1、目 錄 中文摘要英文摘要1緒論3 1.1課題來源及現實意義3 課題來源3 現實意義3 1.2設計任務與總體方案的確定3 設計任務3 總體設計方案的確定32 PLC與自動化軟件42.1 PLC的發展歷史42.2 PLC的硬件和軟件4 PLC的硬件構成4 PLC的軟件構成52.3 PLC系統的輔助設備62.4 PLC的通訊聯網62.5 PLC的注意事由62.6自動化軟件發展歷史及定義.72.7發展趨勢.82.8監控組態軟件WINCC的簡介和應用.92.8.1 WINCC簡介.92.8.2 WINCC的特點 103自動配料系統簡介.123.1自動配料系統的特點.123.2自動配料系統的組成.123.

2、3配料技術的最新進展.124自動配料系統設計.144.1配料系統的設計.144.1.1 稱重方式選擇144.1.2 給料方式選擇154.1.3 生產線結構.154.2配料系統的組成.154.3 輸送裝置的設計.164.4 計量系統的設計.164.4.1 稱重元件設計164.4.2 測速元件的設計.185控制系統設計.205.1 控制系統硬件設計.205.1.1 PLC的選配.205.1.2 稱重儀表的選配.215.1.3 操作站的選配.225.2 控制系統軟件設計.23稱量儀表參數設定.23 5.2.2 PLC程序編制.236操作站wincc組態.277 總結31參考文獻32附錄A：PLC原程

3、序梯形圖33 1 緒論 1.1課題的來源及現實意義 課題的來源 自動配料系統是一個針對各種不同類型的物料（固體或液體）進行輸送、配比、加熱、混合以及成品包裝等全生產過程的自動化生產線。廣泛應用于化工、冶金、建材、食品、飼料加工等行業。在氧化鋁生產及其它工業生產中，經常會遇到多種物料配比控制的情況。在手動控制狀態下，需要根據生產情況，計算出各物料的配比，再根據配比，分別計算出各物料的理想下料量，對各臺設備分別設定，來滿足配比的要求。當生產情況發生變化，需要改變下料量時，則需要再次分別計算各物料的設定值，再次分別設定。這種人工操作方式計算,操作時間長，且容易出錯，給生產帶來不良因素。而采用PLC控

4、制方式以及新穎的變頻調速喂料機構，配合配料控制軟件包，實現物料傳送、配料控制、配方設計、生產數據管理等功能。并可以通過網絡實現多個配料系統的集合控制。1.2設計任務與總體方案的確定設計要求使用siemens公司的可編程序控制器及Wincc組態軟件。設計滿足控制要求的自動配料控制系統。并完成：1主電路設計，并畫出接線示意圖。2. 分配I/O地址，列出分配表。3. 設計系統控制的程序框圖。4. 根據程序框圖設計該系統的控制梯形圖。 5. 上機調試通過。6. 利用Wincc組態軟件對系統進行模擬運行 控制要求本設計針對氧化鋁生產工藝中的自動配料系統。1. 自動配料將完成3種物料（石灰石、鋁礦石、無煙

5、煤）的自動配比控制；2. 控制方式為主從比例控制方式；3. PLC要實現各種物料下料量的采集、喂料裝置的啟停、物料下料量的控制；4. 組態操作界面能顯示設備的運行、停車、故障；5. 操作界面要求顯示每種物料的下料設定值、實際下料值；通過界面上設置的啟動、停車按鈕實現整個系統的開停；2 PLC與自動化軟件2.1 PLC的發展歷史在工業生產過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數據采集。傳統上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統來實現的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字公司研制出了

6、基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。 個人計算機（簡稱PC）發展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC），現在，仍常常將PLC簡稱PC。 PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字

7、的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。 上世紀80年代至90年代中期，是PLC發展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。2.2 PLC的硬件和軟件2.2.1 PL

8、C的硬件構成從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置。CPU的構成：CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定

9、的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。 CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。 在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令。但工作節奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，IO數

10、量及軟件容量等，因此限制著控制規模。I/O模塊：PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。 開關量是指只有開和關（或1和0）兩種狀態的信號，模擬量是指連續變化的量。常用的I/O分類如下： 開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20

11、mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按I/O點數確定模塊規格及數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。電源模塊：PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。2.2.2 PLC的軟件構成1.系統軟件系統軟件包含3個部分：（1）.系統管理程序。其

