水泥厂配料系统.doc

洛阳理工学院毕业设计（论文）基于PLC的石灰石破碎及预均化系统电气控制摘 要该文首先全面阐述了设计该文的背景以及我国水泥行业的发展；从分析水泥厂自动配料的工艺过程出发，首先分析控制回路，在其基础上设计控制策略，确定合理的控制方案；其次分析需要的控制点，有备妥信号，应答信号，报警信号，电机的启停，流量的检测，配比的设置等。统计I/O点数，画出系统工艺流程图和控制回路图，以及控制回路接线图；然后选择组态软件为北京三维力控科技有限公司的工业监控组态软件Forcecontrol6.1，对力控组态软件进行了学习和应用，做出监控界面组态，数据库组态，曲线组态等。最后连接上位机与可编程逻辑控制器PLC，进行调试和运行。通过电子称的应用来进行物料的称量以及调节。来实现对物料添加量的控制，按一定的比例控制确保质量。该设计通过计算机监控系统实现了对水泥厂配料系统现场的监控和管理。不仅提高了生产的质量和产量，而且降低了生产过程中的能耗，提高了效率。关键词：电子皮带称，组态，PLC,自动配料，控制系统.The Design Of Automatic Batching Control System in Cement based on PLCABSTRACTThis paper first comprehensively expounded design based background and the development of Chinas cement industry; From analyzing the process of automatic batching cement plant, first analysis control circuit based on its basis, design and control strategy, the determination of reasonable control scheme; Secondly, the control point analysis needed to prepare signals, response signal, alarm signal, motor start-stop, flow testing, the matching Settings etc. Statistics I/O points, draw the system process flow diagram and control circuit diagram, and control circuit wiring diagram; Then select configuration software for the Beijing 3d force control technology Co., LTD. Of industrial control configuration software, Forcecontrol6.1 to force control configuration software in learning and application, make monitoring interface configuration, database configuration, curve configuration, etc. Finally connected PC and PLC (programmable logic controller, commissioning and operation.Through the application of electronic scale to materials weighing and adjusting. To realize the control of material additives, press the certain proportion control to ensure quality. This design through a computer monitor system realize the cement mixing system site monitoring and management. Not only improve the production quality and yield, and reduces the production process of the energy consumption and improve efficiency. KEY WORDS: electronic belt says, configuration, PLC, automatic batching, control system. 