皮带配料自动称重控制系统毕业论文.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）皮带配料自动称重控制系统毕业论文目 录摘 要I第一章 绪论11.1概述11.2设计背景11.3工艺流程3第二章 皮带配料自动称重系统62.1设计总体介绍62.2上位机介绍82.2.1 概述82.2.2 工作原理82.3恒流量控制介绍92.3.1 概述92.3.2 PID调节原理92.4 西门子S7200简介112.4.1 概述112.4.2 一般特性122.4.3 扩展模块132.5 变频器简介152.5.1 概述152.5.2 变频器的基本结构152.5.3 变频器的分类162.5.4 变频器中常用的控制方式162.6 皮带电机简介162.6.1 概述162.6.2直流调速与交流调速的优劣比较172.6.3 异步电动机的变频调速原理182.7 电子皮带秤简介212.7.1 概述212.7.2基本组成部分222.7.3原理232.7.4特点232.8光电编码器简介242.8.1 概述242.8.2工作原理242.8.3编码器分类及特点25第三章 控制方案的确定及其实现方法283.1设计的总体任务及实现的功能283.1.1自动称重配料系统控制要求283.1.2设计任务283.2控制思想的确定293.3具体系统设计方案303.3.1 测速环节303.3.2称重系统313.3.3电机的PID调速313.3.4变频器控制环节323.4输入输出量统计32第四章 硬件选择、硬件接线图及其软件编程344.1硬件选择344.1.1电动机的选择344.1.2皮带秤的选择344.1.3称重信号的处理374.1.4测速传感器的选择384.1.5变频器的选择384.1.6 PLC的选择424.2硬件接线图444.2.1 PLC接线图444.2.2 变频器接线图474.3 软件编程（见附录）48第五章 总结50 66内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论1.1概述近年来，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（PLC）来完成控制功能。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PLC。而PLC的性能比较稳定，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PLC完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PLC为控制器的调速配料系统的硬件设计。1.2设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。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STD总线或PC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BAILEY公司的N-90系统;北京、葛洲坝等水泥厂采用了ABB公司的MASTER系统;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HONEYWELL公司的M工CRO TDC-3000系统;铁道部巢湖水泥厂采用了美国L-N公司的MAX1000系统。九十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。1.3工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、PLC、变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。PLC主要承担对输送设备、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PLC、变频控制柜、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 图1.1 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420mA或者010V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PLC实现控制功能，主要体现在实现自动控制及PID运算。第二章 皮带配料自动称重系统2.1设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。图2.1 控制系统结构图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010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010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RS-485通讯接口与工控机进行通讯。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PLC)及电机保护电路，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。PLC通过扩展EM277通讯模块，用PROFIBUS_DP的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010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PLC对电机的命令状态。7)工业控制微型计算机及软件工控机作为上位机，通过PROFIBUS双向通讯接口与动力控制柜中的PLC联机，控制PLC 的运行方式，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RS485双向通讯接口，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。2.2上位机介绍2.2.1 概述上位机是指人可以直接发出操作命令的计算机，一般是PC，屏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PLC/单片机之类的。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。2.2.2 工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RS232的串口通讯，或者采用RS485串行通讯，当用计算机和PLC通讯的时候不但可以采用传统的D形式的串行通讯，还可以采用更适合工业控制的双线的PROFIBUS-DP通讯，采用封装好的程序开发工具就可以实现PLC和上位机的通讯。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PLC，单片机等下位机，从而控制相关设备元件和驱动装置。