本科毕业论文-基于PLC的饲料生产线自动化控制系统研究与设计.docx

摘 要随着电子技术的发展，许多城市的工厂、事业单位都能看到各种形式的基于PLC的生产控制系统。与此同时，工业经济在大踏步的前进后，越来越需要提升生产效率，而生产系统的智能化、自动化程度起着决定性的作用。PLC自问世以来，经过多年的发展，早已取代继电器控制系统在工控行业的绝对统治地位，在全世界发达国家中已经产生巨大的经济推动作用。饲料生产线自动化控制系统是精细化工厂生产工艺过程中一道非常重要的工序，其中的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的协调控制，对料位、流量及时准确的进行监控和调节。本文依据饲料生产系配料系统的工艺流程介绍了饲料生产配料系统控制过程，详细讲述了PLC的选型及PLC饲料生产系统变频控制中的硬件设置、参数设定和软件设计过程。系统现场控制部分采用了PLC来控制生产过程，通过PLC来采集生产信息，通过PLC开关量输入采集生产线的状态及报警信息，并通过PLC开关量输出实现对舱门开关的控制。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，由皮带称完成对皮带输送的物料计量。PLC主要承担对输送设备进行实时控制，并完成对系统故障检测、显示及报警。关键词：饲料生产；PLC；工艺流程；第1章 绪论1.1论文研究的来源、目的和意义1.1.1 论文研究的来源作为一个农业大国，畜牧业养殖在我国具有十分重要的基础地位，而饲料工业又是为畜牧养殖业提供原材料供给的基础。我国的饲料工业从改革开放开始起步，经过多年的发展，已经完成了从家庭手工作坊式的生产到世界第二大饲料生产大国的飞跃，已经发展成为我国国民经济的当中的支柱产业之一。随着我国经济的发展，饲料产业己成为一个方兴未艾的朝阳产业，对促进国民经济增长，促进养殖业发展，服务“三农”具有越来越重要的作用。农业生产对饲料的需求量迅猛增加，采用传统的饲料生产工艺流程早已不满足现代农业生产的需求。饲料生产企业如何应对挑战，在激烈的市场竞争中扩大产品产量、降低生产成本、提高产品质量，这是摆在饲料生产企业面前的一个非常严峻的课题。本论文正是在这样一个大的背景条件下产生的。1.1.2 论文研究的目的和意义饲料生产在工业生产中有着非常重要的作用，不但是生产过程中的一个重要环节，更是源头工序，直接关系着下游生产能否顺利进行，决定着产品的质量。配料精度的高低和配料速度的大小制约着整个生产过程的质量和产量，而饲料生产的自动控制对提高配料生产的质量起着举足轻重的作用，饲料自动控制系统有助于实时掌握和了解配料生产工艺流程的运行状况和参数变化，优化生产，保证质量，降低生产成本的同时提高管理水平，使生产长期稳定的运行，取得最佳效益。PLC是一种新型的具有极高可能性的通用工业自动化控制装置。它以微处理器为核心，有机的将微处计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体。其特点由：专为工业控制设计，采取了精选元器件及多层次抗干扰等措施，能适应工业现场的恶劣环境，抗干扰能力强，可靠性极高；采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令，编程方便；不仅具有先进的通讯和输入、输出能力，而且其模块化的系统结构、灵活的配置能力，使用户可以灵活组成各种规模和不同要求的控制系统，使用方便；模块化的系统结构使操作人员在维修时只需要更换插入式模板或其他易损部件即可完成，既方便又减少了影响生产的时间；维护方便、硬件软件齐全，设计和施工可同时进行，缩短了设计、施工、调试周期；结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗震防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，易于实现机电一体化产品。1.2 饲料加工发展现状饲料工业时畜牧养殖业的基础。我国饲料工业开始于70年代中后期，经过短短二十多年的发展，从无到有，从小到大，走过了许多发达国家数十年才走完的历程，饲料工业已成为我国工业体系中重要的支柱产业之一，我国已跃居为世界第二大饲料生产国。但是，饲料厂的配套自动控制系统和高精度配料控制系统还相对滞后，因此实现安全可靠的自动控制系统和高精度配料系统就显得十分的迫切和必要。饲料厂自动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、工业计算机集中控制等几个阶段。第一阶段，饲料加工机械比较简单，各机械之间基本上没有逻辑联系，现场操作人员一般只负责一到两个设备的操作与监控，并手工的记录各项数据，产品质量的人为因素很大。第二阶段，继电器手动控制在很大程度上降低了工人的劳动强度，但是大量的中间继电器和时间继电器组成的电控系统非常复杂，可靠性极低，特别是在调试和改造时的难度很大。第三阶段，随着大规模集成芯片技术的成熟，单片机控制系统应运而生。单片机配料控制系统较之前两种系统设计电路复杂程度降低，可靠性大大提高，但其抗干扰能力比较差也局限了它的应用。第四阶段，随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，基于工控机的饲料厂自控系统也开始出现。这种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。随着21世纪饲料加工新技术的出现，特别是现场总线和计算机技术的迅猛发展，饲料工业的自动化控制水平也在相应提高。美国及欧洲的一些国家的饲料厂从火车、汽车进料，到成品散装出料，全部为计算机自动控制，整厂单班操作人员只需要两个人。