定量給料機控制系統(tǒng)設計

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存檔編碼：無無錫錫太太湖湖學學院院 2013 屆屆畢畢業(yè)業(yè)作作業(yè)業(yè)周周次次進進度度計計劃劃、檢檢查查落落實實表表 系別：信機系 班級：機械93 學生姓名：盛陽陽 課題（設計）名稱：定量給料機控制系統(tǒng)設計 開始日期：2012年11月12日周次起止日期工作計劃、進度每周主要完成內容存在問題、改進方法指導教師意見并簽字備 注1-32012年11月12日-2012年12月2日查閱相關資料，完成開題報告按照任務書要求查閱論文相關參考資料，填寫畢業(yè)設計開題報告書參考資料不太詳細，論文中相關的設計結構比較分散，要將各論文中設計的部件整合起來一起研究分析4-102012年12月3日-2013年1月20日指導專業(yè)實訓，要求了解企業(yè)結構進入工廠實習，了解企業(yè)生產流程初次進入工廠實習，對生產狀況不太熟悉，需要多動手，加強熟悉工作流程112013年2月11日-2月16日查找一篇與論文相關的學術性英文資料，要求是期刊論文查找一篇關于定量給料機的學術性英文資料如何查找英文資料還不太清楚，要多加學習122013年2月18日-2月23日嚴格按照要求翻譯英文資料，其中公式必須用公式編輯器輸入翻譯英文資料翻譯中遇到很多專業(yè)術語，翻譯語句不通順，要加強自我學習132013年3月4日-3月8日指導完成總的結構方案設計確定定量給料機控制系統(tǒng)的設計方案，整理設計思路設計思路不夠明確，對于所要完成的任務還不是十分清楚，要明確目標，設定計劃142013年3月4日-3月9日指導繪制主電路圖確定主電路圖，并且畫出主電路圖無152013年3月11號-3月16日完成PLC的選擇完成對PLC的選型對于PLC的型號不太清楚，多查看PLC的書本162013年3月18日-3月23日指導完成部件圖的繪制完成I/O分配表，設計控制電路對I/O分配表及控制電路生疏，需要查閱資料，多多學習172013年3月25日-3月30日指導完成接線圖的繪制完成接線圖的設計，并且繪制接線圖電氣元件、制圖軟件不熟悉需要多學習、多練習182013年4月1日-4月6日完成控制系統(tǒng)元件選擇完成對控制系統(tǒng)元件的選擇，流量計的連接不清楚如何選擇電機，流量計如何與PLC連接192013年4月8日-4月13日完成梯形圖的繪制完成定量給料控制系統(tǒng)的設計，畫出梯形圖對PLC程序的設計比較生疏，需要借閱資料多學習202013年4月15日-4月20日完成梯形圖的繪制使用STEP7對已經設計好的程序進行編寫對STEP7軟件比較陌生，需要重新學習如何使用STEP7軟件212013年4月22日-4月27日指導說明書初稿寫作根據(jù)所下載的資料，構思并開始寫說明書對各章應寫哪些內容比較模糊，可根據(jù)設計的圖紙，著重介紹個部件222013年4月29日-5月3日指導說明書二稿寫作、修改將整篇文章的脈絡、細節(jié)加以完善，用詞準確，不出現(xiàn)病句等。有很多細節(jié)錯誤，將文章再復查一邊，避免出現(xiàn)語句上的和細節(jié)方面的錯誤232013年5月6日-5月10指導修改說明書并定稿說明書按照模板進行修改格式經常出錯，耐心修改，要熟練使用word各項功能242013年5月13日-5月18日說明書及相關資料、圖紙打印裝訂打印說明書和圖紙及相關資料論文格式嚴格按照學校的規(guī)范進行修改,完善252013年5月20日-5月25日指導學生整理資料，準備答辯整理資料，并熟讀資料，做好充分準備在細節(jié)方面存在很大的問題，應認真檢查并及時修改周次起止日期工作計劃、進度每周主要完成內容存在問題、改進方法指導教師意見并簽字備 注無錫太湖學院 　信 機　系 　機械工程及自動化 　專業(yè) 畢 業(yè) 設 計論 文 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目　　 定量給料機控制系統(tǒng)設計 　　 2、專題　 　 二、課題來源及選題依據(jù) 隨著工業(yè)生產的迅速發(fā)展，導致了定量給料機的需求量日益增大。定量給料設備已廣泛應用于冶金、建材、電力、化工、食品等各種行業(yè)中。比如藥物的生產，機械澆鑄生產。定量給料機是對散狀物料進行連續(xù)稱量給料的理想設備，是集輸送、稱重計量和定量控制為一體的高科技產品，是根據(jù)我國現(xiàn)有工藝工況改進后的新一代產品，它以技術先進、穩(wěn)定可靠、性價比高、經久耐用而著稱。能適應各種生產環(huán)境，對各種塊、粒狀物料（如石灰石、鐵粉、粘土）和粉狀物料（如粉煤灰、水泥）等進行連續(xù)給料、計量，為各種工業(yè)現(xiàn)場的生產控制、管理提供準確的計量數(shù)據(jù)。配有RS485上位機通訊接口，可與中央控制機組成DCS系統(tǒng)。定量給料機的出現(xiàn)解放了人工勞動力，使給料更加智能化，更加精確。促進了工業(yè)的發(fā)展。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： I ① 了解定量給料機的的工作原理，了解控制系統(tǒng)的國內外的研究發(fā)展現(xiàn)狀； ② 完成定量給料機的總體方案設計； ③ 完成系統(tǒng)的硬件選型、接口線路設計； ④ 完成控制軟件設計； ⑤ 完成設計說明書的撰寫，并翻譯外文資料1篇。 四、接受任務學生： 班 　　姓名 五、開始及完成日期： 自2012年11月12日 至2013年5月25日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師　　　　　　　簽名 簽名 　　　　　　　簽名 教研室主任 　　　　　　〔學科組組長研究所所長〕　　　　　　　簽名 　　 　　系主任 　　　　　　簽名 2012年11月12日 4 編 號 無錫太湖學院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 題目： 定量給料機控制系統(tǒng)設計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學 號： 學生姓名： 指導教師： （職稱：副教授 ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 定量給料機控制系統(tǒng) 設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除 了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢 業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 93 學 號： 0923153 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設 計 論 文 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目 定量給料機控制系統(tǒng)設計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 隨著工業(yè)生產的迅速發(fā)展，導致了定量給料機的需求量日益增大。