（电气工程专业论文）基于plc的玻璃配料控制系统的研究与设计.pdf

r e s e a r c ha n dd e s i g no ng l a s sb a t c h i n gc o n t r o l s y s t e mb a s eo np l c a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o lt h e o r y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ，t h et r a d i t i o n a lb a t c h i n gc o n t r o ls y s t e ma l s oh a st of a c et h er e v o l u t i o no f i n f o r m a t i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n s o m ek e yt e c h n i q u e so fa u t o m a t i cc o n t r o lf o rg l a s s b a t c h i n gc o n t r o ls y s t e ma r es t u d i e di nt h i sp a p e ra n d h a v eb e e nu s e di nt h ep r o j e c to ft h e 4 0 0t dg l a s sb a t c h i n go ft h es h a n d o n gl i n y ig l a s sg r o u pc o m p a n yl i m i t e d f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eg l a s sb a t c h i n gp r o c e s sf l o wa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fe x i s t i n gb a t c h i n gc o n t r o ls y s t e m a i m i n ga tt h ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n to fw e i g h i n g s y s t e m ，w e i g h i n gs e n s o ra n dw e i g h i n gt e r m i n a lw e r ea n a l y z e da n d c h o s e ni nt h ep a s s a g e s e c o n d l y , b e c a u s et h et r a d i t i o n a lp l cs y s t e m sc o n n e c ti od e v i c e s t ot h ei ob l o c k s o fp l c ，c o n t r o la n dm o n i t o rt h el o c a le q u i p m e n t sb yt h ea n a l o gs i g n a l so f4 - - 2 0m aa n d 2 4vd c ，s ot h es i g n a l sa l ee a s i l yd i s t u r b e di nt h el o c a le n v i r o n m e n t t os o l v et h e p r o b l e m s ，t h ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e da n dad i s t r i b u t e dp l cc o n t r o l s y s t e mb a s e do nt h ep r o t o c o lo fp r o f i b u - d pi sc o n s t r u c t e d t h et r a n s m i s s i o ns i g n a l s a r ed i g i t i z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff u l l - d i s t r i b u t e d ，f u l l - d i g i t a l ，a n df u l l - o p e no ft h ef c s c o v e r e dt h es h o r t a g e sw h i c he x i s t e di nt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) a g a i n ，谢t l lt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y ，p r o c e s so b j e c t i v eb e c o m e sm o r ea n dm o r e c o m p l i c a t e d ，n