定量给料机PLC控制系统毕业设计.docx

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定量给料机PLC控制系统毕业设计

定量给料机PLC控制系统

摘要

本课题所设计的调速式定量给料机是根据我公司采用的德国申克DEL型定量给料机，结合国内建材行业使用称重设备的实际情况，进行国产化设计的一种集多种先进技术于一体的新型产品。

它与微机、负荷传感器、速度传感器组合成微机控制配料系统或定量给料秤。

其计量精度≤±1%，是替代进口设备的理想选择。

给料能力0.05m3/h-1000m3/h。

输送带宽500mm-1800mm。

滚筒中心距1000mm-8000mm。

本设计采用全荷式结构、双传感器，消除物料偏载对称重精度的影响。

电机采用三相电机变频调速即通过调节变频器的输出频率达到调速的目的，变频器给定电压信号的范围是0～10Ｖ；

关键词：

定量给料，传感器，PLC，变频调速，DCS控制

QUANTITATIVEFEEDERPLC

CONTRAOLSYSTEM

ABSTRACT

ThistopicdesignspeedtypequantitativefeederisadoptedaccordingtomycompanyinGermanyShenKeDELtypefeeder,combiningquantitativeweighingequipmentuseddomesticbuildingmaterialsindustry,basedontheactualsituationofthedesignofasetofadvancedtechnologyinoneofthenewproducts.Itandmicrocomputer,loadsensors,speedsensorcombinationofmicrocomputercontrolsystemorquantitativefeedingingredients.Itsmeasurementaccuracy=±1%,isthereplacementofimportedequipment.Feedingability0.05m3/h-1000m3/h.500mm-1800mmtransmissionbandwidth.DrumCenter1000mm-8000mm.

TheweighingorganizationstoadopttheDutchstructure,doublesensors,eliminatematerialsweighingprecisionofpartialload.

Motoradoptsthree-phasemotorspeedbyadjustingtheinverteristocontroltheoutputvoltage,frequencyconverter,giventhesignalrangeis0~10V.

KEYWORDS:

Quantitativefeeding,Sensors,PLC,frequencyconversion,DCScontrol

前言

定量给料机是对散状物料进行连续称量给料的理想设备，是集输送、称重计量和定量控制为一体的高科技产品，它以技术先进、稳定可靠、性价比高、经久耐用而著称。

能适应各种生产环境，对各种块、粒状物料（如石灰石、铁粉、粘土）和粉状物料（如粉煤灰、水泥）等进行连续给料、计量，为各种工业现场的生产控制、管理提供准确的计量数据。

配有RS485上位机通讯接口，可与中央控制机组成DCS系统。

广泛应用于建材、冶金、电力、化工、煤炭、焦化、矿山、烟草、粮食、环保、港口等行业。

本课题所设计的调速式定量给料机是我公司在消化吸收德国申克DEL型定量给料机的先进技术，结合国内建材行业使用称重设备的实际情况，进行国产化设计成功的一种集多种先进技术于一体的新型产品。

它与微机、负荷传感器、速度传感器组合成微机控制配料系统或定量给料秤。

该系统组成后，其主要性能达到国际八十年代后期的先进水平，可对各种块、粒状非粘结性物料进行计量和定量给料控制，广泛用于水泥、矿山、化工、冶金、能源、粮食等工业部门。

本机由电机带动减速机，联接主动滚筒转动，从而使皮带运动，即可输送物料，物料在皮带上的重量通过测力机构检测后把信号输入控制器，同时皮带带速也通过测速装置把信号输入控制器进行计算。

电机采用三相电机变频调速。

秤重机构采用全荷式结构、双传感器，消除物料偏载对称重精度的影响。

料仓物料通过螺旋闸门和下料口压到给料机的承重区，皮带按运行的方向允许时，物料从下料口被拉出，平铺在整条皮带上，传感器就能检测到有效称量区（L）上物料的重量（G）。