定量 給料設備已廣泛應用于冶金、建材、電力、化工、食品等各種行業(yè)中。比如 藥物的生產，機械澆鑄生產。定量給料機是對散狀物料進行連續(xù)稱量給料的 理想設備，是集輸送、稱重計量和定量控制為一體的高科技產品，是根據(jù)我 國現(xiàn)有工藝工況改進后的新一代產品，它以技術先進、穩(wěn)定可靠、性價比高、 經久耐用而著稱。能適應各種生產環(huán)境，對各種塊、粒狀物料（如石灰石、 鐵粉、粘土）和粉狀物料（如粉煤灰、水泥）等進行連續(xù)給料、計量，為各 種工業(yè)現(xiàn)場的生產控制、管理提供準確的計量數(shù)據(jù)。配有 RS485 上位機通訊 接口，可與中央控制機組成 DCS 系統(tǒng)。定量給料機的出現(xiàn)解放了人工勞動 力，使給料更加智能化，更加精確。促進了工業(yè)的發(fā)展。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： II ① 了解定量給料機的的工作原理，了解控制系統(tǒng)的國內外的研究發(fā)展現(xiàn)狀； ② 完成定量給料機的總體方案設計； ③ 完成系統(tǒng)的硬件選型、接口線路設計； ④ 完成控制軟件設計； ⑤ 完成設計說明書的撰寫，并翻譯外文資料 1 篇。 四、接受任務學生： 班 姓名 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學科組組長研究所所長〕 簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 隨著工業(yè)生產的迅速發(fā)展，固體定量給料系統(tǒng)作為一項實用型的技術被廣泛應用于 冶金、化工、水泥、建材和食品等工業(yè)領域。在這樣的環(huán)境下定量給料機的需求量日益 增大。本系統(tǒng)采用電磁閥和流量計給料機作為定量給料設備，給料機采用控制流量來達 到定量給料的目的。定量給料系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)是機電一體化發(fā)展的必然結果。 本論文針對定量給料機的特點，并 PLC 控制技術，對定量給料系統(tǒng)進行的研究，其 主要內容如下： 1、了解定量給料機控制系統(tǒng)的工作原理； 2、掌握 PLC 的硬件構成，工作原理，完成對 PLC 的選型； 3、設計定量給料機的控制系統(tǒng)； 4、用 STEP7 完成對控制系統(tǒng)的編程。 關鍵詞：給料；定量；PLC；控制系統(tǒng)。 IV Abstract With the rapid development of industrial production，the solid constant feeding system which is a practical technology has been widely used in metallurgy, chemicals, cement, building materials, food and as well as other industry circles. So, in this situation, the demand of constant feeder is increasingly augmented. This system adopts the electromagnetic valve and flowmeter feeder as the constant feeding device, the feeder achieves the goal of constant feeding by controlling the flow. The PLC control system of constant feeding system is the inevitable outcome of the development of mechatronics. This article focuses on the characteristics of constant feeder, and PLC control technology, studies the constant feeding system. The main contents are as follows: 1、Understand the operating principle of the constant feeder control system ; 2、Master the PLC hardware structure, working principle, finish the selection of PLC type ; 3、Design the control system of constant feeder ; 4、Finish the programming of the control system with STEP7. Key words: Feeding;Dosing ;Programmable Logic Controller;The control system. V 目 錄 摘 要 ...........................................................................................................................................III ABSTRACT ..................................................................................................................................IV 目 錄 .............................................................................................................................................V 1 緒 論 .........................................................................................................................................1 1.1 課題背景 ...............................................................................................................................1 1.2 定量給料機國內外發(fā)展情況 ...............................................................................................1 1.2.1 給料系統(tǒng)的分類 ............................................................................................................1 1.2.2 計算機控制系統(tǒng) ............................................................................................................2 1.2.3 自動給料系統(tǒng)特點 ........................................................................................................3 1.3 課題意義 ...............................................................................................................................3 1.4 課題主要內容 .......................................................................................................................3 2 定量給料機的總體方案 .............................................................................................................5 2.1 給料部分總體方案、基本原理 ...........................................................................................5 2.2 完成給料的運動分析 ...........................................................................................................7 2.3 定量給料機的總體設計 .......................................................................................................7 2.4 本章小結 ...............................................................................................................................8 3 PLC 控制系統(tǒng)的介紹和選擇 ......................................................................................................9 3.1 PLC 的概述 ............................................................................................................................9 3.2 西門子 PLC 簡介 ................................................................................................................10 3.2.1 西門子 PLC 簡單介紹 .................................................................................................10 3.2.2 西門子 PLC 的組成 .....................................................................................................10 3.3 PLC 的工作原理 ..................................................................................................................14 3.4 本章小結 .............................................................................................................................14 4 控制系統(tǒng)的設計 .......................................................................................................................15 4.1 控制系統(tǒng)元件的選擇 .........................................................................................................15 4.2 繪制電氣原理圖 .................................................................................................................19 4.3 控制程序的設計 .................................................................................................................20 4.3.1 I/O 分配表 .....................................................................................................................20 4.3.2 接線圖 ..........................................................................................................................21 4.4 本章小結 .............................................................................................................................22 