1、摘 要瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線是隨著瀝青混凝土的誕生而產(chǎn)生和發(fā)展的。它是建筑、橋梁、道路、大壩等工程施工中的必備生產(chǎn)線。隨著電力電子技術(shù)及控制技術(shù)的發(fā)展，使得交流變頻調(diào)速在工業(yè)電機(jī)拖動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于PLC的功能強(qiáng)大、容易使用、高可靠性，常常被用來(lái)作為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。本文針對(duì)PLC和配料控制器結(jié)合控制的攪拌生產(chǎn)線來(lái)設(shè)計(jì)其控制及監(jiān)控程序，設(shè)計(jì)中主要完成的任務(wù)有系統(tǒng)構(gòu)造、PLC的I/O分配、工作流程圖及PLC程序的編寫(xiě)。本系統(tǒng)選用西門(mén)子S7-200 PLC做控制器，完成數(shù)據(jù)的采集和對(duì)變頻器、電機(jī)等設(shè)備的控制任務(wù)。采用通用變頻器三菱FR-A540，對(duì)4個(gè)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。編程軟件選用

2、STEP7，采用順序控制策略。利用組態(tài)軟件良好的人機(jī)界面和通信能力，使工作人員可以在觸摸屏上就可以方便的瀏覽現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)流程、實(shí)現(xiàn)變頻器的參數(shù)設(shè)置、故障診斷及電機(jī)的啟動(dòng)和停止。用PLC做控制器，完成對(duì)瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線的自動(dòng)控制，該瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線是將兩種石料、兩種粉料和瀝青三類材料，根據(jù)工程配方稱重后放到攪拌缸中進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢韬蠓湃氲叫≤嚥⒋娣诺絻?chǔ)料罐中，系統(tǒng)周而復(fù)始地工作。關(guān)鍵詞：瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線；變頻器；可編程控制器（PLC）；自動(dòng)控制AbstractAsphalt concrete mix production lines were producted and develo

3、ped with the birth of concrete with tar. It is the construction of the necessary equipment for buildings, bridges, roads, dams and other projects. With the development of electric power and electronic technology and control technology，AC frequency conversion velocity modulation technology is widely

4、used in the industry motor dragging fieldsBecause of the characteristics with powerful function，easy operation and high dependability，PLC is usually used for the field of data gathering and equipment control.In this paper, the controller combines PLC and the control of mixing ingredients production

5、line to design its control and monitoring process, the design of the main tasks in a systematic structure, PLCs I / O allocation, work flow and procedures for the preparation of PLC. The system uses Siemens S7-200 PLC controller to do to complete the data collection and on the drive, motor and other

6、 equipment of the control tasks. Using a common drive Mitsubishi FR-A540, on the 4 motor speed control. Programming software used STEP7, use sequential control strategies.By the virtue of HMI with nice configuration software and strong communication ability，the staff can conveniently browse the indu

7、stry flowFig on the locale，set the parameter of the transducer, diagnose the fault，and start or stop the electromotor on the PC machine in the control-center room To do with the PLC controller to complete the mixing of asphalt concrete production line automatic control of the asphalt concrete mixing

8、 two kinds of stone production line, two three types of powder and asphalt materials, according to the project formulation weighed into a full bowl of stir, stir into the car co-exist into the storage tank, the system again and again to work.Key words: Asphalt concrete mix production lines; Frequenc

9、y; Programmable logic controller (PLC); Automatic control目 錄第1章 緒 論11.1 研究瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線的意義11.2 瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線的發(fā)展情況11.2.1 瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線的發(fā)展過(guò)程11.2.2 瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線的發(fā)展趨勢(shì)31.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容及目標(biāo)3第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)42.1 瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線系統(tǒng)的工藝流程42.2 系統(tǒng)方案論證及組成52.2.1 系統(tǒng)的方案論證52.2.2 系統(tǒng)的組成6第3章 瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線硬件設(shè)計(jì)83.1 可編程控制器83.1.1 可編程控制器的概念83.1.2 可編程控制器的優(yōu)點(diǎn)

10、83.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)93.1.4 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域93.1.5 可編程控制器的系統(tǒng)組成103.1.6 可編程控制器的工作原理113.1.7 可編程控制器的編程語(yǔ)言113.2 系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào)113.2.1 輸入信號(hào)分析113.2.2 輸出信號(hào)分析123.3 PLC選擇及擴(kuò)展模塊的選擇133.3.1 PLC的選擇133.3.2 擴(kuò)展模塊的選擇143.4 系統(tǒng)I/O分配163.5 PLC外部接線設(shè)計(jì)183.6 稱量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)193.6.1 電子皮帶秤193.6.2 稱重傳感器的原理203.6.3 稱重傳感器的選型233.6.4 流量控制233.7 變頻器253.7.1 交

11、流變頻調(diào)速系統(tǒng)253.7.2 變頻器的控制方式263.7.3 變頻器的控制算法273.7.4 變頻器的選型293.8 控制電機(jī)303.9 繼電器控制電路30第4章 瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線軟件設(shè)計(jì)314.1 程序地址分配314.2 系統(tǒng)的配料控制原理324.3 系統(tǒng)的整體流程設(shè)計(jì)344.4 稱量系統(tǒng)的控制流程設(shè)計(jì)354.4.1 流程圖354.4.2 檢測(cè)與控制程序說(shuō)明374.5 觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)39第5章 結(jié)論41參考文獻(xiàn)42致 謝43附錄I44附錄II46附錄III61第1章 緒 論1.1 研究瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線的意義隨著中國(guó)交通道路網(wǎng)的不斷壯大與延伸，道路的施工生產(chǎn)線也在不斷發(fā)展改進(jìn)。在高

