【文章內(nèi)容簡介】 性。另外，只有在處于下位模式的時候，手動模式才會有效，這樣保證了系統(tǒng)操作員與檢修員不會出現(xiàn)安全問題。 上位監(jiān)控 :要求有上位監(jiān)控功能。 監(jiān)控畫面設(shè)計包括初始畫面、運(yùn)行畫面、報警畫面、趨勢圖畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、用戶管理功能、過程值歸檔、報警功能等。 初始畫面：各畫面切換按鈕、時鐘、用戶登錄等；運(yùn)行畫面：運(yùn)行指示燈、液位 值棒圖、按鈕、罐、閥、電機(jī)、傳送帶、瓶子、輸入 /輸出域等；報警畫面：液罐液位值的報警、畫面切換按鈕、滾動條等；趨勢圖畫面：按鈕切換、液罐液位值的變化趨勢等；參數(shù)設(shè)置畫面：流量的設(shè)定值。 信號分析 表 11 數(shù)字量輸入信號 （續(xù)） 13 SB10 攪拌機(jī)開關(guān)按鈕 14 SB11 傳送帶電機(jī)正向點(diǎn)動按鈕 15 SB12 傳送帶電機(jī)反向點(diǎn)動按鈕 16 SB13 計數(shù)值清零 17 SB14 手動主泵啟動按鈕 序號 符號 名稱 1 SB1 系統(tǒng)啟動按鈕 2 SB2 系統(tǒng)停止按鈕 3 SB3 手動 /自動選擇 4 SB4 就地 /遠(yuǎn)程選擇 5 SB5 故障復(fù)位按鈕 6 SB6 急停按鈕 7 SQ1 空瓶位置接近開關(guān) 8 SQ2 灌裝位置接近開關(guān) 9 SQ3 成品位置接近開關(guān) 10 SB7 電磁閥 QM1 按鈕 11 SB8 電磁閥 QM2 按鈕 12 SB9 電磁閥 QM3 按鈕 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 18 SB15 手動主泵停止按鈕 19 SB16 電磁閥 QM4 按鈕 表 12 數(shù)字量輸出信號 （續(xù)） 序號 符號 名稱 1 L1 系統(tǒng)啟動指示燈 2 L2 系統(tǒng)停止指示燈 3 L3 手動模式指示燈 4 L4 自動模式指示燈 5 L5 就地控制指示燈 6 L6 遠(yuǎn)程控制指示燈 7 L7 QM1 閥指示燈 8 L8 QM2 閥指示燈 9 L9 A罐液位上限燈 10 L10 A罐液位下限燈 11 L11 B 罐液位上限燈 12 L12 B 罐液位下限燈 13 L13 混料罐液位上限燈 14 L14 混料罐液位下限燈 15 L15 急停指示燈 16 M1 A罐供料泵 17 M2 B 罐供料泵 18 M3 攪拌電機(jī) 19 M4 灌裝生產(chǎn)線電機(jī) 20 QM1 A罐進(jìn)料閥門 QM1 21 QM2 B 罐進(jìn)料閥門 QM2 22 QM3 混料灌出料閥門 QM3 23 L21 傳送帶正向運(yùn)行 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 表 13 模擬量輸入地址 序號 符號 名稱 1 S1 A罐液位傳感器 2 S2 B 罐液位傳感器 3 S3 A罐流量變送器 4 S4 B 罐流量變送器 5 S5 混料罐液位傳感器 6 S6 A罐供料管道流量變送器 7 S7 B 罐供料管道流量變送器 8 S8 儲存罐液位傳感器 表 14 模擬量輸出 序號 符號 名稱 1 QN0 A罐供料管道電動調(diào)節(jié)閥 2 QN1 A罐出料電動調(diào)節(jié)閥 3 QN2 B 罐出料電動調(diào)節(jié)閥 4 QN3 B 罐供料管道電動調(diào)節(jié)閥 24 L22 傳送帶反向運(yùn)行 25 L16 A罐供料泵運(yùn)行指示燈 26 L17 B 罐供料泵運(yùn)行指示燈 27 L18 攪拌電機(jī)運(yùn)行指示燈 28 L19 QM3 閥指示燈 29 QM4 儲存罐出料閥門 QM4 30 L20 QM4 閥指示燈 31 L21 終端指示燈 32 Nixie Tube 數(shù)碼管顯示 QW6 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 第 2 章 總體方案設(shè)計 第 節(jié) 項(xiàng)目中各個組成部分的作用 1） HMI:人機(jī)界面，可遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行和觀察系統(tǒng)運(yùn)行的狀況。 