自动配料系统毕业设计

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题 目：自动配料系统设计

英 文 题 目：Automatic Batching System Course Design

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毕 业 设 计 任 务 书

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毕业设计调研报告

在制造业高度繁荣、工业自动化蓬勃发展的今天，市场的变化、技术的更替都无时无刻不在影响着工业自动化向前发展的方向。而依托用户的使用需求和使用习惯，无疑已经成为众多工业自动化供应商的主流选择。

今天，自动化主流产品也在不断满足用户需求的前提下发生着变化：作为工控领域的主流控制产品，PLC依然占据着控制系统的龙头地位，目前正朝着小型化、开放性和网络化的方向发展；DCS作为过程控制的典型系统积极向上拓展，越来越多地扮演管控一体化的角色；IPC以其灵活、开放的特点，重新赢得了用户的青睐；CNC除了在机床上的应用外，也在向更广泛的领域延伸。

自动化工业生产的迅速发展导致对自动定量给定控制系统的需求日益增大。自动配料系统可广泛应用于冶金、建材、电力、化工、食品、饲料等各种行业中，在冶金行业可应用于烧结工艺；在建材行业可应用于对水泥生料的自动配料；在电力行业，它可应用于锅炉的定量供煤；在化工、食品和饲料部门，多种原料的自动配料也需要它。目前我国这些行业所使用的控制系统都为自动配料控制方式，所以自动配料系统具有十分广阔的应用前景。

在有着良好发展的前景下，自动化配料系统的科技水平也得到快速的发展，早期的结构系统单一，功能简单，，不适合运用到非常复杂的系统里，随着科技水平的提升，各种相关的技术都在发展，越来越多的高精尖的技术都被运用到自动配料系统中。

当然，除了上述之外，随着企业技术改造的进行，在传统的自动化市场也将“回暖”，出现新的市场机会。特别是在节能减排、打造绿色的“数字化企业”方面，自动化产业将有巨大的机会。未来二十年，随着中国人民生活水平、人均寿命的不断提高以及城市化进程加快人，两化融合的推进，这些都将成为驱动自动化不断发展的因素。

在氧化铝生产及其它工业生产中，经常会遇到多种物料配比控制的情况。在手动控制状态下，需要根据生产情况，计算出各物料的配比，再根据配比，分别计算出各物料的理想下料量，对各台设备分别设定，来满足配比的要求。当生产情况发生变化，需要改变下料量时，则需要再次分别计算各物料的设定值，再次分别设定。计算,操作时间长，且容易出错，给生产带来不良因素。

而采用PLC控制方式以及新颖的变频调速喂料机构，配合配料控制软件包，

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实现物料传送、配料控制、配方设计、生产数据管理等功能。并可以通过网络实现多个配料系统的集合控制。专利技术解决物料结拱、粘稠液体物料传送、配料过程中下料冲击和空中悬料误差的自动校正等问题，提高了配料精度。

近年来, 随着现场总线技术的推广, 将传统的配料控制系统改进为基于现场总线的控制系统成为科技进步的必然趋势。目前, 许多用于配料的称重仪表已经有了Profibus、Modbus 等现场总线接口,使基于现场总线的配料控制系统成为可能, 基于现场总线的配料控制系统正在迅速推广。

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目 录

第一章 引言......................................................... 1 第二章 自动配料系统设计总框图....................................... 2 第三章 自动配料系统硬件的设计....................................... 4

3.1 配料系统的设计 .............................................. 4

3.2 计量系统的设计 .............................................. 5 3.3 变频器的选择 ................................................ 5 3.4 电机的选择 .................................................. 5 3.5 传感器的选择 ................................................ 5

第四章 控制系统硬件设计............................................ 15 4.1 PLC的选型.................................................. 15

4.2 称重仪表的选配 ............................................. 18 4.3 操作站的选配 ............................................... 19 第五章 控制系统的软件设计.......................................... 20 5.1 称量仪表参数设定 ........................................... 20

5.2 PLC程序编制................................................ 20 5.3操作站WINCC组态系统........................................ 25 第六章 结束语...................................................... 31 参 考 文 献........................................................ 32 毕业设计总结....................................................... 33 毕业设计致谢....................................................... 34 Computer Aided Design............................................... 1 附件（图纸）....................................................... 45 英文翻译........................................................... 46

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摘要

摘要

摘要：配料工人收到每天的生产作业表后, 将依次对每种原料进行称重?

根据配料的多少, 先计算每种成分的重量,然后在各种成分的料桶中取料,送到电子称上进行称重,最后进行包装?在这个过程中工人工作繁重,出错率高,称重重量无监测,生产数据无纪录等不能保证企业的生产工艺?文中以PC机编程,可编程逻辑控制器(PLC),现场总线技术等现代工控技术为基础,开发了以PC机为上位机, 以PLC作为下位机的自动配料系统?在整个生产过程中,一旦生产计划制定完成,计算机将按照计划对每种原料进行称重,不再需要人工来干预?在这个过程中工人只是进行取料,由计算机通过电子称发来的数据校核重量,减轻了工人的工作负担,提高了工作效率?

