完整版自动配料系统毕业设计姜卫平.docx
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完整版自动配料系统毕业设计姜卫平
分类号密级
无锡职业技术学院
毕业设计说明书
题目：
自动配料系统设计
英文题目：
AutomaticBatchingSystemCourseDesign
学生姓名：
姜卫平
专业：
机电一体化
指导教师：
俞云强
职称：
副教授
毕业设计说明书提交日期：
2012年3月20日地址：
机电学院
毕业设计任务书
业设计题目
自动配料系统设计
指导教师
俞云强
职称
副教授
专业名称
机电一体化技术
班级
机电20901
学生姓名
姜卫平
学号
2060090114
设计要求
1．设计目的，器材选型，设计参数
2．完成毕业设计说明书。
3．提前一周审查毕业设计资料。
4．完成全套毕业设计资料。
5．外文翻译。
完成毕业课题的计划安排
序号
内容
时间安排
1
学生分组、发放任务书
3月5日至3月7日
2
英文资料的翻译
3月8日至3月12日
3
完成选型工作
3月15日至3月19日
4
完成程序
3月22日至4月2日
5
设计说明书、毕业设计感想和参考资料
4月5日至4月16日
答辩提交资料
计划答辩时间
4月20号
无锡职业技术学院机电技术分院
2012年2月19日
毕业设计调研报告
在制造业高度繁荣、工业自动化蓬勃发展的今天，市场的变化、技术的更替都无时无刻不在影响着工业自动化向前发展的方向。
而依托用户的使用需求和使用习惯，无疑已经成为众多工业自动化供应商的主流选择。
今天，自动化主流产品也在不断满足用户需求的前提下发生着变化：
作为工控领域的主流控制产品，PLC依然占据着控制系统的龙头地位，目前正朝着小型化、开放性和网络化的方向发展；DCS作为过程控制的典型系统积极向上拓展，越来越多地扮演管控一体化的角色；IPC以其灵活、开放的特点，重新赢得了用户的青睐；CNC除了在机床上的应用外，也在向更广泛的领域延伸。
自动化工业生产的迅速发展导致对自动定量给定控制系统的需求日益增大。
自动配料系统可广泛应用于冶金、建材、电力、化工、食品、饲料等各种行业中，在冶金行业可应用于烧结工艺；在建材行业可应用于对水泥生料的自动配料；在电力行业，它可应用于锅炉的定量供煤；在化工、食品和饲料部门，多种原料的自动配料也需要它。
目前我国这些行业所使用的控制系统都为自动配料控制方式，所以自动配料系统具有十分广阔的应用前景。
在有着良好发展的前景下，自动化配料系统的科技水平也得到快速的发展，早期的结构系统单一，功能简单，，不适合运用到非常复杂的系统里，随着科技水平的提升，各种相关的技术都在发展，越来越多的高精尖的技术都被运用到自动配料系统中。
当然，除了上述之外，随着企业技术改造的进行，在传统的自动化市场也将“回暖”，出现新的市场机会。
特别是在节能减排、打造绿色的“数字化企业”方面，自动化产业将有巨大的机会。
未来二十年，随着中国人民生活水平、人均寿命的不断提高以及城市化进程加快人，两化融合的推进，这些都将成为驱动自动化不断发展的因素。
在氧化铝生产及其它工业生产中，经常会遇到多种物料配比控制的情况。
在手动控制状态下，需要根据生产情况，计算出各物料的配比，再根据配比，分别计算出各物料的理想下料量，对各台设备分别设定，来满足配比的要求。
当生产情况发生变化，需要改变下料量时，则需要再次分别计算各物料的设定值，再次分别设定。
计算,操作时间长，且容易出错，给生产带来不良因素。
而采用PLC控制方式以及新颖的变频调速喂料机构，配合配料控制软件包，实现物料传送、配料控制、配方设计、生产数据管理等功能。
并可以通过网络实现多个配料系统的集合控制。
专利技术解决物料结拱、粘稠液体物料传送、配料过程中下料冲击和空中悬料误差的自动校正等问题，提高了配料精度。
近年来,随着现场总线技术的推广,将传统的配料控制系统改进为基于现场总线的控制系统成为科技进步的必然趋势。
目前,许多用于配料的称重仪表已经有了Profibus、Modbus等现场总线接口,使基于现场总线的配料控制系统成为可能,基于现场总线的配料控制系统正在迅速推广。
摘要
摘要：
配料工人收到每天的生产作业表后,将依次对每种原料进行称重｡根据配料的多少,先计算每种成分的重量,然后在各种成分的料桶中取料,送到电子称上进行称重,最后进行包装｡在这个过程中工人工作繁重,出错率高,称重重量无监测,生产数据无纪录等不能保证企业的生产工艺｡文中以PC机编程,可编程逻辑控制器（PLC）,现场总线技术等现代工控技术为基础,开发了以PC机为上位机,以PLC作为下位机的自动配料系统｡在整个生产过程中,一旦生产计划制定完成,计算机将按照计划对每种原料进行称重,不再需要人工来干预｡在这个过程中工人只是进行取料,由计算机通过电子称发来的数据校核重量,减轻了工人的工作负担,提高了工作效率｡