12、作用一是運行時間管理，控制可編程控制器何時輸入，何時輸出，何時計算，何時自檢，何時通信。二是存儲空間管理，規定個中參數，程序的存放位置，以生成用戶環境。三是系統自檢程序，包括各種系統出錯檢驗，用戶程序語法檢驗，句法檢驗，警戒時鐘運行。用戶指令解釋程序。用戶指令解釋程序是聯系高級語言程序和機器碼的橋梁。標準程序模塊及其調用程序。這是許多獨立的程序塊，各程序塊具有不同的功能。（2）.用戶程序用戶程序即是應用程序，使PLC的使用者針對具體控制要求編制的程序。根據不同的控制要求編制不同的程序，這相當于改變PLC的用途，相當于繼電器控制設備的硬接線線路，也正是所謂“可編程”一詞的基本含義。2.3 PLC

13、系統的輔助設備1.編程設備：編程器是PLC開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統作一些設定、監控PLC及PLC所控制的系統的工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。2.機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態軟件）充當人機界面非常普及。3.輸入輸出設備：用于永久性地存儲用戶數據，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。2.4 PLC的通信聯網依靠先進的工業網絡技術可以迅速有效地收集、傳送

14、生產和管理數據。因此，網絡在自動化系統集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網絡就是控制器"的觀點說法。 PLC具有通信聯網的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統一的整體，實現分散集中控制。多數PLC具有RS-232接口，還有一些內置有支持各自通信協議的接口。2.5 PLC的注意事由保證PLC的正常運行，因此在使用中應注意以下問題。1. 工作環境1.1 溫度PLC要求環境溫度在055，安裝時不能放在發熱量大的元件下面，四周通風散熱的空間應足夠大，基本單元和擴展單元之間要有30mm以上間隔；開關柜上、下部應有通風

15、的百葉窗，防止太陽光直接照射；如果周圍環境超過55，要安裝電風扇強迫通風。1.2 濕度為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對濕度應小于85%（無凝露）。1.3 震動應使PLC遠離強烈的震動源，防止振動頻率為1055Hz的頻繁或連續振動。當使用環境不可避免震動時，必須采取減震措施。1.4 空氣避免有腐蝕和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中，并安裝空氣凈化裝置。1.5 電源 PLC供電電源為50Hz、220（1±10%）V的交流電，對于電源線來的干擾，PLC本身具有足夠的抵制能力。對于可靠性要求很

16、高的場合或電源干擾特別嚴重的環境，可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1：1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。2.6自動化軟件發展歷史及定義自20世紀80年代初期誕生至今，自動化軟件（組態軟件）已有20年的發展歷史。應該說組態軟件作為一種應用軟件，是隨著PC機的興起而不斷發展的。80年代的組態軟件，像Onspec、Paragon 500、早期的FIX等都運行在DOS環境下，圖形界面的功能不是很強，軟件中包含著大量的控制算法，這是因為DOS具有很好的實時性。90年代，隨著微軟的Windows 3.0風靡全球，以Wonderware公司的Int

17、ouch為代表的人機界面軟件開創了Windows下運行工控軟件的先河，由于Windows 3.0不具備實時性，所以當時，80年代已成名的自動化軟件公司在對于操作系統的支持上，或按兵不動，或將組態軟件從DOS向OS/2移植，人們這樣做的原因，是大家都認為工控軟件必須具有很強的實時性和控制能力，必須運行在一個具備實時性的操作系統下，像DOS、OS/2、Win NT（1993年才推出）等。歷史證明，在當時的硬件條件下，上位機做人機界面切中了用戶的需求，Wonderware因而在不長的時間內成為全球最大的獨立自動化軟件廠商，而在80年代靠DOS版組態軟件起家，后來向OS/2移植的公

18、司后來基本上都沒落了。 那么，本文中提到的自動化軟件指什么？到底什么是自動化軟件？它應該具備哪些功能和特征呢？ 首先，自動化軟件主要包括人機界面軟件（HMI），像Intouch、iFix、組態王等；基于PC的控制軟件，統稱軟PLC或軟邏輯，像亞控的KingAct以及即將推出的組態王嵌入版、西門子的WinAC等；還包括生產執行管理軟件，許多專家也將這一類軟件歸為MES（Manufacturing Execution System），像Intellution公司的iBatch、Wonderware公司的InTrack等，另外，與通用辦公自動化軟件相比，自動化軟件還應包括相應的服

19、務。   其次，自動化軟件主要具備如下功能及特征：工業過程動態可視化；數據采集和管理；過程監控報警；報表功能；為其他企業級程序提供數據；簡單的回路調節；批次處理；SPC過程質量控制；符合IEC1131-3標準。2.7發展趨勢在自動化軟件賴以普及發展的諸多因素中，有技術層面的，也有商業層面的，但制造業的需求是決定性的。制造業的發展，帶來了對自動化軟件需求的提升；也決定了自動化軟件將由過去單純的組態監控功能，向著更高和更廣的層面發展。 （1）開放性技術   自動化軟件正逐漸成為協作生產制造過程中不同階段的核心系統，無論是用戶還是硬件供應商都將自動化

