【《基于PLC的自动配料搅拌控制系统设计》9100字】

III基于PLC的自动配料搅拌控制系统设计摘要随着21世纪的到来，经济技术快速发展，在工业生产中，电子技术也慢慢出现，并且带动着工业生产不断进步，成为工业生产中非常重要的一部分，而自动控制系统也慢慢的代替着手工操作方便着人们进行的工作。因此在现在乃至未来，自动控制系统不断改进完善自身，可以更好的服务人们的生产生活。首先，选用PLC为控制芯片，采用通用的继电器来控制梯形图语言，这样可以应用大部分生产工厂，并且工业生产中设备需要有耐热、防潮、防震等能力，PLC在使用中完全符合这些要求。在本设计中选用的是S7-200PLC系列的226PLC，编程采用STEP7--Micro/WIN编程软件。本设计能够完成的功能是物料称重、物料输送、变速混合搅拌、卸下混合后的物料和故障报警，编写好的程序可以很好的对系统运行进行监控。而PLC可以自动完成程序的自动运行，自动监控整个系统。与现代化的自动化控制技术相对照，可以帮助自动配料搅拌控制系统提高性能，同时也提高了系统稳定性，不断完善整个系统。关键词：自动配料；传感器；PLC；目录摘要 IAbstract II1绪论 11.1本设计研究意义 21.2本设计研究背景 21.3软件分析和编写 21.4硬件电路设计 22总体设计方案 32.1设计要求 32.2方案分析 32.3系统方案的选择 43硬件设计方案 63.1电路设计 63.2PLC型号的选择 63.3电磁阀选型 73.4电动机选型 83.5称重传感器选型 93.6变频器选型 103.7PLCI/O表 114程序设计 144.1系统设计流程图 144.2系统主程序的设计 164.3系统手动程序的设计 194.4系统自动程序的设计 214.5程序的仿真调试 254.6程序仿真时的错误与纠正 28参考文献 31附录1部分源程序 32 共页第1页1绪论1.1本设计研究意义中国改革开放以来，工业生产的要求大幅度提高。在中国各省建立了许多大型加工制造工厂，我国渐渐成为加工制造强国。由于过硬的要求，各个加工厂逐渐完善并提高了对产量的规定，这就是对工厂生产力的考验，生产力都是和产量和产能挂钩的。虽然可以制定行之有效的制造规章制度来确保生产率，但是提高生产率最简单有效的方法就是改进制造机械设备。生产线设备的升级可以显着提高工作效率，所以日渐增多的加工厂都希望把自动化生产的功能加进自己的生产线。在现代生产制造领域，如加工厂、流水线、制造业等，要想提高生产效率，就必须解决提高配料称量效率这个问题。传统的配料称重方法经常需要人工干预。这种配料称重方式不仅生产效率低，而且返工给加工厂的工人增加了很多额外的工作压力，因此逐渐退出生产舞台。本设计方案基于PLC自动配料秤混料系统软件。该自动控制系统的研究意义是期待所有配料称重设备的自动控制系统都可以按照可编程控制面板和与功能相匹配的程序运行,减轻员工的工作压力，提高员工的工作效率和生产力。生产自动化制造领域缓慢完成，由程序流程独立控制，无需员工操作的高效自动称重系统软件，必将在智能科技的道路上走得很远。由PLC控制的自动配料秤混料系统软件，不仅实际操作简单，而且精度更高，节约成本。它的一般应用成本也远低于采用人力的批量称重方法。共页第2页1.2本设计研究背景1960年代以前，在工业生产中，人们普遍采用继电器等自动控制系统来完成生产过程的自动控制。该系列自动控制系统在当时的机械自动化生产中普遍使用。制造工厂在当时是工业生产必不可少的，可见其在当时的影响力是非常大的。但是，这种自动控制系统有一些重要的弊端。第一个主要缺点是系统软件外部接线过多。如果必须改变生产工艺，就必须花费非常大的金钱来改变原有的硬件配置。重新配置布线，这会造成大量的时间消耗和对生产力的巨大危害。其次，该类汽车继电器自控系统体积非常巨大，占用了非常大的制造厂室内空间，不方便随意移动。巨大的体积也导致能源损耗的增加。

