料浆配料过程中的碱赤泥浆流量控制系统设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 PLCPLC技术及应用技术及应用 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 生料浆配料过程中的碱赤泥浆流量控制系统设生料浆配料过程中的碱赤泥浆流量控制系统设 计计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 自动化自动化071071 学学 号 号 070302011070302011 学生姓名 学生姓名 刘尊龙刘尊龙 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 2010 12 222010 12 22到到2010 12 312010 12 31 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 本科生课程设计 论文 IV 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号070302011学生姓名刘尊龙专业班级自动化071 课程设计 论文 题目 生料浆配料过程中的碱赤泥浆流量控制系统设计 课程设计 论文 任务 课题完成的功能课题完成的功能 在氧化铝配料过程中 需要将碱赤泥浆原料输送到球磨机中 输送设备采用泵 泵的驱动设备 为交流电动机 控制系统完成以下功能 1 实现泵启停的逻辑控制功能 2 实现碱赤泥浆流量的控制功能 3 监控画面中具有启停泵 流量设定值输入 实际流量监视等功能 设计任务及要求 设计任务及要求 1 采用西门子公司 200 系列 PLC 2 方案设计 I O 分配表 3 硬件设计和软件开发 4 离线运行结果分析 5 撰写课程设计说明书 技术参数 技术参数 1 电动机的额定功率 22Kw 额定电压 380V 额定电流 7A 额定转速 1450rpm 2 碱赤泥浆的流量范围为 80 120t h 进度 计划 1 熟悉课程设计题目 查找及收集相关书籍 资料 2 天 2 设计系统的结构原理图 1 天 3 仪表 控制系统等设备的选型 1 天 4 程序开发 4 天 5 撰写课设论文 1 5 天 6 设计结果考核 0 5天 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 V 摘 要 在生料浆配料过程中 碱赤泥浆的流量对生料浆的各项工艺指标有着直接的 影响 本文使用 PLC 来控制变频器 让变频器来控制电动机 进而控制泵起到改 变流量的功能 针对碱赤泥浆流量的特性 本文使用了 PID 的控制方法 介绍了西门子 S7 200PLC 变频器 MM440 和计量泵 并介绍了 PID 算法的 应用 用框图法来编辑程序 本文设计了泵的启停逻辑控制 碱赤泥浆的流量控制等程序 设计了 PLC 各 个 I O 接口的功能 并通过监控画面来模拟整个过程 从而能在应用中更准确的 控制流量 关键词 碱赤泥浆 PLC PID 控制方法 监控画面 本科生课程设计 论文 VI 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 2 2 1 概述 2 2 2 系统组成总体结构 2 第 3 章 硬件设计 3 3 1 PLC 系统的设计 3 3 2 计量泵 4 3 3 变频器 5 3 4 I O 口分配 6 第 4 章 软件设计 8 4 1 系统主流程图 8 4 2 系统梯形图 9 4 2 1 泵的启停程序 9 4 2 2 PID 控制 9 4 3 模拟环境运行 14 第 5 章 课程设计总结 15 参考文献 16 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 目前 生料泥浆的生产已经实现自动化 为了提高产品质量 在生产过程中 要控制生泥浆的配料碱赤泥浆的流量 以此来提高产品的质量 因此 生料浆生 产线中有越来越多的机器在使用先进的碱赤泥浆流量控制技术来提高产品的质量 和生产效率 而应用 PLC 完成电气部分的控制是工业自动化电气控制的主要发展 方向 本次课设主要介绍怎样控制碱赤泥浆的流量 我国的碱赤泥浆流量控制系 统相对于西方发达国家来讲还有很大的差距 设备陈旧 技术落后 成为阻碍我 们生泥浆配料行业发展的一个严重问题 鉴于这些问题 我国企业不断发展自身 的实力 逐步朝着生产高速化 设备结构合理化 设备的多功能化 设备的绿色 化 控制的智能化等方向发展 推出适合自己需求的产品来 本次课设就是朝着 这个方向进行研究和设计 可编程序控制器 Programmable Controller 