（电气工程专业论文）铁合金配料控制系统的设计与开发.pdf

i ：海大学t 程硕士学位毕业论文 摘要 国外铁合金电炉，特别是大中型电炉的配料系统，已有一定规模的自动控制配料生 产装置，为生产和管理提供了强有力的的手段。随着生产规模的扩大和生产指标的提高， 国内一些重点铁合金企业引进了国外的先进配料装置。微机配料控制系统在生产中的应 用可以提高配料质量，稳定炉况，增产降耗，提高经济效益，已经成为生产中必不可少 的工艺环节。本论文是设计与开发设备成熟、经济实用的微机配料自动控制系统。 配料控制系统主要实现以下功能：能根据配料单设定值与实际称重值的趋近程度控 制配料皮带机变频运行；对物料的称量具有补正功能；配料精度1 ；能实时显示 各配料仓的设定值、瞬时称重值、累计重量值；对各种故障进行声光报警；能打印各类 报表。 系统设计从需要实现的功能出发，通过对五种计算机控制系统的方案比较，选择了 s c c 控制系统。s c c 系统是一种两级计算机控制系统，其中d d c 微机完成生产过程的 直接数字控制，s c c 级微机则根据生产过程的工况和已定的数学模型进行优化分析计 算，产生最优化给定值，送d c c 执行。s c c 级微机承担高级控制和管理任务，要求数 据处理能力强，存储量大。 铁合金配料系统由三个计算机系统组成：主控制机a 主要负责采集操作键盘设定的 各称量值、a d 转换、l e d 显示和上位机的通讯。 控制机b 主要对现场的控制对象实 施控制，包括配料变频调速控制、卸料控制和现场报警信号的中断控制。a 、b 两机之 间的数据交换采用了双口r a m 的设计方式来提高数据交换能力。上位机完成动态显示， 报表制作等。 论文主要论述了使用双口r a m 并行通讯解决大量数据的传递的问题，以及传感器 信号长线传输的处理及补偿技术，并提出了提高称量精度的控制方案。针对因原料陡度 不均匀，以及料仓粘料等原因造成的批料误差，还提出了料批重量误差补正方法，从而 减小了称量误差，提高了系统的控制精度。 本课题所设计与开发的系统，投产后在增产节能方面均取得了明显的效果。 关键词：配料；控制系统；设计与开发；双口r a m ；误差补正 v j ：海大学工程硕上学位毕业论文 a b s t r a c t f e r r o a l l o y se a fa b r o a d ，e s p e c i a l l yt h el a r g ea n dm e d i u m s i z e df u m a c eb u r d e ns y s t e m ，h a v eac e r t a i n l e v e la u t o m a t i cb u r d e nc o n t r o le q u i p m e n t ，a n dp r o v i d ep o w e r f u lm e a n sf o rt h ep r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t w i t ht h ee x p a n s i o no ft h ep r o d u c t i o ns c a l ea n dt h ei m p r o v e m e n to fp r o d u c t i o nt a r g e t s ，s o m ed o m e s t i c f e r r o a l l o yp l a n ti n t r o d u c e da d v a n c e db u r d e nd e v i c e sf r o ma b r o a d t h ea p p l i c a t i o no fb u r d e nc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mc a ne n h a n c et h e q u a l i t yo fb u r d e n ，s t a b i l i t yo ff u m a c ec o n d i t i o n ，a n dc a ni n c r e a s e p r o d u c t i o n ，r e d u c ec o n s u m p t i o n ，i m p r o v ee c o n o m i ce f f i c i e n c y i th a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l el i n ki nt h e p r o d u c t i o nc h a i n t h i ss u b j e c ti st od e s i g na n dd e v e l o p m e n tam a t u r e ，e c o n o m i c ；i la n dp r a c t i c a la u t o m a t i c b u r d e nc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m