12、等級(jí)公路的建設(shè)中，瀝青混凝土作為一種面層料，越來(lái)越多地被道路設(shè)計(jì)者們采用，而瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線就擔(dān)負(fù)起了生產(chǎn)瀝青混凝土的使命。道路建設(shè)速度日益加快，中小型的瀝青混凝土攪拌站已經(jīng)不能滿足道路建設(shè)的需求。10年前產(chǎn)量在120t/h的瀝青攪拌生產(chǎn)線已經(jīng)漸漸逐出市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的舞臺(tái)，取而代之的是360t/h及400t/h等高產(chǎn)量的瀝青混凝土生產(chǎn)線，它們漸漸成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線是目前道路建設(shè)領(lǐng)域中的重要生產(chǎn)線之一，隨著筑路路面要求提高，它對(duì)瀝青混凝土攪拌質(zhì)量提出更高的要求：系統(tǒng)要求能連續(xù)16h工作；要求瀝青混凝土攪拌的油石比精確；要求生產(chǎn)過(guò)程中的每一拌料具有數(shù)據(jù)備查功能等。1.2 瀝青混

13、凝土攪拌生產(chǎn)線的發(fā)展情況1.2.1 瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線的發(fā)展過(guò)程我國(guó)的瀝青攪拌生產(chǎn)線經(jīng)歷了簡(jiǎn)單產(chǎn)品的自行開(kāi)發(fā)、技術(shù)引進(jìn)、技術(shù)合作。到完全自主開(kāi)發(fā)并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平幾個(gè)發(fā)展階段。1969年9月，我國(guó)第1臺(tái)強(qiáng)制間歇式瀝青混合料攪拌生產(chǎn)線（30t/h）誕生。該產(chǎn)品是由當(dāng)時(shí)的交通部公路研究所筑路機(jī)械室的幾位留蘇人員參考前蘇聯(lián)的技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，由當(dāng)時(shí)的交通部西安筑路機(jī)械廠生產(chǎn)制造。那時(shí)國(guó)內(nèi)瀝青路面較少，除應(yīng)用于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)外，還出口到亞非國(guó)家。該產(chǎn)品技術(shù)水平低，全部采用手動(dòng)控制，燃燒器為人工點(diǎn)火，稱量系統(tǒng)的傳感器為機(jī)械杠桿式。20世紀(jì)80年代前國(guó)內(nèi)僅有中交西筑生產(chǎn)強(qiáng)制間歇式瀝青攪拌生產(chǎn)線，并沒(méi)有進(jìn)口生產(chǎn)線

14、。我國(guó)瀝青攪拌生產(chǎn)線真正發(fā)展是從20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始的。1983年，交通部西安筑路機(jī)械廠承擔(dān)了國(guó)家第1批重大引進(jìn)技術(shù)消化吸收項(xiàng)目，引進(jìn)了當(dāng)時(shí)國(guó)際上先進(jìn)的英國(guó)Parker公司LB1000型強(qiáng)制間歇式瀝青攪拌生產(chǎn)線。其生產(chǎn)能力為80t/h，控制系統(tǒng)采用全自動(dòng)控制，燃燒器自動(dòng)點(diǎn)火，熱油加熱器全自動(dòng)無(wú)人看管，稱量系統(tǒng)采用電子稱并通過(guò)PLC進(jìn)行稱量誤差的自動(dòng)補(bǔ)償。在除塵系統(tǒng)上，考慮當(dāng)時(shí)的國(guó)情。配備的是一級(jí)多管旋風(fēng)和二級(jí)濕式除塵器，該產(chǎn)品很快推向了市場(chǎng)。同時(shí)，當(dāng)時(shí)較先進(jìn)的意大利Marini公司和Parker公司的原裝機(jī)器以及日本的新瀉等公司的產(chǎn)品也進(jìn)入了中國(guó)市場(chǎng)，這些新產(chǎn)品、新技術(shù)給我國(guó)瀝青攪拌生產(chǎn)線

15、的發(fā)展帶來(lái)了第1次飛躍。這時(shí)中國(guó)許多廠家，特別是市政系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家，紛紛加入到開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)瀝青攪拌生產(chǎn)線行列。同時(shí)，西安筑路機(jī)械推出了LB500型（40t/h）和LB2000型（160t/h）產(chǎn)品，與LB1000型一起形成了該廠的LB系列產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代初期，我國(guó)的公路建設(shè)迅猛發(fā)展，公路施工部門(mén)感到LB2000型及以下產(chǎn)品已不能滿足公路建設(shè)的需要。西安筑路機(jī)械抓住時(shí)機(jī)，在1994年承擔(dān)了國(guó)家“八五”一條龍重大技術(shù)引進(jìn)消化吸收項(xiàng)目，再次引進(jìn)了英國(guó)Parker公司的M3000型強(qiáng)制間歇式瀝青攪拌生產(chǎn)線，它不但在產(chǎn)量上達(dá)到了240t/h，而且從技術(shù)上又前進(jìn)了一大步，并且在形式上采用移動(dòng)式，

16、即全套生產(chǎn)線裝到12個(gè)運(yùn)輸?shù)妆P(pán)上，只要有牽引車頭即能行走，不需要專門(mén)的平板車，并且不用地腳螺栓，大大方便了用戶。該產(chǎn)品的投放市場(chǎng)，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家向著產(chǎn)品便于運(yùn)輸、無(wú)基礎(chǔ)方向發(fā)展，使我國(guó)瀝青攪拌生產(chǎn)線技術(shù)的發(fā)展又有了一次飛躍。1998年，該公司又與英國(guó)Parker公司合作，聯(lián)合推出了M2000型、M1500型、M750型強(qiáng)制間歇移動(dòng)式瀝青攪拌生產(chǎn)線，使該公司形成了M系列產(chǎn)品。2000年西安筑路機(jī)械根據(jù)世界瀝青攪拌生產(chǎn)線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，與德國(guó)邊寧荷夫公司進(jìn)行技術(shù)合作，聯(lián)合生產(chǎn)出具有當(dāng)代國(guó)際先進(jìn)水平的環(huán)保節(jié)能型瀝青攪拌生產(chǎn)線，產(chǎn)量分別為160t/h、240t/h和320t/h。該產(chǎn)品從配料開(kāi)始，就

