毕业设计论文-变频调速皮带称重自动控制系统

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书〔毕业论文〕题目：变频调速皮带称重自动配料系统学生姓名：吴冬雪学号：0705106401专业：自动化班级:自07-4变频调速皮带称重自动配料系统摘要配料是生产工艺过程中的一个重要的工序，落后的配料系统不仅生产效率低，而且，配料不准确，手工操作又将认为的因素引入到配料环节。因此，实现高精度自动配料对工业企业生产有极为重要的意义。烧结生产是钢铁生产中的重要环节，它包括原料受料，燃料破碎，配料，混料，烧结和筛分系统等几方面，其中配料系统又是整个烧结生产过程的关键。本设计以复杂的烧结机配料系统为工业背景，针对配料的自动控制问题，提出了一种基于PLC的皮带称重自动配料系统的控制方案。首先对烧结机配料系统的工艺流程做了详细的介绍，接着对称重配料单元选择了适合工艺要求的配料、运送、检测和调节方案，给出了配料系统的总体结构，并对系统中的控制器S7-200PLC以及调速机构富士变频器进行了具体介绍。在此根底上对控制系统进行了硬件及软件的设计实现了PLC对模拟信号的采集、流量的计算、PID调节和对变频器、电机等设备的控制任务，同时采用PROFIBUS-DP协议实现了整个系统与上位机的通信。考虑到对系统的调试和检修问题，在控制系统又增加了手自动切换功能。最后利用实验室设备进行了模拟实验，验证了设计的正确性。关键词：S7-200PLC;变频调速;PID控制;PROFIBUS-DPVariablefrequencydrivebeltweighingautomaticcontrolsystemABSTRACTTheingredientsareproductionprocessisanimportantprocess,backwardbatchingsystemnotonlytheproductionefficiencyislowand,ingredientsinaccurate,manualoperationandthefactorsintotheingredientsthatlink.Therefore,torealizehighprecisionautomaticbatchingindustrialenterpriseproductionhasaveryimportantsignificance.Sinteredproductionisoneoftheimportantelementsoftheironandsteelproduction,includingrawmaterials,brokeningthefuels,ingredienting,mixing,sinteringandscreeningsystemareaswheremixingsystemisthekeyfactioninentireproductionprocess.Thisdesignusedthesophisticatedsinteringmachineandmixingsystemastheindustrialbackground,accordingtotheautomaticcontrolofingredienting,thedesignofferaPLCbeltweighingautomaticcontrolsystem.Firstofallon,thesinteringmachinebatchingsystemprocessdoneadetailedintroduction,thensymmetricblendingunitselectstheingredients,delivery,inspection,andadjustmentprogramme,givestheburdenontheoverallstructureofthesystem,andsystemcontrollerS7-200PLCandconversionsectorFrenicconcretefrequencyconverter.Onthebasisofthecontrolsystem’shardwareandsoftwaredesignenablesPLConanalogsignalacquisition,flowcalculations,PIDandondevicessuchasfrequency,motorcontroltasks,aPROFIBUS-DPagreementtoimplementtheentiresystemandPCcommunication.Consideringthesystem’sdebuggingandmaintenanceissues,thecontrolsystemprovidesautomaticswitching.Finallyusinglaboratoryequipmentforexperiments,thedesignprovedtobecorrected..Keywords:S7-200PLC;frequencyconverter;PIDcontrol;PROFIBUS-DP第一章绪论1.1设计背景1.1.1设计概况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。广泛应用于化工、塑料、冶金、建材、食品、饲料等行业。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，那么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，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。1.1.2课题来源烧结生产技术是钢铁生产中的重要环节，它包括原料受料，燃料破碎，配料，混料，烧结和筛分系统等几方面，其中配料又是整个烧结生产过程的关键。配料的目的是将烧结矿的品位、含碳量、碱度控制在指定的范围内，它决定了烧结球团的质量、物理性能、化学成分，对高炉铁水的质量和炼铁效率有着深远的影响。配料精度的上下和配料速度的快慢制约着整个生产的产品质量和产量，因此应对配料过程的质量和产量控制给予足够重视，需要对散料进行皮带输送过程中的动态连续称量，而且还要对输送中的流量进行调节、控制、到达准确的配比。随着科学技术的不断开展，皮带秤配料系统已广泛应用于冶金、煤炭、化工、建材等行业中。目前国内某些生产厂家从本钱考虑，采用单片机进行简单的称量积算和PID调节，功能简单，控制准确度低，管理功能弱，可靠性不高。