【正文】 轉(zhuǎn)換將其變換成 420mA 范圍內(nèi)的給料模擬電流信號(hào)傳送給 AI 調(diào)節(jié)器與事先設(shè)置的飼料給料量進(jìn)行比較運(yùn)算后，根據(jù)偏差，運(yùn)用閉環(huán) PID 控制算法以及數(shù)字濾波后計(jì)算需要調(diào)節(jié)的給料量，調(diào)節(jié)量同樣需要轉(zhuǎn)換成 420mA 范圍內(nèi)的模擬信號(hào)輸送給變頻器驅(qū)動(dòng)飼料給料機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)給料量出現(xiàn)增大時(shí)，需要降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，反之，則提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，加快放料量，從而保證飼料生產(chǎn)配料量按照合理比例進(jìn)行配制。 在進(jìn)行給料量計(jì)算時(shí)，按照如下算法過程進(jìn)行。系統(tǒng)首先根據(jù)設(shè)定好的序號(hào)控制原料倉全速下料，假如電子秤門己關(guān)閉，通過 PLC 的 A/D轉(zhuǎn)換采集電子秤的重量，并判斷是否到達(dá)提 前量，如果沒到達(dá)提前量，繼續(xù)全速下料。如果到達(dá)了提前量，開始利用均值濾波及 PID 算法控制電機(jī)的通斷時(shí)間，開始點(diǎn)動(dòng)下料。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定值來檢測(cè)是否到達(dá)規(guī)定的誤差量，如果沒有到達(dá)規(guī)定的誤差量，繼續(xù)點(diǎn)動(dòng)下料。如果到達(dá)設(shè)定的誤差量，系統(tǒng)就會(huì)換倉。在進(jìn)行生產(chǎn)的同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)判斷所有的原料是否下料結(jié)束，如果所有原料下料沒有結(jié)束，控制原料倉繼續(xù)下料。如果所有原料下料結(jié)束，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)攪拌機(jī)門是否關(guān)閉，如果沒有關(guān)閉，系統(tǒng)便會(huì)報(bào)警。 PLC 簡(jiǎn)介 可編程控制器 (Programmable Logic controller，簡(jiǎn)稱 PLC)，是以微處理器作為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)而開發(fā)的新一代工業(yè)控制器。具體的說，它是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)， 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2— 2 所示， 主要為工業(yè)環(huán)境所應(yīng)用。采用可以編程的存儲(chǔ)器，用于它內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行順序控制、邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時(shí)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。它的可靠性高、耐高溫、耐沖擊和耐振動(dòng)等特點(diǎn)，己成為解決自動(dòng)控制問題的最有效工具 。 圖 2— 2 PLC 控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 PLC 的特點(diǎn) PLC 具有高可靠性、容易掌握、體積小、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，新一代的 PLC 還具有PID 調(diào) 節(jié)功能，其應(yīng)用己經(jīng)從開關(guān)量控制擴(kuò)大到模擬量控制領(lǐng)域，己成功地應(yīng)用于航天、冶 金、輕工等行業(yè)?？刂葡到y(tǒng)的復(fù)雜化和高難度化，使得 PLC 朝著集成化的方向發(fā)展，現(xiàn)在主要是 PLC 和 PC 集成、 PLC 和 DCS 集成、 PLC 和 PID 集成等等，這些都強(qiáng)化了網(wǎng)絡(luò)化與通訊能力。由于近來數(shù)據(jù)通訊技術(shù)發(fā)展比較快，用戶對(duì)開放性要求非常強(qiáng)烈，現(xiàn)場(chǎng)的總線技術(shù)及以太網(wǎng)技術(shù)也同步發(fā)展。比如說羅克韋爾 AB 公司主推的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，即 EtherNet、 ControlNet、 DeviceNet，西門子公司在 ProfibusDP 及 ProfibusFMS網(wǎng)絡(luò)等等。此外，很多 PLC 廠家擁有與之相應(yīng)的組態(tài)軟件及開發(fā)平臺(tái)，軟硬件的有效結(jié)合，一定程度上大大提高了系統(tǒng)的性能。 PLC 具有如下幾個(gè)典型特點(diǎn) (1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 不論是硬件還是軟件， PLC 都采取了很多措施，所以 PLC 控制系統(tǒng)非?？煽俊＠?，在硬件方面 :PLC 的輸入輸出電路和內(nèi)部的 CPU 都是電隔離，而且 CPU 板還有抗電磁干擾的屏蔽措施，所以可確保 PLC 程序的運(yùn)行不受外界的電與磁干擾，這可使系統(tǒng)出故 障的機(jī)率幾乎為零，做到萬無一失。在軟件方面 :PLC 系統(tǒng)都設(shè)置了“看門狗”(Watchingdog)監(jiān)控程序， PLC 每次上電后，還都要運(yùn)行自檢程序及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，開發(fā)了很多防止及檢測(cè)故障的指令，出現(xiàn)故障時(shí)有相應(yīng)的出錯(cuò)信號(hào)提示。 (2)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制法，梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖十分接近，避免了生產(chǎn)一線的技術(shù)工人學(xué)習(xí)匯編語言，使得可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)方法更為簡(jiǎn)單，容易被初學(xué)者掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)來說，采用基于梯形圖的設(shè)計(jì)方法 減少了繼電器系統(tǒng)電路圖的設(shè)計(jì)時(shí)間，其中繼電器控制系統(tǒng)中采用的接線邏輯被 PLC 存儲(chǔ)邏輯代替，較少了工程師進(jìn)行外部控制設(shè)備的接線工作，也使得后期的設(shè)備維護(hù)更為簡(jiǎn)單，減少了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。這也使得 PLC 控制器系統(tǒng)在許多對(duì)程序設(shè)置靈活性要求較高的小產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)中得到更為廣泛的應(yīng)用。 (3)體積小，功耗低 從全面及長(zhǎng)遠(yuǎn)看， PLC 的使用還是經(jīng)濟(jì)的。一是因?yàn)樗捏w積小、所占空間小，輔助配套的設(shè)施投入少 。二是使用時(shí)省電，運(yùn)行費(fèi)用也少 。三是工作可靠，如停工損失也少 。四是維修簡(jiǎn)單，維修費(fèi)用少 。五是可再次使用并且能帶來附加價(jià)值等， 從中可得到更大的回報(bào)。 PLC 工作原理 PLC 采用“順序掃描、不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作。步驟如下 :按照用戶控制要求編制好程序，并存于存儲(chǔ)器中，當(dāng) PLC 運(yùn)行時(shí)， CPU 執(zhí)行命令，按指令序號(hào) (或地址號(hào) )順序地作周期性循環(huán)掃描工作。如果沒有跳轉(zhuǎn)指令， 那么他就從設(shè)置的第一條指令開始，逐條順序執(zhí)行用戶設(shè)定的程序，直到程序結(jié)束為止。然后重新返回第一條指令，開始下一輪的工作。在每一次的掃描過程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采集和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作，周而復(fù)始地進(jìn)行下去。 圖 2— 3 PLC 周期執(zhí)行程序流程圖 PLC 的掃描工作過程如圖 23所示，主要可分為 :采集輸入信號(hào)、程序執(zhí)行和輸出刷新三階段，并進(jìn)行周期性的循環(huán)工作。 PLC 以掃描工作方式按順序?qū)λ休斎攵说妮斎霠顟B(tài)進(jìn)行一次采集，并存入寄存器中，此時(shí)寄存器會(huì)因采集到信號(hào)被刷新。然后 PLC對(duì)程序按順序進(jìn)行掃描執(zhí)行。如果程序用梯形圖來表示的話，那么總是從上到下，從左到右順序執(zhí)行。所有程序執(zhí)行完畢后， PLC 會(huì)將輸出映象寄存器中與輸出有關(guān)的狀態(tài)(輸出繼電器狀態(tài) )轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，然后通過一定方式輸出，并驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 對(duì)于 PLC 控制系統(tǒng)輸出方式選擇而言，則需要根據(jù)選用 的 PLC 產(chǎn)品以及控制系統(tǒng)規(guī)模進(jìn)行考慮。一般的原則是 :對(duì)于大部分中小型控制系統(tǒng)來說，其控制的輸入輸出工I/O 點(diǎn)數(shù)較少， PLC 處理性能較低，所編寫的控制程序較簡(jiǎn)單，因而多采用一次性輸入輸出的方式，該方式在降低響應(yīng)速度的同時(shí)能夠提高系統(tǒng)的抗干擾性，因而適合工作環(huán)境干擾加大的場(chǎng)合。對(duì)于一些工 I/O 點(diǎn)數(shù)較多，控制系統(tǒng)功能程序及過程比較復(fù)雜的系統(tǒng)，則一般采用定期采集、定期輸出的方式，能夠滿足較好的實(shí)時(shí)性控制要求。也有的系統(tǒng)采用中斷輸入 /輸出或者基于智能工 I/O 接口等方式。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 根據(jù)飼料生產(chǎn)過程控制的上述流程，本文設(shè)計(jì)的過程控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下 :系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制計(jì)算以及飼料生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)組成一個(gè)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 24 所示。 圖 2— 4 飼料生產(chǎn)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 其中遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)用來控制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)監(jiān)控以及管理，為車間級(jí)管理及公司級(jí)管理層提供接口，包括對(duì)各種原料、配方、生產(chǎn)時(shí)間等進(jìn)行預(yù)置和設(shè)定，同時(shí)能夠?qū)︼暳仙a(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理及存儲(chǔ)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)則依然采用傳統(tǒng)的 PC 機(jī)和PLC 組成上、下位機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中上位機(jī)是 PC 工控機(jī)，為操作人員 提供良好的人機(jī)界面，它的功能主要包括通信鏈路的建立，數(shù)據(jù)的接收、校驗(yàn)、處理與打包發(fā)送，參數(shù)和狀態(tài)的查詢，參數(shù)的修改，報(bào)表與圖表的輸出，數(shù)據(jù)庫的更新與維護(hù)等。