小水泥厂PLC系统控制.doc

小水泥厂成品包装车间PLC控制系统设计1绪论 1.1我国建材工业状况建材工业是我国经济建设的先行工业之一，也是我国“十五”规划中被列发展循环经济的重点行业之一。国家在“九五”计划和2015年远景规划中，将建材和建筑列在一起，作为国家的支柱产业。我国是水泥生产大国，水泥产量已连续19年居世界第一位，据不完全统计，2004年我国新建投产新型干法水泥生产线104条，其中代表世界最先进、最大规模的10000t/d生产线4条，使全国的新型干法水泥生产线达到404条，因此，我国水泥工来已经处于领导衔世界水泥工来的霸主地位。1.2设计任务范围水泥是国民生产的重要原料，水泥生产过程也涉及工业生产过程的许多领域。出水泥有两种形式：包装和散装。袋装水泥具有装、卸、运，易于堆垛和储存，不同品种、等级的水泥易于标记，可分类存放和便于计量等优点。包装机自动实现包装袋的压紧、灌装、松开、关闭和掉袋等功能，本课题的设计范围主要是针对于小型水泥厂的包装系统，利用三级给料间歇式自动定量包装，在整个包装系统中加入了计数器，然后通过PLC把得到的这个计数值和设定值相比较，以实现自动控制。此外，我们还在系统中引入了称重传感器，在定量包装系统中应用了单片机实现重量的自动检测与控制，这样在很大程度上提高了系统的包装速度和精度，从而降低了企业和客户的经济损失。，1.3工艺流程水泥生产制造过程中，按照主要的生产阶段可分生料制备系统、孰料烧成系统和水泥制成包装系统。水泥包装系统专题涉及了包装的计量、变频调速、电子称等方面。1.4三级给料及PLC控制的优点所谓三级供料即：称量每单位包装的重量叫单位包装重量，第一级供料占单位包装重量的60%，第二级供料占35%，第三级供料占5%；另有其它理解方式：省去一半的粗细两级供料；化大袋称重问题为小袋称重解决，简称“化整为零”。可见在同样周期内三级供料要比两级供料精确。由一，我们选用的三级供料即，第一级是60%，第二级是35%，第三级是5%，是目前普遍使用的二级供料的升级版，比如定量包装100 斤采用二级供料的平均误差是0.3%，采用三级供料相当于100斤省去一半的二级供料的平均误差就是0.15%，精度高了一倍；理由二，三级供料可以实现多种状态下、及条件下的包装称重稳定准确，比如：供料的足与不足、料的比重大小变化、粉状的、粒状的，不规则状的，都可以通过三级供料实现较准确称重；二级供料实际上只有料流均匀时准，是一种巧合称重；理由三，料流及落差越小，越容易控制，采用三级供料最后的料流明显小于二级供料的料流，所以容易得到称重稳定和能耗节省；理由四，料流速度越快，称重的效率就越高，在连续称重工作中，三级供料就是要求有最快的和不停止的流料速度，这也是人们以往实现不了三级供料原因之一；理由五，稳、准、快、省基本统一是有一种升级秤技术为基础的，因为一种升级秤技术还没有授权，请原谅我在我们没有合作意向时暂不公开；理由六，我们认为一台机械的最大价值就是像电动车一样，要节省使用成本，它基本包括耗能成本、维修成本、寿命成本、及用人成本。用PLC控制水泥包装机有如下优点：1)抗干扰性能十分优良，而且PLC具有I/O点状态同步显示，可以直观地判断PLC所有外部电气部件的运行状态以及能汉显报警和故障信息，极大地缩短了平均维修时间2)系统构成灵活，扩展容易，通讯能力强3)PLC指令丰富功能强大，但编程与操作十分简单，开发周期短，现场调试容易，如称重设定值、推包前后延迟时间等都可通过中文显示器在线调试；而且日后维护、修改程序甚至扩展等都极易被现场技术人员掌握。4)体积小，重量轻，安装简便(可嵌入式或壁挂式)；实时性好，准确度高，称重精度可达500.2kg。2系统设计2.1系统设计的目的和目标在20世纪90年代到本世纪初，机电一体化技术尤其是PLC技术在我国水泥装备的制造和应用开发方面得到了快速发展和技术水平的迅速提升。袋装水泥全自动包装发运是达到高装车能力的唯一办法，包装机和自动叠包机为发运系统的畅通形成了一个重要的中间链条。本系统设计可以答到如下要求：计数准确、可靠 水泥包装计数值有水泥单袋50kg和发运装车是否准确两层意思。水泥单袋国家标准重量为50kg0.4kg，其计数值准确与否，由专门的水泥包装机连续计量分装。随时响应发货人要求的水泥袋数 不影响原有设备的运转前提下保证装车连续。