o - l i n e a r ，l a r g e d e l a y ，a n dh a r dt ob u i l dm o d e l s s oi ti sd i f f i c u l tt of u l f i l l t h er e q u e s to n l yb yp i dc o n t r 0 1 h o w e v e r ，a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e ss h o ws t r o n g a d v a n t a g e sf o rr e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m si nt h ec o n t r o ls y s t e m s ot h er e s e a r c h o f a d v a n c e dc o n t r o lb a s e do np l ci st ob eac u r r e n tf o c u s f i n a l l y ，t h es y s t e me r r o rw a sa n a l y z e da n d t h es o f t w a r ew a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n g p l c c o n f i g u r a t i o n ，p l cp r o g r a ma n d t h es y s t e mm o n i t o r i n gp r o g r a m k e y w o r d sb a t c h i n g ；p l c ；f i e l d b u s ；p r o f i b u s d p 插图清单 图1 1直接数字控制系统组成框图3 图1 ，2 监督控制系统组成框图4 图1 3 集散控制系统组成框图5 图1 4 现场总线控制系统组成框图6 图2 1减量法玻璃配料工艺流程图7 图3 1桥式测量电路1 2 图3 2 称重传感器的连接形式1 4 图3 3并联差动全桥等效电路1 4 图3 4p a n t h e r 称重终端的应用联接1 6 图3 5p a n t h e r 与传感器的连接1 7 图3 - 6串行口和并行口接线方式1 7 图4 1自动配料控制系统的结构框图2 1 图4 2s t e p 7 网络组态画面2 4 图5 1p l c 程序结构图2 6 图5 2 加料程序流程图_ 2 7 图5 3 排料程序流程图2 8 图5 4 上位机监控系统结构2 9 图5 5 上位机监控画面3 0 图5 - 6p c 与p l c 的连接方式31 表 表 表 表 1 2 3 4 表格清单 扒挖砣船 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 定义义义设定定定的位位脚端时时引终写读线重据据接称数数 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工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或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒罡王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 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 并表示谢意。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权尘 壁至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，可以采用影印、 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： 签字日期：叼年7 7 月侈日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：甜年加月7 日 电话： 邮编； 致谢 在论文写作及整个求学期间，深切地感受到来自各方面的关心和帮助，能有机 会表达对他们的感谢是我真诚的愿望。 在论文完成之际，我首先要感谢我的指导老师张兴教授和企业导师高长利高级 工程师，感谢他在我求学及撰写论文期间给予我的悉心指导和教育。导师扎实渊博 的专业知识、严谨的治学态度、积极进取的精神和谦逊务实的工作作风使我受益匪 浅，我将永远铭记在心。在三年的学习、工作和生活中，导师给予我的关怀和帮助 令我永生难忘。本论文从选题、撰写到修改、定稿无处不凝结着导师的心血和汗水， 在此向我的导师表示崇高的敬意和深深的感激之情! 同时，我还要感谢我的家人，以及在工作期间给予我很大帮助的同事和朋友们， 是您们无私的奉献和积极的工作才使我得以完成此项课题研究。 在今后的工作和学习生活中，我将更加勤奋，更加珍惜美好时光，决不辜负各 位老师、同学和朋友对我的信任和期望。 