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基于PLC的自动配料系统
XX航空大学课程设计
题 目:
基于PLC的自动配料系统
专 业:
自动化
班 级:
110441班
学 号:
姓 名:
指导老师:
摘要
自动配料系统是集输送、计量、配料、定量等功能于一体的动态计量系统,在建材、化工、冶金、矿山、电力、食品、饲料加工等行业中得到广泛应用。
随着科学技术的发展，工业化程度的提高，常需要对自动配料系统中输送的流量进行调节、控制达到准确的配比。
本论文主要针对自动配料系统恒流量控制达到配比的控制要求，设计一套基于PLC的自动配料系统，并使用触摸屏开发运行管理界面。
自动配料系统由可编程控制器（PLC）、变频器、皮带驱动电动机、称重传感器等构成。
系统包含三台皮带驱动电动机，它们根据需要依次顺序启动。
采用变频器实现对三相电动机的变频调速。
称重传感器对物料进行称重并实时计量，PLC计算出实时流量及累计流量，比较设定值与实际流量的偏差经PID调节改变输出信号以控制变频器对皮带驱动电动机的速度调节，从而实现恒流量控制，并对系统进行监控。
关键词：
自动配料，变频调速，PID调节，PLC
第一章绪论
1.1课题背景及意义
随着科学技术的不断发展，工业上快速、精准的需求，对自动化的要求也不断增加。
在很多工艺过程中，人们需要平衡准确的称量，满足产品的质量需要，但是光靠人类自身，工作效率和成品的合格率大大降低，而成本却增高。
因此，人们需要依靠自动配料称重的自动配料系统来大幅度提高工作效率，降低成本。
尤其是冶金、煤矿、水泥、化工等行业，常需对输送中的流量进行调节、控制达到准确的配比。
自动配料系统可以按照设定配比和流量控制各输入物料的瞬时值，从而达到控制各种产品的质量和产量，是实现生产过程自动化和智能化、节能降耗的重要技术手段。
自动配料系统在生产中不仅仅保证了产品的质量和产量，也大大降低了岗位工人的劳动强度，提高了工作效率。
本课题设计开发的自动配料系统能有效解决动态计量衡器的控制精度问题，可代替企业中陈旧的配料工艺设备，很大程度降低劳动强度，提高生产效率和产品质量，带来可观的经济效益，推动国民经济的发展。
1.2自动配料系统
1.2.1电子皮带秤
电子皮带秤是指对放置在皮带上并随皮带连续通过的松散物料进行自动称量的衡器。
电子皮带秤主要由称重部分、测速部分、计算部分、通讯部分构成。
电子皮带秤的应用广泛，主要应用于工业生产，如食品加工、煤矿等场所。
电子皮带秤的准确度按国家标准GB/T7721-1995规定，分为0.25、0.5、1.0、2.0四个等级。
其称量准确度受皮带输送机影响，而使用准确度取决于电子皮带秤的安装质量和维护水平。
电子皮带秤的称重桥架横梁中的称重传感器检测皮带上物料的重量信号，速度传感器检测皮带的运行信号，积算器将接收到的重量信号和速度信号，进行放大、滤波、A/D转换后进入CPU进行积分运算，然后将物料的瞬时流量和累计重量在面板上显示出来，积算器具有可选的联网、通讯、打印、DCS联机等功能。
1.2.2可编程控制器（PLC）
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的X围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（Personalputer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。
PLC自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。
PLC由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出模块、电源、构成。
PLC采用扫描方式作为它的工作原理。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段，完成此三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行这三个阶段。
PLC的扫描周期包括自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间之和。
PLC具有以下特点：
a）功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。
b）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。
c）安装简单，容易维修。
d）抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型。
e）环境要求低。
f）易学易用。
