畢業(yè)設計（論文）基于PLC的物料比值調節(jié)控制系統(tǒng)設計

1、畢業(yè)論文（設計）任務書課題名稱基于plc的物料比值調節(jié)控制系統(tǒng)設計指導教師姓名一、主要內容：本課題涉及傳感器原理、plc原理和過程控制原理的應用。要求利用傳感器、plc及其自動化部件實現(xiàn)物料的比值調節(jié)控制系統(tǒng)設計。二、基本要求(基本技術要求與數(shù)據(jù)）1、 進行系統(tǒng)原理設計。2、 電氣原理圖及方案設計。3、 plc、變頻器應用設計。4、 利用實驗室進行模擬。三、論文（設計）工作起始日期：自2011年1月3日起，至2011年5月25日止四、進度與應完成的工作：第一階段：閱讀書籍、查找資料 （2011年1月3日2011年3月1日）第二階段：系統(tǒng)設計、論文初稿 （2011年3月1日 2011年5月6日）

2、第三階段：系統(tǒng)調試、論文修改 （2011年5月7日2011年5月12日）第四階段：論文定稿、打印 （2011年5月12日2011年5月14日）第五階段：論文答辯準備及答辯 （2011年5月16日2011年5月22日）五、主要參考文獻、資料1 施仁. 自動化儀表與過程控制m.北京：電子工業(yè)出版社，2009.2 吳中俊,黃永紅.可編程序控制器原理及應用m.北京：機械工業(yè)出版社，2009.3 王偉，楊公源. 基于plc控制的氯化鉀一硫酸和氯化鉀一磷酸比值控制系統(tǒng)分析db.萬方數(shù)據(jù)庫，2008-11-15.4 龔運新，方力友工業(yè)組態(tài)軟件實用技術m北京：清華大學出版社,2005.5 周美蘭，周封，王岳宇

3、plc電氣控制與組態(tài)設計m北京：科學出版社，20066 李燕, 廖義奎，王永圖解變頻器應用m北京：中國電力出版社，2009目 錄摘 要5abstract61 引言72 系統(tǒng)的工藝要求與工藝流程73 氧化鋁冰晶石流量比值控制系統(tǒng)84 系統(tǒng)模擬的工作過程85 硬件系統(tǒng)的具體設計95.1 變頻器95.1.1 mm440變頻器的特點及技術指標95.1.2 mm440變頻器的參數(shù)設置115.2 plc135.2.1 plc系統(tǒng)的基本組成135.2.2 plc的i/o分配表及i/o接線圖145.2.3 plc的編程155.3上位機組態(tài)195.3.1 建立io設備組態(tài)195.3.2 建立數(shù)據(jù)庫組態(tài)225.3

4、.3 建立組態(tài)畫面226 結論23參考文獻24致謝24附錄25基于plc的物料比值調節(jié)控制系統(tǒng)設計xxx摘 要：在自動控制系統(tǒng)中，經(jīng)常遇到輸出量是溫度、壓力、流量、液位、濃度、成分以及ph值等變量，這就是過程控制系統(tǒng)。而在過程控制系統(tǒng)中應用較為廣泛的流量是比值控制系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中以電解鋁的兩種主要原料氧化鋁粉和冰晶石粉作為兩種不同的物料，工藝上要求粉狀的氧化鋁與冰晶石自動地保持一定的比例關系，即構成氧化鋁冰晶石比值控制系統(tǒng)。關鍵詞：物料比值；過程控制；plc；變頻器；組態(tài)。materials ratiocontrol systembased on plcfang guiyun abstract

5、：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 materi

6、alaluminumpowder andcryolitealuminapowder astwo differentmaterials,workmanshipandcryolitealuminapowderrequiredto automaticallymaintain acertain proportionwill constitutealumina-icestoneratio control system.keywords：materialsratio，process control，plc, inverter, configuration.1 引言工業(yè)生產過程中，要求兩種或多種物料成一定比

7、例關系，一旦比例失調，會影響生產的正常進行，影響產品質量，浪費原料，消耗動力，造成環(huán)境污染，甚至產生生產事故。所以嚴格控鑰其比例，對于安全生產來說是十分重要的。2 系統(tǒng)的工藝要求與工藝流程在生產過程中，凡是將兩種或兩種以上的物料量自動地保持一定的比例關系的控制系統(tǒng)，就稱為比值控制系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，工藝上要求粉狀的氧化鋁與冰晶石自動的保持一定的比例關系，即構成氧化鋁冰晶石比值控制系統(tǒng)。工藝流程如圖2-1所示。wic：重量顯示控制裝置; m:變頻器圖2-1 工藝流程圖在本系統(tǒng)中，氧化鋁處于主導地位，稱此物料為主物料或主動量。冰晶石與主物料進行配比，在控制過程中跟隨主物料而變化，故稱之為從物料或從動

