基于三菱PLC的水泥厂窑头喂煤系统设计毕业设计.doc

洛阳理工学院毕业设计（论文）基于三菱PLC的水泥厂窑头喂煤系统设计摘 要随着建筑行业的不断发展，其对水泥产量和质量的要求也越来越高。水泥煅烧是水泥生产过程中及其重要的部分，喂煤系统中煤粉的连续、均匀喂料是煅烧工作的基础。由于国外喂煤系统控制的核心、编程语言及许多元器件国内没有替代品，日常难以维护，因此本设计将采用国内的高性价比元器件和通用的三菱PLC代替国外喂煤系统中的部分。本喂煤系统控制目标是能够向窑头连续、均匀的喂煤，并实现5的喂煤精度。本设计以三菱PLC为控制核心，转子秤通过称重传感器测出其中煤粉的重量，同时转子盘的旋转速度也通过变频器得出，PLC通过高速脉冲测量单元和A/D转换单元将煤粉的重量和速度的转化为数字量，经系统运算处理后得出煤粉瞬时流量，并与给定量进行比较，再经PID算法，最终达到瞬时流量跟踪给定流量的最佳控制效果。关键词：转子秤，PLC，PID，喂煤系统，A/D转换 The cement kiln head feeding coal system based on mitsubishi PLC designABSTRACTWith the continuous development of construction industry, the requirement for the production and quality of cement is becoming more and higher. And cement calcination is crucial steps in the process of cement production; coal feeding system of the continuous, uniform feeding is the basis of calcination work.Because there is no domestic substitute for foreign coal feeding system control core, program languages, and many devices .It is difficult to maintain daily, so this design will use domestic cost-effective components and universal parts of the Mitsubishi PLC instead of feeding coal system abroad.The kiln head control goal of the coal feeding system is to be able to continuous and uniform feeding coal, and implement 5 precision of feed coal. This design use Mitsubishi PLC as the control core, the trochanter through weighing sensor to measure the weight of the rotor in the pulverized coal, at the same time, the rotating speed of rotor drum through transducer, PLC use high-speed pulse measurement unit and A/D conversion unit converted weight and speed to digital quantity, and after the system processing coal instantaneous flow, and comparing with quantitative, then through PID algorithm, and finally achieve the optimal control of a effect that transient flow tract given flow.KEY WORDS: Rotor balance，PLC，PID，Coal feeding system，A/D conversion5目录前言1第1章 概述21.1研究的现状21.1.1 水泥产业发展现状21.1.2 水泥生产喂煤装置简介21.2研究的意义31.2.1 传统水泥生产喂煤装置31.2.2 新型水泥生产喂煤装置的研发意义41.3设计方案41.4论文的主要工作及章节安排5第2章 控制原理与总体设计62.1 控制流程与工作原理分析62.2 控制要求与控制目标72.2.1 控制要求72.2.2 控制目标72.3设备选型82.3.1 转子秤82.3.2 PLC选型82.3.3 荷重传感器92.3.4 速度传感器92.3.5 