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

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内容摘要：

称重误差，计算公式为△W=W (1cosa)。 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 33 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 4~20mA 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 4~20mA 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 33 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 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 S7200系列 PLC,供电系统由隔离变压器、 PS207组成， CPU 模块选用 CPU2262DP，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。 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 34 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 34 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。 :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 35所示。 图 35 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。 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 S7200 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 S7200 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 S7200 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 S7200 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 S7200 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。 S7200 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 S7200 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 S7200 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 31： 表 3— 1 S7200 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 CPU221 6 4 — CPU222 8 6 2 个扩展模块 78 路数字量 I/O 点或 10 路模拟量 I/O 点 CPU224 14 10 7 个扩展模块 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点 CPU226 24 16 2 个扩展模块 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点 CPU226XM 24 16 2 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 S7200 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， S7200 系列 PLC 扩展单元型号及输入输出点数的分配如表412所示 ： 表 412 S7200 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 EM221 8 无 EM222 无 8 EM223 4/8/16 4/8/16 模拟量扩展模块 EM231 3 无 EM232 无 2 EM235 3 1 3) 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。 S7200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， S7200 系列 PLC 的专用编程软件为 STEP7Micro/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 72918GC000XA0 和 6ES 72918GD000XA0 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 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 31 所示。 表 31 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 4。