1、 . . . 基于三菱PLC的水泥廠窯頭喂煤系統設計摘 要隨著建筑行業的不斷發展，其對水泥產量和質量的要求也越來越高。水泥煅燒是水泥生產過程中與其重要的部分，喂煤系統中煤粉的連續、均勻喂料是煅燒工作的基礎。由于國外喂煤系統控制的核心、編程語言與許多元器件國沒有替代品，日常難以維護，因此本設計將采用國的高性價比元器件和通用的三菱PLC代替國外喂煤系統中的部分。本喂煤系統控制目標是能夠向窯頭連續、均勻的喂煤，并實現5的喂煤精度。本設計以三菱PLC為控制核心，轉子秤通過稱重傳感器測出其中煤粉的重量，同時轉子盤的旋轉速度也通過變頻器得出，PLC通過高速脈沖測量單元和A/D轉換單元將煤粉的重量和速度的轉

2、化為數字量，經系統運算處理后得出煤粉瞬時流量，并與給定量進行比較，再經PID算法，最終達到瞬時流量跟蹤給定流量的最佳控制效果。關鍵詞：轉子秤，PLC，PID，喂煤系統，A/D轉換The cement kiln head feeding coal system based on mitsubishi PLC designABSTRACTWith the continuous development of construction industry, the requirement for the production and quality of cement is becoming more

3、and higher. And cement calcination is crucial steps in the process of cement production; coal feeding system of the continuous, uniform feeding is the basis of calcination work.Because there is no domestic substitute for foreign coal feeding system control core, program languages, and many devices .

4、It is difficult to maintain daily, so this design will use domestic cost-effective components and universal parts of the Mitsubishi PLC instead of feeding coal system abroad.The kiln head control goal of the coal feeding system is to be able to continuous and uniform feeding coal, and implement 5 pr

5、ecision of feed coal. This design use Mitsubishi PLC as the control core, the trochanterthrough weighing sensor to measure the weight of the rotor in the pulverized coal, at the same time, the rotating speed of rotor drum through transducer, PLC use high-speed pulse measurement unitand A/D conversio

6、n unit convertedweight and speed to digital quantity, and after the system processing coal instantaneous flow, and comparing with quantitative, then through PID algorithm, and finally achieve the optimal control of a effect that transient flow tract given flow.KEY WORDS: Rotor balance，PLC，PID，Coal f

7、eeding system，A/D conversion59 / 63目錄前言1第1章概述21.1研究的現狀21.1.1 水泥產業發展現狀21.1.2 水泥生產喂煤裝置簡介21.2研究的意義31.2.1 傳統水泥生產喂煤裝置31.2.2 新型水泥生產喂煤裝置的研發意義41.3設計方案41.4論文的主要工作與章節安排5第2章控制原理與總體設計62.1 控制流程與工作原理分析62.2 控制要求與控制目標72.2.1 控制要求72.2.2 控制目標72.3設備選型82.3.1 轉子秤82.3.2 PLC選型82.3.3 荷重傳感器92.3.4 速度傳感器92.3.5 變頻器92.3.6 羅茨風機10

8、2.3.7 開關電源102.3.8 模擬量擴展模塊102.3.9人機界面112.4 總體設計方案11第3章系統硬件設計133.1 系統電路分析設計133.2 系統供電電路分析設計163.3 PLC外圍接線分析設計163.4 控制柜布局分析設計18第4章軟件設計204.1 程序流程圖204.1.1 主程序流程圖204.1.2 PID調制程序流程圖214.2 系統程序梯形圖224.2.1 電機啟停梯形圖224.2.2 PID參數設定梯形圖244.2.3 PID調制梯形圖264.3 梯形圖邏輯測試27第5章系統組態設計305.1 組態軟件介紹305.2 系統組態設計制作305.2.1 系統組態制作3

9、05.2.2 系統組態畫面335.3 系統組態運行33結論36辭37參考文獻38附錄39前言在中國乃至世界上的建筑行業中，水泥都是有史以來就是最不可或缺的建筑材料。水泥產業的發展在我國的基礎設施建設與經濟發展中不可或缺，也成為了衡量一個國家發展水平與綜合實力的重要指標之一。在水泥的煅燒過程中，在穩定水泥熱工制度中尤為重要的是燃燒器的煤粉計量喂料裝置，煤粉是否能夠充分燃燒取決于轉子秤供給煤粉量的均勻穩定，因此煤粉計量在喂料過程中對水泥生產來說至關重要。水泥廠窯頭喂煤的煤粉稱量和適當控制對窯頭的穩定以與水泥熟料的產量與質量的提升，水泥生產的過程自動化的加強都起到積極的影響。本設計方案中，轉子秤煤粉

10、計量控制系統主要包括粉煤倉、稱重傳感器、煤粉喂料機、轉子秤和電氣控制器件等。煤粉由螺旋喂料機從粉煤倉中均勻穩定地喂入轉子稱，轉子稱的轉子盤帶著煤粉轉動，轉子盤上煤粉的重量通過轉子秤稱重傳感器精準測出，然后經過放大、A/D轉換輸送到PLC的模擬量輸入端口，進入數據處理中心進行數據處理，同時轉子秤的轉速也由變頻器的實時數據值傳輸到PLC的高速脈沖測量單元經過一定的數據處理。PLC通過高速脈沖測量單元和A/D轉換單元將速度和重量轉化為數字量，經過運算處理后得出煤粉瞬時流量，并與用戶已設定的臺式流量所需要的給定量進行比較，再經PID運算得出電機調節數據，調整轉速數據值經D/A轉換單元轉換成標準電流信號

