集散型可編程序控制器調(diào)速秤配料系統(tǒng)-課程設(shè)計

PAGEPAGE52綜合課程設(shè)計報告題目：集散型可編程序控制器調(diào)速秤配料系統(tǒng)學(xué)號：班級：13電2姓名：指導(dǎo)教師：2017年1月4日目錄摘要第一章總體設(shè)計方案 3第二章調(diào)速秤配料系統(tǒng)的總體設(shè)計 52.1系統(tǒng)工作原理及工作過程 52.2系統(tǒng)整體工作框圖 52.3系統(tǒng)整體電氣連接圖 6第三章調(diào)速秤配料系統(tǒng)中的PLC硬件選型與設(shè)計 73.1PLC的基本知識 73.2S7-300簡介 103.3PLC的選型要點 123.4PLC的中央處理器CPU的選型 133.5PLC數(shù)字量輸入/輸出模塊的選型與線路連接 143.6PLC的模擬量輸入模塊的選型與線路連接 153.7模擬量輸出模塊的選型與線路連接 16第四章調(diào)速秤配料系統(tǒng)中的傳感器和變頻器的設(shè)計與選型 184.1傳感器 184.1.1傳感器的基本知識 184.1.2稱重傳感器 184.1.2測速傳感器 24第五章調(diào)速秤監(jiān)控組態(tài)設(shè)計 25第六章各環(huán)節(jié)梯形圖設(shè)計 36參考文獻(xiàn)摘要可編程程序控制器（PLC,ProgrammableLogicController）因其高可靠性和較高的性價比，而在工業(yè)控制中被廣泛應(yīng)用。組態(tài)軟件由于計算機的普及和其本身價值（實時多任務(wù)、開放性、靈活性、通用性和可靠性）的被認(rèn)知，也在快速的發(fā)展中。本文基于可編程序控制器PLC和組態(tài)軟件設(shè)計自動配料系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。首先，利用德國Siemens公司的S7-200系列PLC對自動配料系統(tǒng)進(jìn)行控制。運用與之相配的STEP7編程，通過LAD編程語言編制了下位機的控制程序，從而使該配料系統(tǒng)可以按要求完成自動配料，裝料全過程。其次，自動配料系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)則采用了組態(tài)王組態(tài)軟件對上位機監(jiān)控軟件組態(tài)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。本文的主要內(nèi)容包括對生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)發(fā)展和現(xiàn)狀的概述、配料系統(tǒng)工作原理和配料控制系統(tǒng)的總體設(shè)計，重點描述了包括硬件設(shè)計、編程環(huán)境及軟件設(shè)計在內(nèi)的西門子PLC在配料系統(tǒng)中應(yīng)用的一些細(xì)節(jié)、組態(tài)王組態(tài)軟件及其在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中一些基本設(shè)計，以及PLC與上位機之間的通訊。關(guān)鍵字：可編程序控制器；配料；組態(tài)軟件第一章總體設(shè)計方案1.1調(diào)速秤系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)與工作原理圖1-1調(diào)速秤1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定量給料機系統(tǒng)包括機械和電器兩大部分。機械部分主要是電子秤、電機、減速機、皮帶以及料斗。電子秤上裝有稱重傳感器、速度傳感器、跑偏開關(guān)。電器部分包括控制柜內(nèi)的控制儀表、空氣開關(guān)、接觸器、繼電器、變頻調(diào)速器和接線端子等。2.電子秤結(jié)構(gòu)(1)機架：是定量給料機的基礎(chǔ)部件，各功能部件均安裝在此機架上，構(gòu)成定量給料機的機械秤體。(2)驅(qū)動裝置：包括電機和減速機，電機通過法蘭與減速機相連。減速機具有體積小，速比大的特點并且是通過空心軸與主動滾筒連接，不采用聯(lián)軸器，具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。速度傳感器安裝在電機軸端，直接測出電動機的速度。(3)稱重裝置：由稱重框架和稱重托輥組成。皮帶上的物料重量通過稱重托輥作用傳送到稱重傳感器上，框架設(shè)有配重裝置與標(biāo)定砝碼支座，整個稱重系統(tǒng)無水平和側(cè)向位移，無摩擦影響，不需維護(hù)。(4)主、從動滾筒及環(huán)形橡膠運輸帶：完成物料的輸送與喂料。(5)托輥：用于承受倉壓及保證物料在稱重過程中的平穩(wěn)性。(6)卸料罩：保證物料順利進(jìn)入生產(chǎn)流程，防止粉塵污染環(huán)境。(7)擋料裝置：防止物料從漏斗閘門流出后散落、外溢，保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。(8)皮帶外表面清掃裝置及梨形內(nèi)表面清掃器：防止皮帶沾料，有利于提高計量精度并能防止皮帶因卡料造成損壞。(9)跑偏自動開關(guān)：皮帶跑偏超過允許值時報警，防止造成生產(chǎn)設(shè)備事故。(10)標(biāo)定砝碼：用于給料機的靜態(tài)、動態(tài)標(biāo)定。(11)供料料斗：根據(jù)物料不同的特性，配有用于散狀物料的T型料斗，用于易起拱物料的帶有振動器的V型料斗，用于傾瀉性物料的S1和S2型料斗。(12)自動張緊裝置：保證皮帶具有恒定張力，利于精度穩(wěn)定。1.2調(diào)速秤配料系統(tǒng)的實現(xiàn)方法通過產(chǎn)臂上皮帶裝置及料的重量測定流量，由電磁振動給料機控制給料量，連續(xù)計量秤。稱重給料機將經(jīng)過皮帶上的物料，通過稱重秤架下的稱重傳感器進(jìn)行檢測重量，以確定皮帶上的物料重量；速度傳感器檢測出速度值，重量信號送入皮帶給料機控制器，產(chǎn)生并顯示累計量/瞬時量。給料控制器將該量與速度值相乘并乘一比例系數(shù),由控制器輸出信號控制變頻器，實現(xiàn)定量給料的要求。可由上位PC機設(shè)定各種相關(guān)參數(shù)，并與PLC實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制。它可以采用兩種運行方式：自動方式和手動方式。