2.2三级给料控制定量包装的设计三级给料控制的定量包装，结构简单，可广泛应用于流动性不好的的粉粒状物料的定量包装，目前该种方式在国内包装秤中很少应用，具有一定的市场开拓空间。为保证控制系统精度和速度，过去用于成品包装的定量包装秤给料装置，大多采用直落式给料、双螺旋给料或双振动给料等方式。定量开始后，大小给料机同时工作，当物料重量达到大给料设定值时停止大给料，并继续保持小给料，当物料重量达到最终设定值时，关闭小给料。由于水泥具有较差的流动性以及螺旋给料或振动给料机械具有的惯性，再加上物料输送的不均匀，定量包装秤的动态精度很难稳定控制。基于上述问题，我们研究水泥的特性，采用变频器三级控制的方式，将双螺旋给料或双振动改为单皮带给料，这样不仅降低设备的生产成本，而且又能保证成品的完整型。结构组成目前，国内外生产的自动定量包装秤，按计量斗形式主要分为有斗式和无斗式；按重量形式主要分为净重式和毛重式，但大都采用模块化设计思路。设计的样机采用无斗式毛重进行称量，主要由储料仓、皮带给料机、过渡器、截料装置、称重单元、夹袋装置、气动部分、缝包部分、成品输送部分以及电气控制单元等组成。其结构组成如图1所示：主要技术指标设备的最大秤量为25100kg；称量速度为610袋/分；称量精度为0.5%1.0%；平均功耗约为5kw。皮带给料机给料部分形式较多，通常有直落式、螺旋给料、刮刀式、振动式和皮带给料等，根据物料的不同可选择不同的方式，这一部分选择是否合适直接影响到定量包装秤的速度和精度。由于饲料行业工艺的特殊性，为克服采用漏斗式易堵料、螺旋或刮刀易使物料破碎、振动给料粉尘污染严重等问题，为此，在该设备中我们选用皮带给料的方式。称重单元称重部分主要由称重斗、称重传感器、称重显示控制器等组成，能够完成物料的准确计量，并能发送控制系统所需的控制信号：超、欠量信号，预置提前量信号、提前量信号、目标值信号、420mA模拟量信号及标准的RS232/485信号。夹带接料斗夹带部分为圆形，可保证夹袋后的密封性，并流有排气口，使袋内的粉尘及空气及时排出，该部分主要依靠气动执行元件完成其各项动作2.3三级给料包装工作原理控制单元主要由计量控制仪表、可编程控制器和变频器等组成，将设备置于自动工作状态，开启自动按钮，启动皮带给料机进行进行一级给料，当达到预置提前量时，称重单元发出信号，变频器切换到二级给料方式；当达到提前量时，称重单元发出信号，变频器切换到三级给料方式，当达到设定目标值时，截料斗关闭，松袋，套袋，系统自动切换到工频状态进行下一循环。其工作原理图如下图2所示：三级供料用于无斗包装秤供料过程示意图（吨袋包装秤依次类推）当供料到位、称量开始时，供料控制料门4平稳打开，供料槽3 内的储料迅速供入包装袋5内。约占单位总称量的60%。记为W1。紧接着，是第二级供料，由第二级供料门2，通过料槽3 供入较小的料流。当二级供料时间超过超过一个稳定定时值时、且称量斗内的供料量将要达到95%时，供料控制料门4 平稳关至微量供料位置4，第二级供料结束，占单位总称量的35%，记为W2+W3。再紧接着，是微量供料（即第三级供料）。由微量供料孔4，直接供入微量料流，当微量供料时间超过一个较长的稳定定时值时、且包装袋内的供料将要达到100%时，供料控制料门4 完全关闭， 微量供料结束， 占总称量的5%， 记为：W4+W5。 W1由容积料槽3 供入包装袋的供料； W2由第二级供料门2 通过料槽3 供入包装袋的供料（料门4 半关闭动作前）； W3供料控制料门4 获得第一次关门指令以后，到下一级供料开始的空中飞料，也叫落差；W4由微量供料孔4 供入包装袋的供料（料门4 关闭动作前）W5供料控制料门4 获得第二次关门指令以后的空中飞料，也叫落差，这个值决定称重精度。完成的功能用于控制该设备中喂料皮带机的启停、夹袋、松袋、三级给料控制、闸门、截料器及挡板的开启，计量的启用及成品的输送等；用于控制该设备与周边系统的连锁控制；用于检测状态传感器的工作状态；可将设备的工作情况及数据传送给上位机，并进行数据处理。变频控制部分的设计变频器的控制部分是该设备的核心，型号的选择，参数的优化设定，直接关系到设备的可靠性、稳定性、定量速度和定量准确度等。给料量的大小主要是由皮带给料机的转速决定的，即系统最终控制对象是皮带给料机。皮带给料机的转速是通过变频器来控制的，其容量的大小直接涉及到变频器的选用规格。