洲坝等水泥厂采用t a b b 公司的m a s t e r 系统；合肥水泥设计研究 院牵头完成的国家“八五”攻关项目在江西水泥厂2 0 0 0 t d 生产线上采用了h o n e y w e l l 公司的m i c r ot d c 一3 0 0 0 系统；铁道部巢湖水泥厂采用了美国l - n 公司的m a x l 0 0 0 系统。 九十年代是我国水泥行业计算机控制系统应用走向成熟的阶段l 3 1 近些年来，随着电工电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传 动技术面临着一场历史革命，即采用交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取 代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程 以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段，变频调速以其优晃的调 速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点 而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 但在总体上，我国在配料控制系统上存在技术落后、企业平均规模小、综合生产 水平低等问题。因此，提高配料的自动化程度和产品的质量，成为当前十分紧迫的问 题。 南京理工大学硕士学位论文水泥配料自动化系统的研制 1 3 课题的研究内容 本课题是以水泥生产中韵配料环节为研究对象，在深入了解配料系统的工艺要 求、分析现有控制方式的基础上，提出了新控制系统的整体方案，并对系统的实现进 行研亢。由于水泥行业的特殊性，所以本课题开发的控制系统必须具有高可靠性、低 故障率、故障修复快等特点。其最终目的是利用变频调速技术、p i d 反馈控制等技术， 设计一套高性能价格比的控制系统，对水泥配料生产线进行自动控制。 作者所做的主要工作： ( i ) 计算机变频调速配料系统的方案论证与总体设计，主要包含：配科系统需求 ( 功能、信息、性能等) 分析，配料系统控制结构设计，配料系统的总体方案论证与 设计。 ( 2 ) 计算机变频调速配料系统的硬件选型设计，主要包含；传感检测元件与控制 仪表，变频器及电气控制线路，工业控制计算机，多功能数据采集卡。弱电系统，通 信接口，系统硬件集成。 ( 3 ) 计算机变频调速配料系统的软件设计与开发，主要包含以下几大模块的设计 与开发：配料工艺参数设定模块，现场实时数据采集与处理模块配料系统实时控制 模块，配料系统运行监测、诊断与报警处理模块，人机界面模块，系统运行历史数据 分析模块设计与开发。 2 0 ，皮带速度0 0 5 m m i n 1 5 m r a i n ) 。低速时仍具有良好的线性调速性能，可大大减少皮带的磨损，避免大块物 料卡料损伤 ，。 性能价格比好。采用国际最新技术，实现了皮带自动对中、自动张力调整等。 控制精度高，稳定性好，价格仅为进口同类产品的1 4 l 5 。 运行维护成本低。正常运行，环形皮带使用寿命可长达5 年，节电2 0 4 0 ； 专门的快捷更换皮带方式，只须两个人便可迅速更换皮带。 根据企业的工艺要求“量体裁衣”，迸行现场设计保证选型合理、运行可 靠。可根据工艺要求选用不同类型设备，配置灵活，如水泥配料线，选用耐高温皮带 秤；粉状物料选用密封皮带秤。 皮带宽度有5 0 0 、6 5 0 、8 0 0 、i 0 0 0 、1 2 0 0 m m 多种规格，适用于1 1 5 0 t h 的物 料流量范围。 标准接口，可以与工控机或d c s 系统接口。 ( 2 ) 工作原理 驱 支撑辊荷重传感器 图2 2 1 i 皮带秤结构图 当物料落到皮带秤上时，由于物料重力与皮带面摩擦力的作用，物料随皮带以速 度v 向前运动。 