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1.3工艺流程 3
第二章皮带配料自动称重系统 6
2.1设计总体介绍 6
2.2上位机介绍 8
2.2.1概述 8
2.2.2工作原理 8
2.3恒流量控制介绍 9
2.3.1概述 9
2.3.2PID调节原理 9
2.4西门子S7—200简介 11
2.4.1概述 11
2.4.2一般特性 12
2.4.3扩展模块 13
2.5变频器简介 15
2.5.1概述 15
2.5.2变频器的基本结构 15
2.5.3变频器的分类 16
2.5.4变频器中常用的控制方式 16
2.6皮带电机简介 16
2.6.1概述 16
2.6.2直流调速与交流调速的优劣比较 17
2.6.3异步电动机的变频调速原理 18
2.7电子皮带秤简介 21
2.7.1概述 21
2.7.2基本组成部分 22
2.7.3原理 23
2.7.4特点 23
2.8光电编码器简介 24
2.8.1概述 24
2.8.2工作原理 24
2.8.3编码器分类及特点 25
第三章 控制方案的确定及其实现方法 28
3.1设计的总体任务及实现的功能 28
3.1.1自动称重配料系统控制要求 28
3.1.2设计任务 28
3.2控制思想的确定 29
3.3具体系统设计方案 30
3.3.1测速环节 30
3.3.2称重系统 31
3.3.3电机的PID调速 31
3.3.4变频器控制环节 32
3.4输入输出量统计 32
第四章硬件选择、硬件接线图及其软件编程 34
4.1硬件选择 34
4.1.1电动机的选择 34
4.1.2皮带秤的选择 34
4.1.3称重信号的处理 37
4.1.4测速传感器的选择 38
4.1.5变频器的选择 38
4.1.6PLC的选择 42
4.2硬件接线图 44
4.2.1PLC接线图 44
4.2.2变频器接线图 47
4.3软件编程（见附录） 48
第五章 总结 50
第一章绪论
1.1概述
近年来，国内新建烧结机的配料方法均采用皮带配料自动称重控制，其实就是按原料的重量来配料，采用电子皮带秤对物料进行连续计量,通过调节圆盘给料机或皮带的速度来实现定量给料，重量配料易实现自动配料,配料精度较高。
随着水泥、冶金、陶瓷等工业生产对该项技术的迫切需求，具有配料精确，快速产品的皮带配料自动称重控制系统发展越来越走向成熟。
皮带配料自动称重控制系统是指运用各种自动控制技术完成多种原料的称重、配比、混合、运送等相应工艺要求的控制系统。
稳定性、准确性是系统必备的要素。
该系统在工业生产中常以单片机或者可编程控制器（PLC）来完成控制功能。
然而，以单片机实现的控制系统在安全、控制准确度、管理功能、可靠及抗干扰的性能上要稍逊色于PLC。
而PLC的性能比较稳定，它的抗干扰能力突出，可以用在环境比较恶劣的工作环境中。
为此，在工业生产中大力开发使用PLC完成控制功能的调速配料系统是非常必要的。
本设计主要以烧结机的自动称重配料系统为研究对象进行设计，完成以PLC为控制器的调速配料系统的硬件设计。
1.2设计背景
随着计算机技术和微电子技术的发展，配料控制系统的发展经历了人工手动控制、机械电气控制、单片机控制、工业控制计算机集中控制等几个阶段。
在第一阶段，配料设备庞大，各设备之间互不联系，或联系甚少，由现场的操作人员决定是否要调整控制器。
一个操作人员只能监视和操作一个至两个计量秤，并且手工记录配料的相关数据，在很大程度上产品的质量取决于操作员的熟练程度。
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在第二阶段，随着电子管、晶体管技术的飞速发展，逐渐出现了各种小型化的配料电动组合仪表。
但电动组合仪表也存在着两大问题:
一是电噪声的问题比较严重，为克服噪声，不得不采用极为复杂的电子线路;
另一个问题是由于配料系统所控对象、所处环境常常都很恶劣，电子元器件的老化严重，抗干扰的能力和可靠性不高。
单片机配料系统是在大规模集成芯片技术成熟的基础上应运而生的。
单片机配料系统较之前两种配料系统设计电路复杂程度降低，可靠性大大的提高。
而且满足了用户实用性的要求。
所以迄今为止，单片机配料系统仍然在一定程度上占据了中小型企业配料生产的主控地位。
