旋转式水泥包装机电气控制系统的研究与设计本科毕设论文.docx
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旋转式水泥包装机电气控制系统的研究与设计本科毕设论文
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摘要
我国经济发展日新月异，近来城乡建设的速度加快，国家不断的加大对全国基础设施的投资，水泥需求量大大的增加。
所以，为了配合水泥生产的需要，必须改革生产工艺，实现高度自动化生产。
根据旋转式水泥包装机的工作流程，研究了采用PLC控制实现自动化生产。
首先对旋转式水泥包装机的工艺流程进行了分析，确定了主控制系统的设计方案，重点研究了该控制系统的几个关键的部分，即给料——插袋——灌装——计量——掉袋这几个部分的工作原理与控制分析，提出了控制设计与改进方案。
关键词：
旋转式水泥包装机；PLC；计量系统；单片机
Abstract
Therapideconomicdevelopmentinourcountry,urbanandruralconstructionspeed,recentlycountriescontinuedtoincreaseinvestmentininfrastructureacrossthecountry,demandisgreatlyincreased.So,inordertomatchtheneedsofthecementproduction,itisnecessarytoreformproductionprocess,realizethehighlyautomatedproduction.Accordingtotheworkingprocessoftherotarycementpackingmachine,automaticproductionisrealizedbyusingPLCcontrolwasstudied.Thetechnologicalprocessofrotarycementpackingmachinewasanalyzed,andmakesurethedesignofthemaincontrolsystem,thecontrolsystemismainlystudiedseveralkeyparts,namelythefeeding-pockets-filling,measuring-offbagofthisafewpartoftheworkingprincipleandcontrolanalysis,designingandimprovingthecontrolschemeisproposed.
KeyWords：
Rotarycementpackingmachine;PLC;measuringsystem;singlechipmicrocomputer
1绪论
1.1课题来源与意义
水泥包装最早出现在上世纪60年代，在我国也有了几十年的生产经历。
水泥包装也从最初的纯人工操作到现在能实现自动化生产。
到目前为止，水泥包装机主要有两种，一种是固定式的，这种包装机的特点是出灰嘴比较少；另一种是旋转式的，这种包装机的特点是出灰嘴比较多。
我国目前的水泥生产企业通过技术改造，在生产过程中已经有一定程度的自动化改造，技术水平也有所提高，可是由于水泥厂地条件比较差，烟尘比较多，空间较小，温度炎热，技术落后于其他国家。
所以，我们的旋转式水泥包装的电气控制系统，有很多需要改进的地方。
系统精度的计量，自动化水平的上升，都是有可能继续实现的。
为了解决目前存在的问题，我们就必须深入的分析这些问题产生的原因，对症下药，逐个突破，在一定程度上提高包装机的自动化程度和计量的精准度。
