【文章內(nèi)容簡介】 點數(shù)、存儲器容量、各項控制功能和機型的考慮以及性價比等各方面的因素，在此我為該系統(tǒng)設(shè)計選擇了 S71200CPU224PLC 一臺。 圖 S71200 PLC CPU 的外形模型圖S71200 有 5 種 CPU 模塊、6 個有 12 種工作方式的高速計數(shù)器和兩點高速計數(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。強大的通訊功能，它支持多種通信協(xié)議。價格是它在所有品牌在同一功能區(qū)內(nèi)很有競爭力的。最重要的是它還提供了完善的的網(wǎng)上支持。這些都為實現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計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于傳動系統(tǒng)能夠正常運行時至關(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)機械的類型、調(diào)速范圍、速度響應(yīng)和控制精度、啟動轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動負(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。若對通用變頻器選型、系統(tǒng)設(shè)計及使用不當(dāng)，往往會使通用變頻器不能正常的運行、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期可靠的運行，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：(1) 控制電機的啟動電流；(2) 降低電力線路的電壓波動；(3) 啟動時需要的功率更低；(4) 可控的加速功能；(5) 可調(diào)的運行速度；(6) 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限；(7) 受控的停止方式；(8) 節(jié)能；(9) 可逆運行控制；(10) 減少機械傳動部件。變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。 n=60f(1s)/p對于成品電機，其磁極對數(shù) p 已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率 s 變化不大，故電機的轉(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的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機的調(diào)試目的。 變頻器的工作原理是把市電(380V 、50Hz)通過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) 電動調(diào)節(jié)閥的選擇電動調(diào)節(jié)閥是直接用來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部分組成，電機作為連接兩個隔離部分的中間部件。電機按控制要求輸出轉(zhuǎn)矩，通過多級正齒輪傳遞到梯形絲桿上，梯形絲桿通過螺紋變換轉(zhuǎn)矩為推力。因此梯形螺桿通過自鎖的輸出軸將直線行程傳遞到閥桿。執(zhí)行機構(gòu)輸出軸帶有一個防止傳動的止轉(zhuǎn)環(huán)，輸出軸的徑向鎖定裝置也可以做動位置指示器。輸出軸止動環(huán)上連有一個旗桿，旗桿隨輸出軸同步運行，通過與旗桿連接的齒條板將輸出軸位移轉(zhuǎn)換成電信號，提供給智能控制板作為比較信號和閥位反饋輸出。同時執(zhí)行機構(gòu)的行程也可由齒條板上的兩個主限位開關(guān)開限制，并由兩機械限位保護(hù)。執(zhí)行機構(gòu)工作原理電動執(zhí)行機構(gòu)是以電動機為驅(qū)動源、以直流電流為控制及反饋信號，原理方塊圖如圖 3 所示。當(dāng)控制器的輸入端有一個信號輸入時，此信號與位置信號進(jìn)行比較，當(dāng)兩個信號的偏差值大于規(guī)定的死區(qū)時，控制器產(chǎn)生功率輸出，驅(qū)動伺服電動機轉(zhuǎn)動使減速器的輸出軸朝減小這一偏差的方向轉(zhuǎn)動，直到偏差小于死區(qū)為止。此時輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號相對應(yīng)的位置上。伺 服電 機位 置 反 饋控 制 器調(diào)節(jié)閥減 速 器控 制 信 號圖 電動執(zhí)行機構(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)，通過輸入回路把模擬信17號、閥位電阻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，微處理器根據(jù)采樣結(jié)果通過人工智能控制軟件后，顯示結(jié)果及輸出控制信號。調(diào)節(jié)閥圖 智能控制器組成結(jié)構(gòu) 本設(shè)計選用 ZDSN 型電子式電動雙調(diào)節(jié)閥。液位傳感器的選擇在攪拌過稱中對攪拌器內(nèi)的液位高度要時刻的關(guān)注，本次設(shè)計選用靜壓式液位變送器，靜壓投入式液位變送器(液位計)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)的液位測量。精巧的結(jié)構(gòu)，簡單的調(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)原理測量液位，是壓力傳感器的一項重要應(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，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)定性。用靜壓測量原理：當(dāng)液位變送器投入到被測液體中某一深度時，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，通過導(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 ，使傳感器測得壓力為：ρ*g*H ，顯然 , 通過測取壓力 P ，可以得到液位深度。功能特點：穩(wěn)定性好，滿度、零位長期穩(wěn)定性可達(dá) % FS/ 年。在補償溫度 0 ～ 70 ℃范圍內(nèi)，溫度飄移低于 % FS ，在整個允許 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，在安裝時正負(fù)極接反不會損壞變送器，異常時送器會自動限流在 35 MA 以內(nèi)。固態(tài)結(jié)構(gòu)，無可動部件，高可靠性，使用壽命長。安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)耐用。 本次設(shè)計可選用 。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，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，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，也送到運算器；運算器對 A、B 進(jìn)行運算后，即得到這一測量周期的配料量。對每一測量周期進(jìn)行累計，即可得到皮帶上連續(xù)通過的配料總量。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架上，當(dāng)配料經(jīng)過時，計量托輥檢測到皮帶機 上的配料重量通過杠桿作用于稱重傳感器，產(chǎn)生一個正比于皮帶載荷的電壓信號。速度傳感器直接連在大直徑測速滾筒上，提供一系列脈沖，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。稱重儀表從稱重傳感器和速度傳感器接收信號，通過積分運算得出一個瞬時流量值和累積重量值，并分別顯示出來。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→稱重傳感器。而在輸送機式皮帶秤中，配料重力的傳遞途經(jīng)為：輸送帶→托輥與滾筒→輸送機架→稱重傳感器。本次設(shè)計也可選用常用的 ICSST4型電子皮帶秤。電動機選型(1) 變頻電機 M1選型根據(jù)設(shè)計的要求，本設(shè)計選用 BPY 系列三相交流異步電動機。BPY 系列三相交流變頻調(diào)速異步電動機是我國吸取國外產(chǎn)品技術(shù)，在廣泛調(diào)研和收集國內(nèi)有關(guān)資料的基礎(chǔ)上開發(fā)成功的最新產(chǎn)品，它具有噪聲小、振動小、調(diào)速范圍廣、運用可靠、維修方便等優(yōu)點，可與國內(nèi)外各類變頻器配套使用，有助于節(jié)能和實現(xiàn)自動控制。