基于PLC的定量给料机控制系统.docx

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基于PLC的定量给料机控制系统

定量给料机PLC控制系统

摘要

本课题所设计的调速式定量给料机是在消化吸收国外DEL型定量给料机的先进技术，结合国内建材行业使用称重设备的实际情况，进行国产化设计成功的一种集多种先进技术于一体的新型产品。

它与微机、负荷传感器、速度传感器组合成微机控制配料系统或定量给料秤。

该系统可对各种块、粒状非粘结性物料进行计量和定量给料控制，广泛用于水泥、矿山、化工、冶金、能源、粮食等工业部门。

本机由电机带动减速机，联接主动滚筒转动，从而使皮带运动，即可输送物料，物料在皮带上的重量通过测力机构检测后把信号输入控制器，同时皮带带速也通过测速装置把信号输入控制器进行计算。

电机采用三相电机变频调速。

秤重机构采用全荷式结构、双传感器，消除物料偏载对称重精度的影响。

电机采用三相电机变频调速即通过调节变频器的输出频率达到调速的目的，变频器给定电压信号的范围是０～１0Ｖ。

关键词：

定量给料；变频调速；PLC控制

WeightfeederPLCcontrolsystem

Abstract

DesignedspeedofthesubjectdosingmachinetypeistypeinthedigestionandabsorptionofforeignDELdosingmachine'sadvancedtechnology,combinedwiththeuseofweighingequipment,buildingmaterialsindustry,theactualsituation,thedomesticdesignsuccessofamulti-advancedtechnologyinoneofthenewproduct.Itiswiththecomputer,loadsensor,speedsensorintegratedintoacementplantorFeedingScale.Thesystemcanbeallkindsofblocks,non-cakinggranularmaterialsformeasurementanddosingcontrol,widelyusedincement,mining,chemical,metallurgy,energy,foodandotherindustries.

Themachinedrivenbyamotorreducer,joinactivedrumrotation,sothatbeltcampaign,youcantransportmaterials,theweightofmaterialinthebeltthroughthedynamometertestingafterthesignalinputcontroller,andalsothroughthebeltwithaspeedgundeviceCalculationofthesignalinputcontroller.Three-phasemotorwithfrequencyconversionmotor.Weighingafully-chargedbodystructure,dual-sensor,partialeliminationofmaterialcontainedontheweighingaccuracy.Three-phasemotorwithfrequencycontrolmotorthatisbyadjustingtheinverteroutputfrequencytoachievethepurposeofspeedcontrol,invertervoltagesignalofagivenrangeof0~10V.

Keywords:

dosing;frequencycontrol;PLCcontrol

目录

引言1

第一章绪论2

1.1系统及工艺简介2

第二章方案论证3

2.1系统总体结构3

2.2调速系统电路设计和论证3

2.3控制系统的硬件组成12

第三章软件设计16

3.1流程图16

3.2梯形图17

3.3软硬件系统的调试18

结论20

参考文献23

谢辞24

引言

随着我国经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能自动化已成为一种发展的必然趋势。

智能化也往往是从设备自动化系统开始。

本文主要针对我们本次的毕业设计《PLC控制系统与定量给料机》，阐述PLC控制设计与定量自动控制系统的关系。

可编程控制器由于其在工业控制方面的应用意义日趋明显，并在发电、化工、电子、机械等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用。

它具有功能强大、使用可靠、维修简单等许多优点，并且在很多地方已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。

与此同时,定量给料机也正被广泛地应用,自动送料替代了原来的手工送料，节省了大量的时间，减少了人工操作，降低了生产成本，给企业带来了更大的经济效益，使企业规划和生产管理更加规范，是柔性制造系统最重要的一个环节。

在将其俩双双结合的情况下,不仅促进了科技的发展,也提高了人民生活水平。

第一章绪论

1.1系统及工艺简介

本课题所设计的调速式定量给料机是在消化吸收国外定量给料机的先进技术，结合国内建材行业使用称重设备的实际情况，进行国产化设计成功的一种集多种先进技术于一体的新型产品。

它与微机、负荷传感器、速度传感器组合成微机控制配料系统或定量给料秤。

该系统可对各种块、粒状非粘结性物料进行计量和定量给料控制，广泛用于水泥、矿山、化工、冶金、能源、粮食等工业部门。

本机由电机带动减速机，联接主动滚筒转动，从而使皮带运动，即可输送物料，物料在皮带上的重量通过测力机构检测后把信号输入控制器，同时皮带带速也通过测速装置把信号输入控制器进行计算。