因此，对旋转式水泥包装机的电气控制系统进行研究，对推动水泥生产企业的进步，具有重大的意义。
旋转式水泥包装机的电气控制部分，主要是通过PLC来设计实现，通过高度自动化来节省劳动力和节省能耗；计量系统则是通过单片机的采样、计量来提高精度，加上其他硬件的辅助，大大增强了计量装置的可靠性和安全性。
此次研究的课题，来源于本人在扶绥新宁海螺水泥有限责任公司实习工作期间，发现工作区域的旋转式水泥包装机还存在许多缺点，还有很多可以改善的地方，之后翻阅书籍，查阅资料，在老师的指导下，进行本课题的研究。
1.2研究范围与结构
本课题主要是研究了关于旋转式水泥包装机的电气控制系统的设计，研究并解决了水泥包装过程中存在的一些不足。
综合了：
给料—插袋—灌装—计量——掉袋整个系统，提出了所需要研究的问题主要是以下几个方面：
（1）了解旋转式水泥包装机的工艺流程，熟悉整个进程和各个机构部件的动作顺序，画出系统流程图。
（2）旋转式水泥包装机的整个系统控制的研究；包含硬件和软件，画出电气控制原理图，确定控制方案。
（3）对计量系统的精度控制的研究，并对该系统进行设计。
2旋转式水泥包装机电气控制系统的研究与设计
2.1旋转式水泥包装机系统工作原理与分析
目前，出厂的水泥主要通过两种方式出厂：
袋装和散装。
而相对于散装水泥而言，袋装水泥容易搬运，容易分类，容易计算数量，因此在实际应用中用得比较多。
水泥包装也自然地成为其中必不可少地一部分。
在水泥行业，生产企业通过水泥包装机来生产袋装水泥。
现阶段在我国的水泥生产行业，使用的水泥包装机主要有两类，一种是可以旋转的旋转式水泥包装机；一种是不可转动的固定式水泥包装机。
固定式水泥包装机的出灰嘴比较少，一般不超过四个,因为机器不能转动，所以挂包装袋的时候工人需要通过走动才能完成插袋。
旋转式水泥包装机的出灰嘴比较多,普遍的有8嘴、12嘴、14嘴，因为包装机可以旋转，所以在插放水泥袋的时候工人可以不用移动，等包装机的出灰嘴转到自己前面时在插入水泥袋，完成灌装。
现阶段在我们国家，旋转式水泥包装机应用得更广泛，固定式水泥包装机相对比较少。
下图2-1为旋转式水泥包装机的模型图[1]。
1-旋转电机2-水泥料入口3-计量系统4-压缩水泥体积系统5-出料喷嘴6-水泥袋支撑座7-料位控制器8-导气原件9-立轴10-包装仓
图2-1旋转式水泥包装机模型图
旋转式水泥包装机有很多动作需要靠气缸的推力来动作，当成品水泥料经过振动筛的振动电机清除杂质之后，进入包装机顶部的下料口，当工人把水泥包装袋挂入插袋口的时候，插袋口处的行程开关被启动，随即把已插袋的信号传给微机系统，微机系统控制地下料口处地电磁阀启动，气缸闸板控制机构动作，使出料嘴被打开，此时地叶轮电机转动，将水泥灌装到水泥包装袋重，当袋装地水泥达到要求地重量时，称重传感器把信号送给微机，微机再控制电磁阀，通过气缸动作，关闭出料嘴定制灌装。
同时在插袋口处的压袋器也收到单片机发来的信号进行压袋，当水泥包装袋转到预定的掉袋位置时，卸包机工作，推动水泥袋掉到固定位置[13]。
全部的灌装系统组成了一个电气控制系统，在这个过程中只有插水泥袋需要人工操作，水泥包装袋的压袋，出灰嘴的开启和出灰嘴的关闭，水泥料的装袋，水泥包的称重计量，水泥袋自动的掉袋这些功能都在电气系统的控制下能够自动的完成。
从而减少机械故障，保证了包装设备的高效运转，自动化程度高，生产能力显著增大。
旋转式包装机有多个下料嘴，每个下料嘴又由不同的包装结构进行控制，而每一个地包装结构都是由三个部分构成：
第一个是水泥喂料灌装系统，由漏斗和叶轮喂料器以及传动部件组成；第二个是自动计量系统，由电子称以及包装部件构成；第三个是自动控制系统，由气动控制箱和电气控制柜，以及一些气动元件构成。
这些全部的构件都将安装在一个可以旋转地系统上，而包装仓与每一个漏斗的上部相连。