5目录前言1第1章 概述21.1 设计背景21.1.1 我国水泥工业的发展现状21.1.2 我国水泥工业的发展方向21.1.3 集散控制系统31.1.4 可编程逻辑控制器的介绍3第2章 水泥生产工艺介绍62.1 水泥生产过程62.1.1 破碎及预均化62.1.2 生料制备62.1.3 生料均化72.1.4 预热分解72.1.5 水泥熟料的烧成82.1.6 水泥粉磨82.1.7 水泥包装82.2 新型干法水泥的特点82.2.1 新型干法水泥的生产技术的现状及发展方向82.2.2 新型干法水泥的工艺流程9第3章 电子皮带秤的结构工作原理113.1 电子皮带秤构成113.2 皮带秤的称重原理11第4章 水泥厂自动配料设计134.1 水泥的原料选择134.2 控制系统体系结构分析134.2.1 系统结构分析134.2.2 整体结构控制设计144.3.1 PID流量调节器的设计154.3.3 I/O控制点数统计18第5章 硬件设计195.1 控制系统的硬件配置195.1.1 PLC型号的选择195.1.2 扩展模块的选型195.1.3 电子皮带秤的功能及选型205.1.4 变频器的结构及选型215.2 I/O点及数据储存地址分配225.3 控制程序设计24第6章 组态软件介绍及设计306.1 关于软件306.1.1 软件说明306.1.2 选型说明306.1.3 图形系统主要特点316.2 力控组态软件326.2.1 力控组态软件的启动326.2.2 力控组态软件的开发过程336.2.3 力控组态软件运行41结论44谢 辞45参考文献46外文资料翻译47前言生料配料控制既是水泥生产工艺过程控制和质量控制的关键环节，也是实现水泥生产过程自动控制和配料方案准确实施的重要技术手段。因此，在水泥生产中大力推广先进的生料配料控制系统，不仅能提高水泥配料质量和生产效率，而且可以减轻操作工人的劳动强度、降低生产成本。针对我国水泥生产现状，根据中小型水泥生产的特点以及配料生产存在的自动化程度低、实时监控性差、生产效率低等问题。首先，本文确定以生料配料系统为研究对象，对目前水泥生料配料系统作了概述，然后从实际应用角度出发确定了由工业控制计算机和电子皮带秤组成的生料配料集散控制系统总体方案。计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断、双机热备等先进技术，使系统更加安全可靠，在这方面，力控组态软件将为您提供强有力的软件支持。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系统集成。本文对组态技术进行了一些研究，对其发展概况进行了比较全面的了解。利用组态软件对由石灰石、铁矿石、砂岩组成的水泥厂配料系统进行监控系统设计。首先，介绍和分析了水泥配料工艺，通过分析确立了控制方案；其次，利用力控组态软件，根据方案做出监控界面和数据组态以及曲线组态。最后，通过与可编程逻辑控制器的连接，实现了对水泥厂配料系统的监控与管理。 第1章 概述1.1 设计背景1.1.1 我国水泥工业的发展现状现在我国水泥生产总量上能建设需求其应用于市政改建、水利水电工程、道路工程等领域为我国基础设施建设立下了汗马功劳我国水泥行业现存主要问题由“供不应求”转向对其从技术、规模、产业结构等水泥生产发展从传统立窖法到新型流水线生产科技进步也了人们对水泥应用科学都地了水泥行业发展。然而我国正高速发展阶段、建筑建材需求量等原因水泥给带来了严峻问题例如：共和国国民经济和社会发展第十五年规划纲要中“十一五”期间国内生产总值能耗降低20左右主要污染物排放总量10约束性指标等法律法规都对水泥行业了新要求现状不就难以现代化发展需求从而我国经济高速发展“绊脚石” 。小水泥厂我国工业组成其水泥产量约占我国水泥行业总产量80%然而中小水泥厂建设和改造偏重于产量、降低成本产品质量下降、环境污染和资源浪费严重等；水泥工程建设中“三大材”使用量、消耗量都水泥熟料为生产水泥主要原料每生产一吨水泥熟料直接排放0.51吨二氧化碳燃煤排放0.37吨二氧化碳,需要消耗石灰石、煤炭等不可再生资源且原材料在开采过程中也对生态环境破坏假设我国GDP年均7.5%速度增长并基于我国水泥生产情况可大致预测出20082012年水泥总产量将达71亿多吨建材工业协会报告我国现存可用于烧制水泥石灰石储量为450亿吨可开采储量为250亿吨按2004年我国水泥产量（约10亿吨）计算再过30年我国水泥原材料就面临枯竭像我国正发展阶段中停止基础设施建设将多么恐怖事情。 1.1.2 我国水泥工业的发展方向 随着政府加大对重点水泥集团的扶持力度，将有助于解决一直困扰国内水泥龙头企业发展的融资瓶颈，进一步推动水泥行业整合，未来的兼并重组将进一步加剧；通过兼并重组壮大的水泥集团，更有条件进一步兼并重组，加速产业集中度提高。