从图2控制原理图可以看出：系统主要选用利用控制端子完成多段速度的运行控制，按操作面板的编程按钮进入编程状态，设置F02=1（运行命令由控制端子给出），F053=1、F054=1（设置X1、X2为多端频率端子），X3为变频器的正向运转选择，F058=10、F059=20、F060=50（多段频率设定值），三级给料对应的频率组合状态如下表：多段速度特性如图3所示试验效果该设备采用变频器多级进行给料控制，系统运行平稳，给料均匀，速度变换平滑，无机械冲击，对动态称重数据影响很小。主要表现在以下几个方面：系统的精度高，单机运行时，精度优于0.5%；系统保护功能完善，可通过人机界面设置、修改参数，故障自诊断的结果直接显示在人机界面上，缩短了检修时间，大大提高了工作效率；采用软启动方式，避免对电机的机械冲击，延长了电动机的使用寿命；通过变频器自身设置的参数很容易实现过流、过压、欠压等保护；定量包装设备运行稳定可靠,节能效果明显；环境污染（粉尘、噪声及对电网冲击等）程度低，保护工人的身心健康。2.3 PLC控制与其它工业控制系统的比较可编程控制器(PLC )作为控制系统的核心装置，功能强大、性能稳定可靠。在现代工业自动化生产中得到了广泛的应用。在现代工业设备及自动化项目中，我们会遇到大量的开关量、脉冲量及模拟量等控制装置。如电机的启动与停止，电磁阀的开闭，工件的位置、速度、加速度的测定，产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等。传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。这种控制方式虽然造价便宜，但却存在许多致命的弱点:只适用于简单的逻辑控制，仅适用某种控制项目，缺乏通用性，一旦要实现改动或者优化，只能通过硬件的重新组合来实现。目前，工业界比较有代表性的控制方式主要有以下几个类别:继电器控制系统，单片机控制系统，微型计算机系统，集散型控制系统。PLC与继电器控制系统的比较 继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。而PLC是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变PLC内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于PLC来讲，只要用PLC配备的编程器在现场就可以完成更改。至于PLC对外部的联系，只有I/0点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低。一次动作一般为数十毫秒。对于复杂的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而PLC是以微型计算机为基础的控制装置，其运行速度为每个指令步数十微秒(对于高速PLC则是5微秒以下)。并且内部有严格的同步，所以不会出现抖动的问题。对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。由于时间继电器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以其定时精度低，调整不方便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而PLC则是由晶体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的，定时范围一般为0.1秒，也有0.01秒的，精度一般高于10毫秒，只要根据需要由编程器送入时间常数即可实现定时时间的设定或更改。由于PLC的定时是对时基脉冲进行计数来实现的，所以如果是对外脉冲进行计数，就成为计数器。现代的PLC一般都具有定时器和计数器功能。 从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松动，所以可靠性和可维护性都较差。而PLC则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透明。PLC一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困难。