5 控制系統(tǒng)的編寫 .......................................................................................................................23 5.1 STEP7 的介紹 ......................................................................................................................23 5.2 系統(tǒng)程序流程圖 .................................................................................................................23 5.3 梯形圖的繪制 .....................................................................................................................24 5.4 本章小結 .............................................................................................................................30 6 總結 ...........................................................................................................................................31 6.1 全文總結 .............................................................................................................................31 VI 6.2 需要提高、改善的方面 .....................................................................................................31 致 謝 .............................................................................................................................................32 參考文獻 .......................................................................................................................................33 定量給料機控制系統(tǒng)設計 1 1 緒 論 1.1 課題背景 隨著工業(yè)生產的迅速發(fā)展，導致了定量給料機的需求量日益增大。定量給料系統(tǒng)的 單片機控制系統(tǒng)是機電一體化發(fā)展的必然結果?，F(xiàn)今以應用工業(yè)計算機、PLC 的自動配 料技術已廣泛應用于耐火、玻璃、水泥、醫(yī)療、建材、飼料、煉鋼、筑路及包裝生產等 各種行業(yè)中。日用品中用的洗發(fā)液，洗衣粉/劑，滅蟲劑等等均為配方產品。 [1][2]以前在這 類控制中大多是以繼電器，接觸器等電器設備來完成每一步的順序控制，自動化程度低， 而且許多地方都需要人來手動完成，不僅工作效率低控制精度也難以提高。特別是隨著 現(xiàn)代化生產的不斷進步，更是對應用于過程生產中的各種自動化控制系統(tǒng)提出了更高的 要求。配料工序是企業(yè)生產工藝過程中的一道非常重要的工序，配料工序對整個生產過 程有非常大的影響，因此實現(xiàn)高精度自動配料對工業(yè)企業(yè)生產有極為重要的意義。另外 對于一些現(xiàn)有的中小企業(yè)，特別是一些中小型的冶金企業(yè)由于建設之初的自動化水平低 或者設備已經老化陳舊，造成對資源的浪費，環(huán)境的污染，同時也加大了工人的勞動強 度。因此對一些落后的中小企業(yè)的自動化改造也是急需解決的問題。 當現(xiàn)代社會工業(yè)控制現(xiàn)場比較有代表性的定量給料系統(tǒng)的生產廠家有德國布萊本達 公司和美國開創(chuàng)公司。這兩家公司在中國有著成功的案例，由于壟斷性和出于技術性的 保密，要購買他們的產品投入需要很高，且不方便后期的維護。此定量給料系統(tǒng)是以提 高系統(tǒng)的使用廣泛性、低維護成本、投入低、可操作性相對較強的這些原則來進行設計 和實現(xiàn)，到最后實現(xiàn)一個低成本，易于維護的定量給料系統(tǒng)。 1.2 定量給料機國內外發(fā)展情況 定量給料多種多樣。從供給物料的連續(xù)性上看，可以分為間歇式和連續(xù)式兩種給料 系統(tǒng)；從供給物料的方式上看有體積式給料系統(tǒng)和質量（重量）式給料系統(tǒng)；從給料器 的工作原理上分可以分為失重式給料和增重式給料；從供給物料的特性上看可以分為粉 料、粒料（固態(tài)） 、液體、混合體的給料 [3]。 以下的篇幅對幾種常用的給料系統(tǒng)做簡單的介紹。 1.2.1 給料系統(tǒng)的分類 1. 間歇式給料系統(tǒng) 間歇式給料系統(tǒng)是一種不連續(xù)的給料系統(tǒng)。 在正常的情況下，機械不能生產連續(xù)化的產品。比較適合小批量的產品，也適合在 小的場合使，比如說小型的企業(yè)、或者實驗室。這種系統(tǒng)自動化程度不高，對機械的要 求不高，操作比較復雜，必須有很大的工作量，要大量人力，由于這樣操作易于受人為 因素影響，所以不容易控制批次的質量，成品之間存在較大的差異性。這樣的系統(tǒng)比較 難以實現(xiàn)大批次的生產。生產初期投資較少，但是后續(xù)會出現(xiàn)很多問題。 2. 連續(xù)式給料系統(tǒng) 連續(xù)式給料系統(tǒng)運作方式是用連續(xù)式給料器給下面的機械設備供給物料的。它所必 需采用的設備是連續(xù)式給料器，如固態(tài)物料流量計，自動給料器等。這種給料機常見的 的工藝是使用幾臺連續(xù)式給料器，按照一定的已經設定好的量，讓各種物料下游設備。 無錫太湖學院學士學位 2 這種機械方面較復雜，有較高的自動化，精度比較高，操作比較方面，對人力的需 求量比較小，質量穩(wěn)定，適用于大批量生產和各方面的要求都較高的地方，大的規(guī)模生 產具有配方的食品，對精度要求比較高的實驗設備等。這樣的加料方法不太受人為影響， 生產出來的質量比較穩(wěn)定。 3. 體積式給料系統(tǒng) 體積式給料系統(tǒng)的運作原理是對下面的機械按照單位時間內的流量而給料的的系統(tǒng)。 