自动配料装车系统控制.docx
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自动配料装车系统控制
.自动配料装车系统控制
1绪论
1.1设计皮带输送机的意义
皮带输送是现代许多行业生产的关键环节，近年来，随着计算机技术的迅速发展输送机是现代许多行业生产的关键环节，以工控机为核心的自动输送机可以按照设定配比和流量控制各输入物料的瞬时流量，从而达到控制生产质量和产量的目的。
同时由于该系统具有体积小、结构简单、操作方便、配料速度快、精度高等优点，被广泛的应用到水泥、化工、煤炭、粮食、造纸、饲料等行业。
皮带输送机在饲料加工、食品加工、化工、冶炼、铸造等行业具有广阔的应用前景，可以对这些行业提高劳动生产率，提高产品质量，降低消耗起到重要作用。
例如在饲料行业，通常饲料中包括十几种原料，以前采用人工输送，劳动强度大，生产效率低，配料的精度也不高，同时人工操作的损耗也较大。
输送的饲料质量不稳定，成本也较高。
因此，本系统采用PLC对皮带输送进行控制，使各种物料的给料、称重计量、卸料、混料完全实现了自动化，上述问题都可以很好的解决。
可以为生产企业带来良好的经济效益。
1.2皮带输送机的概述
随着计算机技术与自动化技术的发展，自动输送机的相关技术也日益成熟，并以其计量准确、安全可靠、自动化程度高、广泛地应用于化工、矿山、建材、食品、冶金、港口、电力等多种行业。
它既可以自成系统，独立工作，也可以接入其它系统进行工作。
我国生产制造的带式输送机的品种，类型较多。
通过国家一条龙“日产万吨综采设备”项目的实施，带式输送机的技术水平有了很大提高，煤矿井下用大功率、长距离带式输送机的关键技术研究和新产品开发都取得了很大的进步。
我国带式输送机的主要性能与参数已不能满足高产高效矿井的需要，尤其是顺槽可伸缩带式输送机的关键部件及其功能如自移机尾，高效储带与张紧装置等与国外有着很大差距。
为了适应高产高效集约化生产的需要，带式输送机的输送能力要加大。
长距离、高带速、大运量、大功率是今后发展的必然趋势，也是高产高效矿井运输技术的发展
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方向。
由于人工经验已不能满足现代化生产的要求，于是将皮带核子秤称重与皮带控制技术结合于一体，形成了皮带输送机，它一方面能够边输送边称量各种固体散装物料，称出某一瞬间传送带所输送的物料重量和某段时间内输送的物料重量的总和;另一方面，可用于将几台秤上的几种原料按一定的比例混合起来，即自动配料，其控制方法主要采用了自动控制技术。
实践表明自动控制系统不仅自动化程度高，配料连续性好，操作人员劳动强度低，而且配料精度高，产品质量容易控制，还能实现动态物料的配比，自动和手动相结合，实现自动跟踪误差调整、自动称重、自动混合、自动显示的功能。
目前皮带输送机主要有三种类型:
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料门可调的带式称量器，即流到输送带上的物料流速可以控制，而输送带以恒定速度运动。
早期的饲料加工厂设计大多采用这种方法。
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带速可调的输送带式称量器，即输送带速度可变，而流至输送带上的物料流速恒定。
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物料流速和输送带速度均可调的带式称量器，也称为累积式称量喂料器，即输送带上的物料重量和带速均可以控制。
1.3PLC简介
现代社会要求制造业对市场需求有迅速的反应，生产出小批量，多品种，多规格，低成本的高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
PLC直接应用于工业环境，它具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。
这是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。
PLC的发展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高薪技术的发展息息相关，这些高薪技术的发展推动了PLC的发展，而PLC的发展又对这些高新技术推出了更新、更高的要求，促进了它们的发展。
PLC的发展大致经历了以下几个阶段。
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第一阶段:
从1969年第一台PLC问世到1972年，初创阶段。
1969年，美国数字设备研制出了世界上第一台PLC，型号为PDP-14。
缺点是价格高，仅限开关量逻辑控制。
第二阶段:
从1973年到1978年，成熟阶段。
此阶段的特点是开发了面向用户的梯形图编程法，CPU采用微处理器，与继电器控制系统的结构简单、使用方便、价格便宜、抗干扰性强的特点结合起来，面向工业控制的特点，改为可编程控制器（PC），后来，为了与个人计算机区别简称PLC。
第三阶段:
从1978年到1984年，大发展阶段。
此阶段的特点是进入持续高速发展的新阶段、应用面几乎覆盖了所有工业企业，生产厂家增多，CPU采用8位、16位微处理器，功能进一步增强，速度更快。
第四阶段:
从1978年至今，继续发展阶段。
