基于自动配料系统 基于plc的自动配料系统的毕业设计.docx

基于PLC的自动配料控制系统设计

摘要：本设计的方案关键是自动配料控制系统的调节。是基于PLC的全自动配料自动控制系统。选择数据可视化页面以立即掌握自动配料系统的运行状态。自动配料系统的软件和硬件配置级别主要由可编程控制器（PLC），软启动器，皮带驱动电机和其他机械设备组成。自动配料自动控制系统的关键功能是基于三个皮带驱动电机，它们按照设置的程序流程依次运行。而且，使用软起动器完成三相电动机的变频调速，从而实现对材料制备的精确控制。并根据传感器完成实时测量验证，PLC测量实时流量和总流量，比较设定流量值与特定流量值之间的误差，选择传统的PID优化算法完成稳定平衡，经过PID优化算法过程，然后根据可视化的性别顺序调整更改物料的输出数据信号，操纵软起动器以调整皮带驱动电机的速度，然后完成对皮带驱动电机的实时处理。给定的材料。，并通过可视化界面对全自动物料控制系统进行实时的观察和监测。

关键词：自动配料系统；变频器；PID调节；PLC；组态

第一章绪论

1.1研究背景及意义

工业科技的不断发展，在传统工业基础上需要更加快速、精准的适应工业化生产的需求，同时对自动化设备要求也不断增加和愈来愈复杂。在很多传统的工艺流程中，如化工、建材、冶金、发电等，生产人员需要精确的计算各生产原料的配比，以此来提高产品的质量，扩大产品竞争优势，但是经常会遇到多种物料配比控制的情况。自动配料控制系统一般现场粉尘比较大，生产环境比较恶劣，各个原料在配比中有不同的数量，有时候分为主辅料，无论从成分还是比例上都有较大差异，所以对配料的精度和速度有一定的要求；如果是固体原料还会受到环境和温度的影响。在手动控制情况下，生产工作效率和生产产品的质量大打折扣。而且当生产情况发生变化时，需要重新计算设定的物料比，这种方式计算和操作都比较消耗时间，而且人工计算有可能会出现失误，甚至有可能会造成生产成本居高不下，达不到理想的生产效果。所以，生产单位和生产人员就需要引进全自动配料控制的自动配料控制系统来优化工作流程，减少生产的成本。尤其是在重工业行业，如冶金、发电、矿山、建材、化工等行业，就常常需要对生产过程中的物料流量和物料配比实现多次调节、从而控制物料达到使得产品质量最优的准确配比。

利用电子信息技术，我国的科学研究在五十年代中期至后期逐渐发展起来。在六十年代，集成机电工程发展到当前的控制面板。我国控制器的科学研究和检验方法基本达到国际标准，控制面板的生产和应用也得到了发展。关键技术正在朝着动态方向发展，并且测量验证方法也已从最初的模拟输入发展到当前的数据量。精确测量的特性已从单个主要参数的精确测量变为多个主要参数的精确量。总体上说，我国的物料配比系统在产品数量和质量都还有明显的差距，主要的差距是技术和工艺有待提高，工业设备和测试设备开发不足，品种较少，功能也不完善