有些企业开发了一些基于皮带秤仪表和PID控制器的皮带秤配料系统，但控制精度不尽人意，易出故障，不能适应许多生产工艺过程中的恶劣环境，不能满足用户日益增长的设备需求。因此，优化设计研制技术先进、设备成熟、经济实用的配料系统至关重要。本课题来源于宁铁集团烧结机自动配料系统的设计，为提高其配料的准确性需要对以往的设备进行改良。PLC的性能比拟稳定，它的抗干扰能力突出，可以用在环境比拟恶劣的工作环境中。而且其编程简单易学，对于初学者很容易掌握。本课题采用PLC实现物料的称重单元设计。利用PLC内部PID模块实现控制器功能，利用变频器调速功能控制皮带运输速度。1.1.3课题研究的意义及解决的问题落后的配料系统不仅效率低而且配料不准，手工操作又将人为因素引入配料环节，使工艺配方难以在生产中实现，严重影响产品质量的稳定及进一步提高，因此实现高精度自动配料对工业企业生产有极为重要的意义本课题的自动称重配料系统可以按照设定配比和流量控制各输入物料的流量，从而到达控制各种产品的质量和产量的目的，是实现生产过程自动化和智能化、企业的科学管理、平安稳定生产和节能降耗的重要技术手段。它可代替企业中陈旧的配料工艺设备，很大程度地降低劳动强度，提高生产效率和产品质量，带来可观的经济效益。本课题设计开发的皮带秤重自动配料系统利用PLC的抗干扰能力高等特点能有效解决动态计量衡器的控制精度问题1.2相关技术概况1.2.1PLC技术可编程控制器是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等特点。近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普通应用，越来越多的工厂设备采用PLC、变频器、人机界面等自动化器件来控制，使设备自动化程度越来越高。现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同，可编程控制器PLC由于具有以下特点而深受工厂工程技术人员的欢送。①可靠性高，抗干扰能力强。其平均无故障时间大大超过IEC规定的10万小时，同时，有些PLC还采用了冗余设计和差异设计，进一步提高了其可靠性。②适应性强，应用灵活。多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。③编程方便，易于使用。梯形图语言和顺控流程图语言(SequentialFunctionFig)使编程简单方便。④控制系统设计、安装、调试方便。设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计，并可在实验室进行模拟调试。⑤维修方便，工作量小。PLC有完善的自诊断、历史资料存储及监视功能，工作人员可以方便的查出故障原因，迅速处理。⑥功能完善。除根本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能块，还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，既方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。⑦PLC用于过程控制能控制大量的物理参数，例如温度、压力、速度等。利用PID控制模块实现控制功能，当控制过程中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。PID算法一旦适应了工艺，就不管工艺混乱而保持设定值。1.2.2PID控制方法技术在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。1.2.3变频调速技术变频调速技术是近十几年来迅速开展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技术，具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简单、平安可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点，被应用到工业生产控制过程中的任何场合，显著的节能效果也给众多的企业带来了巨大的经济效益，特别是近几年来随着IGBT功率元件和DSP微处理系统在变频器中的应用，变频器本身已非常成熟，使得变频调速技术的优越性更加突出，传动效率越来越高，使用越来越方便，可靠性也得到了进一步的提高。变频器已形成了与电机相配合的不同功率、不同用途的系列化产品，具有多种速度切换、加减速时间的外部设定、V／F曲线设定、转距升高调整、输出频率上、下限幅、频率跳跃等功能；具有各种接口，能与计算机、可编程序控制器及自动化仪表联机，并具有远程控制的功能。目前产品已经广泛地应用于石油、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺织、建筑、造纸等行业。1.3本课题主要研究内容论文首先对配料的装置进行研究，确定该系统的控制设计方案，其次介绍了PLC(可编程程序控制器)的根本组成、工作原理、选型、主要特点并分析了西门子公司S7—200PLC的主要技术指标和性能。然后又对变频器、称重系统进行较深入的学习，比拟了电机调速的几种类型，深入探讨了变频调速、称重系统的原理和优点，介绍了富士公司的Frenic5000G9S变频器。在对上述装置分析研究后完成了控制策略以及硬件配置和软件的设计。最后建立了实验室模拟现场平台，验证设计的可行性。第二章变频调速皮带称重自动配料系统2.1烧结机配料系统的工艺流程烧结生产是钢铁生产中的重要环节，包括原料受料，破碎、配料、混料、烧结等几个方面，其中配料精度的上下是整个烧结过程的关键。烧结机的配料自动控制系统要实现烧结用的原料如混匀矿、燃料、熔剂白云石、生石灰、冷返矿按照工艺要求的配比进行自动给料，企业内常见的烧结机自动配料系统现场结构组成如图2.1所示：图2.1烧结配料系统的工艺流程图该系统根据原料的成分可以有多个配料单元，系统开始工作时，上位机根据本次生产任务首先进行各种初始化，包括各成分的名称、仓号、产量、标准配比、标准流量等，然后按一定时序控制各皮带秤的启动，各配料设备按一定流量给料，同时上位机读取皮带称重控制仪器的重量信号和累计量数据，根据各成分的累积量值计算当前的实际配比，通过与标准配比的比拟修正各给料设备的给定量，使系统工作在最正确配比状态，当到达预定产量时，再按一定时序停止各皮带电机。本设计就是在烧结机配料系统的工业背景下针对其配料称重单元进行了设计及改良。本章将介绍皮带称重单元的有关情况。2.2原料控制系统2.2.1控制系统熔剂系统负责向配料系统提供消石灰、白云石、石灰石等原料。