【正文】 人為達(dá)成的，這不僅效率低，而且所需人力較大，資源消耗了往往還無(wú)法達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)量。 PLC 便是這些眾多設(shè)備其中之一，作為專為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，它的應(yīng)用范圍非常廣，并且還在進(jìn)一步的發(fā)展，掌握它的使用方法非常實(shí)用，這正是本篇論文選題的原因。水泥是一種粉狀的水硬性 無(wú)機(jī)膠凝材料 ，加水混合攪拌以后會(huì)成為漿狀物，可以在大氣中固化或在水里更好的固化，并且能夠把砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起。一直以來(lái)，水泥作為一種重要的膠凝材料，被廣泛的用在了建筑等行業(yè)。這算是最早發(fā)現(xiàn)的水泥制法了，這是水泥研制和發(fā)展的一個(gè)良好開始。又因它采用的是天然泥灰?guī)r來(lái)作原料并且沒(méi)有進(jìn)行配料就生產(chǎn)出來(lái)了，所以還叫做天然水泥。 法國(guó)的一位土木技師畢加，在 1813 年發(fā)現(xiàn)了將 石灰 和粘土按三比一的比例混合制而成的水泥性能非常的好。阿斯譜丁 發(fā)明了水泥。因?yàn)檫@種水泥硬化之后跟波蘭特用來(lái)修建房屋等的材料顏色差不多，所以被命名為波特蘭水泥，基于 PLC 的水泥自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 這位建筑工人也獲得了此種水泥的專利。 1877 年，英國(guó)的 克蘭 普頓在已有的生產(chǎn)水泥基礎(chǔ)上，發(fā)明了回轉(zhuǎn)爐，這種設(shè)備和以前的窯式制造水泥的設(shè)備相比在各方面都具有很大的提升。 我國(guó)的水泥廠是在河北唐山的一個(gè)“細(xì)綿土”廠的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，名叫啟新洋灰公司，當(dāng)時(shí)的產(chǎn)量可達(dá)每年四 萬(wàn) 噸?，F(xiàn)如今已經(jīng)有的水泥品種達(dá)到了 100 多種，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在 2020 年全世界的水泥產(chǎn)量大概達(dá) 20 億 噸。 2020 年，中國(guó)的水泥年產(chǎn)量達(dá)到 億噸，占全球水泥總產(chǎn)量的 50%以上 [1]。通用水泥主要指的是： GB175— 2020 規(guī)定的六大類水泥，即 硅酸鹽 水泥、普通硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì) 硅酸鹽 水泥、 礦渣硅酸鹽水泥 、粉煤灰 硅酸鹽水泥和 復(fù)合硅酸鹽水泥 。 （ 2）專用水泥：這種水泥具有專門的用途。這種水泥的針對(duì)性很強(qiáng)，只有在相應(yīng)的要求下才會(huì)使用專用水泥。如： 快硬硅酸鹽水泥 、低熱礦渣硅酸鹽水泥、磷鋁酸鹽水泥、膨脹 硫鋁酸鹽水泥 和磷酸鹽水泥等。 3. 按其主要 技術(shù)特性分： （ 1）快硬性（水硬性）：分為快硬和特快硬兩類； （ 2） 水化熱 ：分為低熱和中熱兩類； （ 3）抗 硫酸鹽 性：分中抗硫酸鹽腐蝕和高抗硫酸鹽腐蝕兩 類； （ 4）膨脹性：分為 膨脹 和自應(yīng)力兩類； （ 5）耐高溫性： 鋁酸鹽水泥 是耐高溫的水泥，它的耐高溫性能是按照水泥中氧化鋁含量來(lái)分級(jí)的 [2]。 水泥的生產(chǎn)工藝流程 水泥 生產(chǎn)線是由生產(chǎn)水泥的一系列設(shè)備組成的水泥設(shè)備生產(chǎn)線。下面對(duì)這些過(guò)程做一個(gè)簡(jiǎn)單地介紹： 1. 破碎及預(yù)均化：這是水泥生產(chǎn)的第一個(gè)步驟，將運(yùn)來(lái)的水泥原料石灰石等用破碎機(jī)破碎并均化混合后經(jīng)皮帶運(yùn)輸機(jī)送入生料均化庫(kù)。 基于 PLC 的水泥自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 3. 預(yù)熱分解：石灰石等原料按比例均化后便是煅燒了，由于直接煅燒所需時(shí)間久，能量大，這就要在煅燒之前先將生料加熱，使之獲取足夠能量分解后再經(jīng)回轉(zhuǎn)窯送到篦冷機(jī)冷卻后輸送到熟料存放的地方。將熟料和輔料按比例混合后送入磨機(jī)房進(jìn)一步加工，這時(shí)出來(lái)的水泥便是成品了，經(jīng)提升機(jī)送入水泥庫(kù)。因有的地方使用水泥量不是特別多，并且易于儲(chǔ)藏，需要將水泥成品進(jìn)行裝袋處理。配料的精度決定著水泥的質(zhì)量，自動(dòng)配料系統(tǒng)對(duì)水泥生產(chǎn)帶來(lái)很多便利。 水泥自動(dòng)配料的原理分析 水泥成品是由熟料（石灰石、粘土等煅燒而得）、礦渣、石膏等材料按一定比例的配比混合后磨制而成。配比方式采用的是總量比例控制，即操作員只需設(shè)定三種物料總的下料量，再設(shè)定這幾種物料的具體配比是多少，系統(tǒng)就可以自動(dòng)計(jì)算出各物料的下料設(shè)定值，分別存儲(chǔ)在 CPU中，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中將測(cè)量值與設(shè)定值對(duì)比， 再相應(yīng)的去調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，自動(dòng)控制各物料的下料量，使各物料的實(shí)際下料量與設(shè)定值相同 [3]。自動(dòng)配料系統(tǒng)其實(shí)就是一個(gè)將生產(chǎn)需要的每一種物料進(jìn)行單獨(dú)稱重后并按照工藝設(shè)定的比例去混合的自動(dòng)化過(guò)程，可以簡(jiǎn)單地描述成以下幾部分： 1. 給料部分：給料部分是從物料庫(kù)向定量給料機(jī)中下料的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 3. 下料部分：在配料過(guò)程中，還需要運(yùn)輸皮帶按固定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的物料從下料口下到皮帶上。 自動(dòng)配料系統(tǒng)相當(dāng)于是一種自動(dòng)衡器，它要連續(xù)自動(dòng)的測(cè)量出物料在運(yùn)輸過(guò)程中的重量，也就是實(shí)時(shí)的物料重量，并且還要自動(dòng)完成基于 PLC 的水泥自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 累計(jì)，具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)。