基于PLC的沥青混凝土搅拌生产线控制系统毕业设计

本科生毕业设计（论文）摘 要沥青混凝土搅拌生产线是随着沥青混凝土的诞生而产生和发展的。它是建筑、桥梁、道路、大坝等工程施工中的必备生产线。随着电力电子技术及控制技术的发展，使得交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用。由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。本文针对PLC和配料控制器结合控制的搅拌生产线来设计其控制及监控程序，设计中主要完成的任务有系统构造、PLC的I/O分配、工作流程图及PLC程序的编写。本系统选用西门子S7-200 PLC做控制器，完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。采用通用变频器三菱FR-A540，对4个电机进行转速调节。编程软件选用STEP7，采用顺序控制策略。利用组态软件良好的人机界面和通信能力，使工作人员可以在触摸屏上就可以方便的浏览现场的工业流程、实现变频器的参数设置、故障诊断及电机的启动和停止。用PLC做控制器，完成对沥青混凝土搅拌生产线的自动控制，该沥青混凝土搅拌生产线是将两种石料、两种粉料和沥青三类材料，根据工程配方称重后放到搅拌缸中进行充分搅拌，搅拌后放入到小车并存放到储料罐中，系统周而复始地工作。关键词：沥青混凝土搅拌生产线；变频器；可编程控制器（PLC）；自动控制AbstractAsphalt concrete mix production lines were producted and developed with the birth of concrete with tar. It is the construction of the necessary equipment for buildings, bridges, roads, dams and other projects. With the development of electric power and electronic technology and control technology，AC frequency conversion velocity modulation technology is widely used in the industry motor dragging fieldsBecause of the characteristics with powerful function，easy operation and high dependability，PLC is usually used for the field of data gathering and equipment control.In this paper, the controller combines PLC and the control of mixing ingredients production line to design its control and monitoring process, the design of the main tasks in a systematic structure, PLCs I / O allocation, work flow and procedures for the preparation of PLC. The system uses Siemens S7-200 PLC controller to do to complete the data collection and on the drive, motor and other equipment of the control tasks. Using a common drive Mitsubishi FR-A540, on the 4 motor speed control. Programming software used STEP7, use sequential control strategies.By the virtue of HMI with nice configuration software and strong communication ability，the staff can conveniently browse the industry flowFig on the locale，set the parameter of the transducer, diagnose the fault，and start or stop the electromotor on the PC machine in the control-center room To do with the PLC controller to complete the mixing of asphalt concrete production line automatic control of the asphalt concrete mixing