（机械工程专业论文）面粉生产过程自动控制及微机管理系统研制.pdf

摘要 面粉加工是食品生产的重要原料工业，是粮食生产向人类消费过渡的传统 行业。为了提高其产品质量与竞争实力，本课题结合国家科委“九五”期间 国家级科技成果重大推广计划项目一“面粉生产过程自动控制与微机管理 系统( 9 7 0 6 0 3 0 2 a ) ”，深入地调研分析了国内外1 3 个进口面粉自动生产线的应 用实效和优缺点，结合国内面粉加工业的工艺设备、人员素质、技术和管理水 平的现状，研制了一套具有一定中国特色的“p l c 甘也t + c ”和“手动半自 动全自动”技术结构的“面粉生产自动控制与微机管理系统”，研发了部分专 用传感器和测控装置，编写了约1 6 万行p l c 程序，可以实现大、中型面粉生 产过程的全自动控制、报警、运行状况显示、异常设各记录和生产数据的实时 采集与图表生成，并可与厂级微机网相连，提高了生产调度、管理和操作的科 技水平，并在国内推广应用了多套，取得较好的经济效益与社会效益。 关键词：面粉自动监控可编程控制器微机管理 a b s t r a c t f l o u rp r o c e s s i n gi st h ei m p o r t a n tm a t e r i a li n d u s t r yo ff o o dp r o d u c i n g ，a n dt h e t r a d i t i o n a li n d u s t r yo ft h et r a n s i to fc e r e a lp r o d u c i n gt om a n k i n dc o n s u m p t i o nt o i m p r o v e t h eq u a l i t ya n dc o m p e t i t i v ea b i l i t yo f p r o d u c t 。t h i sp r o j e c ti sc o m b i n e d w i t h n a t i o n a ls c i e n c ec o m m i s s i o n sp r o g r a mt h a ti si m p o r t a n t l yp o p u l a r i z e dd u r i n gt h e n i n t h f i v e - y e a rp l a n ，a n dt h a tb e l o n g s t ot h e i m p o r t a n tn a t i o n a l s c i e n c ea n d t e c h n o l o g yf r u i t s - - - f l o u rp r o c e s so fp r o d u c t i o na u t o m a t i o na n dc o m p u t e r - m a n a g e d s y s t e m ( 9 7 0 6 0 3 0 2 a ) b ya n a l y z i n gt h ea c t u a le f f e c td fa p p l i c a t i o no f 1 3s e t so ff l o u r p r o d u c t i o nl i n e s ， i t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a n db e i n gc o m b i n e dw i t l l d o m e s t i c p r e s e n t s t a t eo ff l o u rp r o c e s s i n gi n d u s t r i e s e q u i p m e n t s ，m e m b e r q u a l i t i e s ，t e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n tl e v e l ，as e to f f l o u rp r o d u c t i o na u t o m a t i o n a n dc o m p u t e r - m a n a g e ds y s t e mw i t hc h i n e s ec h a r a c t e r i s t i cp l c + n e t + i p c ，a n d t e c h n i c a ls t r u c t u r eo fm a n i p u l a t i o n ，s e m i a u t o m a t i o n ，a n da u t o m a t i o ni s r e s e a r c h e d a tt h es a m et i m e ，s o m es e n s o r sa n dm e a s u r i n gc o n t r o ld e v i c e si s d e v e l o p e d ，i na d d i t i o n ，a b o u t1 6 0 0 0 