电机采用三相电机变频调速。

秤重机构采用全荷式结构、双传感器，消除物料偏载对称重精度的影响。

料仓物料通过螺旋闸门和下料口压到给料机的承重区，皮带按运行的方向允许时，物料从下料口被拉出，平铺在整条皮带上，传感器就能检测到有效称量区（L）上物料的重量（G）。

由于物料是均匀地平铺在皮带上，当出料口调整好之后，单位长度皮带上的料重可以看成恒定，通过改变电机的转速N，我们就能达到恒定控制输出量Q的目的。

具体公式如下：

V=（N/I）×π×（D+2d）/60公式1-（l）

Q=G×V/L=G×（N/I）×π×（D+2d）/60L公式1-

（2）

式中I------总减速比

D------滚筒直径

d------皮带厚度

本课题在原系统的基础上增设了自动纠偏装置,用来自动纠正跑偏的皮带,在提高自动化程度的同时增加了双记时功能有效地防止了断链对链轴造成的破坏,从而尽可能地降低了设备在突发情况下受损的程度，尽可能减少损失。

第二章方案论证

2.1设计总体结构

此设计选用三菱FX2N系列PLC来实现对定量给料机的各种控制。

此方案的系统框图如图所示：

图2.1PLC控制给料机系统框图

2.2调速系统电路设计和论证

用PLC、变频器、和给料控制器实现对给料机的定量给料控制，以下对这个系统电路的部分重要控制部分作一下简单介绍：

2.2.1．PLC：

可编程序控制器（ProgrammableController）简称PLC，为了避免同个人计算机（PersonalComputer，简称PC）混淆，现在一般将可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）。

PLC从诞生至今已有30多年，发展势头异常迅猛，已经成为当代工业自动化领域中的支柱产品之一。

特别是随着计算机技术和通信技术的发展，PLC的应用领域逐步扩大，应用前景十分看好。

严格地讲，至今对PLC没有最终的定义。

同单片机一样，PLC也是由软硬件两大块组成的：

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。

其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。

对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图2.2所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图2.3所示。

无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。

图2.2整体式PLC组成框图

图2.3模块式PLC组成框图

PLC具有功能强大、使用可靠、维修简便等许多优点。

对于传统的继电器电路来说，它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制，而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐，难以实现升级，并易发故障，维修复杂，现在已被大中型设备的控制系统所抛弃。

而PLC正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。

随着科学技术不断的飞跃发展，PLC也不断得到完善和强大，同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范围，如联网通信功能和自诊断功能等。

因此今天这种装置被我们称作可编程控制器，不过我们还是习惯简称这种装置为PLC。

2.2.2．变频器

变频器内部主要主控电路，整流电路，逆变电路，电流电压采样电路，控制电源电路，驱动电路等几部分构成，其的控制电路框图如如图2.4所示。

变频器核心部分——主控电路主要功能主要表现在：

接受各种信号；进行基本运算；输出计算结果；实现各项控制功能；实施各项保护功能。

三相电机变频调速是通过调节变频器输出频率的方法达到调速目的的。

要调节变频器的输出频率，必须首先向变频器提供改变频率的信号，这个信号，称为频率给定信号，也有称为频率指令信号或频率参考信号的。

所谓给定方式，就是调节变频器输出频率的具体方法,也就是提供给定信号的方式。

给定方式有很多种。

在此主要介绍以下几种：

模拟量给定信号的种类有面板定和外部给定两种方式。

通过面板上的键盘或电位器进行频率给定（即调节频率）的方式，称为面板给定方式，面板给定又有两种情况:

第一，键盘给定频率的大小通过键盘上的升键（▲键）和降键（q键）来进行给定。

键盘给定属于数字量给定，精度较高；第二，电位器给定部分变频器在面板上设置了电位器。

频率大小也可以通过电位器来调节。

电位器给定属于拟量给定，精度稍低。

图3.6变频器内的控制电路框图

图2.4变频器内部控制电路图

键盘给定频率和电位器给定部分频率都有各自的优点和缺点。

数变频器在面板上并无电位器，故说明书中所说的面板给定，实际就是键盘给定。

变频器的面板通常可以取下，通过延长线安置在用户操作方便的地方。

此外,采用哪一种给定方式,须通过功能预置来事先决定。

从外接输入端子输入频率给定信号，来调节变频器输出频率的大小，称为外部给定，或远控给定。

主要的外部给定方式有:

外接模拟量给定和外接数字量给定两种。

通过外接给定端子从变频器外部输入模拟量信号（电压或电流）进行给定，并通过调节给定信号的大小来调节变频器的输出频率。

以电压大小作为给定信号，给定信号的范围有:

0～10V、2～10V、0～±10V、0～5V、1～5V、0～±5V等；以电流大小作为给定信号，给定信号的范围有:

0～20mA、4～20mA等。

通过外接开关量端子输入开关信号进行给定：

通过外接端子输入脉冲序列进行给定。

由PLC或计算机通过通讯接口进行频率给定。

选择给定方式的一般原则是：

优先选择面板给定。

因为变频器的操作面板包括键盘和显示屏，而显示屏的显示功能十分齐全。

例如，可显示运行过程中的各种参数，以及故障代码等。

但由于受联接线长度的限制，控制面板与变频器之间的距离不能过长。

数字量给定与模拟量给定优先选择数字量给定。

原因是数字量给定时频率精度较高并且数字量给定通常用触点操作，非但不易损坏，且抗干扰能力强。

电压信号与电流信号优先选择电流信号。

因为电流信号在传输过程中，不受线路电压降、接触电阻及其压降、杂散的热电效应以及感应噪声等等的影响，抗干扰能力较强。

但由于电流信号电路比较复杂，故在距离不远的情况下，仍以选用电压给定方式居多。

本方案采用的频率设定方式就是外部模拟量给定（电压给定）。

外接给定端（如图2.5所示）主要用电压信号给定，电流信号给定，脉冲给定等。

外接输入控制端（图2.6所示）主要于基本控制信号如正转（FWD）、反转（REV）、点动（JOG）、复位（RST）等，可编程控制信号多档转速控制，多档升、降速时间控制，可编程序控制，外部故障信号等。

外接输出控制端（如图2.7所示）主要用于报警输出。

如图中之30A、30B、30C输出端所示（虚线框①），测量输出端如图中之FM和AM（虚线框②）。

通讯接口和上位微机相接（虚线框③）。

多数变频器提供的是RS485接口，而上位微机的通讯口多为RS232C接口，中间应加接一个“RS485－RS232C”的转接口。

状态信号输出端主要有：

“运行”信号、“频率到达”信号、“频率检测”信号等（虚线框④）。

状态信号的输出电路大多采用晶体管的集电极开路输出方式，用于直流低压电路中。

外电路可通过光电耦合管接受其信号，可直接用发光二极管来指示各种状态。

图2.5外接给定端

图2.6外接输入电路

图2.7外接输出控制端

2.2.3给料控制器：

此处将原来的仅用来收集物料重量信息的“变送器”加以改造，由于不完全了解原变送器的构造及原理和器件，所以改造也不是好办法，因为对自己不熟悉的东西随便改动往往会改造得更加糟糕。

所以只能通过自己的思路独立设计这一器件了（这里取名为“给料控制器”），其接线图如图2.9所示。

不管能不能实现预期目标，至少已经认真考虑过并且可以加深对所做系统的理解，此方案可行。

此方案的设计思想是用等效电源的方法来达到设定变频器频率的目的。

等效电源电路图如图2.8所

图中等效元件

对应图3.2中元件

E1

１０欧姆电位器

E2

传感器信号

C

C５

E1E2频率设定

　　　　+

C

图2.8等效电源电路图

图2.9给料控制器

说明：

电容上电压为电位器上电压和传感器电压之差。

设置给料量就是设置皮带电机旋转速度，也就是设变频器的频率。

当设置好給料量（通过设定电位器阻值使电位器上得到相应电压）后，变频器上得到的电压信号就是放大以后的电位器与传感器电压信号之差。

当皮带上的物料多于25公斤，则传感器电压信号增大，二者电压信号差就减小，相应变频器上得到的电压也减小使电机转速减慢使给料量不会因皮带上物料增加而增大，从而达到定量给料得目的。

相反，如果皮带上的物料少于25公斤

满量程时两传感器共输出18mV电压，实际工作中一般要求皮带上物料重量为传感器量程的25%即25公斤。

此时相应的电压输出为9mV，而变频器是通过0到10伏的电压来设定频率的，功率放大器的电压放大倍数是1000，因此电位器上电压则就相应的相应设为9到19mV，即电阻设为9到19欧姆。