可以预期，未来水泥行业洗牌将加速，区域性龙头企业的行业地位将进一步加强，水泥行业的并购也将愈演愈烈。长期而言，水泥仍然处于长期的高速增长期。从长期来看，在我国城镇化趋势没有完全改变以前，水泥需求将依然保持高增长态势。2008年11月国家提出四万亿拉动内需计划及扩大内需十条政策，主要集中在民生工程、基础设施、生态环境和灾后重建等方面，水泥作为建筑行业必不可少的建筑材料，无疑会受益良多，水泥工业有望保持平稳增长。中国已成为全球最大的消费地区和购并中心，全球大水泥在中国的战略布局，将在深层次改变行业结构，水泥行业面临全球发展中心向中国转移的发展机遇。1.1.3 集散控制系统集散控制(Distributed control system，简称DCS)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。它的下位机通常采用PLC(或电振机配料控制器等)，上位机是生料配料控制协调级(相当于SCC)，综合信息管理级是生产管理计算机，上位机和下位机之间采用RS一422串行通讯网络进行通讯，形成完整的配料控制系统，配料控制计算机和生产管理计算机之间采用企业内部局域网络连接。这种控制系统的优点在于系统的硬件和软件均以组件或模块的形式出现，用户只要把这些组件和模块适当连接起来并对软件进行组态就可组成控制系统，因而易于扩展;采用分散控制，使故障分散，再加上完善的系统自检功能使其可靠性大大提高。由于采用此种控制方式研制的配料控制系统成本高，一般比较适合大型水泥企业的配料控制要求。1.1.4 可编程逻辑控制器的介绍可编程控制器(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(ProgrammableLogic 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的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。可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境应用而设计的，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计的。可编程控制器具有以下特点：1. 可靠性高，抗干扰能力强；传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。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。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。2. 硬件配套齐全，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，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，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。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。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、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造；PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。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；以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。第2章 水泥生产工艺介绍2.1 水泥生产过程水泥厂设备是生产水泥的一系列设备组成的水泥设备生产线。主要由破碎及预均化、生料制备均化、预热分解、水泥熟料的烧成、水泥粉磨包装等过程构成。水泥设备包括：水泥回转窑、旋风预热器、篦式冷却器水泥回转窑是煅烧水泥熟料的主要设备，已被广泛用于水泥、冶金、化工等行业。该设备由筒体、支承装置、带挡轮支承装置、传动装置、活动窑头、窑尾密封装置、燃烧装置等部件组成，该回转窑具有结构简单，运转可靠，生产过程容易控制等特点。旋风预热器适于各种窑型配套使用(见目录中所列)，在转化、消化引进日本川崎日产800吨、日产1000吨水泥熟料的主要设备基础上，研制了日产500吨、2000吨带分解炉的五级悬浮预热器。