（机械工程专业论文）连续式稳定土厂拌设备配料称量系统研究.pdf

摘要 论文对连续式稳定土厂拌设备配料系统进行了研究。在对连续式稳定土厂拌设备技 术现状以及国外相关资料分析的基础上，提出将减量秤技术运用于连续式稳定土厂拌设 备的粉料计量，提高粉料的计量精度和稳定土的质量；对连续式稳定土厂拌设备配料系 统控制算法进行了详细的讨论和设计，提出将积分分离式设定值修正的p i d 算法用于配 量控制；根据稳定土生产工艺的要求，采用三菱公司f x 2 n 系列p l c 作为控制系统的 从站，配合上位计算机做主站，设计了测量、控制、统计于一体的配料控制系统；采用 v i s u a l b a s i c 6 0 编写上位机，通过m s c o m m 控件与p l c 进行通讯，并设计了通信协议。 在实际工作环境中，该系统能保持良好的配料精度和稳定性。 关键词：连续式稳定土厂拌设备，称量系统，减量秤，p i d ，p l c a b s t r a c t p r o p o r t i o ns y s t e mu s e di nc o n t i n u o u ss t a b i l i z e ds o i lm i x i n gp l a n ti ss t u d i e d int h i sp a p e r b a s e do na n a l y z et e c h n i q u es t a t u sa n df o r e i g nd a t ao fc o n t i n u o u ss t a b i l i z e ds o i l m i x i n gp l a n t ，t h ew r i t e rs u g g e s t st ou s i n gw e i g h t d r o ps c a l ei nt h ew e i g h i n go fp a r t i c u l a t e s o l i dt oi m p r o v e w e i g h i n gp r e c i s i o na n ds t a b i l i z e ds o i lq u a n t i t yo fc o n t i n u o u ss t a b i l i z e ds o i l m i x i n gp l a n t ；d i s c u s sa n dd e s i g nt h ec o n t r o la r i t h m e t i co fp r o p o r t i o n a ls y s t e mu s e di nt h e c o n t i n u o u ss t a b i l i z e ds o i lm i x i n gp l a n t ，s u g g e s tt h ei n t e g r a ls e p a r a t i o na n ds e tp o i n tc o r r e c t p i da r i t h m e t i c ；d e s i g nt h em e a s u r e ，c o n t r o la n ds t a t i s t i ca l li no n e p r o p o r t i o nc o n t r o ls y s t e m w i t ht h ef x 2 np l cm a d ei nm i t s u b i s h ie l e c t r i c a u t o m a t i o na ss l a v es t m i o na n dt h ep ca s m a s t e rs t a t i o n ；d e s i g nt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h ep ca n dp l cw i t ht h e m s c o m mc o n t r o la n dv i s u a lb a s i c6 0s o f t w a r e k e yw o r d s ：c o n t i n u o u ss t a b i l i z e ds o l lm i x i n gp l a n t ，w e i g h i n gs y s t e m ，w e i g h t d r o p s c a l e ，p i d ，p l c 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝作者繇占乡竣 沙8 年r 月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：；、【醒非j ，月 3 0 0 t h 2 ) 粉料( 石灰、水泥) 控制精度：氆1 3 ) 设备工作电压：3 8 0 v 2 2 0 v 4 ) 功率损耗：1 8 0 k w 粉料计量控制系统的主要功能： 1 ) 参数的设置与修改：产量设定、控制参数的设定与修改； 2 ) 监控功能：瞬时流量显示、累计流量显示、下料异常和超差报警、设备工作过 程状态检测、故障显示和处理； 长安人学硕i ：论文 3 ) 通讯功能：与上位计算机的通讯； 4 ) 落料的自动补偿：包括物料落料预测和自适应补偿； 5 ) 报表打印：对工作参数和工作量的生产报表打印。