圖1-2調(diào)速秤控制系統(tǒng)第二章調(diào)速秤配料系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1系統(tǒng)工作原理及工作過程我們要實現(xiàn)的是八路調(diào)速秤配料的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有八路上料，每一路的上料都是有一定的配比，受到各個參數(shù)的約束。它的基本工作原理是：當(dāng)系統(tǒng)開始運行，八路上料系統(tǒng)根據(jù)需要開始上料，每一路的上料與否以及根據(jù)產(chǎn)品配比的要求下料多少，是受PLC控制的。每一路上料的實際多少是由稱重傳感器測量，皮帶傳送速度由接近開關(guān)測出，將測得的數(shù)據(jù)送到PLC由預(yù)先使用STEP7編寫好的程序進(jìn)行處理，其中速度和重量是相乘的關(guān)系，這樣可以得到每一路每一個小時下料的噸位。這個每小時的噸位與要求的噸位對比形成負(fù)反饋，反饋到PLC，經(jīng)過預(yù)置程序的控制以及使用PID控制算法處理調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)變頻器控制電動機，使整個系統(tǒng)達(dá)到預(yù)先的要求，從而生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。這就是整個皮帶秤配料系統(tǒng)的工作原理的簡單介紹。2.2系統(tǒng)整體工作框圖如圖2-1所示，由上位機通過Wincc組態(tài)軟件或者可編程控制器控制整個系統(tǒng)的啟停。主體“調(diào)速秤”通過線路與三樣設(shè)備連接：稱重傳感器、測速傳感器、變頻器。其中前兩個設(shè)備的主要功能是信號采集，稱重傳感器采集各路皮帶秤的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，反映到PLC中，由其中的CPU按照事先編制的程序進(jìn)行計算，從而得到各路配料的實際情況和給定值之間的差距。這種算法是根據(jù)PID算法控制進(jìn)行控制，PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的核心控制算法也是基于PID控制算法。實現(xiàn)該系統(tǒng)控制流程的方式主要分兩種：(1)通過STEP7編寫好的程序由PLC按照設(shè)定的值進(jìn)行PID控制。完成8路的自動配料。(2)通過手動控制，在變頻器上輸入PID參數(shù)，完成8路的自動配料。變頻器的功能則是按照信息指令調(diào)節(jié)圓盤給料機電機的頻率，達(dá)到對單路原料進(jìn)行控制配比的目的。對各路皮帶秤進(jìn)行總體調(diào)節(jié)，即可完成按工業(yè)要求進(jìn)行配比工作。這時，PLC要完成兩個工作：第一，要通過線路將各信號上傳到上位機，由上位機的組態(tài)軟件WinCC接收，從而使工作人員可以完成組態(tài)監(jiān)控工作；第二，PLC向下將控制信號傳送到各路變頻器，變頻器經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換來控制皮帶秤的圓盤給料機電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)各路配料按要求配比。在此過程中，工作人員可以通過上位機的組態(tài)畫面實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況，一旦系統(tǒng)發(fā)生意外情況，或進(jìn)行定期不定期維護(hù)，即可由上位機對PLC進(jìn)行控制。2.3系統(tǒng)整體電氣連接圖圖2-1系統(tǒng)整體電器連接圖如圖2-1所示，為系統(tǒng)的總體硬件連接圖，其中最左部分為工控機，通過上位機軟件Wincc可以控制控制器PLC,同時系統(tǒng)的一些信息可以及時的反映在上位機的畫面中，中間為PLC，它由CPU模塊，模擬量輸入輸出模塊和測速模塊組成，最右邊為變頻器，通過變頻器來控制各路電機，從而控制速度。調(diào)速秤配料系統(tǒng)中的PLC硬件選型與設(shè)計由于可編程序控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域中所占的核心地位和日趨重要的發(fā)展態(tài)勢。本章節(jié)著重介紹根據(jù)設(shè)計要求對配料系統(tǒng)的可編程控制器的設(shè)計及選型。3.1PLC的基本知識PLC即可編程控制器，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。其可分為：小型PLC、中型PLC、大型PLC。（1）PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同如圖3-1所示。圖3-1PLC的結(jié)構(gòu)（2）PLC的工作原理PLC采用了一種不同于一般計算機的運行方式即掃描方式。①工作過程當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，如圖4所示。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段圖3-2PLC的工作過程②掃描周期PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，如圖5所示。一個周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間之和。圖3-3PLC的掃描周期(3)可編程序控制器的主要功能和應(yīng)用可編程控制器(ProgrammableController)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍。PLC的功能可分類如下:①邏輯控制②定時控制③計數(shù)控制④步進(jìn)(順序)控制⑤PID控制⑥數(shù)據(jù)控制:PLC具有數(shù)據(jù)處理能力⑦通信和聯(lián)網(wǎng)⑧其它:PLC還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如:定位控制模塊，CRT模塊。(4)PLC的編程語言PLC與微機一樣，是以指令程序的形式進(jìn)行工作的，各種型號的PLC一般均以梯形圖語言為主，同時也兼顧一些其它形式的編程語言。其中有以下三種編程語言。①梯形圖(LAD)②指令語句表(STL)③邏輯功能圖((FBD)圖3-4PLC的編程語言3.2S7-300簡介PLC選型依據(jù)：