作者：李长久 2 0 0 8 年8 月1 8 日 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 在工农业生产过程中，有些产品是将某几种原料按照一定的比例混合，通过 配制加工而成，这种按一定的比例混合原料的过程，就是配料的过程。其混合比 例是否按预先规定的配比进行，直接影响到产品的质量。同时，配料质量控制 的优劣也直接关系着下游生产能否顺利进行。如果配料的质量达不到要求，轻则 造成原料、能源的浪费，重则影响产品的质量和产量，并且由于配料失误甚至会 给整个生产酿成事故。因此，要保证产品质量和生产的顺利进行，就要提高配料 过程的精度和保证配料的速度。 玻璃是一种化学组成既定而又均质化的材料。在玻璃的连续化生产中，原料 配料的准确、均匀和稳定是生产优质玻璃的先决条件【2 】。尤其是配合料的制备， 需要同时对多种原料进行准确称量、混合、输送和投料，一旦出现事故势必造成 重大经济损失。因为一个现代化的大、中型玻璃池窑里容纳着一两千吨玻璃液， 每昼夜要投入上百吨至数百吨配合料，而且在生产过程中各工序之间是连续作 业，环环相扣，彼此影响很大，其影响在短时期内是难以清除的，造成的损失是 以百万元来计算的【3 】。由此可见原料的制备对玻璃生产的重要性。原料的精确称 量是配料工艺的核心，由于设备故障或者是人为因素都容易造成配料错料，因而 引起玻璃质量的下降。另外，如果采用人工配料，由于现场的粉尘较大，很容易 对人的身体造成损害。因此，提高配料系统的称量精度、提高系统自动化水平和 可靠性，对保障玻璃生产线优质稳定生产、改善工人工作环境和提高劳动生产率 有着重要的现实意义。所以，原料配料的自动化是现代玻璃工业发展的必然趋势 【4 】 o 当今，随着计算机技术和自动控制技术飞速发展，人们普遍对生产过程自动 化程度的要求也越来越高。同样，在称重配料领域，人们对称重配料过程提出了 “快速、准确、连续、自动”的要求1 5 l 。为此，选择和设计合理的称重配料方式 对实现原料的自动配料至关重要【6 j 。当今针对玻璃配料控制系统的应用研究也随 着这种要求而广泛的开展起来，并且取得了许多成功的应用实例【7 吲。 此外，食品、化工、饲料、陶瓷等行业也离不开配料生产过程【l 叫2 1 ，也必须 通过自动玻璃配料控制系统来实现生产的自动化。虽然这些行业所用的物料和生 产工艺不同，但其玻璃配料控制系统所要完成的任务却基本相同，因此，研究和 开发一种自动玻璃配料控制系统具有一定的实际意义。 本文的研究旨在使配料车间设备及控制系统满足玻璃生产对原料配料的工 艺要求，并使整个系统达到高度自动化的同时具有更强的智能化。 1 2 玻璃配料工业现状 玻璃工业在我国产业中是一个重要的行业，并在我国的经济建设中起着非常 重要的作用。改革开放以来，随着我国经济的快速发展，玻璃配料行业也得到了 长足的发展。特别是2 0 世纪8 0 年代后期，我国玻璃出现了第一次发展高峰，以年 增长3 5 的速度飞速发展，远远高于当时我国经济发展1 0 的增长速度，玻璃工 业的发展异常引人注卧1 3 j 。近年来，玻璃生产行业的竞争日趋激烈。因此，稳定 并提高产品质量、产量和增强竞争力成为玻璃生产发展的主要目标。而基于这个 目标开发的适用于玻璃生产的称重配料系统必须具有高速度、高性能、高精度、 高可靠性和稳定性等特点，以适应现代化生产的要求f 14 1 。 目前我国玻璃工业存在的主要问题及与国际先进水平的差距主要表现在：资 源、能源消耗高，综合利用水平低；整体技术、装备及管理水平与国际先进水平 相比仍有较大差距；产品结构不够合理，优质浮法和深加工率偏低：企业数量多、 规模小、国际竞争力差；企业科技创新和自主开发能力较差，缺乏具有驱动力的 技术创新机制和能力；市场不规范，无序竞争现象比较突出等【l5 1 。 在玻璃配料技术方面，还存在着工艺落后、产品品种单一、设备装配不合理 和自动化程度低等弊端，难以适应现代化玻璃工业发展的需要。在玻璃配料控制 系统方面普遍存在的问题是：配料精度低，机电控制部分的可靠性差；缺少数据 库管理生产以及对生产过程的实时动态监视。配料精度低主要原因是电子秤系统 的动态性范围小或用于配料的算法不合理造成的；而可靠性差主要是中间继电器 和微机控制系统的可靠性低所致。可靠性是重要的质量指标，但由于机械工艺、 电子元件等基础工业发展的滞后，国内的微机配料系统的可靠性与国外产品相比 尚有一定差距。 随着计算机技术和控制技术的发展，以可编程序控制器( p l c ) 为基础的集散 控制系统己成为当今玻璃生产线控制系统的主流，并日趋成熟。同时随着网络化、 信息化技术向自动化领域的渗透，使得自动化系统的体系结构面临一场深刻的变 革，这种变革也必将对玻璃自动化产生重大影响【l 酬。 1 3 玻璃配料控制系统的现状 在配料生产过程中，一般应该能够实现全自动、半自动和手动配料，并且可 以在不同工作模式之间进行切换。玻璃配料控制系统必须有很高的可靠性来保证 系统连续正常工作，出现故障时能及时报警并能够紧急停车，防止系统出现事故。 目前，我国配料领域选用的控制系统种类很多，归结起来有以下几种： 1 3 1 直接数字控制系统 利用计算机的分时处理功能直接对多个控制回路实现多种形式控制的多功 能数字控制系统。在这类系统中，计算机的输出直接作用于控制对象，故称直接 数字控带l j ( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，简称d d c ) 。