此阶段的特点是微处理器的档次和处理速度提高，通信系统的开放、使各厂家的产品可以相互通信、实现工厂的管理与控制的自动化，编程语言梯形图、功能块图、语句表、高级语言。
PLC编程方法简单易学，功能强、性能价格比高，硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强，可靠性高、抗干扰能力强，系统的设计、安装、调试工作量少，维修工作量小、维修方便，体积小、能耗低。
复杂的控制系统使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，比继电器控制系统的配线少得多，故可以剩下大量的配线和附件，节省大量的费用。
随着计算机技术和自动化技术的发展，自动输送机的相关技术也日益成熟，并以其计量准确、安全可靠、自动化程度高，广泛地应用于化工、矿山、建材、食品、冶金、港口、电力等多种行业。
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PLC系统的基本结构
可编程控制器PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，它按照用户程序存储器中预先编制繁荣控制程序，通过输入接口采入现场信息，执行逻辑或数值运算，进而通过输出接口控制各种执行机构动作。
作为一种以微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机，它的硬件配置与一般微机装置类似，主要由中央处理单元（CPU模块）、信号输入/输出模块、电源和编程
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器等部分组成，如图1.1所示。
图1.1PLC组成原理图
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CPU模块
CPU模块是PLC的主要组成部分，是系统的控制核心。
它以循环扫描的方式采集现场各输入装置的状态信号，执行用户控制程序，并将运算结果传送到相应的输出装置，驱动外部负载工作。
CPU模块中通常还插装有存储器，PLC的系统程序、用户控制程序和工作数据就存储在存储器中。
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输入/输出模块
通常，将PLC的信号输入模块和信号输出模块简称为输入/输出模块（I/O模块）。
输入/输出模块是PLC的CPU模块与外部控制现场相联系的桥梁。
PLC的输入/输出模块通常可分为开关量输入模块、模拟量输入模块、开关量输出模块和模拟量输出模块等，分别用于联系不同类型的外部信号。
大型PLC中还有一类特殊I/O模块，如高速计数模板、PID控制模板、中断控制模板等，一般是为了提高PLC的实时控制功能和过程控制功能而专门设计的。
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电源
PLC通常使用交流220V或直流24V工作电源。
它的电源模块为其他各功能模块提供DC5V、DC12V、DC24V等各种内部直流工作电源。
一般情况下，许多PLC
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可以为输入电路和外部的传感器提供直流24V的工作电源，但是驱动PLC负载的直流电源或交流电源一般由用户提供。
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编程器及其他选件
编程器是编制、编辑、调试、监控PLC的用户程序的必备设备。
它通过通信接口与PLC的CPU模块相联系，完成人机对话。
小型PLC的程序编制可直接使用简易的手持式编程器来完成，较为复杂的编程一般使用专门的编程软件。
编程软件可以安装在普通计算机上，程序编制好后通过通信电缆下载到PLC中。
PLC还可以选配其他设备，如盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、人机接口单元、网络连接设备，可以根据实际需要进行配置。
此外，PLC还提供外设、通信接口，可用以连接PLC编程器、计算机、其它PLC或智能装置。
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PLC的工作原理
PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化的工作。
周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行的循环工作模式。
执行一个循环扫描过程所需的时间称为扫描周期。
典型值是1,100ms。
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初始化:
PLC上电后，首先进行系统初始化，清除内部继电器区，复位定时器等。
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CPU自诊断:
PLC在每个扫描周期都要进入CPU自诊断阶段，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查;定期复位监控定时器等，以及确保系统可靠运行。
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通信信息处理:
在每个通信信息处理扫描阶段，进行PLC之间以及PLC与计算机之间的信息交换，PLC与其它带微处理器的智能装置通信。
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与外部设备交换信息:
PLC与外部设备连接时，在每个扫描周期内要与外部设备交换信息。
这些外部设备有编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机等。
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执行用户程序:
在运行状态下，每一个扫描周期都要执行用户程序。
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输入、输出信息处理:
在运行状态下，每一个扫描周期都要进行输入、输出信息处理。
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1.4本文主要研究的内容
本文是基于PLC的皮带输送机的设计。
包括硬件的设计,软件的设计以及监控软件的设计。
硬件的实现:
目前，PLC在国内已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、经济、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
在生产过程中，利用PLC编程是一种普遍采用的编程方法。
它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具。
我选用S7-200系列的CPU226对下位机进行控制。
软件的实现:
软件方面选用STEP7-Micro/WIN32对系统进行编程，通过模块化的设计思想，包括自动配料模块和故障诊断模块的设计，使皮带输送机得以实现。
组态软件的实现:
在工业自动化领域中，自动化设备的应用都离不开监控系统。
本文采用MCGS进行通过定义实时数据库、监控界面的设计以及命令语言的制作来实现对皮带输送机的监控。
实现皮带输送机的监控，不仅能实时全面的了解皮带配料的生产和使用情况，更能使自动化设备形成统一的整体，合理调节生产和应用中的每一个环节。
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2皮带输送机的硬件设计
在矿山、码头、冶金和化工等行业，广泛使用皮带输送机来进行测量和控制输送机的速度和物料的流量，输送机性能的好坏直接影响到它的动态性能和配料精度。
本系统采用PLC对皮带输送机进行控制。
2.1皮带输送机的工作原理
皮带输送机由料斗、皮带、检测系统和装车系统组成。
其工作原理是通过检测料斗的物料量来对整个系统进行控制。
当料斗物料不足时料斗进料;当料斗物料充足时，车到位皮带依次延时一秒启动，料斗进行卸料，当车装满时皮带依次停止，料斗关闭。
输送过程结束。
皮带输送机结构图如图2.1所示。
图2.1皮带输送机结构图
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沈阳航空工业学院北方科技毕业设计,论文,2.2硬件实现
2.2.1CPU处理模块
S7-200有五种CPU模块，分别为CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226，它们有着共同的技术指标，CPU共同的技术指标如表2.1所示。
它们也有各自不同的技术规范如表2.2所示。
根据表中的技术规范本系统选用CPU226作为本系统的硬件部分。
表2.1CPU模块共同的技术指标
项目技术指标
EEPROM用户存储器类型
最大数字量I/O映像区128点入，128点出
最大模拟量I/O映像区32点入，32点出
定时器总数256个
计数器总数256
顺序控制继电器256点
表2.2S7-200CPU技术规范
CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226特性
外形尺寸90×80×6290×80×62120.5×80×62120.5×80×62190×80×62
用户数据存储4096409681921228816384器可以在运行
模式下编辑
2048204881921024010240数据存储器
5050100100100掉电保持时间
典型值
本机数字量6入/4出14入/10出14入/10出24入/10出24入/16出
I/O
数字量I/O映256（128入/128出）
像区
模拟量I/O映无16入/6出32入/32出
像区
扩展模块数量—2个7个
681424脉冲捕捉输入
个数
高速计数器个4个6个6个6个
数
高速脉冲输出2路20kHz2路20kHz2路100kHz2路20kHz模拟量调节电1位，8位分辨率2位，8位分辨率
位器
实时时钟有有有有有可选卡件存储器卡、电池卡和实时钟卡存储器卡和电池卡
2.2.2PLC的I/O分配及功能表
本系统需要8个输入点和10个输出点。
根据PLC的特点和系统设计的需要，输
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入信号包括启动按钮、运料车到位检测、运料车物料检测等等。
输出信号包括电机、
.3所示。
运料车到位指示等等。
其I/O分配如表2
表2.3元件地址I/O分配
电气符号
PLC地址（PLC端子）功能说明