变频器92.3.6 罗茨风机102.3.7 开关电源102.3.8 模拟量扩展模块102.3.9人机界面112.4 总体设计方案11第3章 系统硬件设计133.1 系统电路分析设计133.2 系统供电电路分析设计163.3 PLC外围接线分析设计163.4 控制柜布局分析设计18第4章 软件设计204.1 程序流程图204.1.1 主程序流程图204.1.2 PID调制程序流程图214.2 系统程序梯形图224.2.1 电机启停梯形图224.2.2 PID参数设定梯形图244.2.3 PID调制梯形图264.3 梯形图逻辑测试27第5章 系统组态设计305.1 组态软件介绍305.2 系统组态设计制作305.2.1 系统组态制作305.2.2 系统组态画面335.3 系统组态运行33结论36谢 辞37参考文献38附录39前言在中国乃至世界上的建筑行业中，水泥都是有史以来就是最不可或缺的建筑材料。水泥产业的发展在我国的基础设施建设及经济发展中不可或缺，也成为了衡量一个国家发展水平及综合实力的重要指标之一。在水泥的煅烧过程中，在稳定水泥热工制度中尤为重要的是燃烧器的煤粉计量喂料装置，煤粉是否能够充分燃烧取决于转子秤供给煤粉量的均匀稳定，因此煤粉计量在喂料过程中对水泥生产来说至关重要。水泥厂窑头喂煤的煤粉称量和适当控制对窑头的稳定以及水泥熟料的产量及质量的提升，水泥生产的过程自动化的加强都起到积极的影响。本设计方案中，转子秤煤粉计量控制系统主要包括粉煤仓、称重传感器、煤粉喂料机、转子秤和电气控制器件等。煤粉由螺旋喂料机从粉煤仓中均匀稳定地喂入转子称，转子称内的转子盘带着煤粉转动，转子盘上煤粉的重量通过转子秤内称重传感器精准测出，然后经过放大、A/D转换输送到PLC的模拟量输入端口，进入数据处理中心进行数据处理，同时转子秤的转速也由变频器的实时数据值传输到PLC的高速脉冲测量单元经过一定的数据处理。PLC通过高速脉冲测量单元和A/D转换单元将速度和重量转化为数字量，经过运算处理后得出煤粉瞬时流量，并与用户已设定的台式流量所需要的给定量进行比较，再经PID运算得出电机调节数据，调整转速数据值经D/A转换单元转换成标准电流信号经过变频器去控制喂料机电机和转子称电机的转速，最终达到煤粉瞬时流量与由台时流量所设定的给定流量的误差小于控制精度的最佳控制效果。现代高科技技术含量的三菱PLC测控控制系统在被用于窑头喂煤控制系统时，负责完成各种实时任务，实现整个窑头喂煤控制系统的连续称量和定量喂煤，实现水泥厂窑头喂煤控制系统的连续化、均匀化，并实现5的喂煤精度。第1章 概述1.1研究的现状1.1.1 水泥产业发展现状水泥，粉状水硬性无机胶凝材料，在建筑行业中能把砂、石、灰等建筑材料牢固地胶结在一起起到黏固的作用。在中国乃至世界上的建筑行业中，水泥都是有史以来最不可或缺的建筑材料。近年来，我国水泥产业发展势头迅猛，高科技技术含量的水泥生产线不断地投入使用，全国水泥产量增速世界首屈一指1。中国目前在全球水泥生产数据统计中独占鳌头。从水泥生产线来看，2012年我国新增水泥熟料生产线124条， 2013年我国新增水泥熟料生产线72条2；从行业产量看来，我国水泥产量逐年增长，在“十五”期间，我国全社会固定资产投资保持年平均20%以上的飞速增长，有力的拉动了水泥的生产和消费，因此水泥生产企业得到了快速发3。目前就我国水泥企业的数量而言，7000余家的水泥生产企业在世界范围内也是屈指可数，水泥行业的年产量就占据了全世界水泥年产量的半壁江山4。1.1.2 水泥生产喂煤装置简介水泥生产工艺主要包括：水泥原料破碎和预均化、生料制备、预热分解、熟料煅烧、粉磨、包装。在水泥的熟料煅烧过程中，在稳定水泥热工制度中尤为重要的是燃烧器的煤粉喂料计量装置，煤粉是否能够充分燃烧取决于转子秤供给煤粉量是否均匀稳定，因此喂料装置的称重测量对水泥煅烧来说是至关重要。窑头喂煤系统喂煤量的计量不准确不仅会造成后续窑头烧成系统对于煤粉的不充分燃烧，还有可能直接影响整个水泥厂的生产产量甚至停窑事故，进而影响到工厂的经济效益。因此, 我们选用的摇头喂煤控制系统要控制精度高，称重计量准确，系统稳定、调节响应速度快，对煤粉适应能力强。这样既可以提高水泥熟料的产量和质量,又能节约水泥原料,降低生产成本5。1.2研究的意义1.2.1 传统水泥生产喂煤装置在我国水泥生产过程中,传统的煤粉喂料计量装置大多采用称重皮带机、螺旋喂料机、失重式喂料机和冲量式流量计喂料机。1称重皮带机称重皮带机中的皮带秤是安装在皮带输送机上的动态称重仪表，对放置在皮带上并随皮带连续移动的松散物料进行称重。传统的煤粉称重皮带机固定设备投资大,维修不便，效益增长缓慢，对皮带机密封性要求高，且具有防爆装置,对安装有一定的要求，不方便其广泛使用，于此同时煤粉粘连在输送带的皮带秤上会引起零点漂移,导致测量结果不准确。2螺旋喂料机螺旋喂料机通过称重桥架把经过的物料进行重量检测，用来称重胶带上的煤粉重量，装在胶带尾部的速度传感器测量喂料机电机的转速，然后将重量信号和速度信号一起送至螺旋喂料机的控制核心，经过一定的处理后，就可以及时的测量出流经煤粉的瞬时流量。