由于物料是均匀地平铺在皮带上，当出料口调整好之后，单位长度皮带上的料重可以看成恒定，通过改变电机的转速N，我们就能达到恒定控制输出量Q的目的。

具体公式如下：

V=（N/I）×π×（D+2d）/60

Q=G×V/L=G×N×I×π×（D+2d）/60L

式中I------总减速比

D------滚筒直径

d------皮带厚度

秤架采用冷弯型钢制造，具有良好的抗弯强度及刚性。

称量架采用钢管组件，提高了刚度。

标定采用上插砝码方式，灵活可靠，检测精度高。

涨紧调偏装置采用三段托辊支撑，调偏效果好，增加了皮带的使用寿命。

安装内外清扫器，对皮带内外进行清扫、刮料，保持皮带基本不变。

结构简单、紧凑、安装调整维修方便，尤其是拆装皮带比较方便。

部分关键部件（减速电机、负荷传感器、皮带等）是品牌减速电机可选用垂直轴装式，负荷传感器可选用美国AMCELLS公司产品。

本课题对原控制系统的电气控制部分进行了近乎完全的“改造”，尤其表现在整体设计思路方面，本课题在原系统的基础上增设了自动纠偏装置,用来自动纠正跑偏的皮带,在提高自动化程度的同时增加了双记时功能有效地防止了断链对链轴造成的破坏,从而尽可能地降低了设备在突发情况下受损的程度，尽可能减少损失。

系统流程图在附录内。

第1章整体结构设计

1.1用单片机控制

用单片机控制的MDGV系列称重显示控制仪实现对各种物料进行连续或断续的给料控制，系统结构框图如图1-1所示：

图1-1MDGV系列称重显示控制仪控制给料机系统框图

MDGV系列称重显示控制仪设计先进，采用NEC高档16位单片机，主要电路全CMOS化，功耗低；PID控制参数由微机自选优，无需人工设置；标定精确，标定系数自动调整；操作简单方便，易于掌握；控制器的外围接口全部光电隔离，抗干扰能力强；控制器备有通讯接口，便于构成集散控制系统（DCS）。

配用不同的给料装置和传感器，可以构成不同的定量控制装置，如皮带定量给料机、螺旋定量给料机、静态斗秤、失重秤等，从而实现定量给料，此控制器可广泛适用于建材、化工、冶金、电力、粮食等行业。

此控制仪具有手动与自动运行功能；PID控制参数由控制器自动整定，无需人工干预；标定操作简单直观，直接数字式修正标定参数；断电后可靠保存全部数据不需外接电池；具有与PLC联网的控制接口，可方便地组成DCS系统，另外还留有串行通讯接口（RS-485）；具有故障声光报警自动停机、电机断相过流保护功能、强电联锁功能。

变频调速方式采用16位计数器DAC模拟量输出至变频器，精度高。

电磁滑差调速方式采用16位计数器直接数字移相可控硅，可靠性高。

首先，控制器按设定的流量值，控制给料机转速；同时，定时采集负荷传感器给出的物料重量信号及速度信号，进行放大处理；经过高精度的A/D转换，送入微处理器进行运算，得到物料的实际流量和累计产量。

微处理器将实时流量值与给定流量值相比较，进行偏差调节，实现闭环自动控制；控制器控制给料机的电机转速，使实时流量值随时趋近于设定流量值，达到定量给料，并实现累计产量自动补偿。

手动控制时，微处理器仅对给料机的速度信号实现闭环控制，使实时速度值更趋近于设定速度值，达到定速给料。

定速控制可以适应某些场合应用的需要（如标定）。

控制器采用KBB标准机箱，轻触式薄膜面板，全封闭，防尘效果好。

主要电路板采用双重接触方式、防振机构，可靠性高且方便维护。

控制器安装在19上架式机柜之中；机柜下部为强电安装接线部分，整体性好。

单台机箱尺寸：

高×宽×深为：

139×440×400（mm）。

此控制器操作有两级操作菜单：

一级菜单供常规操作时使用。

对于正常操作，一级菜单已经提供了足够的参数和功能，如显示流量（LL）、产量（AL）、毛重（PN）；设定流量（Yd．）、转速（SPP.）,清产量（CLr...AL）、去皮（qb...）等。

在一级菜单的范围内，界面简单、操作步骤少、直观方便，比较适合一般操作工人使用。

二级菜单提供给技术人员使用。

二级菜单的参数和功能更多（同时包含了一级菜单的全部内容），而增加部分并不是日常操作所需要了解和执行的，如：

控制输出值（SCP）、电机转速值（SPP），标定系数修改（AL．/C．）、设定皮重（Pc．）、设定地址（Add．）等。

同时，二级菜单增加部分的参数一旦设置错误，将造成误差增大甚至系统无法正常工作。

所以，为了方便和避免出错，常规操作时没有必要进入二级菜单。

控制器在自动状态下有“远程自动”和“本地自动”二种控制模式，它可通过控制柜的开关切换。

1.2用PLC控制

由于本设计要求必须用PLC控制，所以本人在原有的基础上进行了改装——原有的用单片机控制的MDGV系列称重显示控制仪改为三菱FX2N系列PLC控制，这样可以无需显示设备，待通过输入端输入合适的PLC程序局可以运行。

