小型配料搅拌装置电气系统设计毕业论文最终完成版本.doc

I 小型配料搅拌装置电气系统设小型配料搅拌装置电气系统设 计毕业论文最终完成版本计毕业论文最终完成版本 I 摘 要 本文介绍的配料搅拌系统以 PLC 作为控制核心 结合变频器等完成配料搅 拌的自动控制系统 能够较好的满足搅拌系统的要求 本设计运用了变频电机 M1 恒速电机 M2 液位传感器 搅拌电机 M3 皮带秤等主要器件 以 PLC 为控制核心 选用了西门子公司的 S7 1200 系列机 PLC 西门子生产的变频器 MM420 ZDSN 型电子式电动双调节阀 SS 45 HSP 100 型静压式液位变送器 ICS ST4 型电子皮带称 还有断路器 熔断器 热继电器等多种电路保护元件 运用 PLC 编程语言 以及人机界面控制面板 用 PLC 的 S7 200 的仿真软件进行仿真 实现了对不同的配料按预先设定的程 序进行混合搅拌的功能 关键词 可编程控制器 PLCS7 1200 变频器 MM420 电动调节阀 配料搅拌 系统 PID 控制 电动调节阀 ABSTRACT With the development of modern industrial technology material mixing technology has been rapid development it is widely used and the chemical technology and production but in the application the traditional material mixing process also exists serious problems and capacity constraints Computer technology as the core of PLC in the general automatic control equipment it is a kind of program to change control function of the computer As microprocessors computer and communication technology the rapid development of PLC programmable controller has widely applied in industrial control and the proportion of the rapid rise in PLC mainly consists of CPU module input and output module and programming module device It is applied in industry mixing equipment mixing process realized automation control and improved the stability agitate equipment work for the mixing machine smoothly orderly accurate working creates powerful guarantee In this paper the material mixing system with PLC as control core combined with frequency converter etc material stirring of the automatic control system Key words PLC programmable controller S7 1200 frequency converter MM420 material mixing system PID control Electric control valve I 1 第 1 章 绪 论 1 1 传统的配料混合设备的控制存在的问题 鉴于搅拌设备的广泛应用 随着近年来工业技术的发展 配料混合技术在 上世纪 60 到 80 年代期间得到了迅猛发展 其重点主要是对于常规搅拌桨在低粘 和高粘非牛顿均相体系 固液悬浮和气液分散等非均相体系中的搅拌功耗 混 合时间等宏观量进行实验研究 长期以来 虽然有大量设计经验和关联式可用于 分析和预测混合体系 但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到工业规模 仍是十 分危险的 至今仍然需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质 传热和混 合 这种方法不但耗费巨额的资金和大量的人力物力 而且设计周期很长 据统 计 在工业高度发达的美国 化学工业由于搅拌反应器设计不合理所造成的损 失每年约为 10 100 亿美元 因此 从更微观更本质的角度 例如采用先进的测试手段和建立合理的数学 模型 获取搅拌槽中的速度场 温度场和浓度场 不仅对开发新型搅拌设备 而且 对搅拌设备的优化设计具有十分重要的经济意义 对放大和混合的基础研究具有 现实的理论意义 而对于搅拌设备的研究 除功率问题外 有关搅拌的流体力学研究具有重 要意义 这方面已做了许多工作 但尚需扩大和深入 在液体中进行搅拌时 搅拌器的功能不仅引起液体的整个运动 而且要在液体中产生湍动 湍动程度 与搅拌器使液体旋转而产生的旋涡现象有密切关系 这些旋涡因经常地互相撞 击和破裂 使液体受到剧烈的搅拌 由此可见在搅拌操作中 对于流体力学理 论的研究是极其重要的 1 2 配料设备的发展趋势用 PLC 来代替传统配料混合设备控制 近代化学工业中 流动的配料不再只是一些低粘度的牛顿型流体 