饲料厂的管理和控制全部通过计算机进行操作，管控系统采用先进的模块化结构，可根据各部门的职能选择不同的系统模块。通过对人员管理系统、财务核算系统、原料接收系统、成品发放系统和生产加工系统共5个子计算机系统的管理，全部掌控整个饲料厂营运。在总体上，我国在饲料加工控制系统上存在技术不够先进、企业平均规模小、综合生产水平低等问题。因此，进一步提高饲料加工厂的自动化程度，仍然十分紧迫，设计出高性能自动控制系统和高精度自动配料系统意义重大。1.3 课题研究内容论文内容主要包括计算机控制系统的硬件选型和电气设计及PLC软件设计：1) 饲料加工自动控制系统总体方案设计；2) 饲料加工自动控制系统的硬件和软件设计；3) 粉碎机自动喂料系统设计；4) 模块式程序设计的应用；1.4 论文的结构安排论文在结构上分为五个章节，具体安排如下：第1章：本章简单介绍了饲料生产自动化配料系统的概念以及论文的研究背景、目的和意义。通过论述饲料生产线自动化控制系统相关概念及PLC在国内外发展趋势，对饲料生产线自动化控制系统的技术特点进行了简单的比较分析。给出了主要研究内容和章节安排。第2章：本章简单介绍了PLC以及局域网控制基础知识，然后对饲料生产工艺流程控制系统进行深入分析，针对饲料生产自动化配料系统的功能设计要求提出了系统总体框架设计，最后给出了系统的的要求，提出了硬件、软件系统构造方案，包括硬件设计要点和软件设计要点。第3章：本章主要进行了饲料生产自动化控制配料系统的硬件设计部分，包括称重方式选择、给料方式选择、生产线结构方式选择、配料控制系统设计，给出了系统各个部分的硬件芯片选型和硬件电路的设计，具体内容由变频器、感应器、电动机、PLC的选型及设计过程。第4章：本章主要完成阐述饲料生产自动化配料系统部分的软件解决方案及其实现，并对系统软件的设计过程进行了详细的研究。本章还从系统数字滤波技术于PID调节算法角度，研究了数字滤波器及PID控制算法的设计方法和过程。第5章：本章的内容时文章的总结和展望，总结了论文所完成的主要工作内容，为了更好的实验网络化只能饲料生产系统，展望了基于PLC技术的饲料自动化控制管理信息系统的发展前景。第2章 控制系统总体方案设计2.1 饲料生产系统概述饲料生产自动化控制系统是对饲料生产及加工过程中的各类碎玉米、配料、微量元素等粉粒或液体物料进行称重并按所选配的方式进行混合搅拌，制成满足一定要求，具有较高营养的饲料成品的实时监控管理的自动化系统，具有广阔的市场前景。目前我国大部分饲料生产过程控制系统业务流程主要包括如下几个核心部分：给料部分、称量部分、配料部分。给料部分：给料部分是从原料仓（或储罐）向称重设备中加料的执行结构，系统根据设定好的序号控制原料仓（用于储存各种饲料生产所需原料，如棉柏、豆柏、鱼粉等）全速下料。根据饲料生产所需原料的不同特性，需要分别选用不同的给料设备。称量部分：在进行饲料生产的同时，需要判断饲料生产所需要的所有料是否下料结束，一般通过采集电子称的重量，将重量模拟电压信息送往电子称，用来采集重量信号来判断是否达到提前量。在饲料生产中为了提高生产效率与准确度往往采用双配料仓，生产现场有多少配料仓则需要安装相应的电子称。控制系统：饲料生产控制系统由称量仪表、可编程控制器及其它控制元件组成。为了实现饲料生产过程远程控制，则需要配置远程控制计算机、数据库服务器、管理计算机、地磅电子称等。2.1.1 给料方式选择目前，在饲料生产及加工领域，其中饲料生产配料广泛采用的给料系统一般有以下几种：电磁震动给料系统、螺旋给料系统、螺旋给料系统、电磁阀给料系统等。除了上述四种方式外，还有一些场合可以采用传送带、刮板、真空抽吸、振动给料等给料方式。其中应用较为广泛的分别是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使得饲料生产中所需要的混合料在低临界共振状态下工作在给料过程中，物料在料槽中被连续抛起，并按抛物线轨迹向前跳跃运动，这种给料方式因为不需要转动部件，同时对料槽的磨损比较小，具有耗电少、体积小、重量轻、运费低等优点。但遗憾的是该种给料方式对安装要求比较高，并且现场调试困难，调整不当会产生噪声且运行不好。螺旋给料机方式与电磁振动给料机相比，能够实现给料均匀的特点，并且不容易受外界影响。饲料所需混料由旋转的螺旋叶片在螺旋管体内连续推进送料，在重力作用下进入搅拌器，使得系统机械振动较小，能够保持搅拌仓运行平稳，并且对称量的干扰相对较小，能够很好的避免饲料搅拌过程中饲料原材料分层或者搅拌不均的缺陷。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。2.1.2称重方式选择在饲料生产的配料过程中，包括原料的储存、输送、称重配料、除尘、物料混合等多种设备，涉及粉粒状固体散料、液体等多种物料。根据饲料生产工艺要求，常用称量方式有进料式称量和卸料式称量2种，具有单斗单料、单斗多料、多斗多料等多种工作模式。其中进料式称量又可分为零位法和增量法等称重方式，零位法指的是料仓开始从空位给料，直到料仓满足给定要求，即停止加料，然后打开料仓放料直到空位，再重新称重。增量法指的是称量料斗接收、称量好饲料后，在未放空料仓的情况下就开始加料，系统自动将电子秤内部计数值清零。很明显，采用零位法的称量方式其精度相对增量法更为精确。采用进料式方法进行物料称量时，需要注意给料落差的计算，即当给料设备停止给料后，部分物料尚未进入搅拌仓的余料。考虑到落差余量对最终配料成份的影响，在实际配料称量计算时其给料设定值应为要配制的物料标准重量减去落差值。在实际的给料控制模式中，一般采用双速给料的方法，首先根据给料设定值，快速放料，当放料量接近设定值的90%左右，则减少闸门放料量，采取慢速给料，这种控制方式能够在保证放料速度的同时增加称量精度。