在皮带中间位置的称重架是一种力传递装置，它把作用在称重棒上的力传给荷重 传感器，传感器将压力p 转换为正比于物料重量的电压信号输出。脉冲传感器测出三 相异步电机转过的齿轮数，把正比于皮带速度的滚轮转速v ，以脉冲信号形式表示， 通过计算机运算得出皮带速度v 。 工业控制计算机接收来自压力传感器的重量信号q 与数字测速器的速度信号v 后，通过c p u 运算，得出物料的瞬时流量，累计重量。 瞬时流量： q n = q v ( 2 1 ) 南京理工大学颐士学位论文水泥配料自动化系统的研制 式中：qn ：瞬时流量； q ：单位长度上的重量，q = p l = 物料重量测量段长度。 而单位时间内走过的距离，也就是电子皮带秤韵速度： v = s t ( 2 2 ) 在时间t 内输送的物料累计重量w ： w = f q ndt ( 2 3 ) 电子皮带秤重量和速度采样过程：当电子皮带秤运行时，在t 1 时间内，脉冲发 生器发出的脉冲数，代表皮带走过的距离s ；当电子秤秤架有物料流过时，压力传感 器输出o 2 4 m v 正比于物料重量的电压信号，再经信号放大器放大处理为0 5 v 的电 压信号并经a d 转换后送给c p u 进行运算，这样就完成一次重量和速度采样。 2 2 2 绞刀秤 ( 1 ) 技术特点： 密封结构，减少粉尘外扬： 螺旋闻隙小，在0 5 1 0 砌之间，克服回流窜料问题，避免管壁问隙中附 着物料； 典型系统由稳流给料螺旋、计量输送螺旋、变频器、荷重传感器、电控系统组 成。 给料螺旋距有独特的稳流结构，在整个进料口截面上料粉均匀下沉，不易结拱， 不易冲料。 稳流给料螺旋和计量输送螺旋之间为软连接，可根据现场要求任意调整水平安 装角度。 ( 2 ) 工作原理 6 南京理工大学硕士学位论文 水泥配料自动化系统的研制 图2 2 2 1 绞刀秤结构图 螺旋定量给料机以恒定速度运行时，其输送物料流量对应于螺旋输送管内的物料 流量 o = k ( g ( t ) - g p ( t ) ) ( 2 4 ) q ：物料重量 g ( t ) ：螺旋管内物料的流量 g p ( t ) ：瞬时皮重 k ：动态系数 绞刀秤主要部件由稳流给料螺旋、计量输送螺旋、变频器、荷重传感器和电控系 统组成。 由于结构的限制，绞刀秤上一般不易安装速度传感器。所以，通常采用变频器输 出的f l j a 变频器频率反馈信号来表示速度的大小。 绞刀秤由两台电机拖动，上部为变速电机，由变频器拖动，可通过调整其转速来 调整物料的流量大小，下部为恒速电机，由3 8 0 v 三相电进行拖动。秤体由上下两部 分组成，上部秤体主要起稳流作用，下部秤体主要起计量作用。 绞刀秤重量和速度采样过程：物料由进料口经叶轮螺旋输送至落料口的时候，安 装于螺旋输送机下面的称重装置，检测到物料的重量并产生一个正比于称重载荷的电 压信号通过a d 转化卡送入计算机，同时，f m a 电压信号通过a d 转化卡将转速信号 输入计算机，两种信号经c p u 运算，得出瞬时流量和累计重量值。 2 3 配料系统的控制系统结构 配料控制系统的结构组成如图2 3 1 所示，主要由数据采集、运算、输出控制三 个单元组成。 7 南京理工大学硕士学位论文水泥配料自动化系统的研制 ( 1 ) 数据采集单元 系统要采集的现场信号有：物料的压力信号p 和物料的前进速度信号v ，系统中， 物料的压力信号p 通过荷重传感器采集，并通过信号放大器转换为标准的o 5 v 信号。 经a d 转换卡输入计算机；物料前进速度信号v 由安装在三相异步电机上的脉冲传感 器采集，并将对应的脉冲数经计数模块输入计算机。 ( 2 ) 运算单元 通过工业计算机c p u 进行运算。 ( 3 ) 输出控制单元 系统需要输出控制为电机的转速n 。通过d 庸输出控栅卡由计算机输出电压信号 控制变频器的频率来拖动三相异步电机以调整其转速n 。 键盘显示器 图2 3 1 配料控制系统结构组成 由于系统带有i s a 总线接口，可以通过中央控制室实现配料并可以监视配料秤状 态。