经过一系列发展应用，PLC现已成为工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、以易与计算机接口、能对模拟量进行控制，具备高速计数与位控等性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电—接触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用。
PLC应用深度和广度已经成为一个国家工业先进的重要标志之一。
1.2.3变频器
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源的频率和幅值来控制交流电动机的电力传动元件，曾被称为VVVF。
自20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM-VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。
20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题引起人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。
20世纪80年代后半期，美、日、德、英等发达国家开发的U/f控制变频器投入市场并得到广泛使用。
U/f控制变频器的控制方式较为简单，主要是根据电动机的电压与频率比进行调速，机械硬度特性也比较好，能够满足平滑调速的一般要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。
但是，这种控制方式在低频时由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，造成输出最大转矩减小。
另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又提出矢量控制思想。
矢量变换控制方法通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而控制异步电动机的转矩。
矢量控制方法的提出具有划时代的意义，它使得异步电动机的机械特性和他励直流电动机的机械特性完全一样。
目前矢量控制方法已被广泛地应用在西门子、ABB、复式电动机和三菱等国际化大公司的变频器上。
变频器具有节能效果显著、维护简单、启停特性好、调速性能好等特点。
1.3本课题主要研究内容
本课题主要是以工业配料系统为控制对象，采用PLC与变频技术相结合，设计一套基于PLC的自动配料系统，并引用计算机对配料系统进行远程监控和管理。
PLC控制自动配料系统主要由变频器、可编程控制器、称重传感器和皮带驱动电机一起组成一个完整的闭环调节系统。
本设计中有3台电子皮带秤，3台皮带驱动电机，采用实时流量累计方法，即皮带电机运料时,称重传感器将重量信号传给PLC并转换为流量信号，PLC根据给定流量与检测值之间的偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节电机转速，实现恒流量给料，各辅料同时计量，并按配方工艺添加。
自动配料系统由1#主料电机开始按顺序起动。
根据以上控制要求，进行总体控制方案设计，硬件设备选型、PLC及模拟量输入输出模块选型，I/O端子分配，绘制系统主电路图、PLC接线图，设计梯形图控制程序。
第二章自动配料系统理论分析及方案确定
2.1自动配料系统理论分析
2.1.1电子皮带秤称重原理
（1）电子皮带秤的结构原理
如下图所示，皮带秤分为3个区域，自左至右分别是落料区、称重区和出料区，物料在皮带上运行至称重区时，对皮带秤称重托辊产生向下的作用力，通过称体，将作用力作用至称重传感器上，如图2.1所示，传感器内部弹性体上的电阻应变计电阻发生变化，通过测量电路将这一电阻变化转变为电压信号（mV）经变送器放大后送入A/D转换模块输入PLC，再由PLC的D/A转换模块输出控制变频器。
图2.1电子皮带秤结构图
（2）称重传感器工作原理
称重传感器实现了对物料的快速、准确的称量，是影响电子称测量精度的关键部件，目前除特殊用途外，90%以上采用电阻应变式称重传感器。
四片电阻应变片分别粘在传感器梁的上下平面，即连成惠思登电桥，如下图所示。
图中
为电桥测量电阻应变片；
为初始不平衡补偿电阻；
为零点温度补偿电阻；
为输出灵敏度温度补偿电阻。
图2.2称重传感器原理图
当被测物的重量通过传感器直接作用在粘有电阻应变片的弹性梁时，使其弯曲变形，梁相对变形大小正比于外加载荷。
同时，粘贴在梁上、下平面上的电阻应变片同步产生电阻应变，且与梁变形（或梁应力）成正比。
粘贴在梁平面的
、
电阻应变片阻值增加，
、
电阻应变片阻值减小，故电桥失去平衡，对角端有不平衡电压输出，其不平衡电压正比于被测物重量。
称重传感器根据所受力的大小输出一个电压信号，输出的电压信号与所受力的大小之间是一种线性关系，如图2.3所示。
特性曲线横坐标表示称重传感器所受的力，纵坐标表示称重传感器输出的电压。
图2.3称重传感器受力与输出电压关系图
2.1.2流量控制原理
（1）流量的基本知识
所谓流量，就是一定时间内皮带上走过的物料量。