卸料式称量方式则与给料式过程相反，即先在料斗内预先装入多于配方要求的物料，然后开启放料进行称量，通过称量落下的物料重量便能够获取饲料生产所需配料的重量。采用减量法称量可以直接将传感器安装在料仓上，通过传感器检测料仓中物料总重量减少的参数值计算饲料生产的实际配料量，但该方法称量精度较低，因而在实际的配料控制过程中较少采用。同理，为了实现和增量法同样的效率和控制精度，减量法也采取双速卸料，在快速卸料量达到给定值的90%左右开始变为慢速卸料。2.1.3饲料生产线结构本文研究的饲料生产配料方式采用固定式多组份料斗秤的结构:该称量结构类似固定式料斗秤结构，不过该结构为了节省电子称量装置，采用固定几个料仓对应1台电子料斗秤，各组份原料通过皮带传送装置混合在同一台料斗秤内累加称量后再由集料带或集料小车收集进入搅拌仓进行后续工序，该结构有利于实现多种配料的精确控制。饲料生产线自动化控制系统中的配料控制模块由称量仪表、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。目前国内大部分饲料生产自动化控制系统构造及过程如图2-1所示在实际的饲料生产过程中，生产的饲料成品料同样需要存储在相应的仓位中，其存储仓一般有单仓、双仓或三仓等配置形式，另外再配一个废料仓。本文设计的饲料生产线自动化控制系统工作过程及原理描述如下:饲料给料采用进料式零位法，通过电子皮带秤对圆盘给料机输送的物料进行计量，并且采用固定式多组份料斗秤的结构。系统给料量采用比例调节的闭环控制原理进行给料量的计算，通过安装在电子秤的称重传感器由电脑计算仪接收称重信号和速度信号，将其转换成累计值和瞬时流量并将其转换后的数字量通过串口线传输至饲料现场控制计算机，然后通过数模转换将其变换成4-20mA范围内的给料模拟电流信号传送给AI调节器与事先设置的饲料给料量进行比较运算后，根据偏差，运用闭环PID控制算法以及数字滤波后计算需要调节的给料量，调节量同样需要转换成4-20mA范围内的模拟信号输送给变频器驱动饲料给料机的电机转速。当给料量出现增大时，需要降低电机转速，反之，则提高电机转速，加快放料量，从而保证饲料生产配料量按照合理比例进行配制。在进行给料量计算时，按照如下算法过程进行。系统首先根据设定好的序号控制原料仓全速下料，假如电子秤门己关闭，通过PLC的A/D转换采集电子秤的重量，并判断是否到达提前量，如果没到达提前量，继续全速下料。如果到达了提前量，开始利用均值滤波及PID算法控制电机的通断时间，开始点动下料。系统会根据设定值来检测是否到达规定的误差量，如果没有到达规定的误差量，继续点动下料。如果到达设定的误差量，系统就会换仓。在进行生产的同时，系统会判断所有的原料是否下料结束，如果所有原料下料没有结束，控制原料仓继续下料。如果所有原料下料结束，系统会检测搅拌机门是否关闭，如果没有关闭，系统便会报警。2.2 PLC简介可编程控制器(Programmable Logic controller，简称PLC)，是以微处理器作为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。具体的说，它是一种数字运算操作的电子系统，其内部结构如图22所示，主要为工业环境所应用。采用可以编程的存储器，用于它内部存储程序，执行顺序控制、逻辑运算、计数、定时与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它的可靠性高、耐高温、耐冲击和耐振动等特点，己成为解决自动控制问题的最有效工具。图22 PLC控制器内部结构示意图2.2.1 PLC的特点PLC具有高可靠性、容易掌握、体积小、价格便宜等特点，新一代的PLC还具有PID调节功能，其应用己经从开关量控制扩大到模拟量控制领域，己成功地应用于航天、冶金、轻工等行业。控制系统的复杂化和高难度化，使得PLC朝着集成化的方向发展，现在主要是PLC和PC集成、PLC和DCS集成、PLC和PID集成等等，这些都强化了网络化与通讯能力。由于近来数据通讯技术发展比较快，用户对开放性要求非常强烈，现场的总线技术及以太网技术也同步发展。比如说罗克韦尔A-B公司主推的三层网络结构体系，即EtherNet、ControlNet、DeviceNet，西门子公司在Profibus-DP及Profibus-FMS网络等等。此外，很多PLC厂家拥有与之相应的组态软件及开发平台，软硬件的有效结合，一定程度上大大提高了系统的性能。PLC具有如下几个典型特点(1)可靠性高，抗干扰能力强不论是硬件还是软件，PLC都采取了很多措施，所以PLC控制系统非常可靠。例如，在硬件方面:PLC的输入输出电路和内部的CPU都是电隔离，而且CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施，所以可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。在软件方面:PLC系统都设置了“看门狗”(Watchingdog)监控程序，PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化，开发了很多防止及检测故障的指令，出现故障时有相应的出错信号提示。(2)系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便PLC的梯形图程序一般采用顺序控制法，梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图十分接近，避免了生产一线的技术工人学习汇编语言，使得可编程逻辑控制器实现方法更为简单，容易被初学者掌握。对于复杂的控制系统来说，采用基于梯形图的设计方法减少了继电器系统电路图的设计时间，其中继电器控制系统中采用的接线逻辑被PLC存储逻辑代替，较少了工程师进行外部控制设备的接线工作，也使得后期的设备维护更为简单，减少了系统开发时间。