料體在特定轉速/流速等下給料系統(tǒng)通過測試這些來計算出產量，然后算出體積式給 料器的給料量與轉速/流速的函數(shù)曲線。參照這條曲線函數(shù)，可以得出所需的給料量所對 應的給料器的轉速/流速等，讓料體定量給到下面的設備產品機械。 這樣的系統(tǒng)設備相對不復雜，有比較簡單的操作，需要較少的設備，投資量不大， 適合連續(xù)運行。但是此系統(tǒng)要求物料的堆積密度相對穩(wěn)定，對機器的調試很不方便，精 度比較低，約 5-10%，不能滿足高要求產品生產的要求。 4. 質量式給料系統(tǒng) 它是按單位時間內失去/增加的質量（重量）來給料的。與體積式給料相比，可以忽 略物料的密度變化帶來的精度影響。實際上，失重式給料系統(tǒng)和增重式給料系統(tǒng)均屬于 質量式給料系統(tǒng)的范疇。 5. 失重式給料系統(tǒng) 失重式給料系統(tǒng)是按單位時間內失去重量的多少來給料的系統(tǒng)。 失重式給料系統(tǒng)是通過質量傳感器測量單位時間（毫秒級）內失重式給料器中物料 減少的重量來計算出加料器每小時的產量，通過 PID 控制器的調節(jié)，使喂料器按設定值 的產量對下游設備給料。 此類系統(tǒng)的特點是可以實現(xiàn)精密計量，精度可控制在 0.5%以內，可實現(xiàn)復雜的配方 管理，控制系統(tǒng)先進，所需人工很少，但建設初期成本較高。適用于高品質產品的工業(yè) 化大生產 [4]。 1.2.2 計算機控制系統(tǒng) 現(xiàn)代社會科學發(fā)展飛速，計算機控制在現(xiàn)代社會中得到了廣泛的運用 [5]。計算機控制 系統(tǒng)是使用計算機控制來實現(xiàn)自動化的，這是一種計算機硬件，軟件技術與自動控制技 術相結合的一種應用技術，它屬于離散控制系統(tǒng)。當前，用于工業(yè)控制的計算機可分為 幾類，可編程控制器、基于PC總線的工業(yè)控制計算機、基于測控單片機、用于模擬量閉 環(huán)控制的可編程調節(jié)器、集散控制系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)等?？删幊炭刂?器(PLC)是應用面最廣、有足夠大強的功能、有較強融合性的工業(yè)裝置，它已經化身現(xiàn)代 的工農業(yè)的自動化重要的一員。 可編程序控制器（PLC ）都有一個編程口。就拿日本進口的三菱 PLC 為例（包括 FX 系列和 A 系列） ，它的程序編譯口為 RS-422 格式，根據(jù) PLC 有不一樣的型號又分為 8 針 座型編程口和 25 針座型。對 25 針口來說，可直接將 SC—08 編程電纜將 PLC 的編程口 和電腦的 RS—232 口一起捆綁起來；對于后者，則還需要用一根用于轉換的電纜將 PLC 的 8 針座型編程口和 25 針型電纜相連。無論何種情況，一旦將 PLC 用戶程序由電腦編程 定量給料機控制系統(tǒng)設計 3 環(huán)境傳到 PLC 用戶程序使用區(qū)，我們根本沒有再去利用其它的程序編譯口。這，換句話 說，是浪費了 PLC。那么，可利用此程序編譯口完成電腦和 PLC 的通訊人物，利用微型 計算機對 PLC 進行管理，并且監(jiān)控 PLC 的工作狀態(tài) [6]。 1.2.3 自動給料系統(tǒng)特點 自動給料系統(tǒng)是指自動連續(xù)給料系統(tǒng)。以下簡稱為自動給料系統(tǒng)。物料為粉狀、顆 粒狀固態(tài)物料。 自動給料系統(tǒng)具有幾個符合現(xiàn)代化大生產要求的特點： 1）重量傳感部分原理先進，精度很高。一般采用數(shù)字傳感器，精度可以達到百萬分 之一。 2）物料輸送部分線性度高，驅動部分可以達到很高的分辨率。 3）設備自動化程度高。此類系統(tǒng)用于自動化生產，一般具有 PLC 控制、連鎖系統(tǒng) 等控制系統(tǒng)以滿足自動化生產的要求。 4）系統(tǒng)加料精度高。由于采用了先進的加料器和先進的控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)可以達 到很高的精度。一般都能達 0.5-1%的精度。在實驗室等特殊的領域，應用實驗級的加料 器，可以達到 0.1-0.5%的精度。穩(wěn)定度可以達到 2 個 SEGMA。 5）操作簡單。一般此類系統(tǒng)具有先進的監(jiān)控系統(tǒng)和控制器，在調試階段較復雜，但 當調試結束后，所有的參數(shù)設置合適后，操作人員所做的僅僅是調用參數(shù)，設定產量等 簡單的操作。 6）可維護性強。由于采用先進控制系統(tǒng)，很容易實現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷，可以縮短排除 故障的時間。 7）功能強大。利用先進的監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)復雜的配方管理，訂單管理，歷史管 理，系統(tǒng)控制優(yōu)化，自動開停車管理，連鎖管理，遠程診斷、檢測與控制。 8）投資結構合理。一次性投資較高，由于自動化水平的提高，可以節(jié)省運營的人工 成本，避免人為因素造成產品質量不穩(wěn)定，避免重復投資。 9）系統(tǒng)較復雜。一個完整的自動給料系統(tǒng)牽扯的領域很廣，有機電一體化設備，自 動化控制設備，監(jiān)控設備等等 [7]。 1.3 課題意義 定量給料系統(tǒng)應用十分廣泛，為了提高其精度、自動化程度對其有著重要的現(xiàn)實意 義，控制單元包括失重式控制器、變頻控制器、重量傳感器、速度傳感器等組成。 控制系統(tǒng)采用 PLC 來進行控制，并且通過自行設計控制系統(tǒng)，使用軟件仿真在所設 記系統(tǒng)中實際機械部分的運作方式，從而來判斷系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)開發(fā)成本低、實 時性好、操作簡便、通用性強，實際工程中可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定、可靠的工作， 具有一定的應用推廣價值。 1.4 課題主要內容 本課題以PLC 控制技術為基礎，開發(fā)一種以轉予給料機、流量控制器器為硬件基礎的 定量給料系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了流體物料的定量給料控制，具有顯示累計流量、運行參數(shù)、 設定流量等功能。系統(tǒng)操作方便、顯示直觀，可廣泛應用于固體物料的定量給料控制過 程中。 無錫太湖學院學士學位 4 本論文內容包括以下幾個方面： 1. 對所設計的給料機機械部分進行闡述，說明其原理； 2. 分析實現(xiàn)其功能時應有的動作； 3. 對PLC 選型，給出系統(tǒng)的硬件接線圖； 4. 繪制電器原理圖、接線圖； 5. 設計PLC的梯形圖程序，給出控制流程圖。 