two kinds of stone production line, two three types of powder and asphalt materials, according to the project formulation weighed into a full bowl of stir, stir into the car co-exist into the storage tank, the system again and again to work.Key words: Asphalt concrete mix production lines; Frequency; Programmable logic controller (PLC); Automatic control目 录第1章 绪 论11.1 研究沥青混凝土搅拌生产线的意义11.2 沥青混凝土搅拌生产线的发展情况11.2.1 沥青混凝土搅拌生产线的发展过程11.2.2 沥青混凝土搅拌生产线的发展趋势31.3 系统设计内容及目标3第2章 系统总体设计42.1 沥青混凝土搅拌生产线系统的工艺流程42.2 系统方案论证及组成52.2.1 系统的方案论证52.2.2 系统的组成6第3章 沥青混凝土搅拌生产线硬件设计83.1 可编程控制器83.1.1 可编程控制器的概念83.1.2 可编程控制器的优点83.1.3 可编程控制器的发展趋势93.1.4 可编程控制器的应用领域93.1.5 可编程控制器的系统组成103.1.6 可编程控制器的工作原理113.1.7 可编程控制器的编程语言113.2 系统的输入/输出信号113.2.1 输入信号分析113.2.2 输出信号分析123.3 PLC选择及扩展模块的选择133.3.1 PLC的选择133.3.2 扩展模块的选择143.4 系统I/O分配163.5 PLC外部接线设计183.6 称量系统的设计193.6.1 电子皮带秤193.6.2 称重传感器的原理203.6.3 称重传感器的选型233.6.4 流量控制233.7 变频器253.7.1 交流变频调速系统253.7.2 变频器的控制方式263.7.3 变频器的控制算法273.7.4 变频器的选型293.8 控制电机303.9 继电器控制电路30第4章 沥青混凝土搅拌生产线软件设计314.1 程序地址分配314.2 系统的配料控制原理324.3 系统的整体流程设计344.4 称量系统的控制流程设计354.4.1 流程图354.4.2 检测与控制程序说明374.5 触摸屏人机界面设计39第5章 结论41参考文献42致 谢43附录I44附录II46附录III6173第1章 绪 论1.1 研究沥青混凝土搅拌生产线的意义随着中国交通道路网的不断壮大与延伸，道路的施工生产线也在不断发展改进。在高等级公路的建设中，沥青混凝土作为一种面层料，越来越多地被道路设计者们采用，而沥青混凝土搅拌生产线就担负起了生产沥青混凝土的使命。道路建设速度日益加快，中小型的沥青混凝土搅拌站已经不能满足道路建设的需求。10年前产量在120t/h的沥青搅拌生产线已经渐渐逐出市场竞争的舞台，取而代之的是360t/h及400t/h等高产量的沥青混凝土生产线，它们渐渐成为市场的主流产品。沥青混凝土搅拌生产线是目前道路建设领域中的重要生产线之一，随着筑路路面要求提高，它对沥青混凝土搅拌质量提出更高的要求：系统要求能连续16h工作；要求沥青混凝土搅拌的油石比精确；要求生产过程中的每一拌料具有数据备查功能等。1.2 沥青混凝土搅拌生产线的发展情况1.2.1 沥青混凝土搅拌生产线的发展过程我国的沥青搅拌生产线经历了简单产品的自行开发、技术引进、技术合作。到完全自主开发并达到国际先进水平几个发展阶段。1969年9月，我国第1台强制间歇式沥青混合料搅拌生产线（30t/h）诞生。该产品是由当时的交通部公路研究所筑路机械室的几位留苏人员参考前苏联的技术开发设计的，由当时的交通部西安筑路机械厂生产制造。那时国内沥青路面较少，除应用于国内市场外，还出口到亚非国家。该产品技术水平低，全部采用手动控制，燃烧器为人工点火，称量系统的传感器为机械杠杆式。20世纪80年代前国内仅有中交西筑生产强制间歇式沥青搅拌生产线，并没有进口生产线。我国沥青搅拌生产线真正发展是从20世纪80年代初期开始的。1983年，交通部西安筑路机械厂承担了国家第1批重大引进技术消化吸收项目，引进了当时国际上先进的英国Parker公司LB1000型强制间歇式沥青搅拌生产线。其生产能力为80t/h，控制系统采用全自动控制，燃烧器自动点火，热油加热器全自动无人看管，称量系统采用电子称并通过PLC进行称量误差的自动补偿。在除尘系统上，考虑当时的国情。配备的是一级多管旋风和二级湿式除尘器，该产品很快推向了市场。同时，当时较先进的意大利Marini公司和Parker公司的原装机器以及日本的新泻等公司的产品也进入了中国市场，这些新产品、新技术给我国沥青搅拌生产线的发展带来了第1次飞跃。这时中国许多厂家，特别是市政系统的生产厂家，纷纷加入到开发、设计、生产沥青搅拌生产线行列。同时，西安筑路机械有限公司推出了LB500型（40t/h）和LB2000型（160t/h）产品，与LB1000型一起形成了该厂的LB系列产品。