但螺旋喂料机不宜输送易变质、粘性大、易结块的物料，因为这些物料会粘结在螺旋上，停止移动并随之旋转或者在吊轴承处形成物料的积塞，从使螺旋喂料机不能正常工作。因此, 螺旋喂料机也不是理想的煤粉称重装置。3失重式喂料机和冲量式流量计喂料机失重式喂料机通过调节其电机的运转速率来修正的差值，从而可以使系统均匀、准确、连续的给窑头喂煤。失重式喂料系统需要有减振设施或无弹性平台,这大大增加了水泥厂原始投资，同时系统在开始喂煤阶段,有时由于无规则测容的操作，会出现安全意外。冲量式流量计喂料机利用由来自喂料机煤粉的重力对特定冲击板的重力分量对流经煤粉进行重量检测的,由于是间接测重煤粉重量,所以测量不准确,而且对煤粉要求较高，稍微有不确定因素的进入，就会导致系统计量不准确甚至停机影响生产。由此可见，失重式喂料系统和冲量式流量计喂料系统也不是理想的喂煤装置6。1.2.2 新型水泥生产喂煤装置的研发意义随着技术的发展以及水泥产品的要求不断地提高，必将不断的出现新的水泥生产喂煤装置。近些年煤粉计量喂料系统不断推陈出新，一代更比一代计量准确，稳定运行时间也更长，人性化更高。又由于不断地从国外引进高效率辊压机和新的高效选粉机,因此新出现的喂料设备喂料转子秤的研发也就势在必行7。世界范围内的水泥生产企业和相关公司都在积极研发与新型干法水泥生产线配套的转子秤计量与控制系统。目前国内水泥厂使用的煤粉计量与控制设备中，都由国外供货，由于外国厂商对自己的独有设备具有严格的保密，我们无法获取相关设备信息，就造成了国内垄断的局面，设备价格高昂、维修困难、通用性差等等，给我过的水泥生产带来许多不必要的麻烦，对水泥产业的发展也带来了很大的制约，而国内的水泥生产过程中的窑头喂煤设备计量不准确，系统不稳定，可靠性差等等都需要大步的提升8。因此，展开对水泥厂窑头喂煤控制系统的煤粉称量的国产化研发具有极大的研究意义。随着第一台转子秤系统成功运用于水泥磨,我们看到采用全新的水泥厂要窑头喂煤称重系统运行稳定、结构小巧，操作方便，能适用于水泥厂复杂的环境，对水泥产量和质量也有了质的提升，我们确信国产新型转子秤系统必将取代传统的水泥厂煤粉称重计量方式9。1.3设计方案本设计中，转子秤煤粉计量控制系统主要包括粉煤仓、称重传感器、煤粉喂料机、转子秤和电气控制器件等。煤粉由螺旋喂料机从粉煤仓中均匀稳定地喂入转子称，转子称内的转子盘带着煤粉转动，转子盘上煤粉的重量通过转子秤内称重传感器精准测出，然后经过放大、A/D转换输送到PLC的模拟量输入端口，进入数据处理中心进行数据处理，同时转子秤的转速也由变频器的实时数据值传输到PLC的高速脉冲测量单元经过一定的数据处理。PLC通过高速脉冲测量单元和A/D转换单元将速度和重量转化为数字量，经过运算处理后得出煤粉瞬时流量，并与用户已设定的台式流量所需要的给定量进行比较，再经PID运算得出电机调节数据，调整转速数据值经D/A转换单元转换成标准电流信号经过变频器去控制喂料机电机和转子称电机的转速，最终达到煤粉瞬时流量与由台时流量所设定的给定流量的误差小于控制精度的最佳控制效果10。1.4论文的主要工作及章节安排水泥厂窑头喂煤控制系统中最重要的就是转子秤的设计与控制，本设计对于控制系统中的各个单元模块的选型和电路的总体设计以及软件的编写都做出详细的设计分析，具体如下所示：1、对系统总体进行分析，确定总体设计方案。2、根据总体设计方案，选出具体的硬件设备。如转子秤、PLC、传感器、开关电源、罗茨风机、触摸屏、变频器等等。3、画出相应的电气接线图，硬件原理图等。4、对各个单元模块进行软件设计，绘制流程图，编写程序。5、用MCGS组态软件对水泥厂窑头喂煤控制系统进行组态设计、仿真。洛阳理工学院毕业设计（论文）第2章 控制原理与总体设计2.1 控制流程与工作原理分析窑头喂煤控制系统是由煤粉仓、喂料机、转子秤、除尘器、罗茨风机及相应的PLC控制系统组成。煤粉进入煤粉仓后，由一个锥形漏斗及螺旋喂料机喂入转子秤，通过转子秤来计量喂煤量的大小并进行适当的调节，转子秤转过一定角度由罗茨风机通过出风口将煤粉吹入窑头通道，在此过程中为避免发生扬尘还有锁风喂料机的加入，最后送至窑头。窑头喂煤控制系统控制流程如图2-1。图2-1 窑头喂煤控制系统控制流程图窑头喂煤控制系统中粉煤仓中的煤粉由螺旋喂料机喂入转子称，进入转子称，煤粉经过荷重传感器的称重后，由转子盘带至进入罗茨风机气力输送区。转子秤中的荷重传感器能准确的测出转子盘中煤粉的重量，并将相应的重量信号输送给PLC，该重量信号又与转子秤电机的转速信号经控制系统处理后得到煤粉的瞬时流量，再经过PLC中自带的PID快速运算处理，最后再通过变频器调节喂料机电机的转速，进而调整整个系统的喂煤量，实现煤粉的定量给料。系统可以准确测出喂煤系统的瞬时流量、电机转速，计算得出累计流量、台时流量等。 三菱PLC控制该系统完成荷重信号的检测，变频器信号的处理，PID运算等等一系列的调节控制处理过程。