其系统框图如图1-2所示：

图1-2PLC控制给料机系统框图

第2章各电路设计

2.1选择电源

为了减少出现错误的可能性，作为各种声光报警信号指示灯和蜂鸣器首先考虑用市场上买来的现成的24V电源来驱动这些负载。

这样做减少了设计的工作量降低了出错率。

2.2调速系统电路设计

用PLC、变频器、和给料控制器实现对给料机的定量给料控制。

以下对这个系统电路的部分重要控制部分作一下简单介绍：

1．PLC：

可编程序控制器（ProgrammableController）简称PC，为了避免同个人计算机（PersonalComputer，简称PC）混淆，现在一般将可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）。

PLC从诞生至今已有30多年，发展势头异常迅猛，已经成为当代工业自动化领域中的支柱产品之一。

特别是随着计算机技术和通信技术的发展，PLC的应用领域逐步扩大，应用前景十分看好。

严格地讲，至今对PLC没有最终的定义。

同单片机一样，PLC也是由软硬件两大块组成的：

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。

其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。

对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图2-1所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图2－2所示。

无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。

尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。

同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。

PLC中所配置的CPU随机型不同而不同，常用有三类：

通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器（如AMD29W等）。

小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。

图2-1整体式PLC组成框图

目前，小型PLC为单CPU系统，而大、中型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8个CPU。

对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。

字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。

位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。

位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。

图2－2模块式PLC组成框图

在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：

●接收从编程器输入的用户程序和数据。

●诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。

●通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。

●从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。

根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。

有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。

存储器主要有两种：

一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。

在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

系统程序是由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。

系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。

用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。

为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证断电时不会丢失信息。

为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。

现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。

工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。

存放在RAM中，以适应随机存取的要求。

在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。

根据需要，部分数据在断电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在断电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。

图2－3开关量输入接口

由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在PLC产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。

当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。

输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。

PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。

由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。

I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。

另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。

PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。

I/O接口的主要类型有：

数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。

常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：

直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口，其基本原理电路如图2－3所示。

常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：

继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出，其基本原理电路如图2－4所示。

继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，但前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于交流负载。

PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为PLC输入/输出（I/O）点数。

I/O点数是选择PLC的重要依据之一。

当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。

图2-4开关量输出接口

PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。

PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。

远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。

PLC与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。

与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。

本课题中用的是日本FX系列PLC。

FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。

其中FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。

它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。

FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。

由于FX2n系列PLC最大范围的包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

其主要特点如下：

●集成型&高性能：

●CPU电源输入输出三为一体；

●对6种基本单元，可以以最小8点为单位连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点；

●高速运算：

基本指令：

0.08μs/指令，应用指令：

1.52-数100μ　s/指令安心、宽裕的存储器规，内置8000步RAM存储器，安装存储盒后，最大可以扩展到16000步；

●丰富的软元件范围：

辅助继电器：

3072点，定时器：

256点，计数器：

235点

数据寄存器：

8000点

FX系列PLC型号的含义如下：

其中系列名称：

如0、2、0S、1S、ON、1N、2N、2NC等

单元类型：

M──基本单元

     E0──输入输出混合扩展单元

  Ex──扩展输入模块

   EY──扩展输出模块

输出方式：

R──继电器输出

S──晶闸管输出

     T──晶体管输出

特殊品种：

D──DC电源，DC输出

A1──AC电源，AC（AC100~120V）输入或AC输出模块

H──大电流输出扩展模块

V──立式端子排的扩展模块

C──接插口输入输出方式

F──输入滤波时间常数为1ms的扩展模块

如果特殊品种一项无符号，为AC电源、DC输入、横式端子排、标准输出。

2．变频器：

变频器内部主要由主控电路，整流电路，逆变电路，电流电压采样电路，控制电源电路，驱动电路等几部分构成，其的控制电路框图如图2-5所示。

变频器核心部分——主控电路主要功能主要表现在：

接受各种信号；进行基本运算；输出计算结果；实现各项控制功能；实施各项保护功能。

器来调节。

电位器给定属于拟量给定，精度稍低。

图2-5变频器内的控制电路框图

三相电机变频调速是通过调节变频器输出频率的方法达到调速目的的。

要调节变频器的输出频率，必须首先向变频器提供改变频率的信号，这个信号，称为频率给定信号，也有称为频率指令信号或频率参考信号的。

所谓给定方式，就是调节变频器输出频率的具体方法,也就是提供给定信号的方式。

给定方式有很多种。

在此主要介绍以下几种：

模拟量给定信号的种类有面板定和外部给定两种方式。

通过面板上的键盘或电位器进行频率给定（即调节频率）的方式，称为面板给定方式，面板给定又有两种情况:

第一，键盘给定频率的大小通过键盘上的升键（▲键）和降键（q键）来进行给定。

键盘给定属于数字量给定，精度较高；第二，电位器给定部分变频器在面板上设置了电位器。

频率大小也可以通过电位。

键盘给定频率和电位器给定部分频率都有各自的优点和缺点。

数变频器在面板上并无电位器，故说明书中所说的面板给定，实际就是键盘给定。

变频器的面板通常可以取下，通过延长线安置在用户操作方便的地方。

此外,采用哪一种给定方式,须通过功能预置来事先决定。

从外接输入端子输入频率给定信号，来调节变频器输出频率的大小，称为外部给定，或远控给定。

主要的外部给定方式有:

外接模拟量给定和外接数字量给定两种。

通过外接给定端子从变频器外部输入模拟量信号（电压或电流）进行给定，并通过调节给定信号的大小来调节变频器的输出频率。

以电压大小作为给定信号，给定信号的范围有:

0～10V、2～10V、0～±10V、0～5V、1～5V、0～±5V等；以电流大小作为给定信号，给定信号的范围有:

0～20mA、4～20mA等。

通过外接开关量端子输入开关信号进行给定：

通过外接端子输入脉冲序列进行给定。

由PLC或计算机通过通讯接口进行频率给定。

选择给定方式的一般原则是：

优先选择面板给定。

因为变频器的操作面板包括键盘和显示屏，而显示屏的显示功能十分齐全。

例如，可显示运行过程中的各种参数，以及故障代码等。

但由于受联接线长度的限制，控制面板与变频器之间的距离不能过长。

数字量给定与模拟量给定优先选择数字量给定。

原因是数字量给定时频率精度较高并且数字量给定通常用触点操作，非但不易损坏，且抗干扰能力强。

电压信号与电流信号优先选择电流信号。

因为电流信号在传输过程中，

不受线路电压降、接触电阻及其压降、杂散的热电效应以及感应噪声等等的影响，抗干扰能力较强。

但由于电流信号电路比较复杂，故在距离不远的情况下，仍以选用电压给定方式居多。

本方案采用的频率设定方式就是外部模拟量给定（电压给定）。

外接给定端（如图2-6所示）主要用电压信号给定，电流信号给定，脉

冲给定等。

外接输入控制端（图2-7所示）主要于基本控制信号如正转（FWD）、反转（REV）、点动（JOG）、复位（RST）等，可编程控制信号多档转速控制，

图2-6外控给定电路

多档升、降速时间控制，可编程序控制，外部故障信号等。

外接输出控制端（如图2-8所示）主要用于报警输出。

如图中之30A、30B、30C输出端所示（虚线框①），测量输出端如图中之FM和AM（虚线框②）。

通讯接口和上位微机相接（虚线框③）。

多数变频器提供的是RS485接口，而上位微机的通讯口多为RS232C接口，中间应加接一个“RS485－RS232C”的转接口。

状态信号输出端主要有：

“运行”信号、“频率到达”信号、“频率检测”信号等（虚线框④）。

状态信号的输出电路大多采用晶体管的集电极开路输出方式，用于直流低压电路中。

外电路可通过光电耦合管接受其信号，可直接用发光二极管来指示各种状态。

图2-7外控给定电路

图2-8外接输出控制端

3．给料控制器：

此处将原来的仅用来收集物料重量信息的“变送器”加以改造，由于不完全了解原变送器的构造及原理和器件，所以改造也不是好办法，因为对自己不熟悉的东西随便改动往往会改造得更加糟糕。

所以只能通过自己的思路独立设计这一器件了（这里取名为“给料控制器”），其接线图如图2-10所示。

不管能不能实现预期目标，至少已经认真考虑过并且可以加深对所做系统的理解，此方案可行。

此方案的设计思想是用等效电源的方法来达到设定变频器频率的目的。

等效电源电路图如图2-9所示：

图中等效元件

对应图2-2中元件

E1

10欧姆电位器

E2

传感器信号