用式子表示为
，式中，T为某一段时间，W为T时间内物料走过的重量，F为T时间内物料的实际流量。
如果每次采样都由脉冲来决定，即每来一个脉冲进行一次流量采样，则在计算机内设置一个计数器，在每次采样的同时也能从计数器上得到两次采样之间（每两个脉冲之间），亦即△Ｌ这段距离用了多长时间，瞬时值就可由这些已知量求出。
知道了瞬时流量，并且读取了流量设定值，但是流量值和速度控制是两个不同概念。
在实际控制中采用工业控制中应用最为广泛的PID算法，即比例、微分、积分法。
在过程控制中，按偏差的比例、积分、微分进行控制，简称为PID控制。
（2）PID调节原理
流量就是一定时间内皮带上走过的物料量。
电子皮带秤称量的是瞬时流量，上位机给出的是设定流量，二者在实时计量中有所偏差。
在流量实际控制中采用工业控制中应用最为广泛的PID调节，根据流量偏差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制，控制量输入和输出（误差）之间的关系在时域中可用公式表示如下：
公式中
表示误差、控制器输入，
是控制器的输出，
为比例系数，
为积分时间常数，
为微分时间常数。
图2.4为系统流量PID闭环调节结构图。
在生产过程进行自动调节时，以主料成分的流量计量为依据，根据生产工艺要求通过上位机设定出总流量及主、辅料配比参数，按配方比例掺杂其余辅料。
流量计量控制是计量偏差与变频调速的结合，具有结构简单、稳定性好、工作可靠和调整方便等优点。
图2.4流量PID调节原理图
2.2自动配料系统控制方案的确定
2.2.1自动配料系统控制方案的确定
自动配料系统主要由称重传感器、变频器、皮带驱动电机及低压电器组成。
系统的主要任务是比较设定值与实际流量的的偏差经PID调节改变输出信号以控制变频器对皮带驱动电动机的速度调节，从而实现恒流量控制，同时各辅料根据配比按配方工艺要求添加，且各辅料同时混合计量。
根据系统的设计任务要求，选择变频器+PLC+触摸屏+称重传感器的控制方案对进行自动配料系统设计。
这种控制方式具有以下优点：
1控制方式灵活方便
2具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；
3由于PLC产品的系列化和模块化，用户可以灵活组成各种规模和要求的不同控制系统。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O端子的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过计算机来改变存储器中的控制程序，方便现场调试；
4由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高
2.2.2自动配料系统的组成及控制原理
基于PLC控制的自动配料系统主要由可编程控制器（PLC）、变频器、称重传感器、皮带驱动电动机组成，该系统的控制流程图如下图所示。
从图中可看出，系统可分为执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
（1）执行机构：
皮带驱动电动机。
皮带驱动电机驱动电子皮带秤运行，由变频器控制根据设定流量与实时流量偏差进行变频调速，改变电机转速，从而实现恒流量控制。
（2）信号检测机构：
在系统控制中，需要检测的信号包括重量信号、料位信号和报警信号。
重量信号反映的是电子皮带秤上的流量值，是自动配料系统的主要反馈信号。
重量信号是模拟信号，需进行A/D转换；料位信号反映物料是否充足，此信号来自料斗中的料位传感器；报警信号反映系统是否正常运行、电机是否过载、变频器是由有异常，该信号为开关量信号；
（3）控制机构：
此系统中，控制机构为可编程控制器（PLC）、变频器。
PLC是整个控制系统的核心。
它直接对系统中料位、重量、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频器和接触器对执行机构进行控制；变频器是对皮带驱动电动机进行转速控制的单元，根据PLC的控制信号来改变电机的运行频率，完成对电机的转速控制。
图2.5自动配料系统工艺流程图
自动配料系统控制流程如下：
（1）系统通电，设置配比，按下启动按钮SB1，检查料斗有无物料，若有物料，皮带驱动电机起动，配料生产线启动；若无物料，则向料斗送料，送料电机起动，送至料位满，送料电机停止，皮带驱动电机起动，配料生产线起动。
图2.6系统配料控制原理图
（2）如上图所示，当物料量大于设定值时，称重传感器反馈的重量信号增大，偏差减小，PLC的输出信号减小，变频器的输出频率减小，皮带驱动电机的转速减小，使流量稳定在设定值。
（3）当物料量小于设定值时，称重传感器反馈的重量信号减小，偏差增大，PLC的输出信号增大，变频器的输出频率增大，皮带驱动电机的转速增大，使流量稳定在设定值。
第三章自动配料系统的硬件设计
3.1系统主要配置的选型
自动配料系统主要包括皮带驱动电动机、可编程控制器（PLC）、模拟量输入输出模块、称重传感器及变频器。