系统依有无上料要求来判断料线是否运行。由于三种物料共用一条主料线，因此设计了许多保护与判断功能，用来防止混料;2.2.2铁料系统铁料系统负责向配料系统提供铁料。小车自动找到要上料的物料槽之后，向料线发启动信号，铁料仓库给料圆盘那么与当前要上料的品种号进行比拟，结果相同的圆盘启动给料，反之停车。当需要更换上料品种时，当前工作圆盘离线，料线保持运行，使原物料卸光，然后小车行至目标槽，新的物料开始给料。假设换槽而不换品种，那么小车可带料行走，料线不发生变化;2.2.3燃料系统燃料系统负责向配料系统提供煤粉，由三段组成，每一段料线流程的动作均依各段料线终点处卸料小车的位置和各受料料槽料位的变化情况而自动决定小车的行进目标与料线的启停。原料系统的三个系统具有料线联锁、卸料小车自动／手动卸料、自动寻找物料对应关系和物料品种切换关系，自动找槽定位等功能。2.3自动配料、烧结系统2.3.1系统地工艺要求配料系统的主要任务是按烧结机对物料的需求量，计算、分配、控制原料矿槽的下料量，以保证物料平衡和化学成分符合要求。工艺上对控制系统的要求是:(1)实现各配料秤和集料皮带机的顺序起停、单机起停和同时起停;(2)实现各配料秤的重量配比控制;(3)配比计算功能根据总量和各台秤的配比，计算每台秤的流量设定值;(4)流量计算功能根据检测到的重量信号和皮带速度信号，计算一段时间内物料的平均流量，以此平均流量作为反响量进行PID调节;(5)报警功能对经常出现的故障如堵料、皮带打滑、电机过流过载等进行声光报警，出现堵料情况时，要求自动起动矿槽上的振动器电机，恢复下料后自动停振;(6)热备功能要求两个系统的两台上位机具有热备功能，即每一台上位机可同时对两个系统的下位机(PLC)进行监控;(7)报表打印功能人工干预和定时打印各种时报、班报、月报等报表;(8)停电保护功能停电后再次供电时，系统进行初始化复位，保证各台设备均处于停机状态，以防人身事故和设备事故的发生。2.3.2烧结系统烧结机子系统将混合料经点火炉点火燃烧，机上冷却成烧结矿并破碎，使其成为合格的高炉原料。它是系统的核心，除了满足工艺的常规流程控制外，主要还有以下模拟量控制:(1)铺底料圆辊调速控制铺底料料层厚度，采用比率调节;(2)混合料圆辊调速控制烧结机料层厚度，采用比率调节;(3)铺底料给料机调速预估铺底料矿槽料位的变化，调节铺底料料流量;(4)冷却终点控制通过调节烧结机机速，使冷却终点温度控制在一个人为的设定值范围内;(5)炉温调节串级加比值调节，温度调节器的输出作为煤／空回路的串级输入，温度环采用PID调节，煤／空回路采用PI调节并按一定的工况所设定的比值自动跟踪;(6)物料平衡使混合料槽物料的进入量与烧结机的需求量保持根本平衡，采用模型来计算未来可能需要的总配料量。2.4系统软件设计SIEMENS公司的STEP7系列指令系统功能非常强，不仅有丰富的用于断续控制的指令，而且有很多运算和控制指令，如PID控制指令，数据类型近十种，包括整型、实型等等，这给编程带来很大的方便。控制软件采用梯型图语言编制。编程时，遵循软件工程标准，根据结构化、模块化原那么，把功能相对独立的局部编制为一个子程序，尽量减少子程序之间的联系，主程序依据不同条件调用各个子程序，完成相应的功能．软件局部包括:(1)主程序;(2)顺序控制;(3)流量计算;(4)配比计算;(5)PID调节;(6)故障处理。另外，上电复位时，CPU自动调用故障例行子程序，完成上电保护功能。在上述各个子程序中，流量计算中的数字滤波子程序非常重要。假设直接以瞬时流量作为反响量进行PID调节，那么由于物料流波动很大，经常造成瞬时流量大幅度变化，使调节过程不易平稳。因此，我们利用数字滤波子程序计算平均流量并以此作为反响值2.5本章小结本章主要介绍了变频调速皮带称重自动配料系统的主要组成系统包括原料控制系统、自动配料系统烧结系统等，还介绍了系统软件设计的。皮带称重自动配料系统地选型3.1皮带称重系统构成和配料方式的选择3.1.1系统构成一个完整的配料系统由配料皮带秤、给料设备、料斗三大局部组成。料斗内的物料通过给料设备送至配料皮带秤。配料皮带秤检测出物料瞬时流量值，并根据设定值的大小去调整给料设备输出物料流量的大小。料斗在系统中作为物料的存贮和缓冲装置是必不可少的。给料设备在恒速配料和双调控配料方式个是一个单独设备，而在调速配料方式中由配料皮带秤本身代替。3.1.2配料方式的选择⑴恒速配料方式恒速配料方式是一种最为常见的根本配料方式。由给料设备给出的物料经配料皮带秤计量后，输送到配料皮带秤下方的运输带送走，或直接落入下方的用料设备。如果有多台这样的物料皮带秤组合在一起，各自按设定值供料，那么便组成了一个配料系统，完成工业生产对原料进行配料的需求。配料皮带秤在输出物料的同时与计量皮带秤一样检测物料的瞬时量和累计量。同时输出控制信号去调节给料圆盘的转速。给料圆盘转速越高，给料量越大。反之，给料圆盘转速越小，给料量也越小。〔给料设备有多种样式，可以作成螺旋给料机式，振动给料机式等)。所谓恒速方式，是指配料皮带秤的环形皮带是恒速运行，流量大小是通过调整圆盘给料机(或其它种类的给料设备)的转速进行控制。⑵调速配料方式调速配料方式就是在前述恒速配料方式中取消了专门的给料设备，配料秤不仅承当恒速配料方式中检测物料瞬时流量和输送物料的任务，还承当将物料从料仓中“拖〞出的任务，即恒速配料方式中，给料设备承当的给料任务。调速配料方式的原理框图根本和恒速配料方式一致。仅配料皮带秤的指示控制仪表在调速配料方式下，其输出的控制信号控制配料皮带驱动电机的速度。配料皮带秤的驱动电机在调速配料方式下换为调速电机。其原理示意图如图3.1所示。图3.1调速方式配料皮带秤的原理图⑶双速配料方式把上述两种配料方式结合起来，便成为一套双速配料设备。虽然双速配料系统较以上两种配料系统在精度方面有很大提高，但其机构复杂，系统投资增大，控制模型确实立比拟困难。对于配料方式的选择要根据具体情况而定，对于配料控制精度要求不是太高，但原料条件比拟复杂，投资要小的情况下，一般采用恒速配料方式。对于原料条件比拟好，原料的粒度、湿度都比拟稳定，系统的供料任务可以直接由配料皮带秤承当。即采用调速配料方式，采用该方式的配料系统投资少，适用范围广。本设计以烧结机的自动称重为研究对象，假定物料颗粒均匀，枯燥，所以结合经济效益以及对控制系统的要求考虑，可以采用一种较为简单的配料方式，即调速配料方式，该方式投资少，能完成根本的配料系统的要求。3.2配料皮带秤结构的选择配料皮带秤有两种机械结构，悬臂式结构和整机式结构。对于调速配料系统适宜整机式结构。整机式配料皮带秤又称机架式配料皮带秤。它实际上设计成一架小型的运输机，并装上单托辊或双托辊式架秤。