0l i n e sp l cp r o g r a m i sw r i t t e n 、i tc a nr e a l i z et h e l a r g ea n dm i d d l ep r o d u c f i o nl i n e s 7 a u t o m a t i o nr a l a r m i n g ，g u n - s t a t ed i s p l a y ， a b n o r m a ld e v i c e s r e c o r d ，a n dr e a lc 0 1 l e e l i o no f p r o d u c t i o nd a t a ， a n di ti sa l s o c o n n e c t e dw i t hc o m p u t e rn e t w o r k si np l a n t s t m sp 喇o c th a sp r o m o t e dp r o d u c t i o n m a n a g e m e n ta n do p e r a t i o nl e v e l i th a sb e e ni n s t a l l e di nm a n yp l a n t s ， a n dh a s g o t t e nb e t t e rs o c i a la n d e c o n o m i c e f f i c i e n c y k e y w o r d s f l o u ra u t o m a t i cm o n i t o r i n g p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r c o m p u t e r - m a n a g e d 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究： 作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表缄撰写过 的研究成果，也不包含为获得盒趁至些盔堂其他教育机构的学倪或证j 5 而使j _ = i 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井表示谢 意。 学位论文作者签名：少反签字日期： 哆年乒月夕，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒g b 王些厶坐有关保留、使_ i j 学位论文的规定，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。本人授权 金旦墨三些叁堂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，可以采州影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 每 一名：尹怎注 签字日期： 彬年乎月芦日签字日期：鸪年g 月弓，日 学位论文作者毕业后去向 工作单位。罚p - 升； 通讯地址；莉啊 致谢 本文是在尊敬的导师尹志强副教授的悉心指导下完成的。在作者的研究生学习阶段和 论文阶段，导师都给予了精心的指导和无微不至的关怀。尹老师严谨求实的治学态度和广博 的学业知识使我获益非浅。 衷心感谢尹志强副教授、赵韩教授和为作者授业解疑的许多老师，正是他们的谆谆教 诲，才使作者在机电一体化专业方向的研究上，步入了循环提高的良性轨道并取得了一定的 进步。 衷心感谢课题组同事的大力支持和热情帮助。 作者：王威 2 0 0 3 0 5 。0 l 第一章绪论 1 1 国内外面粉加工自动化的技术现状 粮食加工业是粮食生产向人类消费过渡的桥梁，是食品生产的原料工业和 基础工业，而面粉加工又是最早实现高度机械化和连续化生产的部门之一，但 由于种种原因，其生产过程的自动化却远远落后于同期实现机械化生产的纺织 业。这种情况在我国更为突出。随着改革开放，在8 0 年代中后期，为改善我国 面粉行业的落后状况，我国先后从英国、法国、意大利、瑞士等国家全套或部 分引进了一些面粉自动生产线，它们大都采用继电器( 个别采用p l c ) 完成生 产过程的程序控制和报警等。 9 0 年代以来，引进面粉厂以其合理的工艺、先进的设备及自动化技术的应 用，提高了产品质量和燕体经济效益。面对行业竞争加剧和大规模应用高新技 术改造传统产业的大趋势，国内面粉生产厂家在新建和技术改造时，急需面粉 生产线的自动控制和微机信息管理系统，以稳定工艺状况，强化生产管理，提 高面粉质量和经济效益，从而适应国家新的粮食政策，增强市场竞争力。 l _ 1 1 工艺线路、设备及故障自动监控系统方面 自动控制及监测技术已在一些引进面粉厂中采用，国产设备配套安装设计 的面粉厂，有的也有工艺模拟屏，也可以显示工艺及设备运行情况，但绝大部 分无p l c 控制的程序启停和故障检测。工艺屏的控制操作也仅仅是将现场控制 的方式进行简单的移位和集中，这样的“自控”只是集中控制而不是自动程序 控制。 