： 4 1 2 减量秤递推平均值流量算法 减量秤采用的是递推平均值流量法( 如图4 1 ) ，计量方法是：每秒或定时采样一次 重量w ，计算一次流量，通过计算每个计算周期t 起、止时刻的重量差值a w ，求得 瞬时流量q ；然后取最新的n 个瞬时流量进行平均，得到滤波后的瞬时流量值。 确 壤 剃 图4 1 递推平均值流量算法 图中：卜流量计算周期；n 平均值滤波采样次数；血采样周期，单位 s ；形实际重量差值( t 时间对应的) ( 彬= 彬，一，：) ；q 一瞬时流量，单位 k g s ( q = 彬t ) 。 第p u 章减法称量控制系统控制算法研究 4 1 3 减量秤工作流程图 图4 2 减量秤工艺流程 4 2 基于pid 的控制算法 图4 3 减量秤重量控制 4 2 1pid 控制算法的特点 在工业过程控制领域罩众多的智能控制理论算法中，目前使用最多、效果最好的仍 是p i d 控制方式。即使在控制技术非常发达的日本，p i d 控制的使用也达到8 4 5 。p i d 2 4 长安人学硕i ：论文 控制得以如此广泛应用，主要是因为其有如下的优势： ( 1 ) 不需要求出控制系统的数学模型 至今为止，特别是在很多工业控制工程中，被控对象的精确数学模型很难求出，运 用现代控制理论分析要耗费很大的代价进行模型识别，且往往还不能得到预期的效果。 对于此类控制系统，使用p i d 调解器并结合经验进行在线整定，可以得到比较满意的效 果。 ( 2 ) 控制效果好 由于p i d 控制器具有简单而固定的形式，在很宽的操作条件范围内，都能保持较好 的鲁棒性。随着计算机技术的发展，程序设计简单，参数调解更是比较方便。 ( 3 ) p i d 控制有较强的灵活性和适应性 根据被控对象的具体情况，可以采用各种p i d 控制的变种和改进的控制方式，如 p i 、p d 、带死区的p i d 、积分分离式p i d 、变速积分p i d 等。随着智能控制技术的发展， p i d 控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现p i d 控制器的参 数自调整，使p i d 控制器具有更强的生命力。 ( 4 ) 技术人员熟悉 由于p i d 控制器允许工程技术人员以一种简单直接的方式来调试系统，所以目前生 产技术人员及操作人员都比较熟悉它，并在实践中积累了丰富的经验。 p i d 控制算法是一种通称，它利用偏差信号，采用比例、积分、微分三个基本环节 对系统进行调节，根据不同情况，p i d 控制算法有多种形式，如p i 控制、p d 控制及各 种改进形式，根据比例、积分、微分环节的不同作用采用恰当的p i d 控制算式。 三个环节的不同作用简述如下： ( 1 ) 比例环节：比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除 稳态误差。若要求系统的控制精度高，响应速度快，则选择比例增益大一些为好，但会 导致超调量增大和过渡过程时间延长，比例增益过大还可能造成系统不稳定。 ( 2 ) 积分环节：积分环节可以消除稳态误差。只要系统存在误差，随着时间的增 加，积分控制作用就不断累积，所产生的输出控制量以消除误差，因而，只要有足够时 间，积分控制作用就可以完全消除稳态误差。但积分作用太强会使系统超调量增大，甚 至系统出现振荡。 ( 3 ) 微分环节：微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提高，同时 加快系统的动态响应速度，减小调整时问，从而改善系统的动态性能。微分作用不足之 第p 1 j 章减法称量控制系统挖制算法研究 处是放大了噪声信号，过大的微分常数是造成系统不稳定的重要因素。 在稳定土厂拌设备配料系统研制过程中发现，采用普通p i d 算法，振荡及超调时有 发生，为了改善系统控制性能，采用了积分分离式p i d 算法。积分分离式p i d 算法在系 统相对稳定后又接近于p i d 算法，其在配料控制中存在问题：只对物料瞬时流量进行控 制，由于物料密度的不均匀，系统执行机构的非线性机械特性以及中立传感器的响应时 间滞后等原因，很难保证物料实际瞬时流量长期稳定且符合设定值，所以积分分离式 p i d 算法在配料控制系统中也难以达到施工工艺要求，因此考虑应用修正普通p i d 算法 设定值的方法来消除配料误差。 4 2 2 标准pid 算法 p i d 控制系统的控制结构框图如图4 4 所示。 一k 久一 一n 八 j ，、一 l ? 一i 比例纠、。1 ) k p叫y 叫被控对象 i i - + - 5 积分环节k i sr 叫荦 - - t 微分环1 ，k d s 卜 i “9 7 。1 。 i i 洌。量装置i ( s ) 图4 4p i d 控制结构框图 在控制系统中，p i d 控制器的控制规律为： ) = k p m 卅f 1 胖t 渺+ 警】 ( 4 1 ) 式中，k p 比例增益； 积分时间常数； 微分时间常数； u ( t ) 模拟控制量； e ( t ) 偏差。 