同样和给料设备一起构成了封闭的配料系统。不仅具有检测通过运料物量的功能，而且具有运送物料的功能。将输送皮带机和皮带秤的功能合二为一，所以称为整机式配料皮带秤。整机式配料皮带秤增加了落料区域，防止了落料点的变化对称重准确度的影响，而且可以方便的工作在调速配料方式。所以配料皮带秤采用整机式结构。3.3配料皮带秤输送皮带选择配料皮带秤要求输送皮带厚薄均匀，无接头。这是因为配料皮带秤要求对瞬时流量值进行控制，皮带厚度直接影响瞬时值的准确性。所以采用环形的皮带作为输送皮带较为合理。配料皮带秤运行时要求对流量瞬时值的干扰越小越好，环形皮带的驱动机构的震动也是对瞬时流量的一个干扰。所以驱动机构应选择震动较小的形式。电动滚筒式驱动方式是较为理想的方式，其结构简单，安装方便。3.4调速电机的调速方式的选择电机的调速方式由很多种，其中常见的调速方式有以下三种：①直流电机调速直流电机一般由可控硅供电设备驱动。D/A转换器输出一个模拟电流信号(0-10V或4—20mA)到可控硅供电设备。这个模拟信号幅值的大小改变了可控硅整流器导通角，使得直流电机的电压幅值发生变化，直流电机的转速也相应发生变化。直流电机调理方式的优点是直流电机调速性能好。缺点是须有功率较大的可控硅整流设备，造价提高。②电磁调速电磁调速是一种交流恒转矩调速方式，通过可控硅进行控制而到达均匀无级调速。电磁调速电动机是由三相异步电动机、电磁转差离合器、测速发电机、电气控制装置组成。由于电磁调速电动机调速精度不很高，特别在低速阶段。所以，在精度要求高的情况下一般不采用此方法。③变频调速变频调速是今年来国内迅速开展的一种新型调速方式。前面已经介绍了其开展历程及其优越性。利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频率的起停运转，可以进行电气制动，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。利用变频器进行调速控制时，只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序即可以到达对输出进行换相的目的，很容易实现电动机的正反转切换而不需要专门设置正反转切换装置。高速驱动是变频器调速控制的最重要的优点之一，在变频器调速控制系统中，变频器和电动机是可以别离设置的。因此，通过和各种不同的异步电动机的适当组合，可以得到使用于各种工作环境的交流调速系统。综上所述，本设计选用变频调速实现对皮带电机的控制。3.5称重传感器的选择称重传感器作为衡器的关键部件，其应用己经很普及了，但是称重传感器的选型，尤其是动态衡器称重传感器的选型，还有很多要点需要注意。配料皮带秤传感器选型时应着重考虑称重传感器的量程、灵敏度、结构材质等方面。⑴量程的选择皮带秤称重传感器的受力包括杠杆结构秤体的自重、物料流量作用力以及称量段内输送皮带的自重，因此量程选择要考虑这几项内容。物料流量作用力的计算方法见式〔3.1〕〔3.1〕式中Fi-物料的额定流量；设计要求为1000Kg/min。L-称量段长度;设为1m。R-杠杆比，〔一般R取0.5〕Vt-物料在皮带上的运行速度。考虑到皮带秤的使用环境较恶劣，经常遇到震动、冲击、过载等情况，为提高皮带秤可靠性，选择量程时，常取1.5的平安系数。称重传感器的材质尽量选用抗冲击、抗过载能力强且输出稳定的钢制传感器，而尽量不选取铝制材料。⑵灵敏度的选择一台衡器是否能正常工作，必须考虑这个系统中各个部件的技术参数能否匹配。对衡器来讲，也就是称重传感器所选用最大秤量值，灵敏度值；称重仪表所选用的供桥电压值、最高灵敏度值等而且这些参数最终必须满足这个系统的整体指标要求。⑶称重传感器结构类型的选择根据生产要求称重传感器采用电阻应变式荷重传感器,称重传感器实现了对物料的快速、准确的称量，是配料系统要求精度最高的器件之一。电阻应变式称重传感器的结构类型较多，按照弹性体结构区分，主要有以下几种类型。①悬臂梁式称重传感器悬臂梁式称重传感器结构简单，灵敏度高，便于制作加工，但对立的作用点较敏感对于震动大的场合，其输出信号不稳定。②剪切梁式称重传感器该类型传感器的弹性体截面形式多为工字形，电阻应变片贴在中性层位置上，对受力点的变化不敏感，但结构简单，灵敏度高，线形好，但弹性体贴片困难，加工不易。所用材质多为铝制，稳定性差，而钢质的多为大量程，不适合皮带秤使用。③S型称重传感器该类型传感器应变输出大、线性好，主要有平行梁和剪切梁两种类型。剪切梁式的剪切力与梁弯距无关，消除了受力点移动所引起的输出灵敏度变化，对侧向载荷也有较大的抵抗能力，而且结构紧凑小巧。其缺乏之处在于，用于小量程时，贴片处的腹板太薄，不易加工制作，且不易做到较高的灵敏度。平行梁式有较大的刚度，对载荷的偏移不敏感，有较高的输出灵敏度，可用于小量程称重传感器。对于配料皮带秤，可选用钢质的S型称重传感器，其连接方式采用关节轴承，处于受拉状态，其抗侧向力的能力强，可安装于密封的梁内，结构紧凑。⑷称重传感器检测重量与电压的关系称重传感器根据所受力的大小输出一个电压信号，输出的电压信号与所受力的大小之间是一种线性关系，特性曲线如图3.2所示。特性曲线横坐标表示称重传感器所受的力，纵坐标表示称重传感器输出电压。传感器受一定的力，便对应输出一定的电压，在二维图形上形成一个点，将许许多多不同的点连接起来，那么是一条直线，即是称重传感器受力与输出电压之间的关系曲线。鉴于二者之间的关系，利用一个标准砝码，根据两点能确定一条直线的原理，便可求出称重传感器受力与输出电压的对应关系。皮带称上没有物料时，皮带称已经受到一个预加载力，对应的电压输出值为，在称重托辊上加一个标准砝码，重量为B。此时，传感器上所受的力为,输出电压为，的值是可知的，那么的大小为预加载力与标准砝码之和。〔3.2〕即〔3.3〕图3.3称重传感器受力与输出电压关系曲线因此，当某个X重量的物体被称重时，由此时的输出电压便能求出它的重量X。具体分析如下：设重量X的物体加载后，传感器受力为，输出电压为。(3.4)本次采用的称重传感器仪表是CHBP-2型称重传感器，量程为1Kg......1000Kg，标准信号输出(0-5)v，(0-10)v，(4-20)ma任选。其技术指标如表3.1所示表3.1称重传感器技术指标灵敏度mV/V非线性≤%F·S滞后≤%F·S重复性≤%F·S蠕变≤%F·S/30min0.03零点输出≤%F·S±1零点温度系数≤%F·S/10℃±0.03灵敏度温度系数≤%F·S/10℃±0.03工作温度范围℃-20℃~+70℃输入电阻Ω380±2Ω输出电阻Ω350±2Ω平安过载%F·S150%F·S绝缘电阻MΩ≥5000MΩ〔50VDC〕推荐鼓励电压V推荐电压12V