预热器可广泛应用于大中小水泥厂设备的新建和改造。篦式冷却机是一种骤冷式冷却机，其原理是：用鼓风机吹冷风，将铺在篦板上成层状的熟料加以骤冷，使熟料温度由1200骤降至100以下，冷却的大量废气除入窑作二次风。2.1.1 破碎及预均化（1）破碎 水泥生产过程中，大部分原料要进行破碎，如石灰石、黏土、铁矿石及煤等。石灰石是生产水泥用量最大的原料，开采后的粒度较大，硬度较高，因此石灰石的破碎在水泥厂的物料破碎中占有比较重要的地位。（2）原料预均化 预均化技术就是在原料的存、取过程中，运用科学的堆取料技术，实现原料的初步均化，使原料堆场同时具备贮存与均化的功能。2.1.2 生料制备水泥生产过程中，每生产1吨硅酸盐水泥至少要粉磨3吨物料（包括各种原料、燃料、熟料、混合料、石膏），据统计，干法水泥生产线粉磨作业需要消耗的动力约占 全厂动力的60%以上，其中生料粉磨占30%以上，煤磨占约3%，水泥粉磨约占40%。因此，合理选择粉磨设备和工艺流程，优化工艺参数，正确操作，控制 作业制度，对保证产品质量、降低能耗具有重大意义。2.1.3 生料均化新型干法水泥生产过程中，稳定入窖生料成分是稳定熟料烧成热工制度的前提，生料均化系统起着稳定入窖生料成分的最后一道把关作用。2.1.4 预热分解把生料的预热和部分分解由预热器来完成，代替回转窑部分功能，达到缩短回窑长度，同时使窑内以堆积状态进行气料换热过程，移到预热器内在悬浮状态下进行，使 生料能够同窑内排出的炽热气体充分混合，增大了气料接触面积，传热速度快，热交换效率高，达到提高窑系统生产效率、降低熟料烧成热耗的目的。（1）物料分散换热80%在入口管道内进行的。喂入预热器管道中的生料，在与高速上升气流的冲击下，物料折转向上随气流运动，同时被分散。（2）气固分离当气流携带料粉进入旋风筒后，被迫在旋风筒筒体与内筒（排气管）之间的环状空间内做旋转流动，并且一边旋转一边向下运动，由筒体到锥体，一直可以延伸到锥体的端部，然后转而向上旋转上升，由排气管排出。（3）预分解预分解技术的出现是水泥煅烧工艺的一次技术飞跃。它是在预热器和回转窑之间增设分解炉和利用窑尾上升烟道，设燃料喷入装置，使燃料燃烧的放热过程与生料的碳酸盐分解的吸热过程，在分解炉内以悬浮态或流化态下迅速进行，使入窑生料的分解率提高到90%以上。将原来在回转窑内进行的碳酸盐分解任务，移到分解炉内进行；燃料大部分从分解炉内加入，少部分由窑头加入，减轻了窑内煅烧带的热负荷，延长了衬料寿命，有利于生产大型化；由于燃料与生料混合均匀，燃料燃烧热及时传递给物料，使燃烧、换热及碳酸盐分解过程得到优化。因而具有优质、高效、低耗等一系列优良性能及特点。2.1.5 水泥熟料的烧成生料在旋风预热器中完成预热和预分解后，下一道工序是进入回转窑中进行熟料的烧成。在回转窑中碳酸盐进一步的迅速分解并发生一系列的固相反应，生成水泥熟料中的等矿物。随着物料温度升高近时，等矿物会变成液相，溶解于液相中的和进行反应生成大量 （熟料）。熟料烧成后，温度开始降低。最后由水泥熟料冷却机将回转窑卸出的高温熟料冷却到下游输送、贮存库和水泥磨所能承受的温度，同时回收高温熟料的显热，提高系统的热效率和熟料质量。2.1.6 水泥粉磨水泥粉磨是水泥制造的最后工序，也是耗电最多的工序。其主要功能在于将水泥熟料（及胶凝剂、性能调节材料等）粉磨至适宜的粒度（以细度、比表面积等表示），形成一定的颗粒级配，增大其水化面积，加速水化速度，满足水泥浆体凝结、硬化要求。2.1.7 水泥包装水泥出厂有袋装和散装两种发运方式。2.2 新型干法水泥的特点2.2.1 新型干法水泥的生产技术的现状及发展方向以预分解窑为代表的新型干法水泥生产技术是国际公认的代表当代技术发展水平的水泥生产方法。具有生产能力大、自动化程度高、产品质量高、能耗低、有害的物排放量低、工业废弃物利用量大等一系列的优点成为当今世界水泥工业生产的主要技术。新型干法水泥生产技术的内容包括原料矿山开采、原料预均化、生料均化、新型节能粉磨、高效低阻预热器和分解炉、新型蓖式冷却机、高耐热耐磨及隔热材料、计算机与网络化信息技术等。新型干法水泥生产在最大程度利用工业废渣作为原燃料的同时，在利用工业和生活垃圾等方面具有极大的发展前景。是水泥生产具有高效、优质、节能、资源利用符合环保和可持续发展的要求。2.2.2 新型干法水泥的工艺流程新型干法水泥生产工艺过程与其他生产方法相比基本上是相同的。它包括原燃料进厂、原燃料破碎、生料制备、熟料煅烧、水泥制成及发运等。比如回转窑是指旋转煅烧窑（俗称旋窑），属于建材设备类。回转窑按处理物料不同可分为水泥回转窑、冶金化工回转窑和石灰回转窑。 水泥回转窑是水泥熟料干法和湿法生产线的主要设备。回转窑广泛用于冶金、化工、建筑耐火材料、环保等工业。