毕业设计（论文）基于PLC的物料比值调节控制系统设计

毕业论文（设计）任务书课题名称基于PLC的物料比值调节控制系统设计指导教师姓名一、主要内容：本课题涉及传感器原理、PLC原理和过程控制原理的应用。要求利用传感器、PLC及其自动化部件实现物料的比值调节控制系统设计。二、基本要求(基本技术要求与数据）1、 进行系统原理设计。2、 电气原理图及方案设计。3、 PLC、变频器应用设计。4、 利用实验室进行模拟。三、论文（设计）工作起始日期：自2011年1月3日起，至2011年5月25日止四、进度与应完成的工作：第一阶段：阅读书籍、查找资料 （2011年1月3日2011年3月1日）第二阶段：系统设计、论文初稿 （2011年3月1日 2011年5月6日）第三阶段：系统调试、论文修改 （2011年5月7日2011年5月12日）第四阶段：论文定稿、打印 （2011年5月12日2011年5月14日）第五阶段：论文答辩准备及答辩 （2011年5月16日2011年5月22日）五、主要参考文献、资料1 施仁. 自动化仪表与过程控制M.北京：电子工业出版社，2009.2 吴中俊,黄永红.可编程序控制器原理及应用M.北京：机械工业出版社，2009.3 王伟，杨公源. 基于PLC控制的氯化钾一硫酸和氯化钾一磷酸比值控制系统分析DB.万方数据库，2008-11-15.4 龚运新，方力友工业组态软件实用技术M北京：清华大学出版社,2005.5 周美兰，周封，王岳宇PLC电气控制与组态设计M北京：科学出版社，20066 李燕, 廖义奎，王永图解变频器应用M北京：中国电力出版社，2009目 录摘 要5Abstract61 引言72 系统的工艺要求与工艺流程73 氧化铝冰晶石流量比值控制系统84 系统模拟的工作过程85 硬件系统的具体设计95.1 变频器95.1.1 MM440变频器的特点及技术指标95.1.2 MM440变频器的参数设置115.2 PLC135.2.1 PLC系统的基本组成135.2.2 PLC的I/O分配表及I/O接线图145.2.3 PLC的编程155.3上位机组态195.3.1 建立IO设备组态195.3.2 建立数据库组态225.3.3 建立组态画面226 结论23参考文献24致谢24附录25基于PLC的物料比值调节控制系统设计XXX摘 要：在自动控制系统中，经常遇到输出量是温度、压力、流量、液位、浓度、成分以及PH值等变量，这就是过程控制系统。而在过程控制系统中应用较为广泛的流量是比值控制系统。在本系统中以电解铝的两种主要原料氧化铝粉和冰晶石粉作为两种不同的物料，工艺上要求粉状的氧化铝与冰晶石自动地保持一定的比例关系，即构成氧化铝冰晶石比值控制系统。关键词：物料比值；过程控制；PLC；变频器；组态。Materials RatioControl SystemBased on PLCFANG guiyun Abstract：In the automaticcontrol system,output isoften encountered intemperature, pressure,flow, level, concentration,composition, andPHvalue ofsuch variables, this is theprocess control system.In theprocess control systemis widely usedis theratio ofthe flowcontrol system.In this systemthetwomain raw materialaluminumpowder andcryolitealuminapowder astwo differentmaterials,workmanshipandcryolitealuminapowderrequiredto automaticallymaintain acertain proportionwill constitutealumina-IceStoneratio control system.Keywords：Materialsratio，Process control，PLC, Inverter, Configuration.1 引言工业生产过程中，要求两种或多种物料成一定比例关系，一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。所以严格控钥其比例，对于安全生产来说是十分重要的。2 系统的工艺要求与工艺流程在生产过程中，凡是将两种或两种以上的物料量自动地保持一定的比例关系的控制系统，就称为比值控制系统。在本系统中，工艺上要求粉状的氧化铝与冰晶石自动的保持一定的比例关系，即构成氧化铝冰晶石比值控制系统。