20世纪90年代初期，我国的公路建设迅猛发展，公路施工部门感到LB2000型及以下产品已不能满足公路建设的需要。西安筑路机械有限公司抓住时机，在1994年承担了国家“八五”一条龙重大技术引进消化吸收项目，再次引进了英国Parker公司的M3000型强制间歇式沥青搅拌生产线，它不但在产量上达到了240t/h，而且从技术上又前进了一大步，并且在形式上采用移动式，即全套生产线装到12个运输底盘上，只要有牵引车头即能行走，不需要专门的平板车，并且不用地脚螺栓，大大方便了用户。该产品的投放市场，带动了国内生产厂家向着产品便于运输、无基础方向发展，使我国沥青搅拌生产线技术的发展又有了一次飞跃。1998年，该公司又与英国Parker公司合作，联合推出了M2000型、M1500型、M750型强制间歇移动式沥青搅拌生产线，使该公司形成了M系列产品。2000年西安筑路机械有限公司根据世界沥青搅拌生产线技术发展趋势，与德国边宁荷夫公司进行技术合作，联合生产出具有当代国际先进水平的环保节能型沥青搅拌生产线，产量分别为160t/h、240t/h和320t/h。该产品从配料开始，就采用计算机进行控制，控制部分全部采用计算机触摸屏，并且实现了故障报警、故障点显示等功能，真正实现了智能化。同时这种合作方式也使我国沥青搅拌生产线产品从单纯的技术引进转变为合作生产、联合开发，也让我国沥青搅拌生产线的技术水平跟上了国际发展步伐。该产品的投放市场，推动了国内各生产厂家产品开发向着大型、绿色、环保、节能方向发展。例如现在国内的徐工、德基、雪桃等厂家已能生产320t/h的沥青搅拌生产线。2001年西安筑路机械有限公司又开发出具有自己知识产权的获国家专利并达到国际先进水平的J2000型国际标准及转箱式沥青搅拌生产线。我国公路建设仍在快速发展，对沥青搅拌生产线的需求量仍在大幅增加。对产品的性能和质量也提出了更高的要求。目前我国有能力生产沥青搅拌生产线的厂家初步统计有70多家，其中年生产能力在1000台（含1000型以下）以上在10家左右。国内每年需求量大约800台。其中，进口生产线约150台，主要集中在生产能力为240t/h以上的产品上，而进口生产线的销售额却占总销售额的50%左右。1.2.2 沥青混凝土搅拌生产线的发展趋势随着中国交通道路网的不断壮大与延伸，道路的施工设备也在不断发展改进。在高等级公路的建设中，沥青混凝土作为一种面层料，越来越多地被道路设计者们采用，而沥青拌和楼就担负起了生产沥青混凝土的使命。道路建设速度日益加快，中小型的沥青拌和楼已经不能满足道路建设的需求。10年前产量在120t/h的沥青搅拌站楼已经渐渐逐出市场竞争的舞台，取而代之的是360t/h及400t/h等高产量的沥青搅拌生产线，他们渐渐成为市场的主流产品。随着沥青搅拌生产线产量的增大，其各部位结构也相应地随之增大，作为一种大型机械，搅拌生产线的基础及设备安装应引起我们的高度重视。同时，由于工程建设对沥青混凝土的要求越来越高，控制精确的油石比收到格外重视。1.3 系统设计内容及目标本次设计的沥青混凝土搅拌生产线按照固定的工作程序，有条不紊的完成每步动作，以达到系统的控制要求。本课题设计内容：用PLC做控制器，完成对沥青混凝土搅拌生产线的自动控制，该沥青混凝土搅拌生产线是将两种石料、两种粉料和沥青三类材料，根据工程配方称重后放到搅拌缸中进行充分搅拌，搅拌后放入到小车并存放到储料罐中，系统周而复始地工作。设计目标：用PLC组成控制系统，完成沥青混凝土的配料和搅拌，从而提高工业自动化程度。第2章 系统总体设计2.1 沥青混凝土搅拌生产线系统的工艺流程系统启动时，三个料斗处于关闭状态，石料秤斗先通过电子秤称取1#石料，当称量值到关闭1#石料仓门，接着电子秤称取2#石料，直至2#石料称量值到，关闭2#石料仓门；在称石料的同时，粉秤斗与沥青秤斗也开始称料。粉秤斗称量过程同石料一样，都通过电子秤称量，而沥青秤斗通过控制阀门开度控制沥青流量。当所有原料称量完毕，开启各自秤斗阀门注入拌缸搅拌，然后注入料车通过传送带送至储料罐。其工艺流程图见图2.1。图2.1 沥青混凝土搅拌生产线工艺流程图2.2 系统方案论证及组成2.2.1 系统的方案论证1、可编程控制器与继电器控制系统的比较几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业领域中大量地应用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和发展，继电器控制系统故障率高，大大降低了控制系统的可靠性和安全性，因此继电器控制系统与PLC相比较，存在着质的差别，表2.1给出可编程控制器与继电器控制系统功能与特点的比较。表2.1 可编程控制器与继电器控制功能与特点的比较比较项目可编程控制器继电器控制控制功能的实现进行编程实现所需控制功能进行硬件接线完成控制可靠性采用软继电器，可靠性高元器件多触点多，易出现故障控制的实时性微处理器控制，实时性非常好机械动作时间常数大实时性差占用空间与安装体积小，重量轻控制柜体积大、笨重使用寿命寿命长易损、寿命短复杂控制能力很强极差价格较高较低维护工作量小复杂、工作量大2、可编程控制器与计算机控制系统的比较通用计算机具有十分强大的计算与数据处理能力，同时数据的处理速度已经达到极高的水平，但是应用较差，在很多方面远远没有PLC功能强大，表2.2给出可编程控制器与计算机控制系统功能与特点的比较。