【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 部分的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，整個(gè)控制重點(diǎn)集中在定量給料機(jī)上面。它集測(cè)速和稱重，而且三臺(tái)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)是需要實(shí)時(shí)同步的。 基于 PLC 的水泥自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 在水泥的生產(chǎn)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(chǎn)的水泥質(zhì)量優(yōu)秀。不同的配料比例所得到的產(chǎn)品就不一樣，不合適的配料比例甚至?xí)股a(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量不合格。因此，配料的精確度、準(zhǔn)確度，決定了水泥成品的質(zhì)量。 配料系統(tǒng)中，定量給料機(jī)按照 200t/h 的總量來進(jìn)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(shí)給料量為 160t，礦渣 30t,石膏 10t。當(dāng)然，實(shí)際生產(chǎn)過程中不可能是一小時(shí)才累積一次數(shù)據(jù)，這樣萬一有誤差就非常大了。本設(shè)計(jì)通過皮帶運(yùn)行一定時(shí)間內(nèi)來對(duì)系統(tǒng)的物料重量采樣一次，稱重傳感器檢測(cè)的是皮帶上某段物料的重量，把這段時(shí)間作為系統(tǒng)的固定采樣時(shí)間，再將實(shí)際流量值與系統(tǒng)設(shè)定值作對(duì)比，由 PLC 判斷有無誤差，來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。簡(jiǎn)單點(diǎn)說就是采用流量控制原理。將稱重傳感器的測(cè)量值和速度傳感器的測(cè)量值同時(shí)送入上位機(jī)，控制器將速度信號(hào)與稱重信號(hào)進(jìn)行處理，得到瞬時(shí)流量及累計(jì)量。 速度傳感器直接連在大直徑 測(cè)速滾筒上，提供一系列脈沖信號(hào)，每個(gè) 脈沖 表示一個(gè)皮帶運(yùn)動(dòng)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(hào)，每來一個(gè)上升沿信號(hào)就對(duì)流量采樣一次，這樣只需要在 PLC 的 程序內(nèi)添加一個(gè)計(jì)數(shù)器，就可以通過兩次采樣在皮帶運(yùn)行一定距離所花的時(shí)間，計(jì)算出瞬時(shí)值。知道了實(shí)際測(cè)量值和設(shè)定的流量值，就可以作出比對(duì)，來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)檫@兩個(gè)值的概念不同，無法統(tǒng)一計(jì)算，因此需要用到 PID 調(diào)節(jié)。 在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)實(shí)際測(cè)量值和設(shè)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(duì)偏差進(jìn)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(diào)節(jié)。僅使用比例控制時(shí)，能夠?qū)⒈壤脕眢w現(xiàn)系統(tǒng)的偏差，當(dāng)系統(tǒng)有了偏差時(shí)，它會(huì)馬上產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用來降低偏差。調(diào)節(jié)時(shí)間跟比例的大小成反比關(guān)系，一個(gè)大一個(gè)就小，但如果比例太大會(huì)造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，嚴(yán)重還會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況?；?PLC 的水泥自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(gè)系統(tǒng)沒有一點(diǎn)誤差。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)誤差時(shí)，積分調(diào)節(jié)就開始作用，直到消除誤差。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分的時(shí)間常數(shù) Ti。 Ti 越小，積分強(qiáng)度越大；反之則越小。加入了積分調(diào)節(jié)后，會(huì)讓系統(tǒng)的響應(yīng)速度降低，因此普遍將其它兩種調(diào)節(jié)方式和積分作用相組合，組成 PI 或 PID 調(diào)節(jié)。 PI 是最常用的控制方式 。最后一種是微分調(diào)節(jié)，它能將系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差信號(hào)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(shì)并且在它產(chǎn)生之前就將其消除掉，能夠達(dá)到超前的控制作用。但是微分作用對(duì)噪聲等的干擾有放大作用，因此太大的微分調(diào)節(jié)，反而不利于 系統(tǒng)的抗干擾。這里強(qiáng)調(diào)一下，微分作用不能單獨(dú)使用，需要和另外兩種調(diào)節(jié)方式結(jié)合使用，組成 PID 控制器 [4]。 PID 的調(diào)節(jié)原理如圖 所示。 圖 PID調(diào)節(jié)原理 在配料過程中，需要同時(shí)采集三臺(tái)皮帶機(jī)上物料的重量以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將采集后的數(shù)值送到控制器（ PLC）與設(shè)定值做對(duì)比，檢測(cè)是否有誤差，并作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。對(duì)每一臺(tái)的控制都是相同的?