1.2自动配料控制系统

在自动配料和装料自动控制系统的整个操作过程中，自动配料和装料自动控制系统由可编程控制器执行，以进行数据信号的采集和操纵输出。散装物料的进料方式选择第二种进料方式，总进料流量大，可以在短时间内添加额定净重的90％-95％。精细进料时，总进料流量很小，为额定净重的5％到10％，因为精细进料门在机械设备的整个姿态姿势中，都是为了确保加工精度。进料时，当进料量达到98％时逐渐关闭细度。在达到100％之前，不关上精细进纸门，而是保证进纸门的速度和精度。自动控制系统会在每次称重工作被移除之前测试称重料斗的净重。由于原料在料仓内腔中的粘附而引起的误差，因此在关闭机器电源后设置相应的解决方案。确保关闭机器电源时，料斗中的原料已耗尽。有必要确保在下一个操作中，筒仓中没有散装物料，并且要尽量减少散装物料的长期保留并在筒仓的内壁上固化。精细进料完成后，可以在散装物料稳定后进行检查和称重，从而可以周期性地补偿所获得的误差。自动配料和装载系统软件的电机额定功率可以执行单个闭环控制系统，以达到自动配料和装载的精确目的。自动配料控制系统在运行过程中，自动配料控制系统由需要通过可编程控制器（PLC）对传感器信号进行采集和控制信号输出，物料给料方式采用主从控制方式，在主料给料时，设定值如果流量大，就需要通过PID进行调节，达到期望给定料值，并且通过组态监控界面实时监控料位值。

自动配料系统软件是一个综合系统，集成了针对各种不同工业生产材料（例如食品，化学原料和精炼）的成品运输，测量验证，调味，混合和包装。自动化技术生产线系统软件广泛应用于各个领域。它在各种混合材料的制备和操作中经常遇到。很难掌握人类对材料的操纵。随着科学技术进步的发展趋势和现代化水平的提高，自动化生产和制造已取代劳动力。因此，有必要根据机械设备自动进行批处理。调整和操纵系统软件中的总运输流程，以实现精确的配置。

自动配料自动控制系统一般分为进料部，称重部和进料部。

进料部分是机械和设备的生产和实施，这些设备从储罐或料斗进料到正在运行的生产线。根据材料的特性和功能，可以通过磁感应振动，单速或单速电磁阀以及螺旋振动给料灯进行控制。

称量部分：主要是对物料的重量进行检测，一般是由称重传感器和称量皮带组成，并且需要配备称量显示的仪表设备。

排料部分：通过一定配比的物料需要排出到尾部生产线，通常是由各种电动阀门组成。

配料控制系统：此部分是整个生产过程中的最重要的部分，本设计的主要任务就是完成这一部分的设计，一般是由给PLC可编程逻辑控制器、组态界面和运行电机组成。

一般而言，自动配料系统包含两种关键的操纵方法：主从关系比例控制和总输出比例控制方法。主从关系比率控制必须基于所测量的材料比例，制造人员必须选择一种材料作为主要自变量，而其他类型的材料作为辅助材料。根据辅助材料的比例，按照主要材料确定材料量。当主要材料的量改变时，必须根据比例改变其他辅助材料；总量比例控制方式是预先设定几种物料的比例设定值，并不区分主辅料，分别通过控制设备运输到给料设备上，当下料总量改变时，所有的物料都要根据总量改变给料量，但是总体比例不会改变。