1)具有足夠大的暫存器空間且獨家提供檔案暫存器空間，保證系統(tǒng)的配料配方量足夠多足夠大，透過專用指令操作保證配方的絕對安全

2)通訊功能強大，通訊協(xié)議編程簡單方便

3)可擴展多個通訊口，為系統(tǒng)延伸控制與聯(lián)網(wǎng)提供硬件支持

4)運行可靠穩(wěn)定性要好(1)概述西門子S7-300可編程序控制器是模塊化小型PLC系統(tǒng)，各種單獨的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴展，能滿足中等性能要求。(2)S7-300的組成S7-300主要組成部分有:導(dǎo)軌、中央處理單元模板、接口模板(IM)、信號模板(SM)、功能模板(FM)等。S7-300組成如圖3-5所示。圖3-5S7-300的組成a.負(fù)載電源模塊(PS):用于將120/230V交流電源變換成SIMATICS7-300所需的24V工作電壓。a.標(biāo)準(zhǔn)型:溫度范圍從0℃到60℃b.環(huán)境條件擴展型:溫度范圍從-25℃到+60℃更強的耐受振動和污染特性。（4）S7-300的功能SIMATICS7-300的大量功能支持和幫助用戶進(jìn)行編程、啟動和維護(hù)。a.高速的指令處理:0.6~0.1μs的指令處理時間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。b.人機界面(HMI):方便的人機界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)。因此人機對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機界面((HMI)從S7-30O中取得數(shù)據(jù)，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送。c.診斷功能:CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件(例如:超時，模塊更換，等等)。d.口令保護(hù):多級口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。e.操作方式選擇開關(guān):操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時，就不能改變操作方式。這樣就防止非法刪除或改寫用戶程序(5)S7-300的通訊方便用戶的STEP7的用戶界面提供了通訊組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。SIMATICS7-300具有多種不同的通訊接口:a.多種通訊處理器用來連接AS-1接口、和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)。b.串行通訊處理器用來連接點到點的通訊系統(tǒng)。c.多點接口(MPI)集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統(tǒng)及其他SIMATICS7/M7/C7等自動化控制系統(tǒng)。CPU支持下列通訊類型:a.過程通訊b.通過總線(AS-1或PROFIBUS)對u0模塊周期尋址(過程映象交換)c.數(shù)據(jù)通訊在自動控制系統(tǒng)之間或人機界面(HMI)和幾個自動控制系統(tǒng)之間，數(shù)據(jù)通訊會周期地進(jìn)行或被用戶程序或功能塊調(diào)用。3.3PLC的選型要點在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則選型所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作（1）輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算

