小型配料搅拌装置电气系统设计毕业论文最终完成版本.doc 68页

'小型配料搅拌装置电气系统设计毕业论文最终完成版本 摘要本文介绍的配料搅拌系统以PLC作为控制核心，结合变频器等完成配料搅拌的自动控制系统，能够较好的满足搅拌系统的要求。本设计运用了变频电机M1，恒速电机M2，液位传感器，搅拌电机M3，皮带秤等主要器件，以PLC为控制核心，选用了西门子公司的S7-1200系列机PLC，西门子生产的变频器MM420，ZDSN型电子式电动双调节阀，SS.45-HSP-100型静压式液位变送器，ICS-ST4型电子皮带称，还有断路器，熔断器，热继电器等多种电路保护元件，运用PLC编程语言，以及人机界面控制面板，用PLC的S7_200的仿真软件进行仿真，实现了对不同的配料按预先设定的程序进行混合搅拌的功能。关键词：可编程控制器PLCS7-1200；变频器MM420；电动调节阀；配料搅拌系统；PID控制；电动调节阀ABSTRACTWiththedevelopmentofmodernindustrialtechnology,materialmixingtechnologyhasbeenrapiddevelopment,itiswidelyusedandthechemicaltechnologyandproduction,butintheapplication,thetraditionalmaterialmixingprocessalsoexistsseriousproblemsandcapacityconstraints。ComputertechnologyasthecoreofPLCinthegeneralautomaticcontrolequipment,itisakindofprogramtochangecontrolfunctionofthecomputer.Asmicroprocessors,computerandcommunicationtechnology,therapiddevelopmentofPLCprogrammablecontrollerhaswidelyappliedinindustrialcontrol,andtheproportionoftherapidrisein.PLCmainlyconsistsofCPUmodule,inputandoutputmoduleandprogrammingmoduledevice.Itisappliedinindustry,mixingequipmentmixingprocessrealizedautomationcontrol,andimprovedthestability,agitateequipmentworkforthemixingmachinesmoothly,orderly,accurateworkingcreatespowerfulguarantee.Inthispaper,thematerialmixingsystemwithPLCascontrolcore,combinedwithfrequencyconverter,etcmaterialstirringoftheautomaticcontrolsystem.Keywords:PLCprogrammablecontrollerS7-1200；frequencyconverterMM420；materialmixingsystem；PIDcontrol;ElectriccontrolvalveI I 第1章绪论1.1传统的配料混合设备的控制存在的问题鉴于搅拌设备的广泛应用，随着近年来工业技术的发展，配料混合技术在上世纪60到80年代期间得到了迅猛发展,其重点主要是对于常规搅拌桨在低粘和高粘非牛顿均相体系、固液悬浮和气液分散等非均相体系中的搅拌功耗、混合时间等宏观量进行实验研究。长期以来,虽然有大量设计经验和关联式可用于分析和预测混合体系,但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到工业规模,仍是十分危险的,至今仍然需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合。这种方法不但耗费巨额的资金和大量的人力物力,而且设计周期很长。据统计，在工业高度发达的美国，化学工业由于搅拌反应器设计不合理所造成的损失每年约为10—100亿美元。因此，从更微观更本质的角度,例如采用先进的测试手段和建立合理的数学模型,获取搅拌槽中的速度场、温度场和浓度场,不仅对开发新型搅拌设备，而且对搅拌设备的优化设计具有十分重要的经济意义,对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。而对于搅拌设备的研究，除功率问题外，有关搅拌的流体力学研究具有重要意义。这方面已做了许多工作，但尚需扩大和深入。在液体中进行搅拌时，搅拌器的功能不仅引起液体的整个运动，而且要在液体中产生湍动，湍动程度与搅拌器使液体旋转而产生的旋涡现象有密切关系。这些旋涡因经常地互相撞击和破裂，使液体受到剧烈的搅拌。由此可见在搅拌操作中，对于流体力学理论的研究是极其重要的。1.2配料设备的发展趋势用PLC来代替传统配料混合设备控制65 近代化学工业中，流动的配料不再只是一些低粘度的牛顿型流体，许多高粘度流体也常常遇到，尤其是各种各样的高分子溶液以及混有催化剂粒子的浆状流体等非牛顿型流体的应用日益广泛。它们与通常的牛顿型流体具有不同的流动特性，所以对于非牛顿型液体的研究是当今的一个重要课题。对高粘度流体，特别是非牛顿型流体的搅拌传热的研究，也是近年来的一个方向。聚合釜的传热特性与其中所用的搅拌器的型式关系甚大。随着科学技术的发展。设备有大型化发展的趋势，也需求搅拌设备大型化。如国外聚合釜的容积已由最初的8～40m3扩大到60～100m3，最火的已达到140m3。采用大型聚台釜可大大减少操作和检修人员，有利于自动化，减少投资，提高生产率，稳定产品质量。随着容积的大型化，釜型逐渐由细长型向矮胖型发展。而且采用底部搅拌的方式越采越多，多用三叶后掠式搅拌器。三叶后掠式搅拌器是目前大型聚合釜采用的一种较好搅拌器。因它排出量大，釜内液相循环充分，每分钟可达5～10次，能促使釜内反应均匀一致。   搅拌也可以在管路中进行，采用在管路中安装装置的办法对气-液系和液-液系进行混合。例如采用喷射泵对水及醋酸丁酯进行混合；在石油精制中，也采用使液体流过设置在管路中的锐孔板或挡板，以便使两种液体进行接触。还有在管道中放入搅拌器的，即所谓管道搅拌。可见，科学技术的发展带动了搅拌应用面的扩大。搅拌技术的发展又使得搅拌设备大型化。为了提高搅拌的全自动化和稳定性能，就需要一个功能更强、性能更好的系统做支持。在本设计中我将引入PLC来实现其搅拌控制功能。1.3引入PLC来实现其配料混合设备的控制功能本设计基于采用可编程序控制器(PLC)的设计方案，实现对配料混合搅拌的控制。以PLCS7-1200为主要控制器。根据搅拌设备的功能特性、运作顺序等，设计中可选用电磁阀、时间继电器来实现液体的流入和时间上的延时，从而满足其控制要求。根据控制要求，可以看出此程序是一个很典型的顺序控制问题。这样就可以先按照搅拌设备的先后运行顺序画出相应的顺序功能图，然后在根据顺序功能图画梯形图，最后再用仿真软件对其进行调试仿真。65 第2章总体方案设计2.1总体方案论证就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。1、继电器控制系统控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。2、单片机控制单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。3、工业控制计算机控制工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。