自动配料控制系统设计.docx
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自动配料控制系统设计
毕业设计（论文）
设计题目：
自动配料控制系统的设计
专业：
机电一体化
班级：
学号：
姓名：
XXX
指导老师：
起讫日期
摘要
在新的产业，为各种称量原料，配料与混合是新型材料在生产过程中是一个重要环节，将直接影响最终产品的质量。
原PLC配料安全自动监测系统和配料精度和可靠性具有重要的作用，但仍存在一些问题，如数据处理能力弱，人机界面不够友好。
MCGS组态软件，具有友好，开发平台，功能丰富的特点，可显示直接现场的生产状况，并支持等重要数据的存储过程和事件。
因此，基于组态软件MCGS开发和设计配料监控系统，可进一步改进存在的不足，提高配料系统的易用性和可靠性，更好地满足工业现场需要。
关键词：
组态软件PLC自动监控
1绪论
自动配料系统是一种在线测量动态计量的系统，有输送、计量、配料、定量等等功能于一身，在冶金、建材、化工、饲料加工等行业中有着广泛应用。
设计开发自动配料和优化控制系统，对改善劳动的条件、提高产品的质量和生产的效率具有很重要的意义。
本文章针对当前配料生产企业工艺水平相对落后、自动化水平过低、生产效率很低的不足，设计了一个可以自动配料优化控制的系统，系统能全自动、远程手动以及本地手动三种模式下运行。
在硬件的设计上，采用工控机与PLC相结合的总体控制结构，由工控制机来实现系统的管理和远程监控，PLC将数字信号转换成电信号来完成设备级的动作控制及相关信号的处理，通过以太网及RS-485总线实现与系统的联接与通信；改进了配料车的定位系统，利用设计的定位盒实现位置编码方案，一定程度上提高了定位的精度。
在软件设计这方面我设计开发了画面实时监控和数据库管理（SCADA）等上位机应用软件，确定能够保存产品配方、料仓数据、实时数据等重要信息，也能实现历史数据的查询、报表的打印、实时数据和状态的显示、远程控制等等各方面功能。
本文设计了PLC主控程序以及通信、配料精度控制和配料车行走子的程序。
本文针对配料系统普遍存在的配料落差控制问题，采用了一种基于模糊自适应结合PID的复合型预测控制算法，当采用了PID控制器时，由于PID控制器的积分积累作用，会引起系统较大的超调甚至震荡。
算法将模糊自适应控制宽范围快速调节和PID精确调节的特点有机结合起来，当系统的偏差大于某一设定值时，采用结合了人的经验的模糊自适应规则控制，当系统偏差小于设定值时采用PID控制，模糊控制器的两个输入分别为系统期望值和偏差，通过不同的期望值，预测不同的空中落差，并通过仿真实验证明了该方法的有效性；针对批量生产时的工作效率问题，通过对两台配料车工作时序的认真分析，建立了系统的数学模型，并利用遗传算法进行寻优，精心设计了遗传算子，求解出了最大工作效率所需的两台配料车的最佳行走路径，解决了配料车行走路径的优化问题。
该课题研究开发成果，已投入不定形耐火材料实际生产，运行结果表明，系统运行稳定可靠、控制精度和生产效率高。
2自动配料控制系统
2.1系统构成
某企业需要对四种颗粒工业原材料通过使用四个定量自动称重计负担,原料具有良好的流动性。
四种原料在四个锥形原材料仓库,每个原料仓的底部安装了一个气缸控制的进料阀，用以给对应的电子秤料斗上料。
电子秤用称重传感器测量原料的质量。
每个电子秤的料斗底部安装了一个气缸控制的放料阀。
低于电子秤和外部仓库电动机驱动叶轮内部混合,搅拌混合器的原材料。
如图1自动配料控制系统示意图所示。
系统构成主要由：
气缸驱动阀杆、阀门开关、电磁阀线圈、进料阀、电磁阀线圈电源、入料阀等构成。
图1自动配料控制系统示意图
2.2系统控制要求
某企业需要对四种颗粒工业原材料通过使用四个定量自动称重计负担,原料具有良好的流动性。
四种原料在四个锥形原材料仓库,每个原料仓的底部安装了一个气缸控制的进料阀，用以给对应的电子秤料斗上料。
电子秤用称重传感器测量原料的质量。
每个电子秤的料斗底部安装了一个气缸控制的放料阀。
低于电子秤和外部仓库电动机驱动叶轮内部混合,搅拌混合器的原材料。
按下“开始”按钮,之后的每个传入的材料仓库阀门同时打开，给相应的电子秤料斗进料，电子秤料斗时原材料质量达到预设的成分,给水阀自动关闭。
四种原材料混合后同时打开电子秤进料阀，开始进料，之后把材料进料阀自动关闭。
当四个电子秤料斗进料完毕，启动所有搅拌器。
搅拌一定时间后,混合器停止,把成品阀门打开,开始把成品批量处理，如此循环。
中途如果按下“停止”按钮，系统不立即停止工作,但是等待周期结束时停止。
2.3系统控制画面设计