表2.2 可编程控制器与计算机控制系统功能与特点的比较比较项目可编程控制器通用计算机工作方式扫描式中断式编程语言语句表、梯形图等汇编、高级语言续表2.2工作环境可在环境差工作要求工作环境较高对使用着要求语言易学专门语言培训可靠性工业级要求商业级要求系统软件功能专用功能强大适用领域工业控制办公、管理，科学计算从上面的论述和比较可以看出，PLC的硬件决定了它的可靠性和控制功能比继电器控制系统计算机控制系统高的多，它是专门为工业控制场合设计的，所以它的稳定性好，而且它操作简单灵活，易于实现系统升级和功能扩展。选用PLC控制沥青混凝土搅拌生产线，其硬件接线少、线路设计合理、编程简单，参数修改简便，降低了维修率，提高了工作效率；具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性。所以本设计采用可编程序控制器作控制器。2.2.2 系统的组成本系统采用西门子S7-200 PLC控制，系统称料分为三路：石料、石粉和沥青。当系统起动，若三个料斗都处于关门状态，三种材料根据工程配方开始称料，根据称量值是否达到预设值而控制进料阀的关闭，并控制搅拌电机和传送带的工作，系统由PLC控制器，石料、石粉和沥青的称重电路，A/D转换模块以及电机控制电路等部分组成，并通过触摸屏来进行参数修订和显示。PLC控制的沥青混凝土搅拌生产线控制系统的结构框图如图2.2。1#石料称量电路2#石料称量电路1#石粉称量电路2#石粉称量电路沥青称量电路A/D转换A/D转换A/D转换A/D转换A/D转换S7-200 PLC控制器触摸屏控制电路图2.2 PLC控制的沥青混凝土搅拌生产线控制系统结构框图1、PLC控制器PLC控制器是沥青混凝土搅拌生产线控制系统的核心设备，各称量电路根据原料的称量值是否达到预设值而向PLC的输入端发送或者停止发送电信号，PLC根据输入的信号自动控制相对应的控制电路从而控制沥青混凝土原料配比。2、石料（石粉/沥青）称量电路石料（石粉/沥青）秤斗的皮带秤先称取石料（石粉/沥青），当称量值到，通过A/D转换，将信号送PLC，关闭石料（石粉/沥青）仓门。3、 A/D转换采用西门子专门A/D转换模块进行A/D转换，将采集到的模拟信号转换成数字信号送至PLC进行控制。4、控制电路控制电路有石料阀门、石粉阀门及沥青阀门控制电路。4个电机分别控制4个皮带秤的启停及调速，1个电机控制搅拌器的转动，2个电机控制传送带的启停及运行。第3章 沥青混凝土搅拌生产线硬件设计3.1 可编程控制器可编程控制器是以微处理器为基础，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。它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的三大支柱之一。3.1.1 可编程控制器的概念可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PLC。国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可 编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”3.1.2 可编程控制器的优点现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。PLC一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。PLC具有如下特点：（1）编程方便，可现场修改程序。（2）维修方便，采用插件式结构。（3）可靠性高于继电器控制装置。（4）体积小于继电器控制盘。（5）数据可直接送入管理计算机。（6）成本可与继电器控制盘竞争。（7）输入可以是交流电。（8）可直接驱动接触器、电磁阀等。（9）扩展时原系统改变最小。（10）用户存储器至少扩展到4KB。3.1.3 可编程控制器的发展趋势发展迅速，产品更新换代；开发各种智能化模块，不断增强过程功能；PLC与个人计算机（PC）结合；通信联网功能不断增强；发展新的编程语言，增强容错功能。3.1.4 可编程控制器的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。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、模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3、运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。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。4、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。