许多高 粘度流体也常常遇到 尤其是各种各样的高分子溶液以及混有催化剂粒子的浆 状流体等非牛顿型流体的应用日益广泛 它们与通常的牛顿型流体具有不同的 2 流动特性 所以对于非牛顿型液体的研究是当今的一个重要课题 对高粘度流 体 特别是非牛顿型流体的搅拌传热的研究 也是近年来的一个方向 聚合釜 的传热特性与其中所用的搅拌器的型式关系甚大 随着科学技术的发展 设备有大型化发展的趋势 也需求搅拌设备大型化 如国外聚合釜的容积已由最初的 8 40m3扩大到 60 100m3 最火的已达到 140m3 采用大型聚台釜可大大减少操作和检修人员 有利于自动化 减少投 资 提高生产率 稳定产品质量 随着容积的大型化 釜型逐渐由细长型向矮 胖型发展 而且采用底部搅拌的方式越采越多 多用三叶后掠式搅拌器 三叶 后掠式搅拌器是目前大型聚合釜采用的一种较好搅拌器 因它排出量大 釜内 液相循环充分 每分钟可达 5 10 次 能促使釜内反应均匀一致 搅拌也可以在管路中进行 采用在管路中安装装置的办法对气 液系和液 液系进行混合 例如采用喷射泵对水及醋酸丁酯进行混合 在石油精制中 也 采用使液体流过设置在管路中的锐孔板或挡板 以便使两种液体进行接触 还 有在管道中放入搅拌器的 即所谓管道搅拌 可见 科学技术的发展带动了搅拌应用面的扩大 搅拌技术的发展又使得 搅拌设备大型化 为了提高搅拌的全自动化和稳定性能 就需要一个功能更强 性能更好的系统做支持 在本设计中我将引入 PLC 来实现其搅拌控制功能 1 3 引入 PLC 来实现其配料混合设备的控制功能 本设计基于采用可编程序控制器 PLC 的设计方案 实现对配料混合搅拌的 控制 以 PLC S7 1200 为主要控制器 根据搅拌设备的功能特性 运作顺序等 设计中可选用电磁阀 时间继电器来实现液体的流入和时间上的延时 从而满 足其控制要求 根据控制要求 可以看出此程序是一个很典型的顺序控制问题 这样就可 以先按照搅拌设备的先后运行顺序画出相应的顺序功能图 然后在根据顺序功 能图画梯形图 最后再用仿真软件对其进行调试仿真 3 第 2 章 总体方案设计 2 1 总体方案论证 就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求 继电器控制系统 单片机控制 工业控制计算机控制 可编程序控制器控制 1 继电器控制系统 控制功能是用硬件继电器实现的 继电器串接在控制电路中根据主电路 中的电压 电流 转速 时间及温度等参量变化而动作 以实现电力拖动装 置的自动控制及保护 系统复杂 在控制过程中 如果某个继电器损坏 都 会影响整个系统的正常运行 查找和排除故障往往非常困难 虽然继电器本 身价格不太贵 但是控制柜的安装接线工作量大 因此整个控制柜价格非常 高 灵活性差 响应速度慢 2 单片机控制 单片机作为一个超大规模的集成电路 机构上包括 CPU 存储器 定时 器和多种输入 输出接口电路 其低功耗 低电压和很强的控制功能 成为功 控领域 尖端武器 日常生活中最广泛的计算机之一 但是 单片机是一片 集成电路 不能直接将它与外部 I O 信号相连 要将它用于工业控制还要附 加一些配套的集成电路和 I O 接口电路 硬件设计 制作和程序设计的工作 量相当大 3 工业控制计算机控制 工控机采用总线结构 各厂家产品兼容性强 有实时操作系统的支持 在要求快速 实用性强 功能复杂的领域中占优势 但工控机价格较高 将 它用于开关量控制有些大材小用 且其外部 I O 接线一般都用于多芯扁平电 缆和插头 插座 直接从印刷电路板上引出 不如接线端子可靠 4 可编程序控制器控制 可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择 用户不用自己设计和制 作硬件装置 只须确定可编程序控制器的硬件配置和设计外部接线图 同时 采用梯形图语言编程 用软件取代继电器电器系统中的触点和接线 通过修 4 改程序适应工艺条件的变化 可编程控制器 PLC 从上个世纪 70 年代发展起来的一种新型工业控制系 统 起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置 可以取代中间继电 器 时间继电器等构成开关量控制系统 随着 30 多年来微电子技术的不断发 展 PLC 也通过不断的升级换代大大增强了其功能 现在 PLC 已经发展成为 不但具有逻辑控制功能 还具有过程控制功能 运动控制功能和数据处理功 能 连网通讯功能等多种性能 是名符其实的多功能控制器 由 PLC 为主构 成的控制系统具有可靠性高 控制功能强大 性价比高等优点 是目前工业 自动化的首选控制装置 故选择 PLC 来实施本次设计 PLC 的基本功能 1 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电器电路 实现 逻辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动 化流水线 如注塑机 印刷机 订书机械 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流水线等 2 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制 世界上各主要 PLC 厂家的产 品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 机床 机器人 电梯等场合 3 闭环过程控制 过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业控制 计算机 PLC 能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制 