2.3恒流量控制介绍2.3.1 概述采用PID调节方法实现流量的恒定调节，并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PID算法，即比例、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PID控制。它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。2.3.2 PID调节原理PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的， PID控制结构图如图2.2所示。图2.2 PID调节系统框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（2.1）表示如下： （2.1）公式中E(t)表示误差、u(t)表示控制器的输出，为比例系数，Td微分时间常数，Ti积分时间常数。1.比例(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e不为零时，调节器才会有输出；如果e为零，此时将失去调节作用。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Kc。但这样做往往会使系统的稳定性下降。2.积分(I)控制在积分调节中，调节的输出信号u与输入偏差信号e的积分成正比关系，即 （2.2）式中称为积分速度。由式可见只要有偏差e存在，调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P调节时，当e为零时调节器输出为零是不同的。当采用积分调节时，系统的开环增益与积分速度成正比。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PI调节器，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。3.微分(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(delay)组件，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，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(PD)控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。2.4 西门子S7200简介2.4.1 概述S7-200系列是一类可编程序控制器。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，图2.3是一台S7-200 Micro PLC外形结构图。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强实用性。S7-200系列适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。图.2.3 S7-200 Micro PLCS7-200系列出色表现在以下几个方面： 1）极高的可靠性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S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使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。2.4.2 一般特性 S7-200系列产品具有高性能的中央处理器和种类繁多的扩展模块，因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。S7-200无论单机运行，还是互相或者与其他设备组成网络，都具有优异的表现。S7-200的主要性能有：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。S7-200CPU集成了丰富的内置功能：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/O硬件中断事件。5）特殊功能相关的中断功能。6）PID控制，PID自整定功能。7）支持多种生产工艺配方。8）数据记录（归档）。此外，S7-200还支持以下功能：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RUN状态下的在线编程能力。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STOP时的状态。7）多种数据保持设置。8）一个可由用户定义的LED状态指示灯。2.4.3 扩展模块S7200CPU为了扩展I/O点和执行特殊的功能，可以连接扩展模块（CPU221除外）。扩展模块主要有如下几类：1）数字量I/O模块。2）模拟量I/O模块。3）通信模块。4）特殊功能模块。1. 数字量I/O扩展模块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/O扩展模块专门用于扩展S7200系统的数字量I/O数量。EM221：数字量输入扩展模块EM222: 数字量输出扩展模块EM223：数字量输入/输出扩展模块 2. 模拟量I/O扩展模块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+10V电压，或者420mA电流。S7200提供了专用的模拟量模块来处理模拟量信号。EM231：模拟量输入扩展模块EM232：模拟量输出扩展模块EM235：模拟量输入/输出扩展模块3. 通信模块S7200系统提供以下几种通信模块，以适应不同的通信方式。EM227： PROFIBUS-DP从站通信模块，同时也支持MPI从站通信。EM241： 调制解调器通信模块。CP243-1： 工业以太网通信模块。CP243-1 IT：工业以太网通信模块,同时支持Web/E-mail等IT应用功能。CP243-2：AS-Interface主站模块，可连接最多62个AS-Interface从站。4.特殊功能模块S7200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EM253，它能产生脉冲串，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。2.5 变频器简介2.5.1 概述变频器（frequency changer / frequency converter）是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。2.5.2 变频器的基本结构 变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变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CPU以及一些相应的电路。2.5.3 变频器的分类 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PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；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。 