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。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。5、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。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。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。6、通信及联网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。3.1.5 可编程控制器的系统组成PLC种类繁多，但其组成和工作原理基本相同。用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。1、中央处理单元（CPU）中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢，是PLC的核心起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。2、存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。PLC使用的存储器类型有三种：ROM、RAM和EEPROM。3、输入/输出模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块。PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出模块从广义上分包含两部分：一是与控制设备相连接的接口电路；另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入模块用于接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。输出模块用于将这些信号转换成CPU能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。4、电源模块PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。5、接口模块接口模块用于将扩展单元或功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。6、通信接口为了实现“人机”或“机机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。7、编程器过去的编程设备一般是编程器，其功能仅限于用户程序读写和调试。8、其他部分需要时，PLC可配有存储器卡、电池卡等。3.1.6 可编程控制器的工作原理PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，但是 CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。3.1.7 可编程控制器的编程语言编程语言是PLC的重要组成部分，常见的编程语言有梯形图（LD）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）、结构化文本和指令表（IL）。3.2 系统的输入/输出信号3.2.1 输入信号分析输入设备用于产生输入控制信号，本设计中输入设备包括以下几种：1、启动按钮和停止按钮2、传感器检测信号根据系统控制要求，输入信号分析如下：启动信号1个；停止信号1个；称重传感器检测信号5个；速度传感器检测信号4个；流量传感器检测信号1个。表3.1 输入设备及其电气符号输入信号名称电气符号启动按钮SF1停止按钮SF21#皮带秤称重传感器BP12#皮带秤称重传感器BP23#皮带秤称重传感器BP34#皮带秤称重传感器BP4沥青斗称重传感器BP51#皮带秤测速传感器BS12#皮带秤测速传感器BS23#皮带秤测速传感器BS34#皮带秤测速传感器BS4沥青斗流量传感器BL3.2.2 输出信号分析输出设备是PLC的输出信号驱动的执行元件，本设计中由PLC输出控制的信号有：阀门继电器驱动信号，皮带秤电机接触器驱动信号，传送带电机接触器驱动信号，搅拌器电机接触器驱动信号，速度输出信号，流量输出信号。根据系统控制要求，输出控制信号分析如下：阀门继电器驱动信号9个；皮带秤电机接触器驱动信号4个；传送带电机接触器驱动信号2个；搅拌器电机接触器驱动信号1个；速度输出信号4个；流量输出信号1个。表3.2输出设备及其电气符号输出设备名称电气符号1#石料阀门继电器KF12#石料阀门继电器KF21#石粉阀门继电器KF32#石粉阀门继电器KF4沥青料仓阀门继电器KF51#皮带秤电机接触器QA12#皮带秤电机接触器QA23#皮带秤电机接触器QA34#皮带秤电机接触器QA4石料斗阀门继电器KF6石粉斗阀门继电器KF7沥青斗阀门继电器KF8拌缸阀门继电器KF9搅拌器电机接触器QA51#传送带电机接触器QA62#传送带电机接触器QA73.3 PLC选择及扩展模块的选择3.3.1 PLC的选择PLC诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，目前国际上生产PLC的公司有很多，如德国的西门子、日本的三菱、欧姆龙、松下；法国的TE、施耐德、韩国的三星等。