基于PLC的自动配料系统.doc

基于PLC的自动配料系统 南昌航空大学课程设计
南昌航空大学课程设计
题　　目：基于PLC的自动配料系统
专　　业：自动化
班　　级：110441班
学　　号：
姓　　名:
指导老师:
- II -
摘 要
自动配料系统是集输送、计量、配料、定量等功能于一体的动态计量系统,在建材、化工、冶金、矿山、电力、食品、饲料加工等行业中得到广泛应用。随着科学技术的发展，工业化程度的提高，常需要对自动配料系统中输送的流量进行调节、控制达到准确的配比.
本论文主要针对自动配料系统恒流量控制达到配比的控制要求，设计一套基于PLC的自动配料系统,并使用触摸屏开发运行管理界面。自动配料系统由可编程控制器（PLC）、变频器、皮带驱动电动机、称重传感器等构成。系统包含三台皮带驱动电动机，它们根据需要依次顺序启动。采用变频器实现对三相电动机的变频调速。称重传感器对物料进行称重并实时计量，PLC计算出实时流量及累计流量，比较设定值与实际流量的偏差经PID调节改变输出信号以控制变频器对皮带驱动电动机的速度调节,从而实现恒流量控制，并对系统进行监控。
关键词：自动配料，变频调速,PID调节，PLC
目 录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1 课题背景及意义1
1.2 自动配料系统1
1。2.1 电子皮带秤1
1。2。2 可编程控制器（PLC）2
1.2.3 变频器3
1。3 本课题主要研究内容3
第二章自动配料系统理论分析及方案确定5
2.1 自动配料系统理论分析5
2.1。1 电子皮带秤称重原理5
2。1.2 流量控制原理6
2。2 自动配料系统控制方案的确定8
2。2。1 自动配料系统控制方案的确定8
2。2.2 自动配料系统的组成及控制原理8
第三章自动配料系统的硬件设计11
3.1 系统主要配置的选型11
3。1.1 皮带驱动电动机的选型11
3。1。2 PLC及其扩展模块的选型11
3。1。3 变频器的选型13
3。1.4 称重传感器的选型15
3.1.5 其他设备选型16
3.2 系统主电路分析及设计17
3。3 系统控制电路分析及设计19
3.3.1 可编程控制器(PLC）的I/O端子分配19
3.3。2 系统控制电路设计20
第四章自动配料系统的软件设计23
4.1 控制系统主程序设计23
4。2 控制系统子程序设计27
第五章组态软件监控30
5.1 组态软件简介30
5.1.1 组态软件的功能30
5。1.2 组态软件的特点31
5.2 人机界面设计32
结束语33
致谢34
参考文献35
附录：36
附录一：自动配料系统电器元件清单36
附录二:自动配料系统主电路图37
附录三：自动配料系统PLC接线图38
附录四：自动配料系统程序39
- 21 -
第一章 绪论
1。1 课题背景及意义
随着科学技术的不断发展，工业上快速、精准的需求,对自动化的要求也不断增加。在很多工艺过程中，人们需要平衡准确的称量，满足产品的质量需要,但是光靠人类自身，工作效率和成品的合格率大大降低,而成本却增高。因此,人们需要依靠自动配料称重的自动配料系统来大幅度提高工作效率,降低成本。尤其是冶金、煤矿、水泥、化工等行业,常需对输送中的流量进行调节、控制达到准确的配比。
自动配料系统可以按照设定配比和流量控制各输入物料的瞬时值，从而达到控制各种产品的质量和产量，是实现生产过程自动化和智能化、节能降耗的重要技术手段。自动配料系统在生产中不仅仅保证了产品的质量和产量，也大大降低了岗位工人的劳动强度,提高了工作效率.本课题设计开发的自动配料系统能有效解决动态计量衡器的控制精度问题，可代替企业中陈旧的配料工艺设备,很大程度降低劳动强度，提高生产效率和产品质量，带来可观的经济效益，推动国民经济的发展。
1.2 自动配料系统
1。2。1 电子皮带秤
电子皮带秤是指对放置在皮带上并随皮带连续通过的松散物料进行自动称量的衡器.电子皮带秤主要由称重部分、测速部分、计算部分、通讯部分构成。电子皮带秤的应用广泛，主要应用于工业生产，如食品加工、煤矿等场所.