BPY 系列三相交流變頻調(diào)速異步電動機采用我國研制開發(fā)的 VVVF 變頻調(diào)速電機計算機輔助設(shè)計程序和 CAD 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，是電機在低速運行時具有較高的啟動轉(zhuǎn)矩，能在1:10范圍內(nèi)做恒轉(zhuǎn)矩運行，且運行平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)矩爬升現(xiàn)象。在高速運行時，具有較高的過載能力，保證電機恒功率輸出。電機采用單獨的軸抽風(fēng)機強迫通風(fēng)，確保在不同的轉(zhuǎn)速運行時具有良好的冷卻效果。該電機絕緣可靠、性能優(yōu)良，對電磁線、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，并在絕緣處理過程中采用動態(tài)介電測量，控制侵器烘焙過程，保證了電機絕緣質(zhì)量穩(wěn)定可靠，并對變頻器高載波頻率引起的過電壓具有很強的適應(yīng)能力，同時還可根據(jù)用戶的需求設(shè)置計算機控制接口，有助于實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的自動化控制，也可以在非軸伸端裝置制動器，便于快速制動。BPY 系列三相交流變頻調(diào)速異步電動機，廣泛用于機床、紡織、化工、冶金、工業(yè)洗衣機等行業(yè)的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速及風(fēng)機水泵等場合的節(jié)能調(diào)速。本設(shè)計所用的電機 M1也可選用 BPY 系列電動機。(2)本設(shè)計所用電動機 M2和 M3可選用三相鼠籠異步電動機三相異步電動機。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、 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)子在每個槽中放有一根導(dǎo)體 (材料為銅或鋁)，導(dǎo)體比鐵芯長，在鐵芯兩端用兩個端環(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鼠籠式異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、運行維護(hù)方便，它被廣泛地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作為電力拖動的原動機。它的缺點是調(diào)速性能差，啟動力矩較小，因此在一些要求平滑調(diào)速和啟動力矩很大的場合常用其他類型電動機來完成。本次設(shè)計 MM3電動機可選用型號：YLZ 系列三相鼠籠異步電動機。電磁流量計選型電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行流量測量的流量計。電磁流量計的優(yōu)點是壓損極小，可測流量范圍大。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 ，輸出信號和被測流量成線性，精確度較高，可測量電導(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。但它不能測量氣體、蒸汽以及純凈水的流量。 [1]當(dāng)導(dǎo)體在磁場中作切割磁力線運動時，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的大小與導(dǎo)體在磁場中的有效長度及導(dǎo)體在磁場中作垂直于磁場方向運動的速度成正比。同理，導(dǎo)電流體在磁場中作垂直方向流動而切割磁感應(yīng)力線時，也會在管道兩邊的電極上產(chǎn)生感應(yīng)電勢。感應(yīng)電勢的方向由右手定則判定，感應(yīng)電勢的大小由下式確定：Ex=BDv式中 Ex—感應(yīng)電勢，V；　 　 B—磁感應(yīng)強度，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)強度 B 不變時，被測體積流量與感應(yīng)電勢呈線性關(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Ex，測量此電勢的大小，就可求得體積流量。本次設(shè)計可以選用 LD 系列智能電磁流量計。21 硬件系統(tǒng)設(shè)計根據(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。下面分別對配料 A 和配料 B 的控制方式進(jìn)行設(shè)計。 PID 控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量來進(jìn)行控制。當(dāng)被控對象的結(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、控制理論的其他技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，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系統(tǒng)和被控對象，或不能不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合采用 PID 控制技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)一般包括開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對象輸出對控制器的輸出沒有影響，在這中控制系統(tǒng)不依賴將被控制量反送回來已形成任何的閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)被控對象會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)，閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反則稱為負(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)?？梢?，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于開環(huán)控制系統(tǒng)。本設(shè)計變頻電機 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)計的核心內(nèi)容。他是根據(jù)被控過程的特性，確定 PID 控制器的比例參數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有如下兩類：，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的的計算數(shù)據(jù)未必可以直接使用，還必須經(jīng)過工程實際進(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，直接在控制系統(tǒng)試樣中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛應(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，其中共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的的控制器參數(shù)，都需要在實際中進(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)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期。(3) 在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù)。PID 控制器的主要優(yōu)點PID 控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器，它具有以下優(yōu)點：1　PID 算法蘊含了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在、將來的主要信息，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，是過程反應(yīng)迅速。微分(D) 在信號變化時有超前控制作用，代表將來的信息。在過程開始是強迫過程進(jìn)行，過稱結(jié)束時減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)