到了1960年代，大家都在寻找一种更轻便、更高效的全自动自动控制系统，以取代传统的汽车继电器自动控制系统。大家首先想到的就是利用电子设备信息技术来控制生产设备。但是，在实际应用的整个过程中，也发现了一些不足。由于电子设备信息化工程成本高，结构复杂，内部编程方法不易掌握，不适合工业化生产。计算机自动控制系统不能大规模替代汽车继电器-直流接触器自动控制系统。当时，工业生产的快速发展趋势促使大家寻找一种新型的工业生产级操作面板，可以在大范围内取代传统的汽车继电器自动控制系统。1968年，美国通用电气公司明确指出了著名的GM10文章的内容。到1969年，第一台可编程控制器操作面板（PLC）问世。随着科学技术的发展，技术性得到了改革创新和自主创新。可编程控制面板的功能正在逐步完善。由于其可靠性强、工程造价低等诸多优点，被广泛应用于各个领域的生产过程中。占领了销售市场，传统的继电器控制系统因为落后开始被淘汰1.3软件分析和编写（1）筛选过后选择西门子S7-200PLC最为合适。（2）分析设计所需要的传感器转换器的精度和量程，选择合适的传感器，通过相关公式运算输出电压，最后编写采集数字量的程序。（3）编写总体功能的PLC程序。（4）挑选适合本设计所有的相关硬件。1.4硬件电路设计（1）利用CAD画出电气原理图、电机和PLC的接线图等。（2）收集好各种元器件的参数，熟悉每个元器件的功能和使用方法，设计出符合本设计的主控电路。共页第3页2总体设计方案2.1设计要求自动配料搅拌控制系统在工业生产中不仅可以实现自动称重，还可以生产过程中的各类粉粒或液体物料，比如饲料、肥料、药剂等，按照设定好的比例进行混合搅拌，直接生产出可封装出售的产品，生产效率大大提高，省下诸多人工费，未来的市场发展一片光明。具体设计要求如下：（1）.设计出合适的自动配料搅拌控制系统设备运行方案；（2）.选择设计适用的硬件；（3）.控制系统的程序设计；系统设计框图如图2.1所示：图2.1系统设计框图2.2方案分析本设计的自动配料搅拌系统能够实现三种物料称重混合搅拌，物料的种类可根据厂家需要自行添加，系统给料量采用电磁阀进料，根据重量传感器的数据信息，阀门控制物料的多少，等所有的物料都上料完毕后，搅拌电机以阶段变速开始运行，搅拌完成要求后开始卸料，详细控制过程如下所示：共页第4页（1）启动系统，系统对称重传感器收集到的数字量进行转换，转换成模拟量再输送到PLC中。（2）数据输送完成后，三个上料的阀门关闭停止上料，搅拌电机准备运行，混合物料。（3）所有物料上料完毕后，搅拌电机开始运行，搅拌电机一共运行300s，前100s为低速运行，中间100s为中速运行，后100s为高速运行。搅拌完成后电机停止运行。（4）搅拌完成后将混合好的物料装卸，装卸时间设置为300s，装卸完成后系统结束。要实现整个设计要求，在编程时要在程序软件里要使用到多种指令，如MOV指令、ADD指令、SUB指令等，只有所种指令相互配合才能完美实现要求。2.3系统方案的选择选择不同的控制系统，设计方案也会大有不同。在制定设计方案之前，必须选择合适的方案设计。配电设计方案方案一般分为接触器控制系统、PLC控制系统、单片机控制系统，从这三个控制系统中选择最合适的。对于继电器自动控制系统来说，含有多个低压电器元件。控制方式需要看电路是怎么连的，按照连接多个电气设备的方法完成机械设备的运行。因为操作单一化，所以显得操作简单。许多控制系统，如单片机设计系统软件、PLC控制系统软件，都是在继电器系统软件上开发的。继电器自动控制系统在电路系统中，是最初使用的自动控制系统，刚开始是控制设备运行的，然后电气设备的发展趋势越来越快，越来越多的电气设备硬件配置必须被操纵，所以越来越多的电器设备按电器设备接线的方法连接，使继电器系统的应用越来越熟练和普遍，但继电器控制系统有很大的弊端，因此决定了它的适用范围。例如，无法将数据变成我们看得懂的，也没有改动数据的方式等。