在中央控制室的电气柜上还设计了切换开关，用户可选择手动控制和自动控制。 当选择运行模式为手动的情况下系统电气元件的状态控制由用户来控制完成；当选择 自动方式的时候，则由中央控制室来控制配料系统的运行。用户可在现场自动运行的 情况下，停止配料过程，这样设计主要是为了系统安全，防止由于工业计算机来不及 响应或通讯中断而导致在系统故障的情况下无法停机| l2 j f l ”。 2 4 系统运算过程 荷重传感器将皮带秤( 或绞刀秤) 上瞬时测出的物料重量送高精度放大器放大后， 南京理工大学硕士学位论文 水泥配料自动化系统的研制 经过滤波和a d 转换与测速传感器测出的速度信号进行和一起送入主计算机。计算机 接收信号后，计算瞬时产量和累计量，一方面送前台显示，一方面与设定值进行比较， 偏差信号经p i d 运算后去控制变频调速器的输出频率来调整三相异步电机的转速，使 实际流量始终跟踪( 趋近) 给定流量。以达到消除偏差，稳定配比的目的。 注：在实际应用时，当皮带秤或绞刀秤的驱动电机由变频器控制时，由于变频器通常 带f m a ( 变频器频率反馈信号，范围可调。如：0 5 0 h z 对应f m a 的o 5 v 或o l o v 电压反馈) ，在正常应用不存在皮带打滑及测量精确度要求不是很高的情况下，也可 以用变频器f m a 电压信号输出替代测速传感器并通过a d 板卡接入计算机。应该注意 的是，变频器的f m a 脉冲波形输出并不是真正的皮带速度测量信号，而是驱动电机的 控制给定信号，在不存在皮带打滑的情况下，两者数值是一致的。 2 5 变频调速原理 根据电机学理论，电机转速与电源频率的关系为【2 l = 推：6 0 f ( i j 1 p 式中，n 一电动机转速： f 一电源频率： ( 2 5 ) p - 电动机磁极对数： s 一转差率。 由上式可知，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数p ，转差率s 和电源 频率f 当系统硬件给定后，磁极对数p 和转差率s 固定。所以，只能通过改变电源频 率来实现通过交流异步电动机调速的目的，这就是变频调速技术。 变频调速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这一功能 的装置称为变频器。 变频器从结构上分为两种：即交交变频和交直交变频。交交变频是将电网的交流 电源直接变换成电压、频率均可控制的交流电源的变频器。其突出的优点是它的变换 中间环节少，变换效率高，缺点是它的输出频率最高一般只能达到电网频率的 2 或 i 3 ，因此调速范围受到限制，应用也局限于一些低速的大功率传动场合【i “。 交直交变频器是把工频电源先经过整流变换成中间直流，再经过逆变器把中间直 流变化成可变频率交流输出的变频器。和交交变频相比，它多了一个能量储存环节。 能量转换效率有所降低，但由于调速范围广，控制性能好。因此获得了更为广泛的应 用。 南京理工大学硕士学位论文水泥配料自动化系统的研制 2 6p i d 调节的实现 在模拟控制系统中，按照比例、积分、微分进行的控制称为p i d 控制p i d 控制是 最早发展起来古勺控制策略之一。由于其算法简单、调节方便、可靠性高，目前己成为 过程控制中应用最为广泛的一种控制系统。使用p i d 控制手段的调节器称为p i d 调节 器。图2 6 1 为典型的p i d 控制系统【2 0 】【2 3 1 图2 6 1p i d 控制系统原理图 理想微分p i d 的公式为： ) = k p m f ) + 寺胁) a t + 乙! 笋 ( 2 6 ) l i p ：比例系数 t i ：积分系数 t d ：微分时间 比例控制能迅速反映误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差。