；?PLC 的水泥自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 3 系統(tǒng)主要器件的介紹 西門子變頻器簡(jiǎn)介 變頻器，是現(xiàn)今工業(yè)自動(dòng)化上使用較為廣泛的產(chǎn)品之一，它將變頻技術(shù)和微電子技術(shù)相結(jié)合，可以通過改變電壓輸出 頻率，去相應(yīng)的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在實(shí)際的生產(chǎn)中，有著很大的作用。 MM420 基本組成及特點(diǎn) 對(duì)本系統(tǒng)來說，電機(jī)帶動(dòng)皮帶運(yùn)作，要使配料準(zhǔn)確、精確度高，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速是需要變化的，需要隨時(shí)按照 PLC 的信號(hào)進(jìn)行調(diào)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(diǎn)，非常適用于水泥生產(chǎn)這一類的高能耗企業(yè)。 一般來說，變頻器的內(nèi)部電路都有兩個(gè)部分，一是完成電能轉(zhuǎn)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(jīng)整流轉(zhuǎn) 換成直流電壓；在內(nèi)部控制下，再將直流電壓經(jīng)逆變轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以調(diào)節(jié)的交流電壓輸出給負(fù)載電機(jī)，這就可以根據(jù)需要去調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而不需要負(fù)載電機(jī)一直在工頻運(yùn)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(jìn)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(chǎn)的一個(gè)變頻器系列，它功能強(qiáng)大，并且型號(hào)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(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 MM420 適用環(huán)境及優(yōu)點(diǎn) 1. MM420 適用環(huán)境 由于變頻器的節(jié)能以及調(diào)速性能優(yōu)越，被廣泛的應(yīng)用在了現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)上面，不僅僅如此，連我們熟知的空調(diào)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(chǎn)需求，相應(yīng)的，變頻器對(duì)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(duì)濕度要≤ 95%，沒有結(jié)露現(xiàn)象，露水使內(nèi)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(huì)有經(jīng)常震動(dòng)和離電磁輻射源頭很近的地方，因?yàn)檎饎?dòng)久了也會(huì)使 并聘請(qǐng)受損，而電磁輻射源頭的輻射一般比較強(qiáng)，會(huì)對(duì)其精確性造成影響。 2. 變頻器的優(yōu)點(diǎn) 再來說說它的優(yōu)點(diǎn)，變頻器的安裝非常容易，而且調(diào)試比較簡(jiǎn)單易懂，新人也會(huì)很快上手； EMC 設(shè)計(jì)得非常堅(jiān)固；可以用 IT（ 中性點(diǎn)不接地）電源來對(duì)自身供電；能非常迅速的響應(yīng)接收到的信號(hào)并且可重復(fù)；其內(nèi)部的參數(shù)很多，確保了它可以應(yīng)用的區(qū)域非常廣，能配置多種應(yīng)用對(duì)象。 3. 保護(hù)特性 變頻器本身也是具有很多保護(hù)設(shè)置的，如過電壓 /欠電壓保護(hù)；過熱保護(hù)；短路保護(hù)等等，使用安裝都非常簡(jiǎn)單方便 [5]。 稱重及測(cè)速裝置簡(jiǎn)介 在本系統(tǒng)的控 制中，需要知道皮帶電機(jī)的速度和物料的實(shí)時(shí)下料重量來進(jìn)行計(jì)算，這就需要用到測(cè)速和稱重的器件來進(jìn)行測(cè)量。 旋轉(zhuǎn)編碼器是一類能夠測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的器件。光電式的旋轉(zhuǎn)編碼器可以通過光信號(hào)和電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，將電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的角位移、角速度等信息轉(zhuǎn)換成與這些信息相對(duì)應(yīng)的電 脈沖 信號(hào)再以數(shù)字量輸出。它的技術(shù)核心參數(shù)主要有對(duì)應(yīng)碼盤每一轉(zhuǎn)的脈沖個(gè)數(shù)（從幾十 個(gè)到上千個(gè)都有）和額定電壓大小等。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出有 單路 和雙基于 PLC 的水泥自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 路兩種類型。其中單路輸出指的是旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出就只有一組脈沖信號(hào)，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出有兩組 A/B 相位差 90 度的脈沖信號(hào)，這樣我們不僅可以通過這兩組脈沖測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，還可以判斷電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向，實(shí)際使用中非常便利 [6]。 1. 基本簡(jiǎn)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(duì)式兩個(gè)類別。增量式編碼器是利用計(jì)數(shù)增量的方法來測(cè)量設(shè)備位移的。