基于ADAM模块的物料均匀配比系统.docx
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基于ADAM模块的物料均匀配比系统
基于ADAM模块的物料均匀配比系统
姓名：
高喜风学号：
94202088班级：
02943
1.比值控制及系统分析
1.1关于比值控制
自动控制对于工农业生产和科学技术的发展具有越来越重要的作用。
生产技术的进步和科学技术的发展，要求有更加复杂、更加完善的控制装置，以期达到更高的精度、更快的速度和更大的效益。
然而，若用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足如此高的性能要求。
由于电子计算机出现并应用于自动控制，才使得自动控制发生了巨大的飞跃。
因为计算机具有精度高、速度快、存储量大，以及具有逻辑判断等特点，因此可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精密的控制效果。
计算机所具有的信息处理能力，能够把过程控制和生产管理有机地结合起来，从而对工厂、企业或企业体系的管理实现自动化控制。
计算机控制是以自动控制理论与计算机技术为基础的，它是一门新兴的学科，又与自动控制有密切的联系。
本次毕业设计是一个典型的计算机控制系统：
利用上位计算机控制来改变变频器的参数，从而改变电机的转速，以此来控制传送带上面的物料的下料情况。
下面是本次设计的一个控制系统：
图1.1控制系统结构图
注：
计算机为系统的给定；
4520为RS232-485转换器；
4017相当于A/D转换器，是系统的模拟量输入；
4021相当于D/A转换器，是系统的模拟量输出;
变频器为系统的执行机构；
传感器为系统的测量机构。
上面的控制系统是一个单闭环控制系统，我们这次的要求是要实现一个均匀比例的控制系统，所以要用到比值控制系统。
比值控制是让两个或多个参量自动的保持一定比例关系的控制，在比值控制系统中，需要保持比值的两种物料必有一种处于主导地位，这种物料称为主动物料或主流量，用Q1表示。
一般情况下，总的生产中的主要物料的流量作为主流量，或者以不可控物料的流量作为主流量。
另一种物料随主流量的变化而变化，称之为从动流量或副流量，用Q2表示。
比值控制系统就是要实现副流量和主流量成一定比例关系，即满足Q2/Q1=k,k为副流量和主流量的比值。
比值控制系统通常可分为开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统和变比值控制系统。
在这次的毕业设计中用到的是双闭环控制系统，下面介绍一下双闭环计算机比值控制系统。
双闭环比值控制系统是在单闭环比值控制系统对主流量不受控制所引起的不足的基础上而提出的。
双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主流量控制回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成的。
不流量控制回路能克服主流量扰动，实现其定值控制副流量控制回路能抑制作用于副回路的干扰，从而使主、副流量无比较稳定，使总物料量也比较平稳。
图1.2双闭环计算机比值控制系统
注：
1.系统中对主动量Q1（s）和从动量Q2（s）都进行了控制，使得负荷比较稳定。
从图可以看到主动量控制回路是定值控制，从动量控制路仍是随动控制。
2.比值器的调节的规律为Q2（s）=Kp1Q1（s）,主调节器和从调节器的调节规律为比例积分规律。
比值控制系统设计中的比值系数的计算和参数整定问题：
1.比值系数的计算
在工业生产中，比值控制是解决物料流量之间的比例关系问题。
工艺上的比值K，是指两流量的体积流量或重量流量之比，比值系数K′则是仪表的读数，它是流量比值K的函数，一般情况并不相等。
因此，在设计和运用比值控制系统时，必须把工艺上的比值K折算成仪表的读数K′。
当使用单元组合仪表时，参数均以相应的统一标准信号互相联系，所以，比值系数的民就是将流量比值K折算成相应仪表的标准统一信号。
2．比值控制系统的参数整定
（1）在满足工艺生产流量比的条件下，计算比值系数或K′，将比值控制系统投入自动运行。
（2）将积分时间置于最大，并由大到小逐渐调节比例度，使系统响应迅速，并处于振荡与不振荡的临界过程。
（3）若欲投入积分作用，则先适当放宽比例度，再投入积分作用，逐步减小积分时间直到系统出现振荡与不振荡或稍有超调过程为止。
本次的毕业设计只对比例系数进行了整定。
此参数是在组态王中进行了简单的编程设置的，这样就可以用K来控制下料的比例，但是这个比例K是不容易确定的，要进行一系列的转换才能找出K值。
1.2控制系统分析与设计
1.2.1硬件部分――计算机、模块、变频器、传感器、放大器及由电机和皮带轮等组成的配料装置、直流供电电源。
a.由计算机来完成上位机的监控和调节作用
b.用变送器（或传感器）来作为测量装置，测量皮带上物料的多少，当然变送器（或传感器）测量过来的信号并不能现成使用，要用Matlab软件找出物料的重量和传感器之间的比例关系。
利用这个关系式在组态王里进行编程，把传感器过来的数据直接转换成皮带上面物料重量的多少。
c.放大器来放大传感器送过来的微弱信号。
放大器是放大电信号的装置，由于从传感器过来的信号很弱，因此必须将这个很弱的信号进行放大。
然后再把这个放大后的信号传送给模块4017。
变送器是输出信号是符合标准化要求的（即老式的0～10mA.DC、0～2V.DC和当前普遍使用4～20mA.DC、1～5V.DC）。
因此从变频器过来的信号不经过放大器的放大作用而直接的把信号送给了4017模块。
d.电机和皮带轮等组成的配料装置来完成物料的下料过程。
e.用直流24V和直流12V的供电电源来给放大器、模块和变送器及传感器供电。
直流24V供电电源来给放大器、模块和变送器充当电源，直流12V的供电电源来给传感器供电。
1.2.2软件部分――组态王、ADAMUtilityMatlab、AutoCAD
a.组态王里有大量的硬件驱动程序，因此可以用组态王软件来形象的地反映现场的配料情况，由于并能实现对系统的实时监控和调节作用.