17、采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，控制部分全部采用計(jì)算機(jī)觸摸屏，并且實(shí)現(xiàn)了故障報(bào)警、故障點(diǎn)顯示等功能，真正實(shí)現(xiàn)了智能化。同時(shí)這種合作方式也使我國(guó)瀝青攪拌生產(chǎn)線產(chǎn)品從單純的技術(shù)引進(jìn)轉(zhuǎn)變?yōu)楹献魃a(chǎn)、聯(lián)合開(kāi)發(fā)，也讓我國(guó)瀝青攪拌生產(chǎn)線的技術(shù)水平跟上了國(guó)際發(fā)展步伐。該產(chǎn)品的投放市場(chǎng)，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)廠家產(chǎn)品開(kāi)發(fā)向著大型、綠色、環(huán)保、節(jié)能方向發(fā)展。例如現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的徐工、德基、雪桃等廠家已能生產(chǎn)320t/h的瀝青攪拌生產(chǎn)線。2001年西安筑路機(jī)械又開(kāi)發(fā)出具有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的獲國(guó)家專利并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的J2000型國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及轉(zhuǎn)箱式瀝青攪拌生產(chǎn)線。我國(guó)公路建設(shè)仍在快速發(fā)展，對(duì)瀝青攪拌生產(chǎn)線的需求量仍在大幅增加。對(duì)產(chǎn)品的性能和質(zhì)

18、量也提出了更高的要求。目前我國(guó)有能力生產(chǎn)瀝青攪拌生產(chǎn)線的廠家初步統(tǒng)計(jì)有70多家，其中年生產(chǎn)能力在1000臺(tái)（含1000型以下）以上在10家左右。國(guó)內(nèi)每年需求量大約800臺(tái)。其中，進(jìn)口生產(chǎn)線約150臺(tái)，主要集中在生產(chǎn)能力為240t/h以上的產(chǎn)品上，而進(jìn)口生產(chǎn)線的銷售額卻占總銷售額的50%左右。1.2.2 瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線的發(fā)展趨勢(shì)隨著中國(guó)交通道路網(wǎng)的不斷壯大與延伸，道路的施工設(shè)備也在不斷發(fā)展改進(jìn)。在高等級(jí)公路的建設(shè)中，瀝青混凝土作為一種面層料，越來(lái)越多地被道路設(shè)計(jì)者們采用，而瀝青拌和樓就擔(dān)負(fù)起了生產(chǎn)瀝青混凝土的使命。道路建設(shè)速度日益加快，中小型的瀝青拌和樓已經(jīng)不能滿足道路建設(shè)的需求。10年前

19、產(chǎn)量在120t/h的瀝青攪拌站樓已經(jīng)漸漸逐出市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的舞臺(tái)，取而代之的是360t/h及400t/h等高產(chǎn)量的瀝青攪拌生產(chǎn)線，他們漸漸成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。隨著瀝青攪拌生產(chǎn)線產(chǎn)量的增大，其各部位結(jié)構(gòu)也相應(yīng)地隨之增大，作為一種大型機(jī)械，攪拌生產(chǎn)線的基礎(chǔ)及設(shè)備安裝應(yīng)引起我們的高度重視。同時(shí)，由于工程建設(shè)對(duì)瀝青混凝土的要求越來(lái)越高，控制精確的油石比收到格外重視。1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容及目標(biāo)本次設(shè)計(jì)的瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線按照固定的工作程序，有條不紊的完成每步動(dòng)作，以達(dá)到系統(tǒng)的控制要求。本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容：用PLC做控制器，完成對(duì)瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線的自動(dòng)控制，該瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線是將兩種石料、兩種粉料和瀝青三

20、類材料，根據(jù)工程配方稱重后放到攪拌缸中進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢韬蠓湃氲叫≤嚥⒋娣诺絻?chǔ)料罐中，系統(tǒng)周而復(fù)始地工作。設(shè)計(jì)目標(biāo)：用PLC組成控制系統(tǒng)，完成瀝青混凝土的配料和攪拌，從而提高工業(yè)自動(dòng)化程度。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線系統(tǒng)的工藝流程系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，三個(gè)料斗處于關(guān)閉狀態(tài)，石料秤斗先通過(guò)電子秤稱取1#石料，當(dāng)稱量值到關(guān)閉1#石料倉(cāng)門(mén)，接著電子秤稱取2#石料，直至2#石料稱量值到，關(guān)閉2#石料倉(cāng)門(mén)；在稱石料的同時(shí)，粉秤斗與瀝青秤斗也開(kāi)始稱料。粉秤斗稱量過(guò)程同石料一樣，都通過(guò)電子秤稱量，而瀝青秤斗通過(guò)控制閥門(mén)開(kāi)度控制瀝青流量。當(dāng)所有原料稱量完畢，開(kāi)啟各自秤斗閥門(mén)注入拌缸攪拌，然后注入料

21、車通過(guò)傳送帶送至儲(chǔ)料罐。其工藝流程圖見(jiàn)圖2.1。圖2.1 瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線工藝流程圖2.2 系統(tǒng)方案論證及組成2.2.1 系統(tǒng)的方案論證1、可編程控制器與繼電器控制系統(tǒng)的比較幾十年來(lái)，繼電器控制系統(tǒng)為工業(yè)控制的發(fā)展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工業(yè)領(lǐng)域中大量地應(yīng)用，然而其控制性能與自身的功能已無(wú)法滿足與適應(yīng)工業(yè)控制的要求和發(fā)展，繼電器控制系統(tǒng)故障率高，大大降低了控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，因此繼電器控制系統(tǒng)與PLC相比較，存在著質(zhì)的差別，表2.1給出可編程控制器與繼電器控制系統(tǒng)功能與特點(diǎn)的比較。表2.1 可編程控制器與繼電器控制功能與特點(diǎn)的比較比較項(xiàng)目可編程控制器繼電器控制控制功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)

22、行編程實(shí)現(xiàn)所需控制功能進(jìn)行硬件接線完成控制可靠性采用軟繼電器，可靠性高元器件多觸點(diǎn)多，易出現(xiàn)故障控制的實(shí)時(shí)性微處理器控制，實(shí)時(shí)性非常好機(jī)械動(dòng)作時(shí)間常數(shù)大實(shí)時(shí)性差占用空間與安裝體積小，重量輕控制柜體積大、笨重使用壽命壽命長(zhǎng)易損、壽命短復(fù)雜控制能力很強(qiáng)極差價(jià)格較高較低維護(hù)工作量小復(fù)雜、工作量大2、可編程控制器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的比較通用計(jì)算機(jī)具有十分強(qiáng)大的計(jì)算與數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)數(shù)據(jù)的處理速度已經(jīng)達(dá)到極高的水平，但是應(yīng)用較差，在很多方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有PLC功能強(qiáng)大，表2.2給出可編程控制器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)功能與特點(diǎn)的比較。表2.2 可編程控制器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)功能與特點(diǎn)的比較比較項(xiàng)目可編程控制器通用計(jì)算機(jī)