关键词，传送，配料，PLC

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Abstract

Abstract

Abstract: Ingredients worker receives daily production operations the table, it will turn for each raw material weighing? according to the number of ingredients, first calculate the weight of each ingredient, and then the drums in a variety of components in the reclaimer and sent e - said weighing on the final packaged? In this process, the heavy workload of the workers, the high error rate, weighing the weight of no monitoring, no records of production data can not guarantee the production process? paper to PC, programming, programmable logic control device (PLC), field bus technology and other modern industrial control technology, developed by PC, as the host computer to PLC as the next-bit machine's automatic batching system? throughout the production process, once the production plan worked out, the computer will follow plan for each weighing raw materials, eliminating the need for manual intervention? In this process, the workers just to get material, by the computer that sent the electronic data checking weight, reduce the workload of workers to improve work efficiency

Key words: transmission, ingredients,PLC

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第一章 引言

自动配料系统是一个针对各种不同类型的物料（固体或液体）进行输送、配比、加热、混合以及成品包装等全生产过程的自动化生产线。可以广泛应用于化工、塑料、冶金、建材、食品、饲料等行业。自动配料系统的恒流量控制采用PID调节，流量计量控制是计量偏差与变频调速的结合。依据系统工艺流程介绍了配料系统的流量控制方式和系统控制过程，详细讲述了PLC的选型及PLC配料系统变频控制中的硬件设置、参数设定和软件设计过程。自动配料系统是精细化工厂生产工艺过程中一道非常重要的工序，配料工序质量对整个产品的质量举足轻重。自动配料控制过程是一个多输入、多输出系统，各条配料输送生产线严格地协调控制，对料位、流量及时准确地进行监测和调节。系统由可编程控制器与电子皮带秤组成一个两级计算机控制网络,通过现场总线连接现场仪器仪表、控制计算机、PLC、变频器等智能程度较高、处理速度快的设备。在自动配料生产工艺过程中，将主料与辅料按一定比例配合，由电子皮带秤完成对皮带输送机输送的物料进行计量。PLC主要承担对输送设备、秤量过程进行实时控制，并完成对系统故障检测、显示及报警，同时向变频器输出信号调节皮带机转速的作用。

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第二章 自动配料系统设计总框图

1.工作原理框图

图1

自动配料系统是对粉粒或液体物料进行单秤称重并按所选配方混合这一工业过程进行实时监控管理的自动化系统,已广泛应用于冶金、建材、化工、医药、粮食及饲料等行业。一般的工业自动配料系统由以下几部分组成。

(1) 给料部分:给料部分是从料仓(或储罐) 向称重设备中加料的执行机构。根据物料的不同特性,可以选用不同的给料设备,如电磁振动给料机、螺旋给料机、单(双) 速电磁

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阀等。

(2) 称量部分:称量部分由传感器、标准连接件、接线盒和称量斗组成,与称量仪表一起进行物料的称量以及误差的检测。

(3) 排料设备:排料可以是称重设备(减量法) 或排放设备(增量法、零位法) 。通常由排空阀门、电磁振动给料机、螺旋给料机、电(气) 动阀门等组成。所有设备均应根据现场的工艺条件和物料的性质等进行设计和选择。

(4) 配料控制系统:配料控制系统由称量仪表、可编程控制器、上位工控机及其它控制器件等组成。

(5) 校秤系统:配料系统传感器应进行定期调校,以保证系统配料精度。

控制系统 配料控制系统由称量仪表、上位工控机、可编程控制器及其他控制器件等组成。典型的配料控制系统在一些比较简单的称重配料系统中, 也可以采用工业计算机( IPC)加数据采集板卡的形式进行配料的控制。

工作原理：比例调节 （下料闭环控制）原理闭环控制过程主要是通过电子皮带秤对圆盘给料机输送的物料进行计量，由电脑积算仪接收称重信号和速度信号，经处理后转化为累计值和瞬时流量，并将累计、瞬时流量信号由 RS- 485口传送给工业控制机 （上位机）、并以 4~20mA模拟电流信号传送给 AI 调节器，AI 调节器将该信号与内部设定值进行比较运算后，输出 4 20mA的模拟信号送给变频器，再由变频器去调节圆盘给料机的转速，当流量增大时，降低圆盘给料机的转速，反之提高圆盘给料机的转速，从而使得物料的流量和阶段累计量均保持在设定的范围内，进而得到可靠的产品质量。