p 的 增大，会引起系统的不稳定： 积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制 量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制完全消除误差，积分作用太强会 使系统超调增大，甚至出现系统振荡： 微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动 态响应速度，减小超调时间，从而改善系统的动态性能。 为了便于在计算机上实现p i d 控制算式，把理想p i d 公式改写为数字增量型算式， 增量型的p i d 算式为 ( t ) = 甜( 后) 一u ( k 1 ) = 砗i 女) 一e ( k - d + 巧p ( t ) + x d p ( 七) 一2 e ( k - 1 ) + e ( k - 2 ) 1 ( 2 7 ) 在计算机运算中，为编程方便，将上式整理成如下形式： a u ( k ) = q o e ( 丘) + g 。e ( k 1 ) + q 2 e ( k 一2 ) ( 2 8 ) 其中，一 q o = k ，( 1 + 争+ ! ) o 南京理工大学硕士学位论文 水泥配料自动化系统的研制 g i = 一x ，( 1 + = ) r q 2 = k p 等 要使系统具有良好的调节品质，即有较高的稳定性、准确性和快速性，系统必须具 备两个条件：( 1 ) 系统自身的结构性质稳定，这包括它的容量系数、阻力和传递距离等 内容。( 2 ) 调节器有合理的p i d 参数。只有将这三种作用的强度作适当的配合，才可以 使调节器快速、平稳、准确地运行，从而获得满意的控制效果。在这两者中，条件l 是条件2 的前提，因为p i d 参数取决于系统的动态特性，而影响系统动态特性的主要因 素是系统本身的结构性质。 总之，将调节器应用于自动配料系统，自动控制效果理想，而且，系统运行也有较 高的可靠性，大大减小维护量。 虽然p i d 调节应用较为广泛，但不是所有的场合都采用这一方式，实际中，还应根 据系统的不同要求选择位式调节、比例积分调节、纯比例调节、比例微分调节等其他 调节方式。 南京理工大学硕士学位论文水泥配料自动化系统的研制 3 自动配料系统的需求分析与总体设计 3 1 自动配料系统的需求分析 根据水泥生产控制的实际需要，要求配料系统应具有以下功能： ( 1 ) ：主控制功能，包括：开车、停车、各路累计及总累计、打印报表等等。 ( 2 ) ：参数设定功能，包括：设定台时产量、各路的配比、p i d 控制参数以及各路的 启用。 ( 3 ) ：标定功能，包括：秤体的零点标定、自动去皮和动态标定。 ( 4 ) ：系统运行流程动态画面显示。 ( 5 ) ：系统的配比精度要达到2 。 另外，为了加强管理，维护设备和系统工作的正常，防止其它无关人员乱操作或 者误操作，配料系统中还要求具有一定的安全措施。因此，把涉及系统运行的人员分 为操作人员和系统管理员。分别使用不同的权限，可以对微机进行不同的操作，以实 现不同的功能。 由于最终产品要工作在恶劣的工作环境中，因此设计时还要考虑到系统的抗干扰 措施。 3 2 配料系统的总体设计 3 2 1 配科系统设计要求 根据水泥配料系统的具体应用环境，要求所设计系统具有下述特点i 习： ( 1 ) 可靠性高 这是对控制系统的最基本的要求。系统的可靠性一直是首要衡量指标，这是由被 控对象的连续操作运行的特性和工业现场环境的恶劣性所决定的。这是因为，一旦系 统出现故障，将造成整个生产过程的混乱，引起严重后果。 随着微电子技术的进步，现在硬件方面的可靠性已有大幅度的提高，并且，系统 的电气性能及整体可靠性大为改观。但是仅仅有硬件方面的进展是远不够的，还必须 在软件设计、系统配套方面做出同样的努力，使整个系统的综合指标得以提高，以满 足现场控制的实际需要。 ( 2 ) 实时性好 为了满足实时控制要求，系统必须能够支持实时数据操作即在规定时间间隔内 完成数据的读写、传递等基本操作，对突发事件做出实时响应。 南京理工大学硕士学位论文 水泥配料自动化系统的研制 ( 3 ) 通用性好，便于扩充 一个计算机控制系统，一般可以控制多个设备和不同的过程参数，但各个设备和 控制对象的要求是不同的，而且控制设备还有更新，控制对象还有增减。系统设计时 应考虑能适应不同设备和各种不同控制对象，使系统不必大改动就能很快适应新的情 况。这就要求系统的通用性要好，能灵活地进行扩充。为此，设计时必须使系统设计 标准化，并尽可能采用通用的系统总线结构等。设计时要留有冗余量，以便今后扩充。 ( 4 ) 系统操作性能好 操作性能好，包括两个含义，即：使用方便和维修容易。这个要求对控制系统来 说是很重要的。 ( 5 ) 性价比要高 限于我国目前的经济水平，特别对为数众多的中小型企业而言资金普遍紧张， 但技术改造的任务又多。这就要求在满足精度、速度和其它环境要求的同时，尽可能 地降低系统成本，从而降低售价，使企业乐于接受。现在，工业p c 机在性能提高的 同时，降低售价，这就为工控技术的应用创造了良好的物质基础。 3 2 2 硬件方案 硬件是工业实时监控系统的核心，其采样精度、抗干扰性能、稳定性能极大地影 响控制的质量。在软件的协调下，实现对被控对象准确的测量，稳定的控制，是工业 现场控制的最低要求。 目前，配料系统的硬件操作平台主要就是以下两种方式： ( 1 ) 以板卡加p c 机为硬件操作平台； z ) 以p l c 加触摸屏为硬件操作平台。 当前，国内外采用p c 总线工控机的工业控制系统日益增多。工业控制计算机具有 开放式总线结构，底板上共有1 4 个插槽可供使用( 板上的插槽数目依不同型号从3 个至 1 4 个槽口不等) 0 4 j 15 1 。 工控机输入输出模板种类很多，能够适应多种用途，构成各种系统。p c 总线工控 机除了硬件特性超过一般微机外，结构上还增加了可靠性措施，配置了双风扇过滤器、 机箱内正压力密闭防尘装置、带锁面板、工业级电源、i 0 模板压紧防震装置等。这 样的工控机非常适合在像水泥厂等这样的企业中应用。另外，工控机输入输出模板门 类齐全，配套方便，备件有保障。 此外，自动配料控制系统在不远的将来，便会要求有联网的任务而工控机在联 网方面的技术已趋成熟，总线工控机的另一主要优势是软件丰富，有利于使用。 选择工控机和配置常规标准化工控输入输出模板，己能满足系统的要求，且系统 南京理工大学硕士学位论文水泥配料自动化系统的研制 的修改和扩充都很方便。 用工控机来代替p l c 是目前在工业控制领域内的一种流行方法。随着硬件技术的 一发展，p c 在速度、价格等方面显现出p l c 无法比拟的优势：同时软件技术使得在p c 上实 现复杂算法变得越来越容易，它的编程方便易掌握。良好的图形化界面使得用户容易 接受。因此，在对现场环境要求不是非常高的情况下，可以考虑使用工业p c 来代替p l c ， 这也是目前“软p l c ”的概念。 因此，最终我们决定采用以板卡加p c 机作为硬件操作平台。 总线结构的标准化对提高微机系统的性能和保证系统的开放性是至关重要的。在 当前的主流微机系统中，通常是采用三种总线标准，这就是i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r d a r c h i t e c t u r e ，工业标准体系结构) 总线、e i s a ( e n t e n d e di s a ，扩展的工业标准体系 结构) 总线和p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t 。外部部件互连) 总线。前 两种为标准的i l o 总线，p c i 为局部总线。 