电子皮带秤的准确度按国家标准GB/T7721-1995规定,分为0.25、0。5、1.0、2。0四个等级。其称量准确度受皮带输送机影响，而使用准确度取决于电子皮带秤的安装质量和维护水平。
电子皮带秤的称重桥架横梁中的称重传感器检测皮带上物料的重量信号,速度传感器检测皮带的运行信号,积算器将接收到的重量信号和速度信号，进行放大、滤波、A/D转换后进入CPU进行积分运算,然后将物料的瞬时流量和累计重量在面板上显示出来，积算器具有可选的联网、通讯、打印、DCS联机等功能。
1。2。2 可编程控制器(PLC）
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller， PLC),它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器,简称PC.但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC自1969年美国数据设备公司（DEC)研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大.
PLC由中央处理单元(CPU)、存储器、输入输出模块、电源、构成.PLC采用扫描方式作为它的工作原理。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段,完成此三个阶段称作一个扫描周期.在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行这三个阶段。PLC的扫描周期包括自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间之和.
PLC具有以下特点:
a) 功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。
b) 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言,而无需计算机知识，因此系统开发周期短,现场调试容易.
c) 安装简单，容易维修。
d) 抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型.
e) 环境要求低.
f) 易学易用.
经过一系列发展应用，PLC现已成为工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、以易与计算机接口、能对模拟量进行控制，具备高速计数与位控等性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电—接触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用.PLC应用深度和广度已经成为一个国家工业先进的重要标志之一。
1。2.3 变频器
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源的频率和幅值来控制交流电动机的电力传动元件，曾被称为VVVF.
自20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM-VVVF）调速研究引起了人们的高度重视.20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题引起人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期，美、日、德、英等发达国家开发的U/f控制变频器投入市场并得到广泛使用。
U/f控制变频器的控制方式较为简单，主要是根据电动机的电压与频率比进行调速,机械硬度特性也比较好，能够满足平滑调速的一般要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，造成输出最大转矩减小.另外，其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又提出矢量控制思想。
矢量变换控制方法通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而控制异步电动机的转矩.矢量控制方法的提出具有划时代的意义，它使得异步电动机的机械特性和他励直流电动机的机械特性完全一样。目前矢量控制方法已被广泛地应用在西门子、ABB、复式电动机和三菱等国际化大公司的变频器上.
变频器具有节能效果显著、维护简单、启停特性好、调速性能好等特点.
1。3 本课题主要研究内容
本课题主要是以工业配料系统为控制对象，采用PLC与变频技术相结合,设计一套基于PLC的自动配料系统，并引用计算机对配料系统进行远程监控和管理。
PLC控制自动配料系统主要由变频器、可编程控制器、称重传感器和皮带驱动电机一起组成一个完整的闭环调节系统。本设计中有3台电子皮带秤,3台皮带驱动电机，采用实时流量累计方法,即皮带电机运料时,称重传感器将重量信号传给PLC并转换为流量信号，PLC根据给定流量与检测值之间的偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节电机转速，实现恒流量给料，各辅料同时计量，并按配方工艺添加。自动配料系统由1＃主料电机开始按顺序起动.
根据以上控制要求，进行总体控制方案设计,硬件设备选型、PLC及模拟量输入输出模块选型，I/O端子分配，绘制系统主电路图、PLC接线图,设计梯形图控制程序。
第二章 自动配料系统理论分析及方案确定
2。1 自动配料系统理论分析
2。1。1 电子皮带秤称重原理
（1）电子皮带秤的结构原理
如下图所示，皮带秤分为3个区域，自左至右分别是落料区、称重区和出料区,物料在皮带上运行至称重区时，对皮带秤称重托辊产生向下的作用力，通过称体，将作用力作用至称重传感器上,如图2.1所示，传感器内部弹性体上的电阻应变计电阻发生变化，通过测量电路将这一电阻变化转变为电压信号（mV)经变送器放大后送入A/D转换模块输入PLC，再由PLC的D/A转换模块输出控制变频器。
图2。1 电子皮带秤结构图
（2)称重传感器工作原理
称重传感器实现了对物料的快速、准确的称量，是影响电子称测量精度的关键部件,目前除特殊用途外，90％以上采用电阻应变式称重传感器。
四片电阻应变片分别粘在传感器梁的上下平面,即连成惠思登电桥，如下图所示。图中为电桥测量电阻应变片;为初始不平衡补偿电阻；为零点温度补偿电阻；为输出灵敏度温度补偿电阻.