1 1 2 程序控制技术方面 引进系统大部分采用继电器联锁控制方式，个别在配粉车间采用p l c 控 制。例如引进的瑞士布勒公司的生产线也只是在制粉车间的局部工段采用了 p l c 控制。 1 1 3面粉生产过程微机数据采集及信息管理系统 引进厂中，微机数据采集系统得到一定程度的应用。但是引进产品的c t r 显示和打印报表均为英文，显示信息少且无汉字和图形功能；数据处理功能 弱，无法输出趋势分析及综合报表。 1 2 本课题概述 本课题面粉生产过程自动控制与微机管理系统是原国内贸易部部级科 研项目，也是“九五”期间“国家级科技成果重点推广项目” ( 9 7 0 6 0 3 0 2 a ) ，分为三个层次， 四个系统，如图1 1 所示。包括前二个层次 的全部和前三个系统的大部( 厂部微机网除外) 。 三个层次：第一级为现场测控级；第二级为车间级微机数据处理级；第 三级为微机信息管理级。 四个系统：工艺流程监控系统；p l c 程序控制系统；数据采集与微机信息管 理系统；专用抗噪声通讯系统。 1 2 1面粉生产工艺流程的自动监控系统 采用大型工艺控制模拟屏显示面粉生产工艺线路、设备布置和电动机运行 情况，可实现各类故障( 如失速、堵塞等) 、电动机过载及料位越限的自动检 测、显示和自动报警。 图1 1 面粉生产过程自动控制及微机管理系统组成 1 2 2 面粉生产线的p l c 程序控制系统 该系统采用微电子技术及目前国内外较流行的p l c ( 可编程逻辑控制器) 来 实现面粉加工过程中的自动测量、自动数据预处理和自动控制。完成现场工艺 状况的检测、故障报警、联锁控制、程序启停和故障自动停机，并且配合隔离 型光电通讯远传接口和应用软件，将p l c 的信息远传至上位工业控制机( 车间级 和厂级) ，用以建立生产管理数据库。 1 2 3 面粉生产过程微机数据监测管理系统( 车间级) 2 嗣姻；：姻 采用工业控制计算机完成对面粉生产过程的数据采集及信息管理，可实 现工艺流程图的显示、异常设备和故障的记录、实时数据采集曲线、历史曲 线、汉字报表的显示、手动或定时自动打印产量及生产出率的饼图等1 0 余种动 画图表，并可具有远传及联网功能，可与厂级微机网相通，资源共享。 1 2 4 面粉厂专用抗噪声语言通讯系统( 选配) 面粉加工现场由于存在着高振动、高粉尘、高噪声问题。所以各楼层、 各工段与总控室的信息传递问题难以解决。本系统采用最新抗干扰、信息反馈 及语言处理技术，可解决“三高”恶劣环境中的语言通讯问题。 本课题预留与抗噪通讯系统的接口。 13 本课曩的来源、意义和主要的研究内窖 1 3 1 本课题的来源 面粉生产过程自动控制与微机管理系统是作者主持承担的国家电子办 和国内贸易部联合立项的部级科研项目，该系统已经投入正常运行。本课题也 是国家科委“九五”期间“国家级科技成果重点推广计划”( 9 7 0 6 0 3 0 2 a ) ， 现已在山东、山西、广东、广西、东北推广应用了多套。 图l 一2 国家级科技成果重点推广计划证书 1 3 2 本课题的意义 面粉生产过程自动控制与微机管理系统的开发研究起点较高，充分应 用高新技术，既要具备引进系统的功能，又要结合国内生产实际，力争在系统 功能上赶上甚至超过引进系统，并且在设计思想和技术上争取有一定的创新和 突破。 3 1 经济效益 直接经济效益 本系统投入使甩后。由于采用了较完善的自动测量、自动监测、自动 控制及计算机信息管理系统等，预计可提高出粉率0 8 ，以e 加1 2 0 0 吨小麦 ( 约合1 5 0 吨面粉) 、全年生产2 5 0 天、按现行价格0 1 5 万元吨计算： 可增加面粉： 1 5 0 0 8 x2 5 0 = 3 0 0 吨 年增利税：3 0 0 0 1 5 = 4 5 万元 由于采用较完善的工艺、设备、料位及故障自动监控系统和高效通讯 系统，可及时发现故障并反馈信息，使故障迅速排除，做到不停机或少停机， 按3 班少停机1 2 分钟计算： 日增加产量：1 2 分6 0 x1 5 0 2 4 = 1 2 ( 吨) 年增利税： 1 2 x 2 5 0 天2 0 0 元吨= 6 2 5 万元 综合经济效益 由于采用了微电子技术和自动控制技术后，强化了自动监控和信息反馈手 段，可使操作人员及时了解操作效果、调整生产参数、稳定流量、减少盲目 操作，从而使吨粉耗电降低、维修消耗减少、管理费用降低、稳定面粉质量 等，可获综合效益约6 万元。 总之，应用单位每年可从本系统实施中新增利税5 7 2 5 万元。 2 社会效益 应用信息高新技术( 如微电子技术计算机和自动控制技术) 改造传统产业 是国家的一项重大技术政策。因此，本课题以面粉生产过程皂动控制及微机管 理系统的运行实例，探索有中国特色的面粉加工自动化的路子，有助于科技向 传统产业的渗入及科技向生产力的转化。 首先本系统的开发、研制及投入使用，强化了生产管理、提高了劳动生 产率、降低了工人的劳动强度、改善了工人的工作环境、稳定和提高了产品的 质量。 其次，由于产量的稳定及故障减少，从而减少了粮食在加工过程中的损 耗，强化了“无田农业”的作用。 第三，本系统的内容及功能，与引进同类相比，更趋完善，而投资仅为引 进的l 3 一l 4 ，更适合国内厂家选用，有利于高新技术的推广应用及促进面粉 加工行业的技术进步。 