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第三章 自动配料系统硬件的设计

3.1 配料系统的设计

全自动配料控制系统可以应用在，如：冶金，有色金属，化工，建材，食品等行业。它是成品生产的首要环节，特别是有连续供料要求的行业，其配比的过程控制直接影响了成品的质量，它是企业取得最佳经济效益的先决条件。虽然行业各自不同的工艺特点对配料控制要求也不同，但其高可靠性，先进性，开方性，免维护性，可扩展性是工厂自动化FA所追求的一致目标。

配料系统的设计包括称重方式选择、给料方式选择、生产线结构方式选择、配料控制系统的设计等。配料现场粉尘大, 环境恶劣; 各组份在配方中所占比例不同, 有时甚至差异悬殊；配料速度和精度要求高; 配方可能经常变换、调整; 物料可能受环境温度、湿度影响。

3.1.1 称重方式选择

在工业配料过程中, 常用称量方式有进料式称量和卸料式称量2 种。进料式称量有2 种实现方法, 第1 种方式称为零位法, 即在称量开始时通过给料设备向称量料斗内给料, 在称量值达到设定值时停止给料, 然后打开闸门将料卸出, 再从零位重新称量下一物料; 第2 种方式称为增量法, 即称量料斗接收、称量好一种物料后, 不排空料斗, 而是只将电子秤内部计数值清零, 再接收另一物料。显然, 零位法的称量精度比增量法的称量精度高。

采用进料式称量, 当给料设备停止给料后, 还将有一部分物料在空中以自由落体的方式落入称量料斗, 这些余料称为落差。因为有落差的影响, 增量法称量物料重量的设定值应为要配制的物料标准重量减去落差值。

为保证称量速度和称量精度, 在进料式称量时一般采用双速给料的方法, 即先快速给料至设定值的90 %～95 % , 以保证称量效率, 然后慢速给料,以保证称量精度。卸料式称量首先向料斗内装入始终多于配方要求的物料, 然后自料斗内向外卸料进行称量, 落下的物料的重量就是要配制的物料的重量。减量法称量还可以省去料斗, 直接将传感器安装在料仓上,料仓中物料总重量减少的数值就要配制的物料的重量值, 此方法由于精度太低而较少采用。减量法只能一料一秤。

同样为了兼顾速度和精度, 减量法也采取双速卸料, 一般是先快速卸料, 到达设定

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值的90 %～95 %时改为慢速卸料。

在进料式称量中, 由于物料本身特性及料斗原因可能造成卸料不净, 从而产生称量误差。卸料式称量只称量从料斗中取走的物料量并显示其重量,不存在卸料干净与否的问题, 因而该方式特别适合于称量难称的物料, 如易粘附的物料等, 其缺点是设备比较复杂, 需要同时有给料装置和卸料装置,要求车间高度较高,并且由于称量料斗内的物料重量值总是高于需要配制的物料的重量值, 从而导致传感器量程增大, 造成称量精度降低。因而一般情况下卸料式称量的精度比进料式称量的精度低。

3.1.2 给料方式选择

目前, 称重配料系统最常用的给料装置有电磁振动给料机和螺旋给料机。 电磁振动给料机运用机械振动学的共振原理双质体在低临界近共振状态下工作, 无转动部件、耗电少、体积小、重量轻、运行费用低。在给料过程中, 物料在料槽中被连续抛起, 并按抛物线轨迹向前作跳跃运动, 因此对料槽的磨损较小。其缺点是安装后的调试较复杂, 调整不当会产生噪声且运行不好。

与电磁振动给料机相比, 螺旋给料机给料均匀, 受外界影响小, 机械振动小, 运行平稳, 对称量的干扰也小, 可以避免因振动造成的粉料分层。但螺旋给料机上安装有电动机和减速器, 重量大,效率较低。对于液体物料, 一般采用阀门控制给料量。