2.2 控制要求与控制目标2.2.1 控制要求本系统设计以三菱系列FX2N的PLC为控制核心，用以实现圆盘喂料机的自动控制与相应参数的PID调节，通过转子秤上的荷重传感器检测出流经煤粉的重量，输出重量信号，通过变频器可直接得出转子秤转速信号，也通过变频器实现对转子秤电机转速的控制，通过控制屏显示瞬时流量、给定流量、累积量、荷重、转速等过程参数，并能通过显示屏设定和改变过程参数获得所需要的台时产量，且本系统要求系统的控制精度为5。水泥厂窑头喂煤控制系统中转子秤部分的煤粉称量控制系统结构设计紧凑，密封优良，能有效的防止煤粉外漏，喂煤稳定。系统能有效抑制外界干扰，并且系统的鲁棒性能有所增加。2.2.2 控制目标若要实现本系统的稳定运行，需具备以下条件： 1. 摇头喂煤控制系统需要运行时稳定、称重计量时可靠，装置密封性良好，受控性良好。 2. 煤粉称重计量装置具有高的灵敏度和稳定性，受外界扰动小，能长期稳定维持在一定的控制精度内。3. 煤粉称量范围要宽，喂料机在大幅度改变喂煤量时，系统的计量精度仍能保持不变，本系统的控制精度为5。 4. 系统自动化程度要高，在水泥厂各种复杂的环境下仍能继续保持稳定运行，即适用性要强，。国内水泥厂内的窑头喂煤装置为了保证系统的稳定都采用德国菲斯特公司生产的煤粉转子秤，由于该公司设备对使用环境和维护方式要求很高，因此在煤粉输送过程中要严格把控煤粉的质量（纯度）和水分、粉煤仓的材质，要求密封、恒温，同时秤体消风、 罗茨风机用风、助流系统的使用也需要严格注意。2.3设备选型2.3.1 转子秤国内大型熟料生产线为了保证喂煤系统的稳定一般都采用德国菲斯特公司生产的DRW系列转子秤煤粉转子秤，本设计也欲采用DRW系列转子秤。DRW系列转子秤是德国奥格斯堡的菲斯特公司于1984年设计并获得专利，于1985年用于水泥生产线，1995年引进中国。目前，中国水泥行业约有1500套该转子秤运行在不同的生产线上。DRW系列转子秤以先进的前馈控制技术，强劲的功能深得用户的信赖。DRW系列转子秤占地面积小，称重计量准确，自动调整系统喂煤量。但价格较昂贵，安装不便，维护困难。DRW系列转子秤中的DRW4.12型转子称适用于水泥煅烧过程中煤粉的连续称量。煤粉从粉煤仓的输出、称重和直接传送到气力输送管道的所有过程都在一个结构简单的封闭式机构内完成，此型号转子秤的计量精度为0.05。2.3.2 PLC选型在窑头喂煤控制系统中的PLC系统设计时，在详细分析系统的控制目标，控制要求，输入输出I/O点数、需要PLC达到的功能特性以及外接设备的特定特性要求等等之后，我们最终选择有较高性价比、高性能的三菱FX2N系列PLC。 三菱PLC是当今应用最广泛的PLC之一，其梯形图编程简单，修改方便。FX2N系列是三菱PLC家族中最先进的系列，具有高速处理分析数据，可互联扩展等特点，能为工厂生产自动化和控制自动化提供最理想的控制核心。三菱FX2N系列的PLC性能强劲，外形小巧，高速度处理，其所有方面都是FX系列中最高档次的超小型、可满足多样化广泛需要的PLC程序装置。综合PLC选型的规则及本系统 I/O口的需求，三菱FX2N-32MR-001基本单元带有16点继电器I/O端口，分析后可得出其能够满足系统的控制要求，因此可选其作为本系统的基本控制核心。2.3.3 荷重传感器荷重传感器主要是通过检测被测体使载体发生形变的形变度来获得被测体重量的传感器，荷重传感器能将载体因所受的压力而改变的形变程度转变成相应的电信号来进行相应的数据传输，从而达到测量荷重的目的。荷重传感器是喂煤控制系统能够持续定量喂煤的重要元器件之一，其量程选择的正确与否将直接影响到系统的计量精度和喂煤精度，我们应尽可能使从转子秤流过的煤粉瞬时荷重维持在荷重传感器20%80%的受力范围内。根据控制系统的要求，决定选用西门子公司的压力荷重传感器SIWAREX WL270 CP-S SB，本荷重传感器设计紧凑，适用于安装在容器计量秤中，额定负载有10t、20t、30t和50t。荷重传感器的形变片的形变范围为0.232.67mm，误差 0.02% 。2.3.4 速度传感器速度传感器指的是能够感受被测速度并转换成可用于输出或检测的信号的传感器。由于本系统中转子秤电机和喂料电机是由变频器控制的，可直接由变频器的相关数据得到相应的电机转速信号，而罗茨风机转速对系统喂煤精度没有影响，只要其能将煤粉从转子盘卸出后在气力输送管道吹至窑头就可，无需对其转速进行控制。2.3.5 变频器系统对喂料机电机和转子秤电机转速的控制精度要求较高，因此我们引入变频器对两者电机的转速进行精密控制。本设计的窑头喂煤控制系统需要配备2台变频器，一台拖动和控制转子秤电机运转，另一台拖动和控制喂料机电机运转。根据系统喂料的台时流量以及变频器的高性价比需求，最终确定2台变频器都选用三菱变频器FR-740系列中的FR-A740-7.5K-CHT。此变频器输入3相380V 、50Hz的交流电压。在闭环时可进行高精度的转矩/速度/位置控制，因此在控制精度方面能够满足系统要求。