【文章內(nèi)容簡介】 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 6 第二章 皮帶配料自動(dòng)稱重系統(tǒng) 設(shè)計(jì)總體介紹 一個(gè)完整的皮帶配料自動(dòng)稱重系統(tǒng)主要由配料電子皮帶秤、儀表控制柜、動(dòng)力控制柜、低壓開關(guān)柜、變頻器柜、現(xiàn)場操作盤、工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)、及監(jiān)控管理軟件幾部分組成 ，如下圖所示 。 上 位 機(jī) P I D 變 頻 器 皮 帶 電 機(jī)流 量 運(yùn)算速 度 傳 感 器重 量 傳 感 器皮 帶 秤P L C 圖 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1)配料電子皮帶秤 配料 電子皮帶秤對經(jīng)過皮帶的散裝物料進(jìn)行自動(dòng)地連續(xù)稱量和累計(jì)，具有運(yùn)輸和計(jì)量兩種功能。稱重部分采用電阻應(yīng)變式工作原 理，多托輥杠桿式結(jié)構(gòu)，實(shí)際工作時(shí)，皮帶秤 用恒速計(jì)量方式，通過調(diào)節(jié)上級給料速度來改變物料流量，本類型皮帶秤多用于企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)的工藝控制。 2)儀表控制柜 儀表控制柜主要包括 皮帶秤儀表。 皮帶秤儀表接受來自稱重傳感器的重量毫伏信號(hào)和來自測速傳感器的帶速脈沖信號(hào)，計(jì)算出流量和累計(jì)量，并將流量信號(hào)以 0～ 10 伏模擬電壓 的形式送給工控機(jī)，工控機(jī)將流量信號(hào)與機(jī)內(nèi)設(shè)定值比較后，根據(jù)一定的控制規(guī)則輸出 0～ 10 伏 調(diào)節(jié)信號(hào)， 控制現(xiàn)場給料電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而構(gòu)成單機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到控制某種物料流量的目的。 皮帶秤儀表通過 RS485 通訊接口與工控機(jī)進(jìn)行通訊。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 7 3)動(dòng)力控制柜 動(dòng)力控制柜是動(dòng)力部分的中央控制部件，安裝有電流表、控制按鈕、指示燈、可編程控制器 (以下稱 PLC)及電機(jī)保護(hù)電路，用于監(jiān)控現(xiàn)場皮帶機(jī)電流、對現(xiàn)場皮帶機(jī)和給料設(shè)備的啟、停進(jìn)行控制、指示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、聯(lián)鎖控制及打滑跑偏報(bào)警。 PLC 通過擴(kuò)展 EM277 通訊模塊，用 PROFIBUS_DP 的通訊接口與工控機(jī)進(jìn)行通訊。 4)低壓開關(guān)柜 低壓開關(guān)柜配置有刀開關(guān)、斷路器、電壓表、電 流表、電流互感器、隔離變壓器等器件為各控制柜和配煤系統(tǒng)動(dòng)力部分提供電源，同時(shí)檢測動(dòng)力電源部分的相間電壓和線電流。 5)變頻器柜 柜中的變頻器，接受來自動(dòng)力控制柜的開關(guān)信號(hào)控制上級給料電機(jī)的啟停，同時(shí)亦接受來自工控機(jī)的 0～ 10 伏電壓 調(diào)節(jié)信號(hào)，來改變輸出動(dòng)力電源的頻率，從而控制現(xiàn)場給料機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果變頻器功率較大，則必須在柜體中配置散熱風(fēng)扇，以保證變頻器能正常工作。 6)現(xiàn)場操作盤 配煤系統(tǒng)電機(jī)的現(xiàn)場控制部件，裝有控制按鈕、指示燈，可在機(jī)旁對現(xiàn)場皮帶機(jī)和給料設(shè)備的啟停進(jìn)行控制、指示 PLC 對電機(jī)的命令狀態(tài)。 7)工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)及軟件 工控機(jī)作為上位機(jī)，通過 PROFIBUS 雙向通訊接口與動(dòng)力控制柜中的 PLC 聯(lián)機(jī)，控制 PLC 的運(yùn)行方式，輸出開關(guān)量量控制信號(hào)控制主皮帶電機(jī)的啟停，從而構(gòu)成完整的配料系統(tǒng)。工控機(jī)另留有一個(gè) RS485 雙向通訊接口，以備與全廠的上位工控機(jī)通訊。監(jiān)控軟件的主要功能有 :根據(jù)生產(chǎn)配方和產(chǎn)量目標(biāo)對稱重過程進(jìn)行自動(dòng)控制，對稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理并實(shí)現(xiàn)打印，包括對變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的運(yùn)算。系統(tǒng)軟件有多種現(xiàn)場監(jiān)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 8 控方式和配方輸入方式，以適應(yīng)不同的工程要求，用戶可設(shè)定報(bào)警打印時(shí)間等參數(shù)。界面采用菜單方式，使用 方便，用戶可通過鼠標(biāo)或鍵盤進(jìn)行操作，對整個(gè)配料系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。 上位機(jī)介紹 概述 上位機(jī)是指人可以直接發(fā)出 操作 命令的計(jì)算機(jī)，一般是 PC，屏幕上顯示各種信號(hào)變化（液壓，水位，溫度等）。 下位機(jī) 是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)，一般是 PLC/單片機(jī)之類的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備 狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給上位機(jī)。簡言之如此，實(shí)際情況千差萬別，但 萬變不離其宗 ：上下位機(jī)都需要編程，都有專門的開發(fā)系統(tǒng)。 