工艺流程如图2-1所示。WIC：重量显示控制装置; M:变频器图2-1 工艺流程图在本系统中，氧化铝处于主导地位，称此物料为主物料或主动量。冰晶石与主物料进行配比，在控制过程中跟随主物料而变化，故称之为从物料或从动量。3 氧化铝冰晶石流量比值控制系统比值控制系统有开环比值控制、单闭环比值控制和双闭环比值控制三种类型。开环比值控制是最简单的控制方案，其特点是无反馈回路，结构简单，成本较低；但是控制精度低，容易受到外界干扰，输出一旦出现误差无法补救。闭环控制有助于提高系统的精度和稳定性，从而提高生产效率和品质，但是成本较高，结构较复杂。单闭环比值控制是为了克服开环比值控制方案的缺点而设计的，这种方案的不足之处是主流量没有构成闭环控制，但其成本低廉，也能满足工艺的控制精度以及稳定性。故本系统采用单闭环比值控制方案，系统方框图如图3-1所示。图3-1 系统方框图由图3-1可知，前面开环控制部分是主控量氧化铝本身构成的开环控制系统，当设定量确定后，主变频器通过输出一个恒定的控制电压控制螺旋输送机A的转速，从而控制氧化铝的量，使氧化铝的量稳定在设定值上，主流量开环控制系统属于恒值控制系统。后面闭环控制系统部分是副物料冰晶石闭环控制系统，其输入量是经过检测与变送后的氧化铝的流量Q1与比值系数K的乘积。冰晶石流量闭环控制系统有PLC、副变频器、螺旋输送机以及变送器B等组成。副流量冰晶石闭环控制系统属于跟随系统。4 系统模拟的工作过程鉴于实验设备及一些客观原因所限。本系统以两台异步电动机分别代替螺旋输送机A和螺旋输送机B。通过两台异步电动机的转速分别模拟氧化铝的量Q1和冰晶石的量Q2。通过两台测速仪器来分别模拟变送器A和变送器B。设定量通过实验柜0V-15V电压输出口给定。比值运算在PLC内部完成。其模拟系统结构图如图4-1所示。图4-1 模拟系统结构图5 硬件系统的具体设计5.1 变频器5.1.1 MM440变频器的特点及技术指标 MM440变频器的特点及技术指标如表5-1所示。表5-1 MM440变频器的特点及技术指标电源电压及功率范围输入电压恒转距负载下功率变转矩负载下功率1 AC 200至240V10%0.12KW至3KW无2 AC 200至240V10%0.12KW至45KW5.5KW至45KW3 AC 380至480V10%0.37KW至200KW7.5KW至250KW4 AC 500至600V10%0.75KW至75KW1.5KW至90KW输入频率输出频率47至63Hz0.12KW至75KW 0至650Hz（v/f控制方式）/ 0Hz至200Hz（矢量控制方式）90KW至200KW 0至267Hz（v/f控制方式）/ 0Hz至200Hz（矢量控制方式）功率因数大于0.95变频器效率96%至97%过载能力（恒转矩）0.12KW75KW，150%过载持续时间60秒，200%过载持续时间3秒重复周期300秒90KW200KW，136%过载持续时间57秒，160%过载持续时间3秒重复周期300秒过载能力（变转矩）5.5KW90KW，140%过载持续时间3秒，110%过载持续时间60秒重复周期300秒0.12KW75KW，150%过载持续时间1秒，110%过载持续时间59秒重复周期300秒控制方式矢量控制，V/F控制，转矩控制，平方V/F控制等频率设定分辨率数字输入和串行通讯输入为0.01Hz，10位二进制模拟输入通讯接口RS485标配，RS232可选，另有PROFIbus，DeviceNet、CANopen选件电机电缆长度不带输出电抗器0.12KW75KW 最长50m（屏蔽电缆），最长100m（非屏蔽电缆） 90KW250KW最长200m（屏蔽电缆），最长300m（非屏蔽电缆）带输出电抗器参照相关选件防护等级IP20工作温度0.12KW75KW，-10至+50摄氏度（恒转矩），-10至+40摄氏度（变转矩）90KW200KW，不降容0至+40摄氏度存放温度-40至+70摄氏度相对温度小于95%RH无结露工作地区海拔高度0.12KW75KW 海拔1000m以下无需降额使用90KW200KW，不降容0至+40摄氏度最高可在海拔4000m的环境使用保护功能过电压、欠电压、过载、接地、短路、过温5.1.2 MM440变频器的参数设置MM440变频器的参数设置如表5-2所示，未设置的参数采用变频器的默认值。表5-2 MM440变频器的参数设置参考号参数描述设置P0003设置参数访问等级=1 标准级 (只需要设置最基本得参数)=2 扩展级=3 专家级3P0010=1 开始快速调试注意：1. 只有在P0010=1的情况下，电机的主要参数才能被修改，如：P0304， P0305等2. 