b.ADAMUtility软件可以用来测试软件的通讯情况，打开此软件可以查看ADAM模块是否与计算机实现了通讯，如果没有通讯系统会有信息提示通讯失败。
c.用Matlab软件来找出频率与电机转速的关系、物料与传感器之间的关系，由这些关系可以在组态王里进行单的编程，从而在组态王里来控制要下物料的配比关系。
d.AutoCAD绘图软件是目前用的最广泛的绘图软件之一，用AutoCAD绘制出来次毕业设计中用的一些硬件及接线情况。
2.设计过程及结果
在搞懂硬件的基础上，学习软件的使用。
用组态王绘制出下料设备图，然后进行定义变量、动画连接、简单编程及实时曲线等系统所需的软件设计。
图2.1是下料设备图。
图2.1上位监控系统主画面
在定义三个新I/O新设备之前，首先要熟悉一些关于模块的知识：
模块在组态王中的设置
2.14017模块
组态王定义设备时请选择：
智能模块\亚当4000系列\ADAM4017
a.地址设置
所有的设置参数包括I/O地址、速度、奇偶性、高限和低限报警、校准参数都可以通过模块厂家提供的软件或命令进行远程设置。
提示:
若用户设置在定义地址格式时输入##.XX（XX不为0），则不用校验和
示例:
2.1模块地址为2模块无校验和
若有校验和，则格式为##
示例:
2模块地址2
b.通讯参数设置
组态王通讯参数请与模块实际设置相一致。
默认通讯参数：
波特率：
9600
数据位：
8
停止位：
1
校验：
无
4017在组态王数据词典中的变量定义
寄存器名称
寄存器
dd取值范围
读写类型
变量类型
模拟量输入
AIdd
0－－－7
读/写
FLOAT
举例：
寄存器：
AI0
数据类型：
FLOAT
变量类型：
I/O实型
注释：
模拟量输入值
2.24021模块
组态王定义设备时请选择：
智能模块\亚当4000系列\Adam4021
地址设置
所有的设置参数包括I/O地址、速度、奇偶性、高限和低限报警、校准参数都可以通过模块厂家提供的软件或命令进行远程设置
4021在组态王数据词典中的变量定义
寄存器名称
寄存器
读写类型
数据类型
模拟量输出
AO
读/写
FLOAT
举例：
寄存器：
AO0
数据类型：
FLOAT
变量类型：
I/O实型
注释：
模拟量输出值
有了上面的知识，接下来建立新设备和定义变量。
在组态王软件的设备中的COM1中建立新设备：
一个4017，两个4021，在COM端根据设备安装向导建立新的I/O设备。
（如图2.3a）
图2.3（a）
变量定义是变量类型4017和4021模块均为I/O实型，4021的寄存器名为AO，4017的寄存器名为AI0和AI3，这些的0和3分别为硬件线路中的通道号。
新I/O设备建立好后可在组态王中测试串口设备是否能和硬件通讯，例如测试新I/O设备4017方法是在“新I/O设备4017”上点击鼠标右键，然后选择“测试新I/O设备4017”，这样就会弹出一个对话框，包括“通讯参数”和“设备测试”，点击“设备测试”然后选中添加、读取。
这样就可以测试到硬件能否实现和软件的通讯。
也可以用ADAMUtility软件来测试4017和4021的通讯情况。
（如图2.3b、c）
这样在软件实现通讯以后，再用Matlab软件来找一些相关的关系。
图2.3（b）
图2.3（c）
下面是测得的频率与皮带转速的对应数据，皮带的总325cm,用测得的皮带周期除以325就可得到皮带的转速，然后可用MATLAB求出它们之间的关系，并用简单的编程让它们之间的关系反应到图像上。
一号电机的频率（Hz）
皮带周期（s）
皮带转速（cm/s）
2
63.07
5.15
3
34.15
9.52
4
23.13
14.05
5
18.15
17.91
6
15.00
21.90
7
12.08
26.90
8
11.00
29.55
9
9.1
35.71
10
8.08
40.22
11
7.13
45.58
13
6.07
53.54
15
5.12
63.48
用MATLAB一阶拟合得到的对应关系为：
y=4.4718x-4.3832
二号电机的频率（Hz）
皮带周期（s）
皮带转速（cm/s）
3
58.07
5.60
4
27.00
12.04
5
19.13
16.99
6
15.1
21.96
7
13.02
24.96
8
11.03
29.47
9
9.15
35.52
10
8.12
40.02
11
8.00
40.63
12
7.05
46.10
13
6.1
53.28
15
5.1
63.73
用MATLAB一阶拟合得到的对应关系为：
y=4.5221x-5.8986
注：
由于要求不高，所以用的只是一阶拟合，这样做是为了在组态王的编程中的方便。
如果要求精度高的话，要用多阶拟合（一般为五阶，最高是七阶）。
x=[2345678910111315];
y=[5.159.5214.0517.9121.6726.9029.5535.7140.2245.5853.5463.48];
f=polyfit（x,y,1）
x1=2:
0.01:
16;
y1=polyval（f,x1）
subplot（121）
plot（x,y,'*',x1,y1,'m'）
axis（[216070]）
title（'一号电机频率与皮带转速关系'）
xlabel（'频率（Hz）'）
ylabel（'皮带转速（cm/s）'）
gridon%图像为一号电机的曲线图
