火药造粒PLC控制系统的设计Word文档下载推荐.docx
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关于爆竹这样一种的传说流传在民间：
遥远的过去，存在着一头猛兽叫“年”，每次到了农历除夕的那个晚上都会出现在人间，年兽吞食人类和家畜。
人们为了阻止这头年兽，人们在家门口燃烧竹子的并且挂上红色的灯笼、穿上红色的衣服，由于竹子内部有一部分空气，燃烧时空气受热膨胀，将竹子胀破从而产生巨大的声响，年兽害怕声响，因此人们借助此方法驱赶年兽。
最后随着火药的发明，火药爆竹代替了过去的竹节爆竹[4]。
伴随着历史步伐向前迈进，燃放烟花爆竹逐渐形成了过年风俗习惯，使其原来具有迷信的内容也渐渐淡出人们视线，成为了一种独具有民族特色的表达年终欢悦之情的活动。
现在人们不仅仅在迎接新的一年到来时燃放烟花爆竹，并且过节或有婚庆、庆生、店铺开张等事情时，为了表示良好的祝愿都会燃放烟花爆竹。
由此可见，烟花爆竹是中国民族文化的一个重要组成部分，备受人们喜爱，具有世界性的影响力，并且成为中国特色之一。
烟花爆竹不仅仅是中华民族文化的一部分，也是不可缺少的历史见证者。
在我国文化的影响下，世界各国家也对烟花爆竹也逐渐了解并喜爱，使得这一火药的艺术化产品传播更加广泛，自从中国加入WTO后火药市场发展趋势日渐明朗。
烟花爆竹的深受人们喜欢促进了我国的烟火爆竹的生产市场和消费市场[5]。
但是在给人们带来喜庆的同时，烟花爆竹同样也给人们带来了伤害。
烟花爆竹的主要原材料是火药，火药制造不谨慎造成的人身伤害、储存运输不谨慎导致的爆炸、燃放时粗心大意发生的火灾等，特别是进行制作时，重大事经常有发生，在工业化的现代，火药爆炸事故常常被新闻报道。
火药的制造从原料到最后工序的成品都是危险品，易燃易爆，我国对它的生产要求规定很严格，各种规章制度受到了严格的控制。
在火药的生产过程中一个小小的失误就可能是一件重大事故发生的导火线。
但是在手工制作中又时常发生一些低级的失误，例如不使用规定的器具，违反规定的程序操作，生产时发生撞击等，这些都是烟花事故发生的原因的关键因素所在。
为了减小在生产中事故发生的概率和降低事故造成的损失，尽可能正规模式化生产，同时的直接参与的人员减少也是非常重要的。
这就要求将烟花生产的各个环节自动化。
火药的市场发展前景广阔，我国消费市场巨大，每次到了喜庆之日，烟花爆竹销售点都挤满人群[6]。
尽管一些大城市曾经明令禁止燃放烟花爆竹，但这对火药的销售市场并没有产生很大影响。
另外，火药的销售价格一直不曾下调，主要因素在于烟花爆竹的生产制造存在的风险相当大并且生产效率不高。
因此火药生产的自动化是必须进行下去的。
在如今社会自动化生产线已成为生产的主要领导力，应用于各种行业。
同时，自动化程度已经达到比较高的水平。
因此加快火药生产的自动化大势所趋。
1.2设计的主要工作
设计主要是用PLC代替传统的火药制作。
由于大部分火药生产仍旧依靠大量的劳动力，主要以手工为主，因此在生产过程存在很多人身安全相关的问题，安全事故时有发生，用户寻求对火药造粒生产的电气控制系统进行技术改造方法，以便批量生产并减少安全事故[7]。
因此，对火药造粒的控制系统进行研究，提出一条适合传统火药生产的改造技术，并进而提高火药的自动化程度及产量，将具有十分重要的意义。
论文提出采用可靠性高、功能强、故障率低的PLC来控制火药造粒系统。
论文中首先对火药控造粒制系统及其PLC作了比较全面的总结和介绍。
接着阐述了火药控制系统的分类及特点，火药造粒的控制系统可分为脉冲信号和逻辑信号控制两大部分。
进而确定了火药控制系统的总体设计方案，由PLC来实现火药造粒系统的逻辑信号控制，由脉冲数量控制步进电机实现精确定位[8]。
然后是系统硬件开发，PLC需要实现对脉冲的输出实现绝对定位，需要选用具有绝对定位指令的PLC，确定了PLC的选型、通过对输入信号的分析，确定I/O点数分配以及与外围设备与PLC的连接。