2）控制面板：就地操作，控制系統(tǒng)的運(yùn)行。 3） PC：電腦操作，進(jìn)行項(xiàng)目的軟件編程和硬件組態(tài)、上位監(jiān)控組態(tài)和畫面設(shè)計。 4） CPU：采集系統(tǒng)的輸入信號，經(jīng)過分析處理，轉(zhuǎn)變成輸出信號，控制系統(tǒng)運(yùn)行。 5）傳感器、變送器：本系統(tǒng)的傳感器、變送器用于檢測液位、流量、空瓶位置、灌裝位置、成品位置等，采集系統(tǒng)的模擬量信號，輸送給 CPU處理。 液位傳感器、變送器：三個液位傳感器分別用來對液體 A 罐、液體 B 罐和配料罐的液位進(jìn)行檢測，輸出 4～ 20mA 電流信號。 流量傳感器、變送器：三個渦輪流量計分別用來對由電動調(diào)節(jié)閥控制的管路流量進(jìn)行檢測，輸出 4～ 20mA 電流信號。 6)變頻器：通過設(shè)置頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 7)供料泵電機(jī)：接受變頻器的控制信號，改變主泵的轉(zhuǎn)速，向系統(tǒng)供料，控制管道的流量。 8)指示燈：顯示系統(tǒng)元件的工作狀態(tài)。 9)接觸器、電磁閥：通過 CPU處理的輸出信號，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的需求。 電動截止閥：控制閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)流量控制按照設(shè)定比例值向混料罐添加物料，實(shí)現(xiàn)物料混合恒定。電動調(diào)節(jié)閥：接受控制信號，改變其開度，調(diào)節(jié)管道中液體的流量。 10）其他電機(jī)：主要由供料 電機(jī)、攪拌電機(jī)和傳送帶電機(jī)，輔助系統(tǒng)元件的運(yùn)行。 供料電機(jī)：接收控制信號，啟動供料泵，實(shí)現(xiàn)物料供應(yīng)。 攪拌電動機(jī)：接收控制信號，啟動攪拌器，實(shí)現(xiàn)混料攪拌功能。 傳送帶電動機(jī)：接收控制信號，控制傳送帶正向運(yùn)行或反向運(yùn)行。 11）傳送帶灌裝部分：是物料灌裝自動生產(chǎn)線，主要將傳送帶上的瓶子灌裝物料。 第 節(jié) 整體方案設(shè)計思路 控制對象要求 本設(shè)計是一個灌裝生產(chǎn)流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，由物料混合生產(chǎn)和灌裝生產(chǎn)兩部分組成。要求物料混合時物料按設(shè)定的比例進(jìn)行混合攪拌和灌裝生產(chǎn)時的自動化運(yùn)行控制?？刂葡到y(tǒng)由供料泵、電機(jī)、傳送帶、液罐、電磁閥、電動調(diào)節(jié)閥、液位傳感器、流量傳感器、位置傳感器等組成。當(dāng)按下啟動按鈕后，系統(tǒng)啟動。有手動 /自動的選擇，當(dāng)手動運(yùn)行時，可以分別對供料泵、各個電磁閥、攪拌電北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 機(jī)等設(shè)備的控制，可以使傳送帶電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)和點(diǎn)動反轉(zhuǎn)。自動運(yùn)行時，系統(tǒng)自動運(yùn)行，供料泵像兩個物料罐供料，物料按一定比例輸送給混料罐，由混料罐混合攪拌一定時間，傳送帶電機(jī) 正轉(zhuǎn)，依次給傳送帶上的瓶子灌裝物料。灌裝生產(chǎn)線設(shè)置三個工位：檢測、灌裝、成品。 在自動控制系統(tǒng)中， 兩個物料罐的流出的流量 經(jīng) 流量傳感器 和 流量 送器的轉(zhuǎn)換，變?yōu)橄鄳?yīng)的 電流 信號，經(jīng) 過 模擬量輸入模塊（ A/D）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送往 PLC控制器，并由程序?qū)⒔o定的 流量值 與測量值比較， 得出偏差 ， 此偏差按 PID 算法進(jìn)行修正，求得對應(yīng)的控制量 ， 對 流量進(jìn)行 控制。 在監(jiān)控系統(tǒng)中，操作者可以清楚地監(jiān)視生產(chǎn)線的運(yùn)行，可以在上位設(shè)定流量值。