继电器逻辑只能对开关量进行控制。而PLC除了具有开关量控制功能外，有些功能较全的PLC还具有A/D,D/A转换装置，可以用来对模拟量进行控制。但是目前在成本方面PLC还比继电器贵，一般进口产品每个I/O点为人民币80元左右;国产一般点I/O为60元左右。PLC与单片机控制系统比较虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控制而设计的。同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量控制，所以其长处仍得不到发挥。单片机与PLC的比较:在很大程度上，单片机是专为工业控制而设计的。因此，它具有较好的环境适应性。事实上，现代PLC的核心就是单片微处理器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势。但是不可否认，从单片机到工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然PLC也有必不可少的软件开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。而PLC用专用的指令系统来编程的。前者复杂而易出错，开发周期长。后者简便易学，现场就可以开发调试。单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受CPU、内存容量及1/O接口的限制;软件上主要受限于与CPU类型有关的编程语言。一般说来单片机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都相当差。PLC与计算机控制系统的比较 PLC是专为工业控制所设计的。而微型计算机是为科学计算、数据处理等而设计的，尽管两者在技术上都采用了计算机技术，但由于使用对象和环境的不同，PLC较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿度环境、输入、输出一一般采用“光一电”隔离技术，并配备有可承受较大负载的继电器或可控硅(也有用晶体管)输出部件，一般可以直接驱动小型电机等负载。此外，使用面向工业控制的专用语言而使编程及修改方便。并有较完善的监控功能。而微机系统则不具备上述特点，一般对运行环境要求苛刻，使用高级语言编程，要求使用者有相当水平的计算机硬件和软件知识。此外，微机系统的外设配备较多，有些对工业控制并非必须。因此PLC显然较微机系统更适合于工业控制。3硬件选型3.1包装机的选型定量包装机是水泥、化肥、石膏粉等厂家必备的设备之一，目前，我国中小型生产普遍采用自动化程度低、包装精度差、工人劳动强度大的机械包装机进行包装。包装时易堵料，且堵料后排除费时费力，加上扬尘严重，直接影响环境及工人的身体健康。针对以上问题，开发秤量精度、自动化程度高、扬尘少的微机控制定量包装机就非常必要。二、设计要求及总体方案包装机主要用于细颗粒及粉状物料的标准自封口纸袋的包装。袋重及精度：50kg0.4kg，可根据要求在50kg以下任意设定，计量稳定，能自动调速误差，除插袋外，装包、秤量、料门控制、缷袋全部自动化，并配置应急、调整用的手动操作系统，跟踪显示袋重，自动累计装袋数，袋重超差报警及断电保持记忆功能等，整机安装高度H2000mm,扬尘少，结构简单，易维修，工作安全可靠，噪音低。同类产品性能比较对照一览表 包装机性能比较表 3.1.1开关闸控制部件技术特征对比及选型技术特征对比开关闸控制部件技术特征对比示意图 性能比较及选型DWS型技术特征的全自动水泥装包机的开关闸动力装置是80kg二位直流电磁缸。缸壳用铸钢钢车削而成，铁芯使用实心圆制成，机械强度高、不易损坏。双向牵引、二位保持、磁力强劲，瞬时开关闸。由于使用直流电源，保持电流小、铁芯无涡流，不发热、无温升，保持过程无噪音。普通杠杆式和G4201固定水泥装包机使用3kg交流牵引电磁铁控制。电磁铁轨铁及衔铁用浸漆的硅钢片铆合而成，机械强度低，易因自身撞击、磨擦损坏。单向牵引，弹簧复位，牵引力小。使用交流供电，保持电流大，绕圈常因电涌过大烧毁，铁芯会因涡流效应而发热，保持过程有交流声、振动。