23、工作方式掃描式中斷式編程語(yǔ)言語(yǔ)句表、梯形圖等匯編、高級(jí)語(yǔ)言續(xù)表2.2工作環(huán)境可在環(huán)境差工作要求工作環(huán)境較高對(duì)使用著要求語(yǔ)言易學(xué)專門(mén)語(yǔ)言培訓(xùn)可靠性工業(yè)級(jí)要求商業(yè)級(jí)要求系統(tǒng)軟件功能專用功能強(qiáng)大適用領(lǐng)域工業(yè)控制辦公、管理，科學(xué)計(jì)算從上面的論述和比較可以看出，PLC的硬件決定了它的可靠性和控制功能比繼電器控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)高的多，它是專門(mén)為工業(yè)控制場(chǎng)合設(shè)計(jì)的，所以它的穩(wěn)定性好，而且它操作簡(jiǎn)單靈活，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)和功能擴(kuò)展。選用PLC控制瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線，其硬件接線少、線路設(shè)計(jì)合理、編程簡(jiǎn)單，參數(shù)修改簡(jiǎn)便，降低了維修率，提高了工作效率；具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。所以本設(shè)計(jì)采

24、用可編程序控制器作控制器。2.2.2 系統(tǒng)的組成本系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-200 PLC控制，系統(tǒng)稱料分為三路：石料、石粉和瀝青。當(dāng)系統(tǒng)起動(dòng)，若三個(gè)料斗都處于關(guān)門(mén)狀態(tài)，三種材料根據(jù)工程配方開(kāi)始稱料，根據(jù)稱量值是否達(dá)到預(yù)設(shè)值而控制進(jìn)料閥的關(guān)閉，并控制攪拌電機(jī)和傳送帶的工作，系統(tǒng)由PLC控制器，石料、石粉和瀝青的稱重電路，A/D轉(zhuǎn)換模塊以及電機(jī)控制電路等部分組成，并通過(guò)觸摸屏來(lái)進(jìn)行參數(shù)修訂和顯示。PLC控制的瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2。1#石料稱量電路2#石料稱量電路1#石粉稱量電路2#石粉稱量電路瀝青稱量電路A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換S7-200 PLC

25、控制器觸摸屏控制電路圖2.2 PLC控制的瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1、PLC控制器PLC控制器是瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，各稱量電路根據(jù)原料的稱量值是否達(dá)到預(yù)設(shè)值而向PLC的輸入端發(fā)送或者停止發(fā)送電信號(hào)，PLC根據(jù)輸入的信號(hào)自動(dòng)控制相對(duì)應(yīng)的控制電路從而控制瀝青混凝土原料配比。2、石料（石粉/瀝青）稱量電路石料（石粉/瀝青）秤斗的皮帶秤先稱取石料（石粉/瀝青），當(dāng)稱量值到，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將信號(hào)送PLC，關(guān)閉石料（石粉/瀝青）倉(cāng)門(mén)。3、 A/D轉(zhuǎn)換采用西門(mén)子專門(mén)A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送至PLC進(jìn)行控制。4、控制電路控制電路有石料閥

26、門(mén)、石粉閥門(mén)及瀝青閥門(mén)控制電路。4個(gè)電機(jī)分別控制4個(gè)皮帶秤的啟停及調(diào)速，1個(gè)電機(jī)控制攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)，2個(gè)電機(jī)控制傳送帶的啟停及運(yùn)行。第3章 瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線硬件設(shè)計(jì)3.1 可編程控制器可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)而開(kāi)發(fā)的新一代工業(yè)控制器。它具有可靠性高、適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高溫、沖擊和振動(dòng)等惡劣環(huán)境的特點(diǎn)，已成為解決自動(dòng)控制問(wèn)題的最有效工具，是當(dāng)前先進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一。3.1.1 可編程控制器的概念可編程控制器(Programmable Logical Controller)簡(jiǎn)稱PLC。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1985年的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案第3稿中，對(duì)PLC作

27、了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可 編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令。并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！?.1.2 可編程控制器的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程是復(fù)雜多樣的，它們對(duì)控制的要求也各不相同。PLC一經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程技術(shù)人員的歡迎。PLC具有如下特點(diǎn)：（1）編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序。（2）維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)。（3）可靠性高于繼電器控制裝置。（4）體積

28、小于繼電器控制盤(pán)。（5）數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)。（6）成本可與繼電器控制盤(pán)競(jìng)爭(zhēng)。（7）輸入可以是交流電。（8）可直接驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥等。（9）擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小。（10）用戶存儲(chǔ)器至少擴(kuò)展到4KB。3.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展迅速，產(chǎn)品更新?lián)Q代；開(kāi)發(fā)各種智能化模塊，不斷增強(qiáng)過(guò)程功能；PLC與個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）結(jié)合；通信聯(lián)網(wǎng)功能不斷增強(qiáng)；發(fā)展新的編程語(yǔ)言，增強(qiáng)容錯(cuò)功能。3.1.4 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。1、開(kāi)關(guān)量的邏輯控制這是PLC

29、最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書(shū)機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。2、模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3、運(yùn)動(dòng)控制PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于開(kāi)關(guān)量I/O模塊連接位置傳

30、感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。4、過(guò)程控制過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。5、數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、

31、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無(wú)人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過(guò)程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。6、通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3.1.5 可編程控制器的系統(tǒng)組成PLC

32、種類繁多，但其組成和工作原理基本相同。用PLC實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入/輸出變換，并將這個(gè)變換給以物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門(mén)設(shè)計(jì)的輸入/輸出接口電路等組成。1、中央處理單元（CPU）中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞，是PLC的核心起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映

33、象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。2、存儲(chǔ)器PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。PLC使用的存儲(chǔ)器類型有三種：ROM、RAM和EEPROM。3、輸入/輸出模塊輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡(jiǎn)稱為I/O模塊。PLC的輸入和輸出信號(hào)類型可以是開(kāi)關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出模塊從廣義上分包含兩部分：一是與控制設(shè)備相連接的接口電路；另一部分是輸入和