3.1.3 生产线结构

(1) 采用固定式单组份料斗秤的结构:每个料仓对应1台料斗秤,各组份原料在称量后由溜槽、集料带或集料小车收集并导入后续工序。

(2) 采用固定式多组份料斗秤的结构:几个料仓对应l 台料斗秤, 各组份原料在同一台料斗秤内累加称量后由集料带或集料小车收集并导入后续工序。

(3) 采用移动式料斗秤的结构:通过移动带有称量料斗的集料小车进行各种物料的累加式称量。采用这种方式进行配料需要集料小车有很好的定位精度。

(4) 采用称重带式输送机式的多组份秤的结构:料仓的出料机构就是多组份秤的给料机构, 各种物料在移动的配料带上由皮带秤进行累加称重。

3.2 计量系统的设计

根据下料量的要求，对称重元件及测速元件进行设计。

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3.2.1 称重元件设计

1.电子秤以自动秤量方式将散状物料按预定的配比进行秤量，该秤可控制物料的秤

量、卸料。当饲料到规定的数值时，指针移到相应的接近开关处，使电子秤动作，再执行下一步饲料的送料和秤重，依此类推，直到全部饲料配比完毕。

电子秤由秤体、称重传感器和放料门组成。称重传感器采用高精度称重传感器，该钢制弹性体具有较强的抗过载能力和较长的使用寿命，特别适用于工业现场恶劣环境下高准确度配料的技术要求。称重仪表性能稳定，抗干扰能力强，功耗低、可靠性高，而且具有远程数据通讯功能、设定预置功能及落差补偿功能，可实现准确、高速动态采样。其最大载荷可达250KG/M。它的输出信号驱动其微型输出继电器，以开关量形式将信号送入PLC，它有调零、去皮重、加皮重和拨码盘设定称量值等功能。

2.皮带称的工作原理：物料通过给料设备送至配料皮带秤，秤体中的称重传感器和测速传感器将称重和速度信号送至皮带秤仪表，皮带秤仪表显示输送物料的瞬时流量、累计量等数据，同时将瞬时流量以4～20mA模拟电流形式送往PID调节器，调节器根据测量值与设定值的偏差，通过变频器去调整皮带秤驱动电机的转速，使之精确地以用户设定的给料流量给料，达到恒定物料瞬时流量的目的。适用该工作模式的工艺现场必须满足这样一个前提条件，那就是物料给出量必须与给料控制电机的转速成正比。

图3-1 皮带称结构

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图3-2 单回路前馈-反馈复合控制系统较为实用可行的电原理图

皮带秤仪表将测量到的瞬时流量转化为两个4～20mA模拟输出信号，一个作为PID调节器的反馈输入与调节器机内设定植比较参与反馈运算，另一个作为PID调节器的前馈输入乘前馈放大系数，然后再与反馈运算输出相加输出4～20mA模拟调节信号控制变频器的频率从而及时改变电机的转速。单回路前馈-反馈复合控制系统较为实用可行的电原理图如图2所示。

3.3 变频器的选择

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图3-3为SINAMICS V10PWM型交-直-交变频器

根据设计要求这里采用SINAMICS V10PWM型交-直-交变频器进行调速。 3.3.1变频器的特点

SINAMICS V10变频器是由西门子公司生产的一种具有基本功能的多用途的工业变频器。SINAMICS V10变频器经济、简便、具有鲁棒性和适应性，尤其适合中国复杂的电网环境，可应用于风机、水泵、纺织及其它简单的物料传送系统。

3.3.2变频器的工作原理

1.变频调速基本原理： 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 整流器

大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 平波回路

在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

逆变器

同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

控制电路

是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

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（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。

（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

由转速公式可知, 我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽(10%～100%)和精度高等性能，节电效果20%～30%。 实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即： U∝E=C1fΦ （2） 式（2）中，C1为常数，因此有：Φ∝E/f≈U/f （3） 若外加电压不变，则磁通Φ随频率而改变，如频率f下降，磁通Φ会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速(VVVF)，简称变频调速。

从结构上看，静止变频调速装置可分为交-直-交变频、交-交变频两种方式。前者适用于高速小容量电机，后者适用于低速大容量拖动系统。只要设法改变三相交流电动机的供电频率f, 就可以十分方便地改变电机的转速n, 比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。

2.变频器的构成

异步电机的变频调速是通过变频器实现的。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器(MCU/DSP)等部分组成。图3给出了PWM型交-直-交变频器的控制原理框图。

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图3-4 PWM型交-直-交变频器原理框图

由图3-4可知，这是一个VVVF变频调速系统。首先是将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后形成幅值基本稳定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f的协调控制的要求。PWM的优点是能消除与抑制低次谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，调速范围宽。近年来，带驱动和保护电路的各种智能功率模块(IPM)也相继应用在变频系统中。IPM模块是将三相逆变IGBT、驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上，它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了解接口电路和定义，很快便可以组成并运行系统，从而大大加快了新产品的开发周期。

为了提高配料精度，给料方式采用快、慢速给料。当料斗料重小于设定比例的时，配料皮带电机在变频器调节下，转速大雨=于额定转速，即快速给料；在料斗料重大于设定比例时，配料皮带电机在变频器调节下，电机转速低于额定转速，即慢速给料；

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3.4 电动机的选型

图3-5为SEIMENS ILGO-253-4AA 55KW电机

根据设计要求本设计采用SEIMENS ILGO-253-4AA 55KW电机

3.4.1电机的工作原理

三相异步电动机的转速公式为: n = n1 (1-s)=60f(1-s)/p (1) 式中: n — 电机的转速，r/min n1 — 同步转速，r/min p — 磁极对数 s — 转差率，% f — 频率，Hz