下位機(jī)以小型 PLC 為核心，通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、控制計(jì)算機(jī)、變頻器等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，利用 PLC 輸出的電流信號(hào)大小控制變頻器輸出的頻率的大小，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，起到控制電動(dòng)給料裝置給料速度的目的，并完成對(duì)系統(tǒng)故障檢測(cè)、顯示及報(bào)警等輔助功能。 考慮到本飼料生產(chǎn)系統(tǒng)飼料配比工藝過程固定，控制量主要以開關(guān)量控制 為主 (電動(dòng)機(jī)的啟、停由開關(guān)量控制 )、帶少量數(shù)字量控制 (變頻器的控制端輸入 )，對(duì)系統(tǒng)控制速度要求較低，控制功能主要能夠?qū)崿F(xiàn) PID 運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等即可。通過對(duì)飼料生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況、被控對(duì)象的 I/0 點(diǎn)數(shù)以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面統(tǒng)計(jì)結(jié)果的分析，綜合考慮系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性以及技術(shù)成熟度、開發(fā)周期等要素，本系統(tǒng)選 用模塊式結(jié)構(gòu)的西門子公司生產(chǎn)的 S7200 系列的中型可編程控制器就能夠很好的勝任自動(dòng)化生產(chǎn)配料系統(tǒng)開發(fā)要求。此外，在本工程設(shè)計(jì)中，為了避免電源對(duì)系統(tǒng)造成的干擾，計(jì)算機(jī)、所有 PLC、工控儀表、 變送器的電源均采用一體化供電方式，輸入輸出信號(hào)全部用繼電器隔離，防止強(qiáng)電損壞設(shè)備以及信號(hào)相互干擾。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在飼料生產(chǎn)工業(yè)中，由于飼料配料以及過程控制的復(fù)雜性、現(xiàn)場(chǎng)多種設(shè)備相互之間存在干擾以及系統(tǒng)可靠性要求高等特點(diǎn)，所以在實(shí)際應(yīng)用中常采用高可靠性的中央控制器如 PLC 和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)如 PROFIBUS。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)則依然采用傳統(tǒng)的 PC機(jī)和 PLC 組成上、下位機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中上位機(jī)是 PC 工控機(jī)，為操作人員提供良好的人機(jī)界面。下位機(jī)以小型 PLC 為核心，通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、控制計(jì)算機(jī)、變頻器等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。在本系統(tǒng)中就是采用 西門子 S7200 可編程序控制器控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并通過 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線由PC 機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)用來控制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)監(jiān)控以及管理，為車間級(jí)管理及公司級(jí)管理層提供接口，包括對(duì)各種原料、配方、生產(chǎn)時(shí)間等進(jìn)行預(yù)置和設(shè)定，同時(shí)能夠?qū)︼暳仙a(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理及存儲(chǔ)。由于配料控 制系統(tǒng)需要快速同現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，本文使用 PROFIBUS． DP 通信協(xié)議，使 DP 主站能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控。根據(jù)實(shí)際情況，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型，通信速率為 9600bps。 整個(gè)飼料生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括稱重方式選擇、給料方式選擇、生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)方式選擇、配料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。本章主要闡述系統(tǒng)功能模塊硬件部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容 。 計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 飼料生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制，實(shí)際上包含了兩個(gè)方面的內(nèi)容。