PLC控制系统广泛在工业控制自动化领域得到使用，PLC可编程控制器是常用于自动化的控制，PLC的结构由I/O端口号、通讯端口号、硬件配置、硬件配置CPU等部分配置组成。在PLC运行的情况下，其内部CPU根据连续扫描的方式来完成程序流程的运行，并把输入端口号连接到外部硬件上，将硬件采集的数据信号传输给PLC，如动作信号、数据信号、传感器数据等，编写运算程序的PLC，可以将这些信号通过输出口输送出去。PLC控制系统与由继电器控制系统相似，因为是由其衍生出来的，所以操作方法在某些方面与继电器控制系统近似。

单片机控制系统其实是一个小型计算机系统，在设备生产中有广泛的应用，经常运用到家电当中，比如遥控器、时钟等，正是单片机控制系统体积小，因此在小设备里面广泛使用，单片机在交流电机系统中，系统的特点还是较为明显的，比如单片机处理芯片的芯片价格便宜，在批量使用的时候可以降低很大的成本设计费用，然后单片机控制共页第5页系统和传感器相结合，可以对温度，湿度，重量等模拟量的采集非常容易，因为单片机系统具有很多输入接口，这些接口是模拟量输入口，无需扩展。

查阅资料可知，PLC控制系统有独立的寄存器，互不干扰。寄存器的使用没有次数限制。因此，与前两类控制措施相比，优势明显，稳定性更强。所以，PLC控制在电气控制领域独占一方是靠功能多且好用、适用性强、稳定性好等优势。能够广泛引用于生产制造业，所以本次设计选用PLC控制系统来完成设计。共页第6页3硬件设计方案3.1电路设计如图3.1所示为本设计自动配料机搅伴系统的控制电路图，系统启动和停止的输入为I0.0和I0.1，手动模式和自动模式输入为I0.2和I0.3，手动阀门1，阀门2，阀门3输入分别为I0.4、I0.5、I0.6，手动卸料阀门输入为I1.0，搅拌故障输入为I1.1，手动搅拌电机低速，中速，高速的输入为I0.7、I1.2、I1.3。系统运行和停止输出为Q0.0和Q0.1,手动运行灯和自动运行灯输出为Q0.2和Q0.3，阀门1，阀门2，阀门3的输出分别为Q0.4、Q0.5、Q0.6，搅拌电机输出为Q0.7，卸料阀门输出为Q1.0，系统报警输出为Q1.1，电机低速运行，中速运行，高速运行输出分别为Q1.2、Q1.3、Q1.4。图3.1控制电路图3.2PLC型号的选择PLC也可以被称为可编程控制板。它是由很多个微处理器组成。广泛应用于许多电子计算机的数据信号输入、自动控制系统的基本原理、轨道通信技术的基本构建的一种共页第7页自动控制系统设备。因此它具有许多其他控制面板所没有的优点。一是安全系数和稳定性强，安全性能高，常见故障频率低，体积非常的小，只是继电器的一小部分。正是由于其小巧的体积，在出现常见故障时也非常容易修复，有利于快速故障检测和重新交付，它的优势不论在什么恶劣环境内，都能够实现功能。如今，PLC已经广泛引用于各个行业和应用领域，并且越来越受欢迎。早已成为当代产业链中控制面板应用的霸主之一。现阶段的自动化技术，市场上的PLC种类繁多，如西门子PLC、三菱、欧姆龙等。不同系列产品的PLC指令不同，在不同的操作场所各有优势。例如，德国西门子PLC在测试温度、工作压力等主要参数的地方尤为突出，如模拟量输入数据处理方式。西门子PLCPLC的液体收集和调整功能可靠。例如，三菱系列产品的PLC在定位和操控精确的地方能力优秀。说白了，运动控制系统就是为交流伺服电机、交流电机等电机开发逻辑或启停技术。