20、軟件作為全廠范圍內信息收集和集成的工具，這就要求自動化軟件大量采用“標準化技術”，如OPC、DDE、ActiveX控件、COM/DCOM等，這樣使得自動化軟件演變成軟件平臺，在軟件功能不能滿足用戶特殊需要時，用戶可以根據自己的需要進行二次開發。比如組態王6.0中提供了4個開發工具包，就是使用戶可以進行二次開發。自動化軟件采用標準化技術還便于將局部的功能進行互連。    （2）構造全廠信息平臺   ERP是國內炙手可熱的話題，但目前的ERP主要應用在商業企業的財務、銷售、物流等方面。在國內外的企業生產中，還沒有多少企業能夠將生產信息和E

21、RP系統整合到一起，使生產效率和市場效益最大化，也就是說在工業現場和ERP之間存在著鴻溝，如何使實時歷史數據能夠進入企業信息管理系統，是現代信息工廠迫在眉睫的需求。隨著大型數據庫技術的日益成熟，全球主要的自動化廠商已發展了相關平臺，使自動化軟件向著生產制造和管理的信息系統的方向發展。自動化軟件已經成為構造全廠信息平臺的承上啟下的重要組成部分。在未來企業的信息化進程中，自動化軟件將成為中間件，因為自動化軟件廠商在既了解企業工藝、控制、生產制造需求，又能完成現場歷史數據的記錄、存儲及為ERP提供生產實時數據方面有著得天獨厚的優勢。（3）無線的人機界面解決方案數字終端已具備越來越強的功能和智能化，像

22、現在可以看到的預裝了Win CE的PDA，具備非常好的圖形能力。藍牙技術發展迅速，據專家預測，其未來的傳輸距離可達100m，另外，以XML為基礎的WML語言標準已經建立。這些技術的發展為無線的人機界面解決方案提供了先決條件。和其他技術相比，無線的人機界面能夠以更低的費用，更快的連接、更容易地獲取重要的生產信息，像緊急報警、重要事件、生產過程中的重要參數等等。 （4）以客戶為導向的軟件設計   如何站在客戶的角度來設計軟件是所有自動化軟件廠商都應面對的挑戰，自動化軟件涉及從控制、人機界面到生產管理的多個層次，相應存在著多個模塊，比如亞控目前有組態王和軟邏輯

23、兩大產品模塊，保持不同模塊的一致性，能有效地減少用戶學習的時間。相同的數據結構也便于產品在企業內集成。這種一致性不僅表現在外觀和感受上，還表現在兼容性、平臺、編程工具、數據訪問、控制引擎、E-Business等諸多方面。例如西門子的WinCC和編程軟件STEP7使用了相同的數據結構，這使得用戶只需將系統中的數據點定義一次。2.8監控組態軟件WINCC簡介和應用2.8.1 WINCC簡介   監控組態軟件不僅有監控和數據采集(SCADA)功能，而且有組態、開發和開放功能。監控組態軟件是伴隨著計算機技術、DCS和PLC等工業控制技術的突飛猛進而發展起來的。隨著個人計算機(PC)

24、的普及和開放系統的推廣，基于PC的監控組態軟件在工業控制領域不斷發展壯大。監控組態軟件廣泛運用于工業、農業、樓宇和辦公等領域的自動化系統。伴隨計算機硬件和軟件技術的發展，自動化產品呈現出小型化、網絡化、PC化、開放式和低成本的發展趨勢，并逐漸形成了各種標準的硬件、軟件和網絡結構系統。監控組態軟件已經成為其中的橋梁和紐帶，是自動化系統集成中不可缺少的關鍵組成部分。 西門子公司的WinCC是Windows Control Center(視窗控制中心)的簡稱。 它集成了SCADA、組態、腳本(Script)語言和OPC等先進技術，為用戶提供了Windows操作系統(W1ndows 2000或XP)環

25、境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動化(TIA)產品的技術先進和無縫集成的特點。 WinCC運行于個人計算機環境，可以與多種自動化設備及控制軟件集成，具有豐富的設置項目、可視窗口和菜單選項，使用方式靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面下進行組態、編程和數據管理，可形成所需的操作畫面、監視畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環境，不僅縮短了軟件設計周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一個特點在于其整體開放性，它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機界面，滿足實際需要。用戶也可將