简称 PC 为了避免同个人计算机 Personal Computer 简称 PC 混淆 现在一般将可编程序控制器简称为 PLC Programmable Logic Controller PLC 从诞生至今已有 30 多年 发展势头 异常迅猛 已经成为当代工业自动化领域中的支柱产品之一 特别是随着计算机 技术和通信技术的发展 PLC 的应用领域逐步扩大 应用前景十分看好 传统的控制系统 特别是 1969 年以前 那时 PLC 还未出现 中主要元件是 各种各样的继电器 它可以可靠且方便地组成一个简单的控制系统 但随着社会 的进步 工业的发展 控制对象越来越多 其逻辑关系也越来越复杂 用继电器 组成的控制系统就会变得非常庞大 从而造成系统的不稳定和造价昂贵 主要表 现在 当某个继电器损坏 甚至继电器的某触点接触不良都会影响系统的运行 继电器本身并不太贵 但控制柜内元件的安装和接线工作量极大 造成系统价 格偏高 产品需要不断地更新换代 生产设备的控制系统不断地作相应的调整 但对庞大的系统而言 日常维护已很难 再作调整难度更大 PLC 自问世以来 经 30 多年的发展 在工业发达国家 如美 日 德等 已成 为重要的产业之一 生产厂家不断涌现 PLC 的品种多达几百种 国内应用始于 80 年代 一些大中型工程项目引进的生产流水线上采用了 PLC 控制系统 使用 后取得了明显的经济效益 从而促进了国内 PLC 的发展和应用 目前国内 PLC 的应用已取得了许多成功的经验和成果 证明了 PLC 是大有发展前途的工业控制 装置 它与 DCS SCADA 计算机网络系统相互集成 互相补充而形成的综合 系统将得到更加广泛的应用 本科生课程设计 论文 2 第 2 章 课程设计的方案 2 1 概述 本次设计主要是综合应用所学知识 设计生料浆配料过程中的碱赤泥浆流量 控制系统 并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练 能够较全面地巩固和 应用 PLC 课程中所学的基本理论和基本方法 并初步掌握 PLC 系统设计的基本 方法 应用场合 应用于生料浆配料过程中 通过输入的流量数 通过变频器控制 电动机再通过泵的转速来实现流量的控制 系统功能介绍 由泵上的流量监视测量出的真实碱赤泥浆流量与系统要求的 的碱赤泥浆流量相比较 经 PLC 的计算后调节变频器 从而控制泵转速调节碱赤 泥浆的流量 2 2 系统组成总体结构 本设计针对在生料浆配料过程中 需要将碱赤泥浆原料输送到球磨机中 当 碱赤泥浆的流量控制在 80 120t h 时球磨机才能工作在最佳状态 用泵监视出的 流量通过 PLC 中的 PID 模块的计算控制电动机的转速 系统的总体结构图如图 2 2 PLC变频器电动机计量泵 流量监测 输入流量值 实 际 流 量 值 图 2 2 系统总结构图 本科生课程设计 论文 3 第 3 章 硬件设计 3 1 PLC 系统的设计 可编程控制器 Programmable Controller 是计算机家族中的一员 是为 工业控制应用而设计制造的 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 它主要用来代替继电器实现 逻辑控制 随着技术的发展 这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围 因此 今天这种装置称作可编程控制器 简称PC 但是为了避免与个人计算 机 Personal Computer 的简称混淆 所以将可编程控制器简称PLC plc 自 1966 年出现 美国 日本 德国的可编程控制器质量优良 功能强大 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机 其硬件结构基本上与微型计算 机相同 基本构成为 a 电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用 如果没有一个良好的 可 靠的电源系统是无法正常工作的 因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也 十分重视 一般交流电压波动在 10 15 范围内 可以不采取其它措施而 将 PLC 直接连接到交流电网上去 b 中央处理单元 CPU 中央处理单元 CPU 是 PLC 的控制中枢 它按照 PLC 系统程序赋予的功能 接收并存储从编程器键入的用户程序和数据 检查电源 存储器 I O 以及 警戒定时器的状态 并能诊断用户程序中的语法错误 当PLC 投入运行时 首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据 并分别存入I