34、輸出的映像寄存器。輸入模塊用于接收來(lái)自用戶設(shè)備的各種控制信號(hào)，如限位開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)以及其他一些傳感器的信號(hào)。輸出模塊用于將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU能夠識(shí)別和處理的信號(hào)，并存到輸入映像寄存器。4、電源模塊PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供5V、12V、24V等直流電源，使PLC能正常工作。5、接口模塊接口模塊用于將擴(kuò)展單元或功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。6、通信接口為了實(shí)現(xiàn)“人機(jī)”或“機(jī)機(jī)”之間的對(duì)話，PLC配有多種通信接口。7、編程器過(guò)去的編程設(shè)備一般是編程器，其功能僅限于用戶程序讀寫(xiě)和調(diào)試。8、其他部

35、分需要時(shí)，PLC可配有存儲(chǔ)器卡、電池卡等。3.1.6 可編程控制器的工作原理PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，故它的工作原理是建立在計(jì)算機(jī)工作原理之上，即通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是 CPU是以分時(shí)操作方式來(lái)處理各項(xiàng)任務(wù)的，計(jì)算機(jī)在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應(yīng)各電器的動(dòng)作，所以它屬于串行工作方式。概括而言，PLC是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作的。3.1.7 可編程控制器的編程語(yǔ)言編程語(yǔ)言是PLC的重要組成部分，常見(jiàn)的編程語(yǔ)言有梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）、順序功能圖（SFC）、結(jié)構(gòu)化文本和指令表（IL）。3.2 系統(tǒng)的輸入/

36、輸出信號(hào)3.2.1 輸入信號(hào)分析輸入設(shè)備用于產(chǎn)生輸入控制信號(hào)，本設(shè)計(jì)中輸入設(shè)備包括以下幾種：1、啟動(dòng)按鈕和停止按鈕2、傳感器檢測(cè)信號(hào)根據(jù)系統(tǒng)控制要求，輸入信號(hào)分析如下：?jiǎn)?dòng)信號(hào)1個(gè)；停止信號(hào)1個(gè)；稱重傳感器檢測(cè)信號(hào)5個(gè)；速度傳感器檢測(cè)信號(hào)4個(gè)；流量傳感器檢測(cè)信號(hào)1個(gè)。表3.1 輸入設(shè)備及其電氣符號(hào)輸入信號(hào)名稱電氣符號(hào)啟動(dòng)按鈕SF1停止按鈕SF21#皮帶秤稱重傳感器BP12#皮帶秤稱重傳感器BP23#皮帶秤稱重傳感器BP34#皮帶秤稱重傳感器BP4瀝青斗稱重傳感器BP51#皮帶秤測(cè)速傳感器BS12#皮帶秤測(cè)速傳感器BS23#皮帶秤測(cè)速傳感器BS34#皮帶秤測(cè)速傳感器BS4瀝青斗流量傳感器BL3.

37、2.2 輸出信號(hào)分析輸出設(shè)備是PLC的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行元件，本設(shè)計(jì)中由PLC輸出控制的信號(hào)有：閥門(mén)繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，皮帶秤電機(jī)接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，傳送帶電機(jī)接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，攪拌器電機(jī)接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，速度輸出信號(hào)，流量輸出信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，輸出控制信號(hào)分析如下：閥門(mén)繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)9個(gè)；皮帶秤電機(jī)接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)4個(gè)；傳送帶電機(jī)接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)2個(gè)；攪拌器電機(jī)接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)1個(gè)；速度輸出信號(hào)4個(gè)；流量輸出信號(hào)1個(gè)。表3.2輸出設(shè)備及其電氣符號(hào)輸出設(shè)備名稱電氣符號(hào)1#石料閥門(mén)繼電器KF12#石料閥門(mén)繼電器KF21#石粉閥門(mén)繼電器KF32#石粉閥門(mén)繼電器KF4瀝青料倉(cāng)閥門(mén)繼電器KF51#皮帶秤電機(jī)接觸器

38、QA12#皮帶秤電機(jī)接觸器QA23#皮帶秤電機(jī)接觸器QA34#皮帶秤電機(jī)接觸器QA4石料斗閥門(mén)繼電器KF6石粉斗閥門(mén)繼電器KF7瀝青斗閥門(mén)繼電器KF8拌缸閥門(mén)繼電器KF9攪拌器電機(jī)接觸器QA51#傳送帶電機(jī)接觸器QA62#傳送帶電機(jī)接觸器QA73.3 PLC選擇及擴(kuò)展模塊的選擇3.3.1 PLC的選擇PLC誕生不久即顯示了其在工業(yè)控制中的重要地位，目前國(guó)際上生產(chǎn)PLC的公司有很多，如德國(guó)的西門(mén)子、日本的三菱、歐姆龍、松下；法國(guó)的TE、施耐德、韓國(guó)的三星等。本設(shè)計(jì)選用的是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200系列的PLC。S7-200系列PLC是西門(mén)子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能已經(jīng)達(dá)到大、中

39、型PLC的水平，而價(jià)格卻和小型PLC的一樣。CPU22*系列PLC它有如下六種不同結(jié)構(gòu)的配置單元：（1）CPU221本機(jī)集成6輸入/4輸出，無(wú)擴(kuò)展能力。（2）CPU222本機(jī)集成8輸入/6輸出，最多可擴(kuò)展2個(gè)模塊。（3）CPU224本機(jī)集成14輸入/10輸出，最多可擴(kuò)展7個(gè)模塊。（4）CPU224XP本機(jī)集成14輸入/10輸出，最多可擴(kuò)展7個(gè)模塊，并且在主機(jī)上增加了2輸入/1輸出的模擬量單元和一個(gè)通信口。（5）CPU226本機(jī)集成24輸入/16輸出，最多可擴(kuò)展7個(gè)模塊，具有2個(gè)通信口。綜上所述，瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)為2點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)為16點(diǎn)，綜合分析瀝青混凝土攪拌生產(chǎn)線系