电容C5的作用是消抖。

因为变频器对电机的控制需要一定的时间并且转动中的电机还有一定惯性，如果给料几的进料口出现瞬时给料异常又马上恢复正常的话，就会造成传感器信号的抖动。

如果不用去抖电容，变频器将马上调整电机转速，由于抖动是瞬时性的，还没调整好皮带上的物料量又恢复正常，变频器又要调整电机转速使之恢复正常。

在这个调整与恢复的过程中，造成的误差要比原来出现瞬时给料抖动而不调所造成的误差要大得多。

当要使用DCS控制（中央集中控制）时，中间继电器KA得电，其常开触点闭合常闭触点断开，DCS设定流量与电位器的道理是一样的，在这里不再赘述。

2.3控制系统的硬件组成

2.3.1各个电路的原理图

图2.10主回路电路图

图2.11变频器接线图

图2.12PLC接线图

2.3.2元器件选择列表

元器件名称

规格、数量

电机

1440r/min,Y,380V,2.75A,50HZ3台

减速机

减速比：

673台

三菱PLC

FX-2N1台

交流接触器

1个

中间继电器

24V１个

热过载继电器

１个

变压器

220V/15V１个

断路器

4线１个

压力传感器

50kg2个

24V电源

1个

按钮开关

6个

指示灯

6个

行程开关

3个

急停开关

1个

接近开关

24v１个

给料控制器主板

1块

蜂鸣器

1个

变频器

FRBENJC_MUITI

参数设置：

F00:

先0后1，F01:

1,F02:

1

F03:

50,F11:

2.75,F14:

1,E48:

3

第三章软件设计

3.1系统程序流程图

图3.1系统程序流程图

3.2程序

3．2.1梯形图

图3.2梯形图

3.3软硬件系统的调试

为保证人身安全和电路中各器件不被烧坏,上电之前一定要检查硬件电路是否接错,确保接线后方可接通电源。

3.3.1软件的调试：

1.将梯形图写入PLC；

2．将已经写有程序的PLC放入定量给料机模拟试验板上运行看是否符合定量给料机实际运行的要求。

符合要求者方可投使用。

3.3.2硬件电路的检查:

1．将万用表打到蜂鸣挡：

检查所有的L和N看是否通路，看L和N之间是否短路；检查所有的V+和V-看是否通路，看V+和V-之间是否短路，检查所有的接地端是否都可靠接地

2．将万用表打到电阻挡，量一量各个电机每两相之间电阻是否接近；

3．如果上两步均无异常，则可接通电源用完用表量一下电源相间电压是否接近380V，相地之间是否接近220V，如无异常则可启动电机。

4．电机转向的判别：

压下断料检测行程开关，启动皮带电机，观察送料皮带的承重面是否向出料口运行，如不是则皮带电机属于反转应改变皮带电机电源相序。

启动清扫电机，观察清扫的清扫面否向出料口运行如不是则清扫电机属于反转应改变清扫电机电源相序。

5．软硬件结合各种指示灯和报警系统的工作情况：

上电后，电源指示灯应点亮；启动皮带电机时，“运行”指示灯应点亮；启动清扫电机时，清扫指示灯应点亮。

转开关打到远程状态时，“远程”指示灯应点亮；放开断料检测行程开关，则片刻后蜂鸣报警，同时断料指示灯应点亮；找一铁质物一直放在接近开关附近，5秒后蜂鸣报警，断链指示灯应点亮，并引发急停事件，急停指示灯点亮；搬动左跑偏检测行程开关，电机右纠偏启动此时转动方向应为顺时针方向，搬动右跑偏检测行程开关，电机左纠偏启动此时电机转动方向应为顺时针方向。

6．将给料机的控制柜与分散控制系统（DistributedControlSystem）的中央控制计算机。

（中控计算机机）相连，并将控制面板的转换开关打在本地状态，此时给料机只受自身控制面板的控制而中控计算机不可以控制给料机，如果可以控制的话，说明转换开关接线有误。

同样的道理将控制柜转换开关打在远程状态，控制柜操作面板也不可以控制给料机。

结论

转眼之间，历经大四的下半个学期的毕业设计马上就要结束了，这是我们大学之中最后一个也是最重要的一个设计、一个阶段。

是考验我们大学这四年来的所学，它要求我们将大学这四年来所学到的知识能够融会贯通、熟练应用，并要求我们能够理论联系实际，培养我们的综合运用能力以及解决实际问题的能力。