本设计选用的是德国西门子公司生产的S7-200系列的PLC。S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能已经达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样。CPU22*系列PLC它有如下六种不同结构的配置单元：（1）CPU221本机集成6输入/4输出，无扩展能力。（2）CPU222本机集成8输入/6输出，最多可扩展2个模块。（3）CPU224本机集成14输入/10输出，最多可扩展7个模块。（4）CPU224XP本机集成14输入/10输出，最多可扩展7个模块，并且在主机上增加了2输入/1输出的模拟量单元和一个通信口。（5）CPU226本机集成24输入/16输出，最多可扩展7个模块，具有2个通信口。综上所述，沥青混凝土搅拌生产线系统开关量输入点数为2点，开关量输出点数为16点，综合分析沥青混凝土搅拌生产线系统的动作要求，并且系统要具有通信功能，考虑系统的经济性、技术指标和不同型号S7-200CPU的特点，以及对它的控制要求和对环境的适应能力等多方面的要求，根据I/O点数选择PLC型号为S7-200CPU226。3.3.2 扩展模块的选择由于选择的是CPU226型号，为数字量24点输入，16点输出，缺模拟量10点输入，5点输出，故本系统需对模拟量进行模块扩展。S7-200系列的PLC的主机提供一定数量的数字量I/O和模拟量I/O，当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O的扩展。I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。不同的CPU有不同的扩展规范，它主要受CPU的功能限制。S7-200PLC的模拟量扩展模块有：（1）模拟量输入扩展模块EM231 共有3种：4AI、2路热电阻输入和4路热电偶输出。（2）模拟量输出扩展模块EM232 只有一种2路模拟量输出的扩展模块。（3）模拟量输入/输出扩展模块EM235只有一种4路AI/1路AO（占用2路输出地址）。根据本系统需要模拟量输入10点，输出5点，需要3个EM235，一个EM232，共有12路AI，5路AO。本系统本设计的CPU226 与EM235及EM232模块连接方式如图3.1所示。模块4EM232模块3EM235模块2EM235模块1EM235主机CPU226AC/DC继电器图3.1 模块连接方式表3.3为各模块编址。表3.3 各模块编址主机I/O模块1I/O模块2I/O模块3I/O模块4I/OI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1Q1.2 Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6Q1.7AIW0AIW2AIW4AIW6AQW0AIW8AIW10AIW12AIW14AQW4AIW16AIW18AIW20AIW22AQW8AQW12AQW163.4 系统I/O分配1、数字量输入部分控制系统的数字输入信号有启动、停止信号等。表3.4 数字量输入 I/O分配表输入地址分配功能对应的外部设备I0.0启动SF1I0.1停止SF22、数字量输出部分该系统需要控制的外部输出设备的输出信号有阀门继电器驱动信号，皮带秤电机接触器驱动信号，传送带电机接触器驱动信号，搅拌器电机接触器驱动信号，速度输出信号，流量输出信号。表3.5 数字量输出I/O分配表输出地址分配功能对应的输出设备Q0.01#石料阀门继电器KF1Q0.12#石料阀门继电器KF2Q0.21#石粉阀门继电器KF3Q0.32#石粉阀门继电器KF4Q0.4沥青料仓阀门继电器KF5Q0.51#皮带秤电机接触器QA1Q0.62#皮带秤电机接触器QA2Q0.73#皮带秤电机接触器QA3Q1.04#皮带秤电机接触器QA4Q1.1石料斗阀门继电器KF6Q1.2石粉斗阀门继电器KF7Q1.3沥青斗阀门继电器KF8Q1.4拌缸阀门继电器KF9续表3.5Q1.5搅拌器电机接触器QA5Q1.61#传送带电机接触器QA6Q1.72#传送带电机接触器QA73、模拟量输入部分模拟量输入信号有称重传感器检测信号、速度传感器检测信号、流量传感器检测信号等。表3.6 模拟量输入分配表输入地址分配功能AIW01#称重传感器检测信号AIW22#称重传感器检测信号AIW43#称重传感器检测信号AIW64#称重传感器检测信号AIW8沥青斗称重传感器检测信号AIW101#速度传感器检测信号AIW122#速度传感器检测信号AIW143#速度传感器检测信号AIW164#速度传感器检测信号AIW18沥青斗流量传感器检测信号4、模拟量输出部分模拟量输出信号有速度输出信号，流量输出信号等。