PID 调节是 一般闭环控制系统中用得较多的调节方法 过程控制在冶金 化工 热处理 锅炉控制等场合有非常广泛的应用 4 数据处理 现代 PLC 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传送 数据转换 排序 查表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析及处理 数据处理一般用于大型控制系统 如无人控制的柔性制造系统 也可用于过 程控制系统 如造纸 冶金 食品工业中的一些大型控制系统 5 5 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信 随着计算机 控制的发展 工厂自动化网络发展得很快 各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通 信功能 纷纷推出各自的网络系统 新近生产的 PLC 都具有通信接口 通信 非常方便 2 2 系统方案的设计思想 1 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电路 技术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很 高的可靠性 2 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 发展到今天 已经形成了大 中 小各种规模的系列化产品 可以用 于各种规模的工业控制场合 除了逻辑处理功能以外 现代 PLC 大多具有完善 的数据运算能力 可用于各种数字控制领域 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机 是面向工矿企业的工控设备 它接口容易 编程语言易于为工程技术人员接受 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电 器电路图相当接近 只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继 电器电路的功能 为不熟悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人使用计 算机从事工业控制打开了方便之门 4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制 系统设计及建造的周期大为缩短 同时维护也变得容易起来 更重要的是使同 一设备经过改变程序改变生产过程成为可能 这很适合多品种 小批量的生产 场合 5 体积小 重量轻 能耗低 6 硬件配套齐全 拥护使用方便 适应性强 6 2 3 系统设计 系统原理图如图 2 1 所示 图 2 1 系统原理图 1 固体配料A的给料控制方式与计量 1 配料 A 的给料量控制 配料 A 是一种固体状配料 在给料时要求给料控制设备能够根据用料量的 大小来实时调节 给料电机要求通过变频调速实时改变喂料量的大小 变频调速原理 变频器的原理是将固定的交流电变成频率连续可调的三相 交流电 通常电机的同步转速表示 n0 60f p 为 式中 n0为旋转磁场转速 通常称为同步转速 f 为电流频率 p 为旋转磁场的磁极对数 当频率连续可调时 电动机的同步转速也连续可调 又电动机的转子转速 也是连续可调的 变频器就是通过改变电流的频率来使电动机调速的 2 配料 A 的计量方式 7 采用压力传感器组成的电子皮带秤的计量方式进行配料 A 的计量 电子皮带秤是一种连续输送松散配料进行自动称量的专用仪器 在我国各 行各业得到了广泛的应用 当皮带输送配料时 称重段上的配料重量通过皮带 称量拖辊载台作用于称重传感器 称重传感器将重量装换成电信号 送入运算 器 运算器将两个电信号进行积分运算 从而得出配料重量累计值并显示 运 算器的计算方法一般有积分法和累加法两种数学模式 3 给料与计量的配合控制 当配料 A 下落到电子皮带秤上时 通过给电子皮带秤上的压力传感器确 定一个配料量数值 然后通过配料下落到电子皮带秤上秤得的数据与给定数值 进行比较得到一个给料信号 然后将这个给料信号传送到 PLC 的 A D 模拟量模 块中 通过 PLC 的 D A 模拟量模块来给给料电机上的变频器一个控制信号 通 过这个控制信号来调节电机的转速 从而控制配料 A 的给了的大小 最后由电 子皮带秤将配料 A 输送到搅拌器中 2 液体进料量的控制方式与计量 1 配料 B 的给定量控制 配料 B 是一种液体状配料 如水 在给料时要求给料控制设备能够根据用 料量的多少实时地调节 对于调节阀要求其可以通过调节阀开度的大小 以改 变配料 B 给予的多少 利用电动调节阀来控制液体给量的装置 由检测流量的传感器将检测到的 流量变化信号 经交流电桥转换成交流电信号 再经过检波 比较 调零 PI 放大后 成为一个线性的液位信号 此信号与流量给定信号 阀位反馈信号进 行比较 经比例运算后输出一个三位电信号 开 停 关 控制调节阀上的执 行器 2 配料 B 的计量 常用的液体配料的计量方式有以下几种 电磁流量计 计量泵 涡街流量 计 鉴于电磁流量计的众多优点 本设计采用电磁流量计作为配料 B 的计量方 式 3 给料与计量的配合控制 打开电磁阀 原料 B 开始进料到搅拌机中 其料量的多少通过电磁流量 8 计中的流量传感器来测量 在测量时通过给流量计传感器一个给定值 给定值由 配料 A 和配料 B 的比例来定 和测量值进行比较 将比较结果传输到 PLC 的 A D 模拟量模块中去 再通过 PLC 的 D A 模拟量模块将控制信号传到电动调节 阀中 通过控制信号来控制电动调节阀的开度 从而达到控制配料 