此外，三菱PLC还有许多分支可分为FX系列产品、Q系列产品、L系列产品和其他PLC。其中，FX系列产品为中小型行业PLC，Q、L系列产品为中、大型行业PLC。本设计的自动配料称重控制系统使用的行业是中小型操作行业，主要是通过闸阀和搅拌电机完成平稳运行，另外完成检验称重数据信息，经比对，选用西门子PLCS7系列PLC为基础，对系统软件的进行精准的控制。我们需要用到12个I/O地址，根据分析，系统软件有12个键入详细地址分配，模拟量输入需要3个，按钮输入需要9个，输出地址一共需要13个，没有模拟量输出。S7-200PLC完全可以满足系统软件的所需要的I/O口，因此选择了满足接口要求的226型号的PLC，其由24个输入，16个输出。3.3电磁阀选型本次设计的阀门控制需要用到电磁阀的控制，使用此电磁阀是为了通过控制阀门来控制物料的使用的多少，查阅资料后发现电磁阀的种类有很多很多，原则上大致可分为直动式、分步直动式和先导式三种。其中，直动式是通过线圈的通电产生的电磁力来驱动的塞阀的运动，而分步直动式不仅有线圈，还利用压差。先导式根据线圈控制活塞杆运动来控制流体运动，完成对阀门电源开关的控制。因此找到了多种型号的电磁阀，有单线圈输出的电磁阀，有双线圈输出的电磁阀，而本设计选用单线圈的电磁阀，因为单线圈输出的电磁阀操作简单，当线圈得电后，弹簧阀塞在电磁力的作用下打开，开始进气，在高压气体作用下物料阀门开启，当电磁阀断电后，弹簧阀塞失去电磁力的作用，受到弹簧的作用力，进气口关闭，物料阀门失去高压气体的作用后关闭。综合以上几点本设计选用了二位三通电磁阀，此次控制系统的选用的电磁阀为正泰的3V-210-08AC220V二位三通电磁阀，实物如图3.2所示。其工作原理如图3.3所示，当线圈通电后共页第8页产生电磁力，弹簧阀与线圈一体在电磁力的作用下向上移动，进气口打开高压气体进入，在高压气体的作用下上料阀门打开，断电时弹簧阀塞失去电磁力的作用，受到弹簧的作用力进气口关闭，没有高压气体作用上料阀门关闭。图3.2二位三通电磁阀图3.3二位三通电磁阀的工作原理3.4电动机选型本设计的物料混合搅拌是通过电机来传动的，电机的转动带动搅拌设备的运行，实现混合搅拌。在网上查找工厂生产广泛使用的电机为三相交流电机，交流电机在搅拌设备的运用上比较广泛，该电机有高的安全性，体性能稳定，工作运行速度平稳，抗震性强，比直流电机要好。本设计由电机带动搅拌设备实现物料的混合搅拌，通过电机的带动，实现物料的自动搅拌，搅拌电机的启停可以被控制器控制。所以综上几点，本设计选用了型号为C01-43B0的电机。共页第9页图3.3C01-43B0型电机实物图三相交流电机铭牌参数：（1）.型号C01-43B0；（2）.电压380V；（3）.接法星型；（4）.功率1.5kw；（5）.电流3A；（6）.转速1400r/min；（7）.频率50hz3.5称重传感器选型如图3.4所示本设计的全自动称重系统中使用的称重传感器类型为应变片式压力传感器。这种传感器是由美国技术工程师很久以前开发的压力传感器升级而来。产品开发的初衷是为了更好地用于工业生产中的原材料称量。经过几十年的技术升级，此类传感器的技术已经逐步完善。因此这内传感器也得到广泛应用，其经久耐用，安装简单方便，精度高等优点深受生产厂的喜爱。应变片式压力传感器的测量范围比较大，可以检测到被称量原料质量的较大变化。最大工作压力可达数百兆帕。非常适合称量重的物体。此外，应变片式压力传感器特别适用于动态称重，因为这种类型的称重传感器具有优良的动态特性，可以在短时间内检测快速变化物体的质量变化。尽管设计人员已经为应变式称重传感器设计了温度补偿结构，依旧无法解决应变片式压力传感器的温度误差和时间误差。