【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量、各項(xiàng)控制功能和機(jī)型的考慮以及性價(jià)比等各方面的因素，在此我為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇了 S71200CPU224PLC 一臺(tái)。 圖 S71200 PLC CPU 的外形模型圖S71200 有 5 種 CPU 模塊、6 個(gè)有 12 種工作方式的高速計(jì)數(shù)器和兩點(diǎn)高速計(jì)數(shù)器/和脈沖寬度調(diào)制器、直接讀寫的模擬量 I/O 模塊、先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)、靈活方便的尋址方式以及程序化的 PID 編程控制。強(qiáng)大的通訊功能，它支持多種通信協(xié)議。價(jià)格是它在所有品牌在同一功能區(qū)內(nèi)很有競(jìng)爭(zhēng)力的。最重要的是它還提供了完善的的網(wǎng)上支持。這些都為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供很好的條件和方便。變頻器的選擇 正確選擇通用型變頻器對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行時(shí)至關(guān)重要的，首先要15明確使用通用變頻器的目的，按照生產(chǎn)機(jī)械的類型、調(diào)速范圍、速度響應(yīng)和控制精度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性，決定采用什么功能的通用變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，然后決定選用哪種控制方式最合適。所選用的通用變頻器應(yīng)是既滿足生產(chǎn)工藝要求，又要在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上合理。若對(duì)通用變頻器選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用不當(dāng)，往往會(huì)使通用變頻器不能正常的運(yùn)行、達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，甚至引發(fā)設(shè)備故障，造成不必要的損失。另外，為了確保通用變頻器長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行，變頻器的地線的連接也是非常重要的。變頻器在調(diào)速系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)：(1) 控制電機(jī)的啟動(dòng)電流；(2) 降低電力線路的電壓波動(dòng)；(3) 啟動(dòng)時(shí)需要的功率更低；(4) 可控的加速功能；(5) 可調(diào)的運(yùn)行速度；(6) 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限；(7) 受控的停止方式；(8) 節(jié)能；(9) 可逆運(yùn)行控制；(10) 減少機(jī)械傳動(dòng)部件。變頻調(diào)速是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。 n=60f(1s)/p對(duì)于成品電機(jī)，其磁極對(duì)數(shù) p 已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率 s 變化不大，故電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 與電源的頻率 f 成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)的調(diào)試目的。 變頻器的工作原理是把市電(380V 、50Hz)通過(guò)整流器變成平滑直流，然后利用半導(dǎo)體器件(GTO 、GTR 或 IGBT)組成的三相逆變器，將直流電變成可變電16壓和可變頻率的交流電。在本系統(tǒng)中，選用了由西門子生產(chǎn)的變頻器 MM420。(3) 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是直接用來(lái)控制流體流量的裝置，主要是由相互隔離的電氣部分和齒輪傳動(dòng)部分組成，電機(jī)作為連接兩個(gè)隔離部分的中間部件。電機(jī)按控制要求輸出轉(zhuǎn)矩，通過(guò)多級(jí)正齒輪傳遞到梯形絲桿上，梯形絲桿通過(guò)螺紋變換轉(zhuǎn)矩為推力。因此梯形螺桿通過(guò)自鎖的輸出軸將直線行程傳遞到閥桿。執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸帶有一個(gè)防止傳動(dòng)的止轉(zhuǎn)環(huán)，輸出軸的徑向鎖定裝置也可以做動(dòng)位置指示器。輸出軸止動(dòng)環(huán)上連有一個(gè)旗桿，旗桿隨輸出軸同步運(yùn)行，通過(guò)與旗桿連接的齒條板將輸出軸位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，提供給智能控制板作為比較信號(hào)和閥位反饋輸出。同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程也可由齒條板上的兩個(gè)主限位開(kāi)關(guān)開(kāi)限制，并由兩機(jī)械限位保護(hù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)源、以直流電流為控制及反饋信號(hào)，原理方塊圖如圖 3 所示。當(dāng)控制器的輸入端有一個(gè)信號(hào)輸入時(shí)，此信號(hào)與位置信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的偏差值大于規(guī)定的死區(qū)時(shí)，控制器產(chǎn)生功率輸出，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使減速器的輸出軸朝減小這一偏差的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到偏差小于死區(qū)為止。