11、經過變頻器去控制喂料機電機和轉子稱電機的轉速，最終達到煤粉瞬時流量與由臺時流量所設定的給定流量的誤差小于控制精度的最佳控制效果。現代高科技技術含量的三菱PLC測控控制系統在被用于窯頭喂煤控制系統時，負責完成各種實時任務，實現整個窯頭喂煤控制系統的連續稱量和定量喂煤，實現水泥廠窯頭喂煤控制系統的連續化、均勻化，并實現5的喂煤精度。第1章 概述1.1研究的現狀1.1.1 水泥產業發展現狀水泥，粉狀水硬性無機膠凝材料，在建筑行業中能把砂、石、灰等建筑材料牢固地膠結在一起起到黏固的作用。在中國乃至世界上的建筑行業中，水泥都是有史以來最不可或缺的建筑材料。近年來，我國水泥產業發展勢頭迅猛，高科技技術含量

12、的水泥生產線不斷地投入使用，全國水泥產量增速世界首屈一指1。中國目前在全球水泥生產數據統計中獨占鰲頭。從水泥生產線來看，2012年我國新增水泥熟料生產線124條， 2013年我國新增水泥熟料生產線72條2；從行業產量看來，我國水泥產量逐年增長，在“十五”期間，我國全社會固定資產投資保持年平均20%以上的飛速增長，有力的拉動了水泥的生產和消費，因此水泥生產企業得到了快速發3。目前就我國水泥企業的數量而言，7000余家的水泥生產企業在世界圍也是屈指可數，水泥行業的年產量就占據了全世界水泥年產量的半壁江山4。1.1.2 水泥生產喂煤裝置簡介水泥生產工藝主要包括：水泥原料破碎和預均化、生料制備、預熱分

13、解、熟料煅燒、粉磨、包裝。在水泥的熟料煅燒過程中，在穩定水泥熱工制度中尤為重要的是燃燒器的煤粉喂料計量裝置，煤粉是否能夠充分燃燒取決于轉子秤供給煤粉量是否均勻穩定，因此喂料裝置的稱重測量對水泥煅燒來說是至關重要。窯頭喂煤系統喂煤量的計量不準確不僅會造成后續窯頭燒成系統對于煤粉的不充分燃燒，還有可能直接影響整個水泥廠的生產產量甚至停窯事故，進而影響到工廠的經濟效益。因此, 我們選用的搖頭喂煤控制系統要控制精度高，稱重計量準確，系統穩定、調節響應速度快，對煤粉適應能力強。這樣既可以提高水泥熟料的產量和質量,又能節約水泥原料,降低生產成本5。1.2研究的意義1.2.1 傳統水泥生產喂煤裝置在我國水泥

14、生產過程中,傳統的煤粉喂料計量裝置大多采用稱重皮帶機、螺旋喂料機、失重式喂料機和沖量式流量計喂料機。1稱重皮帶機稱重皮帶機中的皮帶秤是安裝在皮帶輸送機上的動態稱重儀表，對放置在皮帶上并隨皮帶連續移動的松散物料進行稱重。傳統的煤粉稱重皮帶機固定設備投資大,維修不便，效益增長緩慢，對皮帶封性要求高，且具有防爆裝置,對安裝有一定的要求，不方便其廣泛使用，于此同時煤粉粘連在輸送帶的皮帶秤上會引起零點漂移,導致測量結果不準確。2螺旋喂料機螺旋喂料機通過稱重橋架把經過的物料進行重量檢測，用來稱重膠帶上的煤粉重量，裝在膠帶尾部的速度傳感器測量喂料機電機的轉速，然后將重量信號和速度信號一起送至螺旋喂料機的控制

15、核心，經過一定的處理后，就可以與時的測量出流經煤粉的瞬時流量。但螺旋喂料機不宜輸送易變質、粘性大、易結塊的物料，因為這些物料會粘結在螺旋上，停止移動并隨之旋轉或者在吊軸承處形成物料的積塞，從使螺旋喂料機不能正常工作。因此, 螺旋喂料機也不是理想的煤粉稱重裝置。3失重式喂料機和沖量式流量計喂料機失重式喂料機通過調節其電機的運轉速率來修正的差值，從而可以使系統均勻、準確、連續的給窯頭喂煤。失重式喂料系統需要有減振設施或無彈性平臺,這大大增加了水泥廠原始投資，同時系統在開始喂煤階段,有時由于無規則測容的操作，會出現安全意外。沖量式流量計喂料機利用由來自喂料機煤粉的重力對特定沖擊板的重力分量對流經煤粉

16、進行重量檢測的,由于是間接測重煤粉重量,所以測量不準確,而且對煤粉要求較高，稍微有不確定因素的進入，就會導致系統計量不準確甚至停機影響生產。由此可見，失重式喂料系統和沖量式流量計喂料系統也不是理想的喂煤裝置6。1.2.2 新型水泥生產喂煤裝置的研發意義隨著技術的發展以與水泥產品的要求不斷地提高，必將不斷的出現新的水泥生產喂煤裝置。近些年煤粉計量喂料系統不斷推出新，一代更比一代計量準確，穩定運行時間也更長，人性化更高。又由于不斷地從國外引進高效率輥壓機和新的高效選粉機,因此新出現的喂料設備喂料轉子秤的研發也就勢在必行7。世界圍的水泥生產企業和相關公司都在積極研發與新型干法水泥生產線配套的轉子秤計