2.5.4 变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/f协调控制、转差频率控制、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。2.6 皮带电机简介2.6.1 概述在实际生产中，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。定子是电动机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场。旋转磁场并不是用机械方法来实现。而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，故相当于一个旋转的磁场。这种电动机并不像直流电动机有电刷或集电环，依据所用交流电的种类有单相电动机和三相电动机，单相电动机用在如洗衣机，电风扇等；三相电动机则作为工厂的动力设备。2.6.2直流调速与交流调速的优劣比较直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于大范围内平稳调速，目前，在许多调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。并且，直流调速具有优越的调速性能。高性能可调速拖动都采用直流电动机。但直流调速系统却也存在着许多其本身无法克服的缺点：第一，直流电动机的换向能力限制了他的容量转速积不超过，因此，也就限制了它们的应用范围。第二，直流电机有电刷和换向器才能工作，但是这些元器件却必须经常检查维修。另外，换向时，换向器还产生换向火花。因此，直流电动机的应用环境受到了很大的限制。另外，换向器的换向能力也限制了直流电动机的容量和速度。第三，由于直流调速必须带有换向器、电刷等器件，而且常要维护，所以使用直流电机的费用也较高。与直流电机相比，交流电机就具有十分明显的优势：交流电动机比直流电动机结构简单、价格低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高。如果把直流拖动的改成交流拖动，显然能给企业带来不少的经济效益。因此，交流拖动目前已经取代了直流拖动，并主要用于以下领域： 1）一般性能的节能调速和按工艺要求调速；2）高性能的交流调速系统和伺服系统；3）特大容量、极高转速的交流调速。交流电动机可以分为异步电动机和同步电动机两大类，而每种电动机又都有不同类型的调速方法。常见的交流电动机调速方法有：降压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速；绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速；变极对数调速；变压变频调速等。按照交流异步电动机的工作原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电动机的调速系统分成三类：1.转差功率消耗型调速系统；2.转差功率馈送型调速系统；3转差功率不变型调速系统。由于同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以，同步电动机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于0）的，而同步电动机转子极对数又是固定的，因此它只能靠变压变频调速，没像异步电动机那样有多种调速方法。2.6.3 异步电动机的变频调速原理变频器一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器一般由整流、逆变两部分组成（如图2.4所示）。图2.4 变频器组成如上图所示，变频器的工作原理为：利用整流电路，将接入的三相电进行整流成直流电，并且滤波，再经过逆变电路将直流电转换成所需频率的三相交流电。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，其直流回路滤波电感。上图所示既是电压型变频器。按变频的原理分，可分为交-交变频器和交-直-交变频器。交-直-交变频器又可分为电压型变频器和电流型变频器两种。交-交变频器只需一次换能，效率较高；但元件数量较多，一般情况下，输出最高频率为电网频率的1/31/2，电网功率因数地，所以，交-交变频器特别适用于低俗大功率拖动场合。交-直-交变频器需要两次换能，效率略低，采用强迫换流或负载谐振换流的环流方式，但元器件数量较少，而且频率调节范围宽；用斩波器或PWM方式调压时，功率因数较高。按变频的控制方式分类，可分为：U/f控制变频器、SF控制变频器和VC变频器三种。变频调速是根据三相异步电机的工作原理而采用的一种调速形式，其电机调速公式为n=60f（1-s）/p （2.3）其中：n为电机的转速；p为电机定子绕组的磁极对数；f为电机供电电源的频率；s为转差率。我国的电源频率为50Hz，通过公式计算可知，这种电机的同步转速为1500r/min。因此在电机极对数不变的情况下进行调速，根据公式，只有改变电机的供电频率f。而异步电机的转速与同步电机转速相对应，改变电机的供电频率即改变了电机的转速。电源频率增加，同步转速n增加，实际转速也增加；电源频率下降，电机同步转速下降，电机实际转速也下降。这种通过改变电机电压频率的调速方式即为变频调速。在整个变频调速过程中，在一个固定的转矩T下，转差率s基本不变，随着电机转速n的下降，电机磁场角速度鬃也减小，电机的输入功率PM=T和输出功率P=PM（1-s）也降低。而损耗没有增加，由此可见，变频调速是电机控制中较为高效的调速方法。电机变频调速能够实现无级调速功能，而且根据不同的负载类型，可以灵活地调节V与f的关系，满足各种场合的运用。下图2.5为变频调速时异步电动机的机械特性。图2.5 变频调速的机械特性它是公认的交流电动机最理想最有前途的调速方案，使用变频调速，可以减小了设备的故障率；延长设备使用寿命；提高产品质量。变频调速在调频范围，静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现自动控制和过程控制等诸方面是以往的变极调速、调压调速、串级调速、滑差调速和液力耦合器调速等无法比拟的。2.7 电子皮带秤简介2.7.1 概述电子皮带秤称重桥架安装于输送机架上，当物料经过时，计量托辊检测到皮带机上的物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。2.7.2基本组成部分电子皮带秤的基本组成主要包括：（1） 皮带输送机及其驱动单元（2） 称重单元（3） 测速单元（4） 信号采集、处理与控制单元。如下图所示： 图2.6 电子皮带秤的基本组成对于输送机式皮带秤，其整台皮带输送机就是承载器；对于称量台式皮带秤，其称量台和称重托辊以及恰运行到其上方的那段输送皮带构成了承载器。 称重传感器是将被称物料的重力转换为模拟或数字电信号的元件。称量台与称重传感器的组合常被叫做称重单元。 作为动态计量器具的电子皮带秤，用来测量被称物料运行速度的测速传感器也是保证计量准确度重要元件。 