此時(shí)輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的位置上。伺 服電 機(jī)位 置 反 饋控 制 器調(diào)節(jié)閥減 速 器控 制 信 號(hào)圖 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理控制器結(jié)構(gòu)控制器由主控電路板、傳感器、帶 LED 操作按鍵、分相電容、接線端子等組成。智能伺服放大器以專用單片微處理器為基礎(chǔ)，通過(guò)輸入回路把模擬信17號(hào)、閥位電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，微處理器根據(jù)采樣結(jié)果通過(guò)人工智能控制軟件后，顯示結(jié)果及輸出控制信號(hào)。調(diào)節(jié)閥圖 智能控制器組成結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)選用 ZDSN 型電子式電動(dòng)雙調(diào)節(jié)閥。液位傳感器的選擇在攪拌過(guò)稱中對(duì)攪拌器內(nèi)的液位高度要時(shí)刻的關(guān)注，本次設(shè)計(jì)選用靜壓式液位變送器，靜壓投入式液位變送器(液位計(jì))適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的液位測(cè)量。精巧的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的調(diào)校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。4～20mA、 0～5v、 0～10mA 等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出方式由用戶根據(jù)需要任選。 利用流體靜力學(xué)原理測(cè)量液位，是壓力傳感器的一項(xiàng)重要應(yīng)用。采用特種的中間帶有通氣導(dǎo)管的電纜及專門的密封技術(shù)，既保證了傳感器的水密性，又使得參考?jí)毫η慌c環(huán)境壓力相通，從而保證了測(cè)量的高精度和高穩(wěn)定性。用靜壓測(cè)量原理：當(dāng)液位變送器投入到被測(cè)液體中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓力公式為：Ρ = ρ *g* H + Po 式中：P ：變送器迎液面所受壓力ρ：被測(cè)液體密度g ：當(dāng)?shù)刂亓铀俣?8Po ：液面上大氣壓H ：變送器投入液體的深度同時(shí)，通過(guò)導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 Po 與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，使傳感器測(cè)得壓力為：ρ*g*H ，顯然 , 通過(guò)測(cè)取壓力 P ，可以得到液位深度。功能特點(diǎn)：穩(wěn)定性好，滿度、零位長(zhǎng)期穩(wěn)定性可達(dá) % FS/ 年。在補(bǔ)償溫度 0 ～ 70 ℃范圍內(nèi)，溫度飄移低于 % FS ，在整個(gè)允許 工作溫度范圍內(nèi)低于 %FS 。具有反向保護(hù)、限流保護(hù)電路，在安裝時(shí)正負(fù)極接反不會(huì)損壞變送器，異常時(shí)送器會(huì)自動(dòng)限流在 35 MA 以內(nèi)。固態(tài)結(jié)構(gòu)，無(wú)可動(dòng)部件，高可靠性，使用壽命長(zhǎng)。安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐用。 本次設(shè)計(jì)可選用 。5 、電子皮帶秤的選擇電子皮帶秤由承重裝置、稱重傳感器、速度傳感器和稱重顯示器組成。稱重時(shí)，承重裝置將皮帶上配料的重力傳遞到稱重傳感器上，稱重傳感器即輸出正比于配料重力的電壓(mV)信號(hào)，經(jīng)放大器放大后送模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量A，送到運(yùn)算器；配料速度輸入速度傳感器后，速度傳感器即輸出脈沖數(shù) B，也送到運(yùn)算器；運(yùn)算器對(duì) A、B 進(jìn)行運(yùn)算后，即得到這一測(cè)量周期的配料量。對(duì)每一測(cè)量周期進(jìn)行累計(jì)，即可得到皮帶上連續(xù)通過(guò)的配料總量。ICSST4型電子皮帶稱使用最廣泛的皮帶秤。電子皮帶秤稱重橋架安裝于輸送機(jī)架上，當(dāng)配料經(jīng)過(guò)時(shí)，計(jì)量托輥檢測(cè)到皮帶機(jī) 上的配料重量通過(guò)杠桿作用于稱重傳感器，產(chǎn)生一個(gè)正比于皮帶載荷的電壓信號(hào)。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，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。稱重儀表從稱重傳感器和速度傳感器接收信號(hào)，通過(guò)積分運(yùn)算得出一個(gè)瞬時(shí)流量值和累積重量值，并分別顯示出來(lái)。配料重力的傳遞途經(jīng)為：輸送帶→稱重托輥→托輥支架→稱19量臺(tái)→稱重傳感器。而在輸送機(jī)式皮帶秤中，配料重力的傳遞途經(jīng)為：輸送帶→托輥與滾筒→輸送機(jī)架→稱重傳感器。本次設(shè)計(jì)也可選用常用的 ICSST4型電子皮帶秤。電動(dòng)機(jī)選型(1) 變頻電機(jī) M1選型根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本設(shè)計(jì)選用 BPY 系列三相交流異步電動(dòng)機(jī)。