【文章內容簡介】 部分的控制相對簡單，整個控制重點集中在定量給料機上面。它集測速和稱重，而且三臺機器的運行狀態(tài)是需要實時同步的。 基于 PLC 的水泥自動配料控制系統(tǒng)設計 8 系統(tǒng)的總體設計 在水泥的生產過程中，配料是為了將各種原料按照合適的比例來下料，優(yōu)良的配料比例，可以降低成本，使生產的水泥質量優(yōu)秀。不同的配料比例所得到的產品就不一樣，不合適的配料比例甚至會使生產的產品質量不合格。因此，配料的精確度、準確度，決定了水泥成品的質量。 配料系統(tǒng)中，定量給料機按照 200t/h 的總量來進行給料，三種物料的比例分別為熟料 80%，礦渣 15%，石膏 5%。因 此，需要滿足熟料每小時給料量為 160t，礦渣 30t,石膏 10t。當然，實際生產過程中不可能是一小時才累積一次數(shù)據(jù)，這樣萬一有誤差就非常大了。本設計通過皮帶運行一定時間內來對系統(tǒng)的物料重量采樣一次，稱重傳感器檢測的是皮帶上某段物料的重量，把這段時間作為系統(tǒng)的固定采樣時間，再將實際流量值與系統(tǒng)設定值作對比，由 PLC 判斷有無誤差，來調節(jié)電機轉速。簡單點說就是采用流量控制原理。將稱重傳感器的測量值和速度傳感器的測量值同時送入上位機，控制器將速度信號與稱重信號進行處理，得到瞬時流量及累計量。 速度傳感器直接連在大直徑 測速滾筒上，提供一系列脈沖信號，每個 脈沖 表示一個皮帶運動單元，脈沖的頻率正比于皮帶速度。我們可以把每次采集的物流量看成是脈沖信號，每來一個上升沿信號就對流量采樣一次，這樣只需要在 PLC 的 程序內添加一個計數(shù)器，就可以通過兩次采樣在皮帶運行一定距離所花的時間，計算出瞬時值。知道了實際測量值和設定的流量值，就可以作出比對，來調節(jié)電機的轉速。因為這兩個值的概念不同，無法統(tǒng)一計算，因此需要用到 PID 調節(jié)。 在工業(yè)生產的過程中，經常會出現(xiàn)實際測量值和設定值有偏差，但是這些偏差又是人們不想要的，因此需要想辦法消除或者減少它們，普遍采用的是對偏差進行比例、積分、微分三種控制方式組合的辦法，人們稱之為 PID 調節(jié)。僅使用比例控制時，能夠將比例用來體現(xiàn)系統(tǒng)的偏差，當系統(tǒng)有了偏差時，它會馬上產生調節(jié)作用來降低偏差。調節(jié)時間跟比例的大小成反比關系，一個大一個就小，但如果比例太大會造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，嚴重還會出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況?；?PLC 的水泥自動配料控制系統(tǒng)設計 9 積分的作用就是要將系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài) 誤差消除，讓整個系統(tǒng)沒有一點誤差。當系統(tǒng)出現(xiàn)誤差時，積分調節(jié)就開始作用，直到消除誤差。積分作用的強弱取決于積分的時間常數(shù) Ti。 Ti 越小，積分強度越大；反之則越小。加入了積分調節(jié)后，會讓系統(tǒng)的響應速度降低，因此普遍將其它兩種調節(jié)方式和積分作用相組合，組成 PI 或 PID 調節(jié)。 PI 是最常用的控制方式 。最后一種是微分調節(jié)，它能將系統(tǒng)產生的偏差信號變化率反映出來，這樣就可以在偏差變化之前知道它的趨勢并且在它產生之前就將其消除掉，能夠達到超前的控制作用。但是微分作用對噪聲等的干擾有放大作用，因此太大的微分調節(jié)，反而不利于 系統(tǒng)的抗干擾。這里強調一下，微分作用不能單獨使用，需要和另外兩種調節(jié)方式結合使用，組成 PID 控制器 [4]。 PID 的調節(jié)原理如圖 所示。 圖 PID調節(jié)原理 在配料過程中，需要同時采集三臺皮帶機上物料的重量以及電機的轉速，將采集后的數(shù)值送到控制器（ PLC）與設定值做對比，檢測是否有誤差，并作出相應的調節(jié)。