该回转窑由筒体，支承装置，带挡轮支承装置，传动装置，活动窑头，窑尾密封装置，喷煤管装置等部件组成。回转窑的窑体与水平呈一定的倾斜，整个窑体由托轮装置支承，并有控制窑体上下窜动的挡轮装置，传动系统除设置主传动外，还设置了在主电源中源断时仍能使窑体转动，防止窑体弯曲变形的辅助传动装置，窑头、窑尾密封装置采用了先进的技术，保证了密封的可靠性。回转窑除锻烧水泥熟料外，还用来锻烧粘土、石灰石和进行矿渣烘干等;耐火材料生产中，采用回转窑锻烧原料，使其尺寸稳定、强度增加，再加工成型。有色和黑色冶金中，铁、铝、铜、锌，锡、镍、钨、铬、锉等金属以回转窑为冶炼设备，对矿石、精矿、中间物等进行烧结、焙烧。如:铝生产中用它将氢氧化铝焙烧成氧化铝;炼铁中用它生产供高炉炼铁的球团矿;国外的“SL/RN法”、“Krupp法”用它对铁矿石进行直接还原;氯化挥发焙烧法采用它提取锡和铅等。选矿过程中，用回转窑对贫铁矿进行磁化焙烧，使矿石原来的弱磁性改变为强磁性，以利于磁选。典型的新型干法水泥生产工艺流程如图2-1所示。图2-1典型的新型干法水泥生产线工艺流程10洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 电子皮带秤的结构工作原理3.1 电子皮带秤构成皮带秤一般由六大部件组成: 图3-1电子皮带秤构成3.2 皮带秤的称重原理皮带秤是对散状物料自动地连续、累计称量的计量器具。连续、自动称重是皮带秤的主要特点。为了测定运动输送带上单位长度的瞬时流量，某一段距离的物料重量，或一段时间和一段距离的累积重量。这些量在理论上的计算，可用积分法和累加法两种数学模式来演算。1)积分法输送机输送物料时，主控机连续测量皮带上每单位长度的载荷值q(kg/m)并与皮带在同一时刻的速度u(m/s)相乘，测得结果为物料的瞬时流量q*v(kg/s)。因物料输送的不均匀性和皮带速度随时间变化，所以在T时间间隔的累计流量可以用积分式3-1表示。 （3-1）W一T时间间隔的物料累计量kg或t;T一物料通过秤的时间S或h;q(t)一皮带单位长度上的物料重量kg/m;u(t)一物料在皮带上的运行速度m/s。2)累加法输送机输送物料时，我们约定每当皮带运行一段距离t时，累加器作一次称料重量的累加q，在一段时间内，输送带运行了n倍1的距离，累加器则有n次被称物料重量的累加W即式3-2： （3-2）12第4章 水泥厂自动配料设计4.1 水泥的原料选择生产硅酸盐水泥的主要原料为石灰质原料和黏土质原料，有时还要根据原燃料品质和水泥品种，掺加校正原料以补充某些成分的的不足，还可以利用工业废渣作为水泥的原料或混合材料进行生产。本设计选用了三种料：石灰石、铁矿石、砂岩进行配料设计。4.2 控制系统体系结构分析4.2.1 系统结构分析根据现场常用的设备配置，对于本系统中的三种不同的原料仓，分别配置3台配料秤（称重皮带给料机）。现场设备如图4-1所示，其配料秤由一下及部分组成：框架结构、环形裙边胶带、驱动装置、称重计量装置，以及用于现场启停单台给料机的现场操作箱等组成。电机的启停及速度需要实时变化来改变皮带转速控制流量，因此每台皮带电机均需要配置一台变频器来控制各电机动作。图4-1 现场设备4.2.2 整体结构控制设计控制系统主要包括电气控制系统和上位机监控系统软硬件。电气控制系统根据其系统包括PLC柜、称重仪表柜、变频控制柜、操作台等，其中可编程控制器作为控制系统的核心，用于处理各皮带电机的手/自动启停、系统故障、应答等信号，并输出相应的动作指令、状态指示信息等；称重仪器可以测量出流量的瞬时值，并且在PLC中进行累计；变频器可以改变皮带电机的转速，从而改变生料流量的大小。整体控制结构图如图4-2所示，流量检测信号为模拟量输入；电机的运行状态、手自动、故障报警为数字量输入；变频器频率控制是模拟量输出；电机的启停信号是数字量的输出信号。图4-2 控制结构本设计我采用了西门子公司生产的S7写列S2200的PLC，其CPU 226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O或35路模拟量I/O点，13KB程序和数据存储空间。按照其控制结构图进行I/O口分配如图4-3所示： 图4-3 I/O口分配图 4.3 控制方案设计4.3.1 PID流量调节器的设计由于皮带秤有流量的限制，所以必须由上位机给出每种原料的流量给定值，否则会产生堆料或其他故障，并且原料之间根据化学元素含量的不同存在配比。电子皮带秤测量出的是流量的瞬时值，流量的给定值与系统测量的瞬时值之间存在偏差。在流量实际控制中采用工业控制中应用最为广泛的PID调节，根据流量偏差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。