在概念上 控制者和提供服務(wù)者是上位機(jī) ， 被控制者和被服務(wù)者是下位機(jī) ； 也可以理解為主機(jī)和從機(jī)的關(guān)系 ， 但上位機(jī)和下位機(jī)是可以轉(zhuǎn)換的 。 工作原理 兩機(jī)如何通訊，一般取決于下位機(jī)。通常上位機(jī)和下位機(jī)通訊可以采用不同的通訊協(xié)議， 可以有 RS232的串口通訊，或者采用 RS485 串行通訊，當(dāng)用計(jì)算機(jī)和 PLC 通訊的時(shí)候不但可以采用傳統(tǒng)的 D 形式的串行通訊，還可以采用更適合工業(yè)控制的雙線的PROFIBUSDP 通訊，采用封裝好的程序開發(fā)工具就可以實(shí)現(xiàn) PLC 和上位機(jī)的通訊。當(dāng)然可以自己編寫驅(qū)動(dòng)類的接口協(xié)議控制上位機(jī)和下位機(jī)的通訊。 通常工控機(jī)，工作站，觸摸屏 作為 上位機(jī)，通信控制 PLC，單片機(jī)等下位機(jī)，從而控制相關(guān)設(shè)備元 件和驅(qū)動(dòng)裝置。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 9 概述 采用 PID調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)流量的恒定調(diào)節(jié)，并且可以保證流量控制響應(yīng)快，無超調(diào)。在知道瞬時(shí)流量，并且讀取了流量設(shè)定值的情況下，要實(shí)現(xiàn)流量的恒定，因采用在實(shí)際控制中工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的 PID 算法，即比例、微分、積分法。在過程控制中，按偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制，簡稱為 PID 控制。它是模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式。 PID 調(diào)節(jié)原理 PID控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的， PID控制結(jié)構(gòu) 圖如圖 。 積 分比 例微 分被 控 對 象傳 感 器反 饋 信 號(hào)給 定 量+E ( t )U ( t ) 圖 PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖 控制器輸入和輸出 (誤差 )之間的關(guān)系在時(shí)域中可用給定公式（ ）表示如下： 0()1( ) [ ( ) ( ) ( ) ]t dT d e tu t K p e t e t d tTi d t= + +242。 （ ） 公式中 E(t)表示誤差、 u(t)表示控制器的輸出， Kp 為比例系數(shù)， Td 微分時(shí)間常數(shù)，Ti積分時(shí)間常數(shù)。 (P)控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入 誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。之所以這樣是因?yàn)橹挥挟?dāng)偏差信號(hào) e 不為零內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 時(shí)，調(diào)節(jié)器才會(huì)有輸出；如果 e為零，此時(shí)將失去調(diào)節(jié)作用。或者說，比例調(diào)節(jié)器是利用偏差實(shí)現(xiàn)控制的，它只能使系統(tǒng)輸出近似跟蹤給定值。比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差隨比例系數(shù)的增大而減小，所以要減小誤差就要增大比例增益 Kc。但這樣做往往會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。 (I)控制 在積分調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)的輸出信號(hào) u與輸入偏差信號(hào) e的積分成正比關(guān)系，即 0tIu S edt= 242。 （ ） 式中IS稱為積分速度。由式可見只要有偏差 e存在，調(diào)節(jié)器的輸出會(huì)不斷地隨時(shí)間的增大而增大，只有當(dāng)偏差為零時(shí)，調(diào)節(jié)器才會(huì)停止積分，此時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出就會(huì)維持在一個(gè)數(shù)值上不變，這就說明，當(dāng)被控系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)下的過程結(jié)束后，系統(tǒng)的 靜差 雖然已經(jīng)不存在，但輸出到執(zhí)行器的信號(hào)將保持不變，這與 P調(diào)節(jié)時(shí)，當(dāng) e為零時(shí)調(diào)節(jié)器輸出為零是不同的。當(dāng)采用積分調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度 IS 成正比。增大積分速度會(huì)增強(qiáng)積分效果，使系統(tǒng)的開環(huán)增益增大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。在工程實(shí)際應(yīng)用中，一般將比例和積分結(jié)合起來組成 PI 調(diào)節(jié)器，將比例調(diào)節(jié)的快速反應(yīng)與積分調(diào)節(jié)的消除穩(wěn)態(tài)誤差相結(jié)合，從而能收到比較好的控制效果。 (D)控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分 (即誤差的變化率 )成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件 (環(huán)節(jié) )或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差 的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例” 項(xiàng) 往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 11 這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。