直接数字控制系统是一种闭环控制 系统，其系统结构组成如图1 1 所示。 2 工 叫l 州输入通道卜一 至亘) +计 业 现 算 场 叫到输出通道卜卧 机 图卜1 直接数字控制系统组成框图 系统中安排了一台中心计算机，由这台计算机通过多点巡回检测装置对过程 参数进行采样，并将采样值与存于存储器中的设定值进行比较，再根据两者的差 值和相应于指定控制规律的控制算法进行分析和计算，以形成所要求的控制信 息，然后将其传送给执行机构去控制生产过程，用分时处理方式完成对多个单回 路的各种控制，如比例积分微分、前馈、非线性、适应等控制n7 1 。同时，也可根 据需要将必要的信息在终端机的屏幕上显示或用打印机打印出来。 直接数字控制系统具有在线实时控制、分时方式控制和灵活性、多功能性三 个特点，并且其结构紧凑、轻便灵活、便于维护，有较高的抗干扰能力和控制精 度，操作方便。主要问题是在这种控制系统中，一切信息的交换均通过中心计算 机，一旦该计算机出错，排查起来非常困难，并且将导致整个系统的瘫痪。这种 “风险集中”的结构体系导致了d d c 系统在大中型过程控制系统中的低可靠性， 影响了计算机技术在过程控制系统中的推广n 钔。因此这种控制系统在现代玻璃配 料生产企业中己很少应用。 1 3 2 监督控制系统 监督控制( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l ，简称s c c ) 系统又称设定值控制 系统。计算机监督控制系统是在操作指导系统的基础上发展起来的。操作指导系 统是一种开环控制结构，系统中计算机的作用是定时采集生产过程参数，按照工 艺要求或指定的控制算法求出输入输出关系和控制量，并通过打印、显示和报警 提供现场信息，以便管理人员对生产过程进行分析或以手动方式相应地调节控制 量( 给定值) 去控制生产过程。 计算机监督控制系统具有闭环形式的结构，而且监控计算机具有较复杂的控 制功能n 引。它可以根据生产过程的状态、环境、条件等因素，按事先规定的控制 模型计算出生产过程的最优给定值，并据此对模拟式调节仪表或下一级直接数字 控制系统进行自动整定，也可以进行顺序控制、最优控制以及适应控制计算，使 生产过程始终处在最优工作状态。s c c 系统改进了d d c 系统在实时控制时采样周 期不能太长的缺点，能完成较为复杂的计算，可实时实现优化控制啪1 。 图卜2 监督控制系统组成框图 如图1 2 所示，此控制系统由监督控制计算机和数字控制计算机实现两级控 制，s c c 计算机根据原始的配料生产工艺信息和其它信息，监控管理整个配料过 程、改变d d c 级计算机配料给定值；d d c 级计算机根据s c c 计算机设定的配料给 定值，实时控制称量配料。d d c 级计算机既可以是单片机，也可以是可编程控制 器( p l c ) 。 d d c 系统和s c c 系统都属于集中控制型系统，当这种系统集中了很多的控制 回路时，就必然会带来“危险高度集中”的问题，从而使系统的可靠性大为降低。 这就要求直接数字控制由集中型向分散型转移，于是出现了“控制分散，信息集 中”的集散型控制系统。 1 3 3 集散型控制系统 集散控制系统又称分散型综合控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简 称d c s ) 系统，是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的 分布式计算机控制系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通 过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，通过c r t 装置、通信总线、 键盘、打印机等，进行集中操作、显示和报警。如图i - 3 所示，集散控制系统按 照分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从 上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布 式控制结构。 4 图l 一3 集散控制系统组成框图 d c s 通常采用若干个控制器( 过程站) 对一个生产过程中的众多控制点进行控 制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过 网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。过程级主要由过程控制站、 i o 单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。d c s 的控制决策由 过程控制站完成，所以控制程序是由过程控制站执行的。d c s 的过程控制站是一 个完整的计算机系统，主要由电源、c p u ( 中央处理器) 、网络接口和i o 组构成。 d c s 中的i o 一般是模块化的，一个i o 模块上有一个或多个i o 通道，用来连 接传感器和执行器( 调节阎) 。操作站、现场控制器、i o 组件间的连接是通过现 场总线连接的，在这一层次内形成开放的、双向的、数字通信系统乜。 