由转速公式（1）可知, 我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽(10%～100%)和精度高等性能，节电效果20%～30%。 实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即： U∝E=C1fΦ （2） 式（2）中，C1为常数，因此有：Φ∝E/f≈U/f （3） 若外加电压不变，则磁通Φ随频率而改变，如频率f下降，磁通Φ会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。

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根据设计要求本设计采用SEIMENS ILGO-253-4AA 55KW电机 3.4.2电机的特点

电机特点：

1、转动惯量小， 适于经常正、反转。

2、端部用铜量及端盖等结构部件材料用量相对较少，重量轻。

3、绕组端部铜耗及端部漏抗小，线圈匝数少，同时减少加工工时和绝缘材料用量。 4、由于电机细长，使得通风条件和转子刚度变差，同时铁心冲片数量增加，电机制造工艺难度加大。

5、较大的气隙，可以增大电机的启动转矩和过载能力，降低温升，减小噪音，提高效率，谐波漏抗减小，空载电流变大，功率因数降低。

由于电机细长，线圈匝数相对减少，端部漏抗减小，从而减少了端部损耗，提高了电机效率。由于匝数减少，降低了嵌线工艺难度，提高了工作效率，增加了绕组的电气可靠性。选用合理的电磁设计方案，采用适合的绕组分布方式使得内部磁场密度均匀分布，从而减少了谐波分量对绝缘的冲击，提高了电气绝缘的可靠性；同时减少了涡流损耗，降低了电机温升，提高了电机效率。

3.5感应器的选型

图为SEIMENS KMC400C传感器

根据设计要求本设计采用SEIMENS KMC400C传感器 3.5.1传感器工作原理

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压力传感器是由过程连接元件、测量电路以及差压元件传感器组合而成的，它可以把接收到的液体和气体等等的压力信号有效地转换成为标准的电流信号，接着提供给调节器、记录仪以及指示报警仪来进行相关的过程、指示以及测量的调节。

陶瓷压力传感器

这种传感器是具有抗腐蚀性的，它没有经过液体的传递，所受到的压力是直接地作用在传感器陶瓷膜片的前表面上的，这时候，陶瓷膜片就会形成很微小的形变，而厚膜电阻则是印刷在膜片的背面上的，这样就可以连接成为一个惠斯通电桥。根据压敏电阻的压阻效应，可以让电桥形成一个具有高度线性的电压信号，它跟激隔爆温度变送器励电压成正比关系、跟压力也成正比关系。而标准的信号是以压力量程的不同为依据标定的，它能够跟应变式传感器互相兼容。根据激光标定，传感器的时间稳定性和温度稳定性都很高，它的自带温度补偿范围是0到70℃，它还能够跟很多的介质直接接触。

蓝宝石压力传感器

它是根据应变电阻式的原理而工作的，它的计量特性是很好的，因为利用了硅- 蓝宝石这个搭配作为半导体敏感元件。蓝宝石的绝缘特性和弹性都很好；而且蓝宝石的硬度很高，比硅还要坚固，因此用户不需要害怕它发生形变；蓝宝石系的组成是单晶体绝缘体元素，因此它不会发生蠕动、疲劳以及滞后的现象。所以，利用硅- 蓝宝石这个搭配作为半导体敏感元件的话，温度对它测量的影响就变得很小了，就算是在很高温的环境中，它的工作特性还是可以保持得很好的，而且，蓝宝石还具有很强的抗辐射作用。利用了这个敏感元件，可以大大地确保了产品的成品率、提高了测量的重复性以及简化了制造的工艺。利用了硅- 蓝宝石作为半导体敏感元件的变送器以及压力传感器，无论在多恶劣的环境中都是可以正常地工作的，它的性价比高、温度的误差很小、精度很好以及可靠性高。

应变片压力传感器

这种传感器的种类有很多，电容式、谐振式、电感式、电阻应变片以及压阻式等等，但是以压阻式使用最为广泛的，它具有比较好的线性、比较高的精度以及比较低的价格。

扩散硅压力传感器

当待测介质的压力作用在传感器膜片上的时候，膜片就会形成一定的微位移，它跟介质压力是成正比的关系的，这个时候，就会导致传感器的电阻值发生一定的改变，使用电子线路对这个变化进行检测，接着就可以转换输出一个标准的测量信号，它是与这个压力相对应的。

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3.5.2传感器的特点

传感器特点：

是无O形圈、无焊缝、无硅油或其它有机物，经久耐用。采用微熔技术、引进航空应用科技，利用高温玻璃将微加工硅压敏电阻应变片熔化在不锈钢隔离膜片上。玻璃粘接工艺避免了温度、湿度、机械疲劳和介质对胶水和材料的影响，从而提高了传感器在工业环境中的长期稳定性能，同时也避免了传感器在传统微机械加工制造工艺过程中出现的P-N结效应现象。

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第四章 控制系统硬件设计

4.1 PLC的选型

本设计中采用西门子公司的S7-200型PLC,其优越的性能表现为极高的可靠性极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