I/O點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%～20%的可擴展

余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

（2）存儲器容量的估算

存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。

存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。

（3）機型的選擇

1）PLC的類型

PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。

整體型PLC的I/O點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。

2）輸入輸出模塊的選擇

輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致。

可根據(jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠(yuǎn)程I/O機架等。

3）電源的選擇

PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時同時引進(jìn)PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計和選用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計選用220V電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。

如果PLC本身帶有可使用電源時，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。

4）存儲器的選擇

由于計算機集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應(yīng)用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復(fù)雜控制功能時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。5）冗余功能的選擇在系統(tǒng)中增加冗余功能可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠的運行。3.4PLC的中央處理器CPU的選型根據(jù)輸入輸出點數(shù)的要求選擇CPU315（6ES7315-2AG10-0AB0）作為本次設(shè)計的中央處理器。CPU315是S7-300的大腦，其裝載存儲器的基本容量為80K字節(jié)，可用存儲卡擴充裝載存儲器，最大容量可達(dá)到512KB。每執(zhí)行1000條二進(jìn)制指令約需0.3ms，最大可擴充1024點數(shù)字量I/0或128路模擬量通道。圖3-6CPU315模塊面板布置示意圖CPU315的操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動的用戶程序掃描過程。CPU響應(yīng)哪個事件，操作系統(tǒng)自動調(diào)用該事件的組織塊OB。CPU315可調(diào)用128個功能塊FB(0-127);128個功能調(diào)用FC(0-127);127個數(shù)據(jù)塊DB(1-127,0保留)。OB,FB,FC,DB的容量均不大于8KB。此外，還有38個系統(tǒng)功能塊SFC集成在操作系統(tǒng)中供用戶調(diào)用;有9個系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊SDB裝載S7-300系統(tǒng)參數(shù)。CPU315適用于要求高速處理和中等I/0規(guī)模的任務(wù)。它可以裝載中等規(guī)模的程序，并具有中等的指令執(zhí)行速度。所以CPU315滿足系統(tǒng)的要求。3.5PLC數(shù)字量輸入/輸出模塊的選型與線路連接在調(diào)速秤配料自動控制系統(tǒng)中，由于PLC的CPU本身沒有輸入輸出接口，需要使擴展模塊作為系統(tǒng)的I/O口。在本系統(tǒng)中我們采用SM321以及SM323來滿足系統(tǒng)的要求。SM321為DI16xDC24V，SM323數(shù)字量的輸入/輸出模塊(6ES7323-1BL00-0AA0)SM323;DI16/DO16xDC24V/0.5A的屬性：a.16點輸入，電隔離為16組b.16點輸出，電隔離為8組c.額定輸入電壓24VDCd.額定負(fù)載電壓24VDCe.輸入適用于開關(guān)以及2/3/4線接近開關(guān)(BERO)f.輸出適用于電磁閥、DC接觸器和指示燈3.6PLC的模擬量輸入模塊的選型與線路連接在調(diào)速秤配料系統(tǒng)的PLC硬件設(shè)計中需要將稱重傳感器的信號輸送到PLC中，這就需要用到模擬量的輸入模板，模擬量的輸入模板為SM331。SM331概述：SM331:AI8*12Bit是8通道的模擬量輸入模塊，在系統(tǒng)中用于輸入稱重傳感器的測量值。模塊主要是由A/D轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。SM331的每兩個輸入通道構(gòu)成一個輸入通道組，可以按通道組任意選擇測量方法和測量范圍。模塊上需接24VDC的負(fù)載電壓L+，有反接保護(hù)功能。模塊與S7-300CPU及負(fù)載電壓之間是光電隔離的。SM331:AI8*12BBIT模擬量輸入模塊的電氣原理圖如圖10所示。