同时随着我国经济的发展，工业生产规模的扩大，计算机技术的迅猛发展，基于STD总线或PC总线的工业控制计算机应用提上了日程，并且迅速的在中国形成热潮，主要是因为工业控制计算机可靠性高，小巧结构，组成系统功能灵活，组态方便，具有小型化、模块化、组合化、标准化的特点。
随着工业控制计算机的广泛应用，基于工控机的配料系统也出现在工业场合。
这种配料系统大多采用集中控制方式，计算机除具有工艺流程控制、工况实时显示、提供数据存储、报表打印等功能外，还要完成对各对象的直接控制和数据采集任务。
比较单片机配料系统和工控机集中式配料系统，工控机配料系统较单片机配料系统整体结构简单，人机界面更加美观，交互功能更加强大，设计和调试难度相对降低。
但是由于配料生产现场往往距控制室较远，强、弱模拟信号混杂，必须采取较完善的屏蔽抗干扰措施才能保证系统的稳定运行。
集中控制对主机及其测控电路要求较高。
应用工业控制机实现物料的自动称量与配比，不仅提高了生产效率、安全可靠、精度高、配方可调，而且，配料过程不需要人工操作，从而消除了人为因素的影响。
同时计算机能对生产过程中各种数据进行统计与分析，自动生成包括班次、操作员、日期、配方、各种物料配出量的日、月报表等，将有利于产品成本核算及质量分析等现代化管
理。
并配有串、并行通信口为生产规模扩大、组成小型集散控制系统和实现远程监视与控制提供可发展空间。
九十年代以来，随着计算机技术的迅猛发展，国外引进或国内设计的大中型水泥生产线绝大多数使用了计算机控制系统。
如琉璃河、邯郸等水泥厂采用BAILEY公司的N-90系统;
北京、葛洲坝等水泥厂采用了ABB公司的MASTER系统;
合肥水泥设计研究院牵头完成的国家“八五”攻关项目在江西水泥厂2000t/d生产线上采用了HONEYWELL公司的M工CROTDC--3000系统;
铁道部巢湖水泥厂采用了美国L-N公司的MAX1000系统。
九十年代是我国水泥行业计算机控制系统应用走向成熟的阶段。
近些年来，随着电工电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即采用交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术己成为发展趋势。
电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
正是在以上各阶段配料技术的基础上，皮带配料自动称重技术才一步一步得以发展，日益趋向成熟，它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，最后演化成为现代工业发展不可或缺的一部分。
1.3工艺流程
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。
烧结机的配料采用电子皮带秤定量给料，为提高皮带配料秤的计量精度和配料系统给料精度，给料机的皮带配料秤采用变频调速的方式进行控制。
正如下图所示，该自动称重配料控制由下列五大部分：
电子皮带称、称重控制PLC、变频控制柜、监控计算机及现场操作箱部分。
（a）皮带秤自动配料机
（b）皮带秤自动配料系统现场示意图
图1.1自动称重配料系统的构成
电子皮带秤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流量，从而达到控制各种产品的质量和产量的目的，是实现生产过程自动化和智能化、企业的科学管理、安全稳定生产和节能降耗的重要技术手段。
皮带传输机的作用主要就是把落在皮带上的物料快速传输到其目的地。
称重传感器位于皮带下方，其作用主要是检测出皮带上物料的重量，并将它转化标准成标准的电流信号4～20mA或者0～10V电压信号反馈给控制系统。
测速传感器位于圆盘电机上，其作用是检测电机转速，以脉冲信号的方式将速度信号反馈给控制系统。
变频器的作用是主要是调节皮带电机的转速。
该系统采用PLC实现控制功能，主要体现在实现自动控制及PID运算。
第二章皮带配料自动称重系统
2.1设计总体介绍
上位机
PID
变频器
皮带电机
速度传感器
流量运
算
PLC
重量传感器
皮带秤
一个完整的皮带配料自动称重系统主要由配料电子皮带秤、仪表控制柜、动力控制柜、低压开关柜、变频器柜、现场操作盘、工业控制微型计算机、及监控管理软件几部分组成，如下图所示。
图2.1控制系统结构图
1）配料电子皮带秤
配料电子皮带秤对经过皮带的散装物料进行自动地连续称量和累计，具有运输和计量两种功能。