i s a 总线是8 位1 6 位总线，最高传输速率为8 m b s ，用于p c 机：e i s a 总线可用于8 位 1 6 位3 2 位系统，最高传输速率为3 3 m b s ，主要用于服务器领域：p c i 总线最高传输速 率为5 2 8 舳s 。经比较，台湾泓格公司是一家国际知名的工控产品生产厂商，产品可 靠性及性价比高，因此，最终我们决定选用泓格公司的产品。由于工业配料系统要求 的传输速率并不高，所以我们选择了台湾泓格公司的基于i s a 总线的信号采集、输出 控制系列模块。 压力传感器出来的信号为耐级信号，它需要通过放大处理，将信号电位提升到 o - 5 v ，以便与a d 板接口。由于生产现场的控制室距离生产现场往往较远，因此，应 将传感器信号经过进行放大处理后，通过带屏蔽层的双绞线送到控制室内。由于南通 春光机械电子有限公司有多年自动控制产品的成功经验并且产品有很高的标准，我们 决定采用厂方自己生产的皮带秤和绞刀秤以及信号放大器。富士变频器、三相电机和 压力传感器通过在市场上购买成熟产品来实现。 3 2 3 软件方案 ( 1 ) 操作系统的选择 现在比较流行的操作系统是w i n d o w s ，它是微软公司开发的基于m s - d o s 操作系统 的一个具有多任务能力和图形化用户界面的窗口式操作环境。它与传统的d o s 相比， 有如下一些特征： 一种全新的优美、统一的用户界面： 与设备平台无关的图形接口： 面向对象的程序设计特点： 南京理工大学硕士学位论文水泥配料自动化系统的研制 功能比较强大的内存管理： ， 动态数据交换。 由于w i n d o w s 有如此多的优点，并且系统要求具有良好的人机交互界面及实时动 态数据显示，检测各秤的原料流量，动态检测各称的工作状态，并打印有关统计报表 等功能。考虑其稳定性，我们最后决定选用操作系统是w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统。t ( 2 ) 编程工具的选择 v i s u a lb a s i c ( 以下简称v b ) 6 o 是一种以对象为基础，以事件驱动为编程机制的 可视化程序设计语言。因为它的功能很强大，而且简单容易学习，因而非常受那些广大 的程序设计爱好者的欢迎。 v i s u a lb a s i c 6 0 的主要功能与特点【翻：， 易学易用的集成开发环境 v b 6 o 为用户设计界面：编写代码；调试程序；编译程序；制作应用程序安装盘 等提供了友好的集成开发环境。 可视化的设计平台 采用传统的程序设计语言编程时，一般需要通过编写程序来设计应用程序的界面 ( 如界面的外观：位置等) 。在设计过程中看不见界面的实际效果。而在v b 6 o 中，采用面 向对象程序设计方法( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) ，把程序和数据封装起来作为 一个对象，每个对象都是可视的。程序员在界面设计的时候可以直接用v b 6 0 的工具箱 在屏幕上“画”出窗口，菜单、命令按键等不同类型的对象，并为每个对象设置属性。 程序员仅要对要完成事件过程的对象进行编写代码，因而程序设计的效率可大大提 高。 事件驱动的编程机制 面向过程的程序是由一个主程序和若干个子程序及函数组成的，程序运行时总是 先从主程序开始，由主程序调用个子程序和函数，程序员在编程时必须事先确定还整 个程序的执行顺序。而v b 6 o 事件驱动的编程是针对用户触发某个对象的相关事件进 行编码，从而达到处理、运算目的，每个事件都可以驱动一段程序的运行，程序员只 要编写响应用户动作的代码，各个动作之间不一定有联系。这样的应用程序代码短。 比较容易编写与维护。 结构化的程序设计语言 v b 6 0 具有丰富的数据类型：众多的内部函数，是模块化；结构化程序设计语言， 结构清晰，简单容易学习。 强大的数据库功能 v b 6 o 利用数据控件可以访问a c c e s s 、f o x p r o 等多种数据库系统，也可以访问 e x c e l 等多种电子表格。 