DC3.6测速元件的选择光电编码器是一种角度〔角速度〕检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理

转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。为方便与PLC的连接，选用输出标准模拟量信号的采用光电多圈式光电编码器。考虑控制的精确性以及经济性，选用的测速传感器为GEMPLE绝对多圈光电编码器GPMV0814。该产品具有进口绝对型光电码盘，连续多圈测量；光电码盘读码解码、数码显示、功能设定、信号转换输出多功能一体；模拟量、数字量、通讯RS485多种输出形式等特点。绝对型的光电编码器可断电运行，上电取数无等待功耗，不会造成数据错误。3.7设计中对控制准确度的影响量对配料皮带秤控制淮确度的影响，除配料皮带秤自身的计量性能外，配料回路中还有多个因素会对配料皮带秤的控制准确度造成影响。⑴料仓结构形状的影响料仓形状也对配料系统的控制淮确度产生影响。国外许多生产配料皮带秤的厂家对此投入了许多精力进行研究。主要研究料仓形状，结构对下料均匀性的影响。实践证明，料仓的形状以及料仓内壁的材料选用，刽财物料均匀流线形下落有影响。严重时会使物料按压在料仓内，物料时下时不下。这些都对配料系统产生严重影响。干扰配料系统正常工作。所以应根据现场物料的物理特性，设计料仓形状，尽可能保证物料均匀呈流线形下落。⑵机械震动的影响配料皮带秤检测出的物料瞬时流量是要参与控制量输出运算的，是通过瞬时物料流量求出控制量。如果瞬时物料流量不稳定，将直接影响系统的控制准确度。机械震动的大小直接反映到瞬时物料流量上，对控制回路产生干扰。所以，在安装配料皮带秤时应尽可能地注意不要将机械震动引入到配料皮带秤上，例如，通常配科皮带秤下方有一运料输送带。在安装时切不可将配料皮带秤安装在运料输送皮带机机架上，否那么将送料输送皮带机的震动引入到配料皮带秤的称重系统中去了。⑶给料设备安装精度的影响给定设备加工和安装精度对控制准确度也会发生影响。例如在采用圆盘给料机作为给料设备时，假假设圆盘的水平精度不高，在给料圆盘旋转一周的时间内将会产生给料量的大小变化。要害是周期性大小变化的干扰信号引入到配料控制回路，对系统的控制准确度产生影响。所以在加工和安装给料设备时，应注意机械尺寸的控制，尽可能使物料输送量平稳。⑷物料物理特性的影响物料的流动性的好坏是影响配料系统的因素之一。当物料的粒度、湿度、温度、灰份发生变化时，给料设备往往不能正常地供料，严重时配料系统无法工作。如在我国南方、雨水较多，假设对物料无保护措施物料水份含量受天气的影响有时粘成球团，在这种情况下，配料准确度是无法保证的，而在我国北方，冬天气温很低，假设对物料无保护措施，物料可能结在一起，也同样不能保证况料系统的控制准确度。所以，要到达配料皮带秤控制准确度指标，要求物料不能结块、结球，物料的粒度大小尽可能一致，物料的水份不易太大，应使物料的流动性好。鉴于本设计的研究方向选用的给料设备是直拖式给料机，给料仓内壁材料光滑，利于下料。3.8恒流控制方案选择采用PID调节方法实现流量的恒定调节。在知道瞬时流量，并且读取了流量设定值的情况下，要实现流量的恒定，因采用在实际控制中工业控制中应用最为广泛的PID算法，即比例、微分、积分法。在过程控制中，按偏差的比例、积分、微分进行控制，简称为PID控制。它是模拟调节系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。⑴PID调节原理PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，PID控制结构图如图3.3所示。图3.3PID调节系统框图控制器输入和输出(误差)之间的关系在时域中可用给定公式〔3.5〕表示如下：〔3.5〕公式中E(t)表示误差、u(t)表示控制器的输出，kp为比例系数，Td微分时间常数，Ti积分时间常数。比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。之所以这样是因为只有当偏差信号e不为零时，调节器才会有输出；如果e为零，此时将失去调节作用。或者说，比例调节器是利用偏差实现控制的，它只能使系统输出近似跟踪给定值。比例调节系统的稳态误差随比例系数的增大而减小，所以要减小误差就要增大比例增益Kc。但这样做往往会使系统的稳定性下降。积分(I)控制在积分调节中，调节的输出信号u与输入偏差信号e的积分成正比关系，即〔3.6〕式中称为积分速度。由式可见只要有偏差e存在，调节器的输出会不断地随时间的增大而增大，只有当偏差为零时，调节器才会停止积分，此时调节器的输出就会维持在一个数值上不变，这就说明，当被控系统在负载扰动下的过程结束后，系统的静差虽然已经不存在，但输出到执行器的信号将保持不变。，这与P调节时，当e为零时调节器输出为零是不同的。当采用积分调节时，系统的开环增益与积分速度成正比。增大积分速度会增强积分效果，使系统的开环增益增大，从而导致系统稳定性降低。在工程实际应用中，一般将比例和积分结合起来组成PI调节器，将比例调节的快速反响与积分调节的消除稳态误差相结合，从而能收到比拟好的控制效果。③微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的方法是使抑制误差的作用的变化“超前〞，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例〞项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项〞，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而防止了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。微分时间的选择对系统质量的影响具有两面性。当微分时间较小时，增大微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小震荡程度，从而能改善系统的质量；但当微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统响应产生震荡。因此应该选择适宜的微分时间。最后还要说明一点，单纯的微分调节器是不能工作的，这是因为任何实际的调节器都有一定的而不灵敏区。在不灵敏区内，当系统的输出产生变化时，调节器并不动作，从而导致被调量的偏差有可能出现相当大的数值而得不到校正。对于滞后较小的系统一般不采用微分控制。3.9本章小结本章主要针对配料皮带秤的根本结构，组成局部做了一一介绍，并且对各局部的选型进行了筛选，使设计尽可能准确。设计重点是皮带称重局部，所以对其他非重点内容做了一些概括总结。以后将对控制局部做详细介绍。皮带称重自动配料系统的设计4.1皮带称重系统的工作原理根据上一章对配料皮带秤的选型确定了设计需要的皮带秤自动配料系统的现场结构如图3.1所示，物料通过称重桥架进行检测重量，以确定胶带上的物料重量，装在尾部的测速传感器，连续测量皮带机的运行速度，该速度传感器的模拟电流输出正比于皮带电机的速度，速度信号和重量信号一起送入PLC控制器，控制器中的微处理器进行处理，产生并显示累计量/瞬时流量。该流量与设定流量进行比拟，其偏差经过PID运算由控制器输出信号控制变频器改变皮带机的驱动速度，使皮带给料机的物料流量发生变化，接近并保持在所设定的给料流量，从而实现定量给料的要求。如图4.1为系统的原理：图4.1系统原理图运动皮带上单位长度的瞬时流量，某一段距离的物料重量，或一段时间和一段距离的累积重量，这些量可以用积分法或累加来演算输送机输送物料时，皮带秤仪表连续测量皮带上每单位长度的载荷值q(kg/m)，并与皮带在同一时刻的速度v(m/s)相乘，测得结果为物料的瞬时流量q*v(kg/s)。因物料输送的不均匀性和皮带速度随时间变化，所以在T时间间隔的累积流量可以用以下积分式(3.1)表示：〔4.1〕W—T时间间隔的物料累积量kg或t；T—物料通过秤的时间S或h；q(t)—皮带单位长度上的物料重量kg/m；v(t)—物料在皮带上的运行速度m/s。用计算机进行数据处理需要采集的是离散信号，所以对于累计流量的运算要用累加法进行运算，利用瞬时流量乘以采样时间然后进行累加计算就可以得到累计流量。累加法表达式。根据系统的工艺流程可得控制系统结构图如图4.2所示：图4.2控制系统结构图4.2设计的总体任务及实现的功能4.2.1设计任务①画出主电路，控制系统图；②分配I/O地址，列出元件表；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，写出指令表；⑤实现与上位机的通信功能；⑥上机、实验调试通过。⑦组态监控4.2.2控制要求①自动配料将完成3种以上物料的自动配比控制，由于每个配料称重系统都是一个小闭环，所以本设计只需实现一种配料控制，在此根底上可以扩展多个配料环节；