但由于本次称重系统软件的设计并没有追求完善、高精度的设计规范，因此该类称重传感器适合在此处的系统软件中应用，作为本次设计称重传感器的选型使用。其有0.5%-1.0%大概精度。共页第10页图3.4应变片式压力传感器3.6变频器选型本课题设计的搅拌过程需要用到电机，电机的转速需要人来控制，那么就需要一个变频器来控制电机的额定转速，变频器可以改变电源的频率，以实现电动机的变速操作。在工业生产中变频器需要有较宽的调速范围，有足够大的启动转矩，能够平稳启动，保护生产设备，还要明显的省电效果。综合以上几点，同时为了匹配所选的三相交流电机功率电压频率等，本设计选用了西门子MM440变频器，因为这个变频器的参数与电机参数匹配，如图3.5所示。图3.5西门子MM440变频器共页第11页3.7PLCI/O表依据控制电路图总结出输入与输出的地址。I/O分配表3.1：共页第12页3.3.1PLCIO接线图PLC接线图纸包括电源，输入按照图纸正确连接，输出也按照图纸正确连接，电气图纸如图3.6所示：图3.6PLC接线图如图3.6所示，PLC所接的元器件都在图中全部展示了出来，本次使用的PLC是226的，在图中的L1和N1接口接入AC220V电源，对应的输入输出接口依次接好，其中手动搅拌电机低速、中速、高速的输入接口分别为I0.7、I1.2、I1.3，电机低速、中速、高速输出分别为Q1.2、Q1.3、Q1.4。当中变频器控制电机变速，变频器中有三个继电器Q1、Q2、Q3，当Q1继电器动作控制电机30Hz低速运行，当Q2继电器动作控制电机40Hz中速运行，当Q3继电器动作控制电机50Hz高速运行。共页第13页图3.7EM231模块接线图

如图3.7所示，因为所选PLC的I/O接口不够，所以需要加一个拓展模块，增加的模块为EM231,将称重传感器侧得的数字量信号转换成模拟量信号。图中依次将阀门1阀门2阀门3称重检测的数字量接口接入EM231，其中阀门1的地址为AIW0，阀门2的地址为AIW2，阀门3的地址为AIW4。共页第14页3.3.2系统主电路图设计图3.8电机接线图如图3.8所示，此电路要接入380V交流电，空气开关合闸，交流接触器触头吸合，然后变频器有三个速度输出控制电机的转速。因工艺要求，有的物料混合可以双向搅拌，有的物料混合只能单向搅拌，所以为了广泛应用，将搅拌方向统一为单方向。共页第15页第4章程序设计4.1系统设计流程图图4.1系统运行流程图共页第16页如图4.1所示，按下启动开关，系统开始运行，系统会对三个上阀门放的物料进行称重，称重的数据进行A/D数据转换处理，数据处理完成后选择运行模式，如果选择手动模式就需要用按钮手动控制阀门1阀门2阀门3进行上料，上料完成后用按钮手动控制电机的低速中速高速的运行，搅拌完成后通过手动卸料阀门完成混合好的物料的装卸，装卸完成程序结束。如果选择自动模式，下料阀门1阀门2阀门3会自动下料，当输送的物料达到预先设定好的重量参数，就会自动停止下料，这时搅拌电机自动开始按设定好的时间开始低速中速高速运行，自动完成搅拌，搅拌设定时间结束后自动打开卸料阀门，开始装卸混合好的物料，装卸倒计时结束后程序结束。共页第17页4.3系统主程序的设计此次采用功能模块化的方式来编写程序，通过一个个主程序控制多个子程序的方式来实现设定好的功能，而自动配料搅拌控制系统子程序又可以分为自动控制子程序和手动调节子程序。称重系统流程图如图4.2所示：图4.2称重系统流程图图4.3系统启动运行程序如图4.3所示，按下系统启动开关I0.0，系统开始运行，系统运行灯Q0.0亮起，实现自锁。共页第18页图4.4阀门1重量计算如图4.4所示为阀门1的重量计算程序，阀门1的重量检测数据AIW0通过MOV传送指令放入寄存器输出为VW1000，通过取整将VW1000转换成VD1000，这里设置最大重量为1000，通过MOV指令寄存到VD1004。