南京理工大学硕士学位论文水泥配科自动化系统的研制 a c t i v e 技术 a c t i v e 发展了原来有的o l e 技术，它使开发入员摆脱了特定语言的束缚，方便地 使用其他应用程序提供的功能，使v b 6 o 能够开发集声音、图像、动画、字处理、电 子表格、w e b 等对象一体的应用程序 网络功能 v b 6 o 提供的d h t m l ( d y n a m i ch t m l ) 设计工具可以使设计者动态地创建和编辑 w e b 页面，使用户能开发出多功能的网络应用软件。 综上所述，决定选用v i s u a lb a s i c6 0 以实现多任务、图形化界面等先进功能。 ( 3 ) 数据库的选用 在本系统中，由于涉及到对大量所测数据的保存问题，因此，选择一种适合的数 据库是很关键的。 我们知道，数据就是人们对信息进行加工、整理、组织和抽象，然后用物理符号 记录下来的一些内容。当人们获取的数据量很大时，要对某些信息进行检索将是很困 难的一件事情。于是，人们将具有一定共同特性的数据组织起来。数据库的雏形由此 形成。因此。我们可以简单的说，数据库就是一些记录某种信息的数据的集合。 数据库一般有桌面型数据表和关系型数据库等，我们通常使用的a c c e s s 、f o x p r o 、 p a r a d o x 等都属于桌面型；而s o ls e r v e r 、o r a c l e 、s y b a s e 、i n t e r b a s e 等则属于 关系型数据库，关系型数据库一般用在比较大型的系统中，处理的数据量比较大，桌 面型数据库一般用在小型系统中，对数据库的要求不是很高的场合。 我们选择t m i c r o s o f t 公司的a c c e s s 数据库，作为本地数据库，a c c e s s 数据库具 有以下一些特点刀： 实用性：a c c e s s 数据库作为一种桌面型数据库能够满足绝大部分用户的需 求，在本系统中，由于数据量并不大，使用a c c e s s 己经足够； 易用性：a c c e s s 作为微软公司o f f i c e 系列软件中的一员，具有良好的人机界 面，和微软公司其它产品一样，即使是初学者也能很快掌握； 兼容性：a c c e s s 数据库具有很强的兼容性，可以从其它数据源导入数据也可 以将内部数据导出到其它数据库。 6 南京理工大学硕士学位论文 水泥配料自动化系统的研制 4 系统硬件设计及分析 本章介绍了系统所用到的压力传感器、a d 数据采集卡、d a 输出控制卡、采集 速度信号所用到的计数模块的硬件选型，计算机对板卡的识别技术- a c t i v e x 。并介绍 了系统滤波电路的设计。 4 1 硬件选型 4 1 1 压力传感器选型 现场压力传感器为杭州神力公司生产。根据秤的台时产量不同，有3 0 k g 、5 0 k g 、 l o o k g 三种型号。采用+ 1 2 v 工作电源供电，其主要技术指标如下： 灵敏度：1 3 8 m v v 非线性度：0 0 4 零点输出：1 1 0pv 供桥电压：1 0 1 5 v 使用温度范围：一2 0 + 6 0 。c 允许过负荷：1 5 0 为了精确计量，我们在现场对压力传感器进行了标定测试。通过加不同的砝码， 来标定其线性度，经检验满足要求。 4 i 2 脉冲传感器选型 控制系统中，脉冲传感器安装在三相异步电机上。 器的距离产生变化，从而产生变化的脉冲信号。 电机转速与电源( 变频器) 频率的关系： 疗：6 0 f ( i j 、 p 电机运转时，齿轮与脉冲传感 ( 4 1 ) 变频器最大频率为5 0 h z 采用电机磁极为两对，考虑转差率一般为2 3 。经计 算，n 最大为1 4 6 0 左右。电机齿数为4 0 ，因此，每秒钟最大脉冲数为9 7 0 左右，采 用一般传感器完全可以满足要求。 