包装仓里面有一个可以用来调节料位高度地料位器，这样能够大大地提高包装精度。
包装机的旋转是通过旋转电机来带动的，而旋转速度是通过变频器来进行调节，旋转的转速一般控制在5r/min。
整个机构中的电源和电信号的传递通过滑环体来完成，而气动装置所需的气源有专门的导气部件进行传递。
包装机的插袋方式主要有人工手动插袋和机器插袋两种方式。
当工人在水泥袋插袋口处放入水泥包装袋的时候，微机系统收到插袋处的光电管发来的信号，计量系统开始将称重传感器处的重量去掉袋重清零，系统靠气缸的作用力推动装置压住空的水泥包装袋，喂料电机经过几秒的延时之后自行启动，喂料阀门随之打开，系统进入喂料阶段。
当包装袋的重量达到所设定的重量之后，称重传感器将信号传给微机系统，微机系统控制气缸动作将出灰嘴处的闸板关闭，喂料口停止下料。
到此，一个灌装的过程结束。
当水泥袋旋转到固定的卸包位置后，微机系统收到形成开关发来的信号，指示卸包机工作，将水泥袋推入卸包处的输送皮带，卸包过程完成。
最后，进入周期性工作状态。
其实，对于旋转式水泥自动包装机来说，它并不是一个单一的整机系统，因为水泥包装的精度控制要求比较高，所以需要很多个单机来配合它进行工作，充当辅助设备。
它的一整个工作过程如下：
输送皮带电机——斗式提升机——水泥振动筛——储料中间仓——可控螺旋闸门——可控下料机——旋转式水泥包装机——卸包电机——理顺电机——清包电机——皮带传送电机。
振动筛的作用是清除掉水泥料中的杂质废物，中间仓则是储料系统，控制物料的流量则需要用到的是螺旋阀门，下料机负责物料的均匀向下输送，而包装好的水泥包则是通过卸包机进行卸包，调整水泥包的输送等方向用到的是理顺机，扫除包装袋上的水泥用到的是清包机，而其余的水泥灰尘则是通过收集之后由螺旋输送机再重新运到提升机中。
在这有十几个动作单元组成的一个大的系统中，旋转式水泥包装机是其中最主要的部分，被称为主机，而其他控制单元都是辅助部分。
综合整个旋转式水泥包装系统的工作过程，我们可以把旋转式水泥包装机的整个控制工作过程分为两个部分，从水泥斗式提升机到振动筛下的物料仓是一个部分，从包装机到输送皮带单机又是另外一个部分。
2.2功能模块的分析与设计
对于旋转式水泥包装机来说，这个系统的运行方式有两种：
第一种是联锁，第二种是人工手动。
手动运行主要是在检修时和发生故障需要恢复时用到，联锁自动运行应用于正常工作状态，只需按下启动按钮，系统即可自动联锁运行。
2.2.1振动筛控制电路的简介
振动筛控制电路原理图如下图2-2所示，把万能开关向左转到一定角度，处于万能开关中的一对触点马上闭合，在这个时候系统处在手动控制的状态，接着把SB2按下，系统当中的接触器线圈KM1得电吸合，此时接触器KM1进行了自锁，电动机开始正常的运行，随后把SB1往下按，系统中的接触器线圈开始断电，接触器线圈的触点打开，运行中的电机因为断电而停止运行。
把万能开关向右转到一定角度，在万能开关中的另外两对触点开始闭合，这样子系统就处于联锁的自动运行状态[2]。
在系统正常运行时，有时我们希望能够检测到电动机的运行电流，为此，我们需要把一个电流互感器接在电动机的三相输入电源前端，最后再把电流互感器的两根出线与两个电流表相连。
这些，就可以观察到电动机运行时的电流了。
图2-2振动筛的控制电路原理图
2.2.2包装机控制电路的简介
下图2-3为旋转式水泥包装机的控制电路。
把万能开关向右转到一定的角度，在万能开关中的一对触点开始闭合，在这个时候，系统处于手动控制的状态。
把开关SB2往下按，此时，在系统中的接触器线圈KM1马上得电，接触器KM1处于自保状态，电动机得电运行，把开关SB1往下按，接触器线圈开始断电，触点被打开，电动机断电，停止了运行[3]。