图2.2 称重传感器原理图
当被测物的重量通过传感器直接作用在粘有电阻应变片的弹性梁时，使其弯曲变形，梁相对变形大小正比于外加载荷.同时，粘贴在梁上、下平面上的电阻应变片同步产生电阻应变，且与梁变形（或梁应力）成正比。粘贴在梁平面的、电阻应变片阻值增加，、电阻应变片阻值减小,故电桥失去平衡,对角端有不平衡电压输出，其不平衡电压正比于被测物重量.
称重传感器根据所受力的大小输出一个电压信号，输出的电压信号与所受力的大小之间是一种线性关系,如图2。3所示。特性曲线横坐标表示称重传感器所受的力，纵坐标表示称重传感器输出的电压。
图2。3 称重传感器受力与输出电压关系图
2.1.2 流量控制原理
(1）流量的基本知识
所谓流量，就是一定时间内皮带上走过的物料量。用式子表示为，式中,T为某一段时间，W为T时间内物料走过的重量，F为T时间内物料的实际流量.
如果每次采样都由脉冲来决定，即每来一个脉冲进行一次流量采样，则在计算机内设置一个计数器，在每次采样的同时也能从计数器上得到两次采样之间（每两个脉冲之间)，亦即△Ｌ这段距离用了多长时间，瞬时值就可由这些已知量求出。
知道了瞬时流量,并且读取了流量设定值,但是流量值和速度控制是两个不同概念。在实际控制中采用工业控制中应用最为广泛的PID算法，即比例、微分、积分法.在过程控制中，按偏差的比例、积分、微分进行控制，简称为PID控制。
(2）PID调节原理
流量就是一定时间内皮带上走过的物料量。电子皮带秤称量的是瞬时流量，上位机给出的是设定流量，二者在实时计量中有所偏差。在流量实际控制中采用工业控制中应用最为广泛的PID调节,根据流量偏差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制,控制量输入和输出（误差）之间的关系在时域中可用公式表示如下:
公式中表示误差、控制器输入，是控制器的输出，为比例系数,为积分时间常数，为微分时间常数.图2.4为系统流量PID闭环调节结构图。在生产过程进行自动调节时，以主料成分的流量计量为依据,根据生产工艺要求通过上位机设定出总流量及主、辅料配比参数，按配方比例掺杂其余辅料。流量计量控制是计量偏差与变频调速的结合,具有结构简单、稳定性好、工作可靠和调整方便等优点。
图2。4 流量PID调节原理图
2.2 自动配料系统控制方案的确定
2。2。1自动配料系统控制方案的确定
自动配料系统主要由称重传感器、变频器、皮带驱动电机及低压电器组成。系统的主要任务是比较设定值与实际流量的的偏差经PID调节改变输出信号以控制变频器对皮带驱动电动机的速度调节,从而实现恒流量控制,同时各辅料根据配比按配方工艺要求添加，且各辅料同时混合计量。
根据系统的设计任务要求，选择变频器+PLC+触摸屏+称重传感器的控制方案对进行自动配料系统设计。这种控制方式具有以下优点：
① 控制方式灵活方便
② 具有良好的通信接口,可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；
③ 由于PLC产品的系列化和模块化，用户可以灵活组成各种规模和要求的不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O端子的外部接线,当控制要求发生改变时,可以方便地通过计算机来改变存储器中的控制程序,方便现场调试；
④ 由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高
2。2。2自动配料系统的组成及控制原理
基于PLC控制的自动配料系统主要由可编程控制器（PLC）、变频器、称重传感器、皮带驱动电动机组成，该系统的控制流程图如下图所示。
从图中可看出，系统可分为执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
（1）执行机构：皮带驱动电动机。皮带驱动电机驱动电子皮带秤运行,由变频器控制根据设定流量与实时流量偏差进行变频调速,改变电机转速，从而实现恒流量控制。
（2）信号检测机构:在系统控制中，需要检测的信号包括重量信号、料位信号和报警信号。重量信号反映的是电子皮带秤上的流量值，是自动配料系统的主要反馈信号。重量信号是模拟信号,需进行A/D转换；料位信号反映物料是否充足，此信号来自料斗中的料位传感器；报警信号反映系统是否正常运行、电机是否过载、变频器是由有异常，该信号为开关量信号;