定量給料機控制系統(tǒng)設計 5 2 定量給料機的總體方案 2.1 給料部分總體方案、基本原理 本定量給料機主要運用于自動定量給料機的機械主體（機械臂） ，主要運用于固體小 顆粒的加料過程，可運用于自動化生產、食品的批量生產、冶金工業(yè)等等產業(yè)之中。 2.1.1 總體方案 定量給料系統(tǒng)一般是利用給料機配合物料計量裝置構成的，在生活中有很多種類的 給料機，包括帶式的、振動型的、氣力式的輸送裝置等等， 。例如，以 SU—6PLC 為主控 機，這是一個全自動配料控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)擁有各式各樣的智能型外設，可以同時測 量、控制、管理。重量信號直接通過稱重傳感器發(fā)送出來，然后機械部分再進行配料， 然后進行混合，這樣就實現(xiàn)了人機交互。在這樣的條件下，其實還可以改進定量給料的 精度，可以改進所使用的重量傳感器、電流信號放大器、A/D 轉換器；返回指令冗余和開 中斷指令冗余等 [8]。 流量計是定量給料系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其原理是利用物料的動量，流量控制器主要工 作原理是，微波探頭以 5mw 的功率發(fā)射一種 24.125GHz 的高頻微波信號，當有物體通過 時，會有微波信號形成一種反射，主機會根據(jù)反射微波信號的變化量，經過計算得出被 實測物體的實際流量。 整個實驗平臺有以下幾個部分構成：固體流量計、給料機、PLC 及控制箱。系統(tǒng)工 作原理是這樣的：作為控制對象的機械手臂給料機進行給料。給料量的大小由電磁閥控 制，而電磁閥的開關由流量控制器控制， ，當物料速度一定時，流出物體的密度基本保持 不變。經過運算，PLC 產生合適的控制信號，開關電磁閥。從而完成物料的定量給料。 主軸運轉遇到限位開關，進行正反轉，從而完成循環(huán)，整個系統(tǒng)如圖 2.1 所示。 圖 2.1 物料循環(huán)和流量控制 2.1.2 機械部分簡介 無錫太湖學院學士學位 6 機械部分主要有幾個部分構成： 1. 主軸部分：主要負責送料機能圍繞主軸進行轉動。 2. 機械臂部分：主要負責送料器能夠上下進行運動。 3. 送料器：負責控制料體的量，然后完成送料。 機械部分簡圖（如圖 2.2）所示。 圖 2.2 機械部分示意圖 1. 主軸傳動電機， 2. 旋轉主軸， 3. 料筒， 4. 機械臂， 5. 手臂傳動電機， 6. 電磁閥、流量計， 7. 料斗。 相比于以往人工送料自動定量給料機有許多特點： 1. 本機器可以單動亦可以與其他配套機器連線成全自動生產； 2. 湯量調整方便，精準，簡單； 3. 送料精準，動作快，注料效率高； 4. 產品投入低，產值高； 5. 程序采用西門子 PLC 控制，動作穩(wěn)定。 2.1.3 定量給料機定量給料的步驟 定量給料機控制系統(tǒng)設計 7 此定量給料機是通過兩個電機控制手臂繞著主軸旋轉，手臂上下走動，再通過流量 控制器來控制流量，計算出所有的流量，從而來實現(xiàn)定量給料的過程。 1. 取料：送料器就在此時的位置，手臂向下運動，讓料進入料筒，進行取料，然后 達到下限位開關，手臂抬起來。 2. 送料：手臂達到上限位開關，主軸電機開始工作，開始轉動，然后讓手臂繞著主 軸旋轉。 3. 定量給料：當主軸旋轉到指定的位置，然后電磁閥打開，流量控制器開始工作， 當流出的料到達一定值時，電磁閥關閉，定量給料完成。 4. 反復運動：當完成一次定量給料任務之后，主軸電機再次反轉動作，回到起始的 位置，然后開始再次的給料過程。 2.2 完成給料的運動分析 由于需要給料的部分在整個給料過程中是固定不動的，為了完成定量給料任務，定 量給料機的各部分均需完成各自的相對獨立的功能。由于各個部分運動相對獨立，所以 需要對各個部分進行控制，以使各機構在時間和空間上能夠協(xié)調工作，保證定量給料過 程的順利進行。 主軸傳動電機的作用是對讓機械手臂繞著主軸進行轉動，以使得機械手臂和料斗能 夠先到取料點下去取料，再把料斗里面的料運送到指定的地點。繞中心軸旋轉運動通過 電動機來實現(xiàn)。 機械手臂傳動電機的作用是負責料斗在取料以及送料過程中上下的運動。它的運動 主要包括在取料時讓料斗向下運動，在給料時先抬起料斗，然后主軸電機動作把手臂和 料斗運送到給料位置，在定量給料時向下的運動。手臂的上下運動通過手臂傳動電機的 正轉、反轉來實現(xiàn)。 2.3 定量給料機的總體設計 1. 機械部分設計 機械系統(tǒng)主要由主軸、可轉動手臂、定量給料系統(tǒng)等構成。主軸主要負責的是讓手 臂繞著主軸進行轉動，進行送料和取料?？赊D動手臂主要負責的是在主軸限位開關時， 先轉動下去取料，達到手臂限位下開關時，抬起料斗。 2. 驅動系統(tǒng)設計 驅動系統(tǒng)的作用是根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，將存放在料池里面的料舀出，并且按 照一定的線路給到需要料的地方，然后達到指定位置，開始放料，最后放料完成的系統(tǒng)。 本設計中，主軸的旋轉，機械手臂的上下運動是由電氣驅動的驅動方式。定量給料系統(tǒng) 的定量給料過程是由電磁閥控制的方式，開始給料的時候，打開電磁閥，開始給料，然 后通過PLC控制電磁閥的開關，到給料的量一定時電磁閥關閉。 3. 控制系統(tǒng)設計 控制系統(tǒng)主要通過可編程控制器PLC來控制實現(xiàn)。PLC是一種工業(yè)控制用的專用計算 機。它可以按照邏輯條件和一定的時序、順序產生控制動作，并能夠對來自現(xiàn)場的大量 開關量、脈沖、計時、計數(shù)以及模擬量的越限報警等數(shù)字信號進行監(jiān)視和處理。 綜上所說，不難看出，PLC控制器有著諸多的優(yōu)點；因此，PLC是一種較理想的控制 無錫太湖學院學士學位 8 工具。 2.4 本章小結 本章首先從定量給料的功能出發(fā)，敘述了定量給料機設計的總體方案。進行了機械 部分的簡介，驅動部分是由主軸電機和手臂傳動電機所提供的，控制部分采用的則是 PLC。 定量給料機控制系統(tǒng)設計 9 3 PLC控制系統(tǒng)的介紹和選擇 3.1 PLC的概述 20 世紀 60 年代，為了滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產的需求，美國數(shù)字設備公司（DEC）研 制成功世界上第一臺可編程邏輯控制器（PLC） 。1971 年，日本研發(fā)了 DSC-8 控制器， 1973 年西歐各國也研制成功各種可編程序控制器。我國在 1974 年開始研發(fā)可編程序控 制器。 PLC 即就是 Programmable Logic Controller，是一種新型的工業(yè)和計算機技術相結合 的控制裝置。在 1987 年國際電工委員會頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定義： PLC 是一種專門的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計 數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的 機械或生產過程。