其控制规律： （4-1）式中的控制的K为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间。其控制流程图如图4-4所示，图4-4 PID控制流程图控制结构如图4-5所示，上位机监控系统配置一台工控机和工控组态软件，配料系统程序与PLC进行通讯，读取配料系统的状态(运行状态、报警状态)，写命令控制各设备的启动、停止；同时程序与各仪表进行通讯，图4-5 系统控制结构图读取各给料机仪表的数据，编写配料方案，并把各给料机的配料流量送入各仪表，仪表进行配料调节。4.3.2 皮带电机控制方案备妥:从现场传出电机是否已准备妥当的信号，上位监控计算机接收并处理该信号最终确定是否允许开动电机；驱动:从上位监控计算机输出的控制信号来控制电机的启停；应答:电机的状态输送到上位监控计算机，上位监控计算机接收并处理信号（用来检查线路的执行情况）；故障：当电机产生过载，通过热继电器的动作，将信号输送到上位机的监控计算机，人工通知现场，处理故障。电机的主接线图和电气控制接线图控制如图4-6示。当转换开关打图4-6主接线图及电气控制图到自动档时，KA1继电器线圈得电，KA1的动合触点接在PLC上，连接图参见附图，KA1的动合触点闭合，通过PLC传给监控界面备妥信号，此时在在计算机监控界面可以对现场进行操作；当转换开关打到手动档是，配料现场可以根据具体情况进行操作，其控制原理是按下启动按钮SB2，接触器KM1线圈得电，主触点闭合，电机开始运转，同时KM1辅助触点闭合，形成自锁；当按下按钮SB1，KM1线圈失电，主触点断开电机停止运转，同时KM1辅助触点断开，消去自锁。4.3.3 I/O控制点数统计根据上述分析，统计出I/O点，如表4-1所示。表4-1 I/O点数统计表点数对象说明DI12个1#石灰石皮带电机的运行状态信号2#铁矿石皮带电机的运行状态信号3#砂岩皮带电机的运行状态信号4#总皮带电机的运行状态信号1#石灰石皮带电机的故障报警信号2#铁矿石皮带电机的故障报警信号3#砂岩皮带电机的故障报警信号4#总皮带电机的故障报警信号1#石灰石皮带电机的手/自动信号2#铁矿石皮带电机的手/自动信号3#砂岩皮带电机的手/自动信号4#总皮带电机的手/自动信号DO4个1#石灰石皮带电机的启停控制信号2#铁矿石皮带电机的启停控制信号3#砂岩皮带电机的启停控制信号4#总皮带电机的启停控制信号AI4个石灰石、铁矿石、砂岩、总皮带的流量监测AO4个石灰石、铁矿石、砂岩、总皮带的流量控制第5章 硬件设计5.1 控制系统的硬件配置5.1.1 PLC型号的选择西门子S7系列可编程控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型可编程控制器系统。S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列。CPU22X型PLC具有两种不同的电源供电电压，输入电路分为继电器输出和晶体管DC输出两大类。CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号。 CPU221集成6输入/4输出共10个数字量I/O点，无I/O扩展能力，6KB程序和数据存储空间。CPU222集成8输入/6输出共14个数字量I/O点，可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O或10路模拟I/O点，6KB程序和数据存储空间。CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O或35路模拟I/O点，13KB程序和数据存储空间。CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O或35路模拟量I/O点，13KB程序和数据存储空间。5.1.2 扩展模块的选型虽然S7-200系列PLC上已提供了一定数量的输入/输出/触点，当用户需要多于CPU单元的I/O点数时，就要进行I/O的扩展。I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。CPU不同，扩展规范也不同，它主要是受CPU的功能限制的。S7-200的CPU提供一定数量的主机数字量I/O点，但在主机I/O点数不够的情况下，就必须使用扩展模块来扩展I/O点数。典型的数字量输入/输出扩展模块有：EM221输入扩展模块有两种：8点DC输入、8点AC输入。EM222输出扩展模块有三种：8点DC晶体管输出、8点AC输出、8点继电器输出。EM223输入/输出混合扩展模块有六种：分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出和4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。