在分析火药造粒控制系统所需要完成的功能（初始化、自动运行、手动运行、小车自动往返、挡板自动控制、生产线急停、生产线报警共七个），将七个需要完成的功能形成模块，详细设计出了七个模块的软件流程图，介绍了系统的程序的开发。
对火药造粒控制系统的七个环节的梯形图进行了设计并对工作原理进行阐述。
最后利用GX-DeveloperV8.86和软件对火药造粒控制系统进行了模拟运行调试，并利用自动、手动、急停三种方式对火药造粒的控制系统进行了仿真运行，并给出了火药造粒控制系统的仿真结果显示窗口，并对仿真结果进行分析并得出相应的结论。
2火药基本原理
2.1火药原材料组成
火药通过加入大量可燃还原剂和大量的无机氧化剂等经混合然后以高分子聚合物为粘合剂成型得到，在火药造粒过程中,加入交联剂是线性分子链交联成网状分子链形成网状聚合物。
粘合剂：
它在火药成分中一般占比例从10%到20%，但它极为重要，作为无机氧化剂和可燃还原剂的载体,同时可为火药燃烧提供可燃元素。
粘合剂对火药的各方面的性能有着很大的影响，例如颗粒的大小会影响燃烧的速率，颗粒的硬度会影响机械性能等。
粘合剂的有机高聚物种类很多,该设计选用胶粒作为火药成型的粘合剂。
无机氧化剂：
它在火药中的含量比例最大,一般可达一半以上。
它不仅为火药的燃烧提供必须的氧气,并且是粘合剂的固体填充料,可通过控制火药粒度大小来控制火药的燃速及工艺性能。
常用作无机氧化剂的物质有
、
等,但在设计火药中使用的是
。
可燃还原剂：
是决定火药燃烧性能和安全性的重要成分。
火药一般情况下选用燃烧热大的还原剂,如活泼金属或可燃化合物等。
设计选用锆粉和硼粉作为可燃还原剂。
2.2火药生产注意事项
在火药生产中，有很多事项是需要要注意的，这些规则必须遵循，假如违反的话，就可能发生事故。
在这个生产中，是针对避免爆炸和燃烧事故发生的，要遵循必须的注意事项。
2.2.1防爆
火药生产中必须要采取防爆措施，并且所有用到的电气设备部件都要用防爆的。
防爆措施主要有：
（1）选择具有防爆性能的仪表和电气设备；
（2）生产流水线必须采取通风；
（3）防止原料的泄露和还原剂与氧化剂的直接混合；
（4）生产场所杜绝能产生电火花的电气元件；
（5）混合罐内采取充氮气等惰性气体，使火药半成品处于较为稳定的状态。
2.2.2防静电
在生产场所所有的可能产生静电的元件或物件避免使用或不能使用，必须使用时要最大可能防止发出静电的事情；
可以采用的措施主要有：
（1）电气设备接地；
（2）元件与元件之间的搭接；
（3）通过屏蔽层进行屏蔽；
（4）绝缘体无法进行静电电量的调节，必须要加入抗静电剂，用来增大电导
率，使其表面的静电易于传导不会累积；
（5）通过提高生产环境的湿度来抑制静电的产生；
（6）使用静电消除器，进行中和静电。
在生产中一定要有防爆措施，
2.2.3防火花
以上两个也能产生火花，另外在生产中金属物件撞击产生的火花，为了避免这种火花的产生，可以选用其他材料的物件，例如如工程塑料，还有其他能产生电场和磁场的部件，比如弹簧，继电器，电机等等。
在设计规划中要注意对火花的防止，不允许出现任何疏漏，假如出现不经意的疏漏，就会造成不可挽回的损失，甚至付出了生命的代价。
2.2火药造粒工艺流程
火药造粒生产线总共分布在四个层，四楼用于准备原材料，安置有还原剂罐和氧化剂罐，通过对蝶阀开关以及时间的控制来调节还原剂和氧化剂的下料，需要注意的是还原剂和氧化剂不能同时下料；
三楼用于混料，安置有混料罐，并在其中安装有气动泵，一定量的还原剂从四楼的还原剂罐进入三楼的混料罐时搅拌电机搅拌与此同时气动泵喷出定量的酒精与还原剂混合，经过一段时间后四楼氧化剂下料，在进入三楼的混料罐时并且气动泵球阀打开气动泵喷出粘合剂（胶粒），经过一段时间后混料停止，混料罐下端蝶阀开启开始下料进入二楼流化床干燥系统，与此同时流化床的风机、振动、传送带开启，火药开始造粒，随着传送带的正转，火药成品进入二楼至一楼的下料通道，下料通道安装有挡板，挡板由步进电机控制，因此挡板可以精确的控制下料的速度，在下料通道口处安置有小车用于运送火药成品，小车由步进电机控制，能够精确的到达装料点和卸料点。