4.1.1 S7-200的特征

1.体积小, 尺寸: 160×80×62mm由于其紧凑的设计,S7- 200可以适合于任何机器控制环境。

2.易于使用: 通过STEP7- Micro/Dos软件可以非常方便地为S7- 200编程,而且该软件能够在任何一台IBM兼容个人计算机上使用,哪怕是一台286 的微机,要求MS-DOS5.0以上。

3.灵活多用: S7- 200的输入?输出点可以支持各个领域的设备,如: 光电传感器,驱动马达按钮开关,灯,泵,搅拌器等。

4.编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

5.机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

6.输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

保证PLC的正常运行，因此在使用中应注意以下问题。 1工作环境 1.1温度

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PLC要求环境温度在0~55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔；开关柜上、下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境超过55℃，要安装电风扇强迫通风。

1.2 湿度

为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。 1.3 震动

应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施。

1.4 空气

避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。

1.5 电源

PLC供电电源为50Hz、220（1±10%）V的交流电，对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接LC滤波电路。

4.1.2 S7- 200的主要组成部件

1.中央处理器(CPU ):是控制系统的大脑,它根据用户程序进行控制。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

2.输入和输出( I/O ):是系统的控制点,输入用于监视现场装置，输出用于控制执行机构。PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

3.编程口:用于连接编程设备,例如,一台计算机或一个手持编程器。

4.开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

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5.模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

6.电源模块：PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

7.系统管理程序：其作用一是运行时间管理，控制可编程控制器何时输入，何时输出，何时计算，何时自检，何时通信。二是存储空间管理，规定个中参数，程序的存放位置，以生成用户环境。三是系统自检程序，包括各种系统出错检验，用户程序语法检验，句法检验，警戒时钟运行。

用户指令解释程序。用户指令解释程序是联系高级语言程序和机器码的桥梁。 标准程序模块及其调用程序。这是许多独立的程序块，各程序块具有不同的功能。 8.用户程序：即是应用程序，使PLC的使用者针对具体控制要求编制的程序。根据不同的控制要求编制不同的程序，这相当于改变PLC的用途，相当于继电器控制设备的硬接线线路，也正是所谓“可编程”一词的基本含义。

图4-1 S7-200简易组成连接图

4.1.3 软件

S7-200的编程软件叫做STEP7- Micro/Dos它基于MS-Dos5. 0上的版本。STEP7-Micro/Dos 的编程语言有两种表示方法:语句表和梯形图。

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4.2 称重仪表的选配

称重仪表即能满足计量需要，又能适应控制要求，既能接受传感器的信号，完成计量计算，又能接受控制系统的下料量设定信号，并根据测量信号与设定值的偏差，自动调整皮带机的转速，将下料量控制在要求范围内。

在这里选用电子秤，其工作原理如下：秤重物品经由装在机构上的重量传感器，将重力转换为电压或电流的模拟讯号，经放大及滤波处理后由A/D处理器转换为数字讯号，数字讯号由中央处理器(CPU)运算处理，而周边所须要的功能及各种接口电路也和CPU连接应用，最后由显示屏幕以数字方式显示。

图4-2 电子秤的工作原理图

电子秤的主要组成组件：

1.重量传感器 2.放大器电路 3.滤波器电路 4.模拟数字转换器 5.中央处理器 6.电源供应电路 7.按键 8.外壳 9.机构

10.秤盘

电子秤的功能特点：

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1.电子秤数字温度自动补偿技术。采用一个三积分A/D转换器，对重量、温度、电池电压三测量，对传感器的温度零漂，温度满量程漂移，分二十个区间，线性化全自动软件补偿，硬件成本增加极少，使电子计价秤、计重秤达到国际标准。

2.电子秤多机总线联网（无须接口板），一台PC机可遥控几十台电子秤键盘操作和各种数据采集。

3. 惊奇的通讯技术，电子秤多CPU单总线双向数据通讯。打开进口的条码电子秤，线束数百根，而三积分条码电子秤各模块间只用一根线通讯。

4. 电子秤函数型线性补偿技术。检测两个加载点，达到十个加载点补偿的效果，全自动解方程计算曲线参数，轻轻松松达到高精度线性补偿的目的。

5. 电子秤抗干扰、高精度称重滤波技术，将普通的一台电子秤读数稳定度提高五倍以上。

6. 模块化部件设计，加快电子秤的开发速度和产品的系列化，A/D模块三种，低阻抗、高阻抗、带CPU模块，数字化CPU模块多种，现推出一种高性能CPU模块：53(29mm，内置实时时钟、RS232、RS485、DA、4M FLASH、多路I/O、单总线通讯、在线可编程模块。目标只用一块CPU模块解决所有称重问题。