(3）控制机构：此系统中，控制机构为可编程控制器(PLC)、变频器。PLC是整个控制系统的核心。它直接对系统中料位、重量、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频器和接触器对执行机构进行控制;变频器是对皮带驱动电动机进行转速控制的单元，根据PLC的控制信号来改变电机的运行频率，完成对电机的转速控制。
图2。5 自动配料系统工艺流程图
自动配料系统控制流程如下：
（1）系统通电，设置配比，按下启动按钮SB1，检查料斗有无物料，若有物料，皮带驱动电机起动,配料生产线启动；若无物料，则向料斗送料，送料电机起动，送至料位满，送料电机停止,皮带驱动电机起动，配料生产线起动。
图2。6 系统配料控制原理图
（2）如上图所示,当物料量大于设定值时,称重传感器反馈的重量信号增大，偏差减小，PLC的输出信号减小，变频器的输出频率减小,皮带驱动电机的转速减小，使流量稳定在设定值。
(3)当物料量小于设定值时,称重传感器反馈的重量信号减小,偏差增大,PLC的输出信号增大，变频器的输出频率增大，皮带驱动电机的转速增大，使流量稳定在设定值。
第三章 自动配料系统的硬件设计
3。1 系统主要配置的选型
自动配料系统主要包括皮带驱动电动机、可编程控制器（PLC)、模拟量输入输出模块、称重传感器及变频器。下面对这些设备进行选型。
3.1。1皮带驱动电动机的选型
在满足生产机械对拖动系统静态和动态特性要求的前提下，电动机种类选择要力求结构简单、运行可行、维护方便、价格低廉.考虑到电机的工作环境，可能会出现较多灰尘、水汽、铁屑等,因此选择封闭式的三相异步电动机,即Y系列电动机.Y系列电机具有效率高、能耗少、噪声低、振动小、重量轻、体积小、性能优良、运行可靠、维护方便等优点.
根据本设计要求，1#皮带驱动电动机的额定功率为2。2kW,额定电压为380V，额定电流为5A，2＃、3#皮带驱动电机的额定功率为0。4kW，额定电压为380V，额定电流为1。05A,转速为1420r/min，调速范围为120~1200r/min.选用Y系列电机。1＃皮带驱动电机选用Y100L1—4型，2#、3#皮带驱动电机选用Y80M1—4型。
3.1.2 PLC及其扩展模块的选型
（1）PLC选型
PLC选型的主要依据所设计系统的工艺流程的特点和应用要求.同时综合考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。因此选用日本三菱公司FX2N系列PLC.
FX2N系列是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器.其用户存储器容量可扩展到16 K步,I/O点最大可扩展到256点,它有27条基本指令，其基本指令的执行速度超过了很多大型PLC.它有多种特殊功能模块,如模拟量输入/输出模块、脉冲输出模块、位置控制模块等。它还有多种RS—232C/RS—422/RS-485串行通信模块或功能扩展板，使用特殊功能模块和功能扩展板，可实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。
根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的留量，因此选用FX2N—32MR—UA1/UL。PLC端子图如下图所示：
图3.1 PLC端子图
（2）PLC扩展模块选型
本系统中称重传感器输入的压力信号是模拟量,变频器要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字量.因此PLC需要扩展一个模拟量输入模块将模拟量转换成数字量.转换成数字量后，需要一个模拟量输出模块将经过PID调节的数字输出量转换为标准量程的直流电压或直流电流去控制变频器。
由于选用了三菱公司FX2N系列的PLC,模拟量输入输出模块同样考虑选用三菱公司FX系列产品。FX系列有多种模拟量输入输出模块。根据系统模拟量信号输入数量,选择有4个12位模拟量输入通道的FX2N-4AD模拟量输入模块，其配线图如下图所示。
图3。2 FX2N-4AD配线图
相应的,选择有相同模拟量输出通道的FX2N—4DA模拟量输出模块，将经PID调节后的数字量转换成模拟量控制输出变频器，其配线图如下图所示。
图3.3 FX2N-4DA配线图
3。1。3 变频器的选型
变频器通过频率的改变实现对皮带驱动电机转速的调节，从而改变瞬时流量。变频器的选择必须根据皮带驱动电机的功率和电流进行选择,要实现监控,所以变频器还应具备通讯功能.