t h i sc o p t r o ls y s t e mm a i n l ya c h i e v e st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：c o n t r o lb e l tm a c h i n ev a r i a b l ef r e q u e n c y o p e r a t i o na c c o r d i n gt ot h er e a c h i n gd e g r e eb e t w e e nt h es e tv a l u eo fb u r d e nl i s ta n dt h ea c t u a lv a l u eo f w e i g h i n g ，h a v ec o r r e c t i o nf u n c t i o no nm a t e r i a l sw e i g h i n g ，b u r d e na c c u r a c ys4 - 1 ，r e a l t i m es h o w i n gt h e c h a r g eb i ns e r i n g s ，t h ei n s t a n t a n e o u sw e i g h i n gv a l u ea n dt h ea c c u m u l a t e dw e i g h i n gv a l u e ，g i v e a c o u s t o - o p t i ca l a r ma sf a u l th a p p e n s ，p r i n tv a r i o u ss t a t e m e n t s f r o mt h en e e dt oa c h i e v et h ef u n c t i o n ，a n db yc o m p a r i n gf i v ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ms c h e m e s ，t h i s d e s i g nc h o o s e st h es c cc o n t r o ls y s t e m t h es c cs y s t e mi sat w o - l e v e lc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m t h e d d c - l e v e lm i c r o c o m p u t e rc o m p l e t e sd i r e c td i g i t a lc o n t r o lo ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h es c c 1 e v e l m i c r o c o m p u t e rp e r f o r m so p t i m i z e dc o m p u t ea n da n a l y s i sa c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no fp r o d u c t i o np r o c e s s a n dt h es c h e d u l e dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，p r o d u c e sam o s to p t i m i z e dv a l u e ，a n dt h e ns e n ti tt od c ct ob e e x e c u t e d t h es c c - l e v e lm i c r o c o m p u t e rt a k e sh i g h - l e v e lc o n t r o la n dm a n a g e m e n tt a s k s s oi tr e q u i r e s s t r o n gd a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t ya n dl a r g em e m o r yc a p a c i t y f e r r o a l l o yb u r d e ns y s t e mc o n s i s t so ft h r e ec o m p u t e rs y s t e m s ：t h eh o s tc o m p u t e rai sr e s p o n s i b l ef o r a c q u i r i n gt h ew e i g h i n gv a l u es e tb yk e y b o a r d ，a dc o n v e r s i o n ，l e dd i s p l a ya n d u p p e r - p c c o m m u n i c a