2.3.1确定需要设计的界面
根据工艺流程的要求和系统设计、自动配料控制系统需要设置以下界面:
（1）主菜单运行界面，开机时显示的初始界面，能选择想要进入的界面。
（2）自动运行界面，也称主界面。
（3）手动控制界面，系统手动操作界面。
（4）配方操作与显示画面，配方选择、编辑及其参数显示。
（5）报警显示画面，显示报警信息记录。
2.3.2创建新工程
在组态配置环境,创建一个名为“自动配料控制系统”项目,并保存。
2.3.3建立用户窗口
“自动配料控制系统”在新的工程工作台创建5个用户窗口，窗口名称分别为：
“主菜单界面”、“自动运行界面”、“手动控制界面”、“配方操作与显示界面”、“报警显示界面”，如图2所示。
图2建立用户窗口
2.3.4实时数据库
根据自动配料控制系统的设计要求，共有54所需的数据对象，见下表1。
表1自动配料控制系统数据对象（变量）
2.4主菜单界面的设计
主菜单屏幕系统的初始屏幕操作,每个图片之间切换的主要功能。
画面的整体效果如图3所示。
图3主菜单屏幕界面
2.4.1运行模式显示策略：
在工作台上“运行策略”选项中，新建一个循环策略，在“策略属性设置”对话栏中把“策略名称”改为“模式显示”，周期设置在“100”ms上。
双击“模式显示”，添加策略行，再添加个“脚本程序”，双击
进入此脚本程序的，输入下面程序：
if自动=1then
运行模式=“自动运行”
Else
运行模式=“手动运行”
Endif
2.5自动运行界面设计
系统有自动和手动两种操作模式,由PLC外部自动/手动开关来选择运行模式。
自动模式称为自动运行,它是最常用的界面,也可以称为主界面。
自动运行界面的整体效果如图4。
图4自动运行画面
2.6运行策略设计
2.6.1.粒料动画显示策略
（1）在工作台上的“运行策略”选项中，新建个循环策略，在“策略属性设置”对话栏中把“策略名称”改为“粒料动画”，周期设置在“100”ms上。
（2）双击“粒料动画”，添加策略行，再添加“脚本程序”，双击
进入此脚本程序，输入下面程序：
Dd=dd+1
Ifdd>2then
Dd=0
Endif
2.6.2.搅拌动画的显示策略
（1）在工作台上“运行策略”选项中，新建循环策略，在“策略属性设置”对话栏中把“策略名称”改为“搅拌动画”，周期设置“200”ms。
（2）双击“搅拌动画”，新添策略行，再添“脚本程序”，双击
进入此脚本程序，输入下面程序：
if搅拌器=1then
搅拌桨=1-搅拌器
Endif
2.6.2.混合仓物料位变化策略
为了在设置的放料时间内去完成放成品物料，循环策略会把每0.1s将混合仓的物料位减去放物料初始料位除去放成品的时间设定值（单位为0.1s）前，这可以保证放料时间达到设定值时刚好完成放料。
其周期脚本设计如下：
（1）在工作台上的“运行策略”选项中，建个循环策略，在“策略属性设置”对话栏中把“策略名称”改为“混合仓料位”，周期设置在“100”ms。
（2）双击“混合仓料位”，新添个策略行，再添加“脚本程序”，双击
进入此脚本程序，输入下面程序：
if放A物料阀=1AND放成品阀=0then
混合仓料位=混合仓料位+0.1
Endif
if放B物料阀=1AND放成品阀=0then
混合仓料位=混合仓料位+0.1
Endif
if放C物料阀=1AND放成品阀=0THEN
混合仓料位=混合仓料位+0.1
Endif
if放D物料阀=1AND放成品阀=0THEN
混合仓料位=混合仓料位+0.1
Endif
if放A物料阀=0AND放B物料阀=0AND放C物料阀=0AND放D物料阀=0AND
放成品阀=1then
混合仓料位=混合仓料位-放料初始料位/（放成品时间设置*10）
if混合仓料位<=0then混合仓料位=0
Endif
if混合仓料位<=0then
混合仓料位=0
Endif
2.7手动控制画面设计
手动控制画面的整体效果如图5所示。
它和自动运行画面基本相同。
图5手动控制画面
2.8配方操作与显示画面设计
配方操作与显示画面的整体效果如图6所示。
此画面主要显示了配方具体运行道的某一步骤。
图6配方操作与显示画面
2.9报警显示画面设计
报警显示界面主要实时显示各种原材料仓库的材料，且能发出警报。
为了检测是否缺物料，该项目采用设置进料限时时间的发法，即在设置的时间内原料仓流入秤斗上的料如果达不到设置的量，就能够间接判该原料仓为缺料状态。
报警显示界面为屏幕的整体效果，如图7。
图7报警显示界面
3系统中PLC的使用
3.1PLC的选型
本次设计中选择了日本三菱公司的FX2N系列PLC可编程序控制器。
表4-3给出了三菱FX2N系列的分配图。