只有在P0010=0的情况下，变频器才能运行1P0100选择电机的功率单位和电网频率=0 单位KW，频率50Hz=1 单位Hp，频率60Hz=3 单位KW，频率60Hz0P0205变频器应用对象=0 恒转矩（压缩机，传送带等）=1变转矩 （风机，泵类等）0P03000选择电机类型=1 异步电机=2 同步电机1P03040电机额定电压：注意电机实际接线（Y/）220P03050电机额定电流注意：电机实际接线（Y/）如果驱动多台电机，P0305的值要大于电流总和0.5P03070电机额定功率如果P0100=0或2，单位是KW如果P0100=1，单位hp0.1P03080电机功率因数0.820P03100电机额定频率通常为50/60Hz非标准电机，可以根据电机铭牌修改。50P03110电机的额定转速矢量控制方式下，必须准确设置此参数1420P03200电机磁化电流通常取默认值0P03350电机冷却方式=0 利用电机轴上风扇自冷却=1利用独立的风扇进行强制冷却0P06400电机过载因子以电机额定电流的百分比来限制电机的过载电流150P07000选择命令给定源（启动/停止）=1 BOP（操作面板）=2 I/O 端子控制=4 经过BOP链路（RS232）的USS控制=5 通过COM链路（端子29,30）=6 Profibus （CB通讯板）注意：改变P0700设置，将复位所有的数字输入输出至出厂设定2P0701=1 接通正转/断开停车=2 接通反转/断开停车2P0756=0 单极性电压输入（0至+10V）=1 带监控的单极性电压输入（0至+10）=2 单极性电流输入（0至20mA）=3 带监控的单极性电流输入（0至20mA）=4 双极性电压输入（-10到+10V）0P07570电压2V对应0%的标度，即0Hz2P075800P07590电压10V对应100%的标度，即50Hz10P07600100P07610死区宽度2P10000选择频率给定源=1 BOP电动电位计给定（面板）=2 模拟输入通道（端子3、4）=3 固定频率=4 BOP链路的USS控制=5 COM链路的USS（端子29,30）=6 Profibus （CB通讯板）=7 模拟输入2通道（端子10,11）2P10800限制电机运行的最小频率0P10820限制电机运行的最大频率50P11200电机从静止状态加速到最大频率所需时间10P11210电机从最大频率降速到静止状态所需时间10P13000控制方式选择=0 线性V/F，要求电机的压额比准确=2平方曲线的V/F控制=20 无传感器矢量控制=21 带传感器的矢量控制0P3900结束快速调试=1 电机数据计算，并将除快速调试意外的参数恢复到工厂设定=2 电机数据计算，并将I/O设定到工厂设定=3电机数据计算，其它参数不进行工厂复位3P1910=1 使能电机识别，出现A0541报警，马上启动变频器15.2 PLC5.2.1 PLC系统的基本组成本系统采用西门子的S7-200 PLC，其基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图1。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。如图5-1所示。图5-1 PLC的基本组成5.2.2 PLC的I/O分配表及I/O接线图PLC的I/O分配表如表5-3所示。将就地控制按钮SB1端子连接PLC的I0.0输入点；电压变送器V1和电压变送器V2分别来源于测速仪A和测速仪B，他们分别使用PLC的A+、A-，B+、B-数字量输入接口；中间继电器KA1和中间继电器KA2分别来自主变频器和副变频器，主变频器端子编号为5的数字输入端子DIN1与PLC的Q0.0连接，副变频器端子编号为5的数字输入端子DIN1与PLC的Q0.1连接；模拟输出V负载来自副变频器，副变频器的端子编号3和端子编号为4的模拟输入端子AIN1+、AIN1-分别与PLC的V0、M0连接。PLC的I/O接线图如图5-2所示。表5-3 I/O分配表输入信号就地控制按钮SB1I0.0电压变送器V1A+ 、 A-电压变送器V2B+ 、 B-输出信号中间继电器KA1Q0.0中间继电器KA2Q0.1模拟输出V负载M0 、 V0 图5-2 I/O接线图5.2.3 PLC的编程本系统采用STEP-7Micro/WIN 32编程软件编写PLC程序，该编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专门为SIMATIC S7-200系列PLC设计开发。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机帮助功能。用户可利用该软件开发PLC应用程序，同时也可实时监控用户程序的执行状态。