基于罗克韦尔PLC的化碱过程控制系统设计论文Word格式文档下载.docx
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6、撰写课程设计说明书；
技术参数：
1、电动机的额定功率22Kw，额定电压380V，额定电流7A，额定转速1450rpm。
2、碱粉的流量范围为20-40t/h；
赤泥浆流量范围为60-80t/h
进度计划
1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2天）；
2、设计系统的结构原理图（2天）；
3、仪表、控制系统等设备的选型（2天）；
4、程序开发及调试（5天）；
5、撰写课设论文（2.5天）；
6、设计结果考核（0.5天）；
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
化碱过程是生料浆配料过程的重要组成部分，目前生料浆的配料方式主要是依据传统人工经验进行配料，由于生料浆配料过程的复杂特性，因此采用人工配料方法难以使生料浆各项指标难以达到工艺生产要求。
在化碱过程中，碱粉通过皮带秤，赤泥浆通过赤泥浆泵被输送到化碱池中，混合后形成碱赤泥浆。
本设计中，通过对赤泥浆泵的启停控制和对碱粉皮带秤的启停控制，实现了对碱粉流量控制功能，和对赤泥浆的流量控制功能。
与人工配料方法相比较，化碱控制系统更具有准确性，能更为精确的控制配料比，从而提高生料浆产品质量。
关键词：
皮带秤；
赤泥浆泵；
控制；
生料浆；
精确
第1章绪论
在钢铁、电力、医药、水泥、化工、冶金等许多工业流程中，都存在配料过程。
配料过程主要是将各种物料按照生产要求以一定的比例进行混合，配制出各项指标符合生产需要的混合物料，满足后续生产的需求，提高最终产品的产量和质量。
这些配料过程一般都具有多变量、大时滞、强非线性、强耦合等控制难点，属于复杂工业过程。
所以，针对于配料过程的优化控制方法的研究就变得比较复杂。
针对配料过程，国内外学者主要做了一下几方面的研究：
一是对复杂工业过程，怎样建立更加精确的数学模型；
二是采用什么优化控制算法，能有效的解决配料过程中存在的多变量、强非线性、强耦合等控制难题。
化碱过程是一种典型的复杂工业过程，目前化碱的配料方式主要是依据传统人工经验进行配料，由于生料浆配料过程的复杂特性，因此采用人工配料方法难以使生料浆各项指标难以达到工艺生产要求，导致了生料浆产品质量不稳定，碱比和水分等指标的合格率低。
PLC控制系统可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。
同时，PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
PLC控制器是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC控制器只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；
并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC控制器的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
本设计正是基于罗克韦尔PLC的化碱过程控制系统设计，与西门子PLC相比罗克韦尔PLC具有通讯功能更强大，简单易用，配备软件也相对容易的特点。
罗克韦尔PLC在模拟量转化中不需要转化，只要把MAXMIN和对应你传感器的输出特性链接即可，另外，罗克韦尔PLC无需插入硬件，链接好PLC后可以直接读到其他变量。
5000软件都是块编程，对于初级编程者更实用。
第2章
化碱过程控制系统的方案
概述
由于生料浆的物料像碱粉、赤泥浆、混矿和石灰石的成分一般是不去人为改变的，生料浆各项指标的好坏主要取决于物料的配比，好的配比可以获得各项指标符合生产要求的生料浆，坏的配比会误导生产，造成生料浆各项指标不达标和频繁波动。
本设计中碱粉的流量范围为20-40t/h；
赤泥浆流量范围为60-80t/h。
系统组成总体结构
如图2.1为化碱系统的总体结构图。
图2.1化碱系统的总体结构图
在碱粉和赤泥浆的控制系统中，通过流量计检测碱粉和赤泥浆流量反馈给PLC，PLC控制皮带秤和赤泥浆泵的启动，经过PID调节，保证碱粉流量范围为20—40t/h，赤泥浆流量范围为60—80t/h。
碱粉回路控制