下面对这些设备进行选型。
3.1.1皮带驱动电动机的选型
在满足生产机械对拖动系统静态和动态特性要求的前提下，电动机种类选择要力求结构简单、运行可行、维护方便、价格低廉。
考虑到电机的工作环境，可能会出现较多灰尘、水汽、铁屑等，因此选择封闭式的三相异步电动机，即Y系列电动机。
Y系列电机具有效率高、能耗少、噪声低、振动小、重量轻、体积小、性能优良、运行可靠、维护方便等优点。
根据本设计要求，1#皮带驱动电动机的额定功率为2.2kW，额定电压为380V，额定电流为5A，2#、3#皮带驱动电机的额定功率为0.4kW，额定电压为380V，额定电流为1.05A，转速为1420r/min，调速X围为120~1200r/min。
选用Y系列电机。
1#皮带驱动电机选用Y100L1-4型，2#、3#皮带驱动电机选用Y80M1-4型。
3.1.2PLC及其扩展模块的选型
（1）PLC选型
PLC选型的主要依据所设计系统的工艺流程的特点和应用要求。
同时综合考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。
因此选用日本三菱公司FX2N系列PLC。
FX2N系列是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。
其用户存储器容量可扩展到16K步，I/O点最大可扩展到256点，它有27条基本指令，其基本指令的执行速度超过了很多大型PLC。
它有多种特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、脉冲输出模块、位置控制模块等。
它还有多种RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板，使用特殊功能模块和功能扩展板，可实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。
根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的留量，因此选用FX2N-32MR-UA1/UL。
PLC端子图如下图所示：
图3.1PLC端子图
（2）PLC扩展模块选型
本系统中称重传感器输入的压力信号是模拟量，变频器要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字量。
因此PLC需要扩展一个模拟量输入模块将模拟量转换成数字量。
转换成数字量后，需要一个模拟量输出模块将经过PID调节的数字输出量转换为标准量程的直流电压或直流电流去控制变频器。
由于选用了三菱公司FX2N系列的PLC，模拟量输入输出模块同样考虑选用三菱公司FX系列产品。
FX系列有多种模拟量输入输出模块。
根据系统模拟量信号输入数量，选择有4个12位模拟量输入通道的FX2N-4AD模拟量输入模块，其配线图如下图所示。
图3.2FX2N-4AD配线图
相应的，选择有相同模拟量输出通道的FX2N-4DA模拟量输出模块，将经PID调节后的数字量转换成模拟量控制输出变频器，其配线图如下图所示。
图3.3FX2N-4DA配线图
3.1.3变频器的选型
变频器通过频率的改变实现对皮带驱动电机转速的调节，从而改变瞬时流量。
变频器的选择必须根据皮带驱动电机的功率和电流进行选择，要实现监控，所以变频器还应具备通讯功能。
根据控制功能，通用变频器分为3种类型：
普通功能型U/f控制变频器，具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器和矢量控制高性能型变频器。
变频器类型的选择主要根据负载的要求来进行。
传送带属于恒转矩类负载，既可采用普通功能型变频器，采用加大电动机和变频器容量的方法，以提高低速转矩来实现恒转矩调速；也可采用具有转矩控制功能的高功能型变频器实现恒转矩负载调速。
对于要求精度高、响应快的生产机械采用矢量控制高性能通用变频器是很好的选择。
由于本系统采用一对一的形式，即一台变频器拖动一台电动机，因此变频器参数应满足以下关系式：
按连续恒负载运转时所需的变频器容量（KVA）的计算式计算
（3.1）
（3.2）
（3.3）
式中
—电动机的额定功率；
—电动机的效率（一般取0.85）；
—电动机的功率因数（一般取0.75）；
—电动机的额定电压（V）；
—电动机额定电流（A）；
—电流系数，PWM方式时一般取1~1.05；
—变频器的额定容量（KVA）；
—变频器的额定电流（A）
选择变频器容量时，应同时满足三个算式。
三菱公司提供了FR-E540系列变频器与该公司的标准点击相匹配时的技术参数，按照这些技术参数及上式计算得到的变频器容量，可选出1#主料称变频器型号为FR-E540-2.2K-CH，2#、3#辅料称变频器型号为FR-E540-0.4K-CH。
下图所示为变频器接线原理图：
图3.4变频器接线原理图
3.1.4称重传感器的选型
称重传感器被喻为电子衡器的心脏，它的性能在很大程度上决定了电子衡器的准确度和稳定性。
