自动配料模拟控制系统设计

1、自动配料模拟控制系统设计引言自动配料控制系统是采用 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，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。自动配料控制系统设计步骤 : 1主电路设计，并画出接线示意图。2. 分配 I/O 地址，列出分配表。3. 设计系统控制的程序框图。4. 根据程序框图设计该系统的控制梯形图。5. 上机调试通过。6. 利用 PLC系统进行模拟运行1自动配料控制系统结构和工作原理1.1 自动配料控制系统方案 系统启动后，配料装置能自动识别货车到位情况及对货车进行自动配料，当车装满时， 配料系统自动关闭。

2、 本设计的突出点是故障检测部分的设计，首先， 当某一节传送带发生故障时，该节传送带和其前面的传送带会立即停止， 该节之后的传送带会在一定的延时后停止。自动配料模拟控制系统设计其次， 当某节传送带上的物体过重时， 该节传送带和其前面的传送带会立即停止， 并且数码 显示电路会显示发生故障的电机的号码，该节之后的传送带会在一定的延时后停止。1.2 自动配料控制系统基本结构自动配料的模拟面板如图 1.1 所示，从图中可以看出四节传送带是本次设计的核心电 路， PLC编程也是围绕此面板进行的图 1.1 自动配料系统图自动配料系统的功能是利用四节传送带为小车自动配料， 重物通过传送带进行传输， 发 生故障

3、时系统自动停机。自动配料实验面板与PLC接线控制对应关系如表 1.1.1 所示。表 1.1.1 输入 / 输出接线列表面板SB1SB2S1SQ1SQ2D1PLCI0.0I0.1I0.2I0.4I0.5Q0.0面板D2D3D4L1L2M1PLCQ0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6面板M2M3M4ABCPLCQ0.7Q1.0Q1.1I0.6I0.7I1.0面板DI1.2I1.3I1.4I1.5自动配料模拟控制系统设计面板SB1SB2S1SQ1SQ2D1PLCI1.1I1.2I1.3I1.4I1.51. DOP 数码显示电路DOP数码显示电路如图 1.2 所示。此电路在整个电路中起辅助性

4、作用，即当四节传送带 中的某一节发生故障时，数码显示有故障一节的编号，用户可以清楚的看到。DOP数码显示面板与 PLC控制端口对应关系如表 1.2 所示。表 1.2 数码显示电路面板ABCDEFGPLCQ2.0Q2.1Q2.2Q2.3Q2.4Q2.5Q2.61.3 控制系统工作过程1. 初始状态系统启动后，红灯 L2（Q0.5 ）灭，绿灯 L1（Q0.4）亮，车未到位，表明允许汽车开进 装料。料斗出料口 D2 关闭，若料位传感器 S1（I0.2 ）置为“ 0”（料斗中的物料不满） ，进 料阀开启进料， D4（Q0.3）亮。当 S1置为“ 1”（料斗中的物料已满） ，则停止进料（ D4灭）。 电

5、动机 M1、 M2、 M3和 M4均为“ 0”。2. 装车过程装车过程中，当汽车开进装车位置时，限位开SQ1（ I0.3 ）置为“ 1”，红灯信号灯 L2（Q0.5 ）亮，绿灯 L1（Q0.4）灭，车到位；同时启动电动机M4（Q1.1），经过 3s 后，再启动 M3（Q1.0），再经 3s 后启动 M2（Q0.7），再经过 2s 最后启动 M1（Q0.6），再经过 3s 后才 打开出料阀， D2（ Q0.1）亮，物料经料斗出料。当车装满时，限位开关 SQ2（I0.4 ）为“ 1”， D1（ Q0.0）亮，料斗关闭（ Q0.1 复位）， 3s后 M1停止， M2在 M1停止 3s后停止， M3在

6、 M2停止 3s 后停止， M4在 M3停止 3s后停止， 同时红灯 L2 灭，绿灯 L1 亮，表明汽车可以开走。3. 故障控制当某一节传送带发生故障时， 该节传送带和其前面的传送带会立即停止， 该节之后的传自动配料模拟控制系统设计送带会在一定的延时后停止。例如，当M2发生故障时， M2、 M1会立即停止， M3会在 M2和M1停止后 5s 后停止， M4 在 M3 停止 5s 后停止。其次，当某节传送带上的物体过重时，该节传送带和其前面的传送带会立即停止， 该节之后的传送带会在一定的延时后停止。 例如， 当 M1上有重物时， M1会立即停止，同时数码显示电路会显示“1”， M2在 M1停止