t i o n s c o m p u t e rbi sr e s p o n s i b l ef o rt h eo b j e c t sc o n t r o lo nt h es p o t ，i n c l u d i n gb u r d e nv a r i a b l e f r e q u e n c yc o n t r o l ，m a t e r i a ld i s c h a r g ec o n t r o la n dt h ea l a r ms i g n a li n t e r r u p t i o nc o n t r 0 1 d a t ae x c h a n g e b e t w e e nt h ec o m p u t eaa n dbu s ead u a l p o r tr a mm o d ed e s i g n e dt oi m p r o v ei t sc a p a b i l i t i e s t h e u p p e r - p cc o m p l e t e sd y n a m i cd i s p l a y , s t a t e m e n tp r o d u c t i o na n ds oo n t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h eu s eo fd u a l - p o r tr a m p a r a l l e lc o m m u n i c a t i o nt or e s o l v el a r g ed a t a t r a n s m i s s i o np r o b l e m s ，a n dt h ep r o c e s s i n ga n dc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yo nl o n g t e r mt r a n s m i s s i o no f s e n s o rs i g n a l i ta l s ob r i n g sf o r w a r dac o n t r o lp r o g r a mt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fw e i g h i n g b e c a u s et h e r a wm a t e r i a ls t e e p n e s si su n e v e na n dm a y b es t i c k st ot h ec h a r g eb i n ，t h i sc a nc a u s eb a t c h i n ge r r o r ；t h i s v i 上海大学- t 程硕上学位毕业论文 p a p e rp r o v i d e sam e t h o do f b a t c h i n gw e i g h te r r o rc o r r e c t i o nt or e d u c et h ew e i g h t i n ge r r o r a f t e rb e i n gp u ti n t oo p e r a t i o n ，t h es y s t e md e s i g n e da n dd e v e l o p e db yt h i ss u b j e c ta c h i e v e sg o o d b e n e f i t si np r o d u c t i o ni n c r e a s ea n de n e r g yc o n s e r v a t i o n k e y w o r d s ：b u r d e n ，c o n t r o ls y s t e m ，d e s i g na n dd e v e l o p m e n t ，d u a l - p o r tr a m ，e r r o rc o r r e c t i o n v i i 上海人学t 程硕上学位毕业论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。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发表或撰写过 的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名砍硼 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名砍相导师签名：丛查丝日期：竺zz ：压 _ i ：海大学工程硕上学位毕业论文 第一章绪论 1 1 铁合金自动化配料系统国内外现状及课题意义 铁合金作为钢铁冶金的中间原料，它有各种产品，比如：铬铁合金、锰铁合金、硅 铁合金三大系列。根据铁合金中的含碳量的不同，又有微碳铬铁、低碳铬铁、中碳铬铁 和碳素铬铁等铬铁合金品种。