O 映 象区 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序 经过命令解释后按指令的 规定执行逻辑或算数运算的结果送入I O 映象区或数据寄存器内 等所有的 用户程序执行完毕之后 最后将 I O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的 数据传送到相应的输出装置 如此循环运行 直到停止运行 为了进一步提高 PLC 的可靠性 近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗 余系统 或采用三 CPU 的表决式系统 这样 即使某个 CPU 出现故障 整个 系统仍能正常运行 c 存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器 存放应用软件的存储器称 本科生课程设计 论文 4 为用户程序存储器 d 输入输出接口电路 1 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路 作用是PLC 与现场控制的接口界面的输入通道 2 现场输出接口电路由输出数据寄存 器 选通电路和中断请求电路集成 作用PLC 通过现场输出接口电路向现场 的执行部件输出相应的控制信号 e 功能模块 如计数 定位等功能模块 f 通信模块 如以太网 RS485 Profibus DP 通讯模块等 本文采用的是西门子 S7 200 图 3 1 西门子 S7 200 PLC 3 2 计量泵 电机经联轴器带动蜗杆并通过蜗轮减速使主轴和偏心轮作回转运动 由偏 心轮带动弓型连杆的滑动调节座内作往复运动 当柱塞向后死点移时 泵腔内 逐渐形成真空 吸入阀打开 吸入液体 当柱塞向前死点移动时 此时吸入阀 关闭 排出阀打开 液体在柱塞向进一步运动时排出 在泵的往复顺还工作形 成连续有压力 定量的排放液体 该泵性能优越 其中 隔膜式计量泵 绝对不泄露 安全性能高 计量输送 精确 流量可以从零到最大定额值范围能任意调节 压力可从常压到最大允许 范围内任意选择 2 调节直观清晰 工作平稳 无噪声 体积小 重量轻 维护方便 可并联使用 3 该泵品种多 性能全 适用输送 30 度到 450 度 本科生课程设计 论文 5 粘度为 0 800mm s 最高排出压力可达 64Mpa 流量范围在 0 1 20000L h 计量精度在 1 以内 4 根据工艺要求该泵可以手动调节和变频 调节流量 亦可实现遥控和 计算机自动控制 计量范围 0 400 升 公顷 压力范围 0 1 0 兆帕 驱动方式 电机驱动 控制方式 手动 自动控制 可接收 4 20mA 信号来调节流量 1 铸铝壳体 散热性能高 整体重量轻 适用各种酸碱药液 无毒无味 2 采用凸轮机构 整体上完全无泄露 可安置于药槽或管道上 3 接触 介质泵头为 PVC 可选 PTFE 及不锈钢材质 4 性价比高 普遍适用于 压力要求不高的水处理行业 5 在泵运行或停止时也可任意调节流量也可定 量输出 6 隔膜为多层复合结构压制而成 第一层超韧性Teflon 耐酸薄膜 第二层 EPDM 弹性橡胶 第三层厚度 支撑铁芯 第四层采用强化尼龙纤维 补强 第五采用 EPDM 弹性橡胶完全包履 可有效提升隔膜使用寿命 图 3 2 计量泵实物图 3 3 变频器 变频器是利用电力半导体器件的通断作用 工频电源变换为另 一频率的电 能控制装置 能实现对交流异步电机的软起动 变频调速 提高运转精度 改变功率因素 过流 过压 过载保护等功能 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分 变频器的主电 路大体上可分为两类 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器 直流 回路的滤波是电容 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器 其直流回 路滤波是电感 它由三部分构成 将工频电源变换为直流功率的 整流器 吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的 平波回路 以及将直流功率变换 为交流功率的 逆变器 本科生课程设计 论文 6 变频器通常分为 4 部分 整流单元 高容量电容 逆变器和控制器 整 流单元将工作频率固定的 交流电转换为直流电 高容量电容存储转换后的电 能 逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关 将直流电转化成不同频率 宽度 幅度的方波 控制器按设定的程序工作 控制输出方波的幅度与脉宽 