2.3.6 罗茨风机罗茨风机输送的风量大小一般是由风机电机转速的大小来决定的，罗茨风机的选型要根据煤粉流量、压头、叶片以及电机的转速来决定我们的需要，另外还要满足系统需要罗茨风机在安装、噪音大小等方面的要求。根据本系统中的各项参数及数据选择MD系列HSR200高压罗茨风机，该风机气密性好、风机送风效率高，节能高效，噪音低、振动小，体积小，控制精度较高，使用较一般风机方便。风机口径为80500A，风机风量为5350 m/min。2.3.7 开关电源三菱PLC自带电源，可用来给传感器或者扩展模块供电。若是PLC外接按钮或行程开关，则可以直接使用自带电源；若是外接接近开关或光电开关，可以选择使用PLC内部提供的24V电源，也可以使用外部另接24V电源对其进行供电。在此我们考虑到外部单元较多，内部电源不能满足要求，因此需要选用开关电源作为外部电源供电。因为PLC自带电源电压为直流24V，总电流也不大，所以拥有24V/5A的一般电源既能满足要求。2.3.8 模拟量扩展模块由于我们选用的FX2N-32MR-001型PLC不能直接读取荷重传感器和速度传感器的标准电信号，因此只有通过模拟量扩展模块将标准的电信号转化为数字信号才能由CPU处理。在此我们就需要在输入和输出端加入A/D及D/A模拟量扩展模块。A/D转换器的控制精度是由其二进制位数决定的，二进制位数越多，一个单位内所占比例越小，控制精度越高。由于本系统要求系统控制精度达到5，那么本系统选用的A/D或D/A转换器精度就要达到1，12位的控制精度；而8位的控制精度则为，不能满足要求。因此我们选用12位的A/D转换单元或D/A转换单元。FX2N常用的模拟量输入单元有FX2N-2AD、FX2N-4AD、FX2N-8AD。我们选择FX2N-2AD输入单元，FX2AD为2通道12位A/D转换单元，它可以根据外部连接方法及PLC指令选择电压输入或电流输入，是一种具有高精确度的输入单元。FX2N常用的模拟量输出单元有FX2N-2DA、FX2N-4DA、FX2N-8DA。我们选择FX4DA输出单元，FX4DA为4通道12位D/A转换单元，它可以通过简易的调整及PLC的指令改变模拟量的输出范围，是一种具有高精确度的输出单元。2.3.9人机界面人机界面是用户和系统间进行交互的媒介，它可以实现系统内部信息处理的形式与人类可接受的形式之间的转换。由于水泥厂的工作环境复杂以及使用方便和高性价比的要求，系统欲采用日本三菱GT1050-QBBD-C触摸屏，显示屏为5.7英寸蓝白16灰度，DC电源。GT10系列人机界面优点有很多，如HMI结构简洁，但内部处理功能强大，标准配方功能实用性很强，方便加工存储数据。支持多台互连，人机界面内置标准的USB，RS-232，RS-422接口。2.4 总体设计方案根据以上设计要求、控制目标及控制系统的精度要求等，设计出了本窑头喂煤控制系统：煤粉的台时流量大小是由转子秤电机的转速和测重装置的荷重传感器的共同决定的，其转子盘流经的煤粉荷重通过荷重传感器直接测得，而转子秤电机的转速由变频器的相关运行数据得出。系统将实际测得的转子秤电机的转速和转子盘上的煤粉的荷重的乘积值与设计台时流量转换后的预先设定值相比较，由变频器调制喂料电机转速，使喂料机的喂煤量保持在一个恒定范围内，进而达到摇头喂煤控制系统精确喂煤的目的。当转子秤中的转子盘将煤粉从喂料机输送到罗茨风机的气力输送区时，煤粉立即被吹送至窑头。现代高科技技术含量的三菱PLC测控控制系统在被用于窑头喂煤控制系统时，负责完成各种实时任务，实现整个窑头喂煤控制系统的连续称量和定量喂煤，实现水泥厂窑头喂煤控制系统的连续化、均匀化，并实现5的喂煤精度。喂煤系统控制原理图如图2-2所示。图2-2 喂煤系统控制原理图第3章 系统硬件设计3.1 系统电路分析设计在基于三菱PLC的水泥厂窑头喂煤控制系统设计中，我们通过DCS系统来控制整个控制系统的运行，包括喂料机电机、转子秤电机、罗茨风机电机三台电机的启动和停止。系统运行过程中运用三菱PLC完成各种实时任务，实现整个系统的连续称量和定量喂煤。同时在电机运转过程中实现PID调节，也可以实现系统连续、均匀的喂煤。3.1.1 喂料机电机控制在本控制系统设计中，煤粉第一个进入的装置就是喂料机，因此对喂料机电机转速的控制在整个控制过程中不可小觑，因此喂料机电机的运转显得尤为重要。喂料机电机控制原理图如图3-1所示。图3-1 喂料机电机控制原理图过程分析如下：总开关QF1闭合，系统开始准备工作，变频器开始运行，选择设定好的运行频率，且变频有效，系统处于备妥状态。此时备妥信号发出，过程为KA1闭合，继电器线圈KA11带电。与此同时DCS发出驱动信号，继电器线圈K1得电，继电器线圈K1的常开触头立即闭合线路接通，进而继电器线圈KM1得电，使继电器线圈KM1的常开触点闭合，喂料机电机开始运转，同时，控制回路中正常运转指示灯HL11亮，DCS系统中继电器线圈KM1的常开触头闭合，发出应答信号表明电机已正常运转。若出现故障，则热继电器KH1中常闭开关断开，正常运行指示灯灭，DCS中的常开开关KH1闭合，发出故障信号，此时，由COM1端连接的故障信号灯HL12亮。