17、量與控制系統。目前國水泥廠使用的煤粉計量與控制設備中，都由國外供貨，由于外國廠商對自己的獨有設備具有嚴格的，我們無法獲取相關設備信息，就造成了國壟斷的局面，設備價格高昂、維修困難、通用性差等等，給我過的水泥生產帶來許多不必要的麻煩，對水泥產業的發展也帶來了很大的制約，而國的水泥生產過程中的窯頭喂煤設備計量不準確，系統不穩定，可靠性差等等都需要大步的提升8。因此，展開對水泥廠窯頭喂煤控制系統的煤粉稱量的國產化研發具有極大的研究意義。隨著第一臺轉子秤系統成功運用于水泥磨,我們看到采用全新的水泥廠要窯頭喂煤稱重系統運行穩定、結構小巧，操作方便，能適用于水泥廠復雜的環境，對水泥產量和質量也有了質的提升

18、，我們確信國產新型轉子秤系統必將取代傳統的水泥廠煤粉稱重計量方式9。1.3設計方案本設計中，轉子秤煤粉計量控制系統主要包括粉煤倉、稱重傳感器、煤粉喂料機、轉子秤和電氣控制器件等。煤粉由螺旋喂料機從粉煤倉中均勻穩定地喂入轉子稱，轉子稱的轉子盤帶著煤粉轉動，轉子盤上煤粉的重量通過轉子秤稱重傳感器精準測出，然后經過放大、A/D轉換輸送到PLC的模擬量輸入端口，進入數據處理中心進行數據處理，同時轉子秤的轉速也由變頻器的實時數據值傳輸到PLC的高速脈沖測量單元經過一定的數據處理。PLC通過高速脈沖測量單元和A/D轉換單元將速度和重量轉化為數字量，經過運算處理后得出煤粉瞬時流量，并與用戶已設定的臺式流量所

19、需要的給定量進行比較，再經PID運算得出電機調節數據，調整轉速數據值經D/A轉換單元轉換成標準電流信號經過變頻器去控制喂料機電機和轉子稱電機的轉速，最終達到煤粉瞬時流量與由臺時流量所設定的給定流量的誤差小于控制精度的最佳控制效果10。1.4論文的主要工作與章節安排水泥廠窯頭喂煤控制系統中最重要的就是轉子秤的設計與控制，本設計對于控制系統中的各個單元模塊的選型和電路的總體設計以與軟件的編寫都做出詳細的設計分析，具體如下所示：1、對系統總體進行分析，確定總體設計方案。2、根據總體設計方案，選出具體的硬件設備。如轉子秤、PLC、傳感器、開關電源、羅茨風機、觸摸屏、變頻器等等。3、畫出相應的電氣接線圖

20、，硬件原理圖等。4、對各個單元模塊進行軟件設計，繪制流程圖，編寫程序。5、用MCGS組態軟件對水泥廠窯頭喂煤控制系統進行組態設計、仿真。第2章 控制原理與總體設計2.1 控制流程與工作原理分析窯頭喂煤控制系統是由煤粉倉、喂料機、轉子秤、除塵器、羅茨風機與相應的PLC控制系統組成。煤粉進入煤粉倉后，由一個錐形漏斗與螺旋喂料機喂入轉子秤，通過轉子秤來計量喂煤量的大小并進行適當的調節，轉子秤轉過一定角度由羅茨風機通過出風口將煤粉吹入窯頭通道，在此過程中為避免發生揚塵還有鎖風喂料機的加入，最后送至窯頭。窯頭喂煤控制系統控制流程如圖2-1。圖2-1 窯頭喂煤控制系統控制流程圖窯頭喂煤控制系統中粉煤倉中的

21、煤粉由螺旋喂料機喂入轉子稱，進入轉子稱，煤粉經過荷重傳感器的稱重后，由轉子盤帶至進入羅茨風機氣力輸送區。轉子秤中的荷重傳感器能準確的測出轉子盤中煤粉的重量，并將相應的重量信號輸送給PLC，該重量信號又與轉子秤電機的轉速信號經控制系統處理后得到煤粉的瞬時流量，再經過PLC中自帶的PID快速運算處理，最后再通過變頻器調節喂料機電機的轉速，進而調整整個系統的喂煤量，實現煤粉的定量給料。系統可以準確測出喂煤系統的瞬時流量、電機轉速，計算得出累計流量、臺時流量等。 三菱PLC控制該系統完成荷重信號的檢測，變頻器信號的處理，PID運算等等一系列的調節控制處理過程。2.2 控制要求與控制目標2.2.1 控制

22、要求本系統設計以三菱系列FX2N的PLC為控制核心，用以實現圓盤喂料機的自動控制與相應參數的PID調節，通過轉子秤上的荷重傳感器檢測出流經煤粉的重量，輸出重量信號，通過變頻器可直接得出轉子秤轉速信號，也通過變頻器實現對轉子秤電機轉速的控制，通過控制屏顯示瞬時流量、給定流量、累積量、荷重、轉速等過程參數，并能通過顯示屏設定和改變過程參數獲得所需要的臺時產量，且本系統要求系統的控制精度為5。水泥廠窯頭喂煤控制系統中轉子秤部分的煤粉稱量控制系統結構設計緊湊，密封優良，能有效的防止煤粉外漏，喂煤穩定。系統能有效抑制外界干擾，并且系統的魯棒性能有所增加。2.2.2 控制目標若要實現本系統的穩定運行，需具

23、備以下條件： 1. 搖頭喂煤控制系統需要運行時穩定、稱重計量時可靠，裝置密封性良好，受控性良好。 2. 煤粉稱重計量裝置具有高的靈敏度和穩定性，受外界擾動小，能長期穩定維持在一定的控制精度。3. 煤粉稱量圍要寬，喂料機在大幅度改變喂煤量時，系統的計量精度仍能保持不變，本系統的控制精度為5。 4. 系統自動化程度要高，在水泥廠各種復雜的環境下仍能繼續保持穩定運行，即適用性要強，。國水泥廠的窯頭喂煤裝置為了保證系統的穩定都采用德國菲斯特公司生產的煤粉轉子秤，由于該公司設備對使用環境和維護方式要求很高，因此在煤粉輸送過程中要嚴格把控煤粉的質量（純度）和水分、粉煤倉的材質，要求密封、恒溫，同時秤體消風