使叠加为近似正弦波的交流电 驱动交流电动机 MM440 是一种集多种功能于一体的变频器 它的主要特点是内置多种运行 控制方式 快速电流限制 实现无跳闸运行 内置式制动斩波器 实现直流注入 制动 具有 PID 控制功能的闭环控制 控制器可用于控制多个交替工作的生产过 程 多功能数字 模拟输入 输出口 可任意定义其功能和具有完善的保护功能 图 3 3M440 变频器实物图 3 4 I O 口分配 本设计接入变频器需要 2 个模拟量输入 2 个模拟量输出 PID 控制需要 1 个模 拟量输入 1 个模拟量输出和 1 个数字量输入 选用 CPU224 有 14 个数字量输入 和 10 个数字量输出 扩展一个 EM231 和 EM232 表 3 4 I O 地址分配表 输 入输 出 本科生课程设计 论文 7 I0 0泵的运行状态Q0 0泵的启动 I0 2PID 的手动 自动转换开关Q0 1泵的停止 AIW0 0PID 的模拟量输入AQW0 0控制变频器工作 本科生课程设计 论文 8 第 4 章 软件设计 4 1 系统主流程图系统主流程图 数据采集及处理主要包括实时采集通过泵的流量信号 计算出系统流量是否 在允许的流量范围内 从而控制变频器改变电动机的转速 以达到碱赤泥浆流量 在系统要求的范围内目的系统主程序流程图如图 4 1 所示 开始 系统的初始化 对采集的流量处理 流量是否在 80t h 120t h 否 是 结束 PID 运算 图 4 1 主流程图 本科生课程设计 论文 9 4 2 系统梯形图系统梯形图 4 2 1 泵的启停程序 由于在泥浆配料过程中 需要将碱赤泥浆原料输送到球磨机中 而如果先加 入的话可是损害球磨机 所以在球磨机没启动前不可以输入碱赤泥浆 所以设 Q0 0 控制碱赤泥浆泵的电机 Q0 1 控制球磨机 I0 1 和 I0 3 为控制泵的启动合停止 启停程序如下 4 2 2 PID 控制 PID 控制算法中的参数定义如下 M t PID 回路输出 有时间的函数 Mn 第 n 次采样时刻 PID 回路输 出的计算值 e PID 回路的偏差 设定值与过程变量之差 在第 n 次采样 n e 时刻的偏差值 在第 n 1 次采样时刻的偏差值 采样时刻的偏差值 1 n e X ex PID 回路输出初始值 MX 积分项前值 PID 回路增益 积分 initial M C K I K 项的比例常数 微分项的比例常数 采样周期 积分项的比例常 D K S T I T 数 微分项的比例常数 第 n 采样时刻的设定值 第 n 1 采样 D T n SP 1 n P 时刻的设定值 第 n 采样时刻的过程变量值 第 n 1 采样时刻的 n PV 1 n PV 过程变量值 如果一个 PID 回路的输出 M 时间 t 的函数 则可以看做是比例项 积分项和 微分项三部分之和 即 dtdeKMedtKeKtM Cinitial t C C 0 本科生课程设计 论文 10 以上各量都是连续量 第一项为比例项 最后一项为微分项 中间两项为积 分项 用计算机处理这样的控制算式 即连续的算式必须周期性地采样并进行离 散化 同时各信号也要离散化 公式为 1 1 nnDinitial n xInCn eeKMeKeKM 从上式看出 比例项仅是当前采样的函数 积分项是从第一个采样周期到当 前采样周期所用误差项的函数 微分项是当前采样和前一次采样的函数 对计算 机系统来说 只要保存积分项前值和误差前值 就可以得到一个更简单的公式 如 1 nnDnInCn eeKMXeKeKM 具体到 S7 200PLC 中 设定值为 SP 过程值为 PV 系统增益系数只使用 积 c K 分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小 微分时间控制微分项在整个输 出结果中影响的大小 具体的计算公式为 11 nnnnSDC nnISCnnCn PVSPPVSPTTKMX PVSPTTKPVSPKM 一般来说 设定值不是经常改变的 所以 n 时刻和 n 1 时刻的 SP 是相等的 对上式进行简化后 得出 1nnSDCnnISCnnCn PVPVTTKMXPVSPTTKPVSPKM 这就是 PLC 中使用的 PID 算法 PID 控制程序如下 本科生课程设计 论文 11 80 为装入的设定值 0 4 为装入的回路增益 0 2 为采样时间 30 0 为积分时间 15 0 微分时间 本科生课程设计 论文 12 AIW0 为模拟量输入 本科生课程设计 论文 13 AQW0 为输出模拟量 本科生课程设计 论文 14 4 3 模拟环境运行 开关控制泵的启停 输入设定值然后碱赤泥浆流入泵中 检测出当前流量 当球 磨机正常运行时 显示为绿时 泵流入球磨机中 本科生课程设