表3.7 模拟量输出 I/O分配表输出地址分配功能AQW01#皮带秤速度输出信号AQW42#皮带秤速度输出信号续表3.7AQW83#皮带秤速度输出信号AQW124#皮带秤速度输出信号AQW16沥青斗流量输出信号3.5 PLC外部接线设计PLC外部电气接线图如图3.2（a）、3.2（b）。（a）CPU226外部接线图3.2 PLC外部电气接线图（b）外部扩展模块接线图3.2 系统硬件接线EM235、EM232的输出接变频器S1、S2端。3.6 称量系统的设计3.6.1 电子皮带秤电子皮带秤是机电一体化产品，它是利用皮带的运转将其上物料进行称重，并根据流量设定的要求调整皮带速度，使出料口物流达到设定流量。电子皮带秤不仅用于各种规则物体称量，还可称量各种散装的连续物料。电子皮带秤称重桥架安装于输送机架上，当物料经过时，计量托辊检测到皮带机上的物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，并显示出来。电子皮带秤的结构原理如图3.3所示。物料运输的方向如图3.3中箭头所示。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，称重框架(图中粗线部分)全部支撑在支点上，称重托辊正好位于称量区的中点，称重传感器位于支点和称量托辊的中点。在调整时，考虑到皮带自身的重量及调整的简便，一开始在称重传感器上便有一个力，称之为预加载。这样在没有物料的时候，皮带作用在称重托辊上的力、称重传感器上的预加载以及配重块，这几个作用力对称重框架共同作用，使得称重框架达到了平衡。这点便是电子皮带称的称重零点，所有的称量均须以此点为基准。图3.3 电子皮带秤的结构原理图3.6.2 称重传感器的原理称重传感器实现了对物料的快速、准确的称量，它是影响电子秤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粱的上下平面，即连成惠斯登电桥。称重传感器电气原理图如图3.4所示。图中R1R4为电桥测量电阻应变片；RD初始不平衡补偿电阻；RT零点温度补偿电阻；RE输出灵敏度温度补偿电阻。称重传感器的激励电压为10V，称重传感器的灵敏度为11.5mV，则称重传感器的额定载荷下的输出电压为1015mV。图3.4 称重传感器电气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R1、R2电阻应变片阻值增加，R3、R4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，特性曲线如图3.5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电压。传感器受一定的力，便对应输出一定的电压，在二维图形上形成一个点，将许许多多不同的点连接起来，则是一条直线，即是称重传感器受力与输出电压之间的关系曲线。鉴于二者之间的关系，利用一个标准砝码，根据两点能确定一条直线的原理，便可求出称重传感器受力与输出电压的对应关系。图3.5 称重传感器受力与输出电压关系曲线皮带称上没有物料时，皮带称已经受到一个预加载力F0，对应的电压输出值为V0，在称重托辊上加一个标准砝码，重量为B。此时，传感器上所受的力为F1，输出电压为V1，V1的值是可知的，则F1的大小为预加载力与标准砝码之和，F1=F0+B。即，B=F1-F0因此，当某个X重量的物体被称重时，由此时的输出电压便能求出它的重量X。具体分析如下：设重量X的物体加载后，传感器受力为FX，输出电压为VX。 FX=F0+X （3-1）即， X=FX-F0 （3-2）根据三角形相似原理，可求得 （3-3）将式（3-1）、（3-2）代入式（3-3）得 （3-4）则， （3-5）式中，B为标准砝码重量，V0为空载时的输出电压，V1为加上标准砝码时的输出电压，VX为X重量物体加载时输出电压(可在物体加载时读取)，V0和V1的读取由校零部分完成。任何物体的重量便都可以由式(3-5)计算而来。电子皮带称是连续称重的设备，就是说物体从进入称重区开始一直到走出称重区为止，所得重量才是物体真正的重量，在这一过程计算机要经过几百次的采样，这几百次的采样必须累加后才是物体的重量，如果每次采样的数据都按式(3-5)计算后并累加，最后的结果与真实值会有极大的差距。物体从皮带称走过时称重传感器的受力情况如图3.6所示。图3.6中L为物体在皮带上走过的距离，F为称重传感器受的力。图3.6 称重传感器的受力物体落在皮带上且位于称重区以外时，称重传感器不受力。当物体落在称重区边沿L1时，传感器开始受力并逐渐增大；当物体运动到称重区中部LM(称重托辊)时，传感器受力最大：以后物体逐渐离开称重托辊，受力也逐渐减小；当物体过了L2点离开称重区时，传感器上就不受力。由数学知识知道，由这条曲线所围的面积等于物体的重量。每次采样走过的距离为L，根据几百次采样所得的曲线以及L2-L1的称重区长度，便可计算出该物体的重量。解决了连续物料称重的问题。3.6.3 称重传感器的选型系统选用ICS14电子皮带秤，选用的称重传感器为电阻应变片拉式（压）力传感器。