这也使得PLC控制器系统在许多对程序设置灵活性要求较高的小产品生产系统中得到更为广泛的应用。(3)体积小，功耗低从全面及长远看，PLC的使用还是经济的。一是因为它的体积小、所占空间小，辅助配套的设施投入少;二是使用时省电，运行费用也少;三是工作可靠，如停工损失也少;四是维修简单，维修费用少;五是可再次使用并且能带来附加价值等，从中可得到更大的回报。2.2.2 PLC工作原理PLC采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作。步骤如下:按照用户控制要求编制好程序，并存于存储器中，当PLC运行时，CPU执行命令，按指令序号(或地址号)顺序地作周期性循环扫描工作。如果没有跳转指令，那么他就从设置的第一条指令开始，逐条顺序执行用户设定的程序，直到程序结束为止。然后重新返回第一条指令，开始下一轮的工作。在每一次的扫描过程中，还要完成对输入信号的采集和对输出状态的刷新等工作，周而复始地进行下去。图23 PLC周期执行程序流程图PLC的扫描工作过程如图2-3所示，主要可分为:采集输入信号、程序执行和输出刷新三阶段，并进行周期性的循环工作。PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行一次采集，并存入寄存器中，此时寄存器会因采集到信号被刷新。然后PLC对程序按顺序进行扫描执行。如果程序用梯形图来表示的话，那么总是从上到下，从左到右顺序执行。所有程序执行完毕后，PLC会将输出映象寄存器中与输出有关的状态(输出继电器状态)转存到输出锁存器中，然后通过一定方式输出，并驱动外部负载。对于PLC控制系统输出方式选择而言，则需要根据选用的PLC产品以及控制系统规模进行考虑。一般的原则是:对于大部分中小型控制系统来说，其控制的输入输出工I/O点数较少，PLC处理性能较低，所编写的控制程序较简单，因而多采用一次性输入输出的方式，该方式在降低响应速度的同时能够提高系统的抗干扰性，因而适合工作环境干扰加大的场合。对于一些工I/O点数较多，控制系统功能程序及过程比较复杂的系统，则一般采用定期采集、定期输出的方式，能够满足较好的实时性控制要求。也有的系统采用中断输入/输出或者基于智能工I/O接口等方式。2.3 系统总体方案设计根据饲料生产过程控制的上述流程，本文设计的过程控制系统总体结构设计如下:系统由远程控制计算以及饲料生产现场控制计算机组成一个两级计算机控制网络，系统总体结构如图2-4所示。图24 饲料生产控制系统总体结构设计其中远程控制计算机用来控制工业现场的生产监控以及管理，为车间级管理及公司级管理层提供接口，包括对各种原料、配方、生产时间等进行预置和设定，同时能够对饲料生产相关数据进行管理及存储。生产现场计算机控制系统则依然采用传统的PC机和PLC组成上、下位机控制系统组成，其中上位机是PC工控机，为操作人员提供良好的人机界面，它的功能主要包括通信链路的建立，数据的接收、校验、处理与打包发送，参数和状态的查询，参数的修改，报表与图表的输出，数据库的更新与维护等。下位机以小型PLC为核心，通过现场总线连接现场仪器仪表、控制计算机、变频器等智能程度较高、处理速度快的设备对被控对象进行监测和控制，利用PLC输出的电流信号大小控制变频器输出的频率的大小，从而改变电动机的转速，起到控制电动给料装置给料速度的目的，并完成对系统故障检测、显示及报警等辅助功能。考虑到本饲料生产系统饲料配比工艺过程固定，控制量主要以开关量控制为主(电动机的启、停由开关量控制)、带少量数字量控制(变频器的控制端输入)，对系统控制速度要求较低，控制功能主要能够实现PID运算、闭环控制、通信联网等即可。通过对饲料生产现场情况、被控对象的I/0点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面统计结果的分析，综合考虑系统开发的经济性以及技术成熟度、开发周期等要素，本系统选用模块式结构的西门子公司生产的S7-200系列的中型可编程控制器就能够很好的胜任自动化生产配料系统开发要求。此外，在本工程设计中，为了避免电源对系统造成的干扰，计算机、所有PLC、工控仪表、变送器的电源均采用一体化供电方式，输入输出信号全部用继电器隔离，防止强电损坏设备以及信号相互干扰。第3章 系统硬件设计在饲料生产工业中，由于饲料配料以及过程控制的复杂性、现场多种设备相互之间存在干扰以及系统可靠性要求高等特点，所以在实际应用中常采用高可靠性的中央控制器如PLC和现场总线技术如PROFIBUS。生产现场计算机控制系统则依然采用传统的PC机和PLC 组成上、下位机控制系统组成，其中上位机是PC工控机，为操作人员提供良好的人机界面。下位机以小型PLC为核心，通过现场总线连接现场仪器仪表、控制计算机、变频器等智能程度较高、处理速度快的设备对被控对象进行监测和控制。在本系统中就是采用西门子S7-200可编程序控制器控制现场设备，并通过PROFIBUS现场总线由PC机进行监控。远程控制计算机用来控制工业现场的生产监控以及管理，为车间级管理及公司级管理层提供接口，包括对各种原料、配方、生产时间等进行预置和设定，同时能够对饲料生产相关数据进行管理及存储。由于配料控制系统需要快速同现场设备进行数据交换，本文使用PROFIBUSDP通信协议，使DP主站能够对现场设备进行实时有效的监控。根据实际情况，系统网络拓扑结构采用总线型，通信速率为9600bps。整个饲料生产自动化控制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。本章主要阐述系统功能模块硬件部分的设计内容。3.1 计量系统设计饲料生产过程的自动化控制，实际上包含了两个方面的内容。