5.1.3 电子皮带秤的功能及选型目前在水泥企业广泛使用的微机控制配料系统按秤型划分主要有电子斗秤、失重秤、核子秤、单悬臂电子皮带秤、双悬臂电子皮带秤。现在国内外公认:电子式称重计量设备是当今的主流，它在绝大多数场合取代机械秤，实现称重技术的进一步优化。本设计选用西门子MSI型电子皮带秤，MSI电子皮带秤广泛应用与水泥、食品、采矿矿物、煤炭化工等工业中。在速度最大为4m/s时，最大负荷为5000d/h，皮带的宽度为450mm2400mm，测量精度达到0.5%或更高，与枢轴秤相比，MSI反应迅速，托辊更少，称重精度更高。（1）MSI型电子皮带秤构成皮带秤一般由六大部件组成: 图5-1 MSI型电子皮带秤结构图（2）MSI型电子皮带秤工作原理：物料在输送状态下，皮带秤的称重是利用称重传感器和测速传感把皮带上过的物料重量与输送带速度转换成电信号。现场放大器对两组信号进行适当处理，输送给主控制计算机进行积算、调节、控制等。最后从显示器给出称重累计结果。这是皮带秤自动、连续累计称重的过程。5.1.4 变频器的结构及选型变频器的任务是把电压和频率恒定的电网电压编程电压和频率可调的变频电源。它有不同的结构形式和不同的类型。图5-2是目前应用最广泛的变频器的基本结构。图5-2 变频器的基本结构1、整流电路的主要作用是电网工频电源进行整流，把交流电整流成直流电，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。2、直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行滤波，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。3、逆变电路是变频器最主要的部分，主要作用是在控制下有规律地实现逆变器中主开关器件的通与短，将整流电路输出的直流电转换为频率和电压都任意可调的交流电。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电机的调速控制。4、控制电路是变频器的核心部分，主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，运算电路能够根据要求为变频器主电路提供驱动信号，完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制，同时控制电路通过A/D、D/A转换等外部接口电路接受和发送外部信号和给出系统内部工作状态，是变频器能够和外部设备配合进行各种高性能的控制，并完成各种保护功能。工业现场中常用的变频器有台达的VFD-M系列变频器，根据需要本系统也选用该类型变频器根据表4-1 I/O点数统计表，及相关的系统控制要求，以节能环保和投资成本为依据，特为本系统选用西门子S7-200系列CPU224机型，具体所选硬件统计见表5-1。表5-1 硬件统计表名称型号个数厂家备注PLCCPU2241西门子24输入/16输出，扩展模块EM2311西门子模拟量输入EM2322西门子模拟量输出电子皮带秤MSI4西门子最大负荷5000d/h变频器VFD-M4台达7.5KW计算机M4600V1戴尔控制柜1自制5.2 I/O点及数据储存地址分配对于开关量来说，I/O分配实际是把PLC的I/O分配给实际的元件给实际的元件赋予一定的PLC地址，其输入输出点与与控制对象的输入输出信号之间一一对应；对于模拟量来说，输入输出的通路数目与实际电路也是一一对应的。I/O点分配见表5-2。人工界面输入的PID控制参数以及相关数据的输出也必须与所编写程序的变量地址一一对应，变量地址分配见表5-3。表5-2 I/O点分配表输入点对应信号输出点对应信号I0.01#电机运行状态信号Q0.01#电机启停I0.12#电机运行状态信号Q0.12#电机启停I0.23#电机运行状态信号Q0.23#电机启停I0.34#电机运行状态信号Q0.34#电机启停I0.41#电机手/自动状态信号AQW1石灰石流量控制I0.52#电机手/自动状态信号AQW3铁矿石流量控制I0.63#电机手/自动状态信号AQW5砂岩流量控制I0.74#电机手/自动状态信号AQW7总流量控制I1.01#电机故障报警信号I1.12#电机故障报警信号I1.23#电机故障报警信号I1.34#电机故障报警信号AIW0石灰石流量监测AIW2铁矿石流量监测AIW4砂岩流量监测AIW6总流量监测表5-3变量地址分配表地址数据名地址数据名V100石灰石累计值V102铁矿石累计值V104砂岩累计值V106总累计值V108石灰石配比V110铁矿石配比V112砂岩配比V114石灰石流量给定V116铁矿石流量给定V118砂岩流量给定年V120总流量给定V122日生产总量V124生产总量V126班生产总量V128月生产总量V130石灰石比例可常数5.3 控制程序设计PLC是按照程序控制进行控制的，没有程序,PLC就没法进行正常工作。