②控制方式为单闭环控制；

③PLC要实现各种物料流量的采集、输出控制变频器实现电动机的启停、调速，物料流量的控制；④手动控制实现变频器控制电动机正转反转以及点动，故障复位；

⑤能显示设备的运行、停车、故障；

⑥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的转速。4.3输入输出量统计根据设计要求以及实现的功能，表4.1、4.2对系统的输入输出量进行了整理。表4.1输入量统计序号采样信号名称性质来源占用硬件资源1总启动信号开关量按钮PLC输入点12停止信号开关量按钮PLC输入点13变频器运行信号开关量变频器输出功能端子PLC输入点14变频器过载开关量变频器输出功能端子PLC输入点15变频器故障信号开关量变频器故障输出端PLC输入点16系统运行允许信号开关量下一极系统PLC输入点17复位信号开关量按钮PLC输入点18手自动运行信号开关量按钮PLC输入点1表4.2输出量统计序号采样信号名称性质来源占用硬件资源1变频器正转运行开关量PLC输出点12变频器复位信号开关量PLC输出点13变频器正常运行PLC输出点14变频器过载指示PLC输出点15手动方式指示PLC输出点16自动方式指示PLC输出点17重量信号模拟量称重传感器PLC模拟量扩展模块输入8速度信号模拟量测速传感器PLC模拟量扩展模块输入9给定流量信号模拟量电位器PLC模拟量输入10变频器模拟给定模拟量PLC模拟输出PLC模拟量输出4.4PLC及其扩展模块的选型4.4.1PLC的选择由表4.1、4.2知在本系统中有开关量输入10个，开关量输出8个，模拟量输入3个。模拟量输出1个。在本系统控制程序中内存，定时器，计数器的要求不高。所以选择CPU224〔西门子S7—200系列〕。本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器，满足设计用量要求。通过扩展模块EM277可利用PROFIBUS-DP协议实现与上位机的通信功能。4.4.2PLC的组成及介绍⑴CPU模块：CPU是PLC的核心，由运算器、控制器、存放器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，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，并存入规定的存放器中。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。

⑵I/O模块：PLC与电气回路的接口，是通过输入输出局部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，而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：

①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。

②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I/O外，还有特殊I/O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所能管理的根本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。⑶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24VDC〕。4.4.3模拟量扩展模块的选择S7—200系列PLC扩展单元EM235具有4路模拟量输入，输入信号可以是电流也可以是电压，其输入与PLC具有隔离，输入信号的范围可以由SW1、SW2、SW3、SW4、SW4、SW6设定。EM235具有1路模拟量输出，输出信号可以是电压信号也可以是电流信号。图4.3EM235接线原理图图4.3演示了模拟量扩展模块的接线方法。对于电压信号，按正、负极直接接入X＋和X－；对于电流信号，将RX和X＋短接后接入电流输入信号的“＋〞端；未连接传感器的通道要将X＋和X－短接。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。EM235的常用技术参数如表3.3：表4.3EM235常用技术参数模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压〔单极性〕0～10V0～5V0～1V0～500mV0～100mV0～50mV电压〔双极性〕±10V±5V±2.5V±1V±500mV±250mV±100mV±50mV±25mV电流0～20mA数据字格式双极性全量程范围-32000～+32000

单极性全量程范围0～32000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出±10V

电流输出0～20mA数据字格式电压-32000～+32000

电流0～32000分辨率电流电压12位

电流11位DIP开关的设置决定了EM235输入的极性和范围，表4.4是对单极性输入时DIP开关设置方式的介绍。表4.4EM235功能选择单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5μVOFFONOFFONOFFON0到100mV25μVONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250μVONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5μAOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV在表4.4中6个DIP开关决定了所有的输入设置。也就是说开关的设置应用于整个模块，开关设置也只有在重新上电后才能生效。最高有效位是符号位，0表示正值。每个模拟量扩展模块，按扩展模块的先后顺序进行排序，其中，模拟量根据输入、输出不同分别排序。模拟量的数据格式为一个字长，所以地址必须从偶数字节开始。例如：AIW0，AIW2，AIW4……、AQW0，AQW2……。每个模拟量扩展模块至少占两个通道，即使第一个模块只有一个输出AQW0,第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址，以此类推。图4.4演示了CPU224后面依次排列一个4输入/4输出数字量模块，一个8输入数字量模块，一个4模拟输入/1模拟输出模块，一个8输出数字量模块，一个4模拟输入/1模拟输出模块的寻址情况，其中灰色通道不能使用。图4.4模拟量通道选择4.5控制系统输入输出地址分配根据以上介绍及表4.1、4.2可得系统数字量输入输出地址分配如下表4.5：表4.5PLC输入输出地址分配序号信号名称地址说明1启动I0.0按钮2停止I0.1按钮3变频器运行信号I0.2常开触点4变频器过载信号I0.3常开触点5变频器故障信号I0.4常开触点6系统运行允许信号I0.5常开触点7复位信号I0.6按钮8自动运行信号I1.0拨码开关9变频器正转运行通电Q0.0线圈KA110变频器复位信号Q0.1线圈KA211变频器正常运行Q0.4指示灯12变频器过载Q0.5指示灯13变频器故障Q0.6响铃14手动方式Q0.7指示灯15自动方式Q0.8指示灯其中模拟量输入输出地址如表4.6：表4.6模拟量输入输出地址序号信号名称地址1重量信号AIW42速度信号AIW03给定流量信号AIW24变频器调节信号AQW根据以上地址分配表可得出PLC输入输出端子接线如图4.5：图4.5PLC输入输出端子接线图4.6电动机的选择为提高配料秤的使用精度，皮带速度应尽可能低，兼顾到设备性价比，通常工程设计选型时按0.25m/s—0.35m/s的皮带速度进行设计计算，所以选用三相鼠笼式异步电动机，磁极对数为2，额定电压Un=380v，额定电流In=5A，额定功率Pn=2.2kw，额定转速n=1430转／min。4.7变频器的选择4.7.1变频调速的原理根据异步电机的知识，异步电机的转速公式为：〔4.2〕其中：：异步电动机的转速，单位为r/min；：定子的频率，单位为Hz；：电机的转差率；：电机的极对数。由上式4.2)可知，如果改变输入电机的电源频率，那么可相应改变电机的输出转速。在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量为额定值不变。在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。三相异步电动机每相电动势的有效值是：〔4.3〕式中：：气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值〔V〕；：定子的频率〔Hz〕；：定子每相绕组总匝数；：基波绕组系数；：每极气隙磁通量〔Wb〕。忽略定子绕组压降，定子电压与定子电动势近乎相等。由式〔4.3〕知，频率与磁通成反比，而由电动机转矩的公式可知，电动机转矩与磁通的平方成正比。结合以上，电动机转矩与频率的平方成反比。而在变频调速时，必须想方法使气隙磁通不变，因此在调节频率的同时就必须对定子电压进行协调控制。受交流变频器控制的感应异步电动机在调速过程中有两种工作状态，一种是恒转矩调速状态；另一种是恒功率调速状态。异步电动机工作时，磁通〔4.4〕式中：U1—定子相电压的有效值；NI—定子每相绕组串联匝数；K—定子每相绕组的绕组系数。电磁转矩T=〔4.5〕式中：Cm—与电动机自身结构有关的比例常数；—转子相电流的有效值；—转子电流比转子电动势滞后的角度。①恒转矩调速状态由式(4.4)、式(4.5)可知，当某一固定电机调速时，假设磁通增加，将导致励磁电流激增的不利后果，引起绕组过热;假设磁通减少，那么输出转矩下降。此时，如果负载转矩仍很大，也会导致定、转子的过电流，引起过热。因此，在一些经常有超大负载的场合中，一般使用恒矩调速方式。此时，U1/f1为常数，且U1最大不能超过电机额定电压U，不超过电机额定频率。配料系统有时还会发生堵料和持续超负载情况，因此变频器应工作于恒转矩状态，以防止发生电机过流过热。通常，变频器功率一个数量级，变频器额定输出电流要大于电机额定电流1.1—1.5倍。②恒功率调速状态当>时，由于电机所用电压受绕组绝缘强度的限制，不能无限制提高，所以保持，那么减小，但由于转速增加，输出功率近似不变，相当于恒功率调速。变频器的原理图如图4.6所示。图4.6变频器的原理图4.7.2变频调速的优点变频调速很容易实现电动机的正、反转。只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。变频调速系统起动大都是从低速开始，频率较低。加、减速时间可以任意设定，故加、减速时间比拟平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。除此之外，变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，那么无需另加制动控制电路。4.7.3变频器的选型由于皮带机功率为2.2KW，额定电压380V，额定电流5A，转速1430r/