24、、 羅茨風機用風、助流系統的使用也需要嚴格注意。2.3設備選型2.3.1 轉子秤國大型熟料生產線為了保證喂煤系統的穩定一般都采用德國菲斯特公司生產的DRW系列轉子秤煤粉轉子秤，本設計也欲采用DRW系列轉子秤。DRW系列轉子秤是德國奧格斯堡的菲斯特公司于1984年設計并獲得專利，于1985年用于水泥生產線，1995年引進中國。目前，中國水泥行業約有1500套該轉子秤運行在不同的生產線上。DRW系列轉子秤以先進的前饋控制技術，強勁的功能深得用戶的信賴。DRW系列轉子秤占地面積小，稱重計量準確，自動調整系統喂煤量。但價格較昂貴，安裝不便，維護困難。DRW系列轉子秤中的DRW4.12型轉子稱適用于水泥

25、煅燒過程中煤粉的連續稱量。煤粉從粉煤倉的輸出、稱重和直接傳送到氣力輸送管道的所有過程都在一個結構簡單的封閉式機構完成，此型號轉子秤的計量精度為±0.05。2.3.2 PLC選型在窯頭喂煤控制系統中的PLC系統設計時，在詳細分析系統的控制目標，控制要求，輸入輸出I/O點數、需要PLC達到的功能特性以與外接設備的特定特性要求等等之后，我們最終選擇有較高性價比、高性能的三菱FX2N系列PLC。 三菱PLC是當今應用最廣泛的PLC之一，其梯形圖編程簡單，修改方便。FX2N系列是三菱PLC家族中最先進的系列，具有高速處理分析數據，可互聯擴展等特點，能為工廠生產自動化和控制自動化提供最理想的控制

26、核心。三菱FX2N系列的PLC性能強勁，外形小巧，高速度處理，其所有方面都是FX系列中最高檔次的超小型、可滿足多樣化廣泛需要的PLC程序裝置。綜合PLC選型的規則與本系統 I/O口的需求，三菱FX2N-32MR-001基本單元帶有16點繼電器I/O端口，分析后可得出其能夠滿足系統的控制要求，因此可選其作為本系統的基本控制核心。2.3.3 荷重傳感器荷重傳感器主要是通過檢測被測體使載體發生形變的形變度來獲得被測體重量的傳感器，荷重傳感器能將載體因所受的壓力而改變的形變程度轉變成相應的電信號來進行相應的數據傳輸，從而達到測量荷重的目的。荷重傳感器是喂煤控制系統能夠持續定量喂煤的重要元器件之一，其量

27、程選擇的正確與否將直接影響到系統的計量精度和喂煤精度，我們應盡可能使從轉子秤流過的煤粉瞬時荷重維持在荷重傳感器20%80%的受力圍。根據控制系統的要求，決定選用西門子公司的壓力荷重傳感器SIWAREX WL270 CP-S SB，本荷重傳感器設計緊湊，適用于安裝在容器計量秤中，額定負載有10t、20t、30t和50t。荷重傳感器的形變片的形變圍為0.232.67mm，誤差± 0.02% 。2.3.4 速度傳感器速度傳感器指的是能夠感受被測速度并轉換成可用于輸出或檢測的信號的傳感器。由于本系統中轉子秤電機和喂料電機是由變頻器控制的，可直接由變頻器的相關數據得到相應的電機轉速信號，而羅茨

28、風機轉速對系統喂煤精度沒有影響，只要其能將煤粉從轉子盤卸出后在氣力輸送管道吹至窯頭就可，無需對其轉速進行控制。2.3.5 變頻器系統對喂料機電機和轉子秤電機轉速的控制精度要求較高，因此我們引入變頻器對兩者電機的轉速進行精密控制。本設計的窯頭喂煤控制系統需要配備2臺變頻器，一臺拖動和控制轉子秤電機運轉，另一臺拖動和控制喂料機電機運轉。根據系統喂料的臺時流量以與變頻器的高性價比需求，最終確定2臺變頻器都選用三菱變頻器FR-740系列中的FR-A740-7.5K-CHT。此變頻器輸入3相380V 、50Hz的交流電壓。在閉環時可進行高精度的轉矩/速度/位置控制 ，因此在控制精度方面能夠滿足

29、系統要求。2.3.6 羅茨風機羅茨風機輸送的風量大小一般是由風機電機轉速的大小來決定的，羅茨風機的選型要根據煤粉流量、壓頭、葉片以與電機的轉速來決定我們的需要，另外還要滿足系統需要羅茨風機在安裝、噪音大小等方面的要求。根據本系統中的各項參數與數據選擇MD系列HSR200高壓羅茨風機，該風機氣密性好、風機送風效率高，節能高效，噪音低、振動小，體積小，控制精度較高，使用較一般風機方便。風機口徑為80500A，風機風量為5350 m³/min。2.3.7 開關電源三菱PLC自帶電源，可用來給傳感器或者擴展模塊供電。若是PLC外接按鈕或行程開關，則可以直接使用自帶電源；若是外接接近開關或光電