B 的进量大 小 3 混合设备的控制 搅拌装置中的混合装置是通过一个恒速的三相 M3 来带动 配料 A 和配料 B 通过这一装置达到混合均匀 4 控制方案 1 工艺流程的分析 a 首先根据混合配料 A 和配料 B 的比例给电子皮带秤中的秤重传感器和电 磁流量计一个给料信号 b 接通各个电气设备电源后 电气设备开始工作 其中搅拌电机一直带动 搅拌器工作 c 配料 A 输送到变频调速电机 M1 所带动的传送带上 通过 M1 带动的传 送带把配料 A 送到带有称重传感器的电子皮带秤上 然后由带有恒速电机的电 子皮带秤将配料 A 输送到搅拌器中去 e 变频调速电机 M1 的转速大小由电子皮带秤所带的秤重传感器所反馈的 4 20mA 电流信号通过 PLC 中的 A D 和 D A 模块把反馈信号送到变频器中去 通过这一反馈信号让变频器来调节 M1 电机的转速 已达到调节配料 A 的给料 量的目的 f 在输送配料 A 的同时打开电磁阀 配料 B 开始向搅拌器中输送 g 通过电磁流量计带有的流量传感器与给定值比较向 PLC 反馈一个 4 20mA 的电流信号 通过 PLC 中的 A D 和 D A 模块把信号传送到电动调节阀 中 通过这一信号控制调节电动调节阀的开度 以达到调节配料 B 进料大小的 目的 h 将配料 A 和配料 B 输送到搅拌器中后对其进行搅拌 2 控制流程 控制过程电气设备的启动顺序为 首先启动搅拌电机 M3 然后打开电磁阀 9 接通配料 A 的输送电机 M1 电子皮带秤 电动调节阀 电磁流量计及 PLC 电 源 通过电子皮带秤和电磁流量计的反馈信号实时地调节 M1 电机和电动调节 阀 以控制配料 A 和配料 B 的输送量 第 3 章 硬件设计 3 1 硬件系统构成原理 根据系统设计思想 可以构建如图 3 1 所示的硬件系统框图 图 3 1 硬件系统框图 其中 1 控制模块 控制模块由各种开关根据实际的开关需要发出开关量 信号 使 PLC 根据相关开关信号发出相关控制指令 本设计需要的开关主要有 手自动装换开关 急停开关 循环启动开关 循环停止开关 手动送 A 配料开 关 手动送 B 配料开关 手动搅拌开关 2 传感器模块 传感器模块主要是采集相关部位的动态变化信号 辅助 PLC 完成相关过程的控制 本设计所用的传感器主要有液位传感器用于显示搅 10 拌器内液位高度 称重传感器用于反馈配料 A 的量 从而控制配料 A 的量 电 磁流量计用于计量配料 B 的量 3 PLC PLC 是本设计中的主要控制元件 也是本设计的重点和难点 4 配料 A 的控制模块 配料 A 的控制模块主要有几部分组成 变频电机 M1 主要用于控制配料 A 的量 恒速电机 M2 主要用于将配料 A 送入搅拌器 5 配料 B 的控制模块 配料 B 的控制模块也有几部分组成 下料阀 Y1 主 要是将配料 B 送入下料管道 电动调节阀主要用于控制配料 B 的量 6 显示模块 主要是直观的显示搅拌器内液位的高度 3 2 硬件系统器件选型 1 PLC 机型选择 PLC 机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下 保证系统工 作可靠 维护使用方便及最佳的性能价格比 具体应考虑的因素如下所述 1 结构合理 对于工艺过程比较固定 环境条件较好 维修量较小的场合 选用整体式 结构的 PLC 否则 选用模块式结构的 PLC 配料混合控制系统的设计选用整 体式结构的 PLC 能够达到要求 2 功能强 弱适当 对于开关量控制的工程项目 若控制速度要求不高 一般选用低档的 PLC 西门子公司的 S7 1200 系列机 3 机型统一 PLC 的结构分为整体式和模块式两种 整体式结构把 PLC 的 I O 和 CPU 放在一块印刷电路板上 并封装在一个壳体内 省去了插接环节 因此体积小 价格便宜 但由于整体式结构的 PLC 功能有限 只适用于控制要求比较简单的 系统 一般大型的控制系统都使用模块式结构 这样功能易扩展 比整体式灵 活 一个大型企业选用 PLC 时 尽量要做到机型统一 由于同一机型的 PLC 其模块可互为备用 以便备件的采购和管理 另外 功能及编程方法统一 有 利于技术人员的培训 其外部设备通用也有利于资源共享 若配备了上位计算 机 可把各独立系统的多台 PLC 联成一个多级分布式控制相互通信 集中协调 11 管理 配料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的 PLC 4 是否在线编程 PLC 的特点之一是使用灵活 当被控设备的工艺过程改变时 只需用编程 器重新修改程序 就能满足新的控制要求 给生产带来很大方便 PLC 的编程 分为离线编程和在线编程两种 离线编程的 PLC 其主机和编程器共用配料混 合控制系统采用离线编程 5 PLC 的环境适应性 由于 PLC 是直接用于工业控制的工业控制器 生产厂家都把它设计成能在 恶劣的环境条件下可靠地工作 尽管如此 每种 PLC 都有自己的环境技术条件 用户在选用时 特别是在设计控制系统时 对环境条件要进行充分的考虑 一 般 PLC 及其外部电路 I O 模块 辅助电源等 都能在下列环境条件下可靠工作 温度 工作温度 0 55 最高为 60 储存温度 40 85 湿度 相对湿度 5 95 无凝结霜 振动和冲击 满足国际电工委员会标准 电源 交流 200V 允许变化范围为 15 15 频率为 47 53Hz 瞬间停电保持 l0ms 环境 周围空气不能混有可燃性 爆炸性和腐蚀性气体对 于 需要应用在特殊环境下的 PLC 要根据具体的情况进 行合理的选择 a PLC 容量选择 PLC 容量包括两个方面 一是 I O 的点数 二是用户存储器的容量 字数 PLC 容量的选择除满足控制要求外 