4、可编程序控制器控制可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬件配置和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。65 可编程控制器(PLC)从上个世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。随着30多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。现在PLC已经发展成为不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种性能，是名符其实的多功能控制器。由PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置。故选择PLC来实施本次设计。PLC的基本功能：(1)开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2)运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制，世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(3)闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(4)数据处理现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(5)通信及联网65 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.2系统方案的设计思想1、可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。2、配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。3、易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5、体积小，重量轻，能耗低6、硬件配套齐全，拥护使用方便，适应性强2.3系统设计65 系统原理图如图2.1所示图2.1系统原理图1、固体配料A的给料控制方式与计量(1)配料A的给料量控制配料A是一种固体状配料，在给料时要求给料控制设备能够根据用料量的大小来实时调节。给料电机要求通过变频调速实时改变喂料量的大小。变频调速原理：变频器的原理是将固定的交流电变成频率连续可调的三相交流电。通常电机的同步转速表示n0=60f/p为：式中n0为旋转磁场转速，通常称为同步转速f为电流频率；p为旋转磁场的磁极对数。当频率连续可调时，电动机的同步转速也连续可调。又电动机的转子转速也是连续可调的。变频器就是通过改变电流的频率来使电动机调速的。(2)、配料A的计量方式采用压力传感器组成的电子皮带秤的计量方式进行配料A的计量。65 电子皮带秤是一种连续输送松散配料进行自动称量的专用仪器，在我国各行各业得到了广泛的应用。当皮带输送配料时，称重段上的配料重量通过皮带称量拖辊载台作用于称重传感器，称重传感器将重量装换成电信号，送入运算器。运算器将两个电信号进行积分运算，从而得出配料重量累计值并显示。运算器的计算方法一般有积分法和累加法两种数学模式。(3)、给料与计量的配合控制当配料A下落到电子皮带秤上时，通过给电子皮带秤上的压力传感器确定一个配料量数值，然后通过配料下落到电子皮带秤上秤得的数据与给定数值进行比较得到一个给料信号，然后将这个给料信号传送到PLC的A/D模拟量模块中，通过PLC的D/A模拟量模块来给给料电机上的变频器一个控制信号，通过这个控制信号来调节电机的转速，从而控制配料A的给了的大小。最后由电子皮带秤将配料A输送到搅拌器中。2、液体进料量的控制方式与计量(1)配料B的给定量控制配料B是一种液体状配料(如水)，在给料时要求给料控制设备能够根据用料量的多少实时地调节。对于调节阀要求其可以通过调节阀开度的大小，以改变配料B给予的多少。利用电动调节阀来控制液体给量的装置。由检测流量的传感器将检测到的流量变化信号，经交流电桥转换成交流电信号，再经过检波、比较、调零、PI放大后，成为一个线性的液位信号。此信号与流量给定信号、阀位反馈信号进行比较，经比例运算后输出一个三位电信号(开—停—关)，控制调节阀上的执行器。(2)配料B的计量常用的液体配料的计量方式有以下几种：电磁流量计、计量泵、涡街流量计。鉴于电磁流量计的众多优点，本设计采用电磁流量计作为配料B的计量方式。(3)给料与计量的配合控制65 打开电磁阀，原料B开始进料到搅拌机中，其料量的多少通过电磁流量计中的流量传感器来测量。在测量时通过给流量计传感器一个给定值(给定值由配料A和配料B的比例来定)和测量值进行比较，将比较结果传输到PLC的A/D模拟量模块中去，再通过PLC的D/A模拟量模块将控制信号传到电动调节阀中，通过控制信号来控制电动调节阀的开度，从而达到控制配料B的进量大小。3、混合设备的控制搅拌装置中的混合装置是通过一个恒速的三相M3来带动。配料A和配料B通过这一装置达到混合均匀。4、控制方案(1)工艺流程的分析a.首先根据混合配料A和配料B的比例给电子皮带秤中的秤重传感器和电磁流量计一个给料信号。b.接通各个电气设备电源后，电气设备开始工作，其中搅拌电机一直带动搅拌器工作。c.配料A输送到变频调速电机M1所带动的传送带上。通过M1带动的传送带把配料A送到带有称重传感器的电子皮带秤上，然后由带有恒速电机的电子皮带秤将配料A输送到搅拌器中去。e.变频调速电机M1的转速大小由电子皮带秤所带的秤重传感器所反馈的4—20mA电流信号通过PLC中的A/D和D/A模块把反馈信号送到变频器中去，通过这一反馈信号让变频器来调节M1电机的转速，已达到调节配料A的给料量的目的。f.在输送配料A的同时打开电磁阀，配料B开始向搅拌器中输送。g.通过电磁流量计带有的流量传感器与给定值比较向PLC反馈一个4-20mA的电流信号，通过PLC中的A/D和D/A模块把信号传送到电动调节阀中，通过这一信号控制调节电动调节阀的开度，以达到调节配料B进料大小的目的。h.将配料A和配料B输送到搅拌器中后对其进行搅拌。(2)控制流程控制过程电气设备的启动顺序为:首先启动搅拌电机M3；然后打开电磁阀，接通配料A的输送电机M1、电子皮带秤、电动调节阀、电磁流量计及PLC电源。通过电子皮带秤和电磁流量计的反馈信号实时地调节M1电机和电动调节阀，以控制配料A和配料B的输送量。65 第3章硬件设计3.1硬件系统构成原理根据系统设计思想，可以构建如图3.1所示的硬件系统框图：图3.1硬件系统框图其中：(1)控制模块：控制模块由各种开关根据实际的开关需要发出开关量信号，使PLC根据相关开关信号发出相关控制指令。本设计需要的开关主要有手自动装换开关、急停开关、循环启动开关、循环停止开关、手动送A配料开关、手动送B配料开关、手动搅拌开关。(2)传感器模块：传感器模块主要是采集相关部位的动态变化信号，辅助PLC完成相关过程的控制。本设计所用的传感器主要有液位传感器用于显示搅拌器内液位高度；称重传感器用于反馈配料A的量，从而控制配料A的量；电磁流量计用于计量配料B的量。(3)PLC:PLC是本设计中的主要控制元件，也是本设计的重点和难点。65 (4)配料A的控制模块：配料A的控制模块主要有几部分组成,变频电机M1主要用于控制配料A的量；恒速电机M2主要用于将配料A送入搅拌器。(5)配料B的控制模块：配料B的控制模块也有几部分组成，下料阀Y1主要是将配料B送入下料管道，电动调节阀主要用于控制配料B的量。(6)显示模块：主要是直观的显示搅拌器内液位的高度。3.2硬件系统器件选型1、PLC机型选择PLC机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑的因素如下所述。(1)结构合理对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC，配料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC能够达到要求。