微分時(shí)間的選擇對系統(tǒng)質(zhì)量的影響具有兩面性 。當(dāng)微分時(shí)間較小時(shí)，增大微分時(shí)間可以減小偏差，縮短響應(yīng)時(shí)間，減小 震蕩程 度，從而能改善系統(tǒng)的質(zhì)量；但當(dāng)微分時(shí)間較大時(shí)，一方面有可能將測量噪聲放大，另一方面也可能使系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生震蕩。對于滯后較小的系統(tǒng)一般不采用微分控制。 西門子 S7— 200簡介 概述 S7200 系列是一類 可編程序控制器 。這一系列產(chǎn)品可以滿足多種多樣的自動(dòng)化控制需要，圖 S7200 Micro PLC 外形結(jié)構(gòu)圖。由于具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格以及強(qiáng)大的指令，使得 S7200 可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的 CPU類型和電壓等級使其在解決用戶的工業(yè)自動(dòng)化問 題時(shí)，具有很強(qiáng)實(shí)用性。 S7200 系列 適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化。 S7200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7200 系列具有極高的性能 /價(jià)格比。 圖 . S7200 Micro PLC S7200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1） 極高的可靠性 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 12 2） 極豐富的指令集 3)易于掌握 4)便捷的操作 5)豐富的內(nèi)置集成功能 6)實(shí)時(shí)特性 7)強(qiáng)勁的通訊能力 8)豐富的擴(kuò)展模塊 S7200 系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能 。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) 。 一般特性 S7200 系列產(chǎn)品具有高性能的中央處理器和種類繁多的擴(kuò)展模塊，因其模塊化的靈活設(shè)計(jì)而具有廣泛的適用范圍，同時(shí)具有極高的性價(jià)比。 S7200無論單機(jī)運(yùn)行，還是互相或者與其他設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，都具有優(yōu)異的表現(xiàn)。 S7200的主要性能有： 1)快速的中央處理運(yùn)算能力。 2)極豐富的編程指令集。 3）響應(yīng)快速的數(shù)字量和模擬量輸入 /輸出通道。 4）操作便捷，易于掌握。 5）強(qiáng)大的通信能力。 6）豐富的擴(kuò)展模塊。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 13 S7200CPU 集成了豐富的內(nèi)置功能： 1）高速計(jì)數(shù)器輸入。 2）短暫脈沖捕捉功能。 3）高速脈沖輸出。 4） I/O 硬件中斷事件。 5）特殊功能相關(guān)的中斷功能。 6） PID 控制， PID自整定功能。 7）支持多種生產(chǎn)工藝配方。 8）數(shù)據(jù)記錄（歸檔）。 此外， S7200 還支持以下功能： 1）用戶自定義的庫指令，便于模塊化 編程。 2）完善的密碼和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)功能。 3）在 RUN 狀態(tài)下的在線編程能力。 4）直接讀 /寫實(shí)際 I/O。 5）可調(diào)整的數(shù)字量和模擬量的輸入濾波。 6）定義數(shù)字量和模擬量在 STOP 時(shí)的狀態(tài)。 7）多種數(shù)據(jù)保持設(shè)置。 8）一個(gè)可由用戶定義的 LED 狀態(tài)指示燈。 擴(kuò)展模塊 S7— 200CPU 為了擴(kuò)展 I/O 點(diǎn)和執(zhí)行特殊的功能，可以連接擴(kuò)展模塊（ CPU221 除外）。擴(kuò)展模塊主要有如下幾類： 1）數(shù)字量 I/O 模塊。 2）模擬量 I/O 模塊。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 14 3）通信模塊。 4）特殊功能模塊。 1. 數(shù)字量 I/O 擴(kuò)展模塊 數(shù)字 量信號(hào)就是用電信號(hào)的有、無，分別表示控制邏輯上的“ 1”和“ 0”狀態(tài)信號(hào)又稱為開關(guān)量信號(hào)。數(shù)字量 I/O 擴(kuò)展模塊專門用于擴(kuò)展 S7— 200 系統(tǒng)的數(shù)字量 I/O 數(shù)量。 EM221：數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊 EM222: 數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊 EM223：數(shù)字量輸入 /輸出擴(kuò)展模塊 2. 模擬量 I/O 擴(kuò)展模塊 生產(chǎn)過程中有許多電壓、電流信號(hào)，用連續(xù)變化的形式表示流量、溫度、壓力等工藝參數(shù)的大小，就是模擬量信號(hào)。這些信號(hào)在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，如 10～ +10V 電壓，或者 4～ 20mA 電流。 S7— 200 提供了專用的模擬量模塊來處理 模擬量信號(hào)。 EM231：模擬量輸入擴(kuò)展模塊 EM232：模擬量輸出擴(kuò)展模塊 EM235：模擬量輸入 /輸出擴(kuò)展模塊 3. 通信模塊 S7— 200系統(tǒng)提供以下幾種通信模塊，以適應(yīng)不同的通信方式。 EM227： PROFIBUSDP從站通信模塊，同時(shí)也支持 MPI 從站通信。 EM241： 調(diào)制解調(diào)器通信模塊。 CP2431： 工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊。 CP2431 IT：工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊 ,同時(shí)支持 Web/Emai