还应留有适当的裕量 以做备用 根据经 验 在选择存储容量时 一般按实际需要的 10 25 考虑裕量 对于开关量 控制系统 存储器字数为开关量 I O 乘以 8 对于有模拟量控制功能的 PLC 所需存储器字数为模拟内存单元数乘以 100 通常 一条逻辑指令占用存储器 一个字 计时 计数 移位及算术运算 数据传输等指令占用存储器两个字 各种指令占存储器的字数可查阅 PLC 产品使用手册 I O 点数也应留有适当裕量 由于目前 I O 点数较多的 PLC 价格也较高 12 若备用的 I O 点的数量太多 将使成本增加 根据被控对象的输入信号和输出 信号的总点数 并考虑到今后的调整和扩充 通常 I O 点数按实际需要的 10 15 考虑备用量 b I O 模块的选择 PLC 是一种工业控制系统 它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程 它的工作环境是工业生产现场 它与工业生产过程的联系是通过 I O 接口模块 来实现的 通过 I O 接口模块可以检测被控生产过程的各种参数 并以这些现 场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据 同时控制器又通过 I O 接口 模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备 驱动各种执行机构 来实现控制 外部设备或生产过程中的信号电平各种各样 各种机构所需的信 息电平也是各种各样的 而 PLC 的 CPU 所处理的信息只能是标准电平 所以 I O 接口模块还需实现这种转换 PLC 从现场收集的信息及输出给外部设备的 控制信号都需经过一定距离 为了确保这些信息的正确无误 PLC 的 I O 接口 模块都具有较好的抗干扰能力 根据实际需要 PLC 相应有许多种 I O 接口模 块 包括开关量输入模块 开关量输出模块 模拟量输入模块及模拟量输出模 块 可以根据实际需要进行选择使用 确定 I O 点数 I O 点数的确定要充分的考虑到裕量 能方便地对功能进行扩展 对一个控 制对象 由于采用不同的控制方法或编程水平不一样 I O 点数就可能有所不同 开关量 I O 标准的 I O 接口用于同传感器和开关 如按钮 限位开关等 及控制 开 关 设 备 如指示灯 报警器 电动机起动器等 进行数据传输 典型的交流 I O 信号为 24 240V AC 直流 I O 信号为 5 24V DC 选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑 一是根据现场输入信号与 PLC 输入模块距离的远近来选择电平的高低 一 般 24V 以下属于低电平 其传输距离不宜太远 如 12V 电压模块一般不超过 10m 距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠 二是高密度的输入模块 如 32 点输入模块 能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度 一般同 13 时接通的点数不得超过总输入点数的 60 选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑 一是输出方式选择 输出模块有三种输出方式 继电器输出 晶闸管输出 晶体管输出 其中 继电器输出价格便宜 使用电压范围广 导通压降小 承 受瞬时过电压和过电流的能力强 且有隔离作用 但继电器有触点 寿命较短 且响应速度较慢 适用于动作不频繁的交 直流负载 当驱动电感性负载时 最大开闭频率不得超过 1Hz 晶闸管输出 交流 和晶体管输出 直流 都属于无触 点开关输出 适用于通断频繁的感性负载 感性负载在断开瞬间会产生较高反 电压 必须采取抑制措施 二是输出电流的选择 模块的输出电流必须大于负 载电流的额定值 如果负载电流较大 输出模块不能直接驱动时 应增加中间 放大环节 对于电容性负载 热敏电阻负载 考虑到接通时有冲击电流 要留 有足够的余量 三是允许同时接通的输出点数 在选用输出点数时 不但要核 算一个输出点的驱动能力 还要核算整个输出模块的满负荷负载能力 即输出 模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流值 c 电源模块的选择 电源模块的选择一般只需考虑输出电流 电源模块的额定输出电流必须大 于处理器模块 I O 模块 专用模块等消耗电流的总和 以下步骤为选择电源的 一般规则 1 确定电源的输入电压 2 将框架中每块 I O 模块所需的总背板电流相加 计算出 I O 模块所需的 总背板电流值 3 I O 模块所需的总背板电流值再加上以下各电流 框架中带有处理器时 则加上处理器的最大电流值 当框架中带有远程适配器模块或扩展本地 I O 适配器模块时 应加上 其最大电流值 4 如果框架中留有空槽用于将来扩展时 可做以下处理 列出将来要扩展的 I O 模块所需的背板电流 将所有扩展的 I O 模块的总背板电流值与步骤 5 在框架中是否有用于电源的空槽 否则将电源装到框架的外面 14 6 根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值 从用户手册中选择 合适的电源模块 需要 还要力争最佳的性价比 具体应考随着 PLC 技术的发展 PLC 产 品的种类越来越多 而且功能也日益完善 PLC 的种类繁多 其结构 性能 容量 指令系统 编程方式 价格等各有不同 当然使用场合也有所不同 因 此选择合理的 PLC 对提高 PLC 控制系统技术经济指标意义重大 因此在选择机型时不仅要满足其功能要求及维护等方面的虑 1 合理的结构形式 2 安装方式的选择 