关键词，传送，配料，PLC
Abstract
Abstract:
Ingredientsworkerreceivesdailyproductionoperationsthetable,itwillturnforeachrawmaterialweighing｡accordingtothenumberofingredients,firstcalculatetheweightofeachingredient,andthenthedrumsinavarietyofcomponentsinthereclaimerandsente-saidweighingonthefinalpackaged｡Inthisprocess,theheavyworkloadoftheworkers,thehigherrorrate,weighingtheweightofnomonitoring,norecordsofproductiondatacannotguaranteetheproductionprocess｡papertoPC,programming,programmablelogiccontroldevice（PLC）,fieldbustechnologyandothermodernindustrialcontroltechnology,developedbyPC,asthehostcomputertoPLCasthenext-bitmachine'sautomaticbatchingsystem｡throughouttheproductionprocess,oncetheproductionplanworkedout,thecomputerwillfollowplanforeachweighingrawmaterials,eliminatingtheneedformanualintervention｡Inthisprocess,theworkersjusttogetmaterial,bythecomputerthatsenttheelectronicdatacheckingweight,reducetheworkloadofworkerstoimproveworkefficiency
Keywords:
transmission,ingredients,PLC
第一章引言
自动配料系统是一个针对各种不同类型的物料（固体或液体）进行输送、配比、加热、混合以及成品包装等全生产过程的自动化生产线。
可以广泛应用于化工、塑料、冶金、建材、食品、饲料等行业。
自动配料系统的恒流量控制采用PID调节，流量计量控制是计量偏差与变频调速的结合。
依据系统工艺流程介绍了配料系统的流量控制方式和系统控制过程，详细讲述了PLC的选型及PLC配料系统变频控制中的硬件设置、参数设定和软件设计过程。
自动配料系统是精细化工厂生产工艺过程中一道非常重要的工序，配料工序质量对整个产品的质量举足轻重。
自动配料控制过程是一个多输入、多输出系统，各条配料输送生产线严格地协调控制，对料位、流量及时准确地进行监测和调节。
系统由可编程控制器与电子皮带秤组成一个两级计算机控制网络,通过现场总线连接现场仪器仪表、控制计算机、PLC、变频器等智能程度较高、处理速度快的设备。
在自动配料生产工艺过程中，将主料与辅料按一定比例配合，由电子皮带秤完成对皮带输送机输送的物料进行计量。
PLC主要承担对输送设备、秤量过程进行实时控制，并完成对系统故障检测、显示及报警，同时向变频器输出信号调节皮带机转速的作用。
第二章自动配料系统设计总框图
1.工作原理框图
图1
自动配料系统是对粉粒或液体物料进行单秤称重并按所选配方混合这一工业过程进行实时监控管理的自动化系统,已广泛应用于冶金、建材、化工、医药、粮食及饲料等行业。
一般的工业自动配料系统由以下几部分组成。
（1）给料部分:
给料部分是从料仓（或储罐）向称重设备中加料的执行机构。
根据物料的不同特性,可以选用不同的给料设备,如电磁振动给料机、螺旋给料机、单（双）速电磁阀等。
（2）称量部分:
称量部分由传感器、标准连接件、接线盒和称量斗组成,与称量仪表一起进行物料的称量以及误差的检测。
（3）排料设备:
排料可以是称重设备（减量法）或排放设备（增量法、零位法）。