对式4 1 进行拉氏变换，其传递函数为 g e ( s ) ：k p + k d s + 一k i ( 4 2 ) s 为了在控制器上实现p i d 控制算法，p i d 控制规律的实现必须用数值逼近的方法。 2 6 长安人学硕一i ：论文 j ：印渺妻乃( f ) ( 4 3 ) 扰( 七) = k ，【p ( 七) + 万t 乏kp ( 卅t oe ( k ) - e ( k - 1 ) ( 4 5 ) 其中：三二+k二：善tke-2 _ ( 4 。， 铲一 伽羽+ 等) 产 ( 4 1 铲= 群至 2 7 第阴章减法称量控制系统控制算法研究 性能有所提高。对于具体的控制系统，可以先计算出控制量增量，再进行软件编程。 4 2 3 积分分离式p id 控制算法 在标准的p i d 控制中引入积分环节的目的是为了消除系统的静态误差，提高系统的 控制精度。但是在系统的启动、结束或者大幅度增减时，短时间内系统输出有很大的偏 差，会造成p i d 运算的积分累计，使得算得的控制量超过执行机构可能允许的最大动作 范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，这在实 际施工中是不允许的。 积分分离式p i d 控制算法的基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分， 以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近设定值时，引入积分 控制，以减小稳念误差，从而提高控制精度。 引入积分分离p i d 控制算法，即可以保持积分的作用，又可以减小系统超调量，使 得控制性能有较大的改善。用表达式表示如下： k “( 七) = k p p ( 七) + k l k ，z e ( i ) + k d e ( k ) - e ( k 1 ) 】 ( 4 1 1 ) l 兰0 式中，k l _ 1 ，i p ( f ) i 4 采用p i d 控制； k l = 0 ，l p ( f ) l a 采用p d 控制； 其中a 0 。 根据积分分离式p i d 控制算法得到的程序控制流程图如图所示： 图4 5 积分分离式p i d 控制算法程序框图 艮安人学硕i ：论文 当积分分离时，根据式4 6 ，可重新推导出： a u ( k ) = g 。p ( 后) + q - e ( k 一1 ) + q 2 e ( k 一2 ) 其中， q 。= 缸+ = 肝( 1 + 等 l 旷巩喇一引1 卑) 卜 ( 4 1 2 ) t ) 口：k ，= k ，竺 一 i 4 2 4 积分分离式设定值修正p i d 算法 为克服标准p i d 控制算法只对瞬时量进行控制的弱点，有些配料厂家采用电子减重 秤，将每种所需物料独立称量，这样可以达到比较好的控制精度，但这种方法一是配料 控制过程不连续，效率较低；二是减量秤造价昂贵，所以至今在实际应用中未能广泛推 广。 考虑到稳定土配料的后道工序实际为拌和，即在一定的时问间隔t 内，将进入配 料后道工序的各物料输送至搅拌缸进行拌和。对配料控制执行机构的特性和被控对象的 特点分析可知，物料累积流量的控制要比瞬时流量的控制容易实现。因此，只要在一定 时间间隔t 内保证各物料的累积流量满足工艺配比就可以了，从而来取代控制各物料 的瞬时流量以保证配料工艺配比。 借鉴美国l e e d s & n o r t h u p 公司集散控制系统中m a x 一1 算法库思想，结合配料控制 器实际情况和传统p i d 算法，本文采用一种积分分离式设定值修j 下p i d 算法，其控制系 统框图4 6 如所示。 多咝卜 援 - l 耘准争暾镶p 。一j 态 l 一 选 择 _ 一删 ，i 溅聒元佟嘈 一 图4 6 积分分离式设定值修正p i d 算法框图 积分分离式p i d 算法原理如4 2 3 小节所述，下面仅对设定值修讵p i d 控制算法进 行描述。 在m a x 一1 算法库中采用的是串级回路控制方案，回路至少有两个p i d 算法组成。 上游p i d 算式中所用到的偏差，不同于常规p i d 所用到的实际偏差，而是一种修正偏差： 第网章减注称董择制系统挣制箅泫研究 修正偏差= 实际偏差( 1 i ( 6 ) + i g x 实际偏差绝对值 式中：k 是m a x 1 可设置的种参数，它的范围是0 0 1 0 ，当k 6 = o 时，提供线性控 制k 6 = 1 时，提供纯误差平方控制，这在m a x 1 系统中叫平方误差特性。 下游p i d 算法名为p i dv w 算法，它的高定值取决于上游p i d 算法的输出，一般可 写成： 下游p i d 设定值= k 4 x 上游p i d 输出+ k 5 式中：m a x 1 系统台，k 为比率系数，k 5 为偏置值。 设定值修j 下p i d 控制算法也是一种串级控制方案，如图4 7 所示。主控制回路依然 采用标准p i d 算法来控制物料的瞬时流量。