称重传感器主要技术参数：（1）输出：4-20mA（2）非线性：小于额定输出的0.05 （3）重复性：小于额定输出的0.03 （4）滞后：小于额定输出的0.03 （5）温度灵敏度：零值时为0.003，满值时为0.004（6）安全过载： 1503.6.4 流量控制 本系统需要控制石料、石粉的流量，采用PID调节，控制精确的物料量。所谓流量，就是一定时间内皮带上走过的物料量。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。(1)PID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，具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，是工业控制主要和可靠的技术工具。PID控制结构图如图3.7所示，控制器输入和输出(误差)之间的关系在时域中可用公式表示如下：图3.7 PID控制结构框图 （3-6）公式中e(t)表示误差、控制器输入，u(t)是控制器的输出，KP为比例系数，Ti为微分时间常数，TD为积分时间常数。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(Steadystate error)。积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steadystate Error)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。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。(2)流量PID算法设系统偏差为e(t)，PID控制规律模型为： （3-7）式中，KP为比例系数，Ti为微分时间常数，TD为积分时间常数。式(3-7)是描述连续系统的微分方程，由于采用微机控制须得到数字控制器的表达形式，需将式子离散化代之为描述离散系统的差分方程。用矩形法进行数值积分，得到PID算法为： （3-8）m(k)为速度码，决定皮带运行速度的大小。e(k)为流量偏差值，即瞬时流量与设定流量的差值。把m(k)作为控制信号的时候，m(k)便直接决定了执行机构的流量、压力等。如果直接用式(3-8)编制PID控制程序，那么一旦由于某种原因，如故障、输入或输出信号受到干扰，而使m(k)为某一极值时，则被控对象也将作出大幅度的剧烈变化，有可能导致严重的事故。原因在于此算法给出的只是当时控制量的大小，但与此时之前时刻的偏差大小、控制量大小都孤立无缘、完全不相干。将式(3-8)转化得到： （3-9）将式(3-8)与(3-9)相减，得到： （3-10）式(3-9)每次得到的结果不再是控制量的大小，而是控制量的变化，即在前一个变化量基础上增加一个变化量，使系统的可靠性大大提高。式(3-9)为增量式算法，(3-10)为位置式算法。3.7 变频器本系统需要对石料、石粉及沥青流量进行PID调节，故需要进行变频调速控制，采用三菱FR-A540变频器。3.7.1 交流变频调速系统异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，此时电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速 （3-11）式中：定子绕组电源频率；p 电机磁极对数。异步电动机转差率 （3-12）则异步电动机转速 （3-13）电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量m为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁通，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持Fm。不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。三相异步电机定子每相电动势的有效值 （3-14）式中Eg：气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V；f1：定子频率，单位Hz；N1：定子每相绕组串联匝数；KNl：基波绕组系数；Fm：每极气隙磁通量，单位为Wb。3.7.2 变频器的控制方式变频器的控制模式指的是针对频率、电压、磁通和电磁转矩等参数之间的配合关系，比较常用的控制模式有U/f 控制模式和矢量控制模式两大类，其中在原理上最简单的是U/f模式。电压与频率配合调整是变频调速的基本原理，电压与频率以函数关系共同变化是最容易想到的方法。它的主要目标是转速的调节，而交流电动机转速又主要与频率有关，因此在改变交流电动机输入频率的同时改变电动机的电压，并保持电动机磁通近似恒定，这样在保证电动机的效率、功率因数不下降的前提下，使电机保持在一个较宽的调速范围内。由于此种方式是控制电压（Voltage）与频率（Frequency）的比，故称为U/f 控制。U/f 控制属于转速开环控制方式，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强、经济性好，是目前变频器使