然后利用MUL乘法指令将两个数据相乘得到的结果寄存到VD1010，最后采用除法指令DIV，将VD1010和最大量程32000相除，得到的结果VD200就是阀门1重量数据。阀门2与阀门3程序原理和阀门1同理，由此得到三个阀门的重量数据。共页第19页4.4系统手动程序的设计手动模式运行流程图如图4.5所示：图4.5手动模式运行流程图图4.6系统手动模式运行程序如图4.6所示，模式选择手动模式，按下手动模式按钮I0.2，手动运行灯就会亮起，此时系统就是手动模式了。共页第20页图4.7手动运行子程序如图4.7所示，当按下手动模式按钮时，Q0.2手动运行灯亮起，开始调用手动控制子程序，并对系统进行手动调节操作。图4.8系统手动阀门1如图4.8所示，选择手动模式时，需要手动控制阀门来上料，按下手动阀门1的点动按钮I0.4，阀门1打开开始上料，因为阀门1是点动按钮，上料过程需要一直按着，当送料重量达到设定值时松开点动按钮，上料阀门1关闭停止上料。手动阀门2和手动阀门3都是点动按钮控制的，原理与手动阀门1一样。手动上料完成后，按下按钮I0.7搅拌电机低速运行，按下按钮I1.2搅拌电机中速运行，按下按钮I1.3搅拌电机高速运行，最后搅拌完成按下卸料阀门按钮I1.0开始卸料，卸料完成后程序结束。共页第21页4.5系统自动程序的设计自动模式运行流程图如图4.9所示：图4.9自动模式运行流程图图4.10系统自动运行程序如图4.10所示，选择自动运行模式，按下自动运行按钮I0.3，自动运行灯Q0.3亮起，系统进入自动运行模式。共页第22页图4.11自动运行子程序如图4.11所示，按下自动模式按钮，自动运行灯Q0.3亮起，系统调用自动运行子程序并开始自动操作。图4.12阀门1自动下料程序如图4.12所示，按下自动模式按钮，自动运行灯Q0.3亮起，自动上料阀门1运行灯亮起，自动阀门1开始运行，当上的物料重量达到设定值，自动阀门1自动关闭停止上料，同时输出信号让自动阀门2运行。阀门2与阀门3自动下料程序与阀门1同理。共页第23页自动搅拌卸料流程图如图4.13所示：图4.13自动搅拌卸料流程图图4.14搅拌电机自动运行程序共页第24页如图4.11所示，收到前面全都运行完毕的信号M1.4，搅拌电机Q0.7开始运行，搅拌电机先低速运行100s，然后中速运行100s，最后高速运行100s，搅拌完成后，此时搅拌停止运行，执行下一步。图4.15卸料阀门运行程序如图4.12所示，收到前面全都运行完毕的信号M1.5信号，卸料阀门Q1.0开始运行，运行时间为300秒，卸料时间结束后卸料阀门停止运行，自动运行模式完成完整的一次，系统停止工作。图4.16系统停止运行程序共页第25页如图4.6所示，按下系统停止按钮I0.1，整个系统进入停止状态，停止信号Q0.2复位除了Q0.1的所有输出信号，系统停止运行，系统停止运行灯Q0.1亮起，系统处于停止状态。本章小结：这一章完成了对整个系统的控制运行程序的设计，整个设计到这也基本快结束了，整个设计过程虽然没那么顺利但也成功完成了。4.6程序的仿真调试仿真调试是为了将编写的程序与PLC结合，也是为了验证程序的正确性。图4.17仿真监控界面如图4.17所示，打开仿真软件装载程序与文件，设置好设计使用的226PLC，将扩展模块EM231加入进去，然后开始运行仿真。共页第26页图4.18仿真启动1如图4.18所示，仿真开始运行，这个时候右边的梯形图有的触点变成蓝色，变成蓝色的触点表示接通，没有变蓝色的就是断开的。图4.19系统启动如图4.19所示，按下系统启动按钮I0.0，此时该触点变成蓝色，系统启动运行灯Q0.0触电也变成蓝色，表示系统处在运行模式。共页第27页图4.20手动仿真如图4.20所示，