(2)功能强、弱适当对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，西门子公司的S7-1200系列机。(3)机型统一PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。但由于整体式结构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。配料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的PLC(4)是否在线编程65 PLC的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。离线编程的PLC，其主机和编程器共用配料混合控制系统采用离线编程(5)PLC的环境适应性由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。一般PLC及其外部电路(I/O模块、辅助电源等)都能在下列环境条件下可靠工作：温度工作温度0～55℃，最高为60℃储存温度-40℃～＋85℃湿度相对湿度5%～95%(无凝结霜)振动和冲击满足国际电工委员会标准电源交流200V，允许变化范围为-15%～＋15%，频率为47～53Hz瞬间停电保持l0ms环境周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。a.PLC容量选择PLC容量包括两个方面：一是I/O的点数；二是用户存储器的容量(字数)。PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%～25%考虑裕量。对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O乘以8；对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。通常，一条逻辑指令占用存储器一个字。计时、计数、移位及算术运算、数据传输等指令占用存储器两个字。各种指令占存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。I/O点数也应留有适当裕量。由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点的数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%～15%考虑备用量。b.I/O模块的选择65 PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。同时控制器又通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。①确定I/O点数I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O点数就可能有所不同。②开关量I/O标准的I/O接口用于同传感器和开关(如按钮、限位开关等)及控制(开/关)设备(如指示灯、报警器、电动机起动器等)进行数据传输。典型的交流I/O信号为24～240V(AC)，直流I/O信号为5～24V(DC)。③选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑：一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低。一般24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。如12V电压模块一般不超过10m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。④选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑：65 一是输出方式选择。输出模块有三种输出方式：继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。其中，继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交／直流负载。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1Hz。晶闸管输出(交流)和晶体管输出(直流)都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会产生较高反电压，必须采取抑制措施。二是输出电流的选择。模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。三是允许同时接通的输出点数。在选用输出点数时，不但要核算一个输出点的驱动能力，还要核算整个输出模块的满负荷负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流值。c.电源模块的选择电源模块的选择一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。以下步骤为选择电源的一般规则：(1)确定电源的输入电压；(2)将框架中每块I/O模块所需的总背板电流相加，计算出I/O模块所需的总背板电流值；(3)I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流：①框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值；②当框架中带有远程适配器模块或扩展本地I/O适配器模块时，应加上其最大电流值。(4)如果框架中留有空槽用于将来扩展时，可做以下处理；①列出将来要扩展的I/O模块所需的背板电流；②将所有扩展的I/O模块的总背板电流值与步骤(5)在框架中是否有用于电源的空槽，否则将电源装到框架的外面。(6)根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合适的电源模块。65 需要，还要力争最佳的性价比。具体应考随着PLC技术的发展，PLC产品的种类越来越多，而且功能也日益完善。PLC的种类繁多，其结构、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不同，当然使用场合也有所不同。因此选择合理的PLC对提高PLC控制系统技术经济指标意义重大。因此在选择机型时不仅要满足其功能要求及维护等方面的虑：(1)合理的结构形式(2)安装方式的选择(3)相当的功能要求(4)系统可靠性的要求综合了输入输出(I/O)点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了S7-1200CPU224PLC一台。图3.2S7-1200PLCCPU的外形模型图S7-1200有5种CPU模块、6个有12种工作方式的高速计数器和两点高速计数器/和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量I/O模块、先进的程序结构、灵活方便的寻址方式以及程序化的PID编程控制。强大的通讯功能，它支持多种通信协议。价格是它在所有品牌在同一功能区内很有竞争力的。最重要的是它还提供了完善的的网上支持。这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方便。2、变频器的选择正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。