30、開關，可以選擇使用PLC部提供的24V電源，也可以使用外部另接24V電源對其進行供電。在此我們考慮到外部單元較多，部電源不能滿足要求，因此需要選用開關電源作為外部電源供電。因為PLC自帶電源電壓為直流24V，總電流也不大，所以擁有24V/5A的一般電源既能滿足要求。2.3.8 模擬量擴展模塊由于我們選用的FX2N-32MR-001型PLC不能直接讀取荷重傳感器和速度傳感器的標準電信號，因此只有通過模擬量擴展模塊將標準的電信號轉化為數字信號才能由CPU處理。在此我們就需要在輸入和輸出端加入A/D與D/A模擬量擴展模塊。A/D轉換器的控制精度是由其二進制位數決定的，二進制位數越多，一個單位所占比例

31、越小，控制精度越高。由于本系統要求系統控制精度達到5，那么本系統選用的A/D或D/A轉換器精度就要達到1，12位的控制精度；而8位的控制精度則為，不能滿足要求。因此我們選用12位的A/D轉換單元或D/A轉換單元。FX2N常用的模擬量輸入單元有FX2N-2AD、FX2N-4AD、FX2N-8AD。我們選擇FX2N-2AD輸入單元，FX2AD為2通道12位A/D轉換單元，它可以根據外部連接方法與PLC指令選擇電壓輸入或電流輸入，是一種具有高精確度的輸入單元。FX2N常用的模擬量輸出單元有FX2N-2DA、FX2N-4DA、FX2N-8DA。我們選擇FX4DA輸出單元，FX4DA為4通道12位D/A

32、轉換單元，它可以通過簡易的調整與PLC的指令改變模擬量的輸出圍，是一種具有高精確度的輸出單元。2.3.9人機界面人機界面是用戶和系統間進行交互的媒介，它可以實現系統部信息處理的形式與人類可接受的形式之間的轉換。由于水泥廠的工作環境復雜以與使用方便和高性價比的要求，系統欲采用日本三菱GT1050-QBBD-C觸摸屏，顯示屏為5.7英寸藍白16灰度，DC電源。GT10系列人機界面優點有很多，如HMI結構簡潔，但部處理功能強大，標準配方功能實用性很強，方便加工存儲數據。支持多臺互連，人機界面置標準的USB，RS-232，RS-422接口。2.4 總體設計方案根據以上設計要求、控制目標與控制系統的精度

33、要求等，設計出了本窯頭喂煤控制系統：煤粉的臺時流量大小是由轉子秤電機的轉速和測重裝置的荷重傳感器的共同決定的，其轉子盤流經的煤粉荷重通過荷重傳感器直接測得，而轉子秤電機的轉速由變頻器的相關運行數據得出。系統將實際測得的轉子秤電機的轉速和轉子盤上的煤粉的荷重的乘積值與設計臺時流量轉換后的預先設定值相比較，由變頻器調制喂料電機轉速，使喂料機的喂煤量保持在一個恒定圍，進而達到搖頭喂煤控制系統精確喂煤的目的。當轉子秤中的轉子盤將煤粉從喂料機輸送到羅茨風機的氣力輸送區時，煤粉立即被吹送至窯頭。現代高科技技術含量的三菱PLC測控控制系統在被用于窯頭喂煤控制系統時，負責完成各種實時任務，實現整個窯頭喂煤控制

34、系統的連續稱量和定量喂煤，實現水泥廠窯頭喂煤控制系統的連續化、均勻化，并實現5的喂煤精度。喂煤系統控制原理圖如圖2-2所示。圖2-2 喂煤系統控制原理圖第3章 系統硬件設計3.1 系統電路分析設計在基于三菱PLC的水泥廠窯頭喂煤控制系統設計中，我們通過DCS系統來控制整個控制系統的運行，包括喂料機電機、轉子秤電機、羅茨風機電機三臺電機的啟動和停止。系統運行過程中運用三菱PLC完成各種實時任務，實現整個系統的連續稱量和定量喂煤。同時在電機運轉過程中實現PID調節，也可以實現系統連續、均勻的喂煤。3.1.1喂料機電機控制在本控制系統設計中，煤粉第一個進入的裝置就是喂料機，因此對喂料機電機轉速的控制

35、在整個控制過程中不可小覷，因此喂料機電機的運轉顯得尤為重要。喂料機電機控制原理圖如圖3-1所示。圖3-1 喂料機電機控制原理圖過程分析如下：總開關QF1閉合，系統開始準備工作，變頻器開始運行，選擇設定好的運行頻率，且變頻有效，系統處于備妥狀態。此時備妥信號發出，過程為KA1閉合，繼電器線圈KA11帶電。與此同時DCS發出驅動信號，繼電器線圈K1得電，繼電器線圈K1的常開觸頭立即閉合線路接通，進而繼電器線圈KM1得電，使繼電器線圈KM1的常開觸點閉合，喂料機電機開始運轉，同時，控制回路中正常運轉指示燈HL11亮，DCS系統中繼電器線圈KM1的常開觸頭閉合，發出應答信號表明電機已正常運轉。若出現故

36、障，則熱繼電器KH1中常閉開關斷開，正常運行指示燈滅，DCS中的常開開關KH1閉合，發出故障信號，此時，由COM1端連接的故障信號燈HL12亮。NLB-T3-1是現場按鈕盒，手動、自動模式可任意切換操作，在出現故障時，工作人員在得到確切信息后可手動切換到手動操作狀態，以盡快修復電機的運轉，保證不影響工廠的正常生產。3.1.2轉子秤電機控制在本控制系統中最重要的部分就是控制轉子秤轉速，轉子秤電機的轉速控制對于整個系統的控制準確度、控制精度都顯得尤為重要。轉子秤電機的控制與喂料機電機的控制可謂小異，都需要變頻器來精準的控制電機的轉速。轉子秤電機控制原理圖如圖3-2所示。圖3-2 轉子秤電機控制原理