当把万能开关向左转到一定的位置的时候，在万能开关中的其余两对触点开始闭合，在这个时候，整个系统处在自动运行的联锁状态。
主轴地转速是通过变频器来调节的。
图2-3旋转式水泥包装机电气原理图
2.2.3旋转速度控制的简介
1、PID控制旋转速度工作原理
随着科学技术的不断进步，在工业生产中，工业控制技术进行了改进，及其相关的控制技术对电机转速，主要采用闭环控制的方法来提高系统的稳定性。
电机的调速有很多的方法，在以前，在工业控制系统中，主要是运用调整电压、串级等方法。
现在，由于变频技术的快速发展，工业生产的速度控制，多数采用变频器控制。
在这个旋转式水泥包装机的控制系统中，我们采用PID调节的方式，通过可编程序控制器和变频器来进行调节。
我们所说的PID控制，实际上就是通过比例和微分，以及积分控制来调节系统误差的一种调节器。
PID控制器最早出现在20世纪初，因为性功很稳定，构成也比较简单，所以问世之后在工业生产当中得到广泛的应用。
下图2-4为PID控制器的结构图。
图2-4PID控制器结构图
水泥包装机的旋转速度是通过变频器来调节的，变频器向电机提供驱动信号。
由上图我们也可以知道，当出现误差e（t）之后，最后控制器的输出G（s）=Kp*e+Ki*∫edt+Kd*（de/dt）（式中的t为时间，即对时间积分、微分）。
在求出G（s）之后，就可以把这个结果送入变频器当中改变电机的速度进行工作了[4]。
2、PID控制器参数分析
在这个控制系统中，关键的地问题是对PID控制器地参数地研究。
主要是通过整个控制系统地工艺流程和控制特点来确定PID控制器地比例地大小，积分时间的大小，以及微分时间的大小。
PID控制器参数的整定主要有两种方法，第一种是依赖于实际工程经验地工程整定法；第二种是根据系统的数学模型计算而得出地理论计算整定法。
在这次的研究中，我们确定PID参数的方法是科学的计算和仿真。
我们要弄懂一个闭环控制系统，就必须要了解构成这个系统的每一个环节，并且了解它的数学模型，这样之后，计算机才能够准确的分析出来[5]。
在这里，我们主要去了解变频器地数学模型，还有三相异步电动机地数学模型。
对于在闭环变频调速控制系统的变频器来说，可以吧它当作一阶惯性环节来看待，它的传递函数可以是G（s）=F（s）/V（s）,在这种情况下的变频器地等效模型如图2-5所示。
图2-5变频器的等效模型
变频器在有一些特殊的情况下需要三相异步电动机进行供电，三相异步电动机的输入可以看成是定幅值，而输出可以看成是转速。
可以大概的把它们当作一阶惯性的环节。
它的传递函数是G（s）=N（s）/F（s）,在这个时候就可以得到了三相异步电动机的等效的模型图，如图2-6所示。
图2-6电动机等效模型框图
而对于运用了PI调节器构成的闭环控制系统的原理图[6]，我们可以用图2-7表示。
图2-7有调节器地闭环控制系统原理图
因为变频器的参数是可知的，三相电机的参数也是已知的或者是可以求得出来的，所以我们就可以容易的计算出在等效模型中不同的参数地值，由此，我们也就可以知道了系统的传递函数，G（s）=（500/6s+100）*（8974.5/s+299），求得的反馈值为0.006[7]。
这样也就可以知道了实际地等效原理图。
2.2.4计量系统的简介
1、计量系统在水泥包装机的应用
在旋转式水泥包装机控制系统当中，计量系统系统是其中的一个非常核心的部分，它对精度的控制直接影响了出厂的水泥是否达到了出厂的重量，是否达到了出厂的要求。
我们以单片机C52为核心，设计出了一个高精度，抗干扰能力强的计量系统。
如图2-8为计量系统的构成框图，整个系统基于单片机信号采集与处理的条件下进行控制动作。
图2-8旋转式水泥包装机系统结构图
在我国，在水泥生产这一领域，在一些经营了很多年的老厂，使用的计量装置都还是机械称以及电子称。