一类是以自动化仪表为执行结构，对生产过程中一些变化的物理量进行自动控制，使单机设备某一个生产环节处于最佳工作状态，属于仪表自动化的范畴。例如在配料混合生产环节，通过配料秤智能控制仪，按照预定的配方要求，控制物料的加料过程及配比，用压制机智控制仪，控制和监测压制过程中的温度、压力、流量等。另一类是以电动机、电磁阀等为执行机构，控制生产设备机械运动的系统，属于电气传动自动化的范畴。在这一范畴内，结合饲料生产过程的特点，本章所要解决的问题是如何按照生产工艺的要求，合理有效地按照一定的规律，控制饲料生产过程中上百台生产设备的协调运行，己使整个生产过程达到最优的技术经济指标。在传统的饲料生产过程中，往往采用皮带秤计量饲料的给量，其工作原理如图3-1所示。图31 皮带秤结构工作示意图其中饲料生产所需要的各种配料按照给定配方通过给料设备送至配料点的子皮带秤进行过磅，电子秤相当于重力及速度检测传感器，能够将配料称重以及皮带传速进行数字显示，同时利用数模转换将配料进给的瞬时流量、累计量等数据以420mA模拟电流形式送往PID调节器，整个系统按照闭环方式进行控制，调节器根据测量值与设定值的偏差进行负反馈控制，输出控制结果给变频器去驱动电机来控制传送皮带给料的速度，确保饲料进料量按照预定要求进行配置。控制算法设计的关键是要求饲料生产过程中必须精确掌握配料进给量与传输皮带驱动电机转速之间的线性关系。皮带电子秤是整个控制系统的关键部分，主要由秤体、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。本文考虑到饲料生产系统的工作过程，选用电子秤，其工作原理如图3-2所示。图3-2 电子称工作示意图电子秤的主要组成组件:重量传感器、放大器电路、滤波器电路、模拟数字转换器、中央处理器、电源供应电路、按键、外壳、机构、秤盘。电子秤的功能特点:电子秤采用一个三积分A/D转换器，对重量、温度、电池电压三个量进行测量，对传感器的温度零漂，温度满量程漂移，分二十个区间，线性化全自动软件补偿，硬件成本增加极少，使电子计价秤、计重秤达到国际标准;电子秤多机总线联网(无须接口板)，一台PC机可遥控几十台电子秤键盘操作和各种数据采集;电子秤能够实现CPU单总线双向数据通讯;电子秤能检测两个加载点，达到十个加载点补偿的效果，全自动解方程计算曲线参数，轻轻松松达到高精度线性补偿的目的;电子秤抗干扰、高精度称重滤波技术，将普通的一台电子秤读数稳定度提高五倍以上;采用模块化部件设计，加快电子秤的开发速度和产品的系列化，A/D模块三种，低阻抗、高阻抗、带CPU模块，数字化CPU模块多种，现推出一种高性能CPU模块:53 (29mm，内置实时时钟、RS232、RS485、DA、4M FLASH、多路I/0、单总线通讯、在线可编程模块)。搅拌仓所需饲料配料经电子秤中的重量传感器将配料重量转换成电压或电流的模拟讯号，经过内部模数转换后以数字方式显示。电子秤重力传感器输出信号稳定性取决于电子秤自身质量以及外部供电电源以及安装位置。本文称重电子秤内部集成UH61-100u型重力传感器，分别采用独立电源供电来保证转换精度，部分电子秤采用二次稳压来提高每个重力传感器供桥电源的稳定性。三只重力传感器分别安装在称斗和称架之间，在传感器承受的重力与传感器中心轴线存有。角的情况下则需要计算称重误差，计算公式为W=W (1-cosa)。假设电子秤秤斗净重为100kg，料斗给料净重25kg，则电子秤负载配料实际重量则为125kg，在传感器安装误差为。=4。时，则计算误差接近0. 43Kg。因而，电子秤中重力传感器的安装位置对称重精度具有一定的影响，需要确保三只重力传感器均能垂直受力。此外，在进行电子秤内部桥路时，需要保证传感器输出灵敏度相同，并且调节其工作电流使其工作在接近零温度系数(2ppm/C)下。本系统中采用的电子秤仪表性能稳定，其最大载荷可达250KG/M，完全满足本系统饲料配料的称量要求，抗干扰能力强，功耗低、可靠性高，能够以自动秤量方式将散状物料按照预定的配比进行秤量并能够控制物料的秤量、卸料。当饲料送料和称重到规定的数值时，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称重，依此类推，直到全部饲料配比完毕。同时具有远程数据通讯功能，可以设定预置功能及落差补偿功能，可实现准确、高速动态采样。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。在本系统中，饲料配料给料量控制采用顺馈一单回路负反馈复合控制策略进行，其控制算法基于数字滤波及PID控制，其控制电路设计如图3-3所示。采集后的重力传感器信号将数字化后的称重信号以及测速信号分别转化为两个420mA模拟输出信号，一个作为PID调节器的前馈输入，用来进行扰动的补偿控制，一个作为PID调节器的反馈输入，两者信号的输出进行相加与给定的控制信号进行比对，输出420mA模拟偏差调节信号，经过功率放大后驱动变频器频率来调整驱动电机。图3-3 单回路前馈一反馈复合控制系统较为实用可行的电原理图3.2 PLC子系统硬件设计PLC安装在饲料生产现场区域控制器CPU中，能够对饲料生产现场各区域设置的传感器以及生产过程、设备工作状态等监控参数通过总线进行传输并由PLC控制器进行数据处理，并通过串口总线传输给现场控制PC机，能够及时将过程控制的结果以及各项参数传输给现场控制计算机，根据部署在现场计算机上的生产控制命令进行自动化生产，控制各生产车间设备(给料机、搅拌仓、成品打包等)按照生产程序正常工作。其中PLC现场控制子系统的硬件设计及安装是本系统的主要硬件设备，主要包括供电系统、PLC、总线通信与触摸屏等。