1.2.1设计要求

使用PLC设计满足控制要求的全自动配料控制系统，并且需要完成以下任务：

主电路的设计，并且画出接线示意图。

分配合理的I/O地址，通过表格的形式列出I/O分配表。

设计出全自动配料控制系统的程序框图。

根据程序框图设计出基于PLC编程的梯形控制图。

1.2.2控制要求

本设计为通用的全自动配料控制系统。

自动配料系统将完成多种物料的自动控制配比。

控制方式为主从比例控制方式。

PLC主要是实现对各种物料设定值的采集、装置的启动和停止，包括对电机的精确控制。

1.可视化界面的组态，能够实时监控自动配料过程。

1.2.3可编程控制器（PLC）

在上世纪初，可编程控制器也被称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。PLC的关键功能是基于逻辑操作将其替换传统的继电器，在工业生产中，大量的设备开关量需要进行顺序控制，按照设定的逻辑顺序动作工业设备，并且还具有连锁保护机制，能够最大程度的保护工业设备，使得工业设备的寿命延长。随着工业技术的不断发展趋势，还必须收集大量离散变量的数据和信息。PLC的使用应运而生。PLC可以基于微计算机技术执行的任务长期以来并不是一个简单的逻辑控制。它的功能已经远远超出了逻辑控制功能的范围。因此，随着这种功能的扩展，PLC设备被称为可编程逻辑控制器，通常称为工业PC，它不同于一般的办公PC。具有较好的工作特性和普遍的工业应用性。为了更好地将其与PC（个人计算机）区分开，可编程控制器通常称为PLC。1968年，美国通用汽车公司明确提出用PLC代替汽车继电器控制。后来，美国数据公司开发了用于控制基于集成电路芯片和电子信息技术的机械和设备的产品，并使用程序化交易来控制电气设备。后来，在1969年，美国数据信息设备公司

（DEC）开发了一种经过改进的PLC。如今，为世界各地的项目服务的PLC机械设备，来自美国，日本和法国的可编程控制器的质量更加优质，功能齐全。PLC具有很多优点，关键包括易于使用和易于编程，快速学习可以轻松掌握编程方式；强稳定性和强抗干扰性，适用于复杂自然环境中的工业生产和制造。

PLC分为两种：移动式和整体式。移动型主要由中间控制组件（CPU板），存储器，显示控制面板，运行中的内存块，输入和输出模块以及开关电源组成。这种类型的模块是集成的，不会拆卸。公式。一体型主要由CPU模块，输入/输出模块，声卡机架和开关电源模块组成。这种模块可以根据实际需要进行组装和装配，更加方便。输入和输出模块的输入反映输入数据信号的情况，将电子信号转换为模拟信号并进入PLC系统。输出与输入正好相反，并且模拟信号被转换为电子信号。输入输出模块主要分为开关量输入，开关量输出，模拟量输入和模拟量输出。通用开关键可交流380V和直流24V。有汽车继电器保护和晶体管保护；模拟量主要为4-50mA和0-9V。电源模块主要是为PLC系统提供工作电源，常用的电源有AC220V和DC24V

PLC的工作原理主要是采用扫描方式。无论是组合式还是固定式，CPU都是最重要的，属于神经中枢，每个PLC机器设备都必须有一个CPU。根据CPU，它可以接收数据信号并发出命令，还可以对存储的程序流和数据信息进行加密。扩展功能还可以确认开关电源和PLC内部电源电路的运行。状态和编程梯形图的拼写错误非常强大。当PLC进入操作状态时，CPU从用户程序存储器中检索指令，并在分析后根据设置的命令操作与姿态相关的机械设备的相应数据信号。通常，PLC工作的全过程密钥分为三个阶段：输入数据信号的采样，用户程序调用指令的执行和输出更新控制系统。扫描周期时间是三个阶段的顺序。在整个操作期间，PLCCPU以设置的扫描速度重复这三个阶段。PLC扫描周期时间基本上以毫秒为单位。所有扫描周期时间的关键包括：CPU内部状况的自我诊断，外部通讯检查，输入数据信号采样，客户存储程序操作以及输出控制系统。编程工具通常是计算机图形学的编程软件。我们可以根据编程软件，I/O点分配设计方案，程序流程编写设计方案以及在线连接为可编程控制器执行硬件配置组态软件设计方案，进行监督，根据监督，可以程序调试，并修改程序流程。可编程控制器运行后，我们可以根据外部姿势区分错误的程序流程和必须健康的区域。这也是现场调试工程师必须具备的专业技能。在开发编程时，通常有必要开发系统软件的总体方案设计以确保编程一目了然。进行总体方案设计后，将制定分布式系统设计方案计划，并对各种功能进行单独编程。如有必要，可对操作程序进行模块化以节省编程时间和空间。计划好设计计划后，将对系统进行调试。调试时，请务必先掌握系统软件的调试全过程，并一定要掌握系统软件的技术性，避免调试。错误和被忽略1简单的程序猿是一个相对简单且独特的编程工具。