控制系统采用的是闭环控制方法，当自动调节出现故障时，可以通过选择按钮，手动设定与自动调节之间是没有静差的。
碱粉回路控制图如图2.2所示。
图2.2碱粉回路控制图
对碱粉流量实现自动控制的目的是：
通过自动调整下料皮带电机的转速，使碱粉流量稳定在20-40t/h的范围内，先给定碱粉流量设定值，通过PI控制器和变频机构，对碱粉皮带的转速进行调节，以满足生料浆指标中的碱比。
在处于自动控制的过程中，为避免电动机的转速频繁被调节，当转速在流量设定值±
死区范围时，不调整电机的转速。
赤泥浆回路控制
控制系统采用的是闭环控制方法，当自动调节出现故障时，可以通过选择按钮，改变控制量的调节方式，用手动设定取代自动调节，并且手动设定与自动调节之间是没有静差的。
赤泥浆回路控制图如图2.3所示。
图2.3赤泥浆回路控制
对赤泥浆流量实现自动控制的目的是：
通过自动调整下料皮带电机的转速，使赤泥浆流量稳定在要求范围内，先给定赤泥浆流量设定值，通过PI控制器和变频机构，对碱粉皮带的转速进行调节，以满足生料浆指标中的碱比。
在处于自动控制的过程中，变频器输出被限制在20%-80%范围内调整，为避免电动机的转速频繁被调节，当转速在流量设定值±
第3章硬件设计
系统的硬件模块结构
Controllogix是罗克韦尔自动化Logix控制引擎系列中最具代表性的产品。
从外表看起来像一个可编程控制器系统，但是实际上他却远远超越了传统意义上的PLC系统。
Controllogix体系结构是最新科技的多控制律集成控制平台，是先进的混成控制，可以完成顺序控制、运动控制、传统控制、和过程控制。
无论是高速离散控制、复杂过程控制，伺服控制，还是高速传动控制等各种应用，借助单一的Controllogix平台，用户只需掌握一直编程软件，就能根据应用要求不同，选择标准模块，选择标准工业网络/总线得到所需的控制系统。
如图3.1系统硬件图。
图3.1系统硬件图
Controllogix系统能够与现有基于PLC系统完美结合，与现有网络用户完美结合并可以实现信息的透明呼唤，与其他网络上的程序处理器完美结合。
Controllogix系统的模块化I/O、内存及通信接口为用户提供了一种即可组态又便于扩展的系统。
用户可以根据需要灵活配置所需的I/O数量，内存容量以及通信网络。
以后当用户需要进一步扩展系统时，可随时添加I/O，内存及通信接口。
Controllogix允许用户带电插拔系统中的任何模块，而不会对模块造成损坏。
这样用户就可以在继续维持系统运行的同时更换故障模块。
Controllogix可以在网络之间、网络的链路之间以及通过背板的模块之间实现信息的高速传送。
可以通过Ethernet、ControlNet和DeviceNet网络将处理器连接起来，可以实现分布式处理。
也可以通过ControlNet、DeviceNet和普通RemoteI/O链路可将远程处理器的分布式I/O连接起来。
Controllogix采用特殊设计的高强度工业硬件平台，而可耐受震动、高温以及各种工业环境下的电气干扰。
硬件采取小型化设计适用于有限的配电盘空间。
Controllogix操作系统提供了真正具有优先级的多任务环境，从而允许用户通过单独排定软件组件来满足自己的应用要求。
这就大幅度提高了处理器的效率，而且降低了成本，因为它可以减少整个控制系统的处理器数量。
PLC产品选型
在选择PLC产品型号时，应确定系统用PLC单机控制，还是用PLC形成网络，由此得到PLC所需的输入、输出点数，对控制点数有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%~30%的PLC。
PLC系统所用的存储器基本上由PROM、EPROM及PAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于6KB，中型机的最大存储能力可达64KB，大型机的最大存储能力可上兆字节。
使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。
1756-L61的通讯功能更强大，简单易用，配备软件也相对容易，因此选择1756-L61作为本设计的CPU。
以太网
以太网技术的最初进展来自于施乐帕洛阿尔托研究中心的许多先锋技术项目中的一个。
该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。
以太网在互联设备之间以10~100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆10BaseT以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网。