在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是基于网络技术的发展和应 用。但是，不同的d c s 厂家为了达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各 自专用的封闭形式。不同厂家d c s 系统之间以及d c s 与上层i n t r a n e t 、i n t e r n e t 信息网络之间难以实现网络互联和信息共享。因此从该角度而言，d c s 实质上是 一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且造价昂贵。 1 3 4 现场总线控制系统 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，简称f c s ) 是工业设备自动化 控制的一种计算机局域网络。它依靠现场总线技术将具有检测、控制和通信能力 的微处理芯片置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有数字计算和数字通信能 力。可采用简单的双绞线作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按 公开、规范的通信协议，在位于现场的多个数字测量控制设备之间及现场仪表与 远程控制计算机之间实现数据传输与信息交换，从而形成各种适应实际需要的自 动控制系统幢引。f c s 的组成结构如图i - 4 所示。 顶层l 商务管理计算机ll 商务管理计算机 中间层l 监控计算机li 监控计算机 底层l 变送器il 执行器ii 仪表i p l c l a n 上层网 现场总线 图1 - 4 现场总线控制系统组成框图 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控制室 的控制模块、各输入输出模块置于生产现场。同时，现场设备又具有通讯能力， 现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信息。因而系统的控制功能 能够不依赖控制室的计算机或控制仪表直接在现场完成，实现了真正意义上的分 散控制乜3 2 钔。由于采用数字信号代替模拟信号，因而可以在一对电线上传输多个 信号，同时又为多个设备提供电源，并且现场设备以外不再需要模拟数字( a d ) 、 数字模拟( d a ) 转换部件。 这种控制系统的优点是：节省硬件数量与投资；节省安装费用；维护简单方 便：用户具有高度的系统集成主动权；提高了系统的准确性与可靠性等心5 ，2 引。但 目前智能化现场测量、控制设备价格较高，只有极少数大型玻璃企业采用此控制 系统。 6 第二章玻璃配料控制系统总体设计 玻璃工艺技术发展水平及普及程度己成为衡量一个国家玻璃工业水平高低 的重要标志。当今，玻璃市场需求的主要矛盾已经从“数量”向“质量”转化， 而相应的玻璃配料工艺及其控制系统成为了制约这种转化的瓶颈。因此提高玻 璃配料工艺水平和实现配料系统的自动化、智能化已势在必行。 2 1 玻璃配料工艺分析 玻璃配料就是根据所要生产玻璃的工艺性能指标对玻璃的各种原料如石英 砂、长石、纯碱、白云石、石灰石、预混料等进行科学的配比，经过各自称量 系统精确称量后，通过集料皮带送至混合机混合，然后由原熔皮带机将混合料 送至玻璃熔窑窑头熔炼的过程。这套工艺方法被称为浮法工艺乜引。 近几年来，浮法工艺发展迅猛，亚洲地区成为浮法工艺生产线发展最快的 地区。经过多年的不断实践和发展，中国浮法生产技术有较大进步和提高。建 设周期、投资规模、技术经济指标( 质量、能耗、成本、总成品率、劳动生产率、 窑龄等) 有了明显改善。浮法生产线的建设规模进一步扩大，技术装备水平不断 提高。 我国玻璃生产领域几经技术改造，称量工艺基本上从原来的增量法转变为 减量法，作为减量法的玻璃配料工艺流程如图2 1 所示。 垦臣鹭垦 昌望 罱昌 i 二二二二二二二二二二二二二二二二二二 传输皮带 日 窑头料仓 图2 - 1 减量法玻璃配料工艺流程图 玻璃原料主要由石英砂、长石、纯碱、白云石、石灰石和预混料等六种原 料组成，另外还有本厂和外来的碎玻璃。对于用量大的原料，如石英砂、纯碱、 7 碎玻璃、长石等采取一称一料或料多称的称量方式；对于用量比较小的原料， 如矿石、小料则采取称多料的称量方式。在图2 一l 中，白云石和石灰石为一 称称量，采用增量法；其余各称为一称一料，为减量法称量。 玻璃配料工艺流程如下：首先系统依次启动原熔皮带、混合机下料皮带、 混合机( 1 j 6 f 或2 群) 、除尘系统、最后是集料皮带，系统启动完成。然后各称量站 对石英砂、长石、纯碱、白云石、石灰石和预混料以及碎玻璃按照程序中设定 的称量方式进行称量。首先各称加料，等称量结束时，系统检验是否满足排料 条件，如混合机空、排料门关等。如果满足排料条件，则系统按照程序设定方 式进行定时和顺序排料，集料皮带将混合料送入混合机混合。排料结束后，经 过延时后，系统进行下一周期的加料。混合机首先对混合料进行定时干混，然 后加水湿混，到定时时间后排料门打开，将混合料排出至下料皮带，同时混合 料中加入一定的碎玻璃，再由原熔皮带将其送至窑头。这样完成了一次配料周 期。当混合机排料结束后，进入下一配料周期。系统设有排废装置，如果配料 过程出现错误造成废料，则系统将其通过排废装置排出。 