经过那么多年的使用，我们也发现了它们在生产过程当中的很多的不足。
机械称靠机械的位移来控制物料的流入，这种方法太古老，太原始，因为机械装置在生产的过程当中自身就有很多设计的缺陷，这肯定多多少少都会影响到称的精度。
机械称的工作原理需要用到杠杆原理，但是杠杆工作久了会引起摩擦，而大大降低了杠杆动作的速度。
而用来检测杠杆的运动的位置的时候用到的是接近开关，而在水泥生产的恶劣环境来说，接近开关往往比较容易损坏，寿命比较短，电参数总是不太稳定，这样接近开关往往就得不到应有的作用。
在水泥包装行业，生产的环境不太好，如果使用电子称来计量的话，电子称遇到的干扰因数会比较多，这样就有可能导致电子称在计量时出现死机或者计量达不到应有的精度。
所以我们为了增强包装机的计量精度，以及让整个系统在面对干扰时不那么容易出现错误，设计出此系统。
计量系统在水泥包装机系统中是这样工作的：
检查系统设备是否正常，是否存在备妥信号，设备如无异常，则可正常开机，旋转式水泥包装机开机运行，插袋工作靠人工操作，插量系统把原有的皮重数值清零，这时下料器下的闸板被打开，叶轮电机开始工作旋转，水泥料往下灌装，在这个时候，计量系统不断的接收着称重传感器传来的物料袋的袋重信号并通过显示屏显示出来。
当水泥袋重达到事先的设定值之后，下料器下的闸板立即关闭，叶轮电机也随之停止运行，完成停止下料步骤。
此时旋转式包装机处于正常工作状态不断旋转，当灌装好的水泥袋转到预设的位置时，计量系统收到信号而驱动掉袋装置进行推包，使包装袋掉入输送皮带，袋装水泥的包装过程到此完成。
在此计量系统中还包含了一个显示频和一个按钮键盘，显示频用来显示数值，按钮键盘用来修改数据，输入袋重值以及其他标准值等。
2、计量精度的分析
老式包装机的缺点：
（1）还采用8位的AD转换器，测量精度不够，显示精度只能够达到0.1kg，计量精度只能达到0.5kg；
（2）零点地调节，称重数值的设定与改变都是通过电位器来调节，可是水泥厂粉尘多，污染大，电位器容易损坏，不够稳定；（3）抗干扰能力差，干扰信号容易通过检测信号线串入，且大型设备的开停容易产生电压波动，影响计量系统的稳定性。
影响袋重的因素有：
（1）称量机构的弹簧片出现松动，称体和包装机之间有接触，或者位置出现不对称，导致包装机称重偏大或出现数值飘移；
（2）出料口应与出料管垂直，以免在出料时被挤压的压力过大，影响精度；（3）供料系统要均衡，下料仓内的气压要保持稳定，保证气动装置能够准确动作，保证精度。
（4）滞后时间产生的影响：
当达到袋重时，传感器输送信号给微机，微机再给出关闭下料闸板需要一定的时间。
如果采样不够准确与迅速，时间过程会影响计量的精度。
改进策略分析：
（1）使用分辨率为12位的AD转换器，这样显示分辨率就能达到10g，称重漂移值＜10g；
（2）采用电磁铁控制闸板，当袋重达到80%时，关掉第一个闸板，降低水泥灌装速度，这样当达到袋重关闭第二块闸板时，水泥袋误差就能最大限度的减小；（3）在单片机设计中设置自动清零功能，保证零点的准确性（4）调整下料机构拉杆的长度，使闸板卡轮卡块处在最佳的间隙，这样可以大大的减少滞后时间，提高计量精度；（5）要保证闸板的质量，经常检查闸板的磨损情况，保证闸板能够自由开合；（6）要确保旋转拐臂轴承转动的灵活性，调整开启拉杆的高度；（7）电磁铁要垂直安装，不能够倾斜，倾斜将会影响电磁铁的往复运动，延长滞后时间，所以电磁铁的安装很重要。
在本文的研究中，我们将在最后两章重点介绍计量系统的设计。
2.3包装机PLC的选型
PLC全名为可编程序控制器，由四个部分组成：
分别是CPU、存储器、I/O口和部分可选配件。
CPU、存储器、I/O系统是PLC的最基础的组成部分，是PLC完成各种控制功能必不可少的组成部分。
而其他可选的部件主要有：