26、WinCC作為系統擴展的基礎，通過開放式接口，開發其自身需要的應用系統。 WinCC因其具有獨特的設計思想而具有廣闊的應用前景。借助于模塊化的設計，能以靈活的方式對其加以擴展。它不僅能用于單用戶系統，而且能構成多用戶系統，甚至包括多個服務器和客戶機在內的分布式系統。WinCC集生產過程和自動化于一體，實現了相互間的集成。2.8.2 WINCC的特點縱觀WinCC系統的特點，我們可以看到兩個明顯的特征。一、WinCC不是孤立的軟件系統，它時刻與以下系統集成在一起：1.與自動化系統的無縫集成。西門子公司的PLC產品，經歷了從早期致力于提高運行速度，到增強系統通信和聯網能力，再到融合了運動控制技術等

27、諸多技術的T系列產品以及故障安全型的F系統的發展階段。在這樣的背景下，WinCC與相應的硬件系統緊密結合，通過統一的組態和編程、統一的數據管理及統一的通訊，極大地降低了用戶軟硬件組態的工程量，實現了整個產品范圍內的高度集成。 2.與自動化網絡系統的集成。從現場總線PROFIBUS到工業以太網，再到PROFINET技術和基于組件的自動化技術CBA(Component-Based Automation)，以及無線通訊解決方案，由于WinCC內置了基于S5/S7協議的通訊系統，并提供了大量面向這些系統和技術的組件，從而為WinCC和這些系統的最優化通訊和良好的互操作性提供了保證。至于在WinCC平臺

28、上實現基于PROFIBUS的診斷功能，以及基于以太網的網絡管理功能等，更是錦上添花之筆。 3.與制造執行系統MES(Manufacturing Execution Systems)的集成。MES系統作為連接企業生產系統和管理系統的橋梁，包含了生產訂單管理、原材料管理、生產運營記錄、設備管理、工廠信息管理、生產規范管理系統和實驗室信息管理等系統，代表著現代化智能工廠發展的最新潮流。來自西門子公司的MES系統SIMATIC IT正是代表這一潮流的優秀系統。通過適當的適配系統，WinCC可以輕松地集成在該系統下。換言之，實施了基于WinCC的HMI/SCADA系統，就為實施MES系統打下了堅實的基礎

29、。 4.與相應的軟硬件系統一起，實現系統級的診斷功能。診斷功能包括產品和系統的層次，貫穿于工程實施階段、調試階段和運行階段。配合適當的軟硬件系統，如Pr。Ag-ent等，WinCC可以方便地實現基于不同通訊協議、從軟件到硬件、從自動化站到操作站乃至整個SCADA網絡的診斷。二、堅持開放性和先進性高于一切的理念，開放性和標準化是軟件系統的生命線：1.整個系統通過完整和豐富的編程系統實現了雙向的開放性。借助C腳本，WinCC幾乎可以通過Win32 API無限制地訪問到Windows操作系統及該平臺上各種應用的功能，這正是現代SCADA系統的魅力所在；而VB腳本則從易用性和開發的快速性上相得益彰。反

30、過來，通過ODK，WinCC的整個組態和運行系統又完全呈現給任何用戶自行開發的系統，為希望以WinCC作為平臺軟件進行工廠管理級軟件和信息系統開發的用戶提供了絕佳的平臺。 2.數據庫系統全面開放。數據庫是SCADA系統的靈魂。從最基本的單用戶系統開始，WinCC就內置了高效的數據庫系統。它既可與操作站部署在同一臺PC上，又可以緊耦合(中央歸檔服務器)或松耦合(長期歸檔服務器)的方式獨立于操作站配置。通過ADO，OI。EDB，SQL等，WinCC的數據庫系統完全開放，這就為構成靈活而高效的IT和商務系統做好了充分的準備。 3.廣泛采用最新的開放性軟件技術和標準，面向多種操作系統平臺。WinCC是

31、第一個完全基于32位內核的HMI/SCADA軟件，因而，各種開放和最新的軟件技術就成為WinCC的代名詞。西門子公司作為OPC規范的五個發起公司之一，在各類產品中廣泛支持OPC，WinCC更是囊括了OPCDA，OPCHDA，OPCASLE和OPCXML等多種規范。與此同時，WinCC支持包括Windows C正在內的多種Windows平臺，能滿足用戶從移動式設備(如PDA)到遠程客戶機等各種應用需求。3自動配料系統的設計3.1配料系統簡介全自動配料控制系統在各行業的應用已屢見不鮮，如：冶金，有色金屬，化工，建材，食品等行業。它是成品生產的首要環節，特別是有連續供料要求的行業，其配比的過程控制直