NLB-T3-1是现场按钮盒，手动、自动模式可任意切换操作，在出现故障时，工作人员在得到确切信息后可手动切换到手动操作状态，以尽快修复电机的运转，保证不影响工厂的正常生产。3.1.2 转子秤电机控制在本控制系统中最重要的部分就是控制转子秤转速，转子秤电机的转速控制对于整个系统的控制准确度、控制精度都显得尤为重要。转子秤电机的控制与喂料机电机的控制可谓大同小异，都需要变频器来精准的控制电机的转速。转子秤电机控制原理图如图3-2所示。图3-2 转子秤电机控制原理图其中转子秤电机的过程分析与喂料机电机的过程分析几乎没有区别。只是在变频器的设定过程中即两者电机的转速可能会不同，但控制方式是完全一样的。3.1.3 罗茨风机电机控制罗茨电机的控制主要是对风速的需要来设定的，罗茨风机主要是将煤粉吹入窑头内，因此不再需要变频器对其进行转速控制。但对于3台电机的启停控制有着一定的要求，本系统要求3台电机在启动时同步启动，在工作完成后，先停止喂料电机，然后延时2秒停止罗茨风机与转子秤电机。这样做的目的是清空转子秤中剩余的煤粉，避免影响此次及下次工作时喂煤的精度，同时也避免了煤粉的长期堆积对机器造成影响。罗茨风机控制原理图如图3-3所示。图3-3 罗茨风机控制原理图罗茨风机的过程分析与喂料电机与转子秤电机的过程分析也没有区别，只是罗茨风机不在需要变频器对电机转速进行控制，但其分析过程还是相似的。3.2 系统供电电路分析设计本控制系统是由多模块组成，且由于各模块性质确定，其所需电源均相同。电机由工业用电的380V电源直接供电，而PLC和开关电源都需要由220V电源供电，因此它们需要的电源由380V经过变压器变压提供。开关电源为24V电源，向人机界面和PLC的模拟量扩展单元供电。控制柜里的风机和工业空调都是由220V电源供电。在供电电路中所使用的JBK3控制变压器是参考德国西门子公司样机制造的新产品，符合相关国际、国家标准。该控制变压器能耗小、使用方便、器件安全可靠，适用于交流5060Hz，额定输入电压小于500V，额定输出电压小于220V的各类厂房机床、机械设备的控制操作。其中L1、L2、和L3是3台电机的正常运行指示灯，供电电压为220V。系统供电电路原理图如图3-4所示：图3-4 系统供电电路原理图3.3 PLC外围接线分析设计PLC外围接线设计即为PLC的I/O点分析设计，由前面的电路图分析与PLC选型可知，我们所设计的系统中3台电机输入点与输出点个数对应的数据情况，即9个输入，10个输出。对PLC的I/O口分布分析得I/O口输入、输出分配列表如表3-1、3-2所示：表3-1 输入口分布表输入输入口分配喂料机DCS驱动信号X0喂料机DCS备妥信号X1喂料机DCS故障信号X2转子秤DCS驱动信号X3转子秤DCS备妥信号X4转子秤DCS故障信号X5罗茨风机DCS驱动信号X6罗茨风机DCS备妥信号X7罗茨风机DCS故障信号X8表3-2 输出口分布表输出输出口分配喂料机DCS应答信号Y0喂料机运行指示灯Y1喂料机故障指示灯Y2转子秤DCS应答信号Y3转子秤运行指示灯Y4转子秤故障指示灯Y5罗茨风机DCS应答信号Y6罗茨风机运行指示灯Y7罗茨风机故障指示灯Y8延时控制Y9由PLC输入输出分布表可知PLC端子接线图如图3-5所示。图3-5 PLC端子接线图3.4 控制柜布局分析设计电气控制柜顾名思义就是作为电气控制作用的电柜。控制柜主要作用是将电气元件的控制功能集中放置，里面一般放有开关，继电器或PLC等元器件。在安装控制柜的过程中我们要注意很多的事项，如控制柜内部的布局走线，好的走线可以提高系统的安全性、实用性，方便设备操作人员操作和进行日常的维护检修。控制柜布局相关要求如下：接地：控制柜中所有设备都应有良好的接地，避免发生意外。接线：接线应严格控制各种器件的走线布局，避免分开接线的线路放置一起走线引起线路不适。 安装布局：控制柜在设计时，一定要注意布局的区域性，设备不同，要求不同，合理规划控制柜内的布局。 排风：控制柜一定要注意散热，保持通风顺畅。考虑到以上各种要求，以及结合本设计中所需要的安排布局，得到如下的控制柜布局图，如图3-6所示。图3-6 控制柜布局图19第4章 软件设计软件设计是整个控制系统的核心，所有的硬件都是由软件进行驱动连接的，这样才能构成控制系统对于实际生产的控制。本设计中需要对喂料电机、转子秤电机、罗茨风机、PID控制等进行软件设计，并进行不断的调试达到我们所预想的结果。本系统编程实现采用三菱PLC的编程语言，软件梯形图在三菱系列PLC的专用编程软件GX Developer中编程，并使用GX Simulator进行仿真校验。4.1 程序流程图4.1.1 主程序流程图根据系统设计要求，我们绘制出了系统主程序流程图。在开始信号发出后，系统处于备妥状态，并且开始调用PID程序，以对我们所设定的数据与实际数据相比较，能够得出准确的台式流量、瞬时流量、累积量等等，帮助我们实时给予转子秤电机进行调制控制，使喂煤精度达到要求。