通常由排空阀门、电磁振动给料机、螺旋给料机、电（气）动阀门等组成。
所有设备均应根据现场的工艺条件和物料的性质等进行设计和选择。
（4）配料控制系统:
配料控制系统由称量仪表、可编程控制器、上位工控机及其它控制器件等组成。
（5）校秤系统:
配料系统传感器应进行定期调校,以保证系统配料精度。
控制系统配料控制系统由称量仪表、上位工控机、可编程控制器及其他控制器件等组成。
典型的配料控制系统在一些比较简单的称重配料系统中,也可以采用工业计算机（IPC）加数据采集板卡的形式进行配料的控制。
工作原理：
比例调节（下料闭环控制）原理闭环控制过程主要是通过电子皮带秤对圆盘给料机输送的物料进行计量，由电脑积算仪接收称重信号和速度信号，经处理后转化为累计值和瞬时流量，并将累计、瞬时流量信号由RS-485口传送给工业控制机（上位机）、并以4~20mA模拟电流信号传送给AI调节器，AI调节器将该信号与内部设定值进行比较运算后，输出420mA的模拟信号送给变频器，再由变频器去调节圆盘给料机的转速，当流量增大时，降低圆盘给料机的转速，反之提高圆盘给料机的转速，从而使得物料的流量和阶段累计量均保持在设定的范围内，进而得到可靠的产品质量。
第三章自动配料系统硬件的设计
3.1配料系统的设计
全自动配料控制系统可以应用在，如：
冶金，有色金属，化工，建材，食品等行业。
它是成品生产的首要环节，特别是有连续供料要求的行业，其配比的过程控制直接影响了成品的质量，它是企业取得最佳经济效益的先决条件。
虽然行业各自不同的工艺特点对配料控制要求也不同，但其高可靠性，先进性，开方性，免维护性，可扩展性是工厂自动化FA所追求的一致目标。
配料系统的设计包括称重方式选择、给料方式选择、生产线结构方式选择、配料控制系统的设计等。
配料现场粉尘大,环境恶劣;各组份在配方中所占比例不同,有时甚至差异悬殊；配料速度和精度要求高;配方可能经常变换、调整;物料可能受环境温度、湿度影响。
3.1.1称重方式选择
在工业配料过程中,常用称量方式有进料式称量和卸料式称量2种。
进料式称量有2种实现方法,第1种方式称为零位法,即在称量开始时通过给料设备向称量料斗内给料,在称量值达到设定值时停止给料,然后打开闸门将料卸出,再从零位重新称量下一物料;第2种方式称为增量法,即称量料斗接收、称量好一种物料后,不排空料斗,而是只将电子秤内部计数值清零,再接收另一物料。
显然,零位法的称量精度比增量法的称量精度高。
采用进料式称量,当给料设备停止给料后,还将有一部分物料在空中以自由落体的方式落入称量料斗,这些余料称为落差。
因为有落差的影响,增量法称量物料重量的设定值应为要配制的物料标准重量减去落差值。
为保证称量速度和称量精度,在进料式称量时一般采用双速给料的方法,即先快速给料至设定值的90%～95%,以保证称量效率,然后慢速给料,以保证称量精度。
卸料式称量首先向料斗内装入始终多于配方要求的物料,然后自料斗内向外卸料进行称量,落下的物料的重量就是要配制的物料的重量。
减量法称量还可以省去料斗,直接将传感器安装在料仓上,料仓中物料总重量减少的数值就要配制的物料的重量值,此方法由于精度太低而较少采用。
减量法只能一料一秤。
同样为了兼顾速度和精度,减量法也采取双速卸料,一般是先快速卸料,到达设定值的90%～95%时改为慢速卸料。
在进料式称量中,由于物料本身特性及料斗原因可能造成卸料不净,从而产生称量误差。
卸料式称量只称量从料斗中取走的物料量并显示其重量,不存在卸料干净与否的问题,因而该方式特别适合于称量难称的物料,如易粘附的物料等,其缺点是设备比较复杂,需要同时有给料装置和卸料装置,要求车间高度较高,并且由于称量料斗内的物料重量值总是高于需要配制的物料的重量值,从而导致传感器量程增大,造成称量精度降低。
因而一般情况下卸料式称量的精度比进料式称量的精度低。
3.1.2给料方式选择
目前,称重配料系统最常用的给料装置有电磁振动给料机和螺旋给料机。
电磁振动给料机运用机械振动学的共振原理双质体在低临界近共振状态下工作,
无转动部件、耗电少、体积小、重量轻、运行费用低。
在给料过程中,物料在料槽中被连续抛起,并按抛物线轨迹向前作跳跃运动,因此对料槽的磨损较小。
其缺点是安装后的调试较复杂,调整不当会产生噪声且运行不好。
与电磁振动给料机相比,螺旋给料机给料均匀,受外界影响小,机械振动小,运行平稳,对称量的干扰也小,可以避免因振动造成的粉料分层。
但螺旋给料机上安装有电动机和减速器,重量大,效率较低。
对于液体物料,一般采用阀门控制给料量。
3.1.3生产线结构