另外，為了使模擬量輸入模塊獲得最佳的抗干擾性能，可以將不使用的通道與M短接。根據(jù)需要我們選用SM331（6ES7331-7NF00-0AB0）模擬量輸入模板作為我們的模擬量輸入模板，具體的參數(shù)如下①SIMATICS7-300的模擬輸入②用于連接電壓和電流傳感器、熱電耦、電阻器和電阻式溫度計③8輸入，高分辨率。圖3-78路輸入模塊的連接原理示意圖3.7模擬量輸出模塊的選型與線路連接模擬量輸出模塊SM332用于連接模擬量執(zhí)行器SM332可以輸出電壓，也可以輸出電流。在輸出電壓時，可以采用2線回路和4線回路兩種方式與負(fù)載相連。采用4線回路能獲得比較高的輸出精度。模擬量輸出(簡稱模出(AO))模塊SM332目前有三種規(guī)格型號，即4AO×l2位模塊、2AO×12位模塊和4AO×l6位模塊，分別為4通道的12位模擬量輸出模塊、2通道的12位模擬量輸出模塊、4通道的16位模擬量輸出模塊。SM332與負(fù)載/執(zhí)行裝置的連接。我們選擇SM332（6ES7332-5HF00-0AB0）模擬量輸出模板控制執(zhí)行機構(gòu)變頻器。第四章調(diào)速秤配料系統(tǒng)中的傳感器和變頻器的設(shè)計與選型4.1傳感器4.1.1傳感器的基本知識人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。（1）傳感器的工作原理進(jìn)入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時還需要將信號線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并輸入到微處理器。（2）以其輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為：模擬傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。數(shù)字傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。開關(guān)傳感器——當(dāng)一個被測量的信號達(dá)到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號。膺數(shù)字傳感器——將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。4.1.2稱重傳感器（1）稱重傳感器的介紹稱重傳感器是皮帶秤力與電轉(zhuǎn)換的核心部件，稱重傳感器按變換原理分類。主要有：電阻應(yīng)變片式、差動變壓器式、電容式、壓磁式、壓電式等，其中，電阻應(yīng)變片式稱重傳感器有以下主要優(yōu)點：a.結(jié)構(gòu)簡單、體積小、密封性好b.線性度和重復(fù)性好c.頻率響應(yīng)快，能進(jìn)行動態(tài)稱重d.長期穩(wěn)定性好，工作可靠e.和稱重秤架聯(lián)接簡單、方便f.綜合誤差小。電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減小），實驗證明，在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為便于利用的電信號（電壓或電流），電橋測量電路是進(jìn)行這種變換的常用方法，從而完成了將外力變換為電信號的過程。因此可以通過對電阻的測量來測量壓力。如圖所示直流電橋測量電路原理：圖4-1稱重傳感器的原理在我們的皮帶秤配料自動控制系統(tǒng)中，由于稱重傳感器輸出信號非常小，容易受大環(huán)境溫度的影響。為了保證稱重傳感器的精度，我們的稱重傳感器不僅需要電壓的驅(qū)動而且要加上一個電源驅(qū)動電路，以保證稱重傳感器的信號的準(zhǔn)確。（2）稱重傳感器的選用原則稱重傳感器最大稱量的選用原則：a.安全系數(shù)安全系數(shù)的確定必須注意承載器的自重、最大稱量、稱重傳感器的靈敏度和過載能力等指標(biāo)。Ⅰ、承載器的自重值這個值是計算稱重傳感器最大稱量的依據(jù)之一。對于一般衡器來講，在計算稱重傳感器最大稱量值時可以不考慮承載器的自重值，因為其占衡器總輸出信號量的一小部分，平均到每個傳感器上就更少了。例如，一臺80噸的地磅，用8只最大稱量為30噸的傳感器，自重為18噸，負(fù)載量最大的稱重傳感器也只有3噸自重，而滿載時負(fù)荷最大的達(dá)到15.5噸。但對于一些特殊衡器，稱重量占總輸出信號的一小部分時就不得不考慮承載器自重值。Ⅱ、沖擊載荷在一些自動衡器和專用衡器設(shè)計時，在選擇稱重傳感器時必須注意在稱量過程中，被稱車輛或物料對承載器的沖擊作用。Ⅲ、稱重傳感器的靈敏度目前常用的稱重傳感器當(dāng)中，柱式結(jié)構(gòu)的靈敏度通常為1mV/V，橋式結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)、平行梁結(jié)構(gòu)的靈敏度通常為2mV/V，另有一小部分懸臂梁結(jié)構(gòu)、S型結(jié)構(gòu)的靈敏度通常為3mV/V。在選用時必須注意到，靈敏度為1mV/V的稱重傳感器其安全過載能力一般是最大稱量的200％，極限過載能力一般大于最大稱量的500％；靈敏度為2mV/V的稱重傳感器其安全過載能力一般是最大稱量的150％，極限過載能力一般大于最大稱量的300％。b.衡器的靈敏度一臺衡器能否正常工作，必須考慮這個系統(tǒng)中各個部件的技術(shù)參數(shù)能否匹配，對衡器來講，也就是稱重傳感器所選用最大稱量、靈敏度值；稱重儀表所選用的供橋電壓值、最高靈敏度值等。而且這些參數(shù)最終必須滿足這個系統(tǒng)的整體指標(biāo)。衡器的每個檢定分度值輸出信號大于稱重儀表最高輸入靈敏度時，衡器能夠正常工作。