在本项目中采用西门子公司生产的S7-200系列PLC,供电系统由隔离变压器、PS207组成，CPU模块选用CPU226-2DP，总线采用PROFIBUS总线接口完成与西门子的PLC的网络化连接，最后通过局域网实现现场控制计算机的互联，实现企业生产监控与调度管理的协调。3.2.1 PLC系统框图设计在熟悉工艺流程特点和明了控制任务的基础上，设计一个PLC控制系统的首要任务是详细罗列该系统的全部功能和要求，其中包括系统方框图组成的描述，PLC及其I/O与被控过程其他控制器或计算机关系的阐述等。图3-4 饲料厂生产过程PLC控制系统框图饲料厂生产过程PLC控制系统框图各部分功能如图3-4所示:1）PLC作为控制主机安装在PLC柜内，通过其I/O模块，接收来自MCC柜内的交流接触器、保护元器件(自动空气开关、继电器、现场传感器)等动作输入信号以及操作台上控制按钮主令信号，根据程序运行的结果发出输出信号，控制MCC柜内的交流接触器动作，从而达到控制监测现场设备的目的。2）MCC柜即电动机控制中心，安装控制回路中的交流接触器、自动空气开关、热继电器、中间继电器、电流互感器等电器元器件，对被控设备实行驱动控制以及短路、过载保护等功能。3）现场操作按钮箱安装在现场各楼层，实现控制系统的手/自动操作转换，在现场对单台设备实现手启动、停操作，在自动控制方式下，亦能通过现场操作按钮实现单机设备的紧急停车，通过PLC控制程序运行，从而实现故障设备工段的自动联锁停车。4）用雕刻或丝网印刷等方法将工艺流程刻画在有机塑料或技术材料做成的显示屏上，用指示灯的状态来模拟显示现场设备运行的状态。灯亮表示该设备在运行，灯熄灭表示该设备停车等。采用这种方式模拟现场显示生产过程，直观、一目了然，但反映的信息单调，电气接线较多，一旦制造成功，工艺上有任何改动，在模拟屏上不能更改。所以在一些饲料厂的设计中，取消了这部分硬件设备，而用PLC与上位机通讯组态方式，在计算机屏幕上显示工艺流程。操作台安装系统中的一些操作按钮、指示灯、报警器、电流电压表、控制电源稳压器等。如一次回路的合闸分闸按钮、各楼层信号联络按钮、指示灯、各工段的主令启动、停车按钮等。e.典型控制原理图:以一个直接启动的电机控制回路，说明强电控制系统与PLC之间的关系。如图3-5所示。图3-5 典型控制原理QF自动空气开关，做短路、断路和过载保护开关PF热电保护KM交流接触器SB现场手/自动转换及急停开关SA现场启动按钮合上主回路空气开关QF其常开触点QF闭合，当SB置手动位置时，按下启动按钮SA，交流接触器KM线圈得电，其辅助常开触点闭合自锁，主触点KM闭合接通电动机M电源，电动机启动运转。当转换开关SB置于中间位置，KM线圈失电，其主触点及常开触点断开，电动机电源切断停止运转。但SB置于自动位置时，由PLC根据程序命令发出输出信号，使KM线圈得电，电动机运行，同时PLC根据程序命令监测输入信号的状态，KM常开触点闭合，对应的输入点状态为“1”，则电机M正常运行;运行中当发生短路或过载故障时QF常开触点也断开，对应的输入点状态为“0”，KM常开触点断开，其对应的输入点状态为“0”，通过编制程序，PLC发出故障报警信号，并切断有关的输出信号做相应的联锁停车控制。在自动运行状态下，现场发现故障，将转换开关SB置于中间位置，KM线圈失电，电机停止运行，相应的SB输入状态位由“1”变为“0”，KM输入状态由“1”变为“0”，PLC同样发出报警及联锁控制信号。3.2.2 PLC选型PLC产品的种类繁多。PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。 PLC的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。通过对饲料生产现场情况、被控对象的I/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面统计结果的分析，综合考虑系统开发的经济性以及技术成熟度、开发周期等要素，本系统选用模块式结构的SIMATIC S7-200 系列 PLC。杰出的实时响应在任何时候均可对整个过程进行完全控制，从而提高了质量、效率和安全性。SIMATIC S7-200 Micro 自成一体：特别紧凑但是具有惊人的能力特别是有关它的实时性能它速度快，功能强大的通讯方案，并且具有操作简便的硬件和软件。但是还有更多特点：SIMATIC S7-200 Micro PLC具有统一的模块化设计目前不是很大，但是未来不可限量的定制解决方案。这一切都使得SIMATIC S7-200 Micro PLC在一个紧凑的性能范围内为自动化控制提供一个非常有效和经济的解决方案。SIMATIC S7-200的应用领域从更换继电器和接触器一直扩展到在单机、网络以及分布式配置中更复杂的自动化任务。S7-200也越来越多地提供了对以前曾由于经济原因而开发的特殊电子设备的地区的进入。SIMATIC S7-200可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。