65 变频器在调速系统中的优点：(1)控制电机的启动电流；(2)降低电力线路的电压波动；(3)启动时需要的功率更低；(4)可控的加速功能；(5)可调的运行速度；(6)可调的转矩极限；(7)受控的停止方式；(8)节能；(9)可逆运行控制；(10)减少机械传动部件。a.变频调速原理变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。n=60f(1-s)/p对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，故电机的转速n与电源的频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机的调试目的。b.变频器的工作原理变频器的工作原理是把市电(380V、50Hz)通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件(GTO、GTR或IGBT)组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。在本系统中，选用了由西门子生产的变频器MM420。(3)电动调节阀的选择65 电动调节阀是直接用来控制流体流量的装置，主要是由相互隔离的电气部分和齿轮传动部分组成，电机作为连接两个隔离部分的中间部件。电机按控制要求输出转矩，通过多级正齿轮传递到梯形丝杆上，梯形丝杆通过螺纹变换转矩为推力。因此梯形螺杆通过自锁的输出轴将直线行程传递到阀杆。执行机构输出轴带有一个防止传动的止转环，输出轴的径向锁定装置也可以做动位置指示器。输出轴止动环上连有一个旗杆，旗杆随输出轴同步运行，通过与旗杆连接的齿条板将输出轴位移转换成电信号，提供给智能控制板作为比较信号和阀位反馈输出。同时执行机构的行程也可由齿条板上的两个主限位开关开限制，并由两机械限位保护。执行机构工作原理电动执行机构是以电动机为驱动源、以直流电流为控制及反馈信号，原理方块图如图3所示。当控制器的输入端有一个信号输入时，此信号与位置信号进行比较，当两个信号的偏差值大于规定的死区时，控制器产生功率输出，驱动伺服电动机转动使减速器的输出轴朝减小这一偏差的方向转动，直到偏差小于死区为止。此时输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。图3.3电动执行机构工作原理控制器结构控制器由主控电路板、传感器、带LED操作按键、分相电容、接线端子等组成。智能伺服放大器以专用单片微处理器为基础，通过输入回路把模拟信号、阀位电阻信号转换成数字信号，微处理器根据采样结果通过人工智能控制软件后，显示结果及输出控制信号。65 图3.4智能控制器组成结构本设计选用ZDSN型电子式电动双调节阀。4、液位传感器的选择在搅拌过称中对搅拌器内的液位高度要时刻的关注，本次设计选用静压式液位变送器，静压投入式液位变送器(液位计)适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。4～20mA、0～5v、0～10mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：Ρ=ρ*g*H+Po式中：P：变送器迎液面所受压力ρ：被测液体密度g：当地重力加速度Po：液面上大气压H：变送器投入液体的深度65 同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po，使传感器测得压力为：ρ*g*H，显然,通过测取压力P，可以得到液位深度。功能特点：稳定性好，满度、零位长期稳定性可达0.1%FS/年。在补偿温度0～70℃范围内，温度飘移低于0.1%FS，在整个允许工作温度范围内低于0.3%FS。具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在35MA以内。固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。安装方便、结构简单、经济耐用。本次设计可选用SS.45-HSP-100型静压式液位变送器。5、电子皮带秤的选择电子皮带秤由承重装置、称重传感器、速度传感器和称重显示器组成。称重时，承重装置将皮带上配料的重力传递到称重传感器上，称重传感器即输出正比于配料重力的电压(mV)信号，经放大器放大后送模/数转换器变成数字量A，送到运算器；配料速度输入速度传感器后，速度传感器即输出脉冲数B，也送到运算器；运算器对A、B进行运算后，即得到这一测量周期的配料量。对每一测量周期进行累计，即可得到皮带上连续通过的配料总量。ICS-ST4型电子皮带称使用最广泛的皮带秤。电子皮带秤称重桥架安装于输送机架上，当配料经过时，计量托辊检测到皮带机上的配料重量通过杠杆作用于称重传感器，产生一个正比于皮带载荷的电压信号。速度传感器直接连在大直径测速滚筒上，提供一系列脉冲，每个脉冲表示一个皮带运动单元，脉冲的频率正比于皮带速度。称重仪表从称重传感器和速度传感器接收信号，通过积分运算得出一个瞬时流量值和累积重量值，并分别显示出来。配料重力的传递途经为：输送带→称重托辊→托辊支架→称量台→称重传感器。而在输送机式皮带秤中，配料重力的传递途经为：输送带→托辊与滚筒→输送机架→称重传感器。65 本次设计也可选用常用的ICS-ST4型电子皮带秤。6、电动机选型(1)变频电机M1选型根据设计的要求，本设计选用BPY系列三相交流异步电动机。BPY系列三相交流变频调速异步电动机是我国吸取国外产品技术，在广泛调研和收集国内有关资料的基础上开发成功的最新产品，它具有噪声小、振动小、调速范围广、运用可靠、维修方便等优点，可与国内外各类变频器配套使用，有助于节能和实现自动控制。BPY系列三相交流变频调速异步电动机采用我国研制开发的VVVF变频调速电机计算机辅助设计程序和CAD技术进行设计，是电机在低速运行时具有较高的启动转矩，能在1:10范围内做恒转矩运行，且运行平稳，无转矩爬升现象。在高速运行时，具有较高的过载能力，保证电机恒功率输出。电机采用单独的轴抽风机强迫通风，确保在不同的转速运行时具有良好的冷却效果。该电机绝缘可靠、性能优良，对电磁线、侵渍漆等主要的绝缘材料，采取先进的介电分析法进行质量控制，并在绝缘处理过程中采用动态介电测量，控制侵器烘焙过程，保证了电机绝缘质量稳定可靠，并对变频器高载波频率引起的过电压具有很强的适应能力，同时还可根据用户的需求设置计算机控制接口，有助于实现调速系统的自动化控制，也可以在非轴伸端装置制动器，便于快速制动。BPY系列三相交流变频调速异步电动机，广泛用于机床、纺织、化工、冶金、工业洗衣机等行业的恒转矩和恒功率调速及风机水泵等场合的节能调速。本设计所用的电机M1也可选用BPY系列电动机。(2)本设计所用电动机M2和M3可选用三相鼠笼异步电动机三相异步电动机。它主要由定子和转子两部分组成，定、转子之间是气隙。转子绕组是用作产生感应电势、并产生电磁转矩的，它分鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式转子绕组是自己短路的绕组，在转子在每个槽中放有一根导体(材料为铜或铝)，导体比铁芯长，在铁芯两端用两个端环将导体短接，形成短路绕组。若将铁芯去掉，剩下的绕组形状似松鼠笼子，故称鼠笼式绕组。鼠笼式异步电动机结构简单、制造容易、成本低、运行维护方便，它被广泛地应用在工农业生产中，作为电力拖动的原动机。65 它的缺点是调速性能差，启动力矩较小，因此在一些要求平滑调速和启动力矩很大的场合常用其他类型电动机来完成。本次设计M2、M3电动机可选用型号：YLZ系列三相鼠笼异步电动机。7、电磁流量计选型电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。电磁流量计的优点是压损极小，可测流量范围大。最大流量与最小流量的比值一般为20：1以上，适用的工业管径范围宽，最大可达3m，输出信号和被测流量成线性，精确度较高，可测量电导率≥1μs/cm的酸、碱、盐溶液、水、污水、腐蚀性液体以及泥浆、矿浆的流体流量。但它不能测量气体、蒸汽以及纯净水的流量。