PLC 及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體， 易于擴展其功能的原則而設計 [9]。 PLC 控制系統(tǒng)之所以成為當今應用很廣泛的工業(yè)控制系統(tǒng)，因為它具有很多適合于 工業(yè)控制的特點。 1. 可靠性高 PLC 采取了很多可以提高可靠性的措施的設計： 1）在硬件上還有在工藝過程中，采取了許多可以提高可靠性的硬件，其高性能芯片 是高度集成的，并且對芯片采取了抗老化測試，利用先進的流水工藝制造生產，這些都 可以使得 PLC 的可靠性大大的提高了。 2）在設計方面上，采取掉電保護、故障診斷和信息保護和恢復等其他措施，大大提 高了 PLC 的工作穩(wěn)定性、安全性。 3）在軟件方面，也采用了一系列方法和措施。使用簡單和方便的指令集，使用軟件 對外界進行濾波，斬波。對系統(tǒng)自身進行軟件自我診斷、自我恢復等其他措施。 2. 操作簡單、可操作性強 PLC 采取了很多可以提高可靠性的措施的設計： 1） 易于組態(tài)。與繼電器系統(tǒng)的設計實現(xiàn)相比較，PLC 使用特定的組態(tài)工具對 PLC 系統(tǒng)的硬件和軟件進行優(yōu)化，進行更好的設定。這其中最簡單和最直白的梯形圖語言和 語句表語言，這種語言清晰簡練，方便自己的理解。 2）方便維護。繼電器部分維護起來相對較為困難，這一個重要的原因促使 PLC 迅速 產生。PLC 可以自己進行診斷，具有遇到故障自己解決功能，有一些時間可以記錄起來， 當系統(tǒng)生故障時，通過自己系統(tǒng)的功能，迅速找到故障所在地，馬上準確的找到故障， 并且自己解決故障。 3. 靈活性強 PLC 是一種智能化的、方便、快捷的控制元件，在組態(tài)方式，修改程序等方面具有 很大的可行性： 有相對靈活、多變的組態(tài)系統(tǒng)。組態(tài)靈活不僅表現(xiàn)在程序的開發(fā)階段，還表現(xiàn)在程 序的修改護上。如果生產工藝的要求比較高然后專用的組態(tài)語言不能滿足它時，還可以 無錫太湖學院學士學位 10 用高級語言（如 C 語言）開發(fā)特殊的應用?？梢酝ㄟ^通訊與其他系統(tǒng)連接成一個整體， 這些都極大的提高了系統(tǒng)的靈活性。 3.2 西門子PLC簡介 3.2.1 西門子 PLC 簡單介紹 PLC 機型的選擇應是在滿足控制要求的前提下，保證可靠、維護使用方便以及最佳 的性能價格比。具體應考慮以下幾方面： 1. 性能與任務相適應 對于小型單臺、僅需要數(shù)字量控制的設備，一般的小型 PLC（如西門子公司的 S7-200 系列、OMRON 公司的 CPM1/CPM2 系列、三菱的 FX 系列 等）都可以滿足要求。 2. 有比較合適的結構、安裝起來很方便、機型上應統(tǒng)一 按照物理結構，PLC 分為整 體式和模塊式。整體式每一 I/O 點的價格相對比較的便宜，所以人們相對來說比較喜歡使 用整體式 PLC 在較小型的工業(yè)控制系統(tǒng)里面。但是 PLC 的在功能和擴展方面都有較大的 方便性和靈活性，I/O 點數(shù)的多少、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、I/O 模塊的種類和塊數(shù)、 特殊 I/O 模塊的使用等方面的選擇余地很大相對于前者來說，不僅 I/O 模塊維修時需要換 模塊、而且發(fā)生故障時找發(fā)生故障的地方也很快。因此，對于較很雜、使用要求很高的 工業(yè)場所我們選用模塊式 PLC。 3. 是否滿足響應時間的要求 由于現(xiàn)代 PLC 有足夠高的速度處理大量的 I/O 數(shù)據(jù)和解 算梯形圖邏輯，因此對于大多數(shù)應用場合來說，PLC 的響應時間并不是主要的問題。然 而，對于某些個別的場合，則要求考慮 PLC 的響應時間。為了減少 PLC 的 I/O 響應延遲 時間，可以選用掃描速度高的 PLC，使用高速 I/O 處理這一類功能指令，或選用快速響應 模塊和中斷輸入模塊。 4. 對聯(lián)網(wǎng)通信功能的要求 近年來，隨著工廠自動化的迅速發(fā)展，企業(yè)內小到一塊溫 度控制儀表的 RS-485 串行通信、大到一套制造系統(tǒng)的以太網(wǎng)管理層的通信，應該說一般 的電氣控制產品都有了通信功能。PLC 作為工廠自動化的主要控制器件，大多數(shù)產品都 具有通信聯(lián)網(wǎng)能力。選擇時應根據(jù)需要選擇通信方式。 5. 其他特殊要求 考慮被控對象對于模擬量的閉環(huán)控制、高速計數(shù)、運動控制和人機 界面（HMI）等方面的特殊要求，可以選用有相應特殊 I/O 模塊的 PLC。對可靠性要求極 高的系統(tǒng)，應考慮是否采用冗余控制系統(tǒng)或熱備份系統(tǒng)。 在本定量給料機控制系統(tǒng)設計中采用西門子 S7-200 的 PLC。 3.2.2 西門子 PLC 的組成 PLC 是一種工業(yè)控制用的專用計算機，在設計理念上，是計算機控制技術與繼電-接 觸器控制電路相結合的產物，因而它與工業(yè)控制對象有非常強的接口能力。 [10]。PLC 的 基本組成部件如圖 3.1 所示。 定量給料機控制系統(tǒng)設計 11 圖 3.1 PLC 的基本部件 1. 中央處理單元 CPU 西門子系列 PLC 主要由三個系列，其中 S7-200 適合控制系統(tǒng)相對較小的場合使用， 網(wǎng)絡功能較弱。而 S7-300 和 S7-400 的網(wǎng)絡結構基本一致，功能均很強大，而 S7-200 系列的 PLC 性價比較高，已能基本滿足本定量控制器的需求，所以本系統(tǒng)選用 S7-200 系列的 PLC。 西門子公司的 S7-200 的 PLC 基本可以滿足豐富多樣的一體化控制的需求。由于具有 非常優(yōu)良的設計、幾乎完美的擴展性、低廉的價格還有很多指令集系統(tǒng)，這些都讓 S7- 200 可以幾乎滿足的幾乎所有的小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的 CPU 類型和電壓等級 使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，有很強的適應性和可選擇性 [11]。 西門子 S7-200系系列PLC發(fā)展至今，經歷了兩代： 第一代產品的CPU模塊為CPU21X ，主機都可進行擴展，它其有四種結構不同配置的 CPU單元，即CPU212、CPU214 、CPU215和CPU216。 第二代產品的CPU模塊為CPU22X ，是在2l世紀初投放市場的。其速度抉，具有極強 的通訊能力。其結構配置如表3-1所示。 