根据控制功能，通用变频器分为3种类型：普通功能型U/f控制变频器，具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器和矢量控制高性能型变频器.变频器类型的选择主要根据负载的要求来进行。传送带属于恒转矩类负载，既可采用普通功能型变频器，采用加大电动机和变频器容量的方法,以提高低速转矩来实现恒转矩调速;也可采用具有转矩控制功能的高功能型变频器实现恒转矩负载调速.对于要求精度高、响应快的生产机械采用矢量控制高性能通用变频器是很好的选择。
由于本系统采用一对一的形式，即一台变频器拖动一台电动机，因此变频器参数应满足以下关系式：
按连续恒负载运转时所需的变频器容量（KVA)的计算式计算
（3。1）
（3。2）
（3.3）
式中—电动机的额定功率;
-电动机的效率(一般取0。85）;
-电动机的功率因数（一般取0.75)；
-电动机的额定电压（V）;
—电动机额定电流（A）；
-电流系数，PWM方式时一般取1～1。05；
—变频器的额定容量(KVA)；
—变频器的额定电流（A）
选择变频器容量时，应同时满足三个算式。
三菱公司提供了FR—E540系列变频器与该公司的标准点击相匹配时的技术参数，按照这些技术参数及上式计算得到的变频器容量，可选出1＃主料称变频器型号为FR—E540-2。2K-CH，2＃、3＃辅料称变频器型号为FR—E540—0。4K—CH.
下图所示为变频器接线原理图：
图3。4 变频器接线原理图
3。1.4称重传感器的选型
称重传感器被喻为电子衡器的心脏，它的性能在很大程度上决定了电子衡器的准确度和稳定性。
对传感器等级的选择必须满足传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入灵敏度值,且要满足整台电子称准确度的要求.同时在选择传感器的型号时，还要考虑传感器的适用范围。由于FX2N—4AD模拟量输入模块的输入信号为标准电压、电流信号，因此在选择传感器时应选择内置变送器的称重传感，或另选变送器。
在第二章中，已介绍称重传感器的称重原理,考虑选用CX系列传感器。其中CXH—128型悬臂梁式传感器适用于电子皮带秤系统.由于CHX-128型传感器仅仅是从输出端获得一个与外力成正比的电压信号,并不是标准电压信号，需要给传感器配备一个变送器，通过其将力学量转换成标准电压、电流信号，直接与PLC的模拟量输入模块通信。
北京福特鑫公司生产的CXH-128型悬臂梁式传感器如下图所示，在出厂前已将传感器与变送器相连，传感器输送的是标准电压、电流信号.