可以说是我大学四年学习成果的考核和总结。

在这半个学期里我通过在牛得学老师的耐心指导下自己的努力，本着严谨求实、开拓创新的精神，完成了这次大学四年最后的设计实践毕业设计。

我的毕业设计就是根据现有定量给料机为依据进行设计的，该机的前身是DEL型定量给料机。

我产品的很多部分我从来都没见过，一点都不懂所以我只有按照自己的思路根据自己的能力对原产品进行了“很大规模的”改动。

主要表现在以下几点：

1．控制仪主板：

由于原产品的控制仪主板是请厂外工程师设计和制作的。

人家并未提供电路原理图，并且大多数电子元器件我连见都没有见过，尤其是很多重要芯片上面的商标都被沙皮纸给打磨掉了，让我根本无法考证，更不要说如何下手了。

而我的能力又是有限的，这样一来，我只得忍痛割爱，在毕业设计中将定量给料机的重要部件之一的控制仪给放弃。

将控制仪的部分功能用其他部件表现出来。

比如：

信号的采集和定量控制由控制器表现出来。

设备的启停，报警及报警由PLC表现出来。

2．显示部分：

要完成显示部分比较困难，并不是PLC不能驱动数码管进行显示，而是我暂时还不会用PLC驱动12个数码管显示电路。

并且现在我还没有完全掌握PLC的A/D转换模块和D/A转换模块的应用。

所以职能放弃对显示部分的设计。

这对我来说是一个遗憾。

3．自动纠偏装置：

由于皮带在工作过程中两边受的压力不同，造成皮带两边的张紧程度不同，从而会导致皮带跑偏的现象。

原产品对皮带跑偏的处理方法是人工的方法。

为了增加新意提高设备的自动化程度，我在毕业设计中增加了自动纠偏装置。

4．双定时器断链保护系统：

原产品用的是单定时器断链报警，但是这样有一个不足之处：

链条信号是通过接近开关检测链条传动轴上的一个突起螺栓的脉冲信号来判断是否断链的，当螺栓接近接近开关时接近开关就不会计时，当螺栓离开接近开关时，定时器开始计时，到预定时间时定时器驱动报警电路进行报警。

但是如果断链事件发生在螺栓在接近开关附近时，定时器责不会计时并报警。

这样的情况曾经发生过。

结果就把链条的传动轴都给拉弯了。

但如果再增加一个定时器的话，就可以对螺栓在接近开关附近的时间进行计时了，这样如果发生断链报警装置就可以及时急停并报警了。

学习的最终目的是为了应用。

读了四年的大学，然而大多数人对本专业的认识还是不够,在大二期末学院曾为我们组织了两个星期的见习，但由于当时所学知识涉及本专业知识不多，所看到的东西与本专业很难联系起来,所以对本专业掌握并不是很理想。

在这半学期里，我们不断学习、不断积累并且不断的提高。

在老师的悉心指导下，我们从最初的课题选择开始做起，进行设计方案的确定，到软硬件设计的完成，再到书面整理和打印等几个阶段。

这次的毕业设计，是对我这四年来所学的专业知识是否踏实的检验，让我对这四年中所学知识进行了综合，也让我温习了一些已经快要淡忘的专业知识，并且还学到了一些实际工程经验。

这次设计是我第一次从理论构思到实际生产应用论证的设计，它使我更深刻的理解了在大学里学到的知识，但同时也充分暴露了我自身的许多不足之处：

基础知识学得不够扎实，缺乏综合运用及理论联系实际的能力等。

正是这些不足之处我在设计硬件部分时遇到了不少难题。

硬件部分的设计是这段时间的主要任务：

虽然查阅了很多资料自己也进行了认真的分析，但还是因为自己对基本知识的掌握不够牢固，而且有些知识因为学过太长时间而逐渐淡忘了，所以相关电路机的设计进行的不是很顺利，但在多方渠道的帮助下，将这些问题大多数解决了。

但是自己仍然还有很多地方需要进一步加强学习。

例如，在硬件电路的设计时，我翻越了大量相关资料，浏览了很多网页，经过反复对各种电路的性能和成本进行比较，最后限定了合适的硬件电路，但是肯定还存在着一些不足之处。

软件方面，由于硬件很多地方我还没有接触过，比如PLC驱动显示模块，以及A/D、D/A转换模块，我还是不能比较透彻的理解，虽然很多书上和网络上有很多相关的接法，但是由于时间紧任务急，我没有足够的时间去了解。

所以说我不能理解其中的原理。

而不理解的东西我又没办