同样也具有锰系、硅系合金的各种品种。配料工序是铁合 金生产中的一个重要环节，也是铁合金生产的源头工序。在生产过程中，需要由各种矿 物按一定的比例进行混合，再把混合的矿加入电炉进行冶炼。配料质量控制的优劣直接 关系铁合金电炉能否冶炼出合格的产品。因此，配料精度的高低和配料速度的快慢制约 着整个生产的产品质量和产量，应对配料过程的质量和产量控制给予足够重视。 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。 在第一阶段中，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，产品的质量在很大程度上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 s t d 总线或p c 总线的工业控制计算机提上了日程，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，小板结构，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( 7 1 。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 上海人学工程硕士学位毕业论文 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，整个系 统的通用性和灵活性较差，成本较高，而且系统整体风险大，一旦计算机出现故障，将 造成整个系统瘫痪，影响生产正常进行。 基于上述情况，根据微处理器技术、网络技术、通信技术的发展情况，提出了微机 配料集散控制方式。它是由一台主机和多台从机组成，各个部分通过网络联接起来，主 机不参与被控对象的直接控制，而是将控制任务交给各个从机完成。即每台配料秤可视 为一个独立的生产单元，用单片机就地对一台秤实施测量与控制。若干台控制器( 从机) 经数字通信接口联网，并且与工业控制计算机( 主机) 相连，从而组成集散式微机配料系 统。这不仅大大简化线路结构，便于系统制造与安装维护，显著提高系统的性能价格比 和组成灵活性，同时使配料系统整体故障风险分散，数据管理与过程控制分离，人机接 口更加完善，满足了企业管理人员远离控制现场实时监视整个配料系统工作情况的需 求，进一步提高了配料系统的可靠性。 微机配料控制系统是配料工艺过程控制和质量控制的关键环节之一。微机配料控制 系统可以按照所设定各种矿石的配比，精确地配制，从而达到控制各种产品的质量和产 量的目的，同时它也是实现生产过程自动化和智能化、企业的科学管理、安全稳定生产 和节能降耗的重要技术手段。微机配料控制系统在生产中的应用不仅可以提高配料质量 和产量，也大大减轻了岗位工人的劳动强度，提高了生产效率。因此，研制技术先进、 设备成熟、经济实用的微机配料控制系统，具有现实意义并且应用前景十分广阔。 国外铁合金电炉，特别是大中型电炉，已具有一定规模的配料控制系统。为生产和 管理提供了强有力的的手段。如德国和南非一些铁合金大型企业，配料自动化已经成为 生产中必不可少的工艺环节。而由于采用传统的称量方法和劳动密集型生产方式，建造 成本低，国内大多数中小规模的铁合金企业的电炉配料中仍广泛采用，造成配料误差大， 炉况波动、合金成分不稳定、资源大量浪费的现象。国内的一些国营大中型企业，其配 料也承袭了传统的特征。随着社会进步、科技发展，改变传统的生产方式，从节约能源， 降低能耗、挖潜改造的角度出发，将先进的计算机控制技术取代传统的称量方式，研制 计算机自动配料系统势在必行。 2 上海人学工程硕十学位毕业论文 1 2 课题研究内容 为了解决现有微机配料系统中的一些问题，以便找到一种更好的配料控制方法，对 微机配料控制系统进行研究和开发。 本论文研究内容主要包括： ( 1 ) 铁合金配料计算机控制系统总体方案设计与研究 ( 2 ) 控制系统硬件方案与设计； ( 3 ) 配料系统通讯方法的设计与系统的实现 ( 4 ) 控制系统的软件设计 论文主要进行微机配料控制系统的硬件设计，包括a d 与d a 输入输出电路板、 开关量输入输出电路板等设计，并对数据采集、信号传输和如何提高配料系统精度的方 法等进行分析同时提出解决方法。 上海人学丁程硕十学位毕业论文 第二章铁合金配料计算机控制系统总体方案设计与研究 2 1 铁合金配料工艺及生产流程 铁合金配料工艺及生产流程如图2 1 所示，由n 个储料仓、1 1 条可调速的配料运输 皮带机，n 个配料计量仓，n 条配料皮带机及一条运料皮带机和一条斜桥皮带机组成。 储料仓内分别装有各种矿石原料。根据所冶炼铁合金产品的不同，选择相应的储料 仓进行配料值的重量设定，同时起动设有配料值的储料仓下的配料皮带机，将矿石原料 装入配料仓。每个配料仓中安装有三个称重传感器，将重量信号转变为电信号，再通过 传输送入a d 转换器，转换成数字量，系统按实际值和设定值情况对配料皮带机调速， 达到一定的配料精度。待配料称重值达到各设定值后，先后关闭相应的配料皮带机，按 由远至近的原则，先开启离斜桥皮带远端的卸料皮带机，再开启离斜桥皮带近端的卸料 皮带机，使各种矿石能在运料皮带机分层叠加得到混合。