2 2 玻璃配料系统的组成设计 一套完整的玻璃配料控制系统一般由储料部分、给料系统、称重系统、混 合和输送系统和中心控制及通信系统组成鲫。其中给料系统、称重系统和中心 控制及通信系统组成了玻璃配料控制系统。 2 2 1 给料系统 当今在配料领域广泛采用的给料系统一般有以下几种： ( 1 ) 电磁振动给料系统 ( 2 ) 螺旋给料系统 ( 3 ) 料门给料系统 ( 4 ) 电磁阀给料系统 除了上述四种方式外，还有一些场合可以采用传送带、刮板、真空抽吸、 震动给料等给料方式。 2 2 2 称量系统 称量系统是整个自动配料系统的核心。称量部分一般由传感器、标准连接 件、接线盒和称量斗组成，与称量仪表一起进行物料的称量以及误差的检测。 称量系统采用的方式多种多样，当今配料领域广泛采用的是电子秤称量系 统。电子秤是装有电子装置的一种衡器，它由称重、传力复位系统( 如机械计量 斗) 、称重传感器以及称重仪表等组成。称重、传力复位系统是被称物体与转换 元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体。称重传感器是将非电量( 质 8 量) 转换成电量的转换元件。它是把支承力变换成电的或其它形式的适合计量求 值的信号所用的一种辅助手段。在传感器式电子秤中，最常用的仍然是电阻应 变式称重传感器，称重仪表包括处理称重传感器信号的电子线路( 包括放大器、 模数转换、电流源或电压源、调节器、补偿元件、保护线路) 和指示部件( 如显 示、打印、数据传输和存储器件等) ，习惯上称载荷测量装置或二次仪表。 这种电子秤的特点在于安装方便、称量简单、分辨率高；采用数字显示， 有利于信号的远距离传输而不至于失真，便于集中控制和自动化管理。 2 2 3 中心控制及通讯系统 在工业配料生产过程中，一般应该能够实现全自动、半自动、手动配料， 可以在不同工作模式之间进行切换，玻璃配料控制系统必须有很高的可靠性保 证系统连续正常工作，出现故障时能及时报警并能够紧急停车，防止系统出现 事故。玻璃配料控制系统一般由称量仪表、上位工控机、可编程控制器及其他 控制器件等组成。 计算机控制系统主要完成对配方和原料进行管理以及对配料过程进行控 制，因此要求精确的过程控制和数据处理能力。典型的玻璃配料控制系统由生 产过程控制模块、配料管理模块、配方管理模块和数据处理模块组成。它们相 互独立工作，又以问答的方式紧密相连。合为高层次系统，分为低层次系统。 灵活与机动，在大幅度提高系统自动化程度的同时，也大幅度提高的系统的可 靠性。系统具有全自动、自动和手动功能，无论在任何一种方式下，都含有一 种强制功能。该功能可以立即启动或停止某种操作，以应付一些突发事件的发 生，使系统具有更强的应变能力。 控制系统中，为了向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据、画面显示、 报表编制、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等多项功能，和为p l c 网络提 供良好的人机界面，就需要把p c 机接入p l c 控制网络。通常可以通过4 种装置 为p l c 网络配置人机界面，它们是编程终端、显示终端、工作站及p c 计算机。 编程终端主要用于编程与调试，其监控功能相对较弱。显示终端的功能比较单 一，主要用作现场显示。工作站系统很受用户欢迎，它功能全面、使用简单， 但由于要配置高级组态工具软件，因而价格较贵。 2 3 本章小结 本章分析了玻璃配料的传统工艺，并对增量法和减量法两种称量工艺做了 分析研究，从工程实际出发对系统称量方式进行了优化设计。本章从整体上论 述了玻璃配料控制系统的组成结构，针对实际的工艺要求，比较和分析了几种 当今应用较广泛的玻璃配料控制系统，最终确定了本系统的控制方案。 9 第三章称量系统设计与选型 在玻璃配料过程中，玻璃原料的称量普遍由电子秤称量系统来完成。称重 传感器技术是电子称重技术的重要基础，同时称重传感器是电子衡器和电子称 重系统的核心部件。本章就称重传感器技术做了详细的分析，并针对本系统对 称重传感器及其显示控制仪进行了设计选型。 3 1 称重传感器技术 称重传感器是一种力传感器，通过把被测量质量转换成另一种被测量来测 量质量的传感器【3 4 1 。称重传感器是电子秤的重要部件，它把被称物体的重量转 换成电信号，经过处理后指示出来。因此它的优劣在很大程度上决定了电子秤 的精确度。 近年来，电子称重技术和电子衡器产品的一个重要发展方向，就是从静态 称重向快速称重、低速动态称重和动态称重方向发展，应用领域不断扩大。对 称重传感器除准确度高，稳定性好，工作寿命长等要求外，还提出许多新要求， 主要是耐压、防爆、防腐蚀、耐高温、动态响应快、稳定时间短等。 研究分析当今国内外称重传感器技术与工艺的发展动向，结合电子称重技 术和电子衡器产品的新需求，总结出称重传感器技术动向如下【3 5 】： ( 1 ) 小型化小型化是指称重传感器的体积小、高度低、重量轻，即小薄轻。 不同结构的电子衡器又有不同的需求。便携式静动态轮重秤要求高度为2 0m m 左右的低外形蝶式称重传感器；天车秤、抓斗秤要求薄形、超薄形板式称重传 感器。就是一些大型电子衡器为使其重心低稳定性好也要求称重传感器体积小 高度低，变形小容量大。 ( 2 ) 集成化集成化有两种含义，其一是结构集成化，将称重传感器弹性体 与秤体、承力传力支承等一体化，形成一个整体结构的称重传感器。其二是功 能集成化，将重量信息摄取、放大、变换、传输、信息处理和显示都集于一体 或将称重传感器、秤体和称重显示控制器合三为一。例如美国i n t e r c o m p ( 英特康 普) 公司、德国g t m 公司数显称重板。 ( 3 ) 多功能化多功能化也有两种含义：一种是称重传感器本身除具有检测 重量信息功能外，还有能检测其它信息的功能，例如电子吊秤用称重传感器除 检测重量信息外还能检测加速度信息；一种是称重传感器本身不仅具有重量信 息检测功能而且还兼有信号处理等其它功能，或者此种称重传感器于其它功能 复合产生出新的功能。 ( 4 ) 智能化智能化传感器具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测和 处理、逻辑判断、双向通讯、自检、自校、自补偿、自诊断和计算等全部或部 分功能。当今智能传感器主要为数字式传感器，整体型数字传感器是在称重传 1 0 感器内部安装有放大、滤波、a d 转换、微处理芯片和温度敏感元件等组成数 字处理电路，利用微处理器已存入的软件，实施各项数字补偿工艺进行各项性 能调整和测试，最后采用电子束焊或激光焊进行密封。数字式称重传感器的制 造工艺完全不同于模拟式称重传感器，主要是两个环节：其一弹性体贴片组成 惠斯登电桥电路后，通过试验测试建立数字补偿工艺要求的各项数学模型，形 成便于程序化计算的公式。其二是根据数学模型编制出简单实用的补偿计算软 件，存储在微处理器芯片中进行各项误差修正和补偿。软件技术主要有数字滤 波技术、标度变换技术、数字调零技术、温度补偿技术和线性补偿技术等。 随着数字信息时代的到来，在工业过程检测和称重计量与控制系统中，数 字化电子衡器和数字称重系统的应用越来越多，这就要求数字式智能称重传感 器的相关技术与配套仪表要尽快发展。 3 2 称重测量模块设计 称重传感器是将料斗及料斗中的原料重量变换成电信号，传感器选择得是 否合适，对配料控制器的控制精度、成本均有非常大的影响，因此结合料斗的 结构特点和工作原理，选用了电阻应变式拉力称重传感器。电阻应变式拉力称 重传感器主要有以下特剧引j ： ( 1 ) 精度高，测量范围广。 ( 2 ) 频率响应好。 ( 3 ) 结构简单，尺寸小，重量轻，安装简便。 ( 4 ) p - - i 在高温、低温、高压、强烈振动、强磁场及核辐射等恶劣环境下工作。 3 2 1电阻应变式传感器工作原理 电阻应变片是用直径为0 0 2 5r n i 1 具有高电阻串的电阻丝制成的，为了获得高 的阻值，将电阻丝排列成栅网状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基片上。电阻 丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。用应变片测量时，将 其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变 形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用 来直接测量应变。 常规的电阻应变片灵敏度系数s 。很小( 2 ) 。机械应变f = a i i 一般在 1 0 一1 0 。范围内，故电阻应变片的电阻变化( a r = r s 。f ) 范围为5 x1 0 。4 1 0 - 1 q ，因而，测量电路应当能精确地测量出这些小的电阻变化。在电阻应变传感器 中最常用的是桥式测量电路【3 6 j ，如图3 1 所示。 d a 图3 1 桥式测量电路 桥式测量电路由电阻r ，、r ：、r ，和r 。顺序连成一个环形，每一个电阻都 是电阻应变片。在对角线上安上电源，当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥 输出为零，否则就有电压输出。可利用灵敏检流计来测量输出电压，因此电桥 能够精确地测量微小的电阻变化。 在一般情况下，输出电压u 。可以用u 陀和叽c 之差表示 u 。= u 粥一u 月c = 刁i 等编u ( 3 。) 为了使测量前电桥保持输出为零( 电桥平衡) ，应使 r l r 3 = r 2 r 4 ( 3 2 ) 通过恰当地选用各个桥臂的电阻，便可消除电桥的恒定偏移输出，使输出 电压只与应变片的电阻变化有关。根据分析可知，在满足式( 3 2 ) 的条件下，当 每个桥臂电阻变化远小于本身值时，即a r ， r ，桥路负载电阻无限大时，输 出电压可近似用下式表示 虬= 蒜备c 等一等+ 等一等炒 b 3 ， 桥式测量电路在实际应用中可分为下面三种情况： ( 1 ) 对称情况( 对于电源u 左右对称) 即有r 1 = r 2 ，r 3 = r 。此时，式( 3 - 3 ) 可以写成 玑= 筹( 等一i a r 2 + i a r 3 一百a r 4 ) ( 3 - 4 ) 通常情况下，只是在两臂接入应变片( 例如r ，、r ，称为“半桥”) ，另外 两臂为固定电阻( 无电阻变化，a r ，= a r 。= 0 ) 。 ( 2 ) 非对称情况此时r 1 = r 4 ，r 2 = r 3 。如令r 2 r l = r 3 r 。