7、5s 后停止，M3在 M2 停止 5s 后停止， M4在 M3 停止 5s 后停止。4. 停机控制按下停止按钮 SB2，自动配料装车的整个系统终止运行。2 自动配料模拟控制系统中的 PLC应用2.1 PLC 的发展历史 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照 逻辑关系进行连锁保护动作的控制， 及大量离散量的数据采集。 传统上， 这些功能是通过气 动或电气控制系统来实现的。 1968年美国 GM（通用汽车） 公司提出取代继电气控制装置的要 求，第二年， 美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置， 首次采用程序化 的手段应用于电气控制， 这就是第一代

8、可编程序控制器， 称 Programmable Controller （PC）。个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点， 可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller （ PLC），现在， 仍常常将 PLC简称 PC。PLC 的定义有许多种。国际电工委员会（ IEC）对 PLC的定义是： 可编程控制器是一种数 字运算操作的电子系统， 专为在工业环境下应用而设计。 它采用可编程序的存贮器， 用来在 其内部存贮执行逻辑运算、 顺序控制、 定时、 计数和算术运算等操作的指令， 并通过数字的、 模拟的输入和输出， 控制各种类型

9、的机械或生产过程。 可编程序控制器及其有关设备， 都应 按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪 80年代至 90年代中期，是 PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在 这时期， PLC在处理模拟量能力、 数字运算能力、 人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。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。2.2 PLC 的硬件和软件自动配料模拟控制系统设计2

10、.2.1 PLC 的硬件构成从结构上分， PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括 CPU板、I/O 板、显示面板、 内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。 模块式 PLC包括 CPU模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。CPU的构成： CPU是 PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个 CPU，它按 PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据， 用扫描的方式采集由现场输入装置送来 的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。 进入运行后， 从

11、用户程序存贮器中逐条读取指令， 经分析后再按指令 规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。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。在使用者看来，不必要详细分析 CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够 的理解。 CPU的控制器控制 CPU工作， 由它读取指令、 解释指令及执行指令。但工作节奏由震 荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。 寄存器参与运算，并 存储运算的中间结果，它也是在控制器

12、指挥下工作。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。I/O 模块： 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。开关量是指只有开和关（或 1和 0）两种状态的信号， 模拟量是指连续变化的量。常用的I/O 分类如下：开关

13、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。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。除了上述通用 IO外，还有特殊 IO 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量， I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU所能管理的基本自动配料模拟控制系统设计配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。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

14、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）。2.2.2 PLC 的软件构成（1） . 系统软件系统软件包含三个部分：一. 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。二. 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。三. 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

15、同的功能。（2）. 用户程序 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。2.3 PLC 系统的辅助设备1.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。2. 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）

16、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。3. 输入输出设备： 用于永久性地存储用户数据， 如EPRO、MEEPRO写M入器、 条码阅读器， 输入模拟量的电位器，打印机等。2.4 PLC 的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在 自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出 网络就是控制器 的观点说法。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6自动配料模拟

17、控制系统设计有一些内置有支持各自通信协议的接口。2.5 PLC 的注意事由保证 PLC的正常运行，因此在使用中应注意以下问题。1. 工作环境温度 :PLC要求环境温度在 055，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。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）。震动:应使 PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为1055Hz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。空气 : 避

18、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。电源 :PLC供电电源为 50Hz、220（110%）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。2.6 控制系统硬件 I/O 地址分配图 1.2 结构图1. 输入地址表（如表 1.3 所示）表 1.3 输入地址表自动配料模拟控制系统设计编号地址

19、说明功能1I0.0按钮 SB1启动2I0.1按钮 SB2停止3I0.2信号 S1 接入S1 料斗满信号4I0.3信号 SQ1接入SQ1车未到位信 号5I0.4信号 SQ2接入SQ2车装满信号1. 输出地址表（如表 1.4 所示）编号地址说明功能编号地址说明功能1Q0. 0接指示灯D1车装满 D1 亮6Q0.5接指示灯L2车到位 L2 亮2Q0.接指示灯料斗下口下7Q0.6接指示灯控制电动机1D2料 D2 亮M1M1转3Q0.2接指示灯 D3料斗满 D3 亮8Q0.7接指示灯M2控制电动机M2转4Q0.3接指示灯D4料斗上口下料 D4 亮9Q1.0接指示灯M3控制电动机M3转5Q0.4接指示灯L