8、量。3 氧化鋁冰晶石流量比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)有開環(huán)比值控制、單閉環(huán)比值控制和雙閉環(huán)比值控制三種類型。開環(huán)比值控制是最簡單的控制方案，其特點是無反饋回路，結構簡單，成本較低；但是控制精度低，容易受到外界干擾，輸出一旦出現(xiàn)誤差無法補救。閉環(huán)控制有助于提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，從而提高生產效率和品質，但是成本較高，結構較復雜。單閉環(huán)比值控制是為了克服開環(huán)比值控制方案的缺點而設計的，這種方案的不足之處是主流量沒有構成閉環(huán)控制，但其成本低廉，也能滿足工藝的控制精度以及穩(wěn)定性。故本系統(tǒng)采用單閉環(huán)比值控制方案，系統(tǒng)方框圖如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)方框圖由圖3-1可知，前面開環(huán)控制部分是主控量氧化鋁本身

9、構成的開環(huán)控制系統(tǒng)，當設定量確定后，主變頻器通過輸出一個恒定的控制電壓控制螺旋輸送機a的轉速，從而控制氧化鋁的量，使氧化鋁的量穩(wěn)定在設定值上，主流量開環(huán)控制系統(tǒng)屬于恒值控制系統(tǒng)。后面閉環(huán)控制系統(tǒng)部分是副物料冰晶石閉環(huán)控制系統(tǒng)，其輸入量是經(jīng)過檢測與變送后的氧化鋁的流量q1與比值系數(shù)k的乘積。冰晶石流量閉環(huán)控制系統(tǒng)有plc、副變頻器、螺旋輸送機以及變送器b等組成。副流量冰晶石閉環(huán)控制系統(tǒng)屬于跟隨系統(tǒng)。4 系統(tǒng)模擬的工作過程鑒于實驗設備及一些客觀原因所限。本系統(tǒng)以兩臺異步電動機分別代替螺旋輸送機a和螺旋輸送機b。通過兩臺異步電動機的轉速分別模擬氧化鋁的量q1和冰晶石的量q2。通過兩臺測速儀器來分別模

10、擬變送器a和變送器b。設定量通過實驗柜0v-15v電壓輸出口給定。比值運算在plc內部完成。其模擬系統(tǒng)結構圖如圖4-1所示。圖4-1 模擬系統(tǒng)結構圖5 硬件系統(tǒng)的具體設計5.1 變頻器5.1.1 mm440變頻器的特點及技術指標 mm440變頻器的特點及技術指標如表5-1所示。表5-1 mm440變頻器的特點及技術指標電源電壓及功率范圍輸入電壓恒轉距負載下功率變轉矩負載下功率1 ac 200至240v10%0.12kw至3kw無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

11、至600v10%0.75kw至75kw1.5kw至90kw輸入頻率輸出頻率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）功率因數(shù)大于0.95變頻器效率96%至97%過載能力（恒轉矩）0.12kw75kw，150%過載持續(xù)時間60秒，200%過載持續(xù)時間3秒重復周期300秒90kw200kw，136%過載持續(xù)時間57秒，160%過載持續(xù)時間3秒重復周期300秒過載能力（變轉矩）5.5kw90kw，140%過載持續(xù)時間3秒，110%過載持續(xù)時間6

12、0秒重復周期300秒0.12kw75kw，150%過載持續(xù)時間1秒，110%過載持續(xù)時間59秒重復周期300秒控制方式矢量控制，v/f控制，轉矩控制，平方v/f控制等頻率設定分辨率數(shù)字輸入和串行通訊輸入為0.01hz，10位二進制模擬輸入通訊接口rs485標配，rs232可選，另有profibus，devicenet、canopen選件電機電纜長度不帶輸出電抗器0.12kw75kw 最長50m（屏蔽電纜），最長100m（非屏蔽電纜） 90kw250kw最長200m（屏蔽電纜），最長300m（非屏蔽電纜）帶輸出電抗器參照相關選件防護等級ip20工作溫度0.12kw75kw，-10至+50攝氏度（