min，调速范围120～1200r/min。根据系统控制要求可采用Frenic5000G9S。选择的额变频器容量为电动机额定功率的1~1.5倍。所以变频器选择FRN3.7G9S-2它的标准适配电动机功率是0.2~22kw，符合现场设计需求。本设计用到的是FRENIC5000G9S变频器，该变频器接口简单灵活，对电机和自身的故障反响跟快，有很高的平安性，在各工业控制系统中得到了广泛的应用。富士变频器特有的S型加速方起动式以及转矩提升功能，可以适用于皮带电机的调速。图4.6S型加速曲线如图在起动的初始阶段(OP)段，加速过程应比拟缓慢；中间的PQ段为线性加速，加速度为常数；Q点以后，加速度又逐渐下降为0，传输带转入等速运行，起动完毕。下面介绍本设计控制电路图中的各个端子。表4.7变频器各端子作用端子标记端子名称说明R、S、T主电路电源端连接三相电源U、V、W逆变器输出端连接三相电动机E(G)逆变器接地端逆变器金属框架接地FWD正转运行命令FWD-CM:接通，电机正转运行；断开，电机减速停止REV反转运行指令REV-CM接通，电机反转RST报警复位逆变器报警跳闸后，RES-CM瞬时接通〔>0.1秒〕报警复位30A、30B、30C报警输出〔任何故障〕保护功能动作时，输出接点信号C1、12频率设定电压输入端输入0~10V电压设定频率CM公共端接点输入信号和输出信号的公共端X1输入端子对输入端子进行功能选择，可定义X1为点动运行控制端子Y1，Y4输出端子通过参数设置可选择输出功能，Y1为逆变器运行，Y4为过载预报警信号4.7.4变频器功能参数设置表4.8变频器功能参数设置功能设定值分类代码名称根本功能00频率设定命令设为1〔电压输入〕01操作方法设为1〔FWD或REV端子命令信号操作〕02最高频率50HZ03根本频率50HZ04额定电压220V0506加速时间减速时间10S0.00〔滑行停止〕07转矩提升0.0〔自动设定〕08电子热过载继电器1.动作10瞬时停电后再启动0不动作1112频率限制〔上限〕〔下限〕50HZ0HZ13偏置频率0HZ假设外接给定信号Fs=0时，变频器的输出频率为fBO=0.5Hz。将偏置频率fB设定为fBO的反值(即：令fB=-0.5Hz)即可14频率设定信号增益100%外接给定信号为最大值(+10V)时，输出频率只有48.5Hz(要求50Hz)，调整方式如下：fmax%=50/48.5=103.9%式中fmax%－频率增益的调整值；30电动机极数4极输入端子32X1-X5输入端子功能选择0###多步速度选择定义X1为点动信号接点输出端子47Y1-Y5功能Y10逆变器正在运行Y43过载预报警信号73加减速方式选择1-S曲线电动机特性868788容量额定电流空载电流1标准通配流量5A5A变频器端子接线如图4.7所示：图4.7变频器端子接线图4.8本章小结本章主要对系统的硬件设计进行了介绍，对PLC的选择，扩展模块的使用，变频器参数的设置以及系统硬件电路的连线做了介绍，实现了控制要求。第五章程序设计5.1PLC的工作原理PLC采用了一种不同于一般计算机的运行方式即扫描方式。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期，而一个周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间之和。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，具体的工作过程如下所述。①输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，FO映象区中相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，那么该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。②用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I／O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I／O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在FO映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化。而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的但凡用到这些线圈或数据的梯形图起作用。排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。③输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I／O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。5.2模拟量数据的处理⑴模拟量输入信号的整定通过模拟量输入模块转换后的数字信号直接存储在S7-200系列PLC模拟量输入存储器AIW中，这种数字量与被转换的过程量之间具有一定的函数对应关系，但在数值上并不相等，必须经过某种转换才能使用，这种将模拟量输入的数字信号在PLC内部按一定函数关系进行转换的过程称为模拟量输入信号的整定。模拟量输入信号的整定通常需要考虑以下问题：①模拟量输入数值的数字量表示方法即模拟量输入模块输入数据的位数是多少，是否从数据字的第0位开始。假设不是，应进行以操作数据的最低位排列在数据字的第0位上，以保证数据的准确性。如EM235模拟量输入模块，在单极性信号输入时，其模拟量的数字值是从第3位开始的，因此数据整定的任务是把该数据字右移三位。②模拟量输入值的数字量表示范围。该范围一方面由模拟量输入模块的转换精度位数决定，另一方面也可以由系统外部的某些条件使输入量的范围限定在某一数值区域，使输入量的范围小于模块可能表示的范围。