表3-1 S7-200系列CPU特性 特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 CPU226XM 程序存儲區(qū) 2048字 2048字 4096字 4096字 8192字 數(shù)據(jù)存儲區(qū) 1024字 1024字 2560字 2560字 5120字 本機I/O 6入/4出 8入/6出 14入/10出 24入/16出 24入/16出 無錫太湖學院學士學位 12 續(xù)表3-1 特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 CPU226XM 擴展模塊數(shù) 量 0 2 7 7 7 通訊口 1RS-485 1RS-485 1RS-485 2RS-485 2RS-485 S7-200 CPU22X 系列的 PLC 是 S7-200 CPU21X 系統(tǒng)的進化產品，由于它具有多種功 能模塊和人機界面可以提供方便選擇，因此很容易組成 PLC 網(wǎng)絡。 PLC 實質上就是一臺專業(yè)的工業(yè)控制計算機，通常一個主機模塊都要安裝一個或者 多個 CPU，那其中必定要有一個主 CPU，其余的為輔助 CPU，它們協(xié)同工作，大大的提 高了整體系統(tǒng)的速度和功能，縮短了程序的執(zhí)行時間。 S7-200 是一個系列，其中包括多種型號的 CPU，以適應不同需求的控制場合。 近幾年在西門子公司生產了 S7-200 CPU22X 的很多代 PLC 設備有： CPU221、CPU222、CPU224 、CPU226、還有 CPU226XM 模塊。S7-200 CPU22X 系列產 品有很強大的指令集、運行速度相對令人滿意、通信能力相對令人滿意。比如說， CPU226 模塊的 I/O 模塊的總數(shù)為 40 點，這里面有 24 個輸入點，輸出點 16 點；在用戶 程序存儲量這方面來說，容量也達到了 8KB；具有 PID 控制器功能；有 2 個 RS-485 通信 口；具有 PPI、MPI ；運行速度相對令人滿意、通信能力相對令人滿意，適用于要求較高 的中小型工業(yè)控制現(xiàn)場。 S7-200 PLC 任一型號的主機，都可以單獨構成基本配置，作為一個獨立的控制系統(tǒng)， S7-200 CPU22X 系列產品的基本配置如下圖所示。 S7-200 PLC 各型號主機的 I/O 配置都 是固定的，他們具有固定的 I/O 地址 [12] 。S7-200 CPU22X 系列產品的 I/O 配置及地址分 配如下表 3-2 所示。 表 3-2 S7 系列 I/O 配置 項目 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 本機數(shù)字量輸入 地址分配 6 輸入 I0.0-I0.5 8 輸入 I0.0-I0.8 14 輸入 I0.0-I0.7 I1.0-I1.5 24 輸入 I0.0-I0.7 I1.0-I1.7 I2.0-I2.7 本機數(shù)字量輸出 地址分配 4 輸出 Q0.0-Q0.3 6 輸出 Q0.0-Q0.5 10 輸出 Q0.0-Q0.7 Q1.0-Q1.1 16 輸出 Q0.0-Q0.7 Q1.0-Q1.7 本機模擬量 輸入 /輸出 無 無 無 無 定量給料機控制系統(tǒng)設計 13 擴展模塊數(shù)量 無 2 個模塊 7 個模塊 7 個模塊 在整個控制過程中，需要用到控制電機啟停，緊急停止等7個開關量輸入，5個控制 電機啟停的接觸器。目前PLC從被控對象的I/O點數(shù)考慮，采用SIEMENS公司的S7-200 系 列PLC。考慮到以后的擴展要求，主機選用CPU224型號PLC，該型號具有14輸入/10 輸出， 滿足系統(tǒng)的開關量輸入輸出點個數(shù)。 2. 存儲器 PLC 的存儲器分為系絨程序和用戶程序兩種存儲器。 1）系統(tǒng)程序存儲器：系統(tǒng)程序存儲器用于放置 PLC 原來內置的出廠時的系統(tǒng)程序， 系統(tǒng)程序在 PLC 被制造出來的時候已經放置在 PROM 和 EPROM 里面。這一部分的存儲 是相對被保護起來的不能被外界所看見，用戶不能修改其中內人，相當于只讀。PLC 的 大部分操作都是在系統(tǒng)程序的作用下來完成的。 2）用戶程序存儲器：用戶程序存儲器可以分成程序和數(shù)據(jù)存儲區(qū)。程序存儲區(qū)用來 放置用戶編寫的 PLC 語言，數(shù)據(jù)存儲區(qū)放置的是 PLC 語言在運行過程里面所涉及到的或 者是運行期間所產生的一些數(shù)據(jù)，包括出入/輸出的過程印象、時間計時器、時間定時器 的預設值和當前值等。 3. 電源單元 電源單元將外界提供的電源轉換成 PLC 的工作電源之后，提供給 PLC。有些電源單 元也可以作為負載電源，通過 PLC 的 I/O 接口向負載提供直流 24V 電源。PLC 的電源一 般采用開關電源，出入電源范圍寬，有很強的的能力不受外界干擾。電源部分有很完美 的隔離，使得電源的輸入和輸出里面不會產生互相的干擾，可以正常工作，以保證外面 的干擾不能影響到 PLC 的運行。 4. 輸入/輸出單元 在 PLC 控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產過程的控制，要將對象的各種測量參數(shù)，按要 求的方式送入 PLC。PLC 經過運算、處理后，再將結果輸出一個數(shù)字值，此時也要把這 個值轉換成比較合適的對生產過程進行控制的量。所以。在 PLC 和工業(yè)現(xiàn)場中間，必定 要建立信息互通。這樣的設備就是輸入/輸出模塊。對 PLC 來講，信號形式可分為四類， 數(shù)字量的輸入和輸出信號、模擬量的輸入和輸出信號。 一般使用的量程是-10V～+10V 、0～+10V、4～20mA 等，可以參考工業(yè)現(xiàn)場的需求。 。 5. 接口單元 接口單元包括擴展接口、通信接口、編程接口和存儲器接口等。PLC 的 I/O 單元也屬 于接口單元的范疇，它完成 PLC 與工業(yè)現(xiàn)場之間電信號的來往聯(lián)系。除此之外，PLC 與 其他的外界設備和信號的聯(lián)系都需要相應的接口單元。有以下集中接口：I/O 擴展接口、 通信接口、編程器接口、存儲器接口、其他外部設備接口。 目前，選擇一個相對來說比較合適的PLC的流程如下所示： 第一步要對要實現(xiàn)的內容進行仔細的考慮分析，尋找出全部的I/O點，包括開關量的 無錫太湖學院學士學位 14 I/O點數(shù)和模擬量的，并且弄清楚以上I/O點的特性。它們的特性主要包括它們的信號是屬 于交流的還是直流的，其使用的電壓是多大的，其輸出是用的什么硬件，在了解了這些 之后我們可以選擇用多少點還有PLC的I/O是什么性質。 然后來定下I/O的地址分配表，輸入輸出信號在PLC接線端子上的地址分配是進行 PLC控制系統(tǒng)設計的基礎。對于軟件的設計，在I/O地址分配表完成之后才能進行一系列 的編程設計；對于PLC 的接線圖來說，要確定了I/O地址以后，才能完整地畫出電氣接線 圖。 最后根據(jù)控制要求繪制程序的流程圖，繪制用戶程序，裝入PLC的用戶程序存儲器， 并進行初步調試。 3.3 PLC的工作原理 一般情況下，PLC 重復執(zhí)行工作循環(huán)來完成任務。一個工作循環(huán)包括以下三個步驟： 輸入采樣，程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段 [13]。如圖 3.2 所示。 圖 3.2 PLC 工作流程圖