40、統(tǒng)的動(dòng)作要求，并且系統(tǒng)要具有通信功能，考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)指標(biāo)和不同型號(hào)S7-200CPU的特點(diǎn)，以及對(duì)它的控制要求和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力等多方面的要求，根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)選擇PLC型號(hào)為S7-200CPU226。3.3.2 擴(kuò)展模塊的選擇由于選擇的是CPU226型號(hào)，為數(shù)字量24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出，缺模擬量10點(diǎn)輸入，5點(diǎn)輸出，故本系統(tǒng)需對(duì)模擬量進(jìn)行模塊擴(kuò)展。S7-200系列的PLC的主機(jī)提供一定數(shù)量的數(shù)字量I/O和模擬量I/O，當(dāng)CPU的I/O點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時(shí)，就要進(jìn)行I/O的擴(kuò)展。I/O擴(kuò)展包括I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。不同的CPU有不同的擴(kuò)展規(guī)范，它主要受CPU的

41、功能限制。S7-200PLC的模擬量擴(kuò)展模塊有：（1）模擬量輸入擴(kuò)展模塊EM231 共有3種：4AI、2路熱電阻輸入和4路熱電偶輸出。（2）模擬量輸出擴(kuò)展模塊EM232 只有一種2路模擬量輸出的擴(kuò)展模塊。（3）模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊EM235只有一種4路AI/1路AO（占用2路輸出地址）。根據(jù)本系統(tǒng)需要模擬量輸入10點(diǎn)，輸出5點(diǎn)，需要3個(gè)EM235，一個(gè)EM232，共有12路AI，5路AO。本系統(tǒng)本設(shè)計(jì)的CPU226 與EM235及EM232模塊連接方式如圖3.1所示。模塊4EM232模塊3EM235模塊2EM235模塊1EM235主機(jī)CPU226AC/DC繼電器圖3.1 模塊連接方式表3.

42、3為各模塊編址。表3.3 各模塊編址主機(jī)I/O模塊1I/O模塊2I/O模塊3I/O模塊4I/OI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1Q1.2 Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6Q1.7AIW0AIW2AIW4AIW6AQW0AIW8AIW10AIW12AIW14AQW4AIW16AIW18AIW20AIW22AQW8AQW12AQW163.4 系統(tǒng)I/O分配1、數(shù)字量輸入部分控制系統(tǒng)的數(shù)字輸入信號(hào)有啟動(dòng)、停止信號(hào)等。表3.4 數(shù)

43、字量輸入 I/O分配表輸入地址分配功能對(duì)應(yīng)的外部設(shè)備I0.0啟動(dòng)SF1I0.1停止SF22、數(shù)字量輸出部分該系統(tǒng)需要控制的外部輸出設(shè)備的輸出信號(hào)有閥門(mén)繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，皮帶秤電機(jī)接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，傳送帶電機(jī)接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，攪拌器電機(jī)接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，速度輸出信號(hào)，流量輸出信號(hào)。表3.5 數(shù)字量輸出I/O分配表輸出地址分配功能對(duì)應(yīng)的輸出設(shè)備Q0.01#石料閥門(mén)繼電器KF1Q0.12#石料閥門(mén)繼電器KF2Q0.21#石粉閥門(mén)繼電器KF3Q0.32#石粉閥門(mén)繼電器KF4Q0.4瀝青料倉(cāng)閥門(mén)繼電器KF5Q0.51#皮帶秤電機(jī)接觸器QA1Q0.62#皮帶秤電機(jī)接觸器QA2Q0.73#皮帶秤電機(jī)接觸器QA3Q1

44、.04#皮帶秤電機(jī)接觸器QA4Q1.1石料斗閥門(mén)繼電器KF6Q1.2石粉斗閥門(mén)繼電器KF7Q1.3瀝青斗閥門(mén)繼電器KF8Q1.4拌缸閥門(mén)繼電器KF9續(xù)表3.5Q1.5攪拌器電機(jī)接觸器QA5Q1.61#傳送帶電機(jī)接觸器QA6Q1.72#傳送帶電機(jī)接觸器QA73、模擬量輸入部分模擬量輸入信號(hào)有稱重傳感器檢測(cè)信號(hào)、速度傳感器檢測(cè)信號(hào)、流量傳感器檢測(cè)信號(hào)等。表3.6 模擬量輸入分配表輸入地址分配功能AIW01#稱重傳感器檢測(cè)信號(hào)AIW22#稱重傳感器檢測(cè)信號(hào)AIW43#稱重傳感器檢測(cè)信號(hào)AIW64#稱重傳感器檢測(cè)信號(hào)AIW8瀝青斗稱重傳感器檢測(cè)信號(hào)AIW101#速度傳感器檢測(cè)信號(hào)AIW122#速度傳感

45、器檢測(cè)信號(hào)AIW143#速度傳感器檢測(cè)信號(hào)AIW164#速度傳感器檢測(cè)信號(hào)AIW18瀝青斗流量傳感器檢測(cè)信號(hào)4、模擬量輸出部分模擬量輸出信號(hào)有速度輸出信號(hào)，流量輸出信號(hào)等。表3.7 模擬量輸出 I/O分配表輸出地址分配功能AQW01#皮帶秤速度輸出信號(hào)AQW42#皮帶秤速度輸出信號(hào)續(xù)表3.7AQW83#皮帶秤速度輸出信號(hào)AQW124#皮帶秤速度輸出信號(hào)AQW16瀝青斗流量輸出信號(hào)3.5 PLC外部接線設(shè)計(jì)PLC外部電氣接線圖如圖3.2（a）、3.2（b）。（a）CPU226外部接線圖3.2 PLC外部電氣接線圖（b）外部擴(kuò)展模塊接線圖3.2 系統(tǒng)硬件接線EM235、EM232的輸出接變頻器S1