1) 基本单元S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用，其输入输出点数的分配见表3-1：表31 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点数输出点数可带扩展模块数CPU22164CPU222862个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点CPU22414107个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点CPU22624162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点CPU226XM24162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点2) 扩展单元S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表4-12所示：表4-12 S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数类型型号输入点输出点数字量扩展模块EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16模拟量扩展模块EM2313无EM232无2EM235313) 可编程序控制器PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。4) 程序存储卡为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。程序存储卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8K和16K程序步。5) 写入器写入器的功能是实现PLC和EPROM之间的程序传送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。6) 文本显示器文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参断3.2.3 PLC系统I/O点数在确定机型容量时，I/O点数变成了一个重要因素。将所有I/O点按其形式(开关量或模拟量)、功用(输入或输出)、信号电平(直流或交流、电流电压等级)和设置地点(远程或就地)等来分类，并按照预选的PLC机型编制I/O分配端子图，包括架号、机架内的I/O通道号，每个I/O点的操作数分配号(即I/O地址号)和寄存器的选用安排等，列出PLC硬件配置清单。PLC要实现的功能主要有各物料下料量的采集、各喂料装置的启停、各物料下料量的控制、各物料下料量的累计。小型PLC中，整体式的体积小而且价格比模块式的便宜，但在设计中，经常碰到一些没估计的指标，所以在设计中需要进行局部调整，另外模块式PLC排除故障所需时间短，估算输入输出接口比较多，考虑到成本我们采用离线编程的方式，以降低软硬件的开销。根据PLC I/O节点使用原则，即预留出25%左右的I/O点以做扩展时使用。本系统中I/O点数量和类型如表3-1所示。表3-1生产现场I/O点数量和类型表I/O类型数字量输入开关量输出开关量输入信号类型流量信号4按钮4电磁阀4速度信号4料位传感器8指示灯8变频器故障4接触器9变频器启动4调速信号3自动手动切换开关2报警电铃2跑偏检测电位器43.2.4 PLC系统硬件设计要点饲料生产现场PLC控制子系统硬件设计关系着本饲料生产线自动化控制系统整个运行的可靠性、稳定性、安全性，加之系统包括饲料配比、搅拌加工、成品传输、打包分装，现场仪器仪表包括电子秤、压力、温度、风量、物料位等多个检测点，需要能对重要参数区域进行计数分析，保证生产过程工艺参数的最佳范围和各参数间的最佳组合，就不得不提高PLC控制子系统硬件设计抗干扰性，本文主要从系统输入、输出电路设计以及抗干扰设计几点进行阐述34-351) PLC控制系统的输入电路设计:在信号源与仪表之间的连接导线、仪表内部的配线就很容易通过磁祸合在电路中形成干扰。例如PLC供电电源适用的电源范围较宽，常为AC85-240V，因而可通过安装1:1隔离变压器、电源滤波器等装置解决输入端干扰祸合问题，同时将导线尽量远离强电设备以及动力网，将变压器的次级线圈屏蔽层接PLC输入电路、信号线避免与动力线平行敷设来减小高低频脉冲干扰。同时，对PLC输入电路电源做好防短路及过载等问题。2) PLC控制系统的输出电路设计，根据要求，晶体管输出可用于变频器、各种指示灯或数字直流调速器的启动停止，它响应时间短，适用于高频动作;首选继电器输出的条件是PLC控制系统输出频率应在6次/min以下，采用这种方法，特点是设计简单，抗干扰和带负载能力较强。如果PLC输出带电磁线圈等感性负载的，负载断电时会对PLC的输出造成强烈的电流冲击，所以直流感性负载一般和二极管相连，对交流感性负载应接入吸收电路，这样PLC就可以得到有效的保护。当PLC的扫描频率在10次/min以下时，可采用继电器输出，也可采用PLC输出驱动中间继电器或固态继电器(SSR)，然后再驱动负载。对于两个重要输出量，PLC内部一般互锁，但最好在PLC外部进行硬件上的互锁，这样就大大加强了PLC系统运行的安全性、可靠性。3) PLC控制系统的抗干扰设计。影响PLC饲料生产线控制系统的干扰源大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，因而在实际设计中需要针对不同的干扰源进行分类，如根据噪声产生的原因可分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等;根据噪声的波形及性质可分为持续噪声、偶发噪声等;按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。在本系统中，可通过将PLC系统装置在金属柜之内，同时将外壳接地来进行磁场屏蔽来防止空间辐射干扰;在实际的布线过程中，将强电和弱电分开走线并保持足够的间距，模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆。3.3 输入输出模块选择3.3.1 S7-200PLC的数字量模块数字量输入模块包括直流输入模块和交流输入模块，主要用来控制用户设备的数字量输入信号的通/断(0N/0FF)，如按钮、选择开关、行程开关、光电开关、接近开关、继电器和接触器的触点等。