配料系统生产流程如图2 2 。 起 动 配 料 皮 带 机 配料仓内称重值i 糟l 配料皮带机 达到设定值时i 坐i 全部停止 下一批配料r 一1 关闭卸料皮带机h 计时 图2 2配料系统生产流程图 4 i ：海大学t 程硕_ 上学位毕业论文 2 2 铁合金配料系统的功能及工艺要求 为了使合金中的成分含量达到合格产品的要求，冶炼铁合金对配料精度有一定的要 求。由于每次配料控制对象的数量较多，控制的选择也较复杂，因此配料系统需达到如 下的功能才能满足工艺要求。 ( 1 ) 能根据配料单中的设定值对各个料仓进行任意的组合，要求系统有相当的灵 活性。 ( 2 ) 能根据设定值与实际称重值的趋近程度自动实现配料皮带机调速，以控制每 批料的配料精度。 ( 3 ) 卸料时，实现卸料皮带自远端向近端启动顺序的控制原则。 ( 5 ) 对物料的称量具有自动去皮的功能和自动过量补正功能。 ( 6 ) 能实时显示各料仓的实际瞬时值、设定值、累计重量值。 ( 7 ) 对下料堵塞、电机堵转，皮带跑偏、超重、欠重等故障进行声光报警。 ( 8 ) 能打印各类报表 ( 9 ) 称量精度，配料精度1 。 2 3 计算机控制系统的方案研究与选择 根据大量的国外铁合金企业的微机配料系统的文字资料介绍，如挪威、南非等的大 型铁合金企业，根据生产品种、规模以及原料种类等因素的不同，出现了由工业控制计 算机和p l c 组成的配料控制系统。这种控制系统一般可分为5 种类型：计算机操作指 导控制技术，直接数字控制系统( d d c ) ，监督计算机控制系统( s c c ) 、集散型控制系 统及现场总线控制系统。 1 计算机操作指导控制系统 计算机操作指导控制系统的结构如图2 3 所示。 模拟帚输入 数字齄输入 控制仪表 嗣人币刊人 图2 3 计算机操作指导控制系统 早期的生产过程很少有数字传感器，数字量输入多为开关量，故仅有模拟量输入和 数字开关量输入部分，生产过程需要收集的参数，经多路模拟量输入通道、多路数字开 关量输入通道送进微机，进行数据采集和分析处理，并将采集处理的数据以一定的形式 5 上海人学工程硕+ 学位毕业论文 显示或打印出来，可以在存储器中保存，当出现异常时发出声光报警。这种系统中微机 不直接参与影响生产的过程控制，仅为操作人员提供指导信息，供操作人员参考，操作 人员根据计算机的指导通过控制仪器对生产过程进行控制。该系统属于数据采集与处理 系统。 2 直接数字控制系统( d d c ) d d c 的系统结构如图2 4 。计算机通过模拟量输入通道及接口( a i ) 、数字开关量输 入通道及接口( d i ) 进行实时数据采集，然后按已定的控制规律进行实时控制决策，最 后通过模拟量输出通道及接口( a o ) ，数字量输出接口( d o ) ，实现对生产过程的直接 控制。d d c 属于计算机闭环控制系统，是工业控制一种普遍形式，若采用单机来实现 此种系统，从而控制各个配料回路，恐怕有些捉襟见肘了。 ，l 显示 生叫模拟f i t 输入卜啼 计 l 产 叫数字爷输入 _ 毙 i 打印 过 一模拟址输i j j i 一 机 系 j 报警 ，r l 程统 卜一数7 艟钏 卜 操作台 图2 4d d c 系统结构 3 监控计算机控制系统( s c c ) s c c 结构如图2 5 。s c c 系统是一种两级计算机控制系统，其中d d c 微机完成生产 过程的直接数字控制，s c c 级微机则根据生产过程的工况和已定的数学模型进行优化分 析计算，产生最优化给定值，送d d c 执行。s c c 级微机承担高级控制和管理任务，要 求数据处理能力强，存储量大。 n 磊翮 调节 控制 d d c 缓i f 算机i i习萋 硅示 打印 撒警 1 ：业数据 图2 5s c c 系统结构 4 集散型控制系统( d c s ) 集散型控制系统，采用分散控制，集中操作，分级管理，分而自治和综合协调的设 计原则，把系统从下到上分为过程控制级、控制管理级、生产管理级等若干级，形成分 级分布式控制，其结构如图2 6 。 6 上海大学t 程硕上学位毕业论文 其他局域叫络 l 龋il 熟i 旧鉴l 怫星il 篇ll 晕l il数据高速通道( d h w ) il 现场 现场过程 接口可编程逻辑智能其他可连接i 榨削站柠制站单_ 无、p i u )粹制器( p l c )调节器测榨磐胃 现场仪表、生产过程 图2 6d c s 的组成结构图 三级系统由数据高速通道( d h w ) 和局域控制网( l c n ) 两级通信线路相连。控制管理 级与过程控制级为操作站二控制站现场仪表三层结构模式，由现场控制站、输入输出过 程接口单元p 、c r t 显示操作站、数据高速通道、监控计算机5 部分组成。在数据高 速通道上可以挂接可编程控制器p l c 、智能调节器或其它可连测控装置。控制管理级的 监控计算机通过协调各控制站的工作，达到生产过程的动态最优化控制。生产管理级的 上位机具有制定生产计划和工艺流程以及产品、财务、人员的管理等功能，以实现生产 管理的优化。