基于PLC的物料比值调节控制系统设计.docx
《基于PLC的物料比值调节控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的物料比值调节控制系统设计.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于PLC的物料比值调节控制系统设计
毕业论文（设计）任务书
课题名称
基于PLC的物料比值调节控制系统设计
指导教师姓名
一、主要内容：
本课题涉及传感器原理、PLC原理和过程控制原理的应用。
要求利用传感器、PLC及其自动化部件实现物料的比值调节控制系统设计。
二、基本要求（基本技术要求与数据）
1、进行系统原理设计。
2、电气原理图及方案设计。
3、PLC、变频器应用设计。
4、利用实验室进行模拟。
三、论文（设计）工作起始日期：
自2011年1月3日起，至2011年5月25日止
四、进度与应完成的工作：
第一阶段：
阅读书籍、查找资料（2011年1月3日—2011年3月1日）
第二阶段：
系统设计、论文初稿（2011年3月1日—2011年5月6日）
第三阶段：
系统调试、论文修改（2011年5月7日—2011年5月12日）
第四阶段：
论文定稿、打印（2011年5月12日—2011年5月14日）
第五阶段：
论文答辩准备及答辩（2011年5月16日—2011年5月22日）
五、主要参考文献、资料
[1]施仁.自动化仪表与过程控制[M].北京：
电子工业出版社，2009.
[2]吴中俊,黄永红.可编程序控制器原理及应用[M].北京：
机械工业出版社，2009.
[3]王伟，杨公源.基于PLC控制的氯化钾一硫酸和氯化钾一磷酸比值控制系统分析[DB].万方数据库，2008-11-15.
[4]龚运新，方力友．工业组态软件实用技术[M]．北京：
清华大学出版社,2005.
[5]周美兰，周封，王岳宇．PLC电气控制与组态设计[M]．北京：
科学出版社，2006．
[6]李燕,廖义奎，王永．图解变频器应用[M]．北京：
中国电力出版社，2009．
目录
摘要5
Abstract6
1引言7
2系统的工艺要求与工艺流程7
3氧化铝—冰晶石流量比值控制系统8
4系统模拟的工作过程8
5硬件系统的具体设计9
5.1变频器9
5.1.1MM440变频器的特点及技术指标9
5.1.2MM440变频器的参数设置11
5.2PLC13
5.2.1PLC系统的基本组成13
5.2.2PLC的I/O分配表及I/O接线图14
5.2.3PLC的编程15
5.3上位机组态19
5.3.1建立IO设备组态19
5.3.2建立数据库组态22
5.3.3建立组态画面22
6结论23
参考文献24
致谢24
附录25
基于PLC的物料比值调节控制系统设计
方桂云
摘要：
在自动控制系统中，经常遇到输出量是温度、压力、流量、液位、浓度、成分以及PH值等变量，这就是过程控制系统。
而在过程控制系统中应用较为广泛的流量是比值控制系统。
在本系统中以电解铝的两种主要原料氧化铝粉和冰晶石粉作为两种不同的物料，工艺上要求粉状的氧化铝与冰晶石自动地保持一定的比例关系，即构成氧化铝—冰晶石比值控制系统。
关键词：
物料比值；过程控制；PLC；变频器；组态。
Materials Ratio ControlSystem BasedonPLC
FANGguiyun
Abstract：
Intheautomatic controlsystem, outputis oftenencounteredin temperature,pressure, flow,level,concentration, composition,and PH valueof suchvariables,thisisthe processcontrolsystem. Intheprocesscontrolsystem iswidelyused isthe ratioof theflow controlsystem. Inthissystem the twomainrawmaterial aluminum powderand cryolitealumina powderas twodifferent materials,workmanship and cryolite alumina powderrequired toautomatically maintaina certainproportion willconstitute alumina - Ice Stone ratio
controlsystem.
Keywords：
Materials ratio，Processcontrol，PLC,Inverter,Configuration.