该软件是SIMATIC S7-200用户不可缺少的开发工具。 编写程序步骤：（1）新建工程文件，并建立符号表，符号表如表5-4所示。表5-4 程序符号表（2） 通过PID指令向导建立PID指令，点击在Micro/WIN中的命令菜单中选择Tools Instruction Wizard，然后在指令向导窗口中选择PID指令，在使用向导时必须先对项目进行编译，在随后弹出的对话框中选择“Yes” ，确认编译。如果已有的程序中存在错误，或者有没有编完的指令，编译不能通过。 如果你的项目中已经配置了一个PID回路，则向导会指出已经存在的PID回路，并让 你选择是配置修改已有的回路，还是配置一个新的回路，如下列图所示，未标示的取系统默认值。 选择PID向导，然后点击Next进入下一步。如图5-3所示。图5-3 选择PID向导 选择配置的回路号为NEW，然后点击Next进入下一步。如图5-4所示。图5-4 选择需要配置的回路选择PID的回路号为0，然后点击Next进入下一步。如图5-5所示。图5-5 选择PID 回路号 设置PID的参数，先预设给定值范围的底限0，给定值范围的高限为100；比例增益为1，积分时间为10分钟，采样时间为1s，微分时间为0分钟；如图5-6所示。在进行PID整定时再根据实际情况对PID参数进行修改。图5-6 设定PID参数设定PID的输入回路标定为单极性，过程变量的范围低限为0，范围高限为32000；输出类型为模拟量，单极性，范围低限为0，范围高限为32000；如图5-7所示。 图5-7 设定PID输入输出参数（3） 编写程序并对PID进行整定，整定结果如图5-8所示。采样时间为0.1s，增益为0.1，积分时间为0.0175s，微分时间为0.0s。具体程序见附录。图5-8 PID整定结果5.3上位机组态5.3.1 建立IO设备组态设置设备名称为bizhi，设备描述为物料比值控制系统，更新周期为50毫秒，超时时间为0秒，设备地址为2，通信方式为串口（RS232/422/485）,故障后恢复查询周期300秒，最大时限为60分钟。如图5-9所示。图5-9 设置设备的名称和描述以及各项参数选择设备的串口为COM1，连续采样失败3次后重新初始化串口。如图5-10所示。图5-10 选择设备的串口设置设备的命令间隔时间为20ms。如图5-11所示。图5-11 设置命令间隔时间 IO设备组态建立完成。如图5-12所示。 图5-12 IO设备组态5.3.2 建立数据库组态建立数据库组态如图5-13所示。bili为比例系数；m1s为电动机A转速；m2s为电动机B转速；start为启动按钮；motor1为电动机A的状态；motor2为电动机B的状态。 图5-13 数据库组态5.3.3 建立组态画面建立组态画面如图5-14所示。启动、停止按钮与变量名start.PV相关联；1#泵以及A物料输入通道与变量名motor1.PV相关联；2#泵以及B物料输入通道与变量名motor2.PV相关连；泵转速比设置中的#以模拟量输入、模拟量输出的形式与变量名bili.PV相关联；电机1转速和电机2转速分别以模拟量输出形式与m1s.PV和m2s.PV相关联。图5-14 系统组态画面6 结论物料比值控制系统在实际生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，精确地输出，更能实现自动化控制，是过程控制系统的一个典型。本设计针对生产中两种物料的混合的控制，对其设计了单闭环物料比值控制系统，将氧化铝作为主流量，冰晶石为副流量进行设计，设计中用到了多个硬件设备，并基于计算机实现过程的自动控制。在这次课程设计中收获颇多，在查阅相关资料的同时，增长了不少知识，学到了一些书本以外的应用性的东西。设计过程中，了解了一些从前没有多少接触的硬件设备，如异步电动机、测速仪、EM235模块。经过本次课程设计，我对工业过程控制系统的开发控制流程有了全面的了解，初步了解了PID控制规律在实际控制工程中的应用，很好的做到了理论与实践的结合，进一步加深了对PID控制算法理解，除此之外，还对在实际工程中应用极为广泛的力控软件，这为我们以后的工作打下了良好的基础。参考文献1 施仁,刘文江，郑辑光. 自动化仪表与过程控制M.北京：电子工业出版社，2009.2 吴中俊,黄永红.可编程序控制器原理及应用M.北京：机械工业出版社，2009.3 王伟，杨公源. 基于PLC控制的氯化钾一硫酸和氯化钾一磷酸比值控制系统分析DB.万方数据库，2008-11-15.4 龚运新，方力友工业组态软件实用技术M北京：清华大学出版社,2005.5 周美兰，周封，王岳宇PLC电气控制与组态设计M北京：科学出版社，20066 李燕, 廖义奎，王永图解变频器应用M北京：中国电力出版社，2009附录PLC程序如下 28