③系统偏移量的消除。系统偏移量是指在无模拟量信号输入情况下由测量元件的测量误差及模拟量输入模块的转换死区所引起的具有一定数值的转换结果。消除这一偏移量的方法是在硬件方面进行必要的调整〔如调整EM235中偏置电位器〕或使用PLC的运算指令去除其影响。④过程量的最大变化范围。过程量的最大变化范围与转换后的数字量变化范围应有一一对应的关系，这样就可以使转换后的数字量精确地反响过程量的变化。如用0-0FH反响0-10V电压与0-FFH反响0-10V的电压相比拟，后者的灵敏度比前者的要高得多。⑤标准化问题。从模拟量输入模块采集到的过程量都是实际的工程量，其幅度、范围和测量单位都会不同。在PLC内部进行数据运算之前，必须将这些值转换为无量纲的标准化格式。对于PID回路，其参与运算的过程量要求均为实数格式，且还要求转换为无量纲的0.0-1.0之间的标准数。下面的程序段说明了转换方法。XORDAC0,AC0//清累加器AC0MOVWAIW0,AC0//读模拟量存入AC0LDW>=AC0,0//假设模拟量为正JMP0//转到标号为0的程序段进行直接转换NOT //否那么〔即模拟量为负〕ORD16#FFFF0000,AC0//AC0中的符号处理LBL0DTRAC0,AC0//将32位整数格式转换为实数格式/R64000.0,AC0//将AC0中的值标准化+R0.5，AC0//将所得结果转移到范围【0.0,1.0】MOVRAC0,VD100//将标准化的结果存入PID运算数据存储区在这段程序中将实数格式的工程实际值转换为【0.0,1.0】间的无量纲相对值〔称为标准化格式〕，用到了下面的公式：式〔5.1〕式中，是实际工程值的标准化值；是工程实际值的实数形式值，未标准化处理；E对于单极性，取为0；对于双极性，取为0.5；是最大允许值减去最小允许值，通常取320000〔对于单极性〕，640000〔对于双极性〕。⑥数字量滤波问题。电压、电流等模拟量常常会因为现场的瞬时干扰而产生较大波动。这种波动经A/D转换后亦反映在PLC的数字量输入端。假设仅采用瞬时采样值进行计算，将会产生较大误差，有必要进行数字滤波。工程上的数字滤波方法有平均值滤波、去极值平均滤波以及惯性滤波法等。算术平均值滤波与采样次数有关，采样次数越多效果越好。但这种滤波方法对强干扰的抑制作用不大，而去极值平均滤波方法那么可有效的消除明显的干扰信号，消除的方法是对屡次采样值进行累加后，找出最大值最小值，然后从累加和中减去最大值和最小值，再进行平均值滤波。对于现场环境振动影响不大的场合，可以直接采用平均值滤波方法。该方法易于实现。本设计由于工作环境比拟稳定，忽略扰动的影响。⑦模拟量输出信号的整定。在PLC内部进行模拟量输入信号处理时，通常把模拟量输入模块转换后的数字量转换为标准工程量，经过工程实际需要的运算处理后，可得出控制信息。控制信息需要暂存到模拟量输出存放器AQWx中，经模拟量输出模块转换为连续的电压或电流信号输出到控制传统的执行部件，以便进行需要的调节。模拟量输出信号的整定就是要将PLC的运算结果按照一定的函数关系转换为模拟量输出存放器中的数字值，以备模拟量输出模块转换为现场输出需要的输出电压或电流。以PID回路控制为例，PID的运算结果是一个在[0.0,1.0]范围内的标准化实数格式数据，它必须首先转换为16位按工程量标定的值前方可用于驱动实际机构。这一转换实际上为标准过程的逆过程，转换的过程是用下式将PID运算转换为按工程量标定的实数格式。〔5.2〕式中，是已按工程量标定的实数格式的PID运算结果；Yn是标准化实数格式的PID运算结果；E对于单极性模拟量，取为0.0，对双极性模拟量，取为0.5；Sp是最大允许值减去最小允许值，通常取32000〔对于单极性〕，64000〔对于双极性〕，假定PID运算的标准化实数格式结果存储在AC0中，那么经下面程序段的转换，存储在模拟量存储器AQW0中的数据为一个按工程量标定后的16位数值。转换程序如下：MOVRVD108,AC0//将PID运算结果放入AC0—R0.5，AC0//仅用双极性的场合*R64000.0，AC0//将AC0中的值按工程量标定TRUNCAC0,AC0//将实数转换为32位整数MOVWAC0,AQW0//将16位整数值输出至模拟量输出模块5.3模拟量PID调节功能5.3.1PID运算过程控制系统在对模拟量进行采样的根底上，一般还要对采样值进行PID运算，并根据运算结果，形成对模拟量的控制作用。这种作用的结构如图5.1所示：图5.1PID控制系统结构图PID运算中的积分作用可以消除系统的静态误差，提高精度，加强对系统参数变化的适应能力；而微分作用可以克服惯性滞后，提高抗干扰能力和系统的稳定性，可改善系统动态响应速度。因此，对于速度、位置等快过程及温度、化工合成等响应慢的过程，PID控制都具有良好的实际效果。鉴于本设计对系统进行定时采样，然后进行PID运算，下面介绍离散系统的PID算法。在PLC中实现PID调节控制功能，必须对连续信号进行离散化处理，即对偏差进行周期性的采样并计算输出值。假设选采样周期为T，初始时刻为零，对连续量e(t)采样后的波形如图5.2所示：图5.2对连续量采样后的波形离散化后的PID算法表达式为：〔5.3〕式中，Yn是在采样时刻n计算出的回路输出值；是采样时刻n的偏差值；是上次偏差；是第i次采样的偏差值；T采样时间；是积分初始值。由式〔5.3〕可以看出，积分项包括第一次采样到当前采样时刻的所有偏差；微分项由本次和上次采样值决定；而比例项仅由本次采样值决定。在PLC中要存储所有采样的偏差值是不实际的，也是不必要的。由于PLC从第一次采样开始，每出现一个采样偏差值必须计算一次输出值，所以只需保存上一次的偏差值和上一次的积分项即可。利用PLC处理的重复性，可将上式简化为：(5.4)在上式中，Yn是在采样时刻n计算出的回路输出值；Kc是回路增益；SPn是在采样时刻n的给定值；PVn