简易编程器

在独特的编程工具中，我们可以看到功能键入键，各种命令的键入键，各种命令特定的地址数据信息的键入键以及用于标记当前编程详细信息的指示。进行编程时，可以将第一个简单的编程器立即连接到可编程控制板的端口，并可以使用专用通信光缆将其连接到可编程控制板，并且可以根据设置对可编程控制板进行编程。设计方案和调试。编程时，它是第一个掌握各种功能键信息内容的人，并且必须在整个编程过程中将其记录下来，以利于以后的调试和更改。在编程的情况下，必须对I/O点的详细地址分配进行详细说明，以防止在整个编程过程中造成混淆。编写程序后，需要对系统进行调试。在进行调试时，请确保区分系统功能是否正确，如果不正确，请对相应部分进行更改。使其精确。如果修改结束并且程序可以正常执行，则可以拔出简单的编程器并保存它。

图形编程器

普通的图形编程器是LCD图形编程器（便携式），它具有大中型的点矩阵液晶显示器。除了简单的功能外，它还具有立即输入和编写梯形图程序流程的能力，在应用程序中更加方便和可视化。但其价格较高，实际操作较为复杂。CRT作为显示屏的桌面多合一图形编程器也很有效。它本质上是一台专用电子计算机。它具有更强大的功能和更方便的应用，但是它也非常昂贵。

用专用编程软件在个人计算机(PC)上实现编程功能

随着PC的日益普及，新的发展趋势是应用专用的编程手机软件来完成图形编程器在通用PC上的作用。这种编程方法的主要特点是：灵活使用PC的软件和硬件平台（例如计算机硬盘，打印输出和各种手机软件），这大大降低了程序员的成本，也大大降低了编程人员的成本。程序员。改进了程序员的功能，使用非常方便。将一组特殊的“手机编程软件”添加到普通PC后，即可对PLC进行编程和修改。具有梯形图程序流程，系统文件（详细信息）的存储和打印，PLC的网络调试以及系统软件仿真等。可执行程序可以在PC和PLC之间传输，具有以上功能后，PLC的程序(特别是大型程序)编程、调试就显得十分方便和轻松。

综上所述PLC具有以下特点：

基础功能较为完善，硬件设备组合使用较为灵活，可扩展性强，应用范围广泛。

操作方法简单，编程规则低。根据设置的语言表达标准，例如梯形图，逻辑图和句子表等计算机语言，不必具有复杂的计算机系统专业知识，因此系统软件开发时间很短，现场调整周期时间短。

硬件设备方便安装，可靠性优越，抗干扰能力较强。

1.2.4变频器

变频器是应用变频技术与微电子技术的结合设备，主要包括交-直-交变频和交-交变频两种变频方式，交-直-交

变频适用于高速旋转而且容量较小的电动机，交-交变频则适用于低速度旋转和大容量的电动机系统。

1970年左右，脉宽调制变压变频（PWM-VVVF）调速研究逐渐走入工业控制的领域。20世纪80年代，PWM是脉宽调制技术，通过它和可变频率可变电压调速（VVVF）的结合，使得这种PWM-VVVF逐渐成为工业变频控制的主要地位，工程师们根据PWM-VVVF模式创新并研究出众多的优化模式，其中以鞍形波PWM模式最为突出。在上世纪九十年代，工业强国美国、日本和德国等发达国家在工业领域应用并开发的可变电压可变频率的控制变频器投入工业市场，并且得到了世界各国的广泛使用。

可变电压可变频率控制变频器的控制方式相对来说比较简单，主要是根据异步或者同步电动机的电压和频率的比值进行电机调速，变频器主要是由整流器、驱动电路、滤波器和控制器组成。图1-1为PWM型交-直-交变频器的原理图。