（面板端子）
I0.0SD启动（SD）I0.1SQ1运料车到位检测I0.2SQ2运料车物料检测I0.3S1料斗物料检测I0.4A皮带M4的故障模拟I0.5B皮带M1的故障模拟I0.6C皮带M2的故障模拟I0.7D皮带M3的故障模拟Q0.0M1皮带M1Q0.1M2皮带M2Q0.2M3皮带M3Q0.3M4皮带M4Q0.4L1允许进车Q0.5L2运料车到位指示Q0.6D1运料车装满指示Q0.7D2料斗下料Q1.0D3料斗物料充足指示Q1.1D4料斗进料
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2.2.3PLC的外部接线
PLC输入点与系统分为二部分相连接，系统的运料车到位检测、运料车物料检测、料斗物料检测分别与PLC输入点I0.1,I0.3相连;皮带M4的故障诊断、皮带M3的故障诊断、皮带M2的故障诊断、皮带M1的故障诊断分别与输入点I0.4,I0.7相连接。
PLC输出点与皮带M1、皮带M2、皮带M3、皮带M4、允许进车、运料车到位指示、运料车装满指示、料斗下料、料斗物料充足指示、料斗进料相连接。
外部接线图如图2.2所示。
图2.2PLC外部接线图
2.3硬件抗干扰设计
PLC系统主要应用于实际的生产现场中，而现实的工作环境往往比较恶劣，干扰
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严重，由于干扰的存在，往往造成数据采集误差加大，控制状态失灵，数据受干扰发生变化，程序运行失常等后果。
因此为了保证系统可靠工作，在硬件的设计中，必须要考虑和解决抗干扰的问题。
电源干扰主要表现为电源噪声，根据电源电压变化持续时间的大小，这种噪声通常有过压、欠压、浪涌、尖锋等形式，事实证明，它们对系统会产生不良影响。
尤其是尖锋电压对系统的正常运行破坏性很大，导致逻辑功能紊乱、原程序丢失。
为了消除电源噪声，通常的做法是采用交流稳压电源以防止电源系统的过压与欠压:
使用双隔离变压器以抑制高频噪声，增强系统抗共模干扰的能力:
采用粗导线作为电源连接线;逻辑电路、模拟电路的布线应尽量分开，使供电电源有良好的退耦电路;在电源与地线之间并接去耦电容，消除电源线和地线中的脉冲电流干扰。
接地干扰产生的原因是因为导线存在不同的接地点，导线本身的内阻使得各个接地点之间的电压差不为零。
消除接地干扰的方法是地线应尽量短，直接走线;系统中逻辑地、模拟地应一点相连，外壳地线和公共地线应分开走线，若允许直接相连，应在某一点可靠地相连，否则用电容相连。
I/O通道抗干扰技术一般而言，I/O通道干扰在各种干扰中占有显著的地位。
在控制系统中，它的输入输出通道包含有各种性质截然不同的信号，有模拟量、数字量、光信号等，而且模拟量的强度有时差别会很大。
另外，输入输出通道中的长线干扰在一定情况下是不能忽略不计的。
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3皮带输送机的软件设计
STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于WINDOWS的应用软件，由西门子公司专门为西门子S7-200系列PLC设计开发的。
该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机帮助功能。
西门子公司的STEP7-Micro/WIN32系列属于小型PLC，可用于代替继电器的简单控制场所，也可用于复杂的自动化控制系统。
由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。
特点是S7-200的可靠性高，可以用梯形图、语句表和功能块图三种语言来编程，它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、PID控制器、RS-485通信编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由端口模式通信功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O。
STEP7-Micro/WIN32的基本功能是协助用户完成应用软件的开发任务，例如，创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。
利用该软件可设置PLC的工作方式和参数，上载和下载用户程序，进行程序的运行监控。
它还具有简单语法的检查、对用户程序的文档管理和加密等功能，并提供在线帮助。
上载和下载用户程序指的是用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程时，PLC主机和计算机之间的程序、数据和参数的传送。
上载用户程序是将PLC中的程序和数据通过通信设备上载到计算机中进行程序的检查和修改;下载用户程序是将编制好的程序、数据和CPU组态参数通过通信设备下载到PLC中以进行运行调试。
3.1自动输送模块的设计
系统由料斗、传送带、检测系统和装车系统组成。
在设计中应用了常开触点、常闭触点、比较指令、定时器、跳变指令、置位和复位指令、传送指令、计数器等指令来实现功能。
配料装置能自动识别货车到位情况及对货车进行自动配料，当车装满时，输送机自动停止配料。
料斗不足时停止配料并自动进料。
3.1.1程序的设计
自动装车系统分为二部分，系统启动之后，进行料斗物料检测，如果料斗为空，