生产管理级可具体细分为工段、车间、厂、公司等几层，由上层其他局域 网络互相连接，传递信息，进行更高层次的管理、协调工作。 5 现场总线控制系统( f c s ) 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 ) 是新一代分布式控制结构，如图2 7 所示， 这种系统可克服d c s 系统成本高和由于各厂家的产品通信标准不统一而造成的不能互 联等弱点，采用工作站现场总线智能仪表的二层结构模式，实现了d c s 中三层结构模 式的功能，降低了成本提高了可靠性。 图2 7现场总线控制系统结构图 根据上述的配料工艺的生产流程和对配料系统的功能要求，可以对控制对象进行设 7 上海人学工程硕士学位毕业论文 计分配如下： ( 1 ) 模拟量输入a i ：各配科仓的称重量输入，水分检测仪的水份值输入。 ( 2 ) 数字开关量输入d i ：操作台按钮、拨盘信号输入，现场跑偏信号、位置信号 输入。 ( 3 ) 数字开关量输出d o ：各台配料皮带机的速度调节，各台卸料皮带的启停控制， 操作台各配料仓称重量的实时显示与上位机的通讯 控制系统要求在操作台上进行设数、键盘操作及实时显示。如果采用d d c 集中控 制，虽然系统很紧凑，却存在很大的弊病。如果某一环节出了问题，则会影响整机的工 作。因为仅是一个配料系统，若采用d c s 系统，不是很经济。国外有资料显示，d c s 系统可用于整个电炉的控制，其中包括配料电炉负荷控制、液压、除尘、水处理等各个 生产环节。显然d c s 系统在这罩是大材小用了。 s c c 系统比较起来较适合配料系统。s c c 实际上就是由2 个以上微机以协作方式互 相配合工作。s c c 系统通常由两级层次结构，执行局部独立控制功能的低档计算机称为 下级计算机，而对各下级计算机起协调作用，担任高级控制与管理职能的计算机称为上 级机。s c c 系统最主要的特点就是资源共享、信息数据共享、任务分担。资源共享就是 组成系统的各个部分都可以共享数据资料，而系统的功能又是由上下级各个计算机分担 而完成的，系统分给各个处理机的任务都是固定的。因此可以说，s c c 系统就是以资源 共享，功能分担为主要标志，依靠通讯线路组成一个多机系统。s c c 控制系统有如下的 优点： ( 1 ) 可靠性高，实时性强 s c c 系统中，它把任务分解，危险性分散在各个部分，某一部分的问题被局限在一 小范围，由于每一个部分能独立地并行工作，不仅无时间冲突，而且减轻了主机的负担。 ( 2 ) 灵活、通用 s c c 系统是一种模块化结构，根据生产对象要求不同，个数多少可以不同，可以积 木式地组建或扩充系统，以便满足不同对象的要求，而不影响其他部分的运行。 ( 3 ) 人机联系好 可在管理级主机上，以图像形式显示生产过程或打印全部报表，人机对话，发布命 令，检查数据，可以克服仪表控制时参数显示分散的特点，启停操作( 对话) 也很简单， 便于操作人员使用。 ( 4 ) 具有良好的性能价格比 根据上述的分析，结合计算机控制系统5 种类型，选择一个既能满足上述控制功能 又要相对投资少的系统。经方案的认真比较和分析，采用s c c 控制系统。 配料控制系统设计采用上下两级系统，下位机完成采样、称重，实现与上位机通讯 l ：海大学工程硕 ：学位毕业论文 和电机控制，上位机完成管理、图形、报表输出。两个系统各自分担自己的任务，互相 在数据信息中共享。 上述任务可以由二个单片机来承担：l 主控单片机a ( 称w g 机) 承担称重量的实 时模拟量的采样，数字滤波标度变换及实时显示，2 采集现场的各种限位开关( 跑偏位 置) 的输入并负责将各有关的实时信息通过串行通讯传递给上位管理计算机，其与另一 台主控单片机b ( 称p l c 机) 通过双口r a m 进行并行通讯。而p l c 则负责：对操 作台的键盘操作；由实际称重值对变频器调速；卸料皮带实时控制；执行控制算 法实行补偿计算，并自动修正下次设定值来减少配料误差和提高计量的精度。s c c 上位 机主要完成控制方案的调整和管理任务。 9 上海大学t 程硕士学位毕业论文 第三章控制系统硬件方案与设计 3 1 铁合金微机自动配料系统的组成 本微机控制的配料系统框图如图3 1 所示。从图中可以看出共有三个计算机系统。 图3 1 多微机配料系统系统结构 一 ( 1 ) 主控机a ：主要采集操作键盘设定的各称量值、a d 转换、l e d 显示和上位 机的通讯。 ( 2 ) 控制机b ：主要对现场的控制对象实施控制，包括配料变频调速控制、卸料控 制和现场报警信号的中断控制 a 、b 两机之间的数据交换原则：为了提高两机之间的数据交换速度和数据流量， 拚摒常规的串行通讯方式，而采用了双口r a m 的设计方式来提高数据交换能力。 3 2配料称重系统组成 自动配料系统最基本的要求是及时准确、稳定可靠地按设定配比进行配料。而配料 系统首先要计量准确，才能配料准确。因此，配料称重系统是配料系统关键环节，它由 称重传感器、信号传输、信号转换等环节组成，其组成框图如图3 2 所示。而影响配料 系统配料精度的主要设备是配料的称重系统和配料皮带机速度的控制。