直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性最好。
以太网可以采用多种连接介质，包括同轴缆、双绞线和光纤等。
其中双绞线多用于从主机到集线器或交换机的连接，而光纤则主要用于交换机间的级联和交换机到路由器间的点到点链路上。
同轴缆作为早期的主要连接介质已经逐渐趋于淘汰。
以太网卡可以工作在两种模式下：
半双工和全双工。
半双工：
半双工传输模式实现以太网载波监听多路访问冲突检测。
传统的共享LAN是在半双工下工作的，在同一时间只能传输单一方向的数据。
当两个方向的数据同时传输时，就会产生冲突，这会降低以太网的效率。
全双工：
全双工传输是采用点对点连接，这种安排没有冲突，因为它们使用双绞线中两个独立的线路，这等于没有安装新的介质就提高了带宽。
例如在上例的车站间又加了一条并行的铁轨，同时可有两列火车双向通行。
在全双工模式下，冲突检测电路不可用，因此每个全双工连接只用一个端口，用于点对点连接。
标准以太网的传输效率可达到50%～60%的带宽，全双工在两个方向上都提供100%的效率。
以太网的工作过程如下：
当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行：
1、监听信道上是否有信号在传输。
如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续监听，直到信道空闲为止。
2、若没有监听到任何信号，就传输数据
3、传输的时候继续监听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新执行步骤1（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送会返回到监听信道状态。
注意：
每台计算机一次只允许发送一个包，一个拥塞序列，以警告所有的节点）
4、若未发现冲突则发送成功，所有计算机在试图再一次发送数据之前，必须在最近一次发送后等待9.6微秒（以10Mbps运行）。
流量计及变频器
选择2个流量计分别检测碱粉流量和赤泥浆流量，反馈给PLC，变频器选择ABPowerflex70系列。
实际上Powerflex70的通信端口为串口，他将串口通信分为5个通道，以用于外部通信，每个通道都对应不同的通信设备，因此具有丰富的通信方法，从而做到了对不同场合不同用途下的通用型与适应性。
Powerflex70的DeviceNet通信需要通过两个部分的组态来完成，一个是适配器的组态，另一个是网络扫描器的组态。
变频器将网络传输的数据通过20个字与适配器进行通信，适配器再将数据通过I/O映像的方式将数据保存在网络扫描器中。
而扫描中的数据可以在程序中直接进行监控，这样就实现了通过DeviceNet网络与变频器进行通信的目的。
1756I/O模块
1756I/O产品系列可提供大量的数字量和模拟量I/O模块以满足用户在模块化组件中的应用需求，包括诊断数字量I/O模块和运动控制模块。
模拟量I/O模块可执行所要求的A/D和D/A转换，实现模拟量信号与处理器数据的直接接口，分辨率最高为16位。
模拟量I/O可由用户组态，这样当I/O通信被中断时可以进入所希望的故障响应状态。
该特点提供了故障情况下的一种安全响应。
数字量I/O模块具有数字量I/O电路，可用于和ON/OFF传感器，如按钮、限位开关的连接；
也可用于和ON/OFF启动器如电动机启动器、指示灯和报警器的连接。
数字量I/O模块的输出直接由响应的处理器数据位的状态来控制，输入则直接控制相应的处理器的数据位的状态。
数字量I/O诊断模块可提供其他数字量I/O模块所不具备的一些附加功能。
除了可以将输出值写入模块以及从模块读取输入值外，用户还可读取有关模块及I/O电路的诊断状态。
1756I/O模块的特点如下：
（1）所有通过背板进行通信的模块均是基于生产者/客户的模式。
（2）每个模块都需占用一个单位的槽位，并且模块可以插在1756框架的任意槽中。
（3）更换模块时无需断开接线；
用户配线时将连接线接到可拆卸的端子排上，并将端子排插入模块的前面。
（4）用户可以采用不同I/O点数的模块，这样就极大的增加了其灵活性并节约了用户成本。
（5）隔离的输入和输出可用于这样一些场合。
例如，使用单独电压源的电动机控制中心。
（6）光电隔离和数字滤波可减少信号干扰.