第四，经过本课题研制过程的锻炼，在较大程度上提高了科研人员在自 动化和计算机方面的科技水准，培养和锻炼了师资队伍，促进教材、科研、 实验室建设及教学质量提高，增强相应专业学生的知识面和适应性，以满足粮 食行业对即懂工艺又懂自动化的高级科技人才的急需。 面粉生产过程自动控制及微机管理系统与同类的引进系统相比，具有更好 4 的性能价格比( 参见表2 一i ) ，更适合国情和接近于国内生产实际，克服了进 口同类系统中的缺点，同时也吸取了国内1 0 多年来粮食工业自动化的经验教 蛩i l ，从而使本系统的各种功能更趋完善。 1 3 3本课题研究的主要内容 1 面粉生产数据以及故障信息采集装置。例如电耗传感器、斗式提升 机、故障传感器、散立体料位器、水分测控装置和小麦流量平衡器。 2 可编程控制器接口与安全联锁系统电路、自控系统主控部分的三个层 次的控制模式。 3 可编程控制器程序设计及面粉生产数据微机管理系统。如程序起动方式、 p l c 输入输出接口的合理分布、p l c 与i p c 配合等等。 5 第二章自动控制与微机系统的总体设计方案 2 1面粉生产线工艺流程 图2 1面粉生产线工艺流程 2 1 1 面粉生产线基本情况 图2 2 车间外形图 小麦清理流程：采用三次筛理，两次打麦，两次去石，一次精选，两次着 水， 大都采用引进消化吸收的新设备。 小麦搭配在立筒仓下进行。包括润麦仓1 0 个， 其中一次润麦仓6 个， 二 次润麦仓4 个。 6 制粉流程：采用4 道皮磨，7 道心磨，2 i i ! 渣磨，2 道尾磨，2 i i ! 打麸，可生 产专用粉，也可生产特一粉及特二粉，工艺灵活，适应性强。 2 1 2土建结构 为六层框架结构，全部面积为2 4 5 1 平方米。 在一楼有动力柜、配电柜，二层设有中心控制室和微机室。 2 1 3 生产线总装机容量 工艺电机的总容量为7 2 3 4 3 k w ，清理间为5 1 台，面粉间为7 1 台，总共 有电动机1 2 2 台。 图2 3一楼电动机控制室 2 2 国内外技术现状分析 面粉生产过程自动控制与微机管理系统是在大量的技术调研及1 0 多年的科 研工程设计和实验基础上进行的。我们系统地分析了全套引进的瑞士布勒公 司、英国西蒙公司、意大利奥克利姆公司控制系统的电气控制图纸，借鉴国 内近1 0 多年来面粉加工自动化方面的许多经验教训。并着重调研了洛阳一 面、二面、郑州一面、二面、北京五面、十面、北京中美示范厂、广卅南方厂 等1 3 个厂。 2 2 1 工艺线路、设备及故障自动监控系统方面 自动控制及监测技术已在一些引进面粉厂中采用。国产设备配套安装设计 的面粉厂，个别也有工艺模拟屏，也可以显示工艺及设备运行情况，但绝大部 分无p l c 控制的程序启停和故障检测。实地调研又发现：已运行的进口及国产 生产自动监控装置存在着以下问题： 7 1 显示方法落后，大多采用自炽灯泡显示，功耗大，寿命短，易隐含故 障，且多为继电器控制系统，如布勒公司产品等。 2 故障的巡回检测及报警功能单一，通常只有绞龙堵塞报警，除个别引进 系统具有斗式提升机失速报警以外，多数自控系统无此功能，即使引进系统也 是仅采用单一的电笛报警。 3 国产自控系统功能少，有的只是把指示灯及按钮简单地集中于工艺模拟 屏。 4 可操作性较低，目前的操作方式只有现场手动及工艺屏集中控制的手 动，工艺屏的控制操作仅仅是现场控制的简单移位和集中。应该说这样的自 控只是集中控制而不是自动程序控制。 2 2 2 可编程序控制技术方面 p l c 是采用微机芯片由顺序控制器演变而来的一种工业控制装置，是目前 国外发展极快的控制器，尤其是在工业恶劣环境中，p l c 以其高可靠、高抗 扰、多功能、长寿命、对环境要求较低、应用技术要求不高、易于学习推广 等优点，越来越多的取代继电器控制系统及部分工业控制计算机。但就目前 在面粉行业的应用水平而言，存在以下问题： 1 引进系统大都是采用继电器联锁控制方式，个别在配粉车间采用了p l c 控制。 2 无法与计算机联网完成自动报警、记录和通讯功能。 3 无法完成较复杂的控制要求，如故障诊断等。 4 自控系统的接点多、发热量大，维修困难。 2 2 3面粉生产过程微机数据采集及信息管理系统 引进厂中，微机数据采集系统得到一定程度的应用，但存在以下问题： 1 引进产品均为英文，显示信息少且无汉字功能。 2 数据处理功能弱，无法给出趋势分析及综合报表。 3 信号测取只能与专用工艺设备( 如专用电子称) 配套。 4 无电能测量功能。 5 无远传通讯及信息管理功能，无法联网及资源共享。 6 无法参与工艺设备的故障检测和记录，系统功能单一。 2 3 面粉生产过程自动控制与徽机f 理系统创新设计思想 2 3 1 面粉生产线自动控制系统总体方案 通过对引进及国产面粉生产线自动控制系统的调研和比较，吸收其精华， 剔其糟粕， 结合我国的国情，确定了适合我国面粉厂的“工业现场测控级+ 车 间狈i 控级+ 厂部管理计算机网络”的方案： 8 1 工业现场测控级：由p l c 、传感器、大型模拟控制屏和强电控制柜组成； 2 车间测控级：由i p c 工业计算机和专用抗噪声语言通讯系统组成； 3 厂部管理计算机网络：由i b m - p c 商业计算机和远传通讯线路组成。 