通过比较本系统选择：DWS型技术特征的全自动水泥包装机例如HLC系列回转式水泥包装机3.1.2 DWS型水泥装包机电器原理图及元件明细表DWS型水泥装包机电器原理图及元件明细表3.1.3 普遍型杠杆式水泥包机结构原理图 如下图所示为普遍型杠杆式水泥装包机称杆计量调整机构。可以通过游驼和微调驼设置袋装水泥的重量，也可以通过在承重钩设置触卡，作为开关，实现微机控制 3.1.4 HLC系列回转式水泥包装机简介HL-C型系列回转式水泥包装机是在引进德国包装技术的基础上，同时参照国内包装机使用的实际情况自主开发的。HL-C型系列回转式水泥包装机具有以下特点： 、适应面广，凡流动性能较好的粉状、颗粒状物质都可使用本包装机进行包装。 、基本实现自动化、灌装、计量、掉袋等动作均自动连续完成。 、工作环境洁净环保、不插袋不灌装，袋重达不到标准定值不掉袋，袋子意外脱落闸板立刻关闭,停止灌装。 、维修简单、易损件少，无液压件、有气动元件。3.2传感器的选型3.2.1称重传感器 称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置，被喻为电子衡器产品的心脏。用传感器应先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。3.2.2各类传感器比较光电式传感器包括光栅式和码盘式两种。 光栅式传感器利用光栅形成的莫尔条纹把角位移转换成光电信号。光栅有两块，一为固定光栅，另一为装在表盘轴上的移动光栅。加在承重台上的被测物通过传力杠杆系统使表盘轴旋转，带动移动光栅转动，使莫尔条纹也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表，即可计算出移过的莫尔条纹数量，测出光栅转动角的大小，从而确定和读出被测物质量。 码盘式传感器的码盘（符号板）是一块装在表盘轴上的透明玻璃，上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的代码。加在承重台上的被测物通过传力杠杆使表盘轴旋转时，码盘也随之转过一定角度。光电池将透过码盘接受光信号并转换成电信号，然后由电路进行数字处理，最后在显示器上显示出代表被测质量的数字。光电式传感器曾主要用在机电结合秤上。液压式传感器在受被测物重力P作用时，液压油的压力增大，增大的程度与P成正比。测出压力的增大值，即可确定被测物的质量。液压式传感器结构简单而牢固，测量范围大，但准确度一般不超过1/100。 电磁力式传感器它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜；光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达1/20001/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。 电容式传感器它利用电容器振荡电路的振荡频率f与极板间距d 的正比例关系工作。极板有两块，一块固定不动，另一块可移动。在承重台加载被测物时，板簧挠曲，两极板之间的距离发生变化，电路的振荡频率也随之变化。测出频率的变化即可求出承重台上被测物的质量。电容式传感器耗电量少，造价低，准确度为1/2001/500。 磁极变形式传感器铁磁元件在被测物重力作用下发生机械变形时，内部产生应力并引起导磁率变化，使绕在铁磁元件（磁极）两侧的次级线圈的感应电压也随之变化。测量出电压的变化量即可求出加到磁极上的力，进而确定被测物的质量。磁极变形式传感器的准确度不高，一般为1/100，适用于大吨位称量工作，称量范围为几十至几万千克。 电阻应变式传感器利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。 电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/10001/10000，结构较简单，可靠性较好。大部分电子衡器均使用此传感器。 因此在本系统设计中选用电阻应变片传感器3.3螺旋输送机的选用LSY系列管式大倾斜角螺旋输送机 本机主要用于阀口袋的自动填充，因其性能稳定，配件极少，维护简单，费用低廉，经济耐用而深受使用厂家喜爱，是侧吸式和叶轮式包装机的更新换代产品。（配件占侧吸式或叶轮式的1/3）。性能