图3.5 称重传感器内部接线图
综合以上因素,本设计选用北京福特鑫公司生产的CXH-128型悬臂梁式传感器.下图为福特鑫公司生产的CXH—128型传感器的技术指标。
图3.6 CXH—128型传感器技术指标
3。1。5 其他设备选型
（1)送料电动机选型
根据系统要求，送料电机选择小型交流电动机即可。因此考虑选用L—100—50—S型，额定功率100w，额定转速1450r/min，额定电压220/380V
（2）热继电器选型
热继电器电流应大于或等于电动机的额定电流：,为电动机额定电流.对于电动机回路，热继电器的整定电流应等于电动机的额定电流。
因此1＃皮带驱动电机热继电器选择JR20—16 2S，2＃、3＃皮带驱动电机热继电器选择JR20—10 7R，送料电机热继电器选择JR20—10 4R。
(3）断路器选型
断路器为系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机启动电流的1.7倍整定。自动配料系统有2.2kw皮带驱动电动机一台，0。4kw皮带驱动电动机两台，送料电动机为以下，启动电流较小，因此可根据2。2kw电动机选择断路器QF脱扣电流：
由于断路器的脱扣电流应大于计算值,因此选用C45AD型断路器,其脱扣电流为10A。
(4）按钮选型
按钮分启动、停止、紧急停止按钮,启动、停止按钮可以加以颜色区分,因此,选择启动按钮型号为XB2—EA135；停止按钮为XB2—EA142。紧急停止按钮选择施耐德生产的XB2—BS542。
（5)电磁阀选型
选择电磁阀时，要确定这个阀时控制什么的，根据机械结构所需要的力，再选择需要多少功率的电磁阀。
根据本系统要求，选择亚德客生产的4V210—08A型电磁阀。
（6)交流接触器选型
接触器主触点额定电流: 或
K为经验系数，取1～1.4。
因此，交流接触器选择：AC 220V DJX2—0910型.
（7）信号灯选型
信号灯选型可根据所指示信号表达的系统工作情况选定。因此，电源指示灯、送料电动机运行指示灯、皮带电动机运行指示灯可选用施耐德生产的AC220V绿色，型号为XB2BVM3LC的塑料指示灯；变频器故障指示灯、低料位指示灯可选用施耐德生产的AC220V红色，型号为XB2BVM4LC.
(8）报警电铃选型
根据系统要求，选择AC220V，型号为AD16-22M/k23蜂鸣器.
(9）料位传感器选型
本系统中,需对料位高低进行检测，考虑选用料位开关，料位开关即对容器中液体的高度是否达到某一特定位置进行检测的传感器。根据系统要求即应用范围，选用BS—CFY射频导纳电容式物位开关。
3。2 系统主电路分析及设计
基于PLC的自动配料系统一共有六台电机：三台主、辅料送料电机，三台皮带驱动电机。
(1）其中三台主、辅料电机在系统检测到料位低的信号时启动,向料斗送料，送至系统检测到料位高的信号时停止。三台皮带驱动电机按照主料、辅料的顺序启动。以1＃送料电机与皮带驱动电机为例，接线如下图所示.
图3。6 送料电机与皮带驱动电机连接图
（2)热继电器FR1~FR6对M1～M6进行过载保护.
(3)QF1为电源总开关，对主电路起短路保护作用，也起分断三相交流电源的作用,便于设备的维护与检修。QF2~QF4分别实现各负载回路的短路保护。
（4）DC24V为PLC的扩展模块FX2N—4AD与FX2N-4DA提供直流电源，如下图所示.
图3.7 直流24V电源
（5）AC 220V为PLC提供电源，如下图所示。
图3。8 交流220V电源
3。3 系统控制电路分析及设计
系统实现恒流量自动配料的主体控制设备是PLC。控制电路的合理性、程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用三菱公司FX2N系列PLC，它体积小、执行速度快、抗干扰能力强、性能优越.
3.3.1 可编程控制器（PLC）的I/O端子分配
基于PLC的自动配料系统设计的基本要求如下：
本自动配料系统由3台电子皮带秤配料线组成，编号分别为1＃、2＃、3＃,其中1#为主料称，2#、3#为辅料称，当不需要添加辅料时，1＃电子称单独工作。系统具有恒流量和配比控制功能。对于恒流量控制时,电子皮带秤根据皮带上物料的多少自动调节皮带速度,以达到所设定流量的要求。
每台电子皮带秤有一台皮带驱动电动机，两个料位传感器,一个速度传感器,一个称重传感器，一台变频器。变频器由PLC控制,输出驱动皮带电动机.料位传感器检测料斗有无物料，速度传感器测量电动机的转速。
①配料生产线工作时,首先设置配料的配比，检查料斗有无物料，若无物料则向料斗送料，才能启动配料生产线。
②生产过程中，电子皮带秤进行称重并实时计量，PLC计算出实时流量及累计流量，若设定流量与实际流量有偏差，调节器根据系统控制要求，比较设定值与实际流量的偏差经PID调节改变输出信号以控制变频器对输送电动机的速度调节，从而实现恒流量控制。
③根据配比各辅料按配方工艺要求添加,各辅料同时混合计量.