称重部分采用电阻应变式工作原理，多托辊杠杆式结构，实际工作时，皮带秤用恒速计量方式，通过调节上级给料速度来改变物料流量，本类型皮带秤多用于企业内部生产的工艺控制。
2）仪表控制柜
仪表控制柜主要包括皮带秤仪表。
皮带秤仪表接受来自称重传感器的重量毫伏信号和来自测速传感器的带速脉冲信号，计算出流量和累计量，并将流量信号以0～10伏模拟电压的形式送给工控机，工控机将流量信号与机内设定值比较后，根据一定的控制规则输出0～10伏调节信号，控制现场给料电机的转速，从而构成单机闭环系统，达到控制某种物料流量的目的。
皮带秤仪表通过RS-485通讯接口与工控机进行通讯。
3）动力控制柜
动力控制柜是动力部分的中央控制部件，安装有电流表、控制按钮、指示灯、可编程控制器（以下称PLC）及电机保护电路，用于监控现场皮带机电流、对现场皮带机和给料设备的启、停进行控制、指示电机运行状态、联锁控制及打滑跑偏报警。
PLC通过扩展EM277通讯模块，用PROFIBUS_DP的通讯接口与工控机进行通讯。
4）低压开关柜
低压开关柜配置有刀开关、断路器、电压表、电流表、电流互感器、隔离变压器等器件为各控制柜和配煤系统动力部分提供电源，同时检测动力电源部分的相间电压和线电流。
5）变频器柜
柜中的变频器，接受来自动力控制柜的开关信号控制上级给料电机的启停，同时亦接受来自工控机的0～10伏电压调节信号，来改变输出动力电源的频率，从而控制现场给料机的转速。
如果变频器功率较大，则必须在柜体中配置散热风扇，以保证变频器能正常工作。
6）现场操作盘
配煤系统电机的现场控制部件，装有控制按钮、指示灯，可在机旁对现场皮带机和给料设备的启停进行控制、指示PLC对电机的命令状态。
7）工业控制微型计算机及软件
工控机作为上位机，通过PROFIBUS双向通讯接口与动力控制柜中的PLC联机，控制PLC的运行方式，输出开关量量控制信号控制主皮带电机的启停，从而构成完整的配料系统。
工控机另留有一个RS485双向通讯接口，以备与全厂的上位工控机通讯。
监控软件的主要功能有:
根据生产配方和产量目标对称重过程进行自动控制，对称重数据进行统计管理并实现打印，包括对变频器进行调节控制的运算。
系统软件有多种现场监
控方式和配方输入方式，以适应不同的工程要求，用户可设定报警打印时间等参数。
界面采用菜单方式，使用方便，用户可通过鼠标或键盘进行操作，对整个配料系统进行控制和管理。
2.2上位机介绍
2.2.1概述
在概念上控制者和提供服务者是上位机，被控制者和被服务者是下位机；
也可以理
解为主机和从机的关系，但上位机和下位机是可以转换的。
上位机是指人可以直接发出操作命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。
下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类的。
上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。
下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。
简言之如此，实际情况千差万别，但万变不离其宗：
上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。
2.2.2工作原理
两机如何通讯，一般取决于下位机。
通常上位机和下位机通讯可以采用不同的通讯协议，可以有RS232的串口通讯，或者采用RS485串行通讯，当用计算机和PLC通讯的时候不但可以采用传统的 D形式的串行通讯，还可以采用更适合工业控制的双线的PROFIBUS-DP通讯，采用封装好的程序开发工具就可以实现PLC和上位机的通讯。
当然可以自己编写驱动类的接口协议控制上位机和下位机的通讯。
通常工控机，工作站，触摸屏作为上位机，通信控制PLC，单片机等下位机，从而控制相关设备元件和驱动装置。
2.3恒流量控制介绍
2.3.1概述
采用PID调节方法实现流量的恒定调节，并且可以保证流量控制响应快，无超调。
在知道瞬时流量，并且读取了流量设定值的情况下，要实现流量的恒定，因采用在实际控制中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。
它是模拟调节系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。
2.3.2PID调节原理
PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，PID
控制结构图如图2.2所示。
比例
给定量+
E（t）
U（t）
积分 被控对象
-
微分
反馈信号
传感器
图2.2PID调节系统框图
控制器输入和输出（误差）之间的关系在时域中可用给定公式（2.1）表示如下：
u（t）=Kp[e（t）+1ò
te（t）d（t）+Tdde（t）]
（2.1）
Ti 0 dt
公式中E（t）表示误差、u（t）表示控制器的输出，Kp为比例系数，Td微分时间常数，
Ti积分时间常数。
1.比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
之所以这样是因为只有当偏差信号e不为零
时，调节器才会有输出；
如果e为零，此时将失去调节作用。
或者说，比例调节器是利用偏差实现控制的，它只能使系统输出近似跟踪给定值。
比例调节系统的稳态误差随比例系数的增大而减小，所以要减小误差就要增大比例增益Kc。
但这样做往往会使系统的稳定性下降。
2.积分（I）控制
在积分调节中，调节的输出信号u与输入偏差信号e的积分成正比关系，即
ò
t
u=SI
edt （2.2）
S
式中 称为积分速度。
由式可见只要有偏差e存在，调节器的输出会不断地随时间
的增大而增大，只有当偏差为零时，调节器才会停止积分，此时调节器的输出就会维持在一个数值上不变，这就说明，当被控系统在负载扰动下的过程结束后，系统的静差虽然已经不存在，但输出到执行器的信号将保持不变，这与P调节时，当e为零时调节器
输出为零是不同的。
当采用积分调节时，系统的开环增益与积分速度I成正比。
增大积分速度会增强积分效果，使系统的开环增益增大，从而导致系统稳定性降低。
在工程实际应用中，一般将比例和积分结合起来组成PI调节器，将比例调节的快速反应与积分调
节的消除稳态误差相结合，从而能收到比较好的控制效果。
3.微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，
这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
微分时间的选择对系统质量的影响具有两面性。
当微分时间较小时，增大微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小震荡程度，从而能改善系统的质量；
但当微分时间较大时，一方面有可能将测量噪声放大，另一方面也可能使系统响应产生震荡。
对于滞后较小的系统一般不采用微分控制。
2.4西门子S7—200简介
2.4.1概述
S7-200系列是一类可编程序控制器。
这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，图2.3是一台S7-200MicroPLC外形结构图。
由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强实用性。
S7-200系列适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
图.2.3S7-200MicroPLC
S7-200系列出色表现在以下几个方面：
1）极高的可靠性
2）极丰富的指令集
3）易于掌握
4）便捷的操作
5）丰富的内置集成功能
6）实时特性
7）强劲的通讯能力
8）丰富的扩展模块
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
2.4.2一般特性
S7-200系列产品具有高性能的中央处理器和种类繁多的扩展模块，因其模块化的灵活设计而具有广泛的适用范围，同时具有极高的性价比。
S7-200无论单机运行，还是互相或者与其他设备组成网络，都具有优异的表现。
S7-200的主要性能有：
1）快速的中央处理运算能力。
2）极丰富的编程指令集。
3）响应快速的数字量和模拟量输入/输出通道。
4）操作便捷，易于掌握。
5）强大的通信能力。
6）丰富的扩展模块。
S7-200CPU集成了丰富的内置功能：
1）高速计数器输入。
2）短暂脉冲捕捉功能。
3）高速脉冲输出。
4）I/O硬件中断事件。
5）特殊功能相关的中断功能。
6
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