根据输入和输出点数的分析情况，和节约成本考虑，此次设计选择FX2N-32MR系列PLC。
表2FX2N系列PLC型号
3.2PLC输入（I）/输出（O）地址划分
自动配料控制系统采用现场控制和触摸屏控制,控制设备的网站,根据控制要求的分析,系统需要PLC输入点14日10点,选择模型三菱PLCFX3U-32可以满足要求,I/O地址划分如表3示。
表3I/O地址划分
3.3PLC控制接线图
根据上表可绘制PLC控制I/O接线图，如下图。
图FX2N-2电子称重传感器与模拟输入模块,每个模块有两个输入通道,所以选择两个FX2N-2模块。
见图8（图中开关SB1--SB2都为长开开关）。
图8PLC控制接线图
3.4触摸屏数据对象与PLC寄存器划分
触摸屏数据对象与PLC寄存器之间的划分见表4。
表中A物料质量—D物料质量（D1--D4）等是由PLC程序运算得到的。
见下表（表4）。
表4触摸屏数据对象与PLC寄存器划分
3.5PLC流程图
由状态转移图很容易设计出整个系统的PLC梯形图程序（如下图9）。
图9状态转移图
3.6PLC程序梯形图
通过状态转移图设计整个配料过程的PLC梯形图程序。
图10梯形图
图10梯形图（续1）
图10梯形图（续2）
4MCGS设备组态、连机调试
打开“自动配料控制系统”项目,在工作台上打开“设备窗口”,双击进入,弹出设备配置窗口,在添加“通用串口父设备”，再在其下方双击“三菱-FX系列编程口”，打开它在里面设置如下表对应关系。
表5MCGS与三菱连接通道
索引
连接变量
通道名称
索引
连接变量
通道名称
0001
进A料阀
读写Y000
0018
放B料
读写M010
0002
进B料阀
读写Y001
0019
放C料
读写M011
0003
进C料阀
读写Y002
0020
放D料
读写M012
0004
进D料阀
读写Y003
0021
搅拌
读写M013
0005
放A料阀
读写Y004
0022
放成品
读写M014
0006
放B料阀
读写Y005
0023
自动
读写M050
0007
放C料阀
读写Y006
0024
A料重置
读写DWUB0001
0008
放D料阀
读写Y007
0025
B料重置
读写DWUB0002
0009
放成品阀
读写Y010
0026
C料重置
读写DWUB0003
0010
搅拌器
读写Y011
0027
D料重置
读写DWUB0004
0011
启动
读写M001
0028
A料累加值
读写DWUB0005
0012
停止
读写M002
0029
B料累加值
读写DWUB0006
0013
进A料
读写M003
0030
C料累加值
读写DWUB0007
0014
进B料
读写M004
0031
D料累加值
读写DWUB0008
0015
进C料
读写M005
0032
混合仓料位
读写DWUB0010
0016
进D料
读写M006
0033
进料时间
读写DWUB0025
0017
放A料
读写M007
0034
搅拌时间
读写TNWUB0000
0035
放成品时间
读写TNWUB0001
致谢
三年时间似乎感觉很长，但是我三年的大学时光却很快速的过去了。
三年的时间不能说自己有多大的成就，但是确实是在慢慢的进步着。
而自己的进步离不开老师、同学的教导和陪伴，我很庆幸，庆幸自己遇到的是这么优秀的老师和这么真诚的同学。
所以需要感谢的人很多，却不知从何开始，在此谨向我的导师李智明老师表示真挚的感谢。
李老师是一位特别优秀的老师。
经过长时间的接触才慢慢发现李老师的严谨与细致，作为专业课老师他认真对待自己的每一节课，争取在最短的时间内让我们学到更多的知识，无论我们有多么的糟糕，但是他从未放弃过我们，带着我们一步一步往前走。
而令我感到敬佩的不是李老师所获得的荣誉和奖项，也不是他的高学历和地位，而是他对知识的不断积累和学习，俗话说活到老学到老，李老师确实做到了这一点。
虽说没有万能的人，但是好像就没有什么问题能够难得住李老师，这便是值得人敬佩的地方。
作为我本次毕业设计的指导老师，他更是尽自己所能帮助我们。
因为是首次做论文设计，所以什么都不懂，而李老师无论是从选题还是内容的设计都给了我许多的帮助，无论我们问多么低级的问题他都没表现出任何的不耐烦，都是仔细的帮我们讲解，直至我们真正明白。
然后让我们逐渐的整理出步骤，慢慢的一篇虽不算完美但是合格的论文出炉了。
所以在此我要衷心的像李老师道声：
谢谢!
参考文献
[1]工控组态设计与应用
[2]电气控制与PLC及变频器技术应用
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