有流量設(shè)定值和實(shí)際值的顯示，上下限報警，灌裝的個數(shù)顯示，手動 /自動的提示，方便觀察灌裝生產(chǎn)線流量閉環(huán)控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況。 控制面板和電器布置設(shè)計 1） 灌裝生產(chǎn)線流量閉環(huán)控制系統(tǒng)控制面板的設(shè)計如圖 21 所示。 控制面板由啟動按鈕、停止按鈕、傳送帶正向啟動按鈕、傳送帶反向按鈕、電磁閥 QM1按鈕、電磁閥 QM2 按鈕、電磁閥 QM3 按鈕、手動 /自動選擇開關(guān)、手動 /自動模式指示燈、上位 /下位選擇開關(guān)、上位 /下位模式指示燈、故障應(yīng)答、急停按鈕、計數(shù)值清零按鈕和 4 位成品數(shù)顯示數(shù)碼管等組成。 圖 21 控制面板布局圖 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 2） 電器布置圖的設(shè)計如圖 22 所示。 電器布置圖由數(shù)字顯示儀表、 PLC 模塊、變頻器、端子排接線模塊、系統(tǒng)電源面板和系統(tǒng)控制面板組成。 圖 22 電器布置圖 方案設(shè)計 系統(tǒng)通過采集控制面板、 PC 機(jī)、傳感器、變送器和 HMI 的輸入信號，經(jīng)過CPU單元分析處理，轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘枺斔徒o HMI 和儀器儀表顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制變頻器、電機(jī)、指示燈、接觸器和電磁閥、物料灌裝生產(chǎn)線自動控制，總體方案設(shè)計的系統(tǒng)原理如圖 23 所示。 圖 23 總體方案的系統(tǒng)原理圖 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 1）方案 一 本方案為上位 HMI（ WinCC）控制， WinCC 可以控制和實(shí)時監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行情況。通過采用西門子 PLC S7300 來控制設(shè)備運(yùn)行，如圖 24 所示， SIEMENS公司的 PLC S7300：數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)性能可靠，功能強(qiáng)大，組態(tài)靈活，擴(kuò)展方便。模塊化的設(shè)計在大中型控制系統(tǒng)中極大的方便了系統(tǒng)的維護(hù)、設(shè)計乃至安裝各個環(huán)節(jié)。 S7300 在西門子的 PLC 產(chǎn)品類里屬于大中型 PLC 系統(tǒng)，適合的控制對象一般都在 256 點(diǎn)以上， 1024 點(diǎn)以下的。 并且根據(jù)給定的流量值與實(shí)際檢測值進(jìn)行 PID 運(yùn)算，控制輸出流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 PID 控制的應(yīng)用，主要 優(yōu)點(diǎn) 在于： PID 控制對于大 多數(shù)過程都具有良好的控制效果； PID 控制算法原理簡明，參數(shù)的物理意義明確，理論分析體系完整且應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富。 圖 24 方案一系統(tǒng)原理圖 2）方案二 本方案采用西門子 PLC S7200進(jìn)行控制上位界面、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、接觸器、電磁閥的開關(guān)、指示燈的顯示、加熱器與液壓泵的工作，上位監(jiān)控系統(tǒng)采用 SIMATIC Flexible觸摸屏 ,西門子 PLC S7200使用順序控制系統(tǒng)，逐步完成相應(yīng)的功能。SIEMENS公司 PLC S7－ 200：產(chǎn)品定位在 PLC家族的 S7系列的低端，但比智能繼電器 LOGO的定位要高。