20、1车未到位 L1 亮10Q1.1接指示灯M4控制电动机M4转表 1.4 输出地址表3 自动配料控制系统3.1 自动配料系统启动启动时首先按下启动开关 SB1，进入初使状态，表明允许汽车开进装料。料斗出料口D2关闭，若料位传感器 S1 置为 OFF（料斗中的物料不满） ，进料阀开启进料（ D4）。当 S1 置为自动配料模拟控制系统设计ON（料斗中的物料已满）则停止进料（D4灭）。料斗装满后开始启动传送带，首先启动最末一条皮带机 （D），经 3秒延时，再依次启动其它皮带机 ,即 D C B A，最后 D2亮，表示开 始装车。程序如表 3.1 所示：表 3.1 启动程序步序指令器件号说明步序指令器件

21、号说明0LDI0.0SB1自保 持22LRD1OM0.023AT372ANI0.124SQ1.0 ， 1M3启动3=M0.025TONT38，+30延时 3 秒4LDM0.026LRD读栈5LPS入栈27AT386ANI0.228SQ0.7 ， 1M2启动7=Q0.3D4亮29TONT38，+30延时 3 秒8LRD读栈30LRD读栈9AI0.231AT3910=Q0.2D3亮32SQ0.6 ， 1M1启动11LRD读栈33TONT40，+30延时 3 秒12ANI0.434LRD读栈自动配料系统的控制是采用 PLC实现的，本小节主要介绍的是 PLC部分程序的实现 过程如图 3.6 所示。自动

22、配料模拟控制系统设计3.2 停止程序3.2.1 正常时停止程序停止时先停止最前一条皮带机 (A) ，待料运送完毕后再依次停止其它皮带机，即ABC D。程序如表 3.7 所示：表 3.7 正常时停止程序步序指令器件号说明步序指令器件号说明0LDI0.1按下停止 按钮10LDT421OM0.211RQ0.7 ， 1M2停机2ANI0.012TONT43，+30延时 3 秒3=M0.213LDT434LDM0.114RQ1.0 ， 1M3停止10自动配料模拟控制系统设计步序指令器件号说明步序指令器件号说明5OM0.215TONT44，+30延时 3 秒6TONT41，+30延时 3 秒 停机16LD

23、T447LDT4117RQ1.1 ， 1M4停止8RQ0.6，1M1停止18RQ0.5 ， 19TONT42，+30延时 3 秒19=M0.33.2.2 有故障时停止程序某条传送带发生故障时， 该皮带机及其前面的传送带立即停止， 而传送带以后的传送带 待运完后才停止。例如， M1有故障时， M1立即停止，经过 3 秒后， M2停，再过 3 秒 M3停， 再过 3 秒 M4停。部分程序如表 3.8 所示：表 3.8 有故障停止程序步序指令器件号说明步序指令器件号说明0LDI0.6M1有故障8TONT47，+50定时 5 秒1RQ0.6，1M1停止9LDT472=M0.410RQ1.0 ， 1M3

24、停止3LDM0.4启动定时11LDT47启动定 时4TONT46，+50定时 5 秒12TONT48，+50定时 5 秒5LDT4613LDT486RQ0.7，1M2停止14RQ1.1 ， 1M4停止7LDT46启动定时11自动配料模拟控制系统设计3.2.3 有重物时停止程序当某条皮带机上有重物时， 该皮带机前面的皮带机停止， 该皮带机运行 5 秒以后的皮带 机待料运完后才停止。例如， M3上有重物， M1、M2立即停，经过 5秒， M3停，再过 5 秒， M4停。部分程序如表 3.9 所示：表 3.9 有重物时停止程序步序指令器件号说明步序指令器件号说明0LDI1.4M3有重物8RQ0.7

25、，1M2停止1LDNI1.39T59，+50定时 5 秒2ANI1.210LDT593LDT5211RQ1.0 ，1M3停止4AT56启动定时12TONT60，1定时 5 秒5OLD13LDT606ALD14RQ1.1 ，1M4停止7RQ0.6，1M1停止如果存在几个皮带机上都有重物时，则存在优先级问题，即前面的优先级高于后面的。例如， M2与 M3上同时有重物，在停机时应按 M2上有重物进行处理。3.3 DOP 数码显示及复位程序当四节传送带出现故障时， 数码电路会显示出现故障皮带机的编号， 故障排除后显示消 失。例如，当 M2出现故障时，数码电路会显示 2，故障排除后数码 2 消失。部分程