32、接影響了成品的質量，它是企業取得最佳經濟效益的先決條件。雖然行業各自不同的工藝特點對配料控制要求也不同，但其高可靠性，先進性，開方性，免維護性，可擴展性是工廠自動化FA所追求的一致目標。 3.1.1自動配料系統的特點(1) 配料現場粉塵大, 環境惡劣;(2) 各組份在配方中所占比例不同, 有時甚至差異懸殊;(3) 配料速度和精度要求高;(4) 配方可能經常變換、調整;(5) 物料可能受環境溫度、濕度影響。3.1.2 自動配料系統組成自動配料系統是對粉粒或液體物料進行單秤稱重并按所選配方混合這一工業過程進行實時監控管理的自動化系統,已廣泛應用于冶金、建材、化工、醫藥、糧食及飼料等行業。一般的工業

33、自動配料系統由以下幾部分組成。(1) 給料部分:給料部分是從料倉(或儲罐)向稱重設備中加料的執行機構。根據物料的不同特性,可以選用不同的給料設備,如電磁振動給料機、螺旋給料機、單(雙) 速電磁閥等。(2) 稱量部分:稱量部分由傳感器、標準連接件、接線盒和稱量斗組成,與稱量儀表一起進行物料的稱量以及誤差的檢測。(3) 排料設備:排料可以是稱重設備(減量法) 或排放設備(增量法、零位法) 。通常由排空閥門、電磁振動給料機、螺旋給料機、電(氣) 動閥門等組成。所有設備均應根據現場的工藝條件和物料的性質等進行設計和選擇。(4) 配料控制系統:配料控制系統由稱量儀表、可編程控制器、上位工控機及其它控制器

34、件等組成。(5) 校秤系統:配料系統傳感器應進行定期調校,以保證系統配料精度。3.1.配料技術的最新進展目前, 稱重配料系統的流程控制幾乎全部由可編程控制器(PLC) 來實現, 上位計算機主要用于配方管理、屏幕人機對話和稱重資料的存儲打印等工作。隨著微處理器技術的發展, 配料系統中的稱量儀表由最初的專用積木式儀表發展為智能化的工業控制終端以及專門的配料控制器。配料控制器是用來控制一種或多種物料的配制的微電腦系統, 可以完全或部分取代可編程控制器, 實現配料的自動化。稱量儀表的功能也由最初的資料顯示發展為具有自診斷、自動零位跟蹤、置零去皮、預置點輸出、動態稱重、數據通信等多項功能。近年來, 隨著

35、現場總線技術的推廣, 將傳統的配料控制系統改進為基于現場總線的控制系統成為科技進步的必然趨勢。目前, 許多用于配料的稱重儀表已經有了Profibus、Modbus 等現場總線接口,使基于現場總線的配料控制系統成為可能, 基于現場總線的配料控制系統正在迅速推廣。 3.2 自動配料系統的設計3.2.1 配料系統的設計在氧化鋁生產工藝中，為滿足生產的需要，設計一套自動配料系統。此配料系統將完成3種物料（石灰石、鋁礦石、無煙煤）的自動配比控制。自動配比方式有2種，即總量比例控制和主從比例控制。在總量比例控制方式下，操作員只需設定幾種物料的下料總量，再設定這幾種物料的配比要求，系統將自動計算出各物料的下

36、料設定值，分別送到各喂料設備，自動完成各物料的下料量控制，使各物料的下料量滿足總量和比例的要求。當下料總量值或下料比例需要改變時，操作員只需改變總量值或比例值，系統將立即重新自動計算出各物料新的設定值，立即更改個物料的下料量，調整十分迅速，滿足生產需要。在主從比例控制方式下，操作員只需設定幾種物料的下料比例，再選取一種物料為主變量，則其他物料的下料量將按比例地跟隨主變量下料量。當主變量下料量改變時，其它物料的下料量立即改變，保證下料比例不變。當需要改變物料下料比例時，操作員只需改變比例值，各物料的下料量立即按照新的比例設定。為了使操作更方便，適應性更強，可以選取一種或多種或全部物料單獨控制，其

37、下料量由操作員完全控制，不隨其它物料變化。本設計采用的使主從比例控制。此配料系統的設計包括稱重方式選擇、給料方式選擇、生產線結構方式選擇、配料控制系統的設計等。1.稱重方式選擇在氧化鋁生產過程中, 常用稱量方式有進料式稱量和卸料式稱量2種。進料式稱量有2種實現方法, 第1種方式稱為零位法，即在稱量開始時通過給料設備向稱量料斗內給料,在稱量值達到設定值時停止給料，然后打開閘門將料卸出,再從零位重新稱量下一物料; 第2 種方式稱為增量法，即稱量料斗接收、稱量好一種物料后,不排空料斗,而是只將電子秤內部計數值清零,再接收另一物料顯然, 零位法的稱量精度比增量法的稱量精度高。采用進料式稱量, 當給料設