c.稱重傳感器準(zhǔn)確度的選用原則：對于一臺衡器來講，選用的稱重傳感器的準(zhǔn)確度越高越好，但也有兩個前提條件：一是能采購得到，二是采購價格能夠承受。稱重傳感器準(zhǔn)確度是由許多指標(biāo)構(gòu)成的，當(dāng)最終確定一只傳感器為某一個準(zhǔn)確度等級時，是按許多測試結(jié)果中最大的誤差值，作為此傳感器的準(zhǔn)確度等級的依據(jù)，而其他測試項目的誤差可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于該等級的值。因而要根據(jù)實際要求，細(xì)分準(zhǔn)確度指標(biāo)，挑選合適的傳感器。稱重傳感器結(jié)構(gòu)的選用原則：a.安裝方便任何產(chǎn)品設(shè)計時除需考慮整體功能和性能上能滿足工藝要求外，還應(yīng)注意產(chǎn)品安裝維修問題，衡器產(chǎn)品也不例外。b.衡器結(jié)構(gòu)特點的要求

衡器選用傳感器，在許多情況下時根據(jù)個人手邊的傳感器樣本確定的。不過其中也遵循了一些不成文的原則。Ⅰ、承載器的安裝空間一些作為流水線中一部分的專用衡器，在稱重傳感器的選型時就要考慮空間限制的問題。Ⅱ、安裝維護(hù)方便Ⅲ、側(cè)向力的影響在選擇傳感器時，必須考慮此衡器在使用中是否存在側(cè)向力的情況。按剪應(yīng)力原理設(shè)計的稱重傳感器抗側(cè)向力的能力比較強；按正應(yīng)力原理設(shè)計的稱重傳感器抗側(cè)向力的能力比較弱。Ⅳ、剛度問題這里講的剛度是指承載器的剛度，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度和輔件的剛度。這些結(jié)構(gòu)的剛度會直接影響到變形量，從而影響計量的準(zhǔn)確度。承載器的結(jié)構(gòu)不論是梁式，還是板框式，還是容器式，必須針對不同的加載方式，被稱量物的結(jié)構(gòu)和稱量方式，確定其剛度大小。不同用途的衡器所安裝的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不同，但都要遵守結(jié)構(gòu)剛度必須保證衡器使用要求的原則。輔件是指安裝稱重傳感器的結(jié)構(gòu)件，如懸臂梁稱重模塊就要考慮其安裝板的厚度。Ⅴ、選用傳感器的數(shù)量問題