13、恒轉矩），-10至+40攝氏度（變轉矩）90kw200kw，不降容0至+40攝氏度存放溫度-40至+70攝氏度相對溫度小于95%rh無結露工作地區(qū)海拔高度0.12kw75kw 海拔1000m以下無需降額使用90kw200kw，不降容0至+40攝氏度最高可在海拔4000m的環(huán)境使用保護功能過電壓、欠電壓、過載、接地、短路、過溫5.1.2 mm440變頻器的參數(shù)設置mm440變頻器的參數(shù)設置如表5-2所示，未設置的參數(shù)采用變頻器的默認值。表5-2 mm440變頻器的參數(shù)設置參考號參數(shù)描述設置p0003設置參數(shù)訪問等級=1 標準級 (只需要設置最基本得參數(shù))=2 擴展級=3 專家級3p0010=1

14、開始快速調試注意：1. 只有在p0010=1的情況下，電機的主要參數(shù)才能被修改，如：p0304， p0305等2. 只有在p0010=0的情況下，變頻器才能運行1p0100選擇電機的功率單位和電網(wǎng)頻率=0 單位kw，頻率50hz=1 單位hp，頻率60hz=3 單位kw，頻率60hz0p0205變頻器應用對象=0 恒轉矩（壓縮機，傳送帶等）=1變轉矩 （風機，泵類等）0p03000選擇電機類型=1 異步電機=2 同步電機1p03040電機額定電壓：注意電機實際接線（y/）220p03050電機額定電流注意：電機實際接線（y/）如果驅動多臺電機，p0305的值要大于電流總和0.5p03070電機

15、額定功率如果p0100=0或2，單位是kw如果p0100=1，單位hp0.1p03080電機功率因數(shù)0.820p03100電機額定頻率通常為50/60hz非標準電機，可以根據(jù)電機銘牌修改。50p03110電機的額定轉速矢量控制方式下，必須準確設置此參數(shù)1420p03200電機磁化電流通常取默認值0p03350電機冷卻方式=0 利用電機軸上風扇自冷卻=1利用獨立的風扇進行強制冷卻0p06400電機過載因子以電機額定電流的百分比來限制電機的過載電流150p07000選擇命令給定源（啟動/停止）=1 bop（操作面板）=2 i/o 端子控制=4 經(jīng)過bop鏈路（rs232）的uss控制=5 通過co

16、m鏈路（端子29,30）=6 profibus （cb通訊板）注意：改變p0700設置，將復位所有的數(shù)字輸入輸出至出廠設定2p0701=1 接通正轉/斷開停車=2 接通反轉/斷開停車2p0756=0 單極性電壓輸入（0至+10v）=1 帶監(jiān)控的單極性電壓輸入（0至+10）=2 單極性電流輸入（0至20ma）=3 帶監(jiān)控的單極性電流輸入（0至20ma）=4 雙極性電壓輸入（-10到+10v）0p07570電壓2v對應0%的標度，即0hz2p075800p07590電壓10v對應100%的標度，即50hz10p07600100p07610死區(qū)寬度2p10000選擇頻率給定源=1 bop電動電位計給

17、定（面板）=2 模擬輸入通道（端子3、4）=3 固定頻率=4 bop鏈路的uss控制=5 com鏈路的uss（端子29,30）=6 profibus （cb通訊板）=7 模擬輸入2通道（端子10,11）2p10800限制電機運行的最小頻率0p10820限制電機運行的最大頻率50p11200電機從靜止狀態(tài)加速到最大頻率所需時間10p11210電機從最大頻率降速到靜止狀態(tài)所需時間10p13000控制方式選擇=0 線性v/f，要求電機的壓額比準確=2平方曲線的v/f控制=20 無傳感器矢量控制=21 帶傳感器的矢量控制0p3900結束快速調試=1 電機數(shù)據(jù)計算，并將除快速調試意外的參數(shù)恢復到工廠設定

18、=2 電機數(shù)據(jù)計算，并將i/o設定到工廠設定=3電機數(shù)據(jù)計算，其它參數(shù)不進行工廠復位3p1910=1 使能電機識別，出現(xiàn)a0541報警，馬上啟動變頻器15.2 plc5.2.1 plc系統(tǒng)的基本組成本系統(tǒng)采用西門子的s7-200 plc，其基本組成包括中央處理器（cpu）、存儲器、輸入/輸出接口（縮寫為i/o，包括輸入接口、輸出接口、外部設備接口、擴展接口等）、外部設備編程器及電源模塊組成，見圖1。plc內部各組成單元之間通過電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接，外部則根據(jù)實際控制對象配置相應設備與控制裝置構成plc控制系統(tǒng)。如圖5-1所示。圖5-1 plc的基本組成5.2.2 plc的