在转子秤电机、喂料电机、罗茨风机运转不正常的情况下，DCS系统及时给出故障信号，方便设备操作人员给出修复。主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主程序流程图4.1.2 PID调制程序流程图PID调制程序在调用后根据系统给出的设定值，进行相应的调整，直到达到允许误差内，满足喂煤精度要求。在PID程序监视下，如果转子秤电机转速正常，即在误差允许范围内的等于设定转速，则PID程序不需要对其进行调制，但必须保持实时监视，直至整个程序运行结束。如果转子秤电机转速小于我们需要的符合要求的设定转速，需要通过PID控制处理数据对喂料电机和转子秤电机进行调制，加快电机转速，直至符合要求；同理，在转子秤电机大于设定转速时，我们也需要对其进行降速处理。PID控制能很好的帮助我们利用软件完成我们对于电机转速的处理。PID调制程序流程图如图4-2所示。图4-2 PID调制程序流程图4.2 系统程序梯形图4.2.1 电机启停梯形图本系统要求三台电机的启动为DCS发出驱动信号之后启动，当工作完成，停止运行时，要求喂料电机先停止，转子秤电机和罗茨风机延时两秒后停止，这样做是为了清空转子秤中余料。电机启停梯形图如图4-3所示： 图4-3 电机启停梯形图在编程设计中用到了M0、M1、M2三个辅助继电器和T0、T1两个延时继电器，X000为程序开始运行指令，X001为程序结束指令。输出指令Y000为工频电机既罗茨风机，Y001是转子秤电机，Y002是喂料电机。启动：在X000强制闭合后，辅助继电器M0线圈得电，M0常开开关闭合，发生自锁；与此同时，转子秤电机Y001与罗茨风机Y000同步运转。辅助继电器M2线圈得电，常开开关闭合，发生自锁，喂料电机运转。停止：在结束信号X001发出后，辅助继电器M2线圈得电，喂料电机Y002立即失电停止运转，此时定时器T0、T1开始计时，2s后，时间继电器T0、T1的常闭开关断开，转子秤电机Y001与罗茨风机Y000同时失电，停止转动。4.2.2 PID参数设定梯形图工业控制中，PID控制在系统调节上的作用非常精准并且改正效果明显。PID控制可以对被控对象的未知数学模型进行有效控制，PID控制器结构简单，程序设计容易，参数易于调整，同时对于工厂的工作环境有着较强的灵活性和适应性。在本设计中，PID也是控制系统精确度的可信部分。PID的调节原理如图4-4所示。图4-4 PID调节原理图采用PLC对模拟量进行PID控制的本系统结构框图如图4-5所示。PLC内部已基本上提供PID控制的功能指令，三菱系列的PID控制指令实际是子程序的调用，输入输出需要与D/A和A/D转换单元一并使用，进而实现PID控制系统调节系统精度。相对于使用硬件来达到模拟控制，其价格便宜很多。图4-5 用PLC实现PID控制的系统结构框图FX2N系列PLC的PID指令编号为FNC88，如图4-6所示，给定值SV和反馈值PV存放S1和S2中，控制参数的值存放在S3S36中，输出值MV存放在D中。图4-6 PID指令系统PID调制的PID控制器的参数整定需要整定比例放大系数Kp、积分时间常数Ti、微分时间常数Td、采样周期Ts，任意参数整定的不合适都会直接对系统的控制效果产生直接影响。在设置整定参数的过程中，实时把控整定参数与控制系统的稳定性、快速性的关系。PID控制表达式为：Kp：由S3+3的值决定，能及时产生与偏差成正比的调节作用。Ti：由S3+4的值决定，能完全消除稳态误差，提高控制精度。Td：由S3+6的值决定，有超前预测的特性。Ts：由S3的值决定， Ts值的设定远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。PID参数整定的步骤如下： 1、置调节器Ti到最大值，Td为零，比例带置较大值，使控制系统投入运行；2、待系统稳定后运行后，逐渐减小比例带，直到系统出现临界振荡，记下此时的临界比例带和临界振荡周期；3、利用临界比例带和振荡周期的数值按照相应的公式计算出整定参数值。根据系统要求对PID参数设定的梯形图如图4-7所示。其中M8002为初始脉冲，只在运行时接通。图4-7 PID参数设定梯形图4.2.3 PID调制梯形图喂煤控制系统要想要达到5控制精度，就必须将荷重传感器检测到的实时荷重信号经过一定的转换变为标准的电信号（020mA）后及时送给PLC作比较处理，接着通过A/D转换模块将数据读到PLC中，再通过变频器读取电机的转速，进而得到实时流量数据，再与预设值作比较，进而细一步调节喂料机电机与转子秤电机的转速，使之达到理想状态。PID调制梯形图如图4-8所示。M8000为运行监视器，在系统运行中一直处于接通状态，既调节程序将一直处于工作状态，监视煤量是否达到系统对其的精度要求。图4-8 PID调制梯形图4.3 梯形图逻辑测试在完成梯形图的编写后，电机程序检查按钮，检查程序是否出错，如果没有出错，对程序可以进行逻辑测试，在逻辑测试中，我们完全可以看出所编辑的梯形图是否能够按照我们所涉及的那样进行运转。