外存储器、通讯接口、扩展接口等，它们主要的功能是存储程序、编程、进行系统扩展和系统功能测试等等[8]。
CPU作为PLC最核心的部分，能够准确快速的处理字节的指令，对系统起到有效的控制作用。
而I/O口能够进行电平交换、电气隔离、转换串型和并型数据，并能够对外提供一些驱动能力，它是CPU模板和外部的开关量讯号之间的接口。
对模拟的I/O接口的输出部分来说，它的主要功能是能够实现阻抗的匹配，波形的校正功率的放大。
对输入部分来说，它的功能是将来源于受控对象的仿真量，变成可编程序控制器能够识别和处理地数字量。
PLC经过多年的发展，现在在市场上种类繁多，功能不一。
按照PLC地I/O点地数目，我们可以把可编程序控制器三种，第一种我们称作小型机，I/O点的数量最多为256点，没有模拟量。
第二种我们称作中型机，I/O点的数量在256—2048点之间，模拟量的数目在64—128之间。
第三种我们称作大型机，I/O点的数量为2048点以上，模拟量的数目在128—512之间[9]。
为了方便用户在实际应用时根据自己的需求来配置，在进行具体的功能设计选择时，一般采用模板式的结构。
而对于一些小型机而言，它们的配置比较固定，一般会把它们制作成一体机，供给成套设备来用。
而对于大型机而言，它们的电源、CPU都是需要做热备份的。
下图2-9是小型的PLC的结构框图。
图2-9PLC结构图
可编程序控制器的扫描周期分为三个部分，第一个阶段是输入信号的采样部分；第二个部分是程序执行地读取部分；第三个部分是输出信号地刷新部分[10]。
关于可编程序控制器PLC的输入信号地采样，它地整个采样地过程是，将全部地保存在输入锁存器当中地输入端子地同断状态，通过PLC特有的扫描方式按循序来扫描，读取程序，把它们分别输入寄存器，也被称为输入刷新。
之后就关掉了输入地端口，随后开始程序的执行阶段。
对于PLC的程序执行阶段，它的工作过程是，对于PLC程序执行阶段，其工作过程是，根据命令，存储用户程序指令，扫描，并执行每个指令后，操作，和后处理，然后，它的输出写入状态寄存器，一步一步的阅读，输出状态寄存器的内容也跟着变化。
对于程序地输出刷新阶段，它的工作过程是，在全部的指令执行结束之后，输出状态寄存器的通断状态被输送到输出的锁存器当中，之后通过不同的方式进行输出，驱动相应的输出设备进行工作。
要想设计一个PLC系统，我们首先要做的就是先确定这个系统的控制方案，第二部要进行的就是PLC的选型。
设计和选型主要是基于一些工艺设计的要求和系统的实际应用来完成。
所选的PLC一般选择在同行业当中有过使用经历，比较可靠稳定的系统，它应该易于与本生产系统形成一个标准的整体。
PLC的系统硬件与功能应当实际的环境和系统的规模相符合。
可编程控制器的功能图，了解，并将使用适当的编程语言，可以缩短设计时间，所以我们进行设计选型，要仔细的分析系统的工艺流程，了解流程的每一个点，和控制要求，根据这些，大概算出输入输出的点数或内存需求，确定PLC可以实现的功能，和外部设备的特点。
可以按照价格来分析选择，以满足性价比的要求。
在选择I/O点数的时候，应当在正常的输入输出点数的基础上，增加10%—20%的余量，作为最终的点数估算数据[11]。
综合旋转式水泥包装机的系统工艺流程和技术特点来考虑，以我们以最具性价比的方式选择了由西门子公司生产的S7—200系列的PLC，由统计资料可以知道，这个控制系统需要的I/O点有：
38个开关量输入，38个开关量输出，3个模拟量输入，两个模拟量输出。
根据I/O实际点，我们可以知道，它需要的模块如下：
1个模拟混合输入输出模块，3个数字组合继电器输出模块，38个开关量输入（包括料位器信
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