南京理工大学硕士学位论文 水泥配抖自动化系统的研制 4 i 3a d 数据采集卡选型 水泥生产线共七路电压信号输入，并留有一路备用。考虑到该软件的通用性，还 要预留出八路f 姒信号输入端。因此，至少应有1 6 路电压输入端。经比较，我们选 择了台湾泓格公司的i s 沪8 1 3 作为a d 数据采集卡。 i s 0 - 8 1 3 是i s a 总线的带隔离的1 2 位a d 卡。隔离电压可达到3 0 0 0 v d c ，应用于 工业现场。 特征参数： 3 2 路模拟输入 1 2 位分辨率 3 0 0 0 v d c 光隔保护 可编程增益；1 ，2 ，4 ，8 ，1 6 最大采样率l o k s p c a t 兼容的i s a 总线 a d 转换触发模式：软件触发 a d 数据转换模式：轮流检测 输入范围( 双端) ：l o v ，5 v ，2 5 v ，1 - 2 5 v ，0 6 2 5 v ，0 3 1 2 5 v 输入范围( 单端) ：0 1 0 v ，o 5 v 。o 2 5 v ，0 1 2 5 v ，o o 6 2 5 v 通过跳线选择双单端输入模式 4 1 4d a 输出控制卡选型 该生产线要求至少有七路输出信号控制变频器频率。经比较，我们选择i s o _ d a 8 作为输出控制卡。 i s o - d a 8 是带隔离的1 4 位d 输出板。i s o - d a 8 的光隔使它能阻抗2 5 0 0 v m s 共 模电压，提供了8 通道双缓冲模拟量输出。 特征参数： 一 2 5 0 0 v d c 光隔保护 提供8 路，1 4 位模拟量输出 各通道可选择电压或电流输出 输出电压可设为l o v ，5 v ，o i o v ，o 5 v ，输出电流町设为o 到2 0 m a 或4 到2 0 m a 工作方式通过软件选定或校正，不需硬件设置 南京理工大学硕士学位论文水泥配料自动化系统的研制 4 1 5 计数模块选型 该生产有七路脉冲信号输入，我们选择了t m c 一1 0 作为技术模块 t m c 一1 0 是p c a t 兼容计算机的通用计数定时卡，板卡上集成了4 片8 2 5 4 定时 计数器芯片 特征参数： 4 片8 2 5 4 定时计数芯片 p c a t 兼容，i s a 总线 2 个内部时钟，踟1 6 m ，0 8 m 8 0 k ，跳线选择 8 个外部时钟输入 8 个外部门控制信号 8 个独立的1 6 位计时计数器 2 个级联的3 2 位计时计数器 4 2 计算机对板卡的识别 4 2 1a c t i v e x 技术介绍 该系统要把现有的离散子系统连接起来，在软件上必然要涉及到如何与原有的系 统集成问题。可以采取两种方法来实现软件问的接口，一是基于d d e 技术，二是基于 a c t i v e x 技术。 动态数据交换d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 是w i n d o w s 平台下的一个完整的通 信协议，它使应用程序间能彼此交换数据和发送指令。当两个程序通信时，双方都必 须处在运行状态。当一个d d e 客户机开始与d o e 服务器对话时，它向服务器送一个请 求连接信息，当连接成功后，客户机发送命令给服务器，然后就可以更改或请求由服 务器管理的数据。客户机可以通过告诉服务器中断连接来中断数据的监控。当d d e 通信完成时，双方关闭此次会话。 a c t i v e x 是用于组件对象模型( c o m ) 的一种技术，它使各种软件组件可以在网络 的工作环境中相互作用，而不管这种组件是用什么语言编的。a c t i v e x 技术可以用于 创建运行在网络上的应用程序。h c t i v e x 控件是一种m i c r o s o f t 提出的软件组件标准， 它可以使程序开发更加简单友好。你能把任何的0 c x 嵌入你的应用程序，并使用对象 的属性、方法和事件开发你自己的应用