【正文】 ，查閱資料，在老師的指導(dǎo)下，進行本課題的研究。 研究范圍與結(jié)構(gòu) 本課題主要是研究了關(guān)于旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，研究并解決了水泥包裝過程中存在的一些不足。綜合了：給料 — 插袋 — 灌裝 — 計量 —— 掉袋整個系統(tǒng)，提出了所需要研究的問題主要是以下幾個方面： （ 1）了解旋轉(zhuǎn)式水泥包 裝機的工藝流程，熟悉整個進程和各個機構(gòu)部件的動作順序，畫出系統(tǒng)流程圖。 （ 2）旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機的整個系統(tǒng)控制的研究；包含硬件和軟件，畫出電氣控制原理圖，確定控制方案。 （ 3）對計量系統(tǒng)的精度控制的研究，并對該系統(tǒng)進行設(shè)計。 廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 2 旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機電氣控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計 旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機系統(tǒng)工作原理與分析 目前，出廠的水泥主要通過兩種方式出廠：袋裝和散裝。而相對于散裝水泥而言，袋裝水泥容易搬運，容易分類，容易計算數(shù)量，因此在實際應(yīng)用中用得比較多。水泥包裝也自然地成為其中必不可少 地一部分。在水泥行業(yè)，生產(chǎn)企業(yè)通過水泥包裝機來生產(chǎn)袋裝水泥?，F(xiàn)階段在我國的水泥生產(chǎn)行業(yè)，使用的水泥包裝機主要有兩類，一種是可以旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機；一種是不可轉(zhuǎn)動的固定式水泥包裝機。固定式水泥包裝機的出灰嘴比較少，一般不超過四個 ,因為機器不能轉(zhuǎn)動，所以掛包裝袋的時候工人需要通過走動才能完成插袋。旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機的出灰嘴比較多 ,普遍的有 8 嘴、12 嘴、 14 嘴，因為包裝機可以旋轉(zhuǎn)，所以在插放水泥袋的時候工人可以不用移動，等包裝機的出灰嘴轉(zhuǎn)到自己前面時在插入水泥袋，完成灌裝。現(xiàn)階段在我們國家，旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機應(yīng)用 得更廣泛，固定式水泥包裝機相對比較少。下圖 21為旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機的模型圖 [1]。 1旋轉(zhuǎn)電機 2水泥料入口 3計量系統(tǒng) 4壓縮水泥體積系統(tǒng) 5出料噴嘴 6水泥袋支撐座 7料位控制器 8導(dǎo)氣原件 9立軸 10包裝倉 圖 21 旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機模型圖 廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機有很多動作需要靠氣缸的推力來動作，當成品水泥料經(jīng)過振動篩的振動電機清除雜質(zhì)之后，進入包裝機頂部的下料口，當工人把水泥包裝袋掛入插袋口的時候，插袋口處的行程開關(guān)被啟動，隨即把已插袋的信號傳給微機系統(tǒng)，微機系統(tǒng)控制地下料 口處地電磁閥啟動，氣缸閘板控制機構(gòu)動作，使出料嘴被打開，此時地葉輪電機轉(zhuǎn)動，將水泥灌裝到水泥包裝袋重，當袋裝地水泥達到要求地重量時，稱重傳感器把信號送給微機，微機再控制電磁閥，通過氣缸動作，關(guān)閉出料嘴定制灌裝。同時在插袋口處的壓袋器也收到單片機發(fā)來的信號進行壓袋，當水泥包裝袋轉(zhuǎn)到預(yù)定的掉袋位置時，卸包機工作，推動水泥袋掉到固定位置 [13]。全部的灌裝系統(tǒng)組成了一個電氣控制系統(tǒng)，在這個過程中只有插水泥袋需要人工操作，水泥包裝袋的壓袋，出灰嘴的開啟和出灰嘴的關(guān)閉，水泥料的裝袋，水泥包的稱重計量，水泥袋自動的掉袋這些功能都在電氣系統(tǒng)的控制下能夠自動的完成。從而減少機械故障，保證了包裝設(shè)備的高效運轉(zhuǎn)，自動化程度高，生產(chǎn)能力顯著增大。 旋轉(zhuǎn)式包裝機有多個下料嘴，每個下料嘴又由不同的包裝結(jié)構(gòu)進行控制，而每一個地包裝結(jié)構(gòu)都是由三個部分構(gòu)成：第一個是水泥喂料灌裝系統(tǒng)，由漏斗和葉輪喂料器以及傳動部件組成；第二個是自動計量系統(tǒng)，由電子稱以及包裝部件構(gòu)成；第三個是自動控制系統(tǒng)，由氣動控制箱和電氣控制柜，以及一些氣動元件構(gòu)成。這些全部的構(gòu)件都將安裝在一個可以旋轉(zhuǎn)地系統(tǒng)上，而包裝倉與每一個漏斗的上部相連。包裝倉里面有一個可以用 來調(diào)節(jié)料位高度地料位器，這樣能夠大大地提高包裝精度。包裝機的旋轉(zhuǎn)是通過旋轉(zhuǎn)電機來帶動的，而旋轉(zhuǎn)速度是通過變頻器來進行調(diào)節(jié)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速一般控制在 5r/min。