空间布局如图1所示。
图1火药造粒控制系统布局图
3火药造粒控制系统的硬件设计
3.1本设计中火药造粒控制系统的总体结构
该系统由PLC进行控制，通过触摸屏建立的人机界面与PLC进行通信，控制生产设备的启动、停止，能够理想的显示和控制每个生产工序[9]。
图2所示为火药造粒PLC控制系统的总体结构图，主要硬件包括PLC主机及触摸屏、蝶阀、步进传感器、气缸传感器、热继电器、还原罐、氧化罐、混料罐、流化床系统与步进电机驱动系统等。
系统控制核心为PLC主机，蝶阀、步进传感器、流化床系统等信号通过输入接口以及触摸屏信号通过电缆线与PLC进行通信，然后通过软件程序对蝶阀、步进传感器发出信号，以满足各原料加入和混合的顺序，流化床系统风干造粒，以及小车和挡板精确定位等功能[10]。
控制系统如图2所示。
图2火药造粒控制系统的总体结构图
3.2火药造粒系统中的主要电气设备
3.2.1还原罐、氧化罐和混料罐
还原罐和氧化罐用来给火药造粒系统提供原料。
罐内装有搅拌电机，使原材料均匀落下，原料罐底部装有蝶阀，主要用于控制还原剂和氧化剂分时段的加入混料罐以及加入还原剂和氧化剂的量，假如还原剂和氧化剂同时加入混料罐中会有爆炸的危险。
混料罐用来完成还原剂、氧化剂、酒精和胶粒的混合。
混料罐内置有搅拌电机和气动泵，搅拌电机用于使各原料混合均匀。
如图3所示。
图3搅拌罐图
3.2.2流化床
流化床主要将未干燥的火药初成品通过风机吹动和振动颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒某些表观特征具有流体性，这种流固接触状态称为固体流态化[12]。
火药半成品通过流化床风干振动造粒。
如图4所示。
图4流化床图
3.2.3气动泵
气动泵是一种新型输送液体泵类，它的动力源采用压缩空气，对于含有颗粒的液体，带腐蚀性液体，高粘度、易挥发、易燃、剧毒的液体，都能够很好的传输。
在火药造粒系统中气动泵主要用于向混料罐内加入酒精和胶粒，上装有球阀，球阀关闭时气动泵喷出酒精，球阀打开气动泵喷出胶粒。
如图5所示。
图5气动泵图
3.2.4脉冲编码器
脉冲编码器主要用于精确检测速度的元件，电机的旋转轴上可直接装着编码盘，用来测量轴的速度变化和旋转角度位置，脉冲编码器输出信号为脉冲波。
脉冲编码器在火药造粒系统主要用于对喷出的酒精和胶粒进行计数。
如图6所示。
图6脉冲编码器图
3.2.5蝶阀
蝶阀，可以通过对电信号的控制围绕阀轴旋转来调节阀门的开度并且可以达到开启与关闭的一种阀，主要用于容易堵塞的介质开关控制。
蝶阀用来控制还原剂和氧化剂的流动，主要起切断和节流作用。
如图7所示。
图7蝶阀图
3.2.6气动阀
气动阀是通过对压缩空气驱动的阀门，用于开启和关闭混料罐中火药出成品下料，密封效果好，调节性能灵敏，体积小，可竖卧安装。
如图8所示。
图8气动阀图
3.2.7管道专用振动器
管道专用振动器，管道接触面与活塞有缓冲装置.用来保护管道的外壁不至于损坏,内部的活塞有空气推动。
每次当活塞通过排气口时，都会产生强烈的排气。
活塞在空气推动下冲击管壁。
在火药造粒系统中管道专用振动器主要用于震落粘附于管道内表面的还原剂、氧化剂和火药半成品，振动频率可以自行设定从每秒25次到120次范围内，振动力也可以自行设定。
在还原罐下料管道、氧化罐下料管道和混料罐下料管道都安装有，防止管道阻塞，避免发生爆炸事故。
如图9所示。
图9管道振动器图
3.2.8步进电机
步进电机属于的数字式控制电动机，通过对脉冲信号的控制来调节角位移，也就是通过PLC给步进驱动器一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，输入脉冲数与严格角位移成正比，所以在它转动时，不会累计误差[8]。
