皮带配料自动称重控制系统___毕业论文

内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目： 皮带配料自动称重控制系统 学生姓名： 号： 19890215 专 业： 自动化 班 级： 3 级 2 班 指导教师： *内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） I 皮带配料自动称重控制系统 摘 要 皮带配料自动称重系统 是精细化工厂生产工艺过程中一道非常重要的工序，配料工序质量对整个产品的质量举足轻重。 本设计以烧结机配料系统为工业背景，针对配料的自动控制问题，提出了一种基于 皮带配料称重自动配料系统的控制方案。利用 现 对模拟信号 的采集、流量的计算、 节和对变频器、电机等设备的控制任务 。 皮带 配料 自动称重 系统的恒流量控制采用 节，流量计量控制是计量偏差与变频调速的结合。依据系统工艺流程 本设计 介绍了配料系统的流量控制方式和系统控制过程，详细讲述了 选型及 料系统变频控制中的硬件设置、参数设定和软件设计过程。 关键词： 变频调速 ； 恒流量控制 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） he is a in of is an of as a LC of LCs of on ID is a of in of in of LC LC 蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 录 摘 要 . I 第一章 绪论 . 1 述 . 1 计背景 . 1 艺流程 . 3 第二章 皮带配料自动称重系统 . 6 计总体介绍 . 6 位机介绍 . 8 述 . 8 作原理 . 8 . 9 述 . 9 . 9 门子 200 简介 . 11 述 . 11 般特性 . 12 展模块 . 13 频器简介 . 15 述 . 15 频器的基本结构 . 15 频器的分类 . 16 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 变频器中常用的控制方式 . 16 带电机简介 . 16 述 . 16 . 17 步电动机的变频调速原理 . 18 子皮带秤简介 . 21 述 . 21 . 22 . 23 . 23 . 24 述 . 24 . 24 . 25 第三章 控制方案的确定及其实现方法 . 28 . 28 动称重配料系统控制要求 . 28 计任务 . 28 . 29 . 30 速环节 . 30 . 31 . 31 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） V . 32 . 32 第四章 硬件选择、硬件接线图及其软件编程 . 34 . 34 动机的选择 . 34 带秤的选择 . 34 重信号的处理 . 37 速传感器的选择 . 38 频器的选择 . 38 选择 . 42 . 44 . 44 频器接线图 . 47 件编程（见附录） . 48 第五章 总结 . 50 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 1 第一章 绪论 述 近年来，国内新建烧结机的配料方法均采 用 皮带配料自动称重控制 ，其实就是按原料的重量来配料，采用电子皮带秤对物料进行连续计量 ,通过调节圆盘给料机或皮带的速度来实现定量给料，重量配料易实现自动配料 ,配料精度较高。随着 水泥、冶金、陶瓷等工业生产 对该项技术的迫切需求， 具有配料精确，快速产品的皮带配料自动称重控制系统 发展越来越走向成熟。 皮带配料自动称重控制系统是指运用各种自动控制技术完 成多种原料的称重、配比、混合、运送等相应工艺要求的控制系统。 稳定性、准确性是系统必备的要素。该系统在工业生产中常以单片机或者可编程控制器（ 完成控制功能。然而，以 单片机实现的控制系统在安全、 控制准确度 、 管理功能 、可靠及抗干扰的性能上要稍逊色于 性能比较稳定，它的抗干扰能力突出，可以用在环境比较恶劣的工作环境中。为此，在工业生产中大力开发使用 成控制功能的调速配料系统是非常必要的。本设计 主要以烧结机的自动称重配料系统为研究对象进行设计， 完成以 控制器的调速配料系统的硬件设计。 计背景 随着计算机技术和微电子技术的发展，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，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，在很大程度上产品的质量取决于操作员的熟练程度。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 2 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 ;另一个问题是由于配料系统所控对象、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 C 总线的工业控制计算机应用提上了日程，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，小巧结构，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。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。 应用工业控制机实现物料的自 动称量与配比，不仅提高了生产效率、安全可靠、精度高、配方可调，而且，配料过程不需要人工操作，从而消除了人为因素的影响。同时计算机能对生产过程中各种数据进行统计与分析，自动生成包括班次、操作员、日期、配方、各种物料配出量的日、月报表等，将有利于产品成本核算及质量分析等现代化管内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 理。