整個機構(gòu)中的電源和電信號的傳遞通過滑環(huán)體來完成，而氣動裝置所需的氣源有專門的導(dǎo)氣部件進行傳遞。包裝機的插袋方式主要有人工手動插袋和機器插袋兩種方式。當工人在水泥袋插袋口處放入水泥包裝袋的時候，微機系統(tǒng)收到插袋處的光電管發(fā)來的信號，計量系統(tǒng)開始將稱重傳感器處的重量去掉袋重清零，系統(tǒng)靠氣缸的作用力推動裝置壓住空的水泥包裝袋，喂料電機經(jīng)過幾秒的延時之后自行啟動 ，喂料閥門隨之打開，系統(tǒng)進入喂料階段。當包裝袋的重量達到所設(shè)定的重量之后，稱重傳感器將信號傳給微機系統(tǒng)，微機系統(tǒng)控制氣缸動作將出灰嘴處的閘板關(guān)閉，喂料口停止下料。到此，一個灌裝的過程結(jié)束。當水泥袋旋轉(zhuǎn)到固定的卸包位置后，微機系統(tǒng)收到形成開關(guān)發(fā)來的信號，指示卸包機工作，將水泥袋推入卸包處的輸送皮帶，卸包過程完成。最后，進入周期性工作狀態(tài)。 其實，對于旋轉(zhuǎn)式水泥自動包裝機來說，它并不是一個單一的整機系統(tǒng)，因為水泥包裝的精度控制要求比較高，所以需要很多個單機來配合它進行工作，充當輔助設(shè)廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 備。它的一整個工作過程如下： 輸送皮帶電機 —— 斗式提升機 —— 水泥振動篩 —— 儲料中間倉 —— 可控螺旋閘門 —— 可控下料機 —— 旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機 —— 卸包電機 —— 理順電機 —— 清包電機 —— 皮帶傳送電機。振動篩的作用是清除掉水泥料中的雜質(zhì)廢物，中間倉則是儲料系統(tǒng)，控制物料的流量則需要用到的是螺旋閥門，下料機負責(zé)物料的均勻向下輸送，而包裝好的水泥包則是通過卸包機進行卸包，調(diào)整水泥包的輸送等方向用到的是理順機，掃除包裝袋上的水泥用到的是清包機，而其余的水泥灰塵則是通過收集之后由螺旋輸送機再重新運到提升機中。在這有十幾個動作單元組成的一個大的系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)式水 泥包裝機是其中最主要的部分，被稱為主機，而其他控制單元都是輔助部分。綜合整個旋轉(zhuǎn)式水泥包裝系統(tǒng)的工作過程，我們可以把旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機的整個控制工作過程分為兩個部分，從水泥斗式提升機到振動篩下的物料倉是一個部分，從包裝機到輸送皮帶單機又是另外一個部分。 功能模塊的分析與設(shè)計 對于旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機來說，這個系統(tǒng)的運行方式有兩種：第一種是聯(lián)鎖，第二種是人工手動。手動運行主要是在檢修時和發(fā)生故障需要恢復(fù)時用到，聯(lián)鎖自動運行應(yīng)用于正常工作狀態(tài)，只需按下啟動按鈕，系統(tǒng)即可自動聯(lián)鎖運行。 振動篩控制電路的簡介 振動篩控制電路原理圖如下圖 22 所示，把萬能開關(guān)向左轉(zhuǎn)到一定角度，處于萬能開關(guān)中的一對觸點馬上閉合，在這個時候系統(tǒng)處在手動控制的狀態(tài)，接著把 SB2 按下，系統(tǒng)當中的接觸器線圈 KM1 得電吸合，此時接觸器 KM1 進行了自鎖，電動機開始正常的運行，隨后把 SB1 往下按，系統(tǒng)中的接觸器線圈開始斷電，接觸器線圈的觸點打開，運行中的電機因為斷電而停止運行。把萬能開關(guān)向右轉(zhuǎn)到一定角度，在萬能開關(guān)中的另外兩對觸點開始閉合，這樣子系統(tǒng)就處于聯(lián)鎖的自動運行狀態(tài) [2]。在系統(tǒng)正常運行時，有時我們希望能 夠檢測到電動機的運行電流，為此，我們需要把一個電流互感器接在電動機的三相輸入電源前端，最后再把電流互感器的兩根出線與兩個電流表相連。這些，就可以觀察到電動機運行時的電流了。 廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 圖 22 振動篩的控制電路原理圖 包裝機控制電路的簡介 下圖 23為旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機的控制電路。把萬能開關(guān)向右轉(zhuǎn)到一定的角度，在萬能開關(guān)中的一對觸點開始閉合，在這個時候，系統(tǒng)處于手動控制的狀態(tài)。把開關(guān) SB2往下按，此時，在系統(tǒng)中的接觸器線圈 KM1 馬上得電，接觸器 KM1處于自保狀態(tài)，電動機得電運行，把開關(guān) SB1 往下按，接觸器線圈開始斷電，觸點被打開，電動機斷電，停止了運行 [3]。當把萬能開關(guān)向左轉(zhuǎn)到一定的位置的時候，在萬能開關(guān)中的其余兩對觸點開始閉合，在這個時候，整個系統(tǒng)處在自動運行的聯(lián)鎖狀態(tài)。主軸地轉(zhuǎn)速是通過變頻器來調(diào)節(jié)的。 廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 23 旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機電氣原理圖 旋轉(zhuǎn)速度控制的簡介 PID 控制旋轉(zhuǎn)速度工作原理 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，在工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)控制技術(shù)進行了改進，及其相關(guān)的控制技術(shù)對電機轉(zhuǎn)速，主要采用閉環(huán)控制的方法來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電機 的調(diào)速有很多的方法，在以前，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，主要是運用調(diào)整電壓、串級等方法?，F(xiàn)在，由于變頻技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的速度控制，多數(shù)采用變頻器控制。在這個旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機的控制系統(tǒng)中，我們采用 PID 調(diào)節(jié)的方式，通過可編程序控制器和變頻器來進行調(diào)節(jié)。 我們所說的 PID 控制，實際上就是通過比例和微分，以及積分控制來調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤差的一種調(diào)節(jié)器。 PID 控制器最早出現(xiàn)在 20 世紀初，因為性功很穩(wěn)定，構(gòu)成也比較簡單，所以問世之后在工業(yè)生產(chǎn)當中得到廣泛的應(yīng)用。下圖 24為 PID 控制器的結(jié)構(gòu)圖。 廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 24 PID控制器結(jié)構(gòu)圖 水泥包裝機的旋轉(zhuǎn)速度是通過變頻器來調(diào)節(jié)的，變頻器向電機提供驅(qū)動信號。由上圖我們也可以知道，當出現(xiàn)誤差 e（ t）之后，最后控制器的輸出 G（ s） =Kp*e + Ki*∫ edt + Kd*（ de/dt） （式中的 t 為時間，即對時間積分、微分）。在求出 G（ s）之后，就可以把這個結(jié)果送入變頻器當中改變電機的速度進行工作了 [4]。 PID 控制器參數(shù)分析 在這個控制系統(tǒng)中，關(guān)鍵的地問題是對 PID 控制器地參數(shù)地研究。主要是通過整個控制系統(tǒng)地工藝流程和控制特點來 確定 PID控制器地比例地大小，積分時間的大小，以及微分時間的大小。 PID 控制器參數(shù)的整定主要有兩種方法，第一種是依賴于實際工程經(jīng)驗地工程整定法；第二種是根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型計算而得出地理論計算整定法。在這次的研究中，我們確定 PID 參數(shù)的方法是科學(xué)的計算和仿真。我們要弄懂一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，就必須要了解構(gòu)成這個系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)，并且了解它的數(shù)學(xué)模型，這樣之后，計算機才能夠準確的分析出來 [5]。在這里，我們主要去了解變頻器地數(shù)學(xué)模型，還有三相異步電動機地數(shù)學(xué)模型。對于在閉環(huán)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的變頻器來說，可以吧它當作 一階慣性環(huán)節(jié)來看待，它的傳遞函數(shù)可以是 G（ s） =F(s） /V(s),在這種情況下的變頻器地等效模型如圖 25所示。 圖 25 變頻器的等效模型 變頻器在有一些特殊的情況下需要三相異步電動機進行供電，三相異步電動機的輸入可以看成是定幅值，而輸出可以看成是轉(zhuǎn)速?？梢源蟾诺陌阉鼈儺斪饕浑A慣性的K 1 K 2V m+1t 1 sV b廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 環(huán)節(jié)。它的傳遞函數(shù)是 G（ s） =N（ s） /F(s),在這個時候就可以得到了三相異步電動機的等效的模型圖，如圖 26 所示。 圖 26 電動機等效模型框圖 而對于運用了 PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理圖 [6]，我 們可以用圖 27表示。 圖 27有調(diào)節(jié)器地閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 因為變頻器的參數(shù)是可知的，三相電機的參數(shù)也是已知的或者是可以求得出來的，所以我們就可以容易的計算出在等效模型中不同的參數(shù)地值，由此，我們也就可以知道了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)， G（ s） =（ 500/6s+100） *（ +299），求得的反饋值為 [7]。這樣也就可以知道了實際地等效原理圖。 計量系統(tǒng)的簡介 計量系統(tǒng)在水泥包裝機的應(yīng)用 在旋轉(zhuǎn)式水泥包裝機控制系統(tǒng)當中，計量系統(tǒng)系統(tǒng)是其中的一個非常核 心的部分，它對精度的控制直接影響了出廠的水泥是否達到了出廠的重量，是否達到了出廠的要求。我們以單片機 C52 為核心，設(shè)計出了一個高精度，抗干擾能力強的計量系統(tǒng)。如圖 28為計量系統(tǒng)的構(gòu)成框圖，整個系統(tǒng)基于單片機信號采集與處理的條件下進行控制動作。 K