一類是以自動(dòng)化儀表為執(zhí)行結(jié)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)過程中一些變化的物理量進(jìn)行自動(dòng)控制，使單機(jī)設(shè)備某一個(gè)生產(chǎn) 環(huán)節(jié)處于最佳工作狀態(tài)，屬于儀表自動(dòng)化的范疇。例如在配料混合生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過配料秤智能控制儀，按照預(yù)定的配方要求，控制物料的加料過程及配比，用壓制機(jī)智控制儀，控制和監(jiān)測(cè)壓制過程中的溫度、壓力、流量等。另一類是以電動(dòng)機(jī)、電磁閥等為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制生產(chǎn)設(shè)備機(jī)械運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，屬于電氣傳動(dòng)自動(dòng)化的范疇。在這一范疇內(nèi)，結(jié)合飼料生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，本章所要解決的問題是如何按照生產(chǎn)工藝的要求，合理有效地按照一定的規(guī)律，控制飼料生產(chǎn)過程中上百臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行，己使整個(gè)生產(chǎn)過程達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在傳統(tǒng)的飼料生產(chǎn)過程中，往往采用 皮帶秤計(jì)量飼料的給量，其工作原理如圖 31所示。 圖 3— 1 皮帶秤結(jié)構(gòu)工作示意圖 其中飼料生產(chǎn)所需要的各種配料按照給定配方通過給料設(shè)備送至配料點(diǎn)的子皮帶秤進(jìn)行過磅，電子秤相當(dāng)于重力及速度檢測(cè)傳感器，能夠?qū)⑴淞戏Q重以及皮帶傳速進(jìn)行數(shù)字顯示，同時(shí)利用數(shù)模轉(zhuǎn)換將配料進(jìn)給的瞬時(shí)流量、累計(jì)量等數(shù)據(jù)以 4~20mA 模擬電流形式送往 PID 調(diào)節(jié)器，整個(gè)系統(tǒng)按照閉環(huán)方式進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)器根據(jù)測(cè)量值與設(shè)定值的偏差進(jìn)行負(fù)反饋控制，輸出控制結(jié)果給變頻器去驅(qū)動(dòng)電機(jī)來控制傳送皮帶給料的速度，確保飼料進(jìn)料量按照預(yù)定要求進(jìn)行配置。控制算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要求飼料生產(chǎn)過程中必須精確掌握配料進(jìn)給量與傳輸皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的線性關(guān)系。皮帶電子秤是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要由秤體、稱重傳感器和放料門組成。稱重傳感器采用高精度稱重傳感器，該鋼制彈性體具有較強(qiáng)的抗過載能力和較長(zhǎng)的使用壽命，特別適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境下高準(zhǔn)確度配料的技術(shù)要求。本 文考慮到飼料生產(chǎn)系統(tǒng)的工作過程，選用電子秤，其工作原理如圖 32所示。 圖 32 電子稱工作示意圖 電子秤的主要組成組件 :重量傳感器、放大器電路、濾波器電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、中央處理器、電源供應(yīng)電路、按鍵、外殼、機(jī)構(gòu)、秤盤。電子秤的功能特點(diǎn) :電子秤采用 一個(gè)三積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，對(duì)重量、溫度、電池電壓三個(gè)量進(jìn)行測(cè)量，對(duì)傳感器的溫度零漂，溫度滿量程漂移，分二十個(gè)區(qū)間，線性化全自動(dòng)軟件補(bǔ)償，硬件成本增加極少，使電子計(jì)價(jià)秤、計(jì)重秤達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 。電子秤多機(jī)總線聯(lián)網(wǎng) (無須接口板 )，一臺(tái) PC機(jī)可遙控幾十臺(tái)電子秤鍵盤操作和各種數(shù)據(jù)采集 。電子秤能夠?qū)崿F(xiàn) CPU 單總線雙向數(shù)據(jù)通訊 。電子秤能檢測(cè)兩個(gè)加載點(diǎn)，達(dá)到十個(gè)加載點(diǎn)補(bǔ)償?shù)男Ч?，全自?dòng)解方程計(jì)算曲線參數(shù)，輕輕松松達(dá)到高精度線性補(bǔ)償?shù)哪康?。電子秤抗干擾、高精度稱重濾波技術(shù)，將普通的一臺(tái)電子秤讀數(shù)穩(wěn)定度提高五倍以上 。采用模塊化部件 設(shè)計(jì)，加快電子秤的開發(fā)速度和產(chǎn)品的系列化， A/D 模塊三種，低阻抗、高阻抗、帶 CPU 模塊，數(shù)字化 CPU 模塊多種，現(xiàn)推出一種高性能 CPU 模塊 :53 (29mm，內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘、 RS23 RS48 DA、 4M FLASH、多路 I/0、 單總線通訊、在線可編程模塊 )。 攪拌倉所需飼料配料經(jīng)電子秤中的重量傳感器將配料重量轉(zhuǎn)換成電壓或電流的模擬訊號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換后以數(shù)字方式顯示。電子秤重力傳感器輸出信號(hào)穩(wěn)定性取決于電子秤自身質(zhì)量以及外部供電電源以及安裝位置。本文稱重電子秤內(nèi)部集成 UH61100u 型重力傳感器，分別 采用獨(dú)立電源供電來保證轉(zhuǎn)換精度，部分電子秤采用二次穩(wěn)壓來提高每個(gè)重力傳感器供橋電源的穩(wěn)定性。三只重力傳感器分別安裝在稱斗和稱架之間，在傳感器承受的重力與傳感器中心軸線存有。角的情況下則需要計(jì)算