BPY 系列三相交流變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)是我國(guó)吸取國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)，在廣泛調(diào)研和收集國(guó)內(nèi)有關(guān)資料的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)成功的最新產(chǎn)品，它具有噪聲小、振動(dòng)小、調(diào)速范圍廣、運(yùn)用可靠、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，可與國(guó)內(nèi)外各類變頻器配套使用，有助于節(jié)能和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。BPY 系列三相交流變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)采用我國(guó)研制開(kāi)發(fā)的 VVVF 變頻調(diào)速電機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序和 CAD 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)具有較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，能在1:10范圍內(nèi)做恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，且運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)轉(zhuǎn)矩爬升現(xiàn)象。在高速運(yùn)行時(shí)，具有較高的過(guò)載能力，保證電機(jī)恒功率輸出。電機(jī)采用單獨(dú)的軸抽風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)，確保在不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)具有良好的冷卻效果。該電機(jī)絕緣可靠、性能優(yōu)良，對(duì)電磁線、侵漬漆等主要的絕緣材料，采取先進(jìn)的介電分析法進(jìn)行質(zhì)量控制，并在絕緣處理過(guò)程中采用動(dòng)態(tài)介電測(cè)量，控制侵器烘焙過(guò)程，保證了電機(jī)絕緣質(zhì)量穩(wěn)定可靠，并對(duì)變頻器高載波頻率引起的過(guò)電壓具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，同時(shí)還可根據(jù)用戶的需求設(shè)置計(jì)算機(jī)控制接口，有助于實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，也可以在非軸伸端裝置制動(dòng)器，便于快速制動(dòng)。BPY 系列三相交流變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)，廣泛用于機(jī)床、紡織、化工、冶金、工業(yè)洗衣機(jī)等行業(yè)的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速及風(fēng)機(jī)水泵等場(chǎng)合的節(jié)能調(diào)速。本設(shè)計(jì)所用的電機(jī) M1也可選用 BPY 系列電動(dòng)機(jī)。(2)本設(shè)計(jì)所用電動(dòng)機(jī) M2和 M3可選用三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)。它主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定、轉(zhuǎn)子之間是氣隙。 轉(zhuǎn)子繞組是用作產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)、 并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的，它分鼠籠式和繞線式兩種。 鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組是自己短路的繞組，在轉(zhuǎn)子在每個(gè)槽中放有一根導(dǎo)體 (材料為銅或鋁)，導(dǎo)體比鐵芯長(zhǎng)，在鐵芯兩端用兩個(gè)端環(huán)將導(dǎo)體短接，形成短路繞組。若將鐵芯去掉，剩下的繞組形狀似松鼠籠子，故稱鼠籠式繞組。20鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低、運(yùn)行維護(hù)方便，它被廣泛地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作為電力拖動(dòng)的原動(dòng)機(jī)。它的缺點(diǎn)是調(diào)速性能差，啟動(dòng)力矩較小，因此在一些要求平滑調(diào)速和啟動(dòng)力矩很大的場(chǎng)合常用其他類型電動(dòng)機(jī)來(lái)完成。本次設(shè)計(jì) MM3電動(dòng)機(jī)可選用型號(hào)：YLZ 系列三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)。電磁流量計(jì)選型電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行流量測(cè)量的流量計(jì)。電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是壓損極小，可測(cè)流量范圍大。最大流量與最小流量的比值一般為20：1以上，適用的工業(yè)管徑范圍寬，最大可達(dá)3m ，輸出信號(hào)和被測(cè)流量成線性，精確度較高，可測(cè)量電導(dǎo)率≥1μs/cm 的酸、堿、鹽溶液、水、污水、腐蝕性液體以及泥漿、礦漿的流體流量。但它不能測(cè)量氣體、蒸汽以及純凈水的流量。 [1]當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)的大小與導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度及導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的速度成正比。