数字量输入模块的每一个输入点与用户设备连接构成输入电路，并通过输入电路把现场设备的开关量信号转换成CPU能接收的数字信号，以适应现场输入信号多样性的需求。数字量输入的编程元件为“I”。1）直流输入模块。S7-200PLC直流输入模块如EM221 8点24VDC, 8个数字量输入分为两组，1M和2M分别为两组输入点内部电路的公共端。直流电源可以用CPU模块输出的24VDC作为输入回路的电源，也可以用外部用户提供的24VDC作为输入回路的电源，正、 反电压极性都可以。直流输入模块图如下图36所示。图36 直流输入模块图直流输入模块的内部电路与外部电路接线如图37所示。图中双向发光二极管LED用作状态指示;电阻R2和C构成滤波电路，滤掉输入电路的触点抖动或髙頻干扰脉冲;光耦合器T隔离了外部输入电路与PLC内部电路的电气连接，并把外部信号整流成内部电路接收的标准信号。当外部按钮SB接通时，直流电源经电阻R1和阻容滤波后加在双向发光二极管LED 上，经过光耦合，光敏晶体管接收光信号并送入内部电路，对应输入映像寄存器状态为“1 双向发光二极管LED点亮;当外部按钮SB断开时，对应输入映像寄存器状态为“O”，LED 熄灭图37 直流输入模块的内部电路与外部电路接线图2)交流输入模块。S7-200PLC交流输入模块如EM221 8 点220VAC，有8个分隔式数字量 输入端，供电电源为220VAC,如图38交流输入模块的内部电路与外部电路接线如图3-9所示。图中R1为取样电阻，用来限制输 入信号过高;R2和C为髙频去耦电路，防止高频信号干扰。当外部按钮SB接通时，交流电源 经电容C、电阻R2和双向发光二极管LED,使发光二极管发光，经过光耦合，光敏晶体管接收光信号并送入内部电路，对应输入映像寄存器状态为双向发光二极管LED点亮：当外部 按钮SB断开时，对应输入映像寄存器状态为“0”，LED熄灭图38 交流输入模块图图39交流输入模块的内部电路与外部电路接线图3.4.2 PLC模拟量模块模拟信号是指在一定范围内连续的信号（如电压、电流等），这个“一定范围”可以理解为模拟量的有效量程。在使用S7-200系列模拟量时，需要注意信号量程范围、拨码开关设置、模块规范接线、指示灯状态信息等。S7-200模拟量模块分为AI模拟量输入模块、AO模拟量输出模块、AI/AO模拟量输入输出模块三种类型。1) AI模拟量输入模块如果传感器输入的模拟时电压或电流信号（如10V或0-20mA），可以选用普通的模拟量输入模块，通过拨码开关设置来选择输入信号量程。注意规范接线，尽量按照模块上的通道顺序使用，且未接信号的通道应短接。如果传感器时热电阻或热电偶，直接输出信号接模拟量输入，但需要选择特殊的测温模块，测温模块分为热电阻模块EM231RTD和热电偶模块EM231TC。注意不同的信号应该连至相对应的模块。2) AO模拟量输出模块S7-200的扩展模块里，分别有2路、4路的模拟量输出模块EM232，根据接线方式选择输出信号类型，如电压：10V，流：-20mA（4-20mA。3) AI/O模拟量输入输送模块A. CPU本体集成的2路AI、1路AO本体集成的2路AI电压是10V，1路AO是：电压信号：0-10V或电流信号：0-20mA；输出信号类型可以通过硬件接线来选择。B. EM235模拟量输入输出模块EM235模块由4路AI和1路AO，通过拨码开关设置来选择4路AI通道的输入信号量程，1路AO是：电压信号：0-10V或电流信号：0-20mA；输出信号类型可以通过硬件接线来选择。3.4.3 通信接口设置S7200PLC整合了一个或两个RS485通信接口，即可作为PG（编程）接口，也可作为OP（操作终端）接口，如链接一些HMI（人机接口）设备。支持自由通信协议及PPI（点对点主站模式）通信协议。3.4.4 电源S7200本机单元有一个内部电源，它为本机单元，扩展没款以及24v/DC电源输出。每一个S7200CPU向外提供5VDC和24VDC电源。需要注意一下两点：1) CPU模块都有一个24V DC电源的定额，可以增加一个外部24V DC电源来供给扩展。2) 当有扩展模块链接时CPU模块也为提供5V电源。如果扩展模块的5V电源需求超出了CPU模块的电源定额，必须卸下扩展模块，直到需求在电源预定值之内才行。第4章 PLC软件部分设计本系统在传统仪表PLC控制系统基础上，利用局域网通信技术将饲料生产现场控制与公司远程管理系统相结合，融和了标准化协议通信、面向对象技术、计算机控制技术等多种方法。本系统软件结构包括生产现场软件以及远程端管理信息系统设计两部分内容。本章主要阐述PLC现场部分的软件设计以及数字PID控制算法。4.1 饲料生产控制程序流程可编程序控制器的系统结构决定了用户程序的编制方法，在目前各类PLC 控制程序设计过程中，经常出现诸如顺序控制结构、循环控制结构、判断分支结构、终端结构等，针对不同的控制功能及其过程，不同程序结构同时决定了系统内部电路组成及编程思路的差异性。循环控制的程序结构，采用模块式结构，整个程序是由若干个程序块串联组成，每个程序块又由若干条指令，完成某种控制功能。运行时 CPU 从程序起点开始，依次执行各个程序块中的每一条指令，直到程序终点，从而构成一个扫描周期，并周而复始地重复上述扫描循环。 对于饲料生产过程的控制，采用循环控制结构及编程方法，就完全可以达到控制功能的要求，一般包括以下几个程序块： a)系统工作状态识别及初始化程序块；b)设备非联锁集中控制操作程序库；c)流程联锁控制主令启停操作程序块；d)设备输入状态检测程序块；e)风网设备控制程序块；f)主流程设备控制程序块；g)设备故障报警程序及显示程序块；h)与上位机通讯数据的采集与汇总程序块。由现场控制计算机完成系统程序初始化，根据远程控制端计算机发送的系统配置参数启动可编程控制