副控回路控制累积量偏差，用在，时间内 根据前n 次( 其中n = a t t ，t 为采样周期) 采样结果计算出的累计误差结果，来调整第 n + 1 次控制量j v ( f ) 的选定，而s v7 ( ，) 即为主控回路新的设定值。这样就将原来标准p i d 算法对物料瞬时流量偏差的一次纠偏，改为对累积量偏的n 次纠偏，从而提高了调节品 质。 螬牌摆 |ip 螂 瓣槲赫群 嚣凝元傣 稻控溺骚主挖列稳 图4 7 设定值修正p i d 控制算法框图 在副回路中存储计算器同时完成存储和计算两个任务。 存储器用来存储累积偏差，对于每次的采样结果p v ( t ) 经过计算得到一个误差值e ( t 1 ) = p v ( t 1 ) 一s v ( t i ) ，然后储存在存储器里。误差数据的存储过程采用f i f o ( 先进 先出) 的数据存取策略：存储器在完成对n 个误差值存储后，存储器将每个数据都向后移 一位，后一位数据前一位数据覆盖，最老的误差数据被淘汰，此时第l 位空闲，等待接 纳新的数据。如此“吐故纳新循环更替，累积的误差数据值始终是出时间内的n 次相 对最新的采样结果，这样既实现了对误差累积量的控制，又保证了控制的连续性。 计算器用来计算& 时间间隔内的累积量偏差e 。考虑到控制过程的连续性，第 1 次采样结果对于调整第n + l 控制量s v ( ，) 的影响远没有第n 次采样结果的影响大，因而， 采用加权偏差累积的计算方法。 ” e 二= 口l p o j 弘+ 1 7 1 2 e ( t 2 ) r + + 口。e ( t 。) f = 口，e ( t ，y ( 4 1 3 ) 长安人学硕 ：论文 式中：e 。埘前n 次采样数据的加权误差和； 卜采样周期； e ( t i ) 叫j 时间段系统带来的配料偏差； a l 叫1 时段误差的权值： a l a 2 a n 1 0 ，则主控回路的设定值s v ( f ) 将减小e ；若出时间间隔内物料的累积量偏差e 。 0 ， 则主控回路的设定值s y o ) 将增加的绝对值。此算法中，执行器的调节不再单纯依靠每 次采样所得的瞬时量e 2 ( t ) 来调节配料控制器的输出，而是根据副控回路中累积量偏 差e 。对主控回路设定值连续调整，从而调整整个控制器的输出。这样，力求正负偏差 相抵，以达到即e 蜊= o 的控制效果，使各物料的累积量满足工艺配比。 第五章减法称量控制系统硬件、软件鼓计 第五章配料称量控制系统硬件设计、软件设计 5 1 称量控制系统的设计原则 稳定土厂拌设备配料称量控制系统设计式应遵循以下几个准则： ( 1 ) 安全可靠 实时配料称量控制系统的稳定性是最重要最基本的要求。如果控制系统不稳定，很 容易造成生产过程的混乱，从而产生严重的后果。在选购或设计硬件时，应充分考虑稳 定土厂拌设备的实际工作环境的温度、湿度、粉尘、电磁干扰等因素对控制设备的影响， 保证控制设备在规定的工作环境下工作可靠、性能稳定。 ( 2 ) 智能化 配料称量控制系统的设计尽量增加智能化程度，最大限度的减少人工干预，提高配 料系统的控制精度。 ( 3 ) 易操作性 上位机控制管理系统应具备良好的人机界面，尽量降低对操作人员的要求，这样可 缩短操作人员的培训时间。采用可视化的开发工具，操作人员使用的人机界面尽量使用 中文，并具有帮助和提示。 ( 4 ) 可维护性 在配料称量控制系统设计过程中，要从系统的软硬件结构、硬件布局、硬件诊断等 方面充分考虑系统的可维护性。系统中要利用报警与故障诊断功能以缩短系统的维护时 间和减少操作人员的工作量。 ( 5 ) 合理的软硬件功能划分 配料称量控制系统的软硬件设计是密切连接在一起的，而且硬件和软件的某些功能 环节具有一定的互换性。合理的软硬件功能划分一是可以提高控制系统的性能，二是可 以节省一定开发成本，提高经济效益。 j 5 2 称量控制系统主要元件的选择 5 2 1 控制器硬件的选择 配料称量系统控制器的选择是总体设计的一个重要环节，它直接影响到配料称量控 制系统的性能。常用的主控制器有以下五种形式：高性能单片机、工业计算机、可编程 3 2 长安人学硕，l ：论文 控制器( p l c ) 、e p e c 以及数字信号处理器( d s p ) 等，这五种形式各有优缺点。 ( 1 ) 单片机：在目前的应用研究中，较易实现数字控制的方案是使用单片机来实 现其功能，尤其是新型的8 位，1 6 位单片机具有a d 、p w m 、e e p r o m 、比较输出、 捕捉输入、s p i 接口、异步串行通讯接口、f l a s h 程序存储器等功能。单片机成本低， 易丌发，因为单片机价格不断下降，而其技术含量却不断提高。另外，单片机的应用已 相当广泛，有许多可以借鉴的成功应用范例与大量的公用程序。尺寸小，结构易布置， 由于单片机及其外围接口电路可以紧凑地放在一块印刷电路板上，这就为控制器的面板 设计带来方便，面板形状与大小都可以在一定程度上随意设计。对于一些比较复杂的控 制，其计算量往往很大，这样，计算速度将直接影响控制精度，一般用于下位机和小型 控制；与此同时，单片机易受外界干扰，单片机系统属于微电系统，比较容易受到强电、 磁场、电脉冲的影响，也容易受恶劣工作环境的影响，所以必须采取抗干扰施。