点击工具栏中“工具”选项下的“梯形图逻辑测试启动”选项，启动梯形图逻辑测试，PLC持续写入。梯形图无误显示界面如图4-9所示。图4-9 梯形图无误显示界面下面开始逻辑测试，将X000启动，即强制取ON，辅助继电器M0、M2的线圈得电，时间继电器T0、T1线圈线路接通得电，三台电机罗茨风机Y000、转子秤电机Y001和喂料电机Y002开始工作。其逻辑测试结果如图4-10所示。图4-10 X000强制启动逻辑测试结果然后将X001强制启动，即关闭系统。辅助继电器M2线圈立即断电，喂料电机Y002也立即停止工作，随后辅助继电器M1的线圈得电，时间继电器T0、T1计时开始，2s过后，时间继电器T0和T1断开，罗茨风机Y000和转子秤电机Y001也停止工作。其逻辑测试结果如图4-11所示。 图4-11 X001强制启动逻辑测试结果同时也可以对X8000、X8002采取强制ON，使其设置PID参数后对系统进行PID调制，但其参数设置还是要根据实际需要及实际水泥厂生产情况而进行设定。PID进行模拟运行如图4-12所示。图4-12 PID模拟运行29第5章 系统组态设计5.1 组态软件介绍组态是系统模块化任意组合而成的，常用的组态软件有MCGE、组态王、力控、昆仑通态、紫金桥、世纪星等国内软件。组态软件可以使用户自定义一套最适合自己研发和应用仿真控制系统。组态软件通常运行在工控机上，便于对系统进行运行操作和维护，通过工业计算机对生产设备或生产过程的运行进行控制、调制和运用。本系统采用组态王组态软件对系统进行模拟控制，其能够快速的对现场数据进行采集与监测的同时对前端数据处理与控制。5.2 系统组态设计制作 5.2.1 系统组态制作1.建立组态工程 双击桌面组态王图标，打开工程管理器，点击新建组态王工程，首先指定新建工程的所在目录，然后输入自己所要建立工程的名称，在“工程管理器”的目录中就有了自己的工程，点击完成我们所需要的“水泥厂窑头喂煤设计”工程。如图5-1所示。图5-1 建立组态工程2.建立组态画面： 打开上面已经建好的工程，进入工程管理器界面，在界面新建“水泥厂窑头喂煤设计”画面，如图5-2所示。图5-2 建立组态画面3.主画面编辑进入画面编辑窗口，在此编辑窗口中下利用工具栏中的画面绘图工具完成对水泥厂窑头喂煤系统的界面设计。系统为用户提供了工具箱、调色板、导航图、线性、画刷类型以及图库等。工具箱为用户提供了矩形、直线、多边形、扇形等简单的图形对象，并且还有指示灯、按钮等图形对象。工具箱的功能很强大，它有很多的优点，不仅降低了设计画面的难度，也统一了画面的外观。4.设备设置和组态王6.55进行交换数据的设备都称之为外部设备，如PLC、变频器、板卡、模块以及仪表等。外部设备如PLC是通过串行口与上位机如电脑进行数据的交换。因此，外部设备只有先定义好后，上位机和外部设备的数据交换才能进行。在本次设计中选用的外部设备为三菱FX2N和基于Windows操作系统的组态王6.55进行数据之间的通信。在本次设计中选用的是设备菜单栏下的COM1口。选中COM1口后，双击“新建”，弹出“设备配置向导”窗口，在弹出窗口中选中“PLC/三菱/FX2N_485/COM”，选中后点击“下一步”，为安装设备起一逻辑名称为“新I/O设备”，单击“下一步”，弹出选择串口号窗口，选择“COM1”,单击“下一步”，弹出设备配置设置指南窗口，将地址改为00，然后单击“下一步”直至“完成”。这样设备设置也就完成。设备设置如图5-3所示。图5-3 设备设置5.构造数据库在组态王中最重要的一部分为数据库，其是上位机与下位机进行数据交换的桥梁，也是实现动画连接的中介。换言之，只有先定义好数据库，才能实现动画连接以求达到控制目的。在数据库中包含有结构变量、数据词典、报警组。在本次设计中用到了结构变量和数据词典。结构变量中我们定义了“定时器结构”，以便完成对喂料电机停止2s后转子秤电机和罗茨风机才停止的控制，定义如图5-4所示。图5-4 结构变量定义在数据词典中我们根据系统的需要定义了几组变量，各变量如图5-5所示。图5-5 数据词典中的变量定义6.动画连接目前为止，由工具箱绘制的图形界面是静止的，我们要对这些仿真图形进行动画属性设置，使它们按照设计要求模拟仿真水泥厂窑头喂煤画面，形象逼真的“动”起来。点击选中我们需要设置的图像对象，对其进行动画连接，即可以产生形象的动画效果，双击图画会出现“动画连接”的对话框，在对话框内设置该动画的属性变化、位置和大小变化等。只要这样电动机的启停我们才能够根据指示灯颜色的变化观察出来。5.2.2 系统组态画面组态画面中包含两个按钮启动和停止、3台电机和3台电机的运行指示灯，即Y0000为罗茨风机，Y0001变频为转子秤电机，Y0002变频为喂料电机。其中设定重量输入框内可以输入对系统所设定的喂煤量，显示框可显示电机转速及瞬时重量。系统组态画面如图5-6所示。图5-6 系统组态画面5.3 系统组态运行 对控制系统动画状态和煤粉流程进行检查，对水泥厂窑头喂煤控制系统进行模拟调试，系统运行后,可出现系统最先预想