4.3 操作站的选配

1.上位组态监控软件的初始化

具体包括：变量的初值；初始化命令语言；上下位机变量网络地址的对应；设置报警条件，所需记录的历史数据等。

2.组态监控软件的各功能模块及数据库间的关系

图4-3 组态监控软件的各功能模块及数据间的关系

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第五章 控制系统的软件设计

5.1 称量仪表参数设定

5.1.1 电子秤参数设定

1.最高输入灵敏度：0. 8μv／d。 2.零点信号范围：—1～12mV。 3.A/D分辨率：1/ 6 万。 4.量程信号范围：0～30mV。 6.A/D转换速率：20～30次 / 秒。 6.供桥电压：12V。 7.工作电压：～220V±10%。 8.使用温度：0～40℃。 9.消耗功率：≤16w。 10.保险管：≤ 1 A。 11.重量单位：kg

12.最大流量：根据实际需要设置范围

5.1.2 皮带秤参数设定

重量单位：根据需要设置成T/KG。 流量单位：根据流量范围合理设置。

最大流量：设置正常显示的最大流量，根据各皮带秤的下料量不同而分别设置。 秤台长度：是物理称重的有效长度，本设计所用皮带秤有效长度为1.1m。

5.2 PLC程序编制

PLC要实现的功能只要有各物料下料量的采集、各喂料装置的启停、各物料下料量的控制、各物料下料量的累计。

各种物料的采集只需在PLC模块中对各物理量进行组态，按照硬件定义各量的通道，根据各量的实际情况定义信号高低位、电流高低位参数即可。

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1.PLC I/O点配置表

输入端子 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 输入装置 启动 停止 料位仓料位检测 料位满信号 输出端子 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 M1 I0.4 器 I0.6 1号皮带称显示 Q0.6 M3 I0.6 2号皮带称显示 Q0.6 1 I0.7 3号皮带称显示 Q0.7 2 I1.0 1号称量料斗料重等于设定比例 I1.1 1号称量料斗料重大于设定比例 I1.2 1号称量料斗料重小于设定比例 I1.3 2号称量料斗料重等于设定比例 I1.4 2号称量料斗料重大于设定比例 I1.6 2号称量料斗料重小于设定比例 Q1.3 转 Q1.2 转 1号测速电机慢Q1.1 Q1.0 3 1号测速电机常速转动 1号测速电机快料仓底门气动阀料仓底门气动阀料仓底门气动阀皮带称称重传感Q0.4 M2 皮带驱动电机皮带驱动电机输出装置 电子秤显示 红色信号灯 绿色信号灯 皮带驱动电机Q1.4 2号测速电机常转信号 Q1.6 2号测速电机慢转信号 I1.6 3号称量料斗料重等于设定比例 Q1.6 转 21

2号测速电机快

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I1.7 3号称量料斗料重大于设定比例 Q1.7 转 3号测速电机常I2.1 3号称量料斗料重小于设定比例 Q2.0 转 3号测速电机慢I2.2 量 达到要求重Q2.1 转 3号测速电机快

2.程序流程框图表6-1 系统PLC输入输出配置表

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图6-1程序流程框图

3.系统程序顺序功能图

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图6-2系统程序顺序功能图

注意：由于版面问题Q0.3、Q0.4、Q0.6、Q0.6、Q0.7、Q1.0都是持续输出的。具体见附件A（简要的PLC梯形图编制）。

5.3操作站WINCC组态系统

1.系统的主要特点：

该系统以标准化协议通信、模块化程序设计、集中管理、分散控制、操作简便为基本设计思想，它应用了计算机技术、信息处理技术、测量处理技术、测量控制技术、通讯网络技术和人机接口技术。它既不同于单一的仪表控制系统，也不同于单纯的计算机管理系统，而是吸收了两者的优点。操作界面简洁、方便、美观、稳定性好、容错能力强、配料精度高、产量高，简单易学，即使没有学过电脑的人员，只要按照操作说明书来操作，很

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快就会上手。设备有故障，配料系统自锁或提示操作员操作员按下暂停键，并声光报警提示操作员，如混合机故障，再者如当配料超重或过轻，配料暂停，提示操作员，等待确认，配料继续。配料秤静态误差±１‰FS；动态误差0.0±２.0‰FS；

目前, 称重配料系统的流程控制几乎全部由可编程控制器(PLC) 来实现,上位计算机主要用于配方管理、屏幕人机对话和称重资料的存储打印等工作。随着微处理器技术的发展, 配料系统中的称量仪表由最初的专用积木式仪表发展为智能化的工业控制终端以及专门的配料控制器。配料控制器是用来控制一种或多种物料的配制的微电脑系统,可以完全或部分取代可编程控制器, 实现配料的自动化。称量仪表的功能也由最初的资料显示发展为具有自诊断、自动零位跟踪、置零去皮、预置点输出、动态称重、数据通信等多项功能。