3 相当的功能要求 4 系统可靠性的要求 综合了输入输出 I O 点数 存储器容量 各项控制功能和机型的考虑以及 性价比等各方面的因素 在此我为该系统设计选择了 S7 1200CPU224PLC 一台 图 3 2 S7 1200 PLC CPU 的外形模型图 S7 1200 有 5 种 CPU 模块 6 个有 12 种工作方式的高速计数器和两点高速 计数器 和脉冲宽度调制器 直接读写的模拟量 I O 模块 先进的程序结构 灵 活方便的寻址方式以及程序化的 PID 编程控制 强大的通讯功能 它支持多种 通信协议 价格是它在所有品牌在同一功能区内很有竞争力的 最重要的是它 还提供了完善的的网上支持 这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方 便 2 变频器的选择 正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的 首先要 15 明确使用通用变频器的目的 按照生产机械的类型 调速范围 速度响应和控 制精度 启动转矩等要求 充分了解变频器所驱动负载特性 决定采用什么功 能的通用变频器构成控制系统 然后决定选用哪种控制方式最合适 所选用的 通用变频器应是既满足生产工艺要求 又要在技术经济指标上合理 若对通用 变频器选型 系统设计及使用不当 往往会使通用变频器不能正常的运行 达 不到预期目标 甚至引发设备故障 造成不必要的损失 另外 为了确保通用 变频器长期可靠的运行 变频器的地线的连接也是非常重要的 变频器在调速系统中的优点 1 控制电机的启动电流 2 降低电力线路的电压波动 3 启动时需要的功率更低 4 可控的加速功能 5 可调的运行速度 6 可调的转矩极限 7 受控的停止方式 8 节能 9 可逆运行控制 10 减少机械传动部件 a 变频调速原理 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的 n 60f 1 s p 对于成品电机 其磁极对数 p 已经确定 转差率 s 变化不大 故电机的转 速 n 与电源的频率 f 成正比 因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步 转速 进而达到异步电机的调试目的 b 变频器的工作原理 变频器的工作原理是把市电 380V 50Hz 通过整流器变成平滑直流 然后 利用半导体器件 GTO GTR 或 IGBT 组成的三相逆变器 将直流电变成可变电 16 压和可变频率的交流电 在本系统中 选用了由西门子生产的变频器 MM420 3 电动调节阀的选择 电动调节阀是直接用来控制流体流量的装置 主要是由相互隔离的电气部 分和齿轮传动部分组成 电机作为连接两个隔离部分的中间部件 电机按控制 要求输出转矩 通过多级正齿轮传递到梯形丝杆上 梯形丝杆通过螺纹变换转 矩为推力 因此梯形螺杆通过自锁的输出轴将直线行程传递到阀杆 执行机构 输出轴带有一个防止传动的止转环 输出轴的径向锁定装置也可以做动位置指 示器 输出轴止动环上连有一个旗杆 旗杆随输出轴同步运行 通过与旗杆连 接的齿条板将输出轴位移转换成电信号 提供给智能控制板作为比较信号和阀 位反馈输出 同时执行机构的行程也可由齿条板上的两个主限位开关开限制 并由两机械限位保护 执行机构工作原理 电动执行机构是以电动机为驱动源 以直流电流为控制及反馈信号 原理 方块图如图 3 所示 当控制器的输入端有一个信号输入时 此信号与位置信号 进行比较 当两个信号的偏差值大于规定的死区时 控制器产生功率输出 驱 动伺服电动机转动使减速器的输出轴朝减小这一偏差的方向转动 直到偏差小 于死区为止 此时输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上 伺伺服服 电电机机 位位置置反反馈馈 控控制制器器 调调 节节 阀阀 减减速速器器 控控制制信信号号 图 3 3 电动执行机构工作原理 控制器结构 控制器由主控电路板 传感器 带 LED 操作按键 分相电容 接线端子 等组成 智能伺服放大器以专用单片微处理器为基础 通过输入回路把模拟信 17 号 阀位电阻信号转换成数字信号 微处理器根据采样结果通过人工智能控制 软件后 显示结果及输出控制信号 调调 节节 阀阀 图 3 4 智能控制器组成结构 本设计选用 ZDSN 型电子式电动双调节阀 4 液位传感器的选择 在搅拌过称中对搅拌器内的液位高度要时刻的关注 本次设计选用静压式 液位变送器 静压投入式液位变送器 液位计 适用于石油化工 冶金 电力 制药 供排水 环保等系统和行业的各种介质的液位测量 精巧的结构 简单 的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便 4 20mA 0 5v 0 10mA 等标准信号输出方式由用户根据需要任选 利用流体静力学原理测量液位 是压力传感器的一项重要应用 采用特种 的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术 既保证了传感器的水密性 又 使得参考压力腔与环境压力相通 从而保证了测量的高精度和高稳定性 用静压测量原理 当液位变送器投入到被测液体中某一深度时 传感器迎 液面受到的压力公式为 g H Po 式中 P 变送器迎液面所受压力 被测液体密度 g 当地重力加速度 18 Po 液面上大气压 H 变送器投入液体的深度 同时 通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔 再将液面上 的大气压 Po 与传感器的负压腔相连 以抵消传感器背面的 Po 使传感器测得压力为 g H 显然 通过测取压力 P 