37、圖其中轉子秤電機的過程分析與喂料機電機的過程分析幾乎沒有區別。只是在變頻器的設定過程中即兩者電機的轉速可能會不同，但控制方式是完全一樣的。3.1.3羅茨風機電機控制羅茨電機的控制主要是對風速的需要來設定的，羅茨風機主要是將煤粉吹入窯頭，因此不再需要變頻器對其進行轉速控制。但對于3臺電機的啟停控制有著一定的要求，本系統要求3臺電機在啟動時同步啟動，在工作完成后，先停止喂料電機，然后延時2秒停止羅茨風機與轉子秤電機。這樣做的目的是清空轉子秤中剩余的煤粉，避免影響此次與下次工作時喂煤的精度，同時也避免了煤粉的長期堆積對機器造成影響。羅茨風機控制原理圖如圖3-3所示。圖3-3 羅茨風機控制原理圖羅茨風

38、機的過程分析與喂料電機與轉子秤電機的過程分析也沒有區別，只是羅茨風機不在需要變頻器對電機轉速進行控制，但其分析過程還是相似的。3.2 系統供電電路分析設計本控制系統是由多模塊組成，且由于各模塊性質確定，其所需電源均一樣。電機由工業用電的380V電源直接供電，而PLC和開關電源都需要由220V電源供電，因此它們需要的電源由380V經過變壓器變壓提供。開關電源為24V電源，向人機界面和PLC的模擬量擴展單元供電。控制柜里的風機和工業空調都是由220V電源供電。在供電電路中所使用的K3控制變壓器是參考德國西門子公司樣機制造的新產品，符合相關國際、國家標準。該控制變壓器能耗小、使用方便、器件安全可靠，

39、適用于交流5060Hz，額定輸入電壓小于500V，額定輸出電壓小于220V的各類廠房機床、機械設備的控制操作。其中L1、L2、和L3是3臺電機的正常運行指示燈，供電電壓為220V。系統供電電路原理圖如圖3-4所示：圖3-4 系統供電電路原理圖3.3 PLC外圍接線分析設計PLC外圍接線設計即為PLC的I/O點分析設計，由前面的電路圖分析與PLC選型可知，我們所設計的系統中3臺電機輸入點與輸出點個數對應的數據情況，即9個輸入，10個輸出。對PLC的I/O口分布分析得I/O口輸入、輸出分配列表如表3-1、3-2所示：表3-1 輸入口分布表輸入輸入口分配喂料機DCS驅動信號X0喂料機DCS備妥信號X

40、1喂料機DCS故障信號X2轉子秤DCS驅動信號X3轉子秤DCS備妥信號X4轉子秤DCS故障信號X5羅茨風機DCS驅動信號X6羅茨風機DCS備妥信號X7羅茨風機DCS故障信號X8表3-2 輸出口分布表輸出輸出口分配喂料機DCS應答信號Y0喂料機運行指示燈Y1喂料機故障指示燈Y2轉子秤DCS應答信號Y3轉子秤運行指示燈Y4轉子秤故障指示燈Y5羅茨風機DCS應答信號Y6羅茨風機運行指示燈Y7羅茨風機故障指示燈Y8延時控制Y9由PLC輸入輸出分布表可知PLC端子接線圖如圖3-5所示。圖3-5 PLC端子接線圖3.4 控制柜布局分析設計電氣控制柜顧名思義就是作為電氣控制作用的電柜。控制柜主要作用是將電氣

41、元件的控制功能集中放置，里面一般放有開關，繼電器或PLC等元器件。在安裝控制柜的過程中我們要注意很多的事項，如控制柜部的布局走線，好的走線可以提高系統的安全性、實用性，方便設備操作人員操作和進行日常的維護檢修。控制柜布局相關要求如下：接地：控制柜中所有設備都應有良好的接地，避免發生意外。接線：接線應嚴格控制各種器件的走線布局，避免分開接線的線路放置一起走線引起線路不適。 安裝布局：控制柜在設計時，一定要注意布局的區域性，設備不同，要求不同，合理規劃控制柜的布局。 排風：控制柜一定要注意散熱，保持通風順暢。考慮到以上各種要求，以與結合本設計中所需要的安排布局，得到如下的控制柜布局圖，如圖3-6所

42、示。圖3-6 控制柜布局圖第4章 軟件設計軟件設計是整個控制系統的核心，所有的硬件都是由軟件進行驅動連接的，這樣才能構成控制系統對于實際生產的控制。本設計中需要對喂料電機、轉子秤電機、羅茨風機、PID控制等進行軟件設計，并進行不斷的調試達到我們所預想的結果。本系統編程實現采用三菱PLC的編程語言，軟件梯形圖在三菱系列PLC的專用編程軟件GX Developer中編程，并使用GX Simulator進行仿真校驗。4.1 程序流程圖4.1.1 主程序流程圖根據系統設計要求，我們繪制出了系統主程序流程圖。在開始信號發出后，系統處于備妥狀態，并且開始調用PID程序，以對我們所設定的數據與實際數據相比較

43、，能夠得出準確的臺式流量、瞬時流量、累積量等等，幫助我們實時給予轉子秤電機進行調制控制，使喂煤精度達到要求。在轉子秤電機、喂料電機、羅茨風機運轉不正常的情況下，DCS系統與時給出故障信號，方便設備操作人員給出修復。主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1 主程序流程圖4.1.2 PID調制程序流程圖PID調制程序在調用后根據系統給出的設定值，進行相應的調整，直到達到允許誤差，滿足喂煤精度要求。在PID程序監視下，如果轉子秤電機轉速正常，即在誤差允許圍的等于設定轉速，則PID程序不需要對其進行調制，但必須保持實時監視，直至整個程序運行結束。如果轉子秤電機轉速小于我們需要的符合要求的設定轉速，需要通過