x3=[4567891011121315];
y3=[12.0416.9921.5224.9631.135.5240.0243.6348.1053.2863.17];
f=polyfit（x3,y3,1）
x2=4:
0.01:
16;
y2=polyval（f,x2）
subplot（122）
plot（x3,y3,'o',x2,y2,'r'）
axis（[416070]）
gridon
title（'二号电机频率与皮带转速关系'）
xlabel（'频率（Hz）'）
ylabel（'皮带转速（cm/s）'）%图像为二号电机的曲线图
下面是物重和压力传感器之间的对应值，用MATLAB算出它们之间的关系式为
y=0.0843x+0.8950（一号传感器）
y=0.1813x+1.0986（二号传感器）
物重一
传感器一
物重二
传感器二
0
0.91
0
1.09
1
0.97
1
1.255
2
1.06
2
1.458
3
1.15
3
1.661
4
1.23
4
1.800
5
1.31
5
2.003
6
1.40
6
2.194
7
1.48
7
2.351
8
1.57
8
2.524
9
1.66
9
2.709
10
1.74
10
2.861
x=[012345678910];
y=[0.910.971.061.151.231.311.401.481.571.661.74];
f=polyfit（x,y,1）
x1=0:
0.01:
10;
y1=polyval（f,x1）;
subplot（121）
plot（x,y,'x',x1,y1,'m'）;
gridon
title（'一号压力传感器'）;
xlabel（'物重（kg）'）;
ylabel（'电压（v）'）;
x2=[012345678910];
y2=[1.091.2551.4581.6611.8002.0032.1942.3512.5242.7092.861];
f=polyfit（x2,y2,1）;
x3=0:
0.01:
10;
y3=polyval（f,x3）;
subplot（122）
plot（x2,y2,'o',x3,y3,'r'）;
gridon
title（'二号压力传感器'）;
xlabel（'物重（kg）'）;
ylabel（'电压（v）'）
有了上面的关系可以在组态王里进行编程来实现组态王的临控和调节作用
说明：
上面系统的实时图像左边数字是现场情况的数字反映，这样可以更直观的知道现场的生产情况。
这次的双闭环比值控制系统的比值K=2,知道两种物料的下料比为2，如果在此运行系统中改变了K值，变频器输入部分（4021模拟量输出部分）就改变了，由于变频器的输入和变频器的频率之间为5倍的关系，就可以改变变频器的频率，从而改变皮带的转速，这样物料下料的多少就可以改变了。
上面的传感器（4017模拟量输入）和物料重是对应的，是由Matlab找出的关系，然后在组态王中利用这个关系来编程，这样知道了传感器过来的数据，就知道了此时刻皮带上的物料重多少，因此上图是一个计算机进行实时监控并控制调节的系统。
3.控制系统实现及其相关软硬件介绍（包括英文资料）
3.1KingView组态王软件
“组态王”是在流行的PC机上建立控制对象人机接口的一种智能软件包，它以Windows98/WindowNT4.0中文操作的为其操作平台，充分利用了Window图形功能完备，界面一致性好，易学易用的特点。
它使采用PC机开发的系统工程比以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，大大减少了工控软件开发者的重复工作，并可运用PC机丰富的软件资源进行二次开发。
利用组态王软件可以自己画监控界面，并进行动画联接及在画面属性中的命令语言中进行一些必要的编程，还可实现软硬件的通讯并建立历史曲线、实时曲线、报表、报警等。
组态王将一台与之通讯的下位机看作是外部设备。
为实现和外部设备的通讯，组态王提供了大量设备的驱动程序作为和外部设备的通讯接口，在开发过程中，只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”的提示一步步完成连接过程，即可实现“组态王”和相应设备驱动程序的连接。
完成连接后，则在运行期间，“组态王”就可通过驱动程序和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据、指令。
每一个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通讯程序（驱动程序）和组态王构成一个完整的系统，即保证了运行系统的高效率，也使系统能够达到很大的规模。
3.2模块部分
3.2.1关于ADAM4017、4021
ADAM—4017是16位8通道模拟量输入模块，6路双端，2路单端模拟量输入。
ADAM4021是模拟量输出模块，一路模拟量输出。
通讯连线示意图：
3.2.2关于ADAM4520
ADAM-4520是RS-232/RS-485的转换器。
电源：
24VDC
1.缺省设置波特率：
9600Bit/sec，通过设置SW1设置如图所示：
10位串形数据格式：
1位起始位+8位数据位+1位停止位，无奇偶校验。
无须设置地址
2.接线图（如图3.2）
图3.2
3.3变频器
3.3.1GeneralPrecautions