可以得到液位 深度 功能特点 稳定性好 满度 零位长期稳定性可达 0 1 FS 年 在补偿温度 0 70 范围内 温度飘移低于 0 1 FS 在整个允许工作温度范围内低于 0 3 FS 具有反向保护 限流保护电路 在安装时正负极接反不会损坏变送器 异 常时送器会自动限流在 35 MA 以内 固态结构 无可动部件 高可靠性 使用寿命长 安装方便 结构简单 经济耐用 本次设计可选用 SS 45 HSP 100型静压式液位变送器 5 电子皮带秤的选择 电子皮带秤由承重装置 称重传感器 速度传感器和称重显示器组成 称 重时 承重装置将皮带上配料的重力传递到称重传感器上 称重传感器即输出 正比于配料重力的电压 mV 信号 经放大器放大后送模 数转换器变成数字量 A 送到运算器 配料速度输入速度传感器后 速度传感器即输出脉冲数 B 也送到运算器 运算器对 A B 进行运算后 即得到这一测量周期的配料量 对每一测量周期进行累计 即可得到皮带上连续通过的配料总量 ICS ST4型电子皮带称使用最广泛的皮带秤 电子皮带秤称重桥架安装于输送机架上 当配料经过时 计量托辊检测到 皮带机上的配料重量通过杠杆作用于称重传感器 产生一个正比于皮带载荷的 电压信号 速度传感器直接连在大直径测速滚筒上 提供一系列脉冲 每个脉 冲表示一个皮带运动单元 脉冲的频率正比于皮带速度 称重仪表从称重传感 器和速度传感器接收信号 通过积分运算得出一个瞬时流量值和累积重量值 并分别显示出来 配料重力的传递途经为 输送带 称重托辊 托辊支架 称 19 量台 称重传感器 而在输送机式皮带秤中 配料重力的传递途经为 输送带 托辊与滚筒 输送机架 称重传感器 本次设计也可选用常用的 ICS ST4型电子皮带秤 6 电动机选型 1 变频电机 M1选型 根据设计的要求 本设计选用 BPY 系列三相交流异步电动机 BPY 系列 三相交流变频调速异步电动机是我国吸取国外产品技术 在广泛调研和收集国 内有关资料的基础上开发成功的最新产品 它具有噪声小 振动小 调速范围 广 运用可靠 维修方便等优点 可与国内外各类变频器配套使用 有助于节 能和实现自动控制 BPY 系列三相交流变频调速异步电动机采用我国研制开发的 VVVF 变频调 速电机计算机辅助设计程序和 CAD 技术进行设计 是电机在低速运行时具有 较高的启动转矩 能在1 10范围内做恒转矩运行 且运行平稳 无转矩爬升现 象 在高速运行时 具有较高的过载能力 保证电机恒功率输出 电机采用单 独的轴抽风机强迫通风 确保在不同的转速运行时具有良好的冷却效果 该电 机绝缘可靠 性能优良 对电磁线 侵渍漆等主要的绝缘材料 采取先进的介 电分析法进行质量控制 并在绝缘处理过程中采用动态介电测量 控制侵器烘 焙过程 保证了电机绝缘质量稳定可靠 并对变频器高载波频率引起的过电压 具有很强的适应能力 同时还可根据用户的需求设置计算机控制接口 有助于 实现调速系统的自动化控制 也可以在非轴伸端装置制动器 便于快速制动 BPY 系列三相交流变频调速异步电动机 广泛用于机床 纺织 化工 冶 金 工业洗衣机等行业的恒转矩和恒功率调速及风机水泵等场合的节能调速 本设计所用的电机 M1也可选用 BPY 系列电动机 2 本设计所用电动机 M2和 M3可选用三相鼠笼异步电动机 三相异步电动机 它主要由定子和转子两部分组成 定 转子之间是气隙 转子绕组是用作产生感应电势 并产生电磁转矩的 它分鼠笼式和绕线式两 种 鼠笼式转子绕组是自己短路的绕组 在转子在每个槽中放有一根导体 材 料为铜或铝 导体比铁芯长 在铁芯两端用两个端环将导体短接 形成短路绕 组 若将铁芯去掉 剩下的绕组形状似松鼠笼子 故称鼠笼式绕组 20 鼠笼式异步电动机结构简单 制造容易 成本低 运行维护方便 它被广 泛地应用在工农业生产中 作为电力拖动的原动机 它的缺点是调速性能差 启动力矩较小 因此在一些要求平滑调速和启动 力矩很大的场合常用其他类型电动机来完成 本次设计 M2 M3电动机可选用型号 YLZ 系列三相鼠笼异步电动机 7 电磁流量计选型 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计 电磁流量 计的优点是压损极小 可测流量范围大 最大流量与最小流量的比值一般为 20 1以上 适用的工业管径范围宽 最大可达3m 输出信号和被测流量成线 性 精确度较高 可测量电导率 1 s cm 的酸 碱 盐溶液 水 污水 腐蚀 性液体以及泥浆 矿浆的流体流量 但它不能测量气体 蒸汽以及纯净水的流 量 1 当导体在磁场中作切割磁力线运动时 在导体中会产生感应电势 感应电 势的大小与导体在磁场中的有效长度及导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的 速度成正比 同理 导电流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁感应力线时 也会在管道两边的电极上产生感应电势 感应电势的方向由右手定则判定 感 应电势的大小由下式确定 Ex BDv 式中 Ex 感应电势 V B 磁感应强度 T D 管道内径 m v 液体的平均流速 m s 然而体积流量 qv 等于流体的流速 v 与管道截面积 D 4的乘积 将式 1 代入该式得 Qv D 4B Ex 由上式可知 在管道直径 D 己定且保持磁感应强度 B 不变时 被测体积流 量与感应电势呈线性关系 若在管道两侧各插入一根电极 就可引入感应电势 Ex 测量此电势的大小 就可求得体积流量 本次设计可以选用 LD 系列智能电磁流量计 21 3 3 硬件系统设计 根据控制方案的要求配料 A 和配料 B 要用到 S7 1200 的 PID 控制指令 下 面分别对配料 A 和配料 B 的控制方式进行设计 PID 