44、PID控制處理數據對喂料電機和轉子秤電機進行調制，加快電機轉速，直至符合要求；同理，在轉子秤電機大于設定轉速時，我們也需要對其進行降速處理。PID控制能很好的幫助我們利用軟件完成我們對于電機轉速的處理。PID調制程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2 PID調制程序流程圖4.2 系統程序梯形圖4.2.1 電機啟停梯形圖本系統要求三臺電機的啟動為DCS發出驅動信號之后啟動，當工作完成，停止運行時，要求喂料電機先停止，轉子秤電機和羅茨風機延時兩秒后停止，這樣做是為了清空轉子秤中余料。電機啟停梯形圖如圖4-3所示：圖4-3 電機啟停梯形圖在編程設計中用到了M0、M1、M2三個輔助繼電器和T0、T1兩個延

45、時繼電器，X000為程序開始運行指令，X001為程序結束指令。輸出指令Y000為工頻電機既羅茨風機，Y001是轉子秤電機，Y002是喂料電機。啟動：在X000強制閉合后，輔助繼電器M0線圈得電，M0常開開關閉合，發生自鎖；與此同時，轉子秤電機Y001與羅茨風機Y000同步運轉。輔助繼電器M2線圈得電，常開開關閉合，發生自鎖，喂料電機運轉。停止：在結束信號X001發出后，輔助繼電器M2線圈得電，喂料電機Y002立即失電停止運轉，此時定時器T0、T1開始計時，2s后，時間繼電器T0、T1的常閉開關斷開，轉子秤電機Y001與羅茨風機Y000同時失電，停止轉動。4.2.2 PID參數設定梯形圖工業控制

46、中，PID控制在系統調節上的作用非常精準并且改正效果明顯。PID控制可以對被控對象的未知數學模型進行有效控制，PID控制器結構簡單，程序設計容易，參數易于調整，同時對于工廠的工作環境有著較強的靈活性和適應性。在本設計中，PID也是控制系統精確度的可信部分。PID的調節原理如圖4-4所示。圖4-4 PID調節原理圖采用PLC對模擬量進行PID控制的本系統結構框圖如圖4-5所示。PLC部已基本上提供PID控制的功能指令，三菱系列的PID控制指令實際是子程序的調用，輸入輸出需要與D/A和A/D轉換單元一并使用，進而實現PID控制系統調節系統精度。相對于使用硬件來達到模擬控制，其價格便宜很多。圖4-5

47、 用PLC實現PID控制的系統結構框圖FX2N系列PLC的PID指令編號為FNC88，如圖4-6所示，給定值SV和反饋值PV存放S1和S2中，控制參數的值存放在S3S36中，輸出值MV存放在D中。圖4-6 PID指令系統PID調制的PID控制器的參數整定需要整定比例放大系數Kp、積分時間常數Ti、微分時間常數Td、采樣周期Ts，任意參數整定的不合適都會直接對系統的控制效果產生直接影響。在設置整定參數的過程中，實時把控整定參數與控制系統的穩定性、快速性的關系。PID控制表達式為：Kp：由S3+3的值決定，能與時產生與偏差成正比的調節作用。Ti：由S3+4的值決定，能完全消除穩態誤差，提高控制精度

48、。Td：由S3+6的值決定，有超前預測的特性。Ts：由S3的值決定， Ts值的設定遠遠小于系統階躍響應的純滯后時間或上升時間。PID參數整定的步驟如下： 1、置調節器Ti到最大值，Td為零，比例帶置較大值，使控制系統投入運行；2、待系統穩定后運行后，逐漸減小比例帶，直到系統出現臨界振蕩，記下此時的臨界比例帶和臨界振蕩周期；3、利用臨界比例帶和振蕩周期的數值按照相應的公式計算出整定參數值。根據系統要求對PID參數設定的梯形圖如圖4-7所示。其中M8002為初始脈沖，只在運行時接通。圖4-7 PID參數設定梯形圖4.2.3 PID調制梯形圖喂煤控制系統要想要達到5控制精度，就必須將荷重傳感器檢測到

49、的實時荷重信號經過一定的轉換變為標準的電信號（020mA）后與時送給PLC作比較處理，接著通過A/D轉換模塊將數據讀到PLC中，再通過變頻器讀取電機的轉速，進而得到實時流量數據，再與預設值作比較，進而細一步調節喂料機電機與轉子秤電機的轉速，使之達到理想狀態。PID調制梯形圖如圖4-8所示。M8000為運行監視器，在系統運行中一直處于接通狀態，既調節程序將一直處于工作狀態，監視煤量是否達到系統對其的精度要求。圖4-8 PID調制梯形圖4.3 梯形圖邏輯測試在完成梯形圖的編寫后，電機程序檢查按鈕，檢查程序是否出錯，如果沒有出錯，對程序可以進行邏輯測試，在邏輯測試中，我們完全可以看出所編輯的梯形圖是

50、否能夠按照我們所涉與的那樣進行運轉。點擊工具欄中“工具”選項下的“梯形圖邏輯測試啟動”選項，啟動梯形圖邏輯測試，PLC持續寫入。梯形圖無誤顯示界面如圖4-9所示。圖4-9 梯形圖無誤顯示界面下面開始邏輯測試，將X000啟動，即強制取ON，輔助繼電器M0、M2的線圈得電，時間繼電器T0、T1線圈線路接通得電，三臺電機羅茨風機Y000、轉子秤電機Y001和喂料電機Y002開始工作。其邏輯測試結果如圖4-10所示。圖4-10 X000強制啟動邏輯測試結果然后將X001強制啟動，即關閉系統。輔助繼電器M2線圈立即斷電，喂料電機Y002也立即停止工作，隨后輔助繼電器M1的線圈得電，時間繼電器T0、T1計