④系统有电源指示、工作方式指示、电动机运行指示。
根据以上控制要求，列出I/O分配表:
表3.1 基于PLC的自动配料系统I/O分配表
输入
输出
停止按钮SB2
X0
1＃送料电机M1
Y0
启动按钮SB1
X1
2#送料电机M3
Y1
急停按钮SB3
X2
3＃送料电机M5
Y2
1＃料位传感器（高）
X3
1#电磁阀YV1
Y3
1＃料位传感器(低）
X4
2＃电磁阀YV2
Y4
2#料位传感器(高)
X5
3＃电磁阀YV3
Y5
2＃料位传感器（低）
X6
1#皮带驱动电机M2
Y6
3＃料位传感器（高）
X7
2#皮带驱动电机M4
Y7
3＃料位传感器（低)
X10
3＃皮带驱动电机M6
Y10
1＃主料加一按钮SB4
X11
电源指示灯HL1
Y11
2＃辅料加一按钮SB5
X12
低料位信号灯HL2
Y12
3＃辅料加一按钮SB6
X13
送料电机运行信号灯HL3
Y13
配比确定按钮SB7
X14
皮带电机运行信号灯HL4
Y14
1＃变频器故障信号
X15
变频器故障信号灯HL5
Y15
2#变频器故障信号
X16
蜂鸣器HA
Y16
3＃变频器故障信号
X17

1＃称重传感器
FX2N—4AD
模拟量输入模块

2#称重传感器

3＃称重传感器

编程时，需要使用一些辅助继电器、定时器、数据寄存器，如下表所示。
表3.2 资源分配表
M200
辅助启动继电器
M0～M2
配比
M3~M5
检测料位信号高低,判断是否启动皮带驱动电机电机
M6～M8
检测料位信号高低，判断是否启动送料电机
M9
确定配比
M10~M45
A/D，D/A模块使用
M26~M28
1#~3＃PID运算
D0
存储每份重量
D1～D3
1＃～3＃配比设定
D4
A/D模块标识
D5～D7
反馈值（称重传感器测量值）
D8
D/A模块标识
D10～D12
给定值
D20~D22
输出值
D23～D25
模拟量输出存放
3。3.2 系统控制电路设计
如图3。9所示，为PLC输入信号的接入。
图3。9 PLC输入信号接线图
PLC主要用于实现自动配料系统的自动控制,完成以下功能：
(1）自动检测料位信号，低料位时自动控制三台送料电机投入运行；
（2）物料充足时,启动配料生产线,自动控制皮带驱动电机运行；
(3)根据称重传感器输入的重量信号计算出实时流量及累计流量,并与设定流量比较,有偏差进行PID调节.重量信号为模拟信号，需要通过A/D模拟量输入模块才能输入PLC，如下图所示。
图3.10 重量信号接入PLC
(4)PID调节后的量为数字输出量，需要通过D/A模拟量输出模块输出标准电压、电流信号控制变频器，从而调节皮带驱动电机的转速；
图3.11 模拟信号输出PLC
（5)根据配比各辅料按配方工艺要求添加，各辅料同时混合计量;
（6）系统有电源指示、工作方式指示、电动机运行指示、报警指示。如下图所示为输出信号与PLC的接线图.
图3。12 PLC输出信号接线图
第四章 自动配料系统的软件设计
4。1 控制系统主程序设计
PLC主程序主要由系统初始化程序、送料检测程序、皮带驱动电机启动程序、模拟量PID调节程序和报警程序等构成。
如图4.1所示，为系统主程序流程图。系统主程序主要包括以下内容：
(1）调用初始化子程序，设定各初始值
（2）根据料位检测信号确定是否需要启动送料电机送料
(3)根据流量偏差进行PID调节控制功能
(4)进行自动故障检测报警和故障处理功能
图4。1 系统控制流程图
通过对控制流程图的反复研究，结合自身情况，将程序分为个部分，梯形图的总体结构如下图所示。
图4。2 梯形图总体结构图
本系统中，公用程序即主程序主要包括初始化、调用子程序、判断是否启动送料电机、工作方式指示与报警等作用.