并配有串、并行通信口为生产规模扩大、组成小型集散控制系统和实现远程监视与控制提供可发展空间。 九十年代以来，随着计算机技术的迅猛发展，国外引进或国内设计的大中型水泥生产线绝大多数使用了计算机控制系统。如琉璃河、邯郸等水泥厂采用 司的统 ;北京、葛洲坝等水泥厂采用了 司的 统 ;合肥水泥设计研究院牵头完成的国家“八五”攻关项目在江西水泥厂 2000t/d 生产线上采用了 工 统 ;铁道部巢湖水泥厂采用了美国 司的 十年代是我国水泥行业计算机控制系统应用走向成熟的阶段。 近些年来，随着电工电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即采用交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术己成为发展 趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 正是在以上各阶段配料技术的基础上， 皮带配料自动称重 技术才一步一步得以发展，日益趋向成熟，它 是精细化工厂生产工艺过程中一道非常重要的工序，配料工序质量对整个产品的质量举足轻重 ，最后演化成为现代工业发展不可或缺的一部分。 艺流程 自动配料控制过程是一个多输入、多输出系 统，各条配料输送生产线严格地协调控制，对料位、流量及时准确地进行监测和调节。系统由可编程控制器与电子皮带秤组成一个计算机控制网络 ,通过现场总线连接现场仪器仪表、控制计算机、 频器等智能程度较高、处理速度快的设备。在自动配料生产工艺过程中，将主料与辅料按一定比内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 例配合，由电子皮带秤完成对皮带输送机输送的物料进行计量。 要承担对输送设备、秤量过程进行实时控制，并完成对系统故障检测、显示及报警，同时向变频器输出信号调节皮带机转速的作用 。 烧结机的配料采用电子皮带秤定量给料，为提高皮带配料秤的计量精度 和配料系统给料精度，给料机的皮带配料秤采用变频调速的方式进行控制。正如下图所示，该自动称重配料控制由下列五大部分：电子皮带称、称重控制 频控制柜、监控计算机及现场操作箱部分。 （ a） 皮带秤自动配料机 （ b） 皮带秤自动配料系统现场示意图 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 图 自动称重配料系统的构成 电子皮带秤自动配料系统可以按照设定配比和流量控制各输入物料的瞬时流量，从而达到控制各种产品的质量和产量的目的，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。 皮带传输机的作用主要就是把落在皮带上的物料快速传输到其目的地。 称重传感器位于皮带下方，其作用主要是检测出皮带上物料的重量，并将它转化标准成标准的电流信号 4 20者 0 10V 电压信号反馈给控制系统。 测速传感器位于圆盘电机上，其作用是检测电机转速，以脉冲信号的方式将速度信号反馈给控制系统。 变频器的作用是主要是调节皮带电机的转速。 该系统采用 现控制功能，主要体现在实现自动控制及 算。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 第二章 皮带配料自动称重系统 计总体介绍 一个完 整的皮带配料自动称重系统主要由配料电子皮带秤、仪表控制柜、动力控制柜、低压开关柜、变频器柜、现场操作盘、工业控制微型计算机、及监控管理软件几部分组成，如下图所示。 上 位 机 P I D 变 频 器 皮 带 电 机流 量 运算速 度 传 感 器重 量 传 感 器皮 带 秤P L 制系统结构图 1)配料电子皮带秤 配料电子皮带秤对经过皮带的散装物料进行自动地连续称量和累计，具有运输和计量两种功能。称重部分采用电阻应变式工作原理，多托辊杠杆式结构，实际工作时，皮带秤用恒速计量方式，通过调节上级给料速度来改变物料流量，本类型皮带秤多用于企业内部生产的工艺 控制。 2)仪表控制柜 仪表控制柜主要包括皮带秤仪表。皮带秤仪表接受来自称重传感器的重量毫伏信号和来自测速传感器的带速脉冲信号，计算出流量和累计量，并将流量信号以 0 10 伏模拟电压的形式送给工控机，工控机将流量信号与机内设定值比较后，根据一定的控制规则输出 0 10 伏调节信号，控制现场给料电机的转速，从而构成单机闭环系统，达到控制某种物料流量的目的。 皮带秤仪表通过 讯接口与工控机进行通讯。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 3)动力控制柜 动力控制柜是动力部分的中央控制部件，安装有电流表、控制按钮、指示灯、可编程控制器 (以下称 电机保护电路，用于监控现场皮带机电流、对现场皮带机和给料设备的启、停进行控制、指示电机运行状态、联锁控制及打滑跑偏报警。 过扩展 讯模块，用 通讯接口与工控机进行通讯。 4)低压开关柜 低压开关柜配置有刀开关、断路器、电压表、电流表、电流互感器、隔离变压器等器件为各控制柜和配煤系统动力部分提供电源，同时检测动力电源部分的相间电压和线电流。 5)变频器柜 柜中的变频器，接受来自动力控制柜的开关信号控制上级给料电机的启停，同时亦接受来自工控机的 0 10 伏电压调节信 号，来改变输出动力电源的频率，从而控制现场给料机的转速。如果变频器功率较大，则必须在柜体中配置散热风扇，以保证变频器能正常工作。 6)现场操作盘 配煤系统电机的现场控制部件，装有控制按钮、指示灯，可在机旁对现场皮带机和给料设备的启停进行控制、指示 电机的命令状态。 7)工业控制微型计算机及软件 工控机作为上位机，通过 向通讯接口与动力控制柜中的 机，控制 运行方式，输出开关量量控制信号控制主皮带电机的启停，从而构成完整的配料系统。