所以，在采集皮帶上物料重量的同時(shí)，必須采 集皮帶運(yùn)行的速度，并把這兩個(gè)值送到控制器進(jìn)行乘積和積分運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果即為此時(shí)配料系統(tǒng)的配料速度和已經(jīng)配料的累計(jì)值。 物料庫(kù)是三種原料存儲(chǔ)的地方，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的皮帶運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)后開啟閥門下料；定量給料機(jī)集稱重、測(cè)速和輸送物料為一身；皮帶運(yùn)輸機(jī)用作運(yùn)輸混合后的材料。 圖 自動(dòng)配料結(jié)構(gòu)圖 從圖中可以看出，系統(tǒng)是由三大部分組成，熟料庫(kù)的下料口是有固定開度的，皮帶運(yùn)輸機(jī)的速度也是固定的，所以熟 料庫(kù)下料及運(yùn)輸機(jī)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。 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(guò)程中，配料是為了將各種原料按照合適的比例來(lái)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?jī)?yōu)秀。因此，配料的精確度、準(zhǔn)確度，決定了水泥成品的質(zhì)量。因 此，需要滿足熟料每小時(shí)給料量為 160t，礦渣 30t,石膏 10t。本設(shè)計(jì)通過(guò)皮帶運(yùn)行一定時(shí)間內(nèi)來(lái)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(wú)誤差，來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。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。我們可以把每次采集的物流量看成是脈沖信號(hào)，每來(lái)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(guò)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。因?yàn)檫@兩個(gè)值的概念不同，無(wú)法統(tǒng)一計(jì)算，因此需要用到 PID 調(diào)節(jié)。僅使用比例控制時(shí)，能夠?qū)⒈壤脕?lái)體現(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(lái)降低偏差?；?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(méi)有一點(diǎn)誤差。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分的時(shí)間常數(shù) Ti。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)。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(lái)，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。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]。 圖 PID調(diào)節(jié)原理 在配料過(guò)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)?；?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(guò)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。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)。 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。 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。 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。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。 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(guò)電壓 /欠電壓保護(hù)；過(guò)熱保護(hù)；短路保護(hù)等等，使用安裝都非常簡(jiǎn)單方便 [5]。 旋轉(zhuǎn)編碼器是一類能夠測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的器件。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。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(guò)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]。增量式編碼器是利用計(jì)數(shù)增量的方法來(lái)測(cè)量設(shè)備位移的。 相對(duì)來(lái)說(shuō)，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。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(guò)記憶和找尋參考點(diǎn)來(lái)得知。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(wú)誤地讀出掉電或重啟位置的代碼，并準(zhǔn)確無(wú)誤地找到零位代碼的位置。 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。 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]。 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(guó)的工業(yè)發(fā)展情況，對(duì)它做了一些改進(jìn)。它能在比較惡劣的環(huán)境下運(yùn)作，適應(yīng)性 較強(qiáng)。 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 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 的誕生起源于美國(guó)的汽車制造業(yè)，在20 世紀(jì) 60 年代那一個(gè)時(shí)期，美國(guó)的汽車行業(yè)發(fā)展非常快，相應(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)