2 3 2自动控制系统主机( p l c + i p c 工业计算机) 1 可编程逻辑控制器( p l c ) 根据本系统的控制点、检测点的要求，调查了国内外面粉工业自动控制常 用的几种控制产品，比较了日本的三菱、日立、立石、东芝、西欧的西门子， 美国的a b 、t e x a s 、m o d i c o n 等公司的p l c 以及国内的天津、大连、上海、 北京的国产p l c ，最后选用了日本立石的c 系列2 0 0 h p l c ( 见图2 4 ) 。这种p l c 属中档规模的产品，国内的市场销量较大，比较成熟，具有较高的性能价格 比，货源稳定，容易与我们已开发的硬软件配套使用，且具有通信模块、高级 数据处理指令等，可与上位工业计算机组成集散控制系统。 图2 4 o m r o n c 2 0 0 h 可编程序控制器 2 工业计算机 我f 1 比较了国内外的1 2 种工业计算机产品，例如：北京康拓、四通代理的 研华、威达产品，华远公司、麦罗达公司的产品及7 1 0 0 $ 列9 0 0 0 系列，华北计 算所代理的i p c 系列及上海福罗斯公司的产品，还有北京华胜的d c s 1 0 0 0 和北 京工控厂的m s 系列，最后选用了华北计算所的i p c 系列。这个系列产品采用美 国工业级芯片和主板，可运行我们开发的高级彩色动画图形软件，又易于 c 2 0 0 h p l c 通讯联网。它采用全钢结构、两台迸风冷却扇、内部徽正压防尘系 统，软硬磁盘采用抗震橡胶支承，适用于面粉生产现场的高粉尘、高振动场 合。 现场采集的数据经p l c 预处理后，将信息传给车间级的i p c 工业计算机， 9 进行计算、记录、显示、打印，尔后再将信息传送给厂部的管理计算机网络。 该系统采用高级语言编程、彩色动画、汉字报表等最新软件技术，并设有专用 接口与p l c 联机。 图2 5i p c i 业计算机 2 3 3 工艺线路、设备及故障自动监控系统方面 根据国内面粉工业的现状，应强化自动监控系统的功能： 1 控制功能分为2 级优先控制，一是现场手动禁止自动( 远程允许) ， 优先级最高；二是总控室的半自动禁止全自动，优先级次之。 2 显示件采用日本立石公司先进的l e d ( 砷化镓) 四管芯高亮度的发光管， 其为固态发光体，寿命为半永久性的，对电压波动不敏感。 3 可操作性好，在工艺屏每台设备对应的图形符号处，采用操作、显示 于一体的中型显示按钮开关，消除国内常见的把所有按钮集中于操作台而引起 的误操作。从设计思想上，考虑了可容错性及多种互锁措旖，即使出现个别误 操作也不至导致严重后果。 4 采用p l c 进行自动控制，应用p l c 的巡回扫描及自检功能，可以随时对 设备异常及故障进行检测和处理，以及时发现故障、处理故障，减少查找故障 及维修的停机时间。 2 3 4 控制系统的手动半自动全自动逻辑电路研究 引进厂一般采用手动全自动方式。我们根据多年的设计经验以及国内面 1 0 粉加工工艺、设备和操作人员的实际情况，采用了“手动半自动全自动”的 方案，以最大限度提高自控系统的利用率。由于控制设备及控制层次增多、投 资又少，只有以精心的设计和研发来实现最合理的强电、弱电、数据、微机及 自控线路的配置。经过多次的试验、分析，现采用继电器、电子线路及p l c 精 确结合的三种状态转换系统。 2 3 5信息分离与综合电路的研究 引进厂的自控系统大多采用继电方式进行现场信息的分离，用开关进行人 工信号分配，以驱动各自的显示、报警、记录等装置。这种方式接线复杂、维 修困难。本系统的强电柜由于是采用国内器件，不具备多辅助触点的功能，继 电系统也较进口的质量低。因此，我们经过反复论证实验，设计出一种独特的 电力与电子相结合的线路，即在一块3 2 开书本大小的面积上，装配了由3 0 0 个 i a 7 0 0 v 的分立二极管组成的d 阵列。成功的将现场信息的分离、显示电路驱动 源以及信息综合电路集成在一起，不但解决了上述难题而且又省去大量的现场 外引电缆及内部接线( 电缆投资一般与电控投资相同约3 0 万元) 。它可将现场的 控制信息( 电机运行、故障跳闸、料位越限及绞龙堵塞等) 信号分离开，送到 各显示记录控制点；又可把各种显示信号的自检、闪光及报警信号进行综合， 简化了外围电路的结构，减少了工业计算机及p l c 的模块数量和软件编程量。 二极管矩阵板见图2 6 。 图2 6 二极管矩阵板 2 3 6 传感器的研究 在面粉生产过程中，有些量的检测无现成传感器可选，或者现有传感器不 适用。如电能测量、高料位器、斗式提升机失速报警等。我们研制完成了光电 电能测量传感器、高料位有源传感器、斗式提升机防尘失速传感器、水分在线 测控装置、小麦流量测控装置等。其中电能测量采用光电反射原理，高料位显 示传感器采用电容组件，斗式提升机失速传感器采用霍尔集成电路。 2 4本系统与国内外同类装置的比较 面粉生产线自动控制系统由于较好地发挥了p l c 控制器的可靠性和逻辑控 制能力强以及工业计算机数据图形处理能力强的优点；又结合国内生产实际， 精心设计了手动半自动全自动联控系统，所以工作可靠性及抗干扰能力较 强。