46、、S2端。3.6 稱量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.6.1 電子皮帶秤電子皮帶秤是機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是利用皮帶的運(yùn)轉(zhuǎn)將其上物料進(jìn)行稱重，并根據(jù)流量設(shè)定的要求調(diào)整皮帶速度，使出料口物流達(dá)到設(shè)定流量。電子皮帶秤不僅用于各種規(guī)則物體稱量，還可稱量各種散裝的連續(xù)物料。電子皮帶秤稱重橋架安裝于輸送機(jī)架上，當(dāng)物料經(jīng)過(guò)時(shí)，計(jì)量托輥檢測(cè)到皮帶機(jī)上的物料重量通過(guò)杠桿作用于稱重傳感器，產(chǎn)生一個(gè)正比于皮帶載荷的電壓信號(hào)。速度傳感器直接連在大直徑測(cè)速滾筒上，提供一系列脈沖，每個(gè)脈沖表示一個(gè)皮帶運(yùn)動(dòng)單元，脈沖的頻率正比于皮帶速度。稱重儀表從稱重傳感器和速度傳感器接收信號(hào)，通過(guò)積分運(yùn)算得出一個(gè)瞬時(shí)流量值和累積重量值，并顯示出來(lái)。電子皮帶

47、秤的結(jié)構(gòu)原理如圖3.3所示。物料運(yùn)輸?shù)姆较蛉鐖D3.3中箭頭所示。皮帶秤分為3個(gè)區(qū)域，自左至右分別是落料區(qū)、稱重區(qū)和出料區(qū)，稱重框架(圖中粗線部分)全部支撐在支點(diǎn)上，稱重托輥正好位于稱量區(qū)的中點(diǎn)，稱重傳感器位于支點(diǎn)和稱量托輥的中點(diǎn)。在調(diào)整時(shí)，考慮到皮帶自身的重量及調(diào)整的簡(jiǎn)便，一開(kāi)始在稱重傳感器上便有一個(gè)力，稱之為預(yù)加載。這樣在沒(méi)有物料的時(shí)候，皮帶作用在稱重托輥上的力、稱重傳感器上的預(yù)加載以及配重塊，這幾個(gè)作用力對(duì)稱重框架共同作用，使得稱重框架達(dá)到了平衡。這點(diǎn)便是電子皮帶稱的稱重零點(diǎn)，所有的稱量均須以此點(diǎn)為基準(zhǔn)。圖3.3 電子皮帶秤的結(jié)構(gòu)原理圖3.6.2 稱重傳感器的原理稱重傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的快

48、速、準(zhǔn)確的稱量，它是影響電子秤測(cè)量精度的關(guān)鍵部件，目前除特殊用途外，90以上采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器。四片電阻應(yīng)變片分別粘在傳感器粱的上下平面，即連成惠斯登電橋。稱重傳感器電氣原理圖如圖3.4所示。圖中R1R4為電橋測(cè)量電阻應(yīng)變片；RD初始不平衡補(bǔ)償電阻；RT零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻；RE輸出靈敏度溫度補(bǔ)償電阻。稱重傳感器的激勵(lì)電壓為10V，稱重傳感器的靈敏度為11.5mV，則稱重傳感器的額定載荷下的輸出電壓為1015mV。圖3.4 稱重傳感器電氣原理圖當(dāng)被測(cè)物的重量通過(guò)傳感器直接作用在粘有電阻應(yīng)變片的彈性梁時(shí)，使其彎曲變形，梁相對(duì)變形大小正比于外加載荷。同時(shí)，粘貼在梁上、下平面上的電阻應(yīng)變片同步產(chǎn)生

49、電阻應(yīng)變，且與梁變形(或梁應(yīng)力)成正比。粘貼在梁平面的R1、R2電阻應(yīng)變片阻值增加，R3、R4電阻應(yīng)變片阻值減小，故電橋失去平衡，對(duì)角端有不平衡電壓輸出，其不平衡電壓正比于被測(cè)物重量。稱重傳感器根據(jù)所受力的大小輸出一個(gè)電壓信號(hào)，輸出的電壓信號(hào)與所受力的大小之間是一種線性關(guān)系，特性曲線如圖3.5所示。特性曲線橫坐標(biāo)表示稱重傳感器所受的力，縱坐標(biāo)表示稱重傳感器輸出電壓。傳感器受一定的力，便對(duì)應(yīng)輸出一定的電壓，在二維圖形上形成一個(gè)點(diǎn)，將許許多多不同的點(diǎn)連接起來(lái)，則是一條直線，即是稱重傳感器受力與輸出電壓之間的關(guān)系曲線。鑒于二者之間的關(guān)系，利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼，根據(jù)兩點(diǎn)能確定一條直線的原理，便可求出稱重傳

50、感器受力與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3.5 稱重傳感器受力與輸出電壓關(guān)系曲線皮帶稱上沒(méi)有物料時(shí)，皮帶稱已經(jīng)受到一個(gè)預(yù)加載力F0，對(duì)應(yīng)的電壓輸出值為V0，在稱重托輥上加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼，重量為B。此時(shí)，傳感器上所受的力為F1，輸出電壓為V1，V1的值是可知的，則F1的大小為預(yù)加載力與標(biāo)準(zhǔn)砝碼之和，F(xiàn)1=F0+B。即，B=F1-F0因此，當(dāng)某個(gè)X重量的物體被稱重時(shí)，由此時(shí)的輸出電壓便能求出它的重量X。具體分析如下：設(shè)重量X的物體加載后，傳感器受力為FX，輸出電壓為VX。 FX=F0+X （3-1）即， X=FX-F0 （3-2）根據(jù)三角形相似原理，可求得 （3-3）將式（3-1）、（3-2）代入式（3-3

51、）得 （3-4）則， （3-5）式中，B為標(biāo)準(zhǔn)砝碼重量，V0為空載時(shí)的輸出電壓，V1為加上標(biāo)準(zhǔn)砝碼時(shí)的輸出電壓，VX為X重量物體加載時(shí)輸出電壓(可在物體加載時(shí)讀取)，V0和V1的讀取由校零部分完成。任何物體的重量便都可以由式(3-5)計(jì)算而來(lái)。電子皮帶稱是連續(xù)稱重的設(shè)備，就是說(shuō)物體從進(jìn)入稱重區(qū)開(kāi)始一直到走出稱重區(qū)為止，所得重量才是物體真正的重量，在這一過(guò)程計(jì)算機(jī)要經(jīng)過(guò)幾百次的采樣，這幾百次的采樣必須累加后才是物體的重量，如果每次采樣的數(shù)據(jù)都按式(3-5)計(jì)算后并累加，最后的結(jié)果與真實(shí)值會(huì)有極大的差距。物體從皮帶稱走過(guò)時(shí)稱重傳感器的受力情況如圖3.6所示。圖3.6中L為物體在皮帶上走過(guò)的距離，F(xiàn)