（7）作为一种故障诊断帮助，在模块的前面还设有状态指示器，用于指示器输入或输出以及故障状态。
（8）将I/O模块故障报告给处理器。
（9）固态数字量I/O模块覆盖了从10~265V（AC）以及10~146V（DC）的范围；
提供的继电器触点输出模块的范围从10~265V（AC）以及5~150V（DC）。
（10）模拟量信号的电压范围包括标准的模拟量输入和输出，以及直接的热电偶及RTD温度输入。
（11）模拟量模块软件的可选特性包括干扰电源及干扰环境下的数字滤波，以及每个I/O通道的量程选择，以增加用户的灵活性。
（12）I/O接线开路检测（1756-IABD、-IB16D、OA8D、-OB16D）。
（13）现场掉电检测（1756-IABD、-OABD、-OABE）。
（14）输出回路状态的确认（1756-OA8D、OB16D）。
（15）输出回路功能能力的确认（1756-OA8D、OB16D）。
（16）每个单独的输出回路均装有电子式熔断器（1756-OAB、-OABE、-OB8E1、-OB16D、-OB16E）。
（17）诊断状态的锁存可用于检测瞬时故障（1756-IA8D、IB16D、-OA8D、-OB16D）。
1756数字量I/O类型有诊断型、电子熔断型、单独隔断型三种，1756数字I/O模块支持：
（1）不同范围的电压接口；
（2）隔离和非隔离的模块类型；
（3）点级输出故障状态；
（4）可选的直接连接或优化机架；
（5）选择模块中的现场接线故障诊断。
1756模拟量I/O模块是接口模块，他们能够将模拟量信号转换成数字量输入，也能将数字量转化成模拟量信号输出。
在使用生产者/消费者网络模式时，它们能够在需要时提供附加系统必要的信息。
皮带秤的选定
采用电子皮带秤，电子皮带秤是对包括ICS电子皮带秤、定量给料机、DGP吊挂式皮带秤等在内的所有皮带秤的一个总称。
它只有称重架、传感器和仪表组成，没有驱动电机等级动力装置，它只对输送皮带上通过的物料作称重累计作用，不控制物料流量的大小。
它的优点是造价低、安装简单不需要对原有设备做太大改动，不足之处是受输送皮带影响大计量精度不高。
定量给料机是有环形皮带、秤架、电机、称重和测速传感器等组成的一个整体，它是集称重计量与流量控制于一体的连续称重设备，也叫调速秤。
DGP吊挂秤是指用称重传感器把整个（包括环形皮带、秤架、电机、传感器等）秤体吊挂起来的一种连续称量装置，它的特点是整个称体吊挂不受其它因素影响，所以计量精度高，还可根据流量控制给料装置的给料速度以达到定量给料的目的。
组态I/O模块
从ControllerOrganizer用鼠标右键点击I/OConfiguration图标，选择NewModule。
显示SelectModule对话框，如图3.4所示。
图中附有可选模块的清单，可以首先在对话框下部选择模块类型，比如Digital表示数字量模块，然后在下拉列表中找到所需的模块型号即可，例如16点数字量输入模块1756-IB16。
用鼠标双击所选的模块，将显示模块属性对话框，如图3.5所示，输入参数再点击Finish按钮。
RSLogix5000软件将完成模块的组态。
主要参数说明如下：
Slot：
注意选择的槽位号码必须与所选模块所处的实际物理位置的槽位号码一致。
由于数字量输入模块1756-IB16安装在1756-A4机架的实际槽位是2，因此要在Slot中选择数字2进行匹配。
图3.4模块选择对话框
图3.5模块属性配置对话框
ElectronicKeying：
这个特性主要是防止将模块插到错误的槽中时，RSLogix5000会将新插入硬件的信息与用户在项目中为该槽组态的信息加以比较。
用户在最初模块组态时，可以选择下列模块。
ExactMatch：
上面描述的所有参数必须匹配，否则插入的模块将拒绝连接。
CompatibleModule：
必须符合下列标准，否则插入的模块将拒绝连接，并导致处理器上的I/O灯闪烁：
ModuleTypes，CatalogNumber，andMajorRevision必须匹配，而物理模块的MinorRevision必须等于或大于软件中指定的。
DisableKeying：
电子锁不起作用。
系统的I/O分配见表3.1
表3.1系统的I/O分配
功能
I/O分配