近年来,随着现场总线技术的推广,将传统的配料控制系统改进为基于现场总线的控制系统成为科技进步的必然趋势。目前,许多用于配料的称重仪表已经有了Profibus、Modbus 等现场总线接口,使基于现场总线的配料控制系统成为可能, 基于现场总线的配料控制系统正在迅速推广。

2.控制系统原理

该控制系统由皮带秤架、螺旋秤架，称重传感器、测速传感器、信号变送器、工控机、变频器及交流电机组成。

图6-3 操作站配置系统图

3.上位组态软件WINCC

先对上位组态软件初始化具体包括：变量的初值；初始化命令语言；上下位机变量网络地址的对应；设置报警条件，所需记录的历史数据等。

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图6-4 WINCC中设定的部分变量

4.操作界面设置

根据生产的需要设计操作界面，操作界面上能显示各主要参数的实际情况，显示各设备的运转情况，显示各故障报警情况，并能实现操作人员对设备的有效控制，对配料参数的输入及调整。

5.操作界面的操作

操作界面上画出了3台被控设备的示意图，每台被控设备电机位置的指示灯以不同的颜色显示该设备的运行、停机状态。气动阀门位置浅蓝，绿两色代表阀门的开闭两种状态。I/O域的0、1分别显示了状态的闭、开。

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图6-6 系统进行料位检测时显示的红灯与料满时的绿灯

测速电机在皮带称显示是开始启动根据不同的比例改变速度，其中的绿色，红色，蓝色分别表示电机的常转、慢转、快转。皮带称显示时由原来的灰色变为红色。

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图6-6 运行中的配料系统

图6-7 测速电机快转信号（蓝色）

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每台秤由3个棒图分别显示该秤的下料设定值，实际下料值。设定值为PLC计算出的，送到控制仪表的值。

图6-8 皮带称过程显示

图6-9电机速度显示

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第六章 结束语

PLC代替了传统的机械传动及庞大的控制电器，实现了电气的自动化控制。通过对皮带电动机的变频调速，达到节约能源和提高配料精度。

本文的创新点是：自动配料系统采用PLC控制方案，具有功能强大、方便灵活、可靠性高、低成本、易维护等优点，大大提高了配料精度，便于计量的微机化控制，实现网络化生产管理，通过投产使用取得了良好的经济效益。

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参 考 文 献

[1]廖常初. 可编程序控制器的编程方法与工程应用.重庆.重庆大学出版社. 2001年2月第一版.

[2]廖常初. 可编程序控制器应用技术. 重庆. 重庆大学出版社. 1998年10月第三版. [3]余雷声. 电气控制与PLC应用. 北京. 机械工业出版社. 1996年10月第一版. [4]邓则名，邝穗芳. 电器与可编程序控制器应用技术. 机械工业出版社. 1997年3月. [5]崔亚军. 可编程序控制器原理及程序设计. 北京：电子工业出版社.1999年3月. [6]张燕宾. SPWM变频调速应用技术. 机械工业出版社. 2002年6月.

[7]西门子（中国）有限公司. 深入浅出西门子Wincc v6. 北京航空航天大学出版社. 2004年6月

[8]洪镇南，李铁，王旭东．PLC与计算机通信的实现[J]．电气时代， [9]熊志奇. 微机自动化配料控制系统. 电子技术应用

[10]赵进奎. 失重秤及其在水泥熟料配料系统中的应用. 自动化仪表, [11]张如先,王磊,张安年,等. 石灰炉配料控制算法[J ] . 洛阳工学院学报 [12]张本举 自动配料系统的设计 中国铝业中州分公司计控室

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毕业设计总结

1.PLC是面向工业发展起来的一种新型的工业控制器，它将计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点。传统继电器控制系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，且其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，在工业生产过程控制中得到了广泛的应用。近几年，在电石厂、冶炼厂、钢铁厂等重型1业的配料系统和输送系统中广泛采用了PLC控制，改善了工人的工作环境，精简了操作人员，减少r配料中的人为误差，取得良好的经济效益。

2.配料控制系统应用比较广泛，采用了可编程控制技术，使整个控制系统的可靠性和精度大大提高，实现了自动控制。同时山于PLC扩展容易，可以对它进行扩展，如只需增加I/O接口模块就可扩展原料系统的输送控制；也可以与电炉控制系统连接，只需增加通信模块就可实现与上位机的通信，从而实现电炉整个系统的计算机管理。

3.本配料系统所选用的PLC控制系统与单片机系统相比，稳定性高，不易受外界电磁的干扰。

4.系统可实现实时选择、修改、设置各种参数及配方，对现场实时监测和控制。 6.上位机使用PC机，通过RS一232串口传给下位机，并对下位机的工作状况进行监控。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2cl7.html