， 在某种角度看，使用单片机丌发其硬件的成本比较低，但它的开发成本是比较高的， 这主要体现在设计人员的开发周期比较长，通常开发一个控制系统所花费的时间比使用 p l c 开发要多出几倍甚至几十倍。如果开发的产品是批量设备，例如家电设备，选择单 片机是比较合适，其开发成本可以平摊到每个产品而得到降低。但工业生产控制系统通 常是非批量的，每个控制系统都根据应用场所不同而各异千秋，稳定土厂拌设备的配料 称量控制系统亦是如此。 ( 2 ) 工控机：相对于单片机和p l c 来说功能灵活，结构复杂，它集单片机与p l c 优点于一体，具有很强的控制功能。工控机成本高，系统结构复杂，若和其它控制系统 联合使用，不仅会降低成本，而且能够协调控制系统的工作，采用先进的控制模式，实 现整个控制的智能化。编程容易，接口简单，可以采用高级语言编程，设计友好的工作 界面，利用计算机强大的计算功能，编制复杂的软件；另外，其接口都是标准接口，易 于与各系统之间进行通讯与连接。工业控制计算机有强大的计算、管理及通讯功能，适 宜于进行机群调度和管理，适合作网络控制系统的上位机。 ( 3 ) 可编程控制器( p l c ) ：顺序控制、运动控制、过程控制等。p l c 是专门为顺 序生产过程而设计的控制器，它替代传统的继电器，具有很强的时序性。抗干扰能力强， 因为p l c 是专门用于工业现场环境，在抗干扰能力方面优越于单片机系统。与电磁阀 连接容易，因为p l c 的输出形式为数字脉冲形式，可以通过开关量输出组件输出电平 信号省去了d a 转换，直接驱动电磁阀、电磁继电器和电磁丌关等；同时可以大量节省 外围驱动电路。 第五帝减法称量挖制系统硬件、软件设计 而p l c 的丌发一般都是由资金和技术资源均十分雄厚的大公司来完成，其在硬件 设计上有足够的条件来考虑控制器件的可靠性、抗老化性、易维护性等因素，因此p l c 的m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e ，平均无故障时间间隔) 通常不小于1 0 万小时， 这一点是基于单片机和工业计算机的工控系统无法比拟的。另外p l c 在开发软件的设 计上充分考虑到工业现场的适用性，编程简单易懂，学习时间短。现代p l c 的发展趋 势是软件功能越来越强，功能模块越来越多，因此尽管使用p l c 的投资较大，但它的 体积小、所占空间小，辅助设施的投入少；使用时省电，运行费少；工作可靠，停工损 失少；维修简单，维修费少；还可再次使用以及能带来附加价值等等，从中可得更大的 回报，所以使用p l c 还是经济的。 通过以上比较和分析，在本系统控制器的选型上，选择了m i t s u b i s h i 公司的f x 2 n 系列中的f x 2 n 6 4 m t 微型p l c 。此系列控制器有如下特点： 【一个程序包的单元型可编程控制器】 f x 系列是由电源、c p u 、存储器和输出输入器件组成的单元型可编程控制器。而且， a c 电源、d c 输入型的内装d c 2 4 v 电源可以作为传感器的辅助电源。 【采用装卸式端子台】 基本单元及扩展单元采用易于维修的装卸式端子台。 【内装r u n s t o p 开关】 在编程端子罩内装有r u n s t o p 开关。 【程序存储器】 标准型内装8 k 步有备用电池的r a m 存储器。另外，若采用可选的存储盒，最大可 扩充到1 6 k 步。关于存储器的类型，可以选用r a m 、e e p r o m 和e p r o m 。 【钟表功能】 f x 2 n 内含计时功能，可以进行时间控制。 【r u n 写入】 p c 实用a 7 p h p a 7 h g p 、a 6 g p p a 6 p h p 相对应的编程软件，可以在r u n 时改变程序。 【元件注释】 通过设定参数可以确保编程存储器内元件注释( 同文字母字母数字) 区域。此外， 还具有利用可输入汉字的外围设备给程序加汉字注释的显示功能。 【利用键盘保护程序】 为防止顺控程序的误写入或被盗用，可以对程序存储器设定3 级保护。 长安人学硕i ：论文 【丰富的输入输出扩展设备】 可以接各种输入输出扩充设备。 输入类型：d c 输入( 2 4 v ) 输出类型：继电器输出，三端双向可控硅开关元件输出，晶体管输出 式样：标准型端子台、 【用s f c 表现的编程】 可表现s f c ( 顺序功能图) 方式程序。 可设计适合机器运行的顺控程序。此外，程序也可以和指令字、梯形电路图互相转 换。 【简便的应用指令群】 f x 。可编程控制器是由简便指令到复杂控制指令支持。简便指令是为减轻序列程序 编辑负担，复杂控制指令则要求控制复杂。 【高速处理】 内装l 相6 点( m a x ：6 0 k h z2 点，l o k h z4 点) ，2 相2 点( m a x ：3 0 k h z1 点， 5 k h z1 点) 高速计数器 脉冲捕捉功能 输入输出更新功能( f n c 5 0 ) 输入滤波器常数变更功能( f n c 51 ) 输入中断功能，定时中断功能，计数中断功能 5 2 2 传感器的选择 传感器的选择至关重要，因为一个设计合理的测控系统可能会因为传感器的精度或 使用条件等因素的限制而起不到应有的作用。