1引言
工业生产过程中，要求两种或多种物料成一定比例关系，一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。
所以严格控钥其比例，对于安全生产来说是十分重要的。
2系统的工艺要求与工艺流程
在生产过程中，凡是将两种或两种以上的物料量自动地保持一定的比例关系的控制系统，就称为比值控制系统。
在本系统中，工艺上要求粉状的氧化铝与冰晶石自动的保持一定的比例关系，即构成氧化铝—冰晶石比值控制系统。
工艺流程如图2-1所示。
WIC：
重量显示控制装置;M:
变频器
图2-1工艺流程图
在本系统中，氧化铝处于主导地位，称此物料为主物料或主动量。
冰晶石与主物料进行配比，在控制过程中跟随主物料而变化，故称之为从物料或从动量。
3氧化铝—冰晶石流量比值控制系统
比值控制系统有开环比值控制、单闭环比值控制和双闭环比值控制三种类型。
开环比值控制是最简单的控制方案，其特点是无反馈回路，结构简单，成本较低；但是控制精度低，容易受到外界干扰，输出一旦出现误差无法补救。
闭环控制有助于提高系统的精度和稳定性，从而提高生产效率和品质，但是成本较高，结构较复杂。
单闭环比值控制是为了克服开环比值控制方案的缺点而设计的，这种方案的不足之处是主流量没有构成闭环控制，但其成本低廉，也能满足工艺的控制精度以及稳定性。
故本系统采用单闭环比值控制方案，系统方框图如图3-1所示。
图3-1系统方框图
由图3-1可知，前面开环控制部分是主控量氧化铝本身构成的开环控制系统，当设定量确定后，主变频器通过输出一个恒定的控制电压控制螺旋输送机A的转速，从而控制氧化铝的量，使氧化铝的量稳定在设定值上，主流量开环控制系统属于恒值控制系统。
后面闭环控制系统部分是副物料冰晶石闭环控制系统，其输入量是经过检测与变送后的氧化铝的流量Q1与比值系数K的乘积。
冰晶石流量闭环控制系统有PLC、副变频器、螺旋输送机以及变送器B等组成。
副流量冰晶石闭环控制系统属于跟随系统。
4系统模拟的工作过程
鉴于实验设备及一些客观原因所限。
本系统以两台异步电动机分别代替螺旋输送机A和螺旋输送机B。
通过两台异步电动机的转速分别模拟氧化铝的量Q1和冰晶石的量Q2。
通过两台测速仪器来分别模拟变送器A和变送器B。
设定量通过实验柜0V-15V电压输出口给定。
比值运算在PLC内部完成。
其模拟系统结构图如图4-1所示。
图4-1模拟系统结构图
5硬件系统的具体设计
5.1变频器
5.1.1MM440变频器的特点及技术指标
MM440变频器的特点及技术指标如表5-1所示。
表5-1MM440变频器的特点及技术指标
电源电压及功率范围
输入电压
恒转距负载下功率
变转矩负载下功率
1AC200至240V±10%
0.12KW至3KW
无
2AC200至240V±10%
0.12KW至45KW
5.5KW至45KW
3AC380至480V±10%
0.37KW至200KW
7.5KW至250KW
4AC500至600V±10%
0.75KW至75KW
1.5KW至90KW
输入频率
输出频率
47至63Hz
0.12KW至75KW0至650Hz（v/f控制方式）/0Hz至200Hz（矢量控制方式）
90KW至200KW0至267Hz（v/f控制方式）/0Hz至200Hz（矢量控制方式）
功率因数
大于0.95
变频器效率
96%至97%
过载能力（恒转矩）
0.12KW~75KW，150%过载持续时间60秒，200%过载持续时间3秒重复周期300秒
90KW~200KW，136%过载持续时间57秒，160%过载持续时间3秒重复周期300秒
过载能力（变转矩）
5.5KW~90KW，140%过载持续时间3秒，110%过载持续时间60秒重复周期300秒
0.12KW~75KW，150%过载持续时间1秒，110%过载持续时间59秒重复周期300秒
控制方式
矢量控制，V/F控制，转矩控制，平方V/F控制等
频率设定分辨率
数字输入和串行通讯输入为0.01Hz，10位二进制模拟输入
通讯接口
RS485标配，RS232可选，另有PROFIbus，DeviceNet、CANopen选件
电机电缆长度
不带输出电抗器0.12KW~75KW最长50m（屏蔽电缆），最长100m（非屏蔽电缆）
90KW~250KW最长200m（屏蔽电缆），最长300m（非屏蔽电缆）
带输出电抗器参照相关选件
防护等级
IP20
工作温度
0.12KW~75KW，-10至+50摄氏度（恒转矩），-10至+40摄氏度（变转矩）
90KW~200KW，不降容0至+40摄氏度
存放温度
-40至+70摄氏度
相对温度
小于95%RH无结露
工作地区海拔高度
0.12KW~75KW海拔1000m以下无需降额使用
90KW~200KW，不降容0至+40摄氏度
最高可在海拔4000m的环境使用
保护功能
过电压、欠电压、过载、接地、短路、过温
5.1.2MM440变频器的参数设置
MM440变频器的参数设置如表5-2所示，未设置的参数采用变频器的默认值。
表5-2MM440变频器的参数设置
参考号
参数描述
设置
P0003
设置参数访问等级