工控机另留有一个 向通讯接口，以 备与全厂的上位工控机通讯。监控软件的主要功能有 :根据生产配方和产量目标对称重过程进行自动控制，对称重数据进行统计管理并实现打印，包括对变频器进行调节控制的运算。系统软件有多种现场监内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 控方式和配方输入方式，以适应不同的工程要求，用户可设定报警打印时间等参数。界面采用菜单方式，使用方便，用户可通过鼠标或键盘进行操作，对整个配料系统进行控制和管理。 位机介绍 述 上位机是指人可以直接发出 操作 命令的计算机，一般是 幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。 下位机 是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是 片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。简言之如此，实际情况千差万别，但 万变不离其宗 ：上 下位机都需要编程，都有专门的开发系统。 在概念上 控制者和提供服务者是上位机 ， 被控制者和被服务者是下位机 ； 也可以理解为主机和从机的关系 ， 但上位机和下位机是可以转换的 。 作原理 两机如何通讯，一般取决于下位机。通常上位机和下位机通讯可以采用不同的通讯协议， 可以有 者采用 用计算机和 形式的串行通讯，还可以采用更适合工业控制的双线的讯，采用封装好的程序开发工具就可以实现 上位机的通讯。当然可以自己编写驱动类的接口协议控制上位机和下位机的通讯。 通常工控机，工作站，触摸屏 作为 上位机，通信控制 片机等下位机，从而控制相关设备元件和驱动装置。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 述 采用 且可以保证流量控制响应快，无超调。在知道瞬时流量，并且读取了流量设定值的情况下，要实现流量的恒定，因采用在实际控制中工业控制中应用最为广泛的 比例、微分、积分法。在过程控制中，按偏差的比例、积分、微分进行控制，简称为 是模拟调节系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。 节原理 用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的， 积 分比 例微 分被 控 对 象传 感 器反 馈 信 号给 定 量+ t )U ( t )图 控制器输入和输出 (误差 )之间的关系在时域中可用给定公式（ 示如下： 0()1( ) ( ) ( ) ( ) t dT d e tu t K p e t e t d tT i d t= + + （ 公式中 E(t)表示误差、 u(t)表示控制器的输出， 比例系数， P)控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。之所以这样是因为只有当偏差信号 业论文） 10 时，调节器才会有输出；如果 时将失去调节作用。或者说，比例调节器是利用偏差实现控制的，它只能使系统输出近似跟踪给定值。比例调节系统的 稳态误差随比例系数的增大而减小，所以要减小误差就要增大比例增益 这样做往往会使系统的稳定性下降。 I)控制 在积分调节中，调节的输出信号 0 （ 式中式可见只要有偏差 节器的输出会不断地随时间的增大而增大，只有当偏差为零时，调节器才会停止积分，此时调节器的输 出就会维持在一个数值上不变，这就说明，当被控系统在负载扰动下的过程结束后，系统的静差虽然已经不存在，但输出到执行器的信号将保持不变，这与 采用积分调节时，系统的开环增益与积分速度 正比。增大积分速度会增强积分效果，使系统的开环增益增大，从而导致系统稳定性降低。在工程实际应用中，一般将比例和积分结合起来组成 节器，将比例调节的快速反应与积分调节的消除稳态误差相结合，从而能收到比较好的控制效果。 D)控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分 (即误差的变化率 )成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件 (环节 )或有滞后 (件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 这样，具有比例 +微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例 +微分 (制器能改善系统在调节过程中的动态特性。微分时间的选择对系统质量的影响具有两面性。当微分时间较小时，增大微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小震荡程度，从而能改善系统的质量；但当微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统响应产生震荡。对于滞后较小的系统一般不采用微分控制。 门子 200 简介 述 编程序控制器 。 这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，图 7于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得 以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的 有很强实用性。 列 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。 相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此列具有极高的性能 /价格比。 