同理，導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中作垂直方向流動(dòng)而切割磁感應(yīng)力線時(shí)，也會(huì)在管道兩邊的電極上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)的方向由右手定則判定，感應(yīng)電勢(shì)的大小由下式確定：Ex=BDv式中 Ex—感應(yīng)電勢(shì)，V；　 　 B—磁感應(yīng)強(qiáng)度，T　 　 D—管道內(nèi)徑，m　 　 v—液體的平均流速，m/s然而體積流量 qv 等于流體的流速 v 與管道截面積(πD178。)/4的乘積，將式(1)代入該式得：Qv=(πD/4B)* Ex 由上式可知，在管道直徑 D 己定且保持磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 不變時(shí)，被測(cè)體積流量與感應(yīng)電勢(shì)呈線性關(guān)系。若在管道兩側(cè)各插入一根電極，就可引入感應(yīng)電勢(shì)Ex，測(cè)量此電勢(shì)的大小，就可求得體積流量。本次設(shè)計(jì)可以選用 LD 系列智能電磁流量計(jì)。21 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)控制方案的要求配料 A 和配料 B 要用到 S71200 的 PID 控制指令。下面分別對(duì)配料 A 和配料 B 的控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。 PID 控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量來(lái)進(jìn)行控制。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)、控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這是應(yīng)用 PID控制技術(shù)最為方便。即使我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合采用 PID 控制技術(shù)。控制系統(tǒng)一般包括開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對(duì)象輸出對(duì)控制器的輸出沒(méi)有影響，在這中控制系統(tǒng)不依賴將被控制量反送回來(lái)已形成任何的閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)，閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反則稱為負(fù)反饋；若極性相同則成為正反饋。一般控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱為負(fù)反饋控制系統(tǒng)。可見(jiàn)，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)變頻電機(jī) M1 的控制可采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制框圖如圖 所示。PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。他是根據(jù)被控過(guò)程的特性，確定 PID 控制器的比例參數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有如下兩類：，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接使用，還必須經(jīng)過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定法。它主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)試樣中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛應(yīng)用。PID 控制器的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。這三種方法各有其特點(diǎn)，其中共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際中進(jìn)行最后的整定與完善?，F(xiàn)在一般采用臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如22下：(1) 首先與選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作。(2) 僅加入比列控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期。(3) 在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。PID 控制器的主要優(yōu)點(diǎn)PID 控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1　PID 算法蘊(yùn)含了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中過(guò)去、現(xiàn)在、將來(lái)的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。其中，比列(P)代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，是過(guò)程反應(yīng)迅速。微分(D) 在信號(hào)變化時(shí)有超前控制作用，代表將來(lái)的信息。在過(guò)程開(kāi)始是強(qiáng)迫過(guò)程進(jìn)行，過(guò)稱結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)