控制就是根据系统的误 差 利用比例 积分 微分计算出控制量来进行控制 当被控对象的结构和参 数不能完全掌握 或得不到精确的数学模型时 控制理论的其他技术难以采用 时 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定 这是应用 PID 控制技术最为方便 即使我们不完全了解一个系统和被控对象 或不能不能通 过有效的测量手段来获得系统参数时 最适合采用 PID 控制技术 控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统 开环控制系统是指被控 对象输出对控制器的输出没有影响 在这中控制系统不依赖将被控制量反送回 来已形成任何的闭环回路 闭环控制系统的特点是系统被控对象会反送回来影 响控制器的输出 形成一个或多个闭环 闭环控制系统有正反馈和负反馈 若 反馈信号与系统给定值信号相反则称为负反馈 若极性相同则成为正反馈 一 般控制系统均采用负反馈 又称为负反馈控制系统 可见 闭环控制系统性能 远优于开环控制系统 本设计变频电机 M1 的控制可采用闭环控制系统 其控制框图如图 3 5 所 示 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容 他是根据被控过程的 特性 确定 PID 控制器的比例参数 积分时间和微分时间的大小 PID 控制器 参数整定的方法很多 概括起来有如下两类 一理论计算整定法 它主要依据系统的数学模型 经过理论计算确定控制器 参数 这种方法所得到的的计算数据未必可以直接使用 还必须经过工程实际 进行调整和修改 二是工程整定法 它主要依据工程经验 直接在控制系统试样中进行 且 方法简单 易于掌握 在工程实际中被广泛应用 PID 控制器的工程整定方法 主要有临界比例法 反应曲线法和衰减法 这三种方法各有其特点 其中共同 点都是通过试验 然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定 但无论采用 哪一种方法所得到的的控制器参数 都需要在实际中进行最后的整定与完善 现在一般采用临界比例法 利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如 22 下 1 首先与选择一个足够短的采样周期让系统工作 2 仅加入比列控制环节 直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡 记 下这时的比例放大系数和临界振荡周期 3 在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数 PID 控制器的主要优点 PID 控制器成为应用最广泛的控制器 它具有以下优点 1 PID 算法蕴含了动态控制过程中过去 现在 将来的主要信息 而且其 配置几乎最优 其中 比列 P 代表了当前的信息 起纠正偏差的作用 是过程 反应迅速 微分 D 在信号变化时有超前控制作用 代表将来的信息 在过程开 始是强迫过程进行 过称结束时减小超调 克服振荡 提高系统的稳定性 加 快系统的过渡过程 积分 I 代表了过去积累的信息 他能消除静差 改善系统 的静态特性 此三种作用配合得当 可是动态过程快速 平稳 准确 收到良 好的效果 2 PID 控制适应性好 有较强的鲁棒性 对各种工业应用场合 都可以在 不同的程度上应用 特别适于 一阶惯性环节 纯滞后 和 二阶惯性环节 纯滞后 的过程控制对象 3 PID 算法简单明了 各控制参数相对较为独立 参加的选定较为简单 形成了完整的设计和参数调整方法 很容易为工程技术人员所掌握 4 PID 控制根据不同的控制要求 针对自身的缺陷进行了不少改进 形成 了一些列改进的 PID 算法 例如 为了克服微分带来的高频干扰的滤波 PID 控 制 为了克服大偏差是出现饱和超调的 PID 积分分离控制 为了补偿控制对象 非线性因素的可变增益 PID 控制等 这些改进算法在一些应用场合取得了很好 的效果 同时当今智能控制理论的发展 又形成了许多智能 PID 控制方法 PID 算法 PLC 的 PID 控制器设计是以连续系统 PID 控制规律为基础 经采样将其数 字化写成离散形式 PID 控制方程 再根据离散方程进行控制程序设计 典型的 PID 算法包括 3 项 比例项 积分项和微分项 即 输出 比例项 积分项 23 微分项 计算机在周期性地采样并离散化后进行 PID 运算 算法如下 Mn Kc SPn PVn Kc Ts Ti SPn PVn Mx Kc Td Ts PVn 1 PVn 比例项 Kc SPn PVn 能及时地产生与偏差 SPn PVn 成正比的调节作用 比 例系数 Kc 越大 比例调节作用越强 系统的静态稳定精度越高 但 Kc 过大会 使系统的输出量振荡加剧 稳定性降低 积分项 Kc Ts Ti SPn PVn Mx 与偏差有关 只要偏差不为 0 PID 控 制的输出就会因积分作用而不断变化 直到偏差消失 系统处于稳定状态 所 以积分的作用是消除稳态误差 提高控制精度 但积分的动作较慢 给系统的 动态稳定带来不良影响 很少单独使用 积分时间常数 Ti 增大 积分作用越强 消除稳态误差的速度减慢 微分项 Kc Td Ts PVn 1 PVn 根据误差变化的速度 即误差的微分 进行 调节 具有超前和预测的特点 微分时间常数 Td 增大时 超调量减少 动态 性能得到改善 但 Td 过大 系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢 许多控制系统内 可能只需要 P I D 中的一种或两种控制类型 如可能 只要求比例控制或比例与积分控制 通过设置参数可对回路进行控制类型进行