通常 S7200用于 200點(diǎn)開關(guān)量以內(nèi) ， 35點(diǎn)模擬量以內(nèi)，程序量在 16K以內(nèi)的應(yīng)用場合。 PLC S7200數(shù)據(jù)塊保存在 RAM里，所以一旦超級電容沒有電（斷電 100小時）數(shù)據(jù)就丟失。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 25 方案二系統(tǒng)原理圖 通過兩種方案的比較，本系統(tǒng)選擇方案一，利用 PID 運(yùn)算控制流量輸出比例，上位采用 WinCC 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，使用 S7300 控制系統(tǒng)運(yùn)行。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 第 3 章 灌裝生產(chǎn)線流量閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 第 節(jié) 硬件選型 本設(shè)計所用的控制中心是模塊式 PLC S7300，主要由電源模塊、 CPU模塊、輸入信號模塊和輸出信號模塊等組成。根據(jù)灌裝生產(chǎn)線流量閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號的點(diǎn)數(shù)，其中數(shù)字量輸入 19 個，數(shù)字量輸出 48 個，模擬量輸入 8 個，模擬量輸出 4 個，選擇的 PLC 模塊配置表如表 31 所示。 表 31 PLC 模塊配置表 整個系統(tǒng)的設(shè)備需要供料罐、物料罐、混料罐、傳送帶電機(jī)、供料泵、攪拌電機(jī)、電動調(diào)節(jié)閥、電動截止閥、流量傳感器、手動閥、流量計、變頻器、智能儀表、管道等，主控電路上需要空氣開關(guān)、按鈕、指示燈、電磁繼電器（含底座）、熱繼電器、液位傳感器、位置傳感器等，各組成設(shè)備的硬件選型，如表 32 所示。 表 32 硬件設(shè)備型號 （續(xù)） 序號 數(shù)量 材料 /器件 型號 /規(guī)格 /訂貨號 1 1 電源 PS 307 2A 6ES7 3071FA000AA0 2 1 CPU CPU 314C2DP 6ES7 3146CG030AB0 3 1 數(shù)字量輸入模塊 SM321 DI32 DC24V 6ES73121BL000AA0 4 1 數(shù)字量輸出模塊 SM322 DO32 DC24V/ 6ES7 3221BL000AA0 5 1 模擬量輸入模塊 SM331 AI8 12Bit 6ES7 3317KF010AB0 6 1 模擬量輸出模塊 SM332 AO4 12Bit 6ES7 3325HD010AB0 序號 材料 /器件 數(shù)量 型號 /規(guī)格 /訂貨號 1 供料罐 2 DRCG 2 物料罐 2 DRCG 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 第 節(jié) 硬件組態(tài) 本系統(tǒng)中的硬件組態(tài)，建立新項(xiàng)目，選擇 300 站點(diǎn)如圖 31 所示；選擇機(jī)架；選擇電源模塊 PS 307 2A；選擇 CPU 314C2DP 及設(shè)置主站網(wǎng)絡(luò)， CPU自帶數(shù)字量輸入 /輸出模塊 DI24/DO16 輸入地址為 7～ 輸出地址 6～ 7；模擬量輸入 /輸出模塊 AI5/AO2 輸入地址 752～ 76輸出地址為 752～ 755。擴(kuò)展數(shù)字量輸入模3 混料罐 1 DRCG 4 傳送帶電機(jī) 1 Y112M44Kw 5 供料泵 2 CT61 6 攪拌器電機(jī) 1 YN6010 7 電動截止閥 3 2W20020 8 電動調(diào)節(jié)閥 4 9 流量傳感器 4 KZLWGY 10 手動閥 6 DF6503 11 流量計 4 LDG20SMZE100 12 變頻器 MM440 2 6SE64402AB175AA1 13 智能儀表 4 WL 系列 14 管道 若干 PVC 系列 15 空氣開關(guān) 4 DZ10250 16 按鈕 10 PBS17A 17 指示燈 若干 AD11 18 電線 若干 YJV/VV 19 PLC 模塊導(dǎo)軌 1 6ES7 3901AE800AA0 20 液位傳感器 3 MIKP260（ MEACON） 21