對每一臺的控制都是相同的?；?PLC 的水泥自動配料控制系統(tǒng)設計 10 3 系統(tǒng)主要器件的介紹 西門子變頻器簡介 變頻器，是現(xiàn)今工業(yè)自動化上使用較為廣泛的產品之一，它將變頻技術和微電子技術相結合，可以通過改變電壓輸出 頻率，去相應的調節(jié)電機轉速，在實際的生產中，有著很大的作用。 MM420 基本組成及特點 對本系統(tǒng)來說，電機帶動皮帶運作，要使配料準確、精確度高，因此電機的轉速是需要變化的，需要隨時按照 PLC 的信號進行調速，所以變頻器是必不可少的重要元器件。而且變頻器還具有節(jié)能的特點，非常適用于水泥生產這一類的高能耗企業(yè)。 一般來說，變頻器的內部電路都有兩個部分，一是完成電能轉換過程（整流、逆變）的主電路；二是處理信息的收集、變換和傳輸?shù)目刂齐娐贰? 1. 主電路 變頻器的主電路可以將電源提供的交流電壓先經整流轉 換成直流電壓；在內部控制下，再將直流電壓經逆變轉換成頻率和電壓都可以調節(jié)的交流電壓輸出給負載電機，這就可以根據(jù)需要去調節(jié)電機的轉速，而不需要負載電機一直在工頻運行，起到了一定的節(jié)能作用。其中直流環(huán)節(jié)是通過電容來進行濾波的，因此其屬于電壓型的交 直 交變頻器。 2. 控制電路 控制電路包含了 CPU、模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、輸出繼電器觸頭、操作面板等部件。 MM420 是西門子公司生產的一個變頻器系列，它功能強大，并且型號多種，能滿足絕大多數(shù)工廠的使用要求。 基于 PLC 的水泥自動配料控制系統(tǒng)設計 11 MM420 適用環(huán)境及優(yōu)點 1. MM420 適用環(huán)境 由于變頻器的節(jié)能以及調速性能優(yōu)越，被廣泛的應用在了現(xiàn)代化工廠生產上面，不僅僅如此，連我們熟知的空調都早已有了變頻功能。 MM420 是西門子公司的一款性能非常好的變頻器，可以滿足大多數(shù)工廠的生產需求，相應的，變頻器對工作環(huán)境也是有著一定的要求 : 一般來說，它的工作環(huán)境溫度不得低于 10℃ ，高于 60℃ ；空氣的相對濕度要≤ 95%，沒有結露現(xiàn)象，露水使內部器件損壞。不能將變頻器從高處掉落或受到猛烈的撞擊 ,這可能使變頻器損壞；不能把變頻器安裝在會有經常震動和離電磁輻射源頭很近的地方，因為震動久了也會使 并聘請受損，而電磁輻射源頭的輻射一般比較強，會對其精確性造成影響。 2. 變頻器的優(yōu)點 再來說說它的優(yōu)點，變頻器的安裝非常容易，而且調試比較簡單易懂，新人也會很快上手； EMC 設計得非常堅固；可以用 IT（ 中性點不接地）電源來對自身供電；能非常迅速的響應接收到的信號并且可重復；其內部的參數(shù)很多，確保了它可以應用的區(qū)域非常廣，能配置多種應用對象。 3. 保護特性 變頻器本身也是具有很多保護設置的，如過電壓 /欠電壓保護；過熱保護；短路保護等等，使用安裝都非常簡單方便 [5]。 稱重及測速裝置簡介 在本系統(tǒng)的控 制中，需要知道皮帶電機的速度和物料的實時下料重量來進行計算，這就需要用到測速和稱重的器件來進行測量。 旋轉編碼器是一類能夠測量電機轉速的器件。光電式的旋轉編碼器可以通過光信號和電信號的相互轉換，將電機旋轉軸的角位移、角速度等信息轉換成與這些信息相對應的電 脈沖 信號再以數(shù)字量輸出。它的技術核心參數(shù)主要有對應碼盤每一轉的脈沖個數(shù)（從幾十 個到上千個都有）和額定電壓大小等。光電式旋轉編碼器的輸出有 單路 和雙基于 PLC 的水泥自動配料控制系統(tǒng)設計 12 路兩種類型。其中單路輸出指的是旋轉編碼器的輸出就只有一組脈沖信號，而雙路輸出的旋轉編碼器的輸出有兩組 A/B 相位差 90 度的脈沖信號，這樣我們不僅可以通過這兩組脈沖測量電機轉動速度，還可以判斷電機旋轉的方向，實際使用中非常便利 [6]。 1. 基本簡介 根據(jù)編碼器的工作 原理去劃分，我們可以將它分為增量式和絕對式兩個類別。