（1）采用固定式单组份料斗秤的结构:
每个料仓对应1台料斗秤,各组份原料在称量后由溜槽、集料带或集料小车收集并导入后续工序。
（2）采用固定式多组份料斗秤的结构:
几个料仓对应l台料斗秤,各组份原料在同一台料斗秤内累加称量后由集料带或集料小车收集并导入后续工序。
（3）采用移动式料斗秤的结构:
通过移动带有称量料斗的集料小车进行各种物料的累加式称量。
采用这种方式进行配料需要集料小车有很好的定位精度。
（4）采用称重带式输送机式的多组份秤的结构:
料仓的出料机构就是多组份秤的给料机构,各种物料在移动的配料带上由皮带秤进行累加称重。
3.2计量系统的设计
根据下料量的要求，对称重元件及测速元件进行设计。
3.2.1称重元件设计
1.电子秤以自动秤量方式将散状物料按预定的配比进行秤量，该秤可控制物料的秤量、卸料。
当饲料到规定的数值时，指针移到相应的接近开关处，使电子秤动作，再执行下一步饲料的送料和秤重，依此类推，直到全部饲料配比完毕。
电子秤由秤体、称重传感器和放料门组成。
称重传感器采用高精度称重传感器，该钢制弹性体具有较强的抗过载能力和较长的使用寿命，特别适用于工业现场恶劣环境下高准确度配料的技术要求。
称重仪表性能稳定，抗干扰能力强，功耗低、可靠性高，而且具有远程数据通讯功能、设定预置功能及落差补偿功能，可实现准确、高速动态采样。
其最大载荷可达250KG/M。
它的输出信号驱动其微型输出继电器，以开关量形式将信号送入PLC，它有调零、去皮重、加皮重和拨码盘设定称量值等功能。
2.皮带称的工作原理：
物料通过给料设备送至配料皮带秤，秤体中的称重传感器和测速传感器将称重和速度信号送至皮带秤仪表，皮带秤仪表显示输送物料的瞬时流量、累计量等数据，同时将瞬时流量以4～20mA模拟电流形式送往PID调节器，调节器根据测量值与设定值的偏差，通过变频器去调整皮带秤驱动电机的转速，使之精确地以用户设定的给料流量给料，达到恒定物料瞬时流量的目的。
适用该工作模式的工艺现场必须满足这样一个前提条件，那就是物料给出量必须与给料控制电机的转速成正比。
图3-1皮带称结构
图3-2单回路前馈-反馈复合控制系统较为实用可行的电原理图
皮带秤仪表将测量到的瞬时流量转化为两个4～20mA模拟输出信号，一个作为PID调节器的反馈输入与调节器机内设定植比较参与反馈运算，另一个作为PID调节器的前馈输入乘前馈放大系数，然后再与反馈运算输出相加输出4～20mA模拟调节信号控制变频器的频率从而及时改变电机的转速。
单回路前馈-反馈复合控制系统较为实用可行的电原理图如图2所示。
3.3变频器的选择
图3-3为SINAMICSV10PWM型交-直-交变频器
根据设计要求这里采用SINAMICSV10PWM型交-直-交变频器进行调速。
3.3.1变频器的特点
SINAMICSV10变频器是由西门子公司生产的一种具有基本功能的多用途的工业变频器。
SINAMICSV10变频器经济、简便、具有鲁棒性和适应性，尤其适合中国复杂的电网环境，可应用于风机、水泵、纺织及其它简单的物料传送系统。
3.3.2变频器的工作原理
1.变频调速基本原理：
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
整流器
大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
逆变器
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路
是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：
与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：
驱动主电路器件的电路。
它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:
以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路:
检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
由转速公式可知,我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。
前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。
变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。