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，它將所測(cè)得的位移量轉(zhuǎn)變成為具有周期性質(zhì)的模擬量信號(hào)，即電流信號(hào)，再通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)個(gè)的脈沖，再用累計(jì)到的脈沖數(shù)去計(jì)算出位移的大??；絕對(duì)式編碼器的測(cè)量就相對(duì)簡(jiǎn)單了，它用來測(cè)量的碼盤上面所有位置都刻上了相應(yīng)的數(shù)字碼，我們只需要知道測(cè)量的開始和結(jié)束的位置就能夠求得結(jié)果，至于它具體是怎么測(cè)量的可以不用過問。 相對(duì)來說，絕對(duì)編碼器的抗干擾性和所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要比其它編碼器好一點(diǎn)，這是因 為它的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較特別。它的碼盤上面每個(gè)位置都有數(shù)字碼，并且這些數(shù)字沒有重復(fù)的，每個(gè)位置的數(shù)字都是唯一的 [7]。在工作的時(shí)候，它只需要讀取當(dāng)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(diǎn)來得知。 絕對(duì)值編碼器的軸跟著電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)起來時(shí)，不斷會(huì)有二進(jìn)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(duì)應(yīng)的，我們可以從代碼大小的變化去獲得電機(jī)此時(shí)旋轉(zhuǎn)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(duì)編碼器上有一個(gè)絕對(duì)零位代碼，意味著有某個(gè)位置一直都是零位，當(dāng)突然掉電或重新啟動(dòng) 后再做新一次的測(cè)量時(shí)，它依舊能夠無誤地讀出掉電或重啟位置的代碼，并準(zhǔn)確無誤地找到零位代碼的位置。一般地，絕對(duì)值編碼器能夠測(cè)量的范圍為一個(gè)圓周，但如果使用的地方有需求的話，也有對(duì)應(yīng)的型號(hào)來進(jìn)行多周測(cè)量。 針對(duì)于水泥生產(chǎn)的環(huán)境，本文所采用的是絕對(duì)編碼器。 稱重傳感器是一種將質(zhì)量 信號(hào) 轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置，本設(shè)計(jì)將這兩個(gè)原件都安 裝在定量給料機(jī)上。 基于 PLC 的水泥自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 定量給料機(jī)簡(jiǎn)介 定量給料機(jī)是一種為固體散狀物料（塊狀、顆粒、粉狀等）連續(xù)稱重計(jì)量兼定量輸送的機(jī)械設(shè)備，由環(huán)形皮帶、秤架、電機(jī)、稱重和測(cè)速傳感器等組成的一個(gè)整體，它是集稱重計(jì)量與流量控制于一體的連續(xù)稱重設(shè)備，也叫調(diào)速秤或者電子皮帶秤 [8]。 被 廣泛應(yīng)用于水泥、礦山、建材、糧食、化工等行業(yè)。 定量給料機(jī)是對(duì)散狀物料進(jìn)行連續(xù)稱量并給料的的高科技產(chǎn)品，根據(jù)我國的工業(yè)發(fā)展情況，對(duì)它做了一些改進(jìn)。改良后的定量給料機(jī)不僅價(jià)格相對(duì)便宜，而且質(zhì)量也有了很大的提升。它能在比較惡劣的環(huán)境下運(yùn)作，適應(yīng)性 較強(qiáng)。定量給料機(jī)主要用于各種粒狀和粉狀物料等進(jìn)行自動(dòng)喂料和累積物料量，為許多工業(yè)生產(chǎn)過程提供自動(dòng)化的運(yùn)行狀態(tài)并能獲得一些用戶想知道的實(shí)時(shí)計(jì)量數(shù)據(jù)。 其工作原理依據(jù)的是 PID 調(diào)節(jié)，將測(cè)量的電機(jī)速度和實(shí)時(shí)物料量送入上位機(jī)求出瞬時(shí)流量，再和設(shè)定值對(duì)比， PLC 將對(duì)比結(jié)果進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)后輸出調(diào)節(jié)信號(hào)到變頻器，不斷地去控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使給料量盡可能地和設(shè)定值一致 。 圖 為定量給料機(jī)實(shí)物圖。 圖 定量給料機(jī)實(shí)物圖基于 PLC 的水泥自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 4 PLC 簡(jiǎn)介及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本章主要介紹了主控制器 PLC，對(duì)系統(tǒng)的要求， PLC 輸入 /輸出端 口的的分配， PLC 及其擴(kuò)展模塊的 外部接線圖。 PLC簡(jiǎn)介 PLC，是一種可由程序通過其內(nèi)部的運(yùn)算，并通過一些數(shù)字量或模擬量去控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程的設(shè)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(jì) 60 年代那一個(gè)時(shí)期，美國的汽車行業(yè)發(fā)展非?？欤鄳?yīng)的，汽車制造商們的競(jìng)爭(zhēng)也是非常明顯，各個(gè)生產(chǎn)廠商為了搶占市場(chǎng)獲取更大的利益，不斷地更新自身廠商的汽車型號(hào)，去吸引消費(fèi)者的眼球，這就要求汽車生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)跟著汽車型號(hào)的更新而去不斷更新，并且還要針對(duì)不同的需求 去重新設(shè)計(jì)或大量更改已有的生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。由于在當(dāng)時(shí)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(dòng)非常麻煩，因此在 1968 年美國通用汽車公司（ GM）