=1标准级（只需要设置最基本得参数）
=2扩展级
=3专家级
3
P0010
=1开始快速调试
注意：
1.只有在P0010=1的情况下，电机的主要参数才能被修改，如：
P0304，P0305等
2.只有在P0010=0的情况下，变频器才能运行
1
P0100
选择电机的功率单位和电网频率
=0单位KW，频率50Hz
=1单位Hp，频率60Hz
=3单位KW，频率60Hz
0
P0205
变频器应用对象
=0恒转矩（压缩机，传送带等）
=1变转矩（风机，泵类等）
0
P0300[0]
选择电机类型
=1异步电机
=2同步电机
1
P0304[0]
电机额定电压：
注意电机实际接线（Y/△）
220
P0305[0]
电机额定电流
注意：
电机实际接线（Y/△）
如果驱动多台电机，P0305的值要大于电流总和
0.5
P0307[0]
电机额定功率
如果P0100=0或2，单位是KW
如果P0100=1，单位hp
0.1
P0308[0]
电机功率因数
0.820
P0310[0]
电机额定频率
通常为50/60Hz
非标准电机，可以根据电机铭牌修改。
50
P0311[0]
电机的额定转速
矢量控制方式下，必须准确设置此参数
1420
P0320[0
电机磁化电流
通常取默认值
0
P0335[0]
电机冷却方式
=0利用电机轴上风扇自冷却
=1利用独立的风扇进行强制冷却
0
P0640[0]
电机过载因子
以电机额定电流的百分比来限制电机的过载电流
150
P0700[0]
选择命令给定源（启动/停止）
=1BOP（操作面板）
=2I/O端子控制
=4经过BOP链路（RS232）的USS控制
=5通过COM链路（端子29,30）
=6Profibus（CB通讯板）
注意：
改变P0700设置，将复位所有的数字输入输出至出厂设定
2
P0701
=1接通正转/断开停车
=2接通反转/断开停车
2
P0756
=0单极性电压输入（0至+10V）
=1带监控的单极性电压输入（0至+10）
=2单极性电流输入（0至20mA）
=3带监控的单极性电流输入（0至20mA）
=4双极性电压输入（-10到+10V）
0
P0757[0]
电压2V对应0%的标度，即0Hz
2
P0758[0]
0
P0759[0]
电压10V对应100%的标度，即50Hz
10
P0760[0]
100
P0761[0]
死区宽度
2
P1000[0]
选择频率给定源
=1BOP电动电位计给定（面板）
=2模拟输入通道（端子3、4）
=3固定频率
=4BOP链路的USS控制
=5COM链路的USS（端子29,30）
=6Profibus（CB通讯板）
=7模拟输入2通道（端子10,11）
2
P1080[0]
限制电机运行的最小频率
0
P1082[0]
限制电机运行的最大频率
50
P1120[0]
电机从静止状态加速到最大频率所需时间
10
P1121[0]
电机从最大频率降速到静止状态所需时间
10
P1300[0]
控制方式选择
=0线性V/F，要求电机的压额比准确
=2平方曲线的V/F控制
=20无传感器矢量控制
=21带传感器的矢量控制
0
P3900
结束快速调试
=1电机数据计算，并将除快速调试意外的参数恢复到工厂设定
=2电机数据计算，并将I/O设定到工厂设定
=3电机数据计算，其它参数不进行工厂复位
3
P1910
=1使能电机识别，出现A0541报警，马上启动变频器
1
5.2PLC
5.2.1PLC系统的基本组成
本系统采用西门子的S7-200PLC，其基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图1。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
如图5-1所示。
图5-1PLC的基本组成
5.2.2PLC的I/O分配表及I/O接线图
PLC的I/O分配表如表5-3所示。
将就地控制按钮SB1端子连接PLC的I0.0输入点；电压变送器V1和电压变送器V2分别来源于测速仪A和测速仪B，他们分别使用PLC的A+、A-，B+、B-数字量输入接口；中间继电器KA1和中间继电器KA2分别来自主变频器和副变频器，主变频器端子编号为5的数字输入端子DIN1与PLC的Q0.0连接，副变频器端子编号为5的数字输入端子DIN1与PLC的Q0.1连接；模拟输出V负载来自副变频器，副变频器的端子编号3和端子编号为4的模拟输入端子AIN1+、AIN1-分别与PLC的V0、M0连接。
PLC的I/O接线图如图5-2所示。
表5-3I/O分配表
输入信号
就地控制按钮SB1
I0.0
电压变送器V1
A+、A-
电压变送器V2
B+、B-
输出信号
中间继电器KA1
Q0.0
中间继电器KA2
Q0.1
模拟输出V负载
M0、V0
图5-2I/O接线图
5.2.3PLC的编程
本系统采用STEP-7Micro/WIN32编程软件编写PLC程序，该编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专门为SIMATICS7-200系列PLC设计开发。