对传感器等级的选择必须满足传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入灵敏度值，且要满足整台电子称准确度的要求。
同时在选择传感器的型号时，还要考虑传感器的适用X围。
由于FX2N-4AD模拟量输入模块的输入信号为标准电压、电流信号，因此在选择传感器时应选择内置变送器的称重传感，或另选变送器。
在第二章中，已介绍称重传感器的称重原理，考虑选用CX系列传感器。
其中CXH-128型悬臂梁式传感器适用于电子皮带秤系统。
由于CHX-128型传感器仅仅是从输出端获得一个与外力成正比的电压信号，并不是标准电压信号，需要给传感器配备一个变送器，通过其将力学量转换成标准电压、电流信号，直接与PLC的模拟量输入模块通信。
福特鑫公司生产的CXH-128型悬臂梁式传感器如下图所示，在出厂前已将传感器与变送器相连，传感器输送的是标准电压、电流信号。
图3.5称重传感器内部接线图
综合以上因素，本设计选用福特鑫公司生产的CXH-128型悬臂梁式传感器。
下图为福特鑫公司生产的CXH-128型传感器的技术指标。
图3.6CXH-128型传感器技术指标
3.1.5其他设备选型
（1）送料电动机选型
根据系统要求，送料电机选择小型交流电动机即可。
因此考虑选用L-100-50-S型，额定功率100w，额定转速1450r/min，额定电压220/380V
（2）热继电器选型
热继电器电流应大于或等于电动机的额定电流：
，
为电动机额定电流。
对于电动机回路，热继电器的整定电流应等于电动机的额定电流。
因此1#皮带驱动电机热继电器选择JR20-162S，2#、3#皮带驱动电机热继电器选择JR20-107R，送料电机热继电器选择JR20-104R。
（3）断路器选型
断路器为系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机启动电流的1.7倍整定。
自动配料系统有2.2kw皮带驱动电动机一台，0.4kw皮带驱动电动机两台，送料电动机为以下，启动电流较小，因此可根据2.2kw电动机选择断路器QF脱扣电流
:
由于断路器的脱扣电流应大于计算值，因此选用C45AD型断路器，其脱扣电流为10A。
（4）按钮选型
按钮分启动、停止、紧急停止按钮，启动、停止按钮可以加以颜色区分，因此，选择启动按钮型号为XB2-EA135；停止按钮为XB2-EA142。
紧急停止按钮选择施耐德生产的XB2-BS542。
（5）电磁阀选型
选择电磁阀时，要确定这个阀时控制什么的，根据机械结构所需要的力，再选择需要多少功率的电磁阀。
根据本系统要求，选择亚德客生产的4V210-08A型电磁阀。
（6）交流接触器选型
接触器主触点额定电流：
或
K为经验系数，取1~1.4。
因此，交流接触器选择：
AC220VDJX2-0910型。
（7）信号灯选型
信号灯选型可根据所指示信号表达的系统工作情况选定。
因此，电源指示灯、送料电动机运行指示灯、皮带电动机运行指示灯可选用施耐德生产的AC220V绿色，型号为XB2BVM3LC的塑料指示灯；变频器故障指示灯、低料位指示灯可选用施耐德生产的AC220V红色，型号为XB2BVM4LC。
（8）报警电铃选型
根据系统要求，选择AC220V，型号为AD16-22M/k23蜂鸣器。
（9）料位传感器选型
本系统中，需对料位高低进行检测，考虑选用料位开关，料位开关即对容器中液体的高度是否达到某一特定位置进行检测的传感器。
根据系统要求即应用X围，选用BS-CFY射频导纳电容式物位开关。
3.2系统主电路分析及设计
基于PLC的自动配料系统一共有六台电机：
三台主、辅料送料电机，三台皮带驱动电机。
（1）其中三台主、辅料电机在系统检测到料位低的信号时启动，向料斗送料，送至系统检测到料位高的信号时停止。
三台皮带驱动电机按照主料、辅料的顺序启动。
以1#送料电机与皮带驱动电机为例，接线如下图所示。
图3.6送料电机与皮带驱动电机连接图
（2）热继电器FR1~FR6对M1~M6进行过载保护。
（3）QF1为电源总开关，对主电路起短路保护作用，也起分断三相交流电源的作用，便于设备的维护与检修。
QF2~QF4分别实现各负载回路的短路保护。
（4）DC24V为PLC的扩展模块FX2N-4AD与FX2N-4DA提供直流电源，如下图所示。
图3.7直流24V电源
（5）AC220V为PLC提供电源，如下图所示。
图3.8交流220V电源
3.3系统控制电路分析及设计
系统实现恒流量自动配料的主体控制设备是PLC。
控制电路的合理性、程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。
本系统采用三菱公司FX2N系列PLC，它体积小、执行速度快、抗干扰能力强、性能优越。
3.3.1可编程控制器（PLC）的I/O端子分配
基于PLC的自动配料系统设计的基本要求如下：
本自动配料系
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