本章对称重系统 的设计进行讨论，而配料皮带机速度的控制将在后面讨论。 l o 上海人学丁程硕十学位毕业论文 称 蓖 传 感 器 3 3 传感器与执行机构 a ，d 转 换 器 图3 2 配料称重系统结构示意图 盥 片 机 3 3 1 称重传感器 铁合金行业中，各种产品的冶炼工艺，首道环节就是配料。而具有自动配料控制系 统，原料称重的一次仪表就是称重传感器。称重传感器是当前应用最为广泛的称量器件 之一。随着科技的发展，对工业衡量、称量技术和器材的要求日渐提高，在称重传感器 的生产过程中，其精确度变得越来越重要。 电阻式传感器是一种能把非电量( 如力、压力、位移、扭矩等) 转换成与之有对应 关系的电阻值，再经过测量电桥把电阻值转换成便于传送和记录的电压( 电流) 信号的 装置。电阻式传感器的种类很多，主要有电位器式、电阻应变式和压阻式三种类型。电 阻应变式传感器和压阻式传感器采用弹性敏感元件作为传递信号的敏感元件，这些弹性 敏感元件主要有弹性圆柱、悬臂梁、弹簧管、弹性膜片等。电位器式传感器主要用于非 电量变化较大的测量场合；电阻应变式传感器主要用于测量变化量相对较小的场合；压 阻式传感器因灵敏度高、动态响应好等特点被广泛使用。 电阻应变式传感器的最大用武之地是在称重和测力领域。这种测力传感器由应变 计、弹性元件、测量电路等组成。根据弹性元件结构形式( 柱形、筒形、环形、梁式、 轮辐式等) 和受载性质( 拉、压、弯曲、剪切等) 的不同，它们可分为许多种类。 本课题选用c z l y b 1 型柱式力传感器。该器件为电阻应变式传感器，具有体积小、 重量轻、测量精度高、偏心及侧向力影响小，并具有良好的拉压对称性。圆柱式传感器 的弹性元件如图3 3 所示。它的主要技术指标如表3 1 。 ( a ) 柱形图 ( b ) 展开图 图3 3 应变片粘贴在柱形弹性元件上 凼刨 ：海大学丁程硕士学位毕业论文 表3 1 称重传感器的主要技术指标 传感器等级 0 0 3o 0 5 非线性 0 0 3 f so 0 5 f s 滞后误差 0 0 3 f s 0 0 5 f s 重复性误差 0 0 2 f s 0 0 3 f s 蠕变( 3 0 分钟)0 0 3 f - s 0 0 5 f s 零点温度影响0 0 3 f s 1 0 k0 0 5 f s 1 0 k 输出温度影响o 0 3 f s 门o ko 0 5 f s 1 0 k 绝缘电阻5 0 0 0 m q2 0 0 0 m q 灵敏度2 m v v 过载能力1 5 0 最大激励电压 1 2 v 容许温度范围4 5 - - 4 - 8 0 设圆柱的有效截面积为s 、泊松比为肼弹性模量为e ，4 片相同特性的应变片贴在 圆筒的外表面，再接成全桥形式。如外加荷重为f ，r l 、r 3 受拉应力，r 2 、r 4 受压应力， 则传感器的输出为 f 虬2 号k ( 一+ 乞一巳+ & ) 把式= 三和勺= 一刍代入上式，得 砜= 詈聃训乞= 墨2k ( 1 + u ) 刍 由此可见，输出u o 正比于荷重，有 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 堕：三 丘 玑= 乏= 嗟， ( 3 3 ) 式中，u o m 为满量程时的输出电压；厨为荷重传感器的灵敏度( m v v ) ，k f = 警；氏 为荷重传感器满量程时的值。 制成称重式料位计时，把3 个荷重传感器按1 2 0 。分布安装，支起料斗，并根据传 感器输出电压信号大小，标注料位。本次设计选用的规格为3 0 0 k g ，三只共计9 0 0 k g 。 受力方式为压式。 3 3 2 称重信号的传输 根据称重传感器与控制计算机的距离远近，其传输线的阻抗会影响称重的正确性。 1 2 上海大学工程硕上学位毕业论文 因此称重传感器与控制系统的连接可以采用不同的方法。实践证明，当传感器的传输线 路在1 0 米以内的，其线路的阻抗变化可以忽略。但当传感器信号需要长线传输时，一 般可以采用v i 转换法传输、采用直流放大器传输、与数字信号传输三种方法，来解决 称重传感器与计算机的长线传输时精度问题。下面讨论v i 转换法传输和采用直流放大 器传输法。 1 v i 转换法传输 将传感器输出的信号由重量变送器进行信号放大及调理，并进行v i 变换，见变送 器原理框图( 图3 4 ) 。变送器完成传感器由零到满量程变化时，输出0 - - 1 0 m a 或4 2 0 m a 的直流恒电流信号，达到传感器输出信号远距离传送的目的。图3 5 为4 2 0 m a 转换电 路。 图3 。4 重量变送器的原理框图 图3 54 - - - 2 0 m a 转换电路 由称重传感器输出的毫伏信号，经变送器前级放大器放大到叫v 后，作为k 送入 到图3 5 电路中，转换成抛o m a 输出。= l o v 为电路的基准电压。输入电压杉从反 上海人学工程硕：l ：学位毕业论文 相端与基准电压端输入，晶体管石、互组成复合管，作为射极跟随器并降低石的基极 电流，使厶i t 。 