[1]当导体在磁场中作切割磁力线运动时，在导体中会产生感应电势，感应电势的大小与导体在磁场中的有效长度及导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度成正比。同理，导电流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁感应力线时，也会在管道两边的电极上产生感应电势。感应电势的方向由右手定则判定，感应电势的大小由下式确定：Ex=BDv式中Ex—感应电势，V；　　B—磁感应强度，T　　D—管道内径，m　　v—液体的平均流速，m/s然而体积流量qv等于流体的流速v与管道截面积(πD²)/4的乘积，将式(1)代入该式得：Qv=(πD/4B)*Ex由上式可知，在管道直径D己定且保持磁感应强度B不变时，被测体积流量与感应电势呈线性关系。若在管道两侧各插入一根电极，就可引入感应电势Ex，测量此电势的大小，就可求得体积流量。本次设计可以选用LD系列智能电磁流量计。3.3硬件系统设计根据控制方案的要求配料A和配料B要用到S7-1200的PID控制指令。下面分别对配料A和配料B的控制方式进行设计。65 PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时、控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这是应用PID控制技术最为方便。即使我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合采用PID控制技术。控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统，开环控制系统是指被控对象输出对控制器的输出没有影响，在这中控制系统不依赖将被控制量反送回来已形成任何的闭环回路。闭环控制系统的特点是系统被控对象会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环，闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反则称为负反馈；若极性相同则成为正反馈。一般控制系统均采用负反馈，又称为负反馈控制系统。可见，闭环控制系统性能远优于开环控制系统。本设计变频电机M1的控制可采用闭环控制系统，其控制框图如图3.5所示。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。他是根据被控过程的特性，确定PID控制器的比例参数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有如下两类：一理论计算整定法.它主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的的计算数据未必可以直接使用，还必须经过工程实际进行调整和修改。二是工程整定法。它主要依据工程经验，直接在控制系统试样中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛应用。PID控制器的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点，其中共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的的控制器参数，都需要在实际中进行最后的整定与完善。现在一般采用临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先与选择一个足够短的采样周期让系统工作。(2)仅加入比列控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期。65 (3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。PID控制器的主要优点PID控制器成为应用最广泛的控制器，它具有以下优点：①　PID算法蕴含了动态控制过程中过去、现在、将来的主要信息，而且其配置几乎最优。其中，比列(P)代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，是过程反应迅速。微分(D)在信号变化时有超前控制作用，代表将来的信息。在过程开始是强迫过程进行，过称结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。积分(I)代表了过去积累的信息，他能消除静差，改善系统的静态特性。此三种作用配合得当，可是动态过程快速、平稳、准确，收到良好的效果。②　PID控制适应性好，有较强的鲁棒性，对各种工业应用场合，都可以在不同的程度上应用。特别适于“一阶惯性环节+纯滞后”和“二阶惯性环节+纯滞后”的过程控制对象。③　PID算法简单明了，各控制参数相对较为独立，参加的选定较为简单，形成了完整的设计和参数调整方法，很容易为工程技术人员所掌握。④　PID控制根据不同的控制要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一些列改进的PID算法。例如，为了克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制，为了克服大偏差是出现饱和超调的PID积分分离控制，为了补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等。这些改进算法在一些应用场合取得了很好的效果。同时当今智能控制理论的发展，又形成了许多智能PID控制方法。PID算法PLC的PID控制器设计是以连续系统PID控制规律为基础，经采样将其数字化写成离散形式PID控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。典型的PID算法包括3项，比例项、积分项和微分项。即：输出＝比例项＋积分项＋微分项。计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算，算法如下：　　Mn=Kc*(SPn-PVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPn-PVn)+Mx+Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVn)比例项Kc*(SPn-PVn)：能及时地产生与偏差(SPn-PVn)成正比的调节作用，比例系数Kc越大，比例调节作用越强，系统的静态稳定精度越高，但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。65 积分项Kc*(Ts/Ti)*(SPn-PVn)+Mx：与偏差有关，只要偏差不为0，PID控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，系统处于稳定状态，所以积分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，但积分的动作较慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用。积分时间常数Ti增大，积分作用越强，消除稳态误差的速度减慢。微分项Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVn)：根据误差变化的速度(即误差的微分)进行调节，具有超前和预测的特点。微分时间常数Td增大时，超调量减少，动态性能得到改善，但Td过大，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。许多控制系统内，可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。