38、備停止給料后, 還將有一部分物料在空中以自由落體的方式落入稱量料斗, 這些余料稱為落差。因為有落差的影響, 增量法稱量物料重量的設定值應為要配制的物料標準重量減去落差值。而在氧化鋁生產工業中，因為所配物料均為固體，又給料機放料后，在皮帶稱上直接稱量其數值。在進料式稱量中, 由于物料本身特性及料斗原因可能造成卸料不凈, 從而產生稱量誤差。卸料式稱量只稱量從料斗中取走的物料量并顯示其重量,不存在卸料干凈與否的問題, 因而該方式特別適合于稱量難稱的物料, 如易粘附的物料等, 其缺點是設備比較復雜, 需要同時有給料裝置和卸料裝置,要求車間高度較高,并且由于稱量料斗內的物料重量值總是高于需要配制的物料的

39、重量值, 從而導致傳感器量程增大, 造成稱量精度降低。因而一般情況下卸料式稱量的精度比進料式稱量的精度低。2. 給料方式選擇目前, 稱重配料系統最常用的給料裝置有電磁振動給料機和螺旋給料機。電磁振動給料機運用機械振動學的共振原理,雙質體在低臨界近共振狀態下工作, 無轉動部件、耗電少、體積小、重量輕、運行費用低。在給料過程中, 物料在料槽中被連續拋起, 并按拋物線軌跡向前作跳躍運動, 因此對料槽的磨損較小。其缺點是安裝后的調試較復雜, 調整不當會產生噪聲且運行不好。與電磁振動給料機相比, 螺旋給料機給料均勻, 受外界影響小, 機械振動小, 運行平穩, 對稱量的干擾也小, 可以避免因振動造成的粉料

40、分層。但螺旋給料機上安裝有電動機和減速器, 重量大,效率較低。對于液體物料, 一般采用閥門控制給料量。而在本設計中，由于氧化鋁生產工藝的物料為固體，故我們采用的是螺旋給料機。3. 生產線結構(1) 采用固定式單組份料斗秤的結構:每個料倉對應1臺料斗秤,各組份原料在稱量后由溜槽、集料帶或集料小車收集并導入后續工序。(2) 采用固定式多組份料斗秤的結構:幾個料倉對應l臺料斗秤, 各組份原料在同一臺料斗秤內累加稱量后由集料帶或集料小車收集并導入后續工序。(3) 采用移動式料斗秤的結構:通過移動帶有稱量料斗的集料小車進行各種物料的累加式稱量。采用這種方式進行配料需要集料小車有很好的定位精度。(4) 采

41、用稱重帶式輸送機式的多組份秤的結構:料倉的出料機構就是多組份秤的給料機構, 各種物料在移動的配料帶上由皮帶秤進行累加稱重。3.2.2 配料系統的組成一般的自動配料系統由以下幾部分組成:(1)給料部分給料部分是從料倉(或儲罐)向稱重設備中加料的執行機構根據物料的不同特性, 選用不同的給料設備, 如電磁振動給料機、螺旋給料機、單(雙) 速電磁閥等。(2)稱量部分稱量部分由傳感器、標準連接件、接線盒和稱量斗組成, 與稱量儀表一起進行物料的稱量以及誤差的檢測。(3)排料設備排料可以是稱重設備(減量法)或排放設備(增量法、零位法) 。通常由排空閥門、電磁振動給料機、螺旋給料機、電(氣) 動閥門等組成。所

42、有設備均應根據現場的工藝條件和物料的性質等進行設計和選擇。(4)控制系統配料控制系統由稱量儀表、上位工控機、可編程控制器及其他控制器件等組成。典型的配料控制系統在一些比較簡單的稱重配料系統中, 也可以采用工業計算機( IPC)加數據采集板卡的形式進行配料的控制。(5)校秤系統配料系統傳感器應定期進行調校, 以保證系統配料精度。3.2.3 輸送裝置的設計 此配料系統所配物料有3種（石灰石、鋁礦石、無煙煤），均為塊狀物料，均采用皮帶運輸機輸送，通過變頻電機控制皮帶速度，調整下料量。 為了能夠適應維修、備用、互換的需求，3種物料的運送皮帶都選用相同的規格，皮帶寬度為800mm，最大下料量為60t/h