增量式編碼器是利用計數(shù)增量的方法來測量設備位移的。電機轉動的同時，它將所測得的位移量轉變成為具有周期性質的模擬量信號，即電流信號，再通過內部轉換，把電信號轉換成一個個的脈沖，再用累計到的脈沖數(shù)去計算出位移的大??；絕對式編碼器的測量就相對簡單了，它用來測量的碼盤上面所有位置都刻上了相應的數(shù)字碼，我們只需要知道測量的開始和結束的位置就能夠求得結果，至于它具體是怎么測量的可以不用過問。 相對來說，絕對編碼器的抗干擾性和所測數(shù)據(jù)的準確性要比其它編碼器好一點，這是因 為它的機械結構比較特別。它的碼盤上面每個位置都有數(shù)字碼，并且這些數(shù)字沒有重復的，每個位置的數(shù)字都是唯一的 [7]。在工作的時候，它只需要讀取當前位置的數(shù)字就可以知道所處的位置，而不需要通過記憶和找尋參考點來得知。 絕對值編碼器的軸跟著電機旋轉軸轉動起來時，不斷會有二進制碼或 BCD 碼輸出，這些輸出的代碼都是與編碼器上刻度位置相對應的，我們可以從代碼大小的變化去獲得電機此時旋轉的方向和位移在編碼器上刻度的位置，而不需要靠向電路去判斷。絕對編碼器上有一個絕對零位代碼，意味著有某個位置一直都是零位，當突然掉電或重新啟動 后再做新一次的測量時，它依舊能夠無誤地讀出掉電或重啟位置的代碼，并準確無誤地找到零位代碼的位置。一般地，絕對值編碼器能夠測量的范圍為一個圓周，但如果使用的地方有需求的話，也有對應的型號來進行多周測量。 針對于水泥生產的環(huán)境，本文所采用的是絕對編碼器。 稱重傳感器是一種將質量 信號 轉變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置，本設計將這兩個原件都安 裝在定量給料機上。 基于 PLC 的水泥自動配料控制系統(tǒng)設計 13 定量給料機簡介 定量給料機是一種為固體散狀物料（塊狀、顆粒、粉狀等）連續(xù)稱重計量兼定量輸送的機械設備，由環(huán)形皮帶、秤架、電機、稱重和測速傳感器等組成的一個整體，它是集稱重計量與流量控制于一體的連續(xù)稱重設備，也叫調速秤或者電子皮帶秤 [8]。 被 廣泛應用于水泥、礦山、建材、糧食、化工等行業(yè)。 定量給料機是對散狀物料進行連續(xù)稱量并給料的的高科技產品，根據(jù)我國的工業(yè)發(fā)展情況，對它做了一些改進。改良后的定量給料機不僅價格相對便宜，而且質量也有了很大的提升。它能在比較惡劣的環(huán)境下運作，適應性 較強。定量給料機主要用于各種粒狀和粉狀物料等進行自動喂料和累積物料量，為許多工業(yè)生產過程提供自動化的運行狀態(tài)并能獲得一些用戶想知道的實時計量數(shù)據(jù)。 其工作原理依據(jù)的是 PID 調節(jié)，將測量的電機速度和實時物料量送入上位機求出瞬時流量，再和設定值對比， PLC 將對比結果進行PID 調節(jié)后輸出調節(jié)信號到變頻器，不斷地去控制電機轉速，使給料量盡可能地和設定值一致 。 圖 為定量給料機實物圖。 圖 定量給料機實物圖基于 PLC 的水泥自動配料控制系統(tǒng)設計 14 4 PLC 簡介及控制系統(tǒng)設計 本章主要介紹了主控制器 PLC，對系統(tǒng)的要求， PLC 輸入 /輸出端 口的的分配， PLC 及其擴展模塊的 外部接線圖。 PLC簡介 PLC，是一種可由程序通過其內部的運算，并通過一些數(shù)字量或模擬量去控制各種類型的機械或生產過程的設備，它是由美國的一家公司最先研制開發(fā)出來的。 PLC 的誕生起源于美國的汽車制造業(yè)，在20 世紀 60 年代那一個時期，美國的汽車行業(yè)發(fā)展非?？欤鄳?，汽車制造商們的競爭也是非常明顯，各個生產廠商為了搶占市場獲取更大的利益，不斷地更新自身廠商的汽車型號，去吸引消費者的眼球，這就要求汽車生產線的控制系統(tǒng)跟著汽車型號的更新而去不斷更新，并且還要針對不同的需求 去重新設計或大量更改已有的生產線的控制系統(tǒng)。由于在當時普遍使用繼電器控制，并且線路是硬件電路連接，如果頻繁且大規(guī)模的改動非常麻煩，因此在 1968 年美國通用汽車公司（ GM）