19、i/o分配表及i/o接線圖plc的i/o分配表如表5-3所示。將就地控制按鈕sb1端子連接plc的i0.0輸入點；電壓變送器v1和電壓變送器v2分別來源于測速儀a和測速儀b，他們分別使用plc的a+、a-，b+、b-數(shù)字量輸入接口；中間繼電器ka1和中間繼電器ka2分別來自主變頻器和副變頻器，主變頻器端子編號為5的數(shù)字輸入端子din1與plc的q0.0連接，副變頻器端子編號為5的數(shù)字輸入端子din1與plc的q0.1連接；模擬輸出v負載來自副變頻器，副變頻器的端子編號3和端子編號為4的模擬輸入端子ain1+、ain1-分別與plc的v0、m0連接。plc的i/o接線圖如圖5-2所示。表5-3

20、i/o分配表輸入信號就地控制按鈕sb1i0.0電壓變送器v1a+ 、 a-電壓變送器v2b+ 、 b-輸出信號中間繼電器ka1q0.0中間繼電器ka2q0.1模擬輸出v負載m0 、 v0 圖5-2 i/o接線圖5.2.3 plc的編程本系統(tǒng)采用step-7micro/win 32編程軟件編寫plc程序，該編程軟件是基于windows的應用軟件，由西門子公司專門為simatic s7-200系列plc設計開發(fā)。該軟件功能強大，界面友好，并有方便的聯(lián)機幫助功能。用戶可利用該軟件開發(fā)plc應用程序，同時也可實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。該軟件是simatic s7-200用戶不可缺少的開發(fā)工具。 編寫

21、程序步驟：（1）新建工程文件，并建立符號表，符號表如表5-4所示。表5-4 程序符號表（2） 通過pid指令向導建立pid指令，點擊在micro/win中的命令菜單中選擇tools instruction wizard，然后在指令向導窗口中選擇pid指令，在使用向導時必須先對項目進行編譯，在隨后彈出的對話框中選擇“yes” ，確認編譯。如果已有的程序中存在錯誤，或者有沒有編完的指令，編譯不能通過。 如果你的項目中已經(jīng)配置了一個pid回路，則向導會指出已經(jīng)存在的pid回路，并讓 你選擇是配置修改已有的回路，還是配置一個新的回路，如下列圖所示，未標示的取系統(tǒng)默認值。 選擇pid向導，然后點擊nex

22、t進入下一步。如圖5-3所示。圖5-3 選擇pid向導 選擇配置的回路號為new，然后點擊next進入下一步。如圖5-4所示。圖5-4 選擇需要配置的回路選擇pid的回路號為0，然后點擊next進入下一步。如圖5-5所示。圖5-5 選擇pid 回路號 設置pid的參數(shù)，先預設給定值范圍的底限0，給定值范圍的高限為100；比例增益為1，積分時間為10分鐘，采樣時間為1s，微分時間為0分鐘；如圖5-6所示。在進行pid整定時再根據(jù)實際情況對pid參數(shù)進行修改。圖5-6 設定pid參數(shù)設定pid的輸入回路標定為單極性，過程變量的范圍低限為0，范圍高限為32000；輸出類型為模擬量，單極性，范圍低限為

23、0，范圍高限為32000；如圖5-7所示。 圖5-7 設定pid輸入輸出參數(shù)（3） 編寫程序并對pid進行整定，整定結果如圖5-8所示。采樣時間為0.1s，增益為0.1，積分時間為0.0175s，微分時間為0.0s。具體程序見附錄。圖5-8 pid整定結果5.3上位機組態(tài)5.3.1 建立io設備組態(tài)設置設備名稱為bizhi，設備描述為物料比值控制系統(tǒng)，更新周期為50毫秒，超時時間為0秒，設備地址為2，通信方式為串口（rs232/422/485）,故障后恢復查詢周期300秒，最大時限為60分鐘。如圖5-9所示。圖5-9 設置設備的名稱和描述以及各項參數(shù)選擇設備的串口為com1，連續(xù)采樣失敗3次后重新初始化串口。如圖5-10所示。圖5-10 選擇設備的串口設置設備的命令間隔時間為20ms。如圖5-11所示。圖5-11 設置命令間隔時間 io設備組態(tài)建立完成。如圖5-12所示。 圖5-12 io設備組態(tài)5.3.2 建立數(shù)據(jù)庫組態(tài)建立數(shù)據(jù)庫組態(tài)如圖5-13所示。bili為比例系數(shù)；m1s為電動機a轉速；m2s為電動機b轉速；start為啟動按鈕；motor1為電動機a的狀態(tài)；motor2為電動機b的狀態(tài)。 圖5-13 數(shù)據(jù)庫組態(tài)5.3.3 建立組態(tài)畫面建立組態(tài)畫面如圖5-14所示。啟動、停止按鈕與變量名start.