選用數(shù)量的一般原則是承載器較長，面積較大的衡器選用的傳感器較多。Ⅵ溫度的影響問題

對于承載器較長，面積較大的室外用衡器，必須考慮承載器的線膨脹系數(shù)問題。Ⅶ、濕度的影響問題

對于室外用衡器或惡劣工況用衡器，必須考慮承傳感器的密封問題[8]。

(3)稱重傳感器的放大電路稱重傳感器的輸出信號一般只有l(wèi)0—20mV在工業(yè)現(xiàn)場極易受干擾，也不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，如果不采用放大電路，傳感器輸出的毫伏信號只能傳遞幾十米；往往不能滿足實際使用現(xiàn)場的要求，因此增加放大器電路，將稱重信號進(jìn)行放大，變換成4~20mA電流信號進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，信號傳輸距離可達(dá)1.5km，放大裝置的框圖。放大器中設(shè)置傳感器的供橋電源，稱重傳感器的輸出送到放大器進(jìn)行電壓放大，經(jīng)電壓放大后的信號一般為l~2V，后經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路對放大后的信號進(jìn)行電壓、電流轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，放大裝置的性能，主要取決于放大電路的性能指標(biāo)，這里介紹經(jīng)常使用的簡單的差動放大器電路。圖4-2簡單的差動放大器電路圖中，由一個運算放大器和四個匹配的電阻構(gòu)成，共模電壓的存在是大多數(shù)傳感器的特點。共模電壓是電橋中的直流電平或噪聲干擾。假設(shè)運算放大器是理想的，根據(jù)零子模型條件，在兩個輸入瑞的電壓相等，且通過兩輸入端的電流為零，則很容易導(dǎo)出差動放大器的運算方程：或改寫成：式中：——共模輸入信號電壓。V0的兩個方程都帶有共模輸入信號電壓，顯然第一項是反相輸入信號對輸出的貢獻(xiàn)；第二項是同相輸入信號對輸出的貢獻(xiàn)；第三項是共模輸入信號對輸出的影響，顯然這運算放大器是理想的。但差動放大器的輸出端仍有共模信號的干擾，主要原因在于差動運算電路的外部參數(shù)不理想，即反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有差異，而使閉環(huán)共模特性變壞，四個電阻不匹配和比例失調(diào)是關(guān)鍵因素，若取四個電阻滿足條件。即：則的方程可以簡化成：因此可以看出，四個電阻匹配的足夠好，相當(dāng)于兩個差動信號閉環(huán)增益絕對值相等的條件。此時，共模輸入信號對輸出貢獻(xiàn)為零[9]。實際上，四個電阻很難做到完全匹配，所以在差動放大器輸出端總存在一定大小的共模干擾信號，在高精度差動放大器中，應(yīng)當(dāng)把這個共模干擾信號控制在一定的范圍之內(nèi)。下圖為壓力放大板：圖4-3壓力放大板(4)濾波電路濾波器的作用是防止噪聲，將不需要的電信號過濾。本畢業(yè)設(shè)計中用到的濾波器為低通濾波器其電路圖如下：圖4-4皮帶秤配料系統(tǒng)中簡單低通濾波電路4.1.2測速傳感器本設(shè)計選用的測速傳感器為：HSH齒輪測速傳感器。HSH齒輪測速傳感器通過分辨轉(zhuǎn)過檢測面的每一個齒頂和齒谷，將其轉(zhuǎn)換成方波，對應(yīng)的一對齒頂和齒谷，將有一個周期的方波輸出，通過計算將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速。圖4-5接近開關(guān)它的接線圖如下所示：圖4-6測速傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)該接近開關(guān)的特性如下所示：供電電源：DC4.5V~24V輸出電流：≤50MA響應(yīng)頻率：≤20KHZ環(huán)境溫度：-30攝氏度~50攝氏度動作距離：≤（正常運轉(zhuǎn)）下圖為速度調(diào)理板：圖4-7測速調(diào)理板第五章調(diào)速秤監(jiān)控組態(tài)設(shè)計5.1WinCC工程的建立首先打開WinCC資源管理器，如圖所示建立一個新項目圖5-1建立一個新項目單擊“確定”，出現(xiàn)“創(chuàng)建新項目”窗口，在窗口中命名工程及確定保存路徑。在“項目名稱”一欄輸入“皮帶秤控制組態(tài)”單擊“創(chuàng)建”，系統(tǒng)即會生成一個新的項目。5.2變量的建立如下圖在“變量管理器”中添加需要的新的驅(qū)動程序。圖5-2添加驅(qū)動程序內(nèi)部變量驅(qū)動是系統(tǒng)默認(rèn)生成的，可以在其中建立中間變量，過程變量或變量組等，這樣可以節(jié)省大量I/O點，以保證軟件的經(jīng)濟性。