1、配料A的控制方式:配料A是固态配料，从料斗下来落到传送带1上，传送带1是由变频电机M1驱动的，当配料A下落到电子皮带秤上时，通过给电子皮带秤上的压力传感器确定一个配料量数值，然后通过配料下落到电子皮带秤上秤得的数据与给定数值进行比较得到一个给料信号，然后将这个给料信号传送到PLC的A/D模拟量模块中，通过PLC的D/A模拟量模块来给给料电机上的变频器一个控制信号，通过这个控制信号来调节电机的转速，从而控制配料A的给了的大小。最后由电子皮带秤将配料A输送到搅拌器中。变频调速电机M1的转速大小由电子皮带秤所带的秤重传感器所反馈的4—20mA电流信号通过PLC中的A/D和D/A模块把反馈信号送到变频器中去，通过这一反馈信号让变频器来调节M1电机的转速，已达到调节配料A的给料量的目的。调速电机M1的控制方式可选用闭环控制方式，控制结构框图如图3.5所示：65 图3.5变频电机M1控制框图其硬件接线图如图3.5所示：本系统采用PLC的PID控制功能实现对变频电机M1转速的实时控制。2、配料B的控制方式原料B是液体，打开电磁阀，原料B开始进料到搅拌机中，其料量的多少通过电磁流量计中的流量传感器Q来测量。在测量时通过给流量计传感器一个给定值(给定值由配料A和配料B的比例来定)和测量值进行比较，将比较结果传输到PLC的A/D模拟量模块中去，再通过PLC的D/A模拟量模块将控制信号传到电动调节阀中，通过控制信号来控制电动调节阀的开度，从而达到控制配料B的进量大小。图3.6变频电机M1接线图对原料B的控制主要通过对电动调节阀的控制来实现，其控制框图如图3.765 图3.7电动调节阀控制框图该控制构成闭环控制系统，同配料A的控制模式一样也采用PLC的PID控制方式实现对配料B量的实时控制。电动调节阀与PLC的连接方式见图3.8所示：3、PLC控制系统设计根据系统的要求，保证操作人员的现场控制能力，设计“手动”和“自动”两种控制方式装换。本次选用S7-1200CPU224PLC,研制了一套符合搅拌系统生产工艺要求的PLC控制装置。充分利用PLC本身资源，大大减少设备故障和设备的占地面积，充分发挥系统的高性能。图3.8电动调节阀与PLC的连接65 按系统的要求，系统控制开关按钮包括手动/自动装换开关、急停按钮、手动下料和输送开关等。为便于整个工艺流程操作管理的集中，在自动控制时，设计了即可在现场进行近地“启动”与“停止”，共有4个按钮。此外，还包括手动送料A、手动送料B、手动搅拌等输入信号、系统输入共9个输入端子。系统输出包括下料阀、调节阀、变频电机等共6个输出端子。因此选用S7-1200CPU224PLC,本机共有14个输入/10个输出端子，考虑以后技术升级或者扩展需要，同时还需要增加A/D、D/A转换模块，为此选用的EM231是4模拟量输入模块，EM232是2模拟量输出模块。根据控制方案及设备要求，建立所有现场控制元件的地址分配表。输入/输出元件端口分配表见表3-1。表3-1输入/输出元件端口分配表控制元件编程地址控制元件编程地址手动/自动转换按钮I0.0变频电机M1Q0.0急停按钮I0.1恒速电机M2Q0.1启动循环按钮I0.2搅拌电机M3Q0.2停止循环按钮I0.3下料阀Q0.3手动送料A按钮I0.4调节阀Q0.4手动送料B按钮I0.5出料阀Q0.5手动搅拌按钮I0.6故障报警按钮Q0.6停止按钮I0.7显示控制端口A0Q0.7显示控制端口A1Q1.0显示控制端口A2Q1.165 4、显示模块设计(1)MAX7219数字静态显示芯片显示是人机界面的一个重要环节，随着高集成度PLC的推出，工业控制过程越来越先进，越来越复杂，因而人们对了解控制过程信息的显示技术非常关注，众多生产厂家相继推出了专用地显示器，但其显示屏小而多为液晶显示，不适合强光和光线较弱的场合，而且需要串行接口，安装不便，价格昂贵。LED显示器因其价格低廉，配置容易且可靠，发光较强，可见度高，因而在PLC控制系统中得到了广泛应用。本次设计采用MAX7219数字静态显示芯片，它是由MAXIM公司最新推出的24脚双列直插式芯片，其引脚如图3.10所示。SEGA~SEGG和SEGP为LED七段驱动器线和小数点线，供给显示器源电流，DIG0~DIG7为8位数字驱动线，输出位选信号，从每位LED共阴极吸入电流，DIN是串行数据输入端，CLK是时钟脉冲输入端，LOAD是数据加载信号输入端。65 图3.9PLC外部接线图65 图3.10MAX7219引脚图(2)MAX7219与PLC的硬件连接图3.11所示为S7-1200与MAX7219硬件连接，Q0.7作为串行数据输出，连接到MAX7219的DIN脚，Y1.0和Y1.1通过程序分别模拟MAX7219的时钟脉冲CLK及数据加载LOAD信号，MAX7219的SEGA~SEGF、SEGP连接到各LED数码管对应的a~f及dp端，DIG0~DIG7分别接到8位LED数码管的共阴极，用来实现为选，数码管的位数可在1~8之间根据需要任意选择，由程序决定。(3)显示供电电源设计MAX7219芯片供电采用5V直流供电，直流供电电路通过降压——整流——滤波——稳压，将交流电转变为直流电供电路使用，本设计使用5V直流电，故可用降压为220/24的变压器，经过电容滤波，用W7805整流即可得到所需供电电流。电路图如图3.12所示。65 图3.11MAX7219与PLC接线图图3.12供电电路3.3系统安全性，可靠性、实用性设计本设计中为了保护系统中各元器件的安全可靠运行需要对主要器件加保护装置。1、断路器的选择断路器是能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件(包括短路条件)下的电流的开关装置。断路器按其使用范围分为高压断路器和低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。低压断路器又称自动开关，俗称"空气开关"也是指低压断路器，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，已获得了广泛的应用。65 (1)基本参数特性额定电压Ue；额定电流In；过载保护(Ir或Irth)和短路保护(Im)的脱扣电流整定范围；额定短路分断电流(工业用断路器Icu；家用断路器Icn)等。额定工作电压(Ue)：这是断路器在正常(不间断的)的情况下工作的电压。额定电流(In)：这是配有专门的过电流脱扣继电器的断路器在制造厂家规定的环境温度下所能无限承受的最大电流值，不会超过电流承受部件规定的温度限值。短路继电器脱扣电流整定值(Im)短路脱扣继电器(瞬时或短延时)用于高故障电流值出现时，使断路器快速跳闸。其跳闸极限Im：额定短路分断能力(Icu或Icn)断路器的额定短路分断电流是断路器能够分断而不被损害的最高(预期的)电流值。标准中提供的电流值为故障电流交流分量的均方根值，计算标准值时直流暂态分量(总在最坏的情况短路下出现)假定为零。工业用断路器额定值(Icu)和家用断路器额定值(Icn)通常以kA均方根值的形式给出。(2)断路器的选择原则断路器类型的选择：应根据应用场合和保护要求来选择。如一般一般选用塑壳式；短路电流很大时选用限流型；额定电流比较大或有选择性保护要求时选用框架式；控制和保护含有半导体器件的直流电路时应选用直流快速断路器等。①断路器额定电压、额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压、工作电流。②断路器极限通断能力大于或等于电路最大短路电流。③欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。④过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负载电流。(3)断路器选型DZ20系列塑料外壳式断路器适用于交流50hz，额定绝缘电压660v，额定工作电压380v(400v)及以下，其额定电流至1250A。一般作为配电用，额定电流200A和400y型的断路器亦可作为保护电动机用。