在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽（10%～100%）和精度高等性能，节电效果20%～30%。
实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。
因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即：
U∝E=C1fΦ
（2）式
（2）中，C1为常数，因此有：
Φ∝E/f≈U/f（3）若外加电压不变，则磁通Φ随频率而改变，如频率f下降，磁通Φ会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。
为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。
此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。
从结构上看，静止变频调速装置可分为交-直-交变频、交-交变频两种方式。
前者适用于高速小容量电机，后者适用于低速大容量拖动系统。
只要设法改变三相交流电动机的供电频率f,就可以十分方便地改变电机的转速n,比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。
2.变频器的构成
异步电机的变频调速是通过变频器实现的。
变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU/DSP）等部分组成。
图3给出了PWM型交-直-交变频器的控制原理框图。
图3-4PWM型交-直-交变频器原理框图
由图3-4可知，这是一个VVVF变频调速系统。
首先是将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后形成幅值基本稳定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。
在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f的协调控制的要求。
PWM的优点是能消除与抑制低次谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，调速范围宽。
近年来，带驱动和保护电路的各种智能功率模块（IPM）也相继应用在变频系统中。
IPM模块是将三相逆变IGBT、驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上，它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。
新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了解接口电路和定义，很快便可以组成并运行系统，从而大大加快了新产品的开发周期。
为了提高配料精度，给料方式采用快、慢速给料。
当料斗料重小于设定比例的时，配料皮带电机在变频器调节下，转速大雨=于额定转速，即快速给料；在料斗料重大于设定比例时，配料皮带电机在变频器调节下，电机转速低于额定转速，即慢速给料；
3.4电动机的选型
图3-5为SEIMENSILGO-253-4AA55KW电机
根据设计要求本设计采用SEIMENSILGO-253-4AA55KW电机
3.4.1电机的工作原理
三相异步电动机的转速公式为:
n=n1（1-s）=60f（1-s）/p
（1）式中:
n—电机的转速，r/min
n1—同步转速，r/min
p—磁极对数
s—转差率，%
f—频率，Hz
由转速公式
（1）可知,我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。
前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。
变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。
在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽（10%～100%）和精度高等性能，节电效果20%～30%。
实际上
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