图1-1PWM型交-直-交变频器的原理图

从图1-1看出，这是典型的VVVF变频调速电源电路。开关电源基于电子整流器，并且在对逆变器电源进行电容器滤波之后生成直流电源工作电压。逆变器电源的导通控制用于促使输出端子变为矩形脉冲波型，根据其总宽度改变以改变工作电压幅度值，然后改变输出频率。VVVF变频器具有出色的机械设备强度特性，可以满足一般平滑调速的要求，并已广泛用于每种工业产品的制造业。但是，也存在某些缺陷。当频率低时，这种类型的PWM-VVVF逆变器的控制方法具有特别低的输出电压。电动机的电动机定子电阻的损耗会更严重地损害它，因此很容易引起较大的输出。距离不够小。另外，这种用于控制三相异步电动机的逆变器的机械设备特性毕竟不难使用直流电动机，并且动态转矩工作能力和静态数据速度调节特性也不理想。因此，技术工程师要依靠特定的条件。明确提出了矢量素材转换控制的方法。变频器的优点众多主要包括：

能够节省能源的消耗。

变频器使用和维护比较简单。

控制电机的启停特性比较优秀。

对于异步电机的调速具有优良的性能。

1.3本课题主要研究内容

本设计主要是针对通用的工业生产中需要配料为主的工艺流程的控制系统，将可编程逻辑控制器PLC和变频器有机的组合在一起，设计出一个基于PLC的自动配料控制系统，并采用运行在计算机PC端的组态监控界面对配料生产过程实现远程监控和操作。

基于PLC的自动配料和自动控制系统的硬件配置主要由软启动器，可编程序控制器PLC和三相异步电动机组成。这些多个部分可以形成详细的闭环控制系统软件。在此设计中，选择了三个皮带进行运输。因此，还需要三个皮带驱动电动机。根据被监控物料的实时流向，当皮带电机装载物料时，安装在生产现场的传感器会将物料脉冲信号传输到PLC，因为PLC可以解决电子信号，所以必须转换脉冲信号进入电子信号，即流量数据信号。在接收到数据信号后，PLC将比较给定的物料流量和所测试物料流量值的误差，选择PID调节方式，将误差传递给软起动器，以调节其工作电压和输出频率，然后完成电机速比的调节，以完成主料，各辅料的稳定流量也将遵循一定的比例，然后按照制造商设置的秘密配方加工技术进行自动添加，然后完成顺序生产。根据PLC的自动配料自动控制系统，自动配料的自动控制系统由2号主物料电机运行，然后依次运行其他两个电机。

根据查阅的资料和设计目标，完成总体的控制方案设计、硬件设备的选型、PLC选型还有DI和DO模块的选型，I

/O端子分配表的设计，同时绘制系统的主电路图、PLC接线图，设计梯形图控制程序等，最后完成系统的整体调试。

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

2.1.2流量控制原理

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

脉冲信号用作每次总流量的数据信息采样，也就是说，每次PLC接收到脉冲信号时，都会对原材料的总流量进行采样。在PLC内部设置了一个电子计数器。在电子计数器上获取两次总流量采样的间隔时间，也就是在两次采样时间间隔内皮带运输了多长距离，通过计算就可以得到实时的物料流量。

获得了实时流量后，PLC也会按照预定的程序去调取物料流量的设定值。在工业过程控制中，按实时物料流量和给定物料流量的偏差比例、积分、微分进行控制，又被称为PID控制。

PID调节原理

物料流率是在一定时间段内在电机驱动器的传动带上输送的物料总数。传感器获取实时流量，PLC预先设置获取的流量。在特定操作的整个过程中，这两个流程必须有一定的偏差。根据流量偏差，使用比例，积分和微分来测量和计算操纵量以进行操纵。理论上，操纵量输入和输出（误差）之间的相关计算为：