信号采集、处理、与控制单元是用以接收、处理传感器输出的电信号并以质量单位给出计量结果，以及完成其它预定功能的电子装置。它可以是单独的一块仪表（例如“动态称重显示控制器”），也可以由几个独立的部分共同组合而成（例如，分离的传感器激励电源装置、放置现场的信号采集器以及放置中央控制室的积算器和上位计算机等）。为了叙述方便，本卷教程常会把信号采集、处理、与控制单元（无论是单一的或者组合的）简称为“显控装置”。2.7.3原理由承重装置、称重传感器、速度传感器和称重显示器组成。称重时，承重装置将皮带上物料的重力传递到称重传感器上，称重传感器即输出正比于物料重力的电压（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；物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物料量。对每一测量周期进行累计，即可得到皮带上连续通过的物料总量。2.7.4特点电子皮带秤具有以下特点：1）实现远距离操作； 2）实现自动化控制； 3）数字显示直观、减小人为误差； 4）准确度高、分辨率强； 5）称量范围广； 6）特有功能：扣重、预扣重、归零、累计、警示等； 7）维护简单； 8）体积小； 9）安装、校正简单； 10）特种行业，可接打印机或电脑驱动； 11）智能化电子秤，反应快，效率高；2.8光电编码器简介2.8.1 概述光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。一般的光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成。在伺服系统中，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理如图所示。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的2个通道的光码输出，根据双通道光码的状态变化确定电机的转向。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式3种。2.8.2工作原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器， 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。2.8.3编码器分类及特点根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。1.增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。2.绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：1）可以直接读出角度坐标的绝对值； 2）没有累积误差；3）电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。3.混合式绝对值编码器混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。分辨率编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度510000线。信号输出有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,集电极开路（PNP、NPN）,推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。信号连接编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。第三章 控制方案的确定及其实现方法3.1设计的总体任务及实现的功能3.1.1自动称重配料系统控制要求控制要求：使皮带电机转速随着上位机给定而改变，使得电机转速和重量两者之积满足所要所需要的控制值（给定值）。系统被控制对象：皮带电机被控制量：皮带电机转速、称重传感器的测量值。控制量：PID所发出的控制信号。控制装置：S7-200 PLC。执行装置：富士变频器。控制方法：无静差的PID控制方式及变频调速方式。控制方式:单闭环控制。控制功能：皮带电机起动、停止、正反转功能；自动/手动的转换功能；故障报警功能；故障手动复位功能等。3.1.2设计任务 画出主电路，控制系统图； 分配I/O地址，列出元件表； 设计系统控制的程序框图； 根据程序框图设计该系统的控制梯形图，写出指令表； 实现与上位机的通信功能； 上机、实验调试通过。3.2控制思想的确定皮带配料自动称重系统的原理图如图3.1所示图3.1系统框图不难看出控制核心在PLC，而变频器只是交流电机调速的执行器。对电机转速的控制环节由称重传感器和速度传感器两部分结合而成。本设计的目的是：实现皮带传输的恒流量控制；控制实现手段：PLC的PID编程、变频器控制；功能要求：实现电机的手动自动控制、启动、停止、；给定值的输入功能；电机转速的PID控制功能；故障报警功能。电机的启动、点动、停止功能是电机控制的基本控制要求，主要通过PLC来控制；对电机转速的控制要通过PLC的PID程序和变频器控制来实现；报警信号主要由变频器的报警输出端输送到PLC来实现。由于本系统所选择的电机类型是异步电动机，所以，要达到电机调速的目的单有PID算法还不行，还必须有一个变频调速装置，即变频器。虽然要实现对交流电机的调速目的，控制的方法有很多，但变频调速是最为科学有效的。此外，还要有必要的测量装置。第一个需要的装置就是测速装置。当前较为精确、使用较为普遍的测速装置是光电码盘。光电编码器通过编码的方式直接测出电机的转动频率。通过转动频率，我们就可以通过运算得到电机的转速。第二个需要的装置就是称重传感器。称重传感器，可以测出传送到皮带上的物料的重量。称重传感器测出的一般为较弱的电压信号030mV，因此，控制系统还需要一个变送器来放大该电压信号，使之转换成标准的电压信号，以供输入PLC使用。有了光电码盘测出的电机转动频率和称重传感器测得压力信号，系统可运算出皮带送传输的物料流量。将物料流量给定值与此流量值进行比较，就可得到PID控制所需要的偏差值，然后就可以进行PID控制。PID控制信号输入变频器，变频器根据该信号的大小来控制电机的频率，从而达到了对皮带电机的转速控制。最后一点就是流量值的给定输入，流量值的给定可以通过上位机实现，也可以通过键盘输入给定。在这里我们采用常见的前者实现给定的输入。这样整个系统的控制思想已经基本构成。3.3具体系统设计方案3.3.1 测速环节测速环节主要由光电码盘来完成速度扫描，通过PLC中的高速计数器来实现计数功能。由式（3.1）可算出电机转动速度。 （3.1）式中：n电机转速； 圆盘电机的半径；高速计数器HSC0的扫描时间。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电码盘是目前应用较多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差的两路脉冲信号。本设计用到电机正转PID控制，反转检修点动控制不需要测速，所以将光电码盘的A相接入PLC的输入接口，通过PLC内部的高速计数器来读出电机转动的频率。再根据式（3.1）算出电机的转速。3