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则料斗进行进料;如果料斗中有料，允许进车，车到位之后开始装车，当车装满时停
.1所示。
止装车，装车过程完成，以此进行循环。
程序流程图如图3
图3.1自动装车系统流程图
3.1.2程序分析
打开“启动”开关，红灯L2灭，绿灯L1亮，表明允许汽车开进装料。
料斗出料口D2关闭，若物料检测传感器S1置为OFF（料斗中的物料不满），进料阀开启进料（D4亮）。
当S1置为ON（料斗中的物料已满），则停止进料（D4灭）。
电机M1、M2、M3、M4均为OFF。
当汽车开进装车位置时，限位开关SQ1置为ON，红灯信号灯L2亮，绿灯L1灭;同时启动电机M4，经过1S后，再启动M3，再经2S后启动M2，再经过1S最后启动M1，再经过1S后才打开出料阀，物料经料斗出料。
当车装满时，限位开关SQ2为ON，料斗关闭，1S后M1停止，M2在M1停止1S后停止,M3在M2停止1S后停止，M4在M3停止1S后最后停止。
同时红灯L2
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亮，绿灯L1亮，表明汽车可以开走。
关闭“启动”开关，自动输送装车的整个系统停止运行。
自动装车系统的梯形图程
所示。
序如附录?
3.2故障检测模块的设计
3.2.1程序的设计
系统由传动电机M1、M2、M3、M4，故障设置开关A、B、C、D组成，完成物料的运送、故障停止等功能。
程序流程图如3.2所示。
图3-2故障诊断系统程序流程图
图3.2故障检测系统流程图
3.2.2程序分析
闭合“启动”开关，首先启动最末一条传送带，每经过1秒延时，依次启动一条传送带。
当某条传送带发生故障时，该传送带及其前面的传送带立即停止，而该传送带以后的待运完货物后方可停止。
例如:
M2存在故障，M1、M2立即停，经过1S延时后，M3停，再经过1S，M4停。
排除故障，打开“启动”开关，系统重新启动。
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关闭“启动”开关，先停止最前一条传送带（电机M1），待料运送完毕后再依次停
M3及M4。
故障诊断系统的梯形图设计如附录?
所示。
止M2、
皮带输送机综合了自动输送系统和故障诊断系统，对I/O点进行调整。
皮带输送机的梯形图如附录?
所示。
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4皮带输送机监控界面的设计
4.1MCGS工控软件简介
监控软件的性能对监控系统的性能有很大的影响。
监控系统是一个要求实时性很强网络系统，特别强调在监控系统设计满容量的情况下，要使监控系统的技术性能指标符合要求，监控软件必须采用适合大型的实时网络系统的软件台，在应用软件的设计上采用更先进的手段。
同时应具有更为先进的监控系统的开发试验环境。
MCGS是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。
它基于MicrosoftWindowsXP/NT/2000操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。
采用MCGS工业监控工程，可以极大地增强用户生产线的能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。
它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布大型集中监控管理系统的开发。
MCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft（各种32位Windows平台上）运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。
MCGS软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。
工程管理器:
工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。
工程浏览器:
工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。
运行系统:
工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。
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MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。
用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。
用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。
运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。
运行环境本身没有任何意义，必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户
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