在正常情况下，断路器可分别作为线路不频繁转换及电动机的不频繁起动之用。65 2、熔断器的选择熔断器是当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。熔断器也被称为保险丝，IEC127标准将它定义为"熔断体(fuse-link)"。它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。熔断器其实就是一种短路保护器，广泛用于配电系统和控制系统，主要进行短路保护或严重过载保护。熔断器具有反时延特性，即过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。所以，在一定过载电流范围内，当电流恢复正常时，熔断器不会熔断，可继续使用。熔断器有各种不同的熔断特性曲线，可以适用于不同类型保护对象的需要。(1)熔断器的主要技术参数①额定电压：指保证熔断器能长期正常工作的电压，其值一般等于或大于电气设备的额定电压。②额定电流：指熔体长期工作时，各部件温升不超过规定值所承受的电流。需要说明的是，熔断器的额定电流与熔体的额定电流不是一个概念。熔断器的额定电流等级较少，熔体的电流等级较多，因此，通常熔体额定电流的几个规格可以使用同一规格的熔断器，但熔体额定电流的最大规格只能小于或等于熔断器的额定电流。③分断能力：指熔断器在额定电压等规定的工作条件下，可以分断的预期短路电流值，也就是熔断器可以分断的最大电流值。当电路发生短路时，经过一段时间，短路电流被切断。若熔断器在短路电流达到其最大值前动作，则熔断器便会起到通常所说的限流作用。因此，熔断器的限流作用越强，其分断能力也就越大。④熔断器的安秒特性熔断器串接于被保护电路中，电流通过熔体时产生的热量与电流通过的时间成正比，电流越大，则熔体熔断时间越短，这种特性称为熔断器的反时限保护特性或安秒特性。安秒特性曲线见下图3.12。65 图3.13熔断器的安秒特性曲线(2)熔断器的选用原则①应根据使用条件确定熔断器的类型。②选择熔断器的规格时，应首先选定熔体的规格，然后再根据熔体去选择熔断器的规格。③熔断器的保护特性与被保护对象的过载特性有良好的配合。④在配电系统中，各级熔断器应相应匹配，一般上一级熔体的额定电流要比下一级熔体的额定电流大2~3倍。⑤对于保护电动机的熔断器，应注意电动机起动电流的影响。熔断器一般只作为电动机的短路保护，过载保护应采用热继电器。⑥熔断器的额定电流不应小于熔体的额定电流；额定分断能力应大于电路中可能出现的最大短路电流。(3)熔断器选型综上设计原则及设计参数要求，本设计在主电路电压表的短路保护中选用熔断器型号为RH2其参数如下：Un：AC500V熔断器额定电流=630A熔体额定电流/A：125、160、200、250、315、350、400、500、630、700。PLC接线中选用熔断器型号为RM10—15其参数如下：Un：AC220V熔断器额定电流=15A熔体额定电流/A：6、10、15。3、接触器能频繁关合、承载和开断正常电流及规定的过载电流的开断和关合装置。65 接触器(Contactor)是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统(铁心，静铁心，电磁线圈)触头系统(常开触头和常闭触头)和灭弧装置组成。其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。(1)接触器的主要技术参数①额定电压：接触器的额定电压是指主触头的额定电压。交流220V、380V和660V，在特殊场合应用的额定电压高达1140V，直流主要有110V、220V和440V。②额定电流：接触器的额定电流是指主触头的额定工作电流。它是在一定的条件(额定电压、使用类别和操作频率等)下规定的，目前常用的电流等级为10A~800A。③吸引线圈的额定电压：交流有36V、127V、220V和380V，直流有24V、48V、220V和440V。④机械寿命和电气寿命：接触器是频繁操作电器，应有较高的机械和电气寿命，该指标是产品质量的重要指标之一。⑤额定操作频率：接触器的额定操作频率是指每小时允许的操作次数，一般为300次/h、600次/h和1200次/h。⑥动作值：动作值是指接触器的吸合电释放电压。规定接触器的吸合电压大于线圈额定电压的85%时应可靠吸合，释放电压不高于线圈额定电压的70%。⑦约定发热电流：是指在规定条件下试验时，电流在小时工作制下，各部分温升不超过极限值时所承受的最大电流。⑵接触器的选用原则①根据负载性质选择接触器类型。接触器的类型应根据电路中负载电流的种类来选择。也就是说，交流负载应使用交流接触器，直流负载应使用直流接触器。若整个控制系统主要是交流负载，而直流负载的容量较小，也可全部使用交流接触器，但触头的额定电流应适当大些。65 ②选择接触器主触头的额定电流。主触头的额定电流应大于或等于被控电路的额定电流，在频繁起动、制动和频繁正反转的场合，主触头的额定电流可适当降低。③选择接触器主触头的额定电压。接触器的额定工作电压应不小于被控电路的最大工作电压。④接触器的额定通断能力应大于通断时电路中的实际电流值；耐受过载电流能力应大于电路中最大工作过载电流值。⑤应根据系统控制要求确定主触头和辅助触头的数量和类型，同时要注意其通断能力和其他额定参数。⑥如果接触器用来控制电动机的频繁起动、正反转或反接制动时，应将接触器的主触头额定电流降低使用，通常可降低一个电流等级。⑶接触器选型选择依据：接触器额定电压≥500V，接触器额定电流≥电动机In=296.5A综上设计原则及设计参数要求，本设计选用接触器型号为CJ20—400，其额定电流为400A。4、热继电器的选择热继电器主要是用于电气设备(主要是电动机)的过负荷保护。热继电器是一种利用电流热效应原理工作的电器，它具有与电动机容许过载性相近的反时限动作特性，主要与接触器配合使用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相及电流不平衡的保护及其他电气设备发热状态的控制。三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流(过载和断相)现象。如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许升温，这种过电流是允许的；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至烧毁电动机，因此，在电动机回路中应设置电动机保护装置。常用的电动机保护装置种类很多，使用最多、最普遍的是双金属片式热继电器。目前，双金属片式继电器均为三相式，有带断相保护和不带断相保护两种。热继电器的选择原则：①热继电器结构形式的选择：星形接法的电动机可选用两相或三相结构热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器。65 ②热继电器主要用于电动机长期过载保护，因此选用时必须了解被保护电动机的工作环境、起动情况、负载性质、工作制以及电动机允许的过载能力。③热继电器动作电流整定值一般为电动机额定电流的1.05~1.1倍。该参数的选择好坏直接影响热继电器的保护性能和动作可靠性。通常，整定电流的范围的中间值应等于或稍大于电动机及额定电流。对于重复短时工作的电动机，由于电动机不断重复升温，热继电器双金属片的温升跟不上电动机绕组的温升，电动机将得不到可靠的过载保护。因此，不宜选用双金属片热继电器，而应选用过电流继电器或能反映绕组实际温度的温度继电器来进行保护。5、按钮选型按钮又称按钮开关或控制按钮，是一种短时间接通或断开小电流电路的手动控制器，一般用于电路中发出起动或停止指令，以控制电磁起动器、接触器、继电器等电器线圈电流的接通或断开，再由它们去控制主电路，也可用于信号装置的控制。