26、序如表 3.10 、 3.11 和 3.12 所示：12自动配料模拟控制系统设计表 3.10 DOP 数码显示主程序步序指令器件号说明步序指令器件号说明0LDI0.7M2有故障4ANI0.7复位按 钮1ANI0.1互锁5ANI1.0复位按 钮2CALLSBR-1调用6ANI1.1复位按 钮3LDNI0.6复位按钮7CALLSBR-4调用表 3.11 显示数字 2 子程序步序指令器件号说明步序指令器件号说明0LNDM0.74SQ2.3，1置11SQ2.0 ， 1置15SQ2.4，1置12SQ2.1 ， 1置16RQ2.5，1置03RQ2.2 ， 1置07SQ2.6，1置1表 3.12 复位子程序

27、步序指令器件号说明步序指令器件号说明0LDNM0.74RQ2.3 ，1置01RQ2.0 ， 1置05RQ2.4 ，1置02RQ2.1 ， 1置06RQ2.5 ，1置03RQ2.2 ， 1置07RQ2.6 ，1置04 自动配料控制系统运行调试4.1 控制系统调试输入程序，编译无误后，运行程序。依次按表 3.13 中的顺序按下各按钮记录观察到的13自动配料模拟控制系统设计现象。表 3.13 系统测试结果输入输出现象按下启动按钮 SB1D4亮， L1 亮表示系统启动按下开关 S1D4灭， D3亮，表示料仓装满可以开始装车按下开关 SQ1L2、M4同时亮， M3、M2、M1依次启动最后 D2亮， 开始

28、装车按下 M1有故障按钮（ A）M1灯立即灭， LED显示 1，之后 M2、 M3、M4间隔5 秒灭按下 M2有故障按钮（ B）M1、 M2立即灭，数码显示 2，之后 M3、 M4间隔 5 秒灭按下 M3有故障按钮（ C）M1、M2、M3立即灭，数码显示 3，然后间隔 5 秒 M4灭按下 M4有故障按钮（ D）M1、M2、M3、 M4立即灭， LED显示 4按下 M1有重物按钮（ I1.2 ）M1、 M2、 M3、 M4每间隔 5 秒灭一个按下 M2有故障按钮（ I1.3 ）M1立即灭，之后 M2、 M3、 M4每间隔 5 秒灭一个按下 M3有故障按钮（ I1.4 ）M1、 M2立即灭，之后

29、M3、 M4每间隔 5 秒灭一个按下 M4有故障按钮（ I1.5 ）M1、 M2、M3立即灭， 5 秒后 M4灭按下停止按钮（ SB2）M1、 M2、 M3、 M4每隔 5 秒灭一个灯重复上步骤观察经过多次观察，测试结果同上14自动配料模拟控制系统设计4.2 控制系统外部实物接线15自动配料模拟控制系统设计总结自动配料控制系统具有运行可靠、功能齐全、投资低、升级方便等特点，采用全汉化 操作界面，在线组态，形象直观，易于操作。控制系统提供了较完善的系统运行信息和产 品信息，为现场操作人员创造了高效率的工作环境，实现了较为先进的过程控制和管理技 术水平，并减轻了系统维护的工作量。自动配料控制系统各

30、项指标均满足技术要求，并极大地改善了操作员的劳动强度，明显地提高了生产效率精细化工的自动配料监控系统，采用 DCS集散控制方式分析监控系统的结构和功能，研究其控制过程，实现人机对话自动控制、集中管理、实时记录、显示与 报警等功能。在精细化工生产工艺中，自动配料系统是一道非常重要的工序，它由前、后 配料两个子系统组成。全自动配料控制系统在各行业的应用已屡见不鲜，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。本次毕业设计采用 PLC控制方式来实现自动配料系统，实现物料传送、下料控制、故16自动配料模拟控制系统设计障检测等功能。 配料装置能自动识别货车到位情况和能够自动对货车进行配料， 当车装满时，配料系统能自动关闭。整个系统自动进行提高了配料精度和速度。参考文献1 可编程序控制器的编程方法与应用， 作者：廖常初，出版社： 重庆大学出版社， 20012