由于搅拌站使用环境恶劣，温差变化大、 粉尘多、湿度大，所以传感器选择时应考虑使用的环境温度，能防潮、防霉，并根据称 量精度的要求正确选择灵敏度、误差、最大称量值。同时要考虑传感器的防护等级，尽 可能选用防护等级高的传感器，这样即使在恶劣环境下也能取得良好的输出精度。 本配料控制系统中共用到两种传感器：重力传感器和速度传感器。 配料控制系统中的称量器具往往都存在同样的特点，即皮重相对较大，而物料重量 相对较小。在使用的过程中，不管称量器具是否运行，重力传感器都承受较大载荷，这 容易使重力传感器的弹性过早疲劳，精度受到破坏。如果选用大规格的重力传感器，物 第五章减法称量控制系统硬件、软件设计 料重量相对于重力传感器的额定载荷就会更小，传感器的分辨率不够，显示误差较大， 故而称量精度较低，达不到使用要求。因此，要求选用的重力传感器必须具备抗疲劳性 能好、高阻尼、高供桥电压、高灵敏度、高分辨率的特点。根据经验，称重传感器的损 坏大多是由于过载所致，所以传感器工作在正常的测量范围非常重要。范围过大则容易 超载，范围太小测量精度不高，且会提高成本。一般按下式选择传感器容量： 单只传感器容量( 蚝) = 垦磊嘉掣 式中：k 为冲击系数，一般按经验取值。 对大骨料或外加剂等量程范围较小的物料，取值应偏大一些。但k 值不能过大，否 则导致传感器的量程范围加大，造成称量精度降低，使物料称量产生误差。为消除配料 冲击力的影响，只有适当的增大传感器容量，相应提高传感器输出灵敏度和精度，并要 考虑在安装搅拌站过程中，一些不确定的因素对传感器带来的影响：如称斗上的电焊作 业、传感器波纹管碰破受潮、传感器承受扭、弯矩作用等，这些因素都会影响传感器的 灵敏度和精度。 速度传感器同样要求较高的精度。速度传感器的响应要很快，能及时反映皮带或水 泵涡轮转速的变化。对于骨料皮带的速度传感器，由于它是通过一个悬臂的摩擦轮压在 回程皮带上，所以要求悬臂的转轴非常灵活，且悬臂应有一定的长度，摩擦轮要有相应 的重量，并能自转灵活，外缘套上摩擦系数较大且耐摩性较好的材料，以确保摩擦轮与 皮带有足够的摩擦力，从而使摩擦轮做无滑动的纯滚动，保证速度信号的准确性。 5 2 3 变频器的选择 变频器除对配料电机进行调速外，还可以对电机进行软启软停，减少设备损耗，延 长电机寿命，节约电能，因此变频器的选择也是非常重要的。根据控制功能可将通用变 频器分为三种类型：普通功能型u f 控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型u f 控 制变频器( 也称无跳闸变频器) 和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据 负载的要求进行，主要体现在变频器的型式选择和容量选择两个方面，其总的原则是首 先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。由于本系统中调速的配料电机，运行 功率均较小( 3 k w ) ，选择普通功能型即可满足需求，所以我们选择同立公司的s j l 0 0 系 列交流变频器。 长安人学硕 ：论文 5 3 电气控制系统设计 5 3 。1 电气控制系统的输入输出特性 通过对稳定土厂拌设备的配料生产流程和控制功能分析，为了节约配料控制器的 i o 节点以提高经济效益，故只将其中较重要1 1 个电机( 1 4 骨料皮带电机、短螺旋给 料器电机、螺旋输送机电机、集料皮带电机、水泵电机、搅拌电机、成品料皮带电机、 空气压缩机电机) 接入p l c 控制器，而1 4 骨料仓振动电机及2 台成品料电动仓门推杆 电机，因其启停控制方式简单，仍采用传统继电器控制。配料生产控制系统的输入输出 特性如表5 1 所示。 表5 1 配料生产控制系统电气输入输出特性 输入输出类型数量备注说明 模拟餐输入( a i ) 5 1 4 荐骨料及粉料重鼙信号 模拟越输出( a o ) 5 1 4 ；f j 骨料及粉料变频器外控电压信号 进入控制器的1 1 台电机启停控制信号及其对应故障输入信号共 数字攮输入( d i ) 2 6 2 2 路；系统自动起、停2 路：手动启动、紧急停止2 路。 1 - 4 # 7 骂料皮带、星形给料器及水泵测速传感器，占用普通数字量 高速脉冲输入( p i ) 6 输入：j 了点 1 1 台电机运行信号及对应电机的报警信号各l 路：粉料仓定时 数字揖输出( d o ) 2 4 破拱l 路，粉料计量秤蝶阀开启加料信号 5 3 2 电气控制系统 稳定土厂拌设备配料控制系统由控制台集中控制。设备的电气控制系统采用三相 3 8 0 v 2 2 0 v5 0 h z 交流电源供电，控制系统提供手动和自动控制两种模式：手动模式下 可以对任意单台电机启动、停止进行控制，各种配料可手动调节；自动模式下可以按照 生产工艺要求顺序( 跟随延时) 启动、停止，各种配料可以自动闭环控制。 强电控制系统电气器件安装在低压配电柜内，分为一次动力回路和二次控制回路两 部分：一次动力回路，电源经总断路器分配至各个电机动力分回路，各个分回路又包括 断路器( 或者熔断器) 、接触器、热继电器等；逻辑控制、电路保护、故障报警和运行 状态指示功能由二次控制回路实现。 ( 1 ) 电源控制 强电系统上电、控制系统上电、急停。 ( 2 ) 自动顺序控制 预备启动控n - 1 】空压机- - - , 2 成品料皮带机电机- - * 3 】厂拌机电机- - - - * 4 集料输 3 7 第五章减法称量控制系统硬件、软件设计 送皮带机电机_ 5 短螺旋给料器电机。 配料启动控制：【6 】l f j 骨料皮带机电机- - - * 7 2 骨料皮带机电机_ 【8 1 3 # 骨料皮带机电 机- - ， 9 】4 撑骨料皮带机电机- - j 1 0 】短螺旋给料器电机- - , 1 1 水泵电机。 ( 3 ) 自动顺序停机 配料停止控制： 1 】l 骨料皮带机电机_ f 2 2 骨料皮带机电机_ 【3 3 j j 骨料皮带 机电机一 4 4 骨料皮带机电机_ 【5 】短螺旋给料器电机_ 6 水泵电机。 传送停机控制： 7 螺旋输送机电机一。【8 集料输送皮带机电机_ 9 】厂拌机电 机- - * 1 0 】成品料皮带机电机_ 1 1 】空压机。 ( 4 ) 即时启停 1 f 骨料斗震动器电机、2 骨料斗震动器电机、3 f 骨料斗震动器电机、4 骨料斗震动 器电机、粉料罐破拱气阀、成品贮仓卸料斗门气阀。 ( 5 ) 逻辑保护 自动启停模式：按上述启停顺序自动启动或者停止，各个电机的启动或停止除了顺 序限制外，同时受时间延时控制。时间参数可按生产工艺要求调整。 手动启停模式：由手工控制电机的启停，启停受顺序的限定。 调试模式：各个电机可任意启停。 ( 6 ) 故障保护 当某一个电机因故障停机时，按照物料输送流向，停止故障电机之前的所有电机并 报警。 5 3 3 主机型及辅助模块的选择 由于p l c 主机不具备模拟量输入输出功能，所以必须加配相应的模块来辅助完成 控制功能，表5 2 、表5 3 为p l c 主机型及相关模块的配比。硬件系统配置如图5 1 所 示。 图5 1 硬件系统配置图 长安大学硕l ：论文 表5 2f x 2 n 系列p l c 主机 输入 f x 2 n 系列 输入输出 输出 a c 电源d c 输入 点数点数 点数 继电器输出可控硅开关元件 晶体管 ： 1 688f x 2 n - 16 m r 一0 0 1f x 2 n - 16 m t _ 0 0 1 3 21 61 6f x 2 n - 3 2 m r 一0 0 1f x 2 n 一3 2 m s 0 0 1f x 2 n - 3 2 m t - 0 0 1 。 4 82 42 4f x 2 n - 4 8 m r 0 0 1f x 2 n 一4 8 m s 0 0 1f x 2 n - 4 8 m t 0 0 1 6 43 23 2f x 2 n 一6 4 m r 一0 0 1f x 2 n 一6 4 m s 0 0 1f x 2 n - 6 4 m t - 0 0 1 8 04 0 4 0 f x 2 n 一8 0 m r 一0 0 1f x 2 n 一8 0 m s 0 0 1f x 2 n - 8 0 m t - 0 0 1 1 2 86 46 4f x 2 n - 12 8 m r - 0 0 1f x 2 n - 12 8 m t 0 0 1 表5 3f x 2 n 系列p l c 扩展模块 占有点数耗电 区分型号名称 输入输出 d c 5 v f x 2 n 一8 a 讧b d容苗适配器 2 0 n v f x 2 n _ 4 2 2 一b d r s 4 2 2 通信板 6 0 m a 特殊功能板 f x 2 n - 4 8 5 b d r s 4 8 5 通信板 6 0 n u f x 2 n 2 3 2 b d r s 2 3 2 通信板 2 0 m a f x 2 n c n v - b d以o n 刚适配器连接板 ， - f x 2 n 4 a d 4 c h 模拟输入 ” 8 3 0 m a f x 2 n 4 d a 4 c h 模拟输出 83 0 n v f x 2 n 一4 a d p t4 c h 温度传感器输入83 0 m a 特殊模块 f x 2 n 4 a d t c4 c h 温度传感器输入( 热电偶)83 0 m a f x 2 n 1h c5 0 k h z 2 相调整计数器 89 0 m a f x 2 n 1 p g 1 0 0 k p p s 脉冲输出模块 85 5 m a 。 f x 2 n 2 3 2 i f r s 2 3 2 c 通信接口 84 0 m a 5 3 4 微弱模拟信号的放大 对骨料和粉料重量信号的采集用重力传感器实现。重力传感器的输出信号一般都很 小( 0 2 0 m v ) ，不足驱动f ) c 2 n 4 p d ) 模拟量输入模块。f x 2 n 4 a d 模拟量输入模块实际 3 9 第五章减法称量控制系统硬件、软件设计 上是一个封装的a d 转换电路，在重量信号输入f x 2 n 4 a d 之前，需要将该信号放大至 0 - 5 v 。采用美国b u r r b r o w n 公司的i n1 1 4 精密仪表放大器将m v 级电压信号放大 至系统需求的电压范围内，信号放大倍数应达1 0 0 倍以上。 