从电路分析可知：i o = 厶- 1 2 ，若取墨= r 2 = r ，r = r = k r ，则： 咋= + 丽r ( 2 4 圳= + 丽r ( 2 4 吲= 三箐 因此有： 2 等 l ：2 4 - v b - ( 1 + k ) v ( 1 + k ) r ( 3 4 ) 若取嘭= 6 2 5 q ，k = 1 4 ，则当k = o 时，j i = 4 2 0 n 认，但输出电流j o 比j l 小一 个误差项厶，且该误差项为一变量。在输出电流为4 m a 时误差最大，为了减少转换误 差，使误差降到最小，实际电路可取羁= 4 0 2 5 1 6 2 ，r = 4 0 l q ，髟= 6 2 5 q ，r = b = 1 0 k f 2 。 2 采用直流放大器传输 采用具有长线传输补偿功能的直流放大。该电路的特点是无须v i 转换，即可自动 补偿长线传输是由于线路阻抗或拱桥电压变化带来的影响。计量的误差，并且稳定性好， 漂移低，简单，造价低。 图3 6 是长线传输补偿电路的电原理图。实际上它是一个电流放大器。图中称重传 感器采用四线制馈电方式。为了准确地跟踪传感器输出线路阻抗的变化，施加于传感器 的实际桥压+ 、一经4 、a ：构成的电压跟随器隔离后，再送到运放a ，进行差模放大。 a ，的输出。表示如下： v o , 炎= - ( 一圪一) ( 3 5 ) 1 4 簪 = 翻一 蟛咩 等 上海人学工程硕士学位毕业论文 上式表明：当称重传感器的供桥电压+ 、一随外界因素变化时，。能跟随它们 变化。 + 5 v e 2 蛐 a , h 竺c l l i 瓜 n p il竽。她j 广 - s v i 图3 6 传感器k 线补偿放大电路 以为电压跟随器，4 、以由两单片斩波自稳零运放c h 7 6 5 2 组成的测量放大器。 它们的用途是将传感器输出的毫伏级信号放大，并把放大后的电压信号传送到称量控制 器中a d 转换器。同时将长线跟踪电压，以保证传感器输出的信号和供桥基准电压 按比率作同样变化。设= v o 。，以的输出电压为v o ，因此有： 虼，2 ( 等匕一- 惫- v o z ( 3 6 ) 4 的输出为： 纠“静一惫 ( 3 7 ) 联立方程( 3 5 ) 、( 3 6 ) 、( 3 7 ) 整理即得： - ( 1 + 鲁肌吲+ ( 1 一r 矾i o r l 3 ) v 4 + 畿( k ( 3 8 ) 上式中，圪、为传感器的输出信号电压，第一项分别为传感器桥路的差压输出， 第三项为电源的长线跟踪输出。第二项为放大器共模输出增益。为提高其共模抑制比 c m r r ，所以使： 1 一鱼鱼：o r 局l 即：蜀。r ，= r 曷。 1 5 上海大学t 程硕七学位毕业论文 取咫= r 1 3 或墨。= 蜀。时，式( 3 8 ) 可化成 一( 1 + 鲁) ( 一圪) + 去( 一 ( 3 ” 上式表明，直流放大器的输出除了包含与传感器输出成正比的表示称重的电压信号 外，还直接跟踪供桥电源的微小变化。在长线传输过程中，这种变化可能性是由于线路 阻抗变化而引起的，结果将通过上式中第二项而加以补偿。以保证a d 转换后的读数基 本不变。在图3 6 中，a ，4 采用低失调运放o p 0 7 ，蜀。和c 2 构成低通滤波器，可有效 抑制由于c h 7 6 5 2 内部时钟斩波频率引起的尖峰干扰。经配料现场实践证明，该电路不 但适用四线制场中传感器的长线传输，同时也适用于六线制场中传感器的远距离接口。 配料生产线上，采用了上述称重信号在长线传输中的v i 转换法补偿技术，克服了 称重传感器和计算机在信号长线传输过程中，由于线路阻抗影响称重精度的技术问题， 取得了较好的配料效果。在设计过程中对直流放大器补偿技术作了一些试验，补偿效果 也很好。 3 3 3 传感器非线性误差的修正 在工业过程控制中，传感器在使用过程中都有温漂、时漂或某些参数发生变化的现 象，此外，由于同种传感器的输出存在一定的分散性，测量结果会产生一定的误差，因 此需要对传感器的特性进行校正和补偿，以提高测量的精度，并且使传感器的输出线性 化和标准化。传感器非线性误差修正的软件设计见第5 章。 3 4a d 转换方案与设计 3 4 1 概述 a d 转换系统组成如下：由电阻应变片为敏感元件的柱式传感器对配料仓的物料进 行计量，输出为毫伏信号；再经称重变送器将计量传感器送出的毫伏信号进行信号调理 和补偿，输出4 - - 一2 0 m a 信号；由转换电路把4 - , , 2 0 m a 信号转换为0 - - - 1 0 v 电压；a d 转 换实现肛l o v 模拟信号到计算机能接受的数字信号的转换。 3 4 2 多路通道选择开关 多路通道选择开关也称多路模拟开关，有多输入单输出的多路模拟开关与多输入单 输出通用的多路模拟开关。 多输入单输出的多路模拟开关，即所谓多线到单线，多用于单路a d 通道的切换。 1 6 j ：海大学t 程硕士学位毕业论文 另一方面，在输出装置中，常需要相反的切换，输入时共用一条信号线，输出是多通道， 即所谓的单线到多线，这种模拟开关常用于多路d a 转换器切换。本次设计中采用多路 模拟开关为双向传输的c c 4 0 5 1 多路模拟开关。c c 4 0 5 1 允许双向使用，即既可用于多 路到单路的切换，也可用于单路到多路的切换，如图3 7 是