在火药造粒系统中步进电机用于两个方面，一是用于对挡板提升和下降的控制实现流化床下料速度的精确控制，如图10所示；
二是用于对小车行驶距离和方向的控制，实现小车精确到达卸料点和包装点如图11所示。
图10挡板图
图11小车图
3.3步进电机的驱动图及主电路图
图12步进电机驱动图
图13主电路图
4火药造粒控制系统的软件设计
4.1本设计中火药造粒生产线的主要工作要求
（1）还原剂和氧化剂不能同时加入混料罐中。
（2）还原罐和氧化罐处于高/低液面时会有指示灯显示。
（3）当还原罐或氧化罐处于低液面以下时，火药造粒系统无法启动。
（4）火药造粒生产线可以自动运行也可以点动运行。
（5）还原剂、氧化剂及混料在蝶阀打开下料时管道振动开启，蝶阀关闭时
管道振动停止。
（6）气动泵通过脉冲编码器进行计数进行精确计量喷出酒精和胶粒。
（7）火药生产系统有报警功能，当报警系统报警，并全线停止。
（8）当小车与挡板无法回归原点时，报警系统报警，并全线停止。
（9）还原罐、氧化罐和混料罐中搅拌电机并不是时刻运转的，只有在供料加
入的一段时间内进行运转将供料搅拌均匀。
（10）还原罐、氧化罐和混料罐中搅拌电机及风机过载时报警系统报警，并
全线停止。
（11）流化床与风机一经开启就一直运行下去只在急停按钮按下时才停止。
4.2三菱PLC的输入输出设计及机型的选择
根据火药造粒系统需要接收的外部信号，设备大约有28个输入信号，29个输出信号，选用模块式三菱FX3U系列PLC作为主控器，所以设计中选择PLC的型号为
该PLC输入输出节点各为32个。
该型号的三菱PLC输入输出点既能满足软件输入节点个数的要求，又能留下一定的冗余量，为以后火药造粒控制系统改进升级提供I/O端口[10]。
PLC输入输出的I/O分配表如表1所示，梯形图程序中使用的中间继电器的定义如表2所示。
表1输入输出I/O分配表
输入点
定义
输出点
XO
脉冲编码器A相
Y0、Y1
包装桶步进电机脉冲输出和方向
X1
脉冲编码器B相
X2
输送步进包装点
Y2、Y3
混药至造粒步进电机脉冲输出和方向
X3
输送步进左极限
X4
输送步进右极限
Y4
还原剂低液位灯
X5
下料步进左极限
Y5
还原剂高液位灯
X6
下料步进右极限
Y6
氧化剂低液位灯
X7
下料步进原点
Y7
氧化剂高液位灯
X10
还原罐低液位传感器
Y10
造粒电机正转
X11
还原罐高液位传感器
Y11
放料振动
X12
氧化罐低液位传感器
Y12
还原剂下料振动器
X13
氧化罐高液位传感器
Y13
氧化剂下料振动器
X14
还原罐蝶阀伸到位
Y14
造粒电机风机
X15
还原罐蝶阀缩到位
Y15
混药电机
X16
氧化罐蝶阀伸到位
Y16
X17
氧化罐蝶阀缩到位
Y17
X20
Y20
氧化罐蝶阀伸出
X21
Y21
氧化罐蝶阀缩回
X22
Y22
还原罐蝶阀伸出
X23
Y23
还原罐蝶阀缩回
X24
流化床下料气缸工位
Y24
流化床下料气缸伸出
X25
流化床下料气缸原位
Y25
流化床下料气缸缩回
X26
混药下料气缸工位
Y26
混药下料气缸伸出
X27
混药下料气缸原位
Y27
混药下料气缸缩回
X30
还原混料电机热继电器
Y30
氧化混料电机
X31
氧化混料电机热继电器
Y31
还原混料电机
X32
混药电机热继电器
Y32
气动泵
X33
造粒电机热继电器
Y33
蜂鸣器
X34
造粒电机风机热继电器
Y34
加氧化灯
X35
钥匙开关
Y35
球阀
X36
称重仪1
Y36
加还原灯
X37
称重仪2
Y37
表2中间继电器定义表
中间继电器
M302
启动/停止
T40
还原剂搅拌时间
M303
自动/手动
T41
还原罐蝶阀打开时间
M304
初始态完成
T42
氧化剂搅拌时间
M305
点动
T43
氧化罐蝶阀打开时间
M440
加还原灯信号
T30
酒精喷出时间
M441
加氧化灯信号
T31
胶粒喷出时间
M40
升级会员 