式2-1中表示误差、也就是控制器的输入，

式2-1中

表示误差、也就是控制器的输入，

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。在自动配料的生产过程中，根据偏差进行自动调整时，选择主要物料的设定流量作为输入，并根据总流量设定主要物料和辅助物料。根据PLC的实际生产工艺规程，根据生产工艺的秘密配方设定主辅料的比例。进行调味。该系统软件集成了PLC和软启动器的高质量特性，以完成物料的自动配料。它可以利用最佳控制算法充分利用其优势，以确保产品质量。

图2.4流量PID调节原理图

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

基于PLC的自动配料系统的主要硬件设备是由PLC、物料传感器、变频器、皮带驱动电机及供电电源组成。基于

PLC的自动配料系统的主要设计要求就是是通过比较主要物料的设定流量值和瞬时物料流量值的的偏差，计算出偏差后通过PID调节以此来改变物料的输出，整个过程都是信号的各种传输，通过PLC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，同时辅料也会跟随计算好的配比按配方工艺要求添加。

根据系统的设计任务要求，方案选择为通用型变频器、可编程逻辑控制器PLC和组态软件监控界面、物料传感器的控制方案，通过这套方案能够完成自动配料控制系统的设计。这种控制方式具有以下优点：

①控制方式比较简单，编程大大简化。

②拥有可扩展的通信接口，可以和常用的工业协议如485、Modbus等协议接入，并且能够和其他的控制系统实现信号传输，具有较强的通用性；

③抗干扰能力强、可靠性高。

④能够应用在多个配料系统，如石油、化工、冶金等

2.2.2自动配料系统的组成及控制原理

PLC控制的自动配料系统软件的关键由可编程控制器（PLC），软起动器，物料传感器和皮带驱动电机组成。系统软件的操作流程图如下图所示。

从图中可以看出，系统软件可以分为执行器，信号检测机构和操纵机构。实际为：

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：

插入系统软件，设置配置，按住运行按钮SB1，检查筒仓中是否有物料。如果有物料，则驱动皮带驱动电机启动，配料生产线运行；如果没有材料，则启动料仓，然后启动进料马达，发送直到物料水平已满，进料马达终止，传动带驱动马达启动，配料生产线启动。

图2.6系统配料控制原理图

如上图所示，当物料量超过设定值时，从物料传感器反馈的净重数据信号增加，误差减小，PLC的输出数据信号减小，并且输出频率软起动器减小。如果速度较小，皮带驱动电机的速比会降低，因此流量会稳定在设定值。

当物料量小于设定值时，从物料传感器反馈的物料数据信号减少，误差增加，PLC的输出数据信号增加，软起动器的输出频率增加，速度提高传动系统皮带传动比电动机增加。大，因此流量稳定在设定值。

第三章自动配料系统的硬件设计

系统主要配置的选型

自动配料系统的软件密钥包括皮带驱动电机，可编程序控制器（PLC），模拟输入输入PLC模块，原料传感器和软起动器。这种机械设备的型号选择如下。

皮带驱动电动机的选型

在满足生产机械对拖动系统的数据格式和动态特性要求的前提下，电动机类型的选择必须结构简单，操作实用，维护方便，质量安全性高。价格低廉。充分考虑电动机的办公环境，很可能会产生更多的灰尘，水蒸气，铁针等，因此请选择封闭式三相多线程电动机，即Y系列产品电动机。Y系列电动机具有效率高，能耗低，噪音小，振动小，重量轻，体积小，质量高的特点，运行可靠，维修方便。

PLC及其扩展模块的选型

PLC选型

选择PLC型号的关键是基于所设计的系统软件生产过程的特点和应用规定。此外，还要综合考虑PLC的命令执行

率，命令丰富程度，存储空间，通讯套接字和协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。

根据控制系统实际情况所得的端子数目，由于考虑到PLC端子数目要有一定的留量，所以选择用FX2N-32MR-UA1

/UL展示。PLC端子示意图如下图所表示：

图3.1PLC端子图

PLC扩展模块选型

（1）重量传感器在系统软件中输入的工作压力数据信号为模拟量，软起动器规定PLC输出脉冲信号，