內(nèi)部變量如下圖所示：圖5-3內(nèi)部變量如下圖選擇“SIMATICS7ProtocolSuite．CHN”驅(qū)動程序，此驅(qū)動包括大部分S7－300編程組件。圖5-4選擇編程組件選擇此驅(qū)動程序中“MPI”模塊，建立新的驅(qū)動連接右擊MPI在“連接屬性”對話框中命名連接名稱。圖5-5命名連接即可在所建立的連接“pdc”中建立外部變量或變量組。5.3組態(tài)畫面的建立依照系統(tǒng)要求將變量建立完之后，就可以在“圖形編輯器”中建立過程畫面，即組態(tài)畫面和監(jiān)控畫面等。 圖5-6建立過程畫面當(dāng)然，也可以對建立的畫面進(jìn)行“重命名”等操作，圖5-7重命名操作單擊“打開畫面”，WinCC資源管理器將會自動打開“圖形編輯器”對過程畫面進(jìn)行編輯。新建一個畫面，開始繪制組態(tài)、監(jiān)控即其他畫面。 圖5-8新建畫面5.4系統(tǒng)總體界面 圖5-9狀況圖PID控制圖：圖5-12PID控制圖5.5各個組態(tài)界面圖的繪制及變量連接過程1）啟動環(huán)境設(shè)置在tiaoshucheng工程中選中計算機右擊點屬性，在彈出的對話框中選中“圖形運行系統(tǒng)”頁，點“瀏覽”選中zhujiemian.pdl作為啟動環(huán)境，如下圖。圖5-14選擇啟動環(huán)境2）個界面組態(tài)過程工藝過程界面詳細(xì)組態(tài)過程：從對象選項板中選擇輸入/輸出域，按鈕，和文本框放在圖中相應(yīng)位置并為每個控件分別命名（后面的組態(tài)界面中的這三種控件均是這樣得來）。從“查看”，“庫”中選擇適合的圖標(biāo)：圖5-16配料系統(tǒng)得料倉報警圖界面詳細(xì)組態(tài)：從對象選項板中將”winccAlarmControl”控件添加到界面中,如下圖:圖5-17報警圖界面詳細(xì)組態(tài)1雙擊報警圖控件將彈出對話框，在常規(guī)頁中點擊“選擇”彈出指定選者對話框，選中系統(tǒng)快和消息等級的復(fù)選框。如下圖：圖5-18報警圖界面詳細(xì)組態(tài)3工藝給定界面詳細(xì)組態(tài)：在任意輸入/輸出域框中右擊選擇組態(tài)對話框.如下圖:圖5-19工藝給定界面詳細(xì)組態(tài)1在彈出的對話框中點擊”變量”按鈕,選擇相應(yīng)的變量.其中返回主界面的按鈕實現(xiàn)從任意界面快速切換到工藝過程圖界面,它的動作實現(xiàn)方法如下:雙擊該按鈕,在對象屬性對話框中選鼠標(biāo)中的鼠標(biāo)動作，雙擊動作箭頭在彈出的對話框中的常量單選框后輸入pdcgy.pdl圖5-20工藝給定界面詳細(xì)組態(tài)35.6變量歸檔打開工程中變量記錄欄在空白處右擊選歸檔向?qū)?，點‘下一步’直到出現(xiàn)下圖，選擇圖中的重量信號1圖5-21選中要記錄的變量重復(fù)，建立8路重量信號的歸檔。第六章各環(huán)節(jié)梯形圖設(shè)計6.1PLC主循環(huán)程序OB1和初始化程序OB1001.主循環(huán)程序在程序中有運行、停止開關(guān)用以啟動系統(tǒng)，整個控制過程循環(huán)進(jìn)行，對各個功能模塊的調(diào)用，可以實現(xiàn)皮帶秤的自動配料功能。先將“停止模式”置位，接通后“自動運行模式”“手動運行模式”“測皮模式”復(fù)位。“自動運行模式”、“手動運行模式”“測皮模式”接通后，“停止模式”開關(guān)復(fù)位。程序如下：接通后，每一路的壓力信號大于零時才開始運行、運行初始化。將每一路的壓力信號檢測值賦零。程序段9：2.初始化程序系統(tǒng)初始化程序。“測試”和“停止”置位，“停止模式”接通后，“自動運行模式”“手動運行模式”“測皮模式”復(fù)位，MD值賦零?！皽y試”接通后，“調(diào)速秤PID參數(shù)初始化”執(zhí)行6.2中斷程序OB35OB35用于調(diào)用其他環(huán)節(jié)的各個模塊程序如下：仿真環(huán)節(jié)和調(diào)速秤檢測的調(diào)用多路PID和報警環(huán)節(jié)的調(diào)用程序：調(diào)速秤累計的調(diào)用：測皮模塊的調(diào)用程序：6.3控制輸出功能模塊此模塊實現(xiàn)單路和多路輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換：單路輸出：多路輸出（以一路為例）：6.4PID運算PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、可靠性高，被廣泛應(yīng)用