（1)系统初始化
当按下起动按钮SB2，辅助继电器M200得电自锁,并执行初始化过程,清空数据寄存器内的数据，复位辅助继电器。
图4。3 程序初始化
（2）调用子程序
图4.4 子程序调用
（2）预置配比
系统工作前,需对主、辅料预置配比。
图4。5 预置配比
（3)检查料斗是否有料
预置配比后，需检查料斗是否有料。若无料，需先向料斗送料,再启动生产线。
图4。6 料斗是否有料
图4.7 送料电机启动
（4）生产线启动
料斗物料充足，皮带驱动电机启动，启动生产线.
图4.8 生产线启动
（6)工作方式指示及报警指示
对系统进行工作方式指示，系统出现故障时报警。
图4.9 系统指示
4。2 控制系统子程序设计
本系统中，要求自动配料系统恒流量控制，也就是要对重量信号进行模拟量闭环控制,其中最重要的一步便是对偏差量进行PID调节控制，模拟量PID控制系统如下图所示.
图4。10 PID控制图
本系统中,最大配比数为9，即主、辅料至多每种9份。数据寄存器D0中存放的数据为一定值不能更改。D0内的数据表示每份重量信号A/D转换后的数字量。根据所选称重传感器的指标，称重传感器把0～50kg的重量转换成0~5V的电压信号，而A/D模块将0~5V的电压信号转换成0～2047的数字量，设每份重量为2kg,D0中存放的数据即为以2kg所对应的数字量.其公式如下：
（4。1)
（4。2)
其中,M为以g为单位的质量，S为重量M对应的数字量,n为份数。每份重量所对应的数字量.例如,预置配比为3：2：1，则PID指令中的给定值分别为3＊，2*，1＊。
本系统中PID控制子成程序主要包括以下3个内容：
（1)A/D模拟量输入模块
数据进行PID调节前,需要将模拟量转换为数字量，并在FX2N—4AD模拟量输入模块中设置参数，存入数据寄存器，如下图所示。
图4。11 模拟量输入
（2）PID指令
在执行PID指令之前，应先对PID指令中的参数赋值并存放于数据寄存器D100~D106,而后进行PID运算输出，具体方法如下图所示.
图4.12 PID指令
（3)D/A模拟量输出模块
经过PID运算后的数字量，需通过D/A转换为模拟量输出控制变频器.
图4。13 模拟量输出
第五章 组态软件监控
5。1 组态软件简介
组态软件，又称组态监控软件系统软件。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
5。1。1组态软件的功能
组态软件通常有以下几方面的功能：
①强大的界面显示组态功能。目前，工控组态软件大都运行于windows环境下,充分利用windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进入开发状态,节省时间。丰富的图形空间和工况图库,既提供所需的组件，又是界面制作向导。提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等,使界面生动、直观.
②良好的开放性.社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬件不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性是指组态软件能与多种通信协议互联,支持多种硬件设备.开放型是衡量一个组态软件好坏的重要指标。组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。
③丰富的功能模块。提供丰富的控制功能库，满足用户的测控要求和现场需求。利用各种功能模块，完成实时监控,产生功能报表、实时曲线、报警等功能，是系统具有良好的人机界面，易于操作，系统既能适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可是戴远程通信能力的远程测控系统。
④强大的数据库。配有实时数据库，可存储各种数据,如模拟量、离散量、字符型等,实现与外部设备的数据交换。
⑤可编程的命令语言.有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编写程序，增强图形界面。
⑥周密的系统安全防范，对不同的操作者，赋予不同的操作权限,保证整个系统的安全可靠运行。
⑦防震功能.提供强大的防真功能使系统丙型设计，从而缩短开发周期。
5.1。2组态软件的特点
随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用,人民对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时,当工业被控对象一旦有变动,就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时,则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件