Somedrawingsinthismanualareshownwiththeprotectivecoverorshieldsremoved,inordertodescribedetailwithmoreclarity.Makesureallcoversandshieldsarereplacedbeforeoperatingthisproduct
Thismanualmaybemodifiedwhennecessarybecauseofimprovementoftheproduct,modification,orchangesinspecifications.SuchmodificationsaredenotedbyarevisedmanualNo.
3.3.2MOUNTING
■Choosealocationtomounttheinverter
Besuretheinverterisprotectedfromthefollowingconditions:
□Extremecoldandheat.Useonlywithintheambienttemperaturerange:
14to122F（-10to+50）
□Rain,moisture.
□Oilsprays,splashes
□Saltspray
□Directsunlight.（Avoidusingoutdoors）
□Corrosivegases（e.g.sulfurizedgas）orliquids
□Dustormetallicparticlesintheair.
□Physicalshock,vibration.
□Magneticnoise。
（Example:
weldingmachines,powerdevices,etc.）
□Highhumidity.
□Radioactivesubstances.
□Combustibles:
thinner,solvents,etc.
3.3.3PROGRAMMINGFEATURES
■ConstantSet-upandInitialization
Constantselection/initialization（n01）
Thefollowingtabledescribesthedatawhichcanbesetorreadwhenn01isset
Setting
Constantthatcanbeset
Constantthatcanbereferred
0（constantwritedisable
N01
N01ton69
1
N01ton69
N01ton69
2to7
Notused（disabled）
8,9（constantinitialization
Initialize
Initialize（3-wiresequence）
（1）Thesetvaluesofinputterminalfunctionselection1,2and3（n06,n07andn08）arethesame.
（2）Ifthefollowingconditionsarenotsatisfiedinthetorquepatternsetting（V/fpatternsetting）:
Maxoutputfrequency（n24）
>=Maxvoltageoutputfrequency（n26）
>Midoutputfrequency（n27）
>=Minoutputfrequency（n29）
（3）IfthefollowingconditionsarenotsatisfiedintheJumpfrequencysetting:
Jumpfrequency3（n58）
<=Jumpfrequency2（n57）
<=Jumpfrequency1（n56）
（4）IfFrequencyreferencelowerlimit（n42）
<=Frequencyreferenceupperlimit（n41）
（5）IfElectronicthermalreferencecurrent（n31）
<=120%ofinverterratedcurrent
（6）Ifthefollowingissetwhenreverserunprohibitisset（n05=1）:
ReverserunissetbyfunctionLED
orbyFWD/REVrunselection（n04）.
F/R
▉SettingOperationConditions
Reverserunprohibit（n05）
“Reverserundisabled”settingdoesnotacceptareverseruncommandfromthecontrolcircuitterminalordigitaloperator.Thissettingisusedforapplicationswhereareverseruncommandcancauseproblems.
Setting
Description
0
Reverserunenabled
1
Reverserundisable
Multi-stepspeedselection
Bycombiningfrequencyreferenceandinputte
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