5 3 5 硬件系统的抗干扰 为了使控制系统的可靠性、安全性等性能得以保障，必须对系统硬件进行必要的抗 干扰措施。 硬件抗干扰主要体现在p l c 的抗干扰上。虽然p l c 专为工业环境下应用而设计， p l c 本身在软件、硬件上都采取了一系列的抗干扰措施，具有较强的抗干扰能力，但是 由于工况恶劣，其外围连接的大多为电气开关、电磁线圈、大中电机设备，本身又常处 在强电磁场环境的干扰中，所以其本身自带的抗干扰措施是不够的。 ( 1 ) 电源抗干扰措施 电源是p l c 引入干扰的主要途径之一。p l c 系统电源应尽可能采用电压波动较小、 波形畸变较小的电源，且必须与整个供电系统的动力电源分开，这样可抑制来自电网的 干扰。 一般是在进入p l c 系统电源的输入端加屏蔽隔离稳压器，屏蔽隔离稳压器的输出 端输送至p l c 系统。电源谐波比较严重时，可在隔离稳压器前面加低通滤波器消除电 源的高频干扰和高次谐波，通常低通滤波器先与电源相接，低通滤波器输出再接隔离变 压器，也可同时使用带屏敝层的电压扼流圈和低通滤波器的办法。 ( 2 ) 线间抗干扰措施 p l c 控制系统线路中有电源线、输入、输出线、动力线和接地线，布线不恰当会造 成电磁感应和静电感应等干扰，因此必须按照特定要求布线，如：尽可能的等间距，以 及避免线路绕圈等。 1 ) 接地线 良好的接地是p l c 抑制干扰的重要措施之一。配电柜中接地线分两种形式：一种 是p l c 系统的接地线，另一种是除p l c 以夕 的用电设备的接地线。连接接地线时，应 注意以下几点： a p l c 控制系统最好单独接地，如果不可能，也可使用其它公用接地系统，但需用 自己的接地线直接与公用接地极相连； b p l c 系统接地端子是抗干扰的中性端子，应与接地端子连接，其正确接地可以有 长安人学硕i ：论文 效消除电源系统的共模干扰； c p l c 系统的接地电阻应尽可能小，使用专用接地线，以防止感应电的产生； d 输入输出信号电缆的屏蔽线应与接地端子端连接，且接地良好； e p l c 的接地极离p l c 越近越好，即接地线越短越好。 甲甲 专用接地( 最好) 共用接地( 可以) ： 共通接地( 不可以) 图5 2p l c 接地方式与性能 2 ) 电源线、信号线抗干扰措施 为了抑制电源线、输入输出线、动力线引入的干扰，一般应注意以下几点： a 开关量信号不易受外界干扰，可用普通单根导线传输； b 数字高速脉冲信号频率较高，传输过程中容易受外界信号的干扰，应选用屏蔽电 缆传输； c 模拟量信号是连续变化的信号，外界的各种干扰信号都会叠加到模拟信号上而造 成干扰，因此选用屏蔽电缆或带防护的双绞线； d 动力电源电缆为高压大电流线路，p l c 系统的配线靠近时会产生干扰，因此布 线时要将p l c 的输入输出线与其它控制线分开，不要共用一条电缆。外部布线时应将 电源动力电缆、输入输出线分开且单独布线，它们之问应保持一定的间距，一般约为 2 0 c m 以上。当实际情况只能允许在同一线槽布线时，应用金属板把电源动力电缆和输 入输出线间隔开来并屏蔽，金属板必须接地。 ( 3 ) 应用灭弧器 灭弧器是随着p l c 的广泛使用而出现的一种新型电器，它是专为p l c 配用的电器 产品，用来吸收电弧。 实践证明，在p l c 控制系统中，p l c 本身的故障率是很低的，系统中其它元器件 故障率往往比p l c 的故障率高。为了提高整个p l c 控制系统的可靠性，设计和应用时 要注意易出现故障元器件的选取与维护，以保证全系统稳定可靠的运行。 4 l 第五章减法称量拎制系统硬件、软件设计 5 4 称量控制系统软件设计 5 4 1 软件的开发环境 f x 系列p l c 有一些编程开发软件，如g x 开发器。它可以用于生成涵盖所有三菱 p l c 设备软件包，使用该软件可以为f x 、a 等系列p l c 生成程序。他在w i n d o w s 操作 平台上运行，便于操作和维护，可以用梯形图，语句表等进行编程，程序兼容性强。 f x p c s w i n e c 编程软件包也是个专门用来开发f x 系列p l c 程序的软件包。可用 梯形图、指令表和顺序功能图来写入和编辑程序，并能进行各种编程方式的互换。它运 行于w i n d o w s 操作系统，这对于调试操作和维护操作来说可以提高工作效率，并具有较 强的兼容性。此处选用f x p c s w i n c 编程软件编写f x 系列p l c 的应用程序。 人机界面的编写采用v i s u a l b a s i c 6 0 ，它是w i n d o w s 环境下简单易学，高效的可视 化编程工具。 5 4 2 软件的结构 整个软件系统可以分为配料生产控制系统、配料信息管理系统两大部分。配料生产 控制系统对6 路( 4 路骨料、l 路粉料、1 路水) 给料单元所构成的配料过程进行实时监 控，并对各个电机进行启停控制。配料信息管理系统负责稳定土拌和生产过程中的各种 配料数据的显示、p l c 各运行参数的设定等工作，并通过与监控数据库进行数据交互， 使用户可以对生产过程的数据进行浏览、查阅和管理等。