为提高现场快速维修，均采用模块结构，更换十分方便，使整体性能达到 较高水平。因此，该系统具有良好的性能价格比( 见表2 1 ) 。可代替进 口，为国内面粉加工业提供了较成熟的、技术含量较高的成套面粉生产自动控 制与信息管理系统，以期促进面粉行业技术进步。 表2 1 本系统与国内外面粉自动控制系统功能比较表 瑞士英国意大利国产系统本系统 继电器 主控制器继电器 p l c继电器 pl c p l c 控制灵活性自动，手动同左同左同左手动半自动自动 自动态有 声光报警同左同左同左三态均有效 效 l e d ( 四管芯高亮度) 显示方式自炽灯 led 白炽灯白炽灯 上位机 有( 8 位机) 无无无有( 3 2 位机) 管理机无无无无有( 3 2 位机) 触摸屏无无无无 有( 可选) 设备记录无无无无有 异常记录有无无无有 汉字报表无无无无有 显示器单色无单色 l e d 彩色 自诊断无无无无有 动画图形无无无无有 历史趋势记 无无无无有 录 语言通讯无无无无有 打印机九针九针九针单针仇针24 针 投资比例l 1 2l 0 20 2 0 - 0 2 5 1 2 l o l o l o i 。l i o l i l -i o l r l t l o l ，l 4 i l - _ l l l e 弋曼 。嗵掣 ， 擅$ ， ll r = j 罨 7 ， 睦 葑1 髓圣 j i u 。卧 阳岵a广 辩 廿 = 戡 t f 一 耆 奸厂 摹8 _ 一 丁 瞎 日i 。l1 i l _ l 一巳也 i v 魏卜驴苒k 蠹 卜生一 产1 1 i 瞄 j l 崔 3 彩 玎i 。 奢 r n l7 。 il i 匕 峭一：子 邑_l _ 题 1 r 莹1 1 _ f _ 恶 l i t ； 删 l a 嗵 鬟lu l 慕 jm 撅 3z 一凡； 7 竺 孽 n 厂l； d 一i _ 一 。 l j ： l 艇 i j 一! 。 熔 | r l - _ - ：j删b l - ” 了c 7专_ ； 融小_ 飞节t i 凹 晶 姹 瑚l 。 一l 丁t r f 了t f t _ r = i t 可广r = 1 了t t 再_ i _ t t 丁r 鬯! = ! 翌堕竺主垡皂垫丝型墨笙堕塑 1 3 -一h_一一u一一q一一鼍一=一t#tg一；#；耸耸h扛一一ki堪ls一一日一lbl 尉莓懈飞肄帮皿罄街羲狲瀑斟赫曩 hu一一u一-一_一-一一；一=一；一；一；一gi一；一_-一=一目一#一h一#一#一谊一x一冀一#一4一_一-_一b一#一z一目一l一薯 第三章面粉生产线自动控制系统结构设计 3 1面粉生产线自动控制系统结构设计 面粉生产线自动控制系统结构如1 3 页图3 1 所示，方框图内各部分的功 能设计如下： 1 1 ：i1 6 k v a 3 8 0 v - 2 2 0 v a c 隔离变压器，供电给立筒库下料位器 2 2 0 v a c 微电动机。2 6 v a c 经l c 滤波器并变换为直流2 4 v ，供给各控制中间继 电器。 2 a p c 一一自动控制部分的电源( a u t o m a t i c p o w e rc o n t r 0 1 ) 以及e s s 急停联锁开关。 3 a k e y 一自控钥匙开关，主j 空a u t o m a t i o n 部分的电源。 4 a k e y 一一自动部分主电源控制继电器。 5 m c c 一一一 电动机控制柜内主控2 2 0 v a c 主交流接触器。为各配电柜内交流 接触器提供2 2 0 v a c 电源以及为各k c 提供直流2 4 v i 的供电电源。 6 s 1 一一2 2 0 v 2 4 v i 电源变换及控制装置，提供各中间继电器2 4 v 直流电 源。 7 t b 2 1 一1 e s tb r a n c h 测试板盘，包括2 4 v 直流电源的分配、保护、显 示及测试。 8 k 卜6 一各程序段p r l 一p r 6 预置条件正常信号盘。 9 k s 卜一1 1 一一一各电动机配电柜k s 卜- k s 儿预置条件正常信号盘。 1 0 m s w 一手控测试开关盘，允许模拟屏手动远控各工艺电机。 1 1 p l c ( o ) 一一p l c 输出控制模块( 按程序段分别控制) 。 1 2 s 2 一s w i t c h 2 至2 4 v 2 电源分配盘。用于p l c 的输入模块和传感器的供 电保护。 1 3 t b 2 2 一- t e s tb r a n c h 自动控制部分测试分配盘。 1 4 f l 一f l a s h l a m p闪光灯驱动电源发生器，约i h z 。 1 5 ”e s t 一一- l a m p ( l 置动t e s t 灯光浸试按钮。 1 6 r t e s t 一一r e s e t t e s t 按钮复位测试按钮。 1 7 s 31 ：i - - - 一一3 0 0 v a2 2 0 v ：2 2 0 v 隔离电源分配盘。 1 8 t b 3 一一t e s t b r a n c h2 2 0 v ：2 4 v 3 电源及分配盘。 1 9 m s w 一m a n u a ls w i t c h自锁式模拟屏手控按钮，约1 4 0 只。 