52、為稱重傳感器受的力。圖3.6 稱重傳感器的受力物體落在皮帶上且位于稱重區(qū)以外時(shí)，稱重傳感器不受力。當(dāng)物體落在稱重區(qū)邊沿L1時(shí)，傳感器開(kāi)始受力并逐漸增大；當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)到稱重區(qū)中部LM(稱重托輥)時(shí)，傳感器受力最大：以后物體逐漸離開(kāi)稱重托輥，受力也逐漸減?。划?dāng)物體過(guò)了L2點(diǎn)離開(kāi)稱重區(qū)時(shí)，傳感器上就不受力。由數(shù)學(xué)知識(shí)知道，由這條曲線所圍的面積等于物體的重量。每次采樣走過(guò)的距離為L(zhǎng)，根據(jù)幾百次采樣所得的曲線以及L2-L1的稱重區(qū)長(zhǎng)度，便可計(jì)算出該物體的重量。解決了連續(xù)物料稱重的問(wèn)題。3.6.3 稱重傳感器的選型系統(tǒng)選用ICS14電子皮帶秤，選用的稱重傳感器為電阻應(yīng)變片拉式（壓）力傳感器。稱重傳感器主要技

53、術(shù)參數(shù)：（1）輸出：4-20mA（2）非線性：小于額定輸出的0.05 （3）重復(fù)性：小于額定輸出的0.03 （4）滯后：小于額定輸出的0.03 （5）溫度靈敏度：零值時(shí)為0.003，滿值時(shí)為0.004（6）安全過(guò)載： 1503.6.4 流量控制 本系統(tǒng)需要控制石料、石粉的流量，采用PID調(diào)節(jié)，控制精確的物料量。所謂流量，就是一定時(shí)間內(nèi)皮帶上走過(guò)的物料量。在過(guò)程控制中，按偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制，簡(jiǎn)稱為PID控制。(1)PID調(diào)節(jié)原理PID控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，是工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具。PID控

54、制結(jié)構(gòu)圖如圖3.7所示，控制器輸入和輸出(誤差)之間的關(guān)系在時(shí)域中可用公式表示如下：圖3.7 PID控制結(jié)構(gòu)框圖 （3-6）公式中e(t)表示誤差、控制器輸入，u(t)是控制器的輸出，KP為比例系數(shù)，Ti為微分時(shí)間常數(shù)，TD為積分時(shí)間常數(shù)。比例(P)控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steadystate error)。積分(I)控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)(System with Ste

55、adystate Error)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分(D)控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的

56、作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。(2)流量PID算法設(shè)系統(tǒng)偏差為e(t)，PID控制規(guī)律模型為： （3-7）式中，KP為比例系數(shù)，Ti為微分時(shí)間常數(shù)，TD為積分時(shí)間常數(shù)。式(3-7)是描述連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，由于采用微機(jī)控制須得到數(shù)

57、字控制器的表達(dá)形式，需將式子離散化代之為描述離散系統(tǒng)的差分方程。用矩形法進(jìn)行數(shù)值積分，得到PID算法為： （3-8）m(k)為速度碼，決定皮帶運(yùn)行速度的大小。e(k)為流量偏差值，即瞬時(shí)流量與設(shè)定流量的差值。把m(k)作為控制信號(hào)的時(shí)候，m(k)便直接決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量、壓力等。如果直接用式(3-8)編制PID控制程序，那么一旦由于某種原因，如故障、輸入或輸出信號(hào)受到干擾，而使m(k)為某一極值時(shí)，則被控對(duì)象也將作出大幅度的劇烈變化，有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。原因在于此算法給出的只是當(dāng)時(shí)控制量的大小，但與此時(shí)之前時(shí)刻的偏差大小、控制量大小都孤立無(wú)緣、完全不相干。將式(3-8)轉(zhuǎn)化得到： （3-9

58、）將式(3-8)與(3-9)相減，得到： （3-10）式(3-9)每次得到的結(jié)果不再是控制量的大小，而是控制量的變化，即在前一個(gè)變化量基礎(chǔ)上增加一個(gè)變化量，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。式(3-9)為增量式算法，(3-10)為位置式算法。3.7 變頻器本系統(tǒng)需要對(duì)石料、石粉及瀝青流量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，故需要進(jìn)行變頻調(diào)速控制，采用三菱FR-A540變頻器。3.7.1 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)定子對(duì)稱的三相繞組中通入對(duì)稱的三相交流電，此時(shí)電機(jī)氣隙內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速 （3-11）式中：定子繞組電源頻率；p 電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率 （3-12）則異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 （3-13）電

59、動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持每極磁通量m為額定值不變。磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的磁通，是一種浪費(fèi)；若要增大磁通，又會(huì)使磁通飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過(guò)熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持Fm。不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值 （3-14）式中Eg：氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，單位為V；f1：定子頻率，單位Hz；N1：定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；KNl：基波繞組系數(shù)；Fm：每極氣隙磁通量，單位為Wb。3.7.2 變頻器的控制方式變頻器的控制模式指的是

60、針對(duì)頻率、電壓、磁通和電磁轉(zhuǎn)矩等參數(shù)之間的配合關(guān)系，比較常用的控制模式有U/f 控制模式和矢量控制模式兩大類，其中在原理上最簡(jiǎn)單的是U/f模式。電壓與頻率配合調(diào)整是變頻調(diào)速的基本原理，電壓與頻率以函數(shù)關(guān)系共同變化是最容易想到的方法。它的主要目標(biāo)是轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，而交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速又主要與頻率有關(guān)，因此在改變交流電動(dòng)機(jī)輸入頻率的同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)的電壓，并保持電動(dòng)機(jī)磁通近似恒定，這樣在保證電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)不下降的前提下，使電機(jī)保持在一個(gè)較寬的調(diào)速范圍內(nèi)。由于此種方式是控制電壓（Voltage）與頻率（Frequency）的比，故稱為U/f 控制。U/f 控制屬于轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制方式，無(wú)需速度傳感器，控制