该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机帮助功能。
用户可利用该软件开发PLC应用程序，同时也可实时监控用户程序的执行状态。
该软件是SIMATICS7-200用户不可缺少的开发工具。
编写程序步骤：
（1）新建工程文件，并建立符号表，符号表如表5-4所示。
表5-4程序符号表
（2）通过PID指令向导建立PID指令，点击在Micro/WIN中的命令菜单中选择Tools>InstructionWizard，然后在指令向导窗口中选择PID指令，在使用向导时必须先对项目进行编译，在随后弹出的对话框中选择“Yes”，确认编译。
如果已有的程序中存在错误，或者有没有编完的指令，编译不能通过。
如果你的项目中已经配置了一个PID回路，则向导会指出已经存在的PID回路，并让你选择是配置修改已有的回路，还是配置一个新的回路，如下列图所示，未标示的取系统默认值。
选择PID向导，然后点击Next进入下一步。
如图5-3所示。
图5-3选择PID向导
选择配置的回路号为NEW，然后点击Next进入下一步。
如图5-4所示。
图5-4选择需要配置的回路
选择PID的回路号为0，然后点击Next进入下一步。
如图5-5所示。
图5-5选择PID回路号
设置PID的参数，先预设给定值范围的底限0，给定值范围的高限为100；比例增益为1，积分时间为10分钟，采样时间为1s，微分时间为0分钟；如图5-6所示。
在进行PID整定时再根据实际情况对PID参数进行修改。
图5-6设定PID参数
设定PID的输入回路标定为单极性，过程变量的范围低限为0，范围高限为32000；
输出类型为模拟量，单极性，范围低限为0，范围高限为32000；如图5-7所示。
图5-7设定PID输入输出参数
（3）编写程序并对PID进行整定，整定结果如图5-8所示。
采样时间为0.1s，增益为0.1，积分时间为0.0175s，微分时间为0.0s。
具体程序见附录。
图5-8PID整定结果
5.3上位机组态
5.3.1建立IO设备组态
设置设备名称为bizhi，设备描述为物料比值控制系统，更新周期为50毫秒，超时时间为0秒，设备地址为2，通信方式为串口（RS232/422/485）,故障后恢复查询周期300秒，最大时限为60分钟。
如图5-9所示。
图5-9设置设备的名称和描述以及各项参数
选择设备的串口为COM1，连续采样失败3次后重新初始化串口。
如图5-10所示。
图5-10选择设备的串口
设置设备的命令间隔时间为20ms。
如图5-11所示。
图5-11设置命令间隔时间
IO设备组态建立完成。
如图5-12所示。
图5-12IO设备组态
5.3.2建立数据库组态
建立数据库组态如图5-13所示。
bili为比例系数；m1s为电动机A转速；m2s为电动机B转速；start为启动按钮；motor1为电动机A的状态；motor2为电动机B的状态。
图5-13数据库组态
5.3.3建立组态画面
建立组态画面如图5-14所示。
启动、停止按钮与变量名start.PV相关联；1#泵以及A物料输入通道与变量名motor1.PV相关联；2#泵以及B物料输入通道与变量名motor2.PV相关连；泵转速比设置中的##以模拟量输入、模拟量输出的形式与变量名bili.PV相关联；电机1转速和电机2转速分别以模拟量输出形式与m1s.PV和m2s.PV相关联。
图5-14系统组态画面
6结论
物料比值控制系统在实际生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，精确地输出，更能实现自动化控制，是过程控制系统的一个典型。
本设计针对生产中两种物料的混合的控制，对其设计了单闭环物料比值控制系统，将氧化铝作为主流量，冰晶石为副流量进行设计，设计中用到了多个硬件设备，并基于计算机实现过程的自动控制。
在这次课程设计中收获颇多，在查阅相关资料的同时，增长了不少知识，学到了一些书本以外的应用性的东西。
设计过程中，了解了一些从前没有多少接触的硬件设备，如异步电动机、测速仪、EM235模块。
经过本次课程设计，我对工业过程控制系统的开发控制流程有了全面的了解，初步了解了PID控制规律在实际控制工程中的应用，很好的做到了理论与实践的结合，进一步加深了对PID控制算法理解，除此之外，还对在实际工程中应用极为广泛的力控软件，这为我们以后的工作打下了良好的基础。
参考文献
[1]施仁,刘文江，郑辑光.自动化仪表与过程控制[M].北京：
电子工业出版社，2009.
[2]吴中俊,黄永红.可编程序控制器原理及应用[M].北京：
机械工业出版社，2009.
[3]王伟，杨公源.基于PLC控制的氯化钾一硫酸和氯化钾一磷酸比值控制系统分析[DB].万方数据库，2008-11-15.
[4]龚运新，方力友．工业组态软件实用技术[M]．北京：
清华大学出版社,2005.
[5]周美兰，周封，王岳宇．PLC电气控制与组态设计[M]．北京：
科学出版社，2006．
[6]李燕,廖义奎，王永．图解变频器应用[M]．北京：
中国电力出版社，2009．
附录
PLC程序如下
升级会员 