43、，在下料口部位做相應的設計，能夠方便調整皮帶上物料的厚度，配合皮帶速度的調整，實現下料量大范圍的控制。放料門采用氣動放料門， 結構簡單、緊湊，適用于對放料速度要求較高的場合。3.2.4 計量系統的設計 根據下料量的要求，對稱重元件及測速元件進行設計。1.稱重元件設計（1）電子秤以自動秤量方式將散狀物料按預定的配比進行秤量，該秤可控制物料的秤量、卸料。當飼料到規定的數值時，指針移到相應的接近開關處，使電子秤動作，再執行下一步飼料的送料和秤重，依此類推，直到全部飼料配比完畢。電子秤由秤體、稱重傳感器和放料門組成。稱重傳感器采用高精度稱重傳感器，該鋼制彈性體具有較強的抗過載能力和較長的使用壽命，特別

44、適用于工業現場惡劣環境下高準確度配料的技術要求。稱重儀表性能穩定，抗干擾能力強，功耗低、可靠性高，而且具有遠程數據通訊功能、設定預置功能及落差補償功能，可實現準確、高速動態采樣。其最大載荷可達250KG/M。它的輸出信號驅動其微型輸出繼電器，以開關量形式將信號送入PLC，它有調零、去皮重、加皮重和撥碼盤設定稱量值等功能。（2）皮帶稱的工作原理：物料通過給料設備送至配料皮帶秤，秤體中的稱重傳感器和測速傳感器將稱重和速度信號送至皮帶秤儀表，皮帶秤儀表顯示輸送物料的瞬時流量、累計量等數據，同時將瞬時流量以420mA模擬電流形式送往PID調節器，調節器根據測量值與設定值的偏差，通過變頻器去調整皮帶秤驅

45、動電機的轉速，使之精確地以用戶設定的給料流量給料，達到恒定物料瞬時流量的目的。適用該工作模式的工藝現場必須滿足這樣一個前提條件，那就是物料給出量必須與給料控制電機的轉速成正比。 圖1 皮帶稱結構皮帶秤儀表將測量到的瞬時流量轉化為兩個420mA模擬輸出信號，一個作為PID調節器的反饋輸入與調節器機內設定植比較參與反饋運算，另一個作為PID調節器的前饋輸入乘前饋放大系數，然后再與反饋運算輸出相加輸出420mA模擬調節信號控制變頻器的頻率從而及時改變電機的轉速。單回路前饋-反饋復合控制系統較為實用可行的電原理圖如圖2所示。     圖2 單回路前饋-反饋復合控制系統較為

46、實用可行的電原理圖2. 測速元件的設計 這里采用變頻器進行調速。（1）變頻調速基本原理： 三相異步電動機的轉速公式為: n = n1 (1-s)=60f(1-s)/p (1) 式中: n 電機的轉速，r/min n1 同步轉速，r/min p 磁極對數 s 轉差率，% f 頻率，Hz由轉速公式（1）可知, 我們可以通過改變極對數、轉差率和頻率的方法實現對異步電機的調速。前兩種方法轉差損耗大，效率低，對電機特性都有一定的局限性。變頻調速是通過改變定子電源頻率來改變同步頻率實現電機調速的。在調速的整個過程中，從高速到低速可以保持有限的轉差率，因而具有高效、調速范圍寬(10%100%)和精度高等性能

47、，節電效果20%30%。 實際上僅僅改變電動機的頻率并不能獲得良好的變頻特性。因為由異步電機的電勢公式可知，外加電壓近似與頻率和磁通乘積成正比，即： UE=C1f （2） 式（2）中，C1為常數，因此有：E/fU/f （3） 若外加電壓不變，則磁通隨頻率而改變，如頻率f下降，磁通會增加，造成磁路過飽和，勵磁電流增加，功率因數下降，鐵心和線圈過熱，顯然這是不允許的。為此，要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率與電壓協調控制。此外，在許多場合，為了保持在調速時，電機產生最大轉矩不變，需要維持磁通不變，這可由頻率和電壓協調控制來實現，故稱為可變頻率可變電壓調速(VVVF)，簡稱變頻調速。 從結構上看，

48、靜止變頻調速裝置可分為交-直-交變頻、交-交變頻兩種方式。前者適用于高速小容量電機，后者適用于低速大容量拖動系統。只要設法改變三相交流電動機的供電頻率f, 就可以十分方便地改變電機的轉速n, 比改變極對數p和轉差率s兩個參數簡單得多。 （2）變頻器的構成 異步電機的變頻調速是通過變頻器實現的。變頻器一般由整流器、濾波器、驅動電路、保護電路以及控制器(MCU/DSP)等部分組成。圖3給出了PWM型交-直-交變頻器的控制原理框圖。 圖3 PWM型交-直-交變頻器原理框圖由圖2可知，這是一個VVVF變頻調速系統。首先是將單相或三相交流電源通過整流器并經電容濾波后形成幅值基本穩定的直流電壓加在逆變器上