类型
碱粉皮带秤启动按钮
Local:
1:
I.Data.1
数字量输入
碱粉皮带秤停止按钮
I.Data.17
赤泥浆泵启动按钮
I.Data.10
赤泥浆泵停止按钮
I.Data.2
碱粉皮带秤
4:
O.Data.0
数字量输出
赤泥浆泵
O.Data.6
绿灯（检测皮带秤）
3:
红灯（检测赤泥浆泵）
O.Data.2
碱粉流量计
5:
I.Data0
模拟量输入
赤泥浆流量计
I.Data1
碱粉流量输出
6:
O.Data0
模拟量输出
赤泥浆流量输出
O.Data1
第4章软件设计
系统的软件流程图
设备的启停要遵循先后顺序，比如说设备的启停控制，碱粉是固体原料，在没有液体赤泥浆的情况下，碱粉在化碱池中干磨会损坏化碱池。
在把赤泥浆和碱粉送入化碱池的之前，要先启动一定时间的赤泥浆泵，然后再启动碱粉皮带秤。
同样的设备的停止也是有先后顺序的。
各设备的启停顺序为：
控制系统启动时，先启动赤泥浆泵，然后启动碱粉皮带秤；
控制系统停止时，先停止碱粉皮带秤，然后停止赤泥浆泵。
赤泥浆控制子系统流程图
启动赤泥浆泵时，要检查变频器是否能够正常工作，条件满足时，赤泥浆泵能够正常启动。
赤泥浆泵启动流程图如图4.1所示。
图4.1赤泥浆泵启动流程图
当需要停止赤泥浆泵时，或者化碱池的液位达到下限时，则可以使赤泥浆泵停止工作，赤泥浆泵停止流程图如图4.2所示。
图4.2赤泥浆泵停止流程图
碱粉控制子系统流程图
碱粉皮带秤逻辑控制，当变频器处于可运行状态且变频器没有故障且赤泥浆泵启动时，可以启动碱粉皮带秤。
如图4.3所示。
图4.3碱粉皮带秤启动流程图
当赤泥浆泵停止时碱粉皮带秤停止。
碱粉皮带秤停止程序流程如图4.4所示。
图4.4碱粉皮带秤停止程序流程图
PID参数设置
PID控制技术是工业过程控制中应用最广泛的控制算法。
当难以获得被控对象精确的数学模型时，控制理论中其他技术难以控制时，PID控制技术最为合适。
被控对象的PID控制实质上为对偏差的比例Proportional）、积分（Integral）、微分（Derivative）控制，也称为PID调节。
PID控制回路框图如图4.5所示。
图4.5PID控制回路框图
编辑Tuning配置页面如图4.6所示。
其中Tuning
Constants参数Kp（比例）=1.9,Ki（积分）=0.1，Kd（微分）=0.0。
图4.6Tuning配置页面
单击Configuration配置页面，编辑如图4.7所示。
其中Loop
Update
Time参数设置与其所在的周期任务PID_Control的周期参数一致为0.01秒，并且CVHightLimit=100%。
图4.7Configuration配置页面
点击Scaling配置页面，编辑如图4.8所示。
其中PV参数的UnscaledMax=100，EngineerUnitMax=100，CV参数的Max=100。
点击应用。
确定PID参数配置完成。
图4.8Scaling配置页面
碱粉皮带秤及赤泥浆泵起停程序
碱粉皮带秤及赤泥浆泵起停梯形图如图4.9所示。
图4.9碱粉皮带秤及赤泥浆泵起停梯形图
碱粉流量及赤泥浆流量控制
碱粉流量及赤泥浆流量控制的梯形图，如图4.10所示。
图4.10碱粉流量及赤泥浆流量控制的梯形图
碱粉流量及赤泥浆流量控制PID部分梯形图，如图4.11所示。
图4.11碱粉流量及赤泥浆流量控制PID部分梯形图
网络配置
RSLogix系列梯形图编程软件包可以最大限度地发挥可编程控制器的性能、节省工程项目开发时间并提高生产率。
使用RSLogix5000编程软件一般步骤如下：
（1）创建一个新工程。
（2）控制器属性设置
（3）配置I/O模块（数字量/模拟量）。
（4）组织数据。
（5）任务管理。
（6）编辑梯形图逻辑。
（7）组态通信。
（8）上传、下载工程。
（9）在线修改程序。
（10）在线强制I/O。
（11）控制器故障处理。
在安装有RSLogix5000软件的计算机上，依次用鼠标点击开始\所有程序\Rockwell\RSLogix5000EnterpriseSeries\RSLogix5000或双击桌面上RSLogi
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