= 口，这时式 ( 3 - 4 ) 可以写成 玑= 番c 等一等+ 等一等， b 5 ， 1 2 如蜀和r 。为应变片，则a r 2 = a r 3 = 0 。 ( 3 ) 全等情况此时r 。= r ：= r 3 = r 。这时输出电压公式与3 4 相同。如果 四臂都是应变片( 全桥) ，则将敞，r ，= s 0 9 ，带入式3 4 得 u 。= = 寻生( 占l s 2 十占3 一s 4 ) ( 3 - 6 ) 式中 e i 各电阻应变片的应变值 全桥电路的优点是可大大提高测量灵敏度。在应用用式( 3 6 ) 时，应注意电 阻变化和应变值之间的符号。如果是压应变则用负的应变值代入：拉应变则用 正的应变值代入。 电桥的输出电压一般不与应变片的应变成正比，即电桥的非线性。公式( 3 3 ) 实际上是近似公式，其精确的公式为 虬= 蒜备c 箐一等+ 等一等趴卜刁， 仔7 ， 式中巧二阶非线性项 非线性稀疏( 卜7 7 ) 值为 1 - r ! ： 刍生 ( 3 - 8 ) 蜀+ r 2 + 曲l + 龇+ ( 衄3 + 欲4 ) 尺2 r 3 、7 当电阻应变较小时，其值接近于零，可以忽略不计。对于常规应变片因灵 敏系数较小，故即使应变相当大时，非线性也是很小的，通常可以忽略不计。 在使用半导体应变片测量较大的应变时，非线性往往大到不能护理的程度，需 要对测量值进行修正，或在电路上采取线性补偿措施。在半桥电路中，如果两 应变片的应变绝对值相等符号相反，则非线性大大降低。 上面讨论的是当电桥负载电阻无限大时的情况。当负载电阻为有限值月时， 电桥输出电流可用下式计算 ，： 终鱼二墨! 墨! ! 竺( 3 - 9 ) ，= = 一 尺l 尺2 ( 尺3 + r 4 ) + r 3 r 4 ( 尺1 + r 2 ) + ( r l + r 2 ) ( r 3 + 尺4 ) r 当欠。r ，= r ：r 。时，电桥平衡，i = 0 。如要计算应变片电阻变化时的输出电 流，可将r ，+ a r 。带入上式的r 即可。 在应用电桥电路测量前应先使电桥调零，对于直流电桥只考虑电阻即可。 对于交流电桥不仅对电阻进行平衡，还必须对电抗分量进行平衡( 主要是对连结 导线和应变片的分布电容进行平衡) 。 温度变化会引起应变电阻变化，对测量造成误差。在桥路输出中，消除这 种误差以求出仅由应变引起的电桥输出的方法叫温度补偿。 利用电桥相邻相等两臂同时产生大小相等、符号相同的电阻增量不会破坏 电桥平衡( 无输出) 的特性来达到补偿。 将两个特性相同的应变片用相同的方法粘贴在同样的两个试件上，置于相 同的环境温度中，一个承受应力，为工作片，另一个不受应力，为补偿片。在 测量时，如温度变化，两个应变片引起的电阻增量不但符号相同而且数量相等。 由于它们接在电桥的相邻两臂上，桥路仍然平衡。电桥如有输出，则完全由应 变引起的。此法亦适用于全桥，桥路补偿简单，在常温下效果好。如补偿片和 应变片所处温度不能保证完全一致时，则影响补偿效果。 3 2 2 称重传感器的连接 在本文介绍的称重配料系统中，秤体采用柱状吊装式结构，为了使秤体平 衡一般配置三只拉式称重传感器吊装。而同一型号的称重传感器在相同的重量 下的毫伏电压输出值与供桥电压有关。为了得到相同重量下的相同的毫伏输出， 必要时需给三只传感器分别提供可调整的高精度供桥电压，克服物料从喂料绞 龙下落到秤体的不均衡性，使物料处于秤体的任何位置，均得到相同的毫伏电 压信号，并把各称重传感器的毫伏输出进行串联连接。 称重传感器的连接形式如图3 2 所示。三个传感器在称量料斗上表面上相 隔1 2 0 0 均匀分布，但它们的s r 。( s 为传感器灵敏度系数，尺。为传感器的输出 阻抗) 参数很难选配的完全一致，有时差异可能较大，这种并联组秤电路可以有 效的消除偏载误差【 j 。 图3 2 称重传感器的连接形式 图3 - 3 并联差动全桥等效电路 这种并联连接方式又称为并联差动全桥电路，图中r 。( f = 1 , 2 ，3 ) 为灵敏度调 1 4 整电阻，u 。为供桥电压，u 。为传感器并联输出电压。并联电路可简化成如图3 3 所示的等效电路。其中u 。，和尺。，分别是对应于第f 只传感器的等效输出电压和输 出阻抗。由图3 3 可得输出电压为 竺型 ”弹： f ! - i = 3r o i + r w i 喜器 善3 百1 瓦 善 ( 3 1 1 0 ) & 。 、7 调节微调电阻r 。，( f = 1 , 2 ，3 ) ，很容易使 当：堇!：墨 ：c ( 3 - 11 ) 一= 一= 一= 一l li r 。l + r 。l r 。2 + r ，2r 。3 + r w 3 、 7 在式( 3 1 0 ) 中，令r 。= 善s 可1 瓦一 则式( 3 1 0 ) 可以化简为 卟等丛主：掣( 3 - 1 2 ) 1 瞰 i = l 1 m a x 其中p = 鼻+ + 只。 由于c 、u ，、r 。、均为定值，所以u 。p ，即传感器并联组秤电路在 采用微调补偿后，其总的输出电压与被称重物料的重量成线性关系。这样也就 消除了由于传感器制造时的特性分散性而引起的偏载误差。 3 3 称重显示仪的设计选用 p a n t h e r 称重终端是梅特勒托利多公司为化学工业、制药、食品和其它 过程工业应用而设计的高品质称重终端产品。p a n t h e r 采用一模数转换及 数字处理技术，为工业称重需