2 0 a l - a l a r m 报警发生器及驱动电路。 2 1 c l s c l e a ra l a r ms w i t c h 报警声清除按钮。 2 2 p l c 一c 2 0 0 h 可编程控制器。 1 4 2 3 k f 一一热继电器( 独立开关触点) 。 2 4 i ( m 一交流接触器( 独立常开触点) 。 2 5 ，k c l 一6 1 7 一一中间继电器( p l e - k c - - - 蹦一t o r ) ，侈4 如 1 0 0 第1 程序段、第1 个继电器，k 6 1 7 一一第六程序段第1 8 个继电器。 2 6 h s t a 一h a n d s t a r t ( 现场) 手动控制启动按钮。 2 7 s w i 一低压配电总屏现场控制( h ) 远程控制( a m ) 开关。 2 8 s w 3 - - 一各现场控制箱手动自动转换开关。 2 9 s w 3 - - 一模拟屏内半自动全自动转换开关( 控制屏上输出口) 。 3 0 s w 4 - 一一输出有效半自动全自动转换开关。 3 l k d 一p l c 输出有效( 供电) 2 4 v 1 中间继电器。 3 2 k 0 1 一立筒库下料位器微电机驱动电源控制继电器。 3 3 h l 一- - h i g h l e v e l高料位传感器。 3 4 l l 一一- - - l o wl e v e l 低料位传感器。 3 5 s p e d - 一一s p e e d斗式提升杌转速控制器， 3 6 l a g 一一l 锄p a l a r mg u i d e 报警灯引导电路。 3 7 c p u 一一上位工业计算机 面粉生产线自动控制系统控制屏内部结构见图3 2 。 图3 - - 2p l c 控制屏内部结构。 3 2 面粉生产自动控翻系统研铡技术要点 面粉生产自动控制系统研制原则与目标：先进、实用、低价、替代进口。其 技术研制难点与要点： 1 采用可编程控$ , j 器c 2 0 0 h 完成全部生产设备的程序启停、故障联锁与数 据预处理： 2 应用工业计算机i p c 完成生产数据的处理、记录、打印； 3 采用手动半自动全自动联锁模式，全面提高自动控制系统的可操作 性及长期可靠性； 4 采用具有独立辅助接点的热继电器和交流接触器完成对电动机的控 制、保护和电气联锁以及信号测取； 5 采用具有自主知识产权的抗噪声语言通讯系统完成多层、多工段生产 的语言维修指导与自动广播( 选) ： 6 采用较完善的新型传感器，对上下料位、斗式提升机故障、输送绞龙 以及输送管道的物料运行状况进行监测： 7 采用二极管阵列技术简化自控系统内部接线，大大减少内部和外引信 号电缆数量，降低系统一次投资； 8 采用多电源供电，增加分级分类配电及较完善的保护，加大降额冗 余，保证电源的可靠供给； 9 采用固态脉冲发生电路，为整个系统提供连结可靠的脉冲电源2 4 v 5 a ( 最大i o a ) 输出； l o 采用强电柜送电及现场急停信号确认、各电源正常及各手动开关复位 否等多级检测和联控，确保在自动控制过程中各现场操作人员的安全和系统 可维护性，杜绝远控事故； 1 1 合理设计实现了现场三位开关和试验电路，确保机电检修人员的安 全： 1 2 计算机系统采用多种光电隔离、冷却、浮动和电磁浮地技术，提高整 机工作可靠性； ， 1 3 自动控制系统电源采用了磁饱和稳压器和多级l c 滤波电路，确保电流 的正常、稳定和纯净； 1 4 p l c 的用户程序采用e e p r o m 存贮方式，确保长期掉电后的程序可靠 性 1 5 工业计算机增设光耦远传r s 一2 3 2 c 接口，可远传信号达2 k m ，可及时 将车间信息传给厂长办公室和销售部 1 6 工业计算机采用自动监控软件、冗余显示生产线各设备的运行状况， 并对停机及故障设备的名称、故障种类进行及时显示和记录打印，为日后的维 护和故障分析提供原始资料i 1 7 关键元件及主要部件均采用高质量的进口部件，例如：p l c 为日本 ( o u r o n ) 公司的中档p l c ( c 2 0 0 h ) 。性能价格比高。显示按钮采用进口四管芯 l e d ，计算机采用美国i p c 原装机 从而使系统运行稳定，更好地服务生产、 指导生产； 1 6 1 8 本系统采用模块化设计思想，使系统的各部分既可互联成一个系 统，又可以独立完成某项基本功能。 3 3 自动控镧系统电源分配设计 面粉生产线自动控制系统供电分2 路引入。 1 强电交流接触器k m 及中间继电器k c 本路采用三相3 8 0 v 电源，经空气断路器引至1 6 k v a l ：1 变压器，其输出为星 形接法的三路2 2 0 y a c 和三路2 6 v a c 。其中，三路2 2 0 v a c 电源为电动机控制柜 m c c l 一m c c l l 交流接触器提供线圈电压。三路2 6 v a c 经桥式整流和l c 滤波之后 供应各中间继电器j q x 一1 8 f ( 3 z ) 。 