49、，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里，通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時進行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調速對U/f的協調控制的要求。PWM的優點是能消除與抑制低次諧波，使負載電機在近似正弦波的交變電壓下運行，轉矩脈動小，調速范圍寬。近年來，帶驅動和保護電路的各種智能功率模塊(IPM)也相繼應用在變頻系統中。IPM模塊是將三相逆變IGBT、驅動電路以及保護電路集成在一塊芯片上，它的出現推動了變頻家電市場的啟動和發展。新型IPM模塊甚至將開關電源也設計在模塊內，更加方便用戶使用，用戶只需要了解接

50、口電路和定義，很快便可以組成并運行系統，從而大大加快了新產品的開發周期。為了提高配料精度，給料方式采用快、慢速給料。當料斗中料重小于設定比例的時，配料皮帶電機在變頻器調節下，轉速大于額定轉速，即快速給料；在料斗中料重大于設定比例時，配料皮帶電機在變頻器調節下，電機轉速低于額定轉速，即慢速給料； 4 控制系統設計4.1 控制系統硬件設計4.1.1 PLC的選配本設計中采用西門子公司的S7-200型PLC,其優越的性能表現為極高的可靠性極豐富的指令集，易于掌握，便捷的操作，豐富的內置集成功能，實時特性，強勁的通訊能力，豐富的擴展模塊。1.S7-200的特征(1).體積小, 尺寸: 160×

51、;80×62mm由于其緊湊的設計,S7- 200可以適合于任何機器控制環境。(2).易于使用: 通過STEP7- Micro/Dos軟件可以非常方便地為S7- 200編程,而且該軟件能夠在任何一臺IBM兼容個人計算機上使用,哪怕是一臺286 的微機,要求MS-DOS5.0以上。(3).靈活多用: S7- 200的輸入/輸出點可以支持各個領域的設備,如: 光電傳感器,驅動馬達按鈕開關,燈,泵,攪拌器等。2.S7- 200的主要組成部件(1).中央處理器(CPU):是控制系統的大腦,它根據用戶程序進行控制。(2).輸入和輸出(I/O):是系統的控制點,輸入用于監視現場裝置，輸出用于控制執

52、行機構。(3).編程口:用于連接編程設備,例如,一臺計算機或一個手持編程器。圖4 S7-200簡易組成連接圖3. 編程軟件S7-200的編程軟件叫做STEP7-Micro/Dos它基于MS-Dos5.0上的版本。STEP7-Micro/Dos 的編程語言有兩種表示方法:指令表和梯形圖。4.1.2 稱重儀表的選配 稱重儀表即能滿足計量需要，又能適應控制要求，既能接受傳感器的信號，完成計量計算，又能接受控制系統的下料量設定信號，并根據測量信號與設定值的偏差，自動調整皮帶機的轉速，將下料量控制在要求范圍內。 在這里選用電子秤，其工作原理如下：秤重物品經由裝在機構上的重量傳感器，將重力轉換為電壓或電流

53、的模擬訊號，經放大及濾波處理后由A/D處理器轉換為數字訊號，數字訊號由中央處理器(CPU)運算處理，而周邊所須要的功能及各種接口電路也和CPU連接應用，最后由顯示屏幕以數字方式顯示。 圖5 電子秤的工作原理圖電子秤的主要組成組件：1.重量傳感器 2.放大器電路 3.濾波器電路 4.模擬數字轉換器 5.中央處理器 6.電源供應電路 7.按鍵 8.外殼 9.機構 10.秤盤 電子秤的功能特點：1.電子秤數字溫度自動補償技術。采用一個三積分A/D轉換器，對重量、溫度、電池電壓三測量，對傳感器的溫度零漂，溫度滿量程漂移，分二十個區間，線性化全自動軟件補償，硬件成本增加極少，使電子計價秤、計重秤達到國際標準。2.電子秤多機總線聯網（無須接口板），一臺PC機可遙控幾十臺電子秤鍵盤操作和各種數據采集。3. 電子秤的通訊技術，電子秤多CPU單總線雙向數據通訊。打開進口的條碼電子秤，線束數百根，而三積分條碼電子秤各模塊間只用一根線通訊。4. 電子秤函數型線性補償技術。檢測兩個加載點，達到十個加載點補償的效果，全自動解方程計算曲線參數，輕輕松松達到高精度線性補償的目的。5. 電子秤抗干擾、高精度稱重濾波技術，將普通的一臺電子秤讀數穩定度提高