51、時開始，2s過后，時間繼電器T0和T1斷開，羅茨風機Y000和轉子秤電機Y001也停止工作。其邏輯測試結果如圖4-11所示。圖4-11 X001強制啟動邏輯測試結果同時也可以對X8000、X8002采取強制ON，使其設置PID參數后對系統進行PID調制，但其參數設置還是要根據實際需要與實際水泥廠生產情況而進行設定。PID進行模擬運行如圖4-12所示。圖4-12 PID模擬運行第5章 系統組態設計5.1 組態軟件介紹組態是系統模塊化任意組合而成的，常用的組態軟件有MCGE、組態王、力控、昆侖通態、紫金橋、世紀星等國軟件。組態軟件可以使用戶自定義一套最適合自己研發和應用仿真控制系統。組態軟件通常運

52、行在工控機上，便于對系統進行運行操作和維護，通過工業計算機對生產設備或生產過程的運行進行控制、調制和運用。本系統采用組態王組態軟件對系統進行模擬控制，其能夠快速的對現場數據進行采集與監測的同時對前端數據處理與控制。5.2 系統組態設計制作5.2.1 系統組態制作1.建立組態工程雙擊桌面組態王圖標，打開工程管理器，點擊新建組態王工程，首先指定新建工程的所在目錄，然后輸入自己所要建立工程的名稱，在“工程管理器”的目錄中就有了自己的工程，點擊完成我們所需要的“水泥廠窯頭喂煤設計”工程。如圖5-1所示。圖5-1 建立組態工程2.建立組態畫面： 打開上面已經建好的工程，進入工程管理器界面，在界面新建“水

53、泥廠窯頭喂煤設計”畫面，如圖5-2所示。圖5-2 建立組態畫面3.主畫面編輯進入畫面編輯窗口，在此編輯窗口中下利用工具欄中的畫面繪圖工具完成對水泥廠窯頭喂煤系統的界面設計。系統為用戶提供了工具箱、調色板、導航圖、線性、畫刷類型以與圖庫等。工具箱為用戶提供了矩形、直線、多邊形、扇形等簡單的圖形對象，并且還有指示燈、按鈕等圖形對象。工具箱的功能很強大，它有很多的優點，不僅降低了設計畫面的難度，也統一了畫面的外觀。4.設備設置和組態王6.55進行交換數據的設備都稱之為外部設備，如PLC、變頻器、板卡、模塊以與儀表等。外部設備如PLC是通過串行口與上位機如電腦進行數據的交換。因此，外部設備只有先定義好

54、后，上位機和外部設備的數據交換才能進行。在本次設計中選用的外部設備為三菱FX2N和基于Windows操作系統的組態王6.55進行數據之間的通信。在本次設計中選用的是設備菜單欄下的COM1口。選中COM1口后，雙擊“新建”，彈出“設備配置向導”窗口，在彈出窗口中選中“PLC/三菱/FX2N_485/COM”，選中后點擊“下一步”，為安裝設備起一邏輯名稱為“新I/O設備”，單擊“下一步”，彈出選擇串口號窗口，選擇“COM1”,單擊“下一步”，彈出設備配置設置指南窗口，將地址改為00，然后單擊“下一步”直至“完成”。這樣設備設置也就完成。設備設置如圖5-3所示。圖5-3 設備設置5.構造數據庫在組態

55、王中最重要的一部分為數據庫，其是上位機與下位機進行數據交換的橋梁，也是實現動畫連接的中介。換言之，只有先定義好數據庫，才能實現動畫連接以求達到控制目的。在數據庫中包含有結構變量、數據詞典、報警組。在本次設計中用到了結構變量和數據詞典。結構變量中我們定義了“定時器結構”，以便完成對喂料電機停止2s后轉子秤電機和羅茨風機才停止的控制，定義如圖5-4所示。圖5-4 結構變量定義在數據詞典中我們根據系統的需要定義了幾組變量，各變量如圖5-5所示。圖5-5 數據詞典中的變量定義6.動畫連接目前為止，由工具箱繪制的圖形界面是靜止的，我們要對這些仿真圖形進行動畫屬性設置，使它們按照設計要求模擬仿真水泥廠窯頭

56、喂煤畫面，形象逼真的“動”起來。點擊選中我們需要設置的圖像對象，對其進行動畫連接，即可以產生形象的動畫效果，雙擊圖畫會出現“動畫連接”的對話框，在對話框設置該動畫的屬性變化、位置和大小變化等。只要這樣電動機的啟停我們才能夠根據指示燈顏色的變化觀察出來。5.2.2 系統組態畫面組態畫面中包含兩個按鈕啟動和停止、3臺電機和3臺電機的運行指示燈，即Y0000為羅茨風機，Y0001變頻為轉子秤電機，Y0002變頻為喂料電機。其中設定重量輸入框可以輸入對系統所設定的喂煤量，顯示框可顯示電機轉速與瞬時重量。系統組態畫面如圖5-6所示。圖5-6 系統組態畫面5.3 系統組態運行對控制系統動畫狀態和煤粉流程進行檢查，對水泥廠窯頭喂煤控制系統進行模擬調試，系統運行后,可出現系統最先預想的動畫效果。再接上PLC進行連機調試,模擬運行電機結果與PLC梯形圖運行的結果是一樣的。將編好的PLC梯形圖程序編譯完，下載到PLC界面，然后切換到組態設置好COM端