2 模拟控制屏半自动全自动控制及屏上显示l e d 本路电源由2 2 0 v a c 经2 5 0 w 开关电源( 2 4 v 1 0 a ) ，提供2 4 v 2 ，主要供电方向 如下： a 模拟屏所有显示器件、l e d 和指示灯泡，模拟屏所有显示和操作指导仪 表。l e d 灯约2 1 0 只哟0 2 a = 4 2 a ，手动半自动全自动模式控制联锁继电器约 3 5 a ，共计7 7 a 2 4 v i ) c ，并设一个内嵌式直流电压表用来监测其电压变化。 b 提供2 4 v 直流电源给p l c 输入回路的各元器件与部件，如料位器、斗提 机故障测量传感器、报警声光电路。 c 半自动全自动模式下各强电柜诸屏是否送电、现场急停连锁信号等的 确认组件。 3 2 2 0 v a c 再经由s 3 ( 1 ：1 ) 隔离变压器及净化电路后。分配给p l c 主机( 二套含 扩展) ，2 4 v d c ( 2 4 v 3 ) 变换电路，供给数据采集电路和上位计算机通讯系统。 3 4 自动控制系统主控电路研制 3 4 1 问题 在进口自控系统中，大多采用手动全自动方式。所谓手动方式是采用大型 模拟屏操作台面按钮，人工启停各层各段工艺设备，实现远程操作；全自动方 式是采用继电器联锁电路，按工艺段( 设备可能分布在不同的楼层) 启停本段 设备。这种方式存在一些问题： 1 每当自动模式出现故障时，只能在中控室启停现场设备，对现场人员 而言是不安全的。另外，当现场人员需调试设备时，只能通知中控室远控工艺 设备的启停。 2 只有当工艺设备也是进口时，方可与相应的自控系统配合，完成现场 点动试车，而国产工艺设备无此操作功能。 3 由于国内小麦品种变化很大，往往会出现物流堵塞、过流量等问题， 此时需要个别设备退出运行进行短暂维护，这种方式在进口自动控制系统中是 不许可的。 1 7 4 由于目前国产设备的技术现状是“大毛病不多，小毛病不少”，因 此，必须根据国内面粉工业的实际，研发适用于当前国内工艺设备、操作水平 和管理现状的自动化控制系统。经过多方协商、调研和反复实验，在自控系统 主控部分设计了三个层次的控制模式：现场手动控制( h 模式) 半自动集中控 制( m 模式) ，全自动p l c 控制( a 模式) 。 3 4 2现场手动控制( 1 | 模式) 联锁模式设计 该模式有效前提是：1 6 k v a 提供的2 2 0 v 经e s s 现场各楼层的急停开关( 见图3 - - 3 ) 、自控现场控制选择开关s w l 和现场手控允许钥匙开关有效，接通k m c - c 给交流接触器供电。工人可将要启动设备的三位选择s w 2 ( 自动远控a m 禁止现 场手动) 打到现场手动档，按下启动钮即可启动相应的电机。 图3 3 各楼层的现场急停开关 该模式与传统的强电控制方式相同，只是用三位旋转开关取代停止按钮以 简化线路和降低成本，其控制电路原理如图3 1 的( 3 5 - - 3 6 q 一- m 区) 所示。 此模式下的信息如电动机的启停、热保护、运行电流和电压等的监视仍然 正常，计算机数字系统也正常工作。只是无法进行集中式远程半自动控制和 p l c 全自动控制( 此时p l c 的输出被禁止) 。 功能设计：现场测控箱由手动禁止远控三位开关、启动按钮和指示灯等 组成( 见图3 4 ) 。在手动位置时，可直接启停单台电动机，相当于传统的单 机控制。当自控系统检修时，可采用现场手动控制，以维持生产；在禁止位置 时，一切起动操作均失效，以确保人身安全，此时可进行设备维修；在远控 位置时，电动机的启停由中心控制室完成，此时，由于随时可能启动设备。 l 司此现场人员应离开工艺设备，为了安全，总控制室在开车前，通常应用电铃 ( 引进厂用电笛) 或广播通知现场人员。现场控制的优先权最高。 1 8 图3 4 现场测控箱 3 5半自动集中控制( 一模式) 3 5 1 半自动集中控制( m 模式) 联锁模式设计 该模式有效前提有4 个： 1 e s s 开关无动作，即各层工段紧急停车开关处于释放状态； 2 1 6 k v a 提供的2 2 0 v a 交流接触器线圈电源供给正常： 3 位于一楼配电柜电动机配电屏m c p 1 5 上的s w l ( 现场控制远程控制选 择开关) 切换到远程控制状态，且增加一个钥匙开关a k e y 以防止有人误将半自 动集中控制系统接通，非正常地远控启停现场( 1 _ 6 层) 的工艺设备。 4 k m c c 接通后，将2 2 0 v a c 供应给s l 、s 2 ，向交流接触器线圈提供2 2 0 v a c 电源和为中间继电器k c 提供2 4 v d c 电源。由于m 模式属远程控制方式，为了确保 半自动模式的正常运行，在电路上设计了如下联锁条件： 各强电柜( m c c l 凇c 1 1 ) 2 2 0 v 交流接触器线圈2 2 0 v 电源及3 8 0 v 电动机 电源正常； 模拟屏各设备按钮复位； 2 4 v 1 供电正常( 2 3 5 v ) ； s w 4 、s w 3 处于m 模式，s w 3 为柜上2 2 0 v 电源供电正常选择开关，以确认 信号联锁控制板及l e d 显示系统供电正常。 1 9 3 5 ，2 功能设计 操作人员可以在集中控制室的模拟屏上按下相应工艺设备电机的按钮，来 启停设备。由于该按钮是自锁式“控显合一”的组台按钮，