画出程序控制流程图，并编写梯形图。程序控制流程图如图5-2所示。图5-2 程序控制流程图根据其I/O的分配及该系统的流程图编写程序如下：SBR_0SBR_1SBR_2SBR_329第6章 组态软件介绍及设计6.1 关于软件6.1.1软件说明力控通用监控组态软件的正式发行企业版分为开发版和运行版，软件是根据点数进行计价的，点数是指实际监控的外部I/O设备参数的个数，即软件内部的实时数据库DB中I/O连接项的个数，软件内部的中间变量、间接变量等不计价。 力控演示版的开发版和运行版分别有64点的限制，完全免费的不限点数的开发版可以直接咨询三维力控销售部和各地办事处，索要注册号即可以使用。 力控正式发行的开发版没有点数和时间的限制，购买软件时，开发版随运行版免费赠送，运行版分为通用监控版、WWW网络版等。 力控电力监控组态软件的方式同通用版，电力版也具备通用版的所有功能，但电力版与通用版是完全独立的不同的版本，产品框架方式和工程文件互不兼容，一般的配电项目使用通用版即可以完成，但在使用专用的电力图形控件和完整的电力规约时需要单独购买电力版来完成项目。6.1.2 选型说明通用监控板运行在单台PC上完成监控，该版本不包括GPRS、ODBC、PORTServer等扩展组件。 标准网络版：由2套通用监控版软件通过以太网可以构成标准的服务器/客户端模式网络，服务器端需要增加服务器组件，标准服务器组件只授权5客户使用。 WWW网络版：用标准的IE浏览器作为“瘦”客户端，在INTERNET/INTRANET上来监控WWW服务器的上的数据，瘦客户端在5个客户端的基础上可增加10、20、50、无限客户端。 扩展组件：包括PC控制策略程序、GPRS组件、数据库ODBC通讯组件、PORTServer通讯组件、DATEServer数据转发组件、远程数据库历史备份程序等组件。 PC控制策略程序：是一个“软”控制组件，具备强大的控制功能，增加该组件可以完成基于PC的控制功能。GPRS组件：可以基于移动GPRS/CDMA网络和设备进行远程通信。数据库ODBC通讯组件：该组件可以不借助“脚本”功能便可以和关系数据库进行通讯。PORTSERVER通讯组件：通过该组件可以通过rs232、485、电台、MODEM、以太网等网络方式来完成2套力控软件之间的通讯。DATESERVER数据转发组件：第三方的软件和硬件可以通过标准规约，比如MODBUS、101、104等与力控进行通讯。远程数据库历史备份程序：力控与力控之间组成的网络，当掉线恢复时，远程的历史数据可以进行自动恢复。6.1.3 图形系统主要特点方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏;强大的ActiveX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性；全新的、灵活的报表设计工具：提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板，报表文件格式兼容Excel工作表文件，支持图表显示自动刷新，可输出多种文件格式： Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。本设计选用北京三维力控科技有限公司提供的力控Forcecontrol 6.1版组态软件。当准确安装力控组态软件后，打开桌面上的力控Forcecontrol 6.1的快捷方式，启动力控管理器。建立项目：选择管理器菜单中的新建，会出现新建工程对话框，创建一个新项目，项目名称为：水泥配料。6.2 力控组态软件6.2.1 力控组态软件的启动当准确安装力控组态软件后，打开桌面上的力控Forcecontrol 6.1的快捷方式，启动力控管理器。如图6-1所示。图6-1 工程管理器建立项目：选择管理器菜单中的新建，会出现新建工程对话框，创建一个新项目，项目名称为：水泥配料。单击“确定”如图6-2所示。图6-2 新建工程然后单击选中水泥配料，再单击菜单栏中的“开发”。因为没有授权，会出现提示，单击“忽略”。如图6-3所示，就是力控6.1的开发界面。图6-3 开发界面6.2.2 力控组态软件的开发过程1. 选择I/O设备组态在力控开发界面左边的工程项目菜单栏中双击“IO设备组态”，在弹出的窗口左边选择类型为“PLC”，厂家为SIEMENS(西门子)，型号为s7-200（PPI），在弹出的窗口中进行设