综上设计原则及设计参数要求，本设计选用按钮型号如下：①旋转急停按钮选择型号为：LA25—2X其参数如下：触头数量：2操作频率：120次/小时机/电寿命：10/10万次②起动停止按钮选择型号为：LA25—2D(带灯钮)其参数如下：触头数量：2操作频率：1200次/小时机/电寿命：100/50万次。65 第4章程序设计4.1PLC编程语言不同的商家的PLC有不同的编程语言，但就某个商家而言，PLC的编程语言也就那么几种。下面，以西门子PLC的编程语言为例，说明一下，各种编程语言的异同。1、顺序功能图(SFC－SeauentialFuctionChart)这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序(如：机械手控制程序)。编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。西门子STEP7中的该编程语言是S7　Graph。2、梯形图(LAD－LAdderDiagram)这是使用使用最多的PLC编程语言。因与继电器电路很相似，具有直观易懂的特点，很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握，特别适合于数字量逻辑控制。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令构成。触点代表逻辑输入条件，线圈　代表逻辑运算结果，常用来控制的指示灯，开关和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或数学运算等附加指令。在程序中，最左边是主信号流，信号流总是从左向右流动的。不适合于编写大型控制程序。3、语句表(STL－STatementList)是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语言表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。4、功能块图(FBD－FunctionBlockDiagram)65 功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员使用。功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。5、结构化文本(ST－StructuredText)结构化文本(ST)是为IEC61131－3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。STEP7的S7SCL结构化控制语言，编程结构和C语言和Pascal语言相似，特别适合于习惯于使用高级语言编程的人使用。本次设计可使用通常使用的梯形图编程实现本次设计的功能。4.2程序梯形图4.2.1主程序梯形图65 65 4.2.2子程序梯形65 65 4.2.3中断子程序梯形图65 65 65 4.3程序设计语句4.3.1主程序语句表65 65 4.3.2子程序语句表65 4.3.3中断程序语句表4.4人机界面设计1、设计思想65 随着PLC控制设备自动化程度的不断不提高以及生产工艺的不断变化，PLC控制设备操作面板上的各种按钮及操作机构变得越来越复杂，这就使得设备操作人员在初学时显得特别困难，而且在其操作过程过程中经常出现误操作，这也增加了设备的故障率。人机界面(HMI)是操作人员与机器设备之间双向沟通的桥梁，是用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理、监控、管理或应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。使用人机界面还可以是机器的配线标准化、简单化。同时还能减少PLC监控所需的I/O点数，降低生产成本。本设计采用的人机界面可简单地分为显示板和控制板，如图5.1和5.2所示。图4.1人机界面显示板65 图4.2人机界面控制板2、人机界面的工作方式本设计系统的工作方式有自动和手动两种:（1）在自动方式下，按手动/自动转换按钮关闭，按下启动循环按钮，此时显示面板自动、下料、搅拌、空液位灯点亮。系统进入自动循环模式，当釜内液位到达液位上限是满液位灯点亮，同时空液位、下料灯熄灭，再过五分钟后搅拌等熄灭，下料灯点亮，当空液位灯、搅拌灯再次点亮，下料灯熄灭时表示一个循环完成进入下一个循环阶段。（2）当循环过称中发生意外，或需要急停时，可以按下控制面板上的急停按钮，此时停止灯点亮其他灯熄灭，表示所用动作停止。（3）若要停止循环是可以按下停止循环按钮，停止灯点亮，此时设备依旧在运行直到本次循环完成后，所用动作才会停止。（4）手动搅拌可以操作控制面板上对应的按钮进行相应的操作。65 第5章系统调试5.1系统模拟调试根据所设计的关于搅拌控制的梯形图，选用PLC的S7_200的仿真软件进行仿真。具体步骤如下：(1)首先把仿真软件的CPU更改为CPU224(点CONFIGURACION—TIPODECPU，然后点Accepter)(2)导入梯形图(3)点击运行(4)进行调试观察仿真软件上的灯是否按照程序要求依次点亮，延时是否准确。是就说明程序正确，不是就说明程序还存在问题。本设计仿真结果如下：(分别按下I0.0，I0.2，I0.7，I0.8显示)图5.1仿真图一按下I0.2启动，搅拌系统开始按步骤运行。Q0.2得电，搅拌电机M3开始工作。65 图5.2仿真图二随后变频电机M1、恒速电机M2、下料阀Y1、电动调节饭Y2得电，开始工作。图5.3仿真图三按下I0.7，65 变频电机M1、恒速电机M2、下料阀Y1、电动调节饭Y2失电，停止工作。5.2系统联机调试(1)编好梯形图后必须先编译，看是否有误。(2)打开仿真软件后必须得将CPU更改为CPU224形式。(3)将梯形图导出后访可下载。(4)下载后利用WINCC画面对系统进行运行和调试。65 第6章总结6.1本设计的功能和优点可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。PLC对配料混合的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同的配料按预先设定的程序进行混合，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行配料混合的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。6.2本次设计的心得体会65 随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。　　在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。　　总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。　　在此要感谢我的指导老师赖老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。65 致谢我完成这篇毕业论文，得到了许多人的帮助。首先，我要特别感谢我的指导XX老师。在我撰写论文的过程中，XX老师付出了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了杨老师细心、耐心地辅导和热情的帮助，她指导我论文一定要严格按照论文格式去写，并且要有自己的观点和看法。她广博的学识、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风深深影响了我，使我终身受益。在此我表示真诚地感谢.同时，在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的谢意。最后，我向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！65 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