图 7 1） 极高的可靠性 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 2） 极丰富的指令集 3)易于掌握 4)便捷的操作 5)丰富的内置集成功能 6)实时特性 7)强劲的通讯能力 8)丰富的扩展模块 用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央 空调，电梯控制，运动系统 。 般特性 其模块化的灵活设计而具有广泛的适用范围，同时具有极高的性价比。 是互相或者与其他设备组成网络，都具有优异的表现。 1)快速的中央处理运算能力。 2)极丰富的编程指令集。 3）响应快速的数字量和模拟量输入 /输出通道。 4）操作便捷，易于掌握。 5）强大的通信能力。 6）丰富的扩展模块。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 13 1） 高速计数器输入。 2）短暂脉冲捕捉功能。 3）高速脉冲输出。 4） I/ 5）特殊功能相关的中断功能。 6） 7）支持多种生产工艺配方。 8）数据记录（归档）。 此外， 1）用户自定义的库指令，便于模块化编程。 2）完善的密码和知识产权保护功能。 3）在 4）直接读 /写实际 I/O。 5）可调整的数字量和模拟量的输入滤波。 6）定义数字量和模拟量在 7）多种数据保持设置。 8）一个可由用户定义 的 展模块 200，可以连接扩展模块（ 扩展模块主要有如下几类： 1）数字量 I/ 2）模拟量 I/ 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 14 3）通信模块。 4）特殊功能模块。 1. 数字量 I/数字量信号就是用电信号的有、无，分别表示控制逻辑上的“ 1”和“ 0”状态信号又称为开关量信号。数字量 I/7 200系统的数字量 I/ 字量输入扩展模块 数字量输出扩展模块 字量输入 /输出扩展模块 2. 模拟量 I/生产过程中有许多电压、电流信号，用连续变化的形式表示流量、温度、压力等工艺参数的大小，就是模拟量信号。这些信号在一定范围内连续变化，如 +10者 4 20200提供了专用的模拟量模块来处理模拟量信号。 拟量输入扩展模块 拟量输出扩展模块 拟量输入 /输出扩展模块 3. 通信模块 200系统提供以下几种通信模块，以适应不同的通信方式。 模块，同时也支持 调制解调器通信模块。 工业以太网通信模块。 T：工业以太网通信模块 ,同时支持 T 应用功能。 站模块，可连接最多 62个 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 15 200还提供了一些特殊功能模块，用以完成特定的任务。例如：定位控制模块 能产生脉冲串，通过驱动装置带动步进电机或伺服电机进行速度和位置的开环控制。每个模块可以控制一台电动机。 频器简介 述 变频器（ 一种用来改变交流电频率的电气设备。此外 ， 它还具有改变交流电电压的辅助功能。 变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而作为变频调速系统的核心 变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的 “ 先天 ” 条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。 过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产 完全独立的变频器。 频器的基本结构 变频器是把工频电源 (500换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，主要是由主电路、控制电路组成 。 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 ” 。 控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的 “ 运算电路 ”， 主电路的 “ 电压、电流检测电路 ” ，电动机的 “ 速度检内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 16 测电路 ” ，将运算电路的控制信号进行放大的 “ 驱动电路 ”， 以及逆变器和电动机的 “ 保护电路 ” 组成。 其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的 电路。 频器的分类 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为 制变频器、 制变频器和高载频制变频器；按照工作原理分类，可以分为 V/f 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 频器中常用的控制方式 非智能控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有 V/差频率控制、矢量控制 、直接转矩控制等。 智能控制方式 智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。 带电机简介 述 在实际生产中，皮带电机通常选择 异步电动机 。所谓的 异步电动机 即 转子置于旋转内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 17 磁场中，在 旋转磁场 的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动。转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状。