称重配料系统设计 基于PLC的水泥配料控制系统设计

基于PLC的水泥配料控制系统设计

摘要：本文针对水泥生产过程中水泥熟料配料系统进行设计，以提高水泥成品为最终目的，采用西门子s7-200系列PLC作为配料系统的控制核心，利用皮带秤和速度传感器采集物料传送的实时重量与速度,将称重数据与设定值进行对比，利用西门子变频器MicroMaster440对皮带秤的传送电机进行调速，通过调节皮带秤的传送电机转速达到调节配料重量的目的。将水泥配料的实时称重并将检测数据返回PLC与设定值进行对比并进行PID调节。其中PID调节是配料控制系统中控制配料精度的重要环节。最终完成一个精密度高、控制方便的水泥配料控制系统。

关键词：PLC；变频器；自动配料；PID

DesignofcementblendingcontrolsystembasedonPLC

Abstract:Inthispaper,thecementclinkermixingsystemisdesignedinthecementproductionprocesstoimprovethefinalpurposeofthecementproduct.SiemensS7-200seriesPLCisusedasthecontrolcoreofthemixingsystem.Thebeltscaleandspeedsensorareusedtocollectthereal-timeweightandspeedofmaterialtransfer.Theweighingdataiscomparedwiththesetvalue,andthebeltscaleisusedwithSiemensfrequencyconverterMicroMaster440.Thespeedoftheconveyormotorcanbeadjustedtoadjusttheweightoftheingredientsbyadjustingthespeedoftheconveyormotorofthebeltscale.Real-timeweighingofthecementingredientsandreturningthetestdatatothePLCtocomparewiththesetvalueandadjustthePiedmontthem,PIDadjustmentisanimportantlinktocontroltheaccuracyoftheingredientintheingredientcontrolsystem.Finally,ahighprecisionandconvenientcontrolsystemforcementmixingiscompleted.

Keywords:PLC，Frequencyconverter，Automaticingredients，PID

目录

TOC\o1-3\h\z\u第1章绪论1

1.1概述1

1.2国内外研究现状1

1.3水泥生产流程简介2

1.4设计要点2

第2章系统设计思想4

2.1配料系统原理分析4

2.2配料系统模型分析5

2.3配料系统流程设计5

第3章硬件系统设计7

3.1混合物料传送部分7

3.2皮带秤控制部分7

3.3物料仓给料控制部分9

第4章PLC控制系统部分设计10

4.1系统控制要求分析10

4.2硬件介绍及信号传递11

4.3PLC外部接线配置14

第5章组态界面设计16

5.1控制系统程序设计16

5.2子程序设计17

5.3人机交互界面简介18

5.3.1人机界面18

5.3.2组态软件简介18

5.4组态画面设计19

结论23

致谢24

参考文献25

附录1PLC接线图26

附录2自动配料主程序27

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第1章绪论

1.1概述

PLC是一类常用的工业控制计算器，其独特的模块化结构可以根据需求自由搭配，并且编程方便、拥有高效的处理速度、准确的数据处理能力、多种控制功能、稳定可靠的网络技术和突出的价格优势等优点，使其能充分适应大部分工业环境。在现代工业生产基础设施建设中，完全离不开水泥，水泥的产量和需求量已经大致匹配，但是高标准的、节能、自动化的生产方式任具有积极的意义。传统机械式手动配料操作复杂，配料精度低，应对紧急情况反应速度慢，水泥生产系统及配料系统启停顺序不合理造成物料损失。因此,一个可以实现顺序启停，配料精度高的水泥配料控制系统具有研究意义。

1.2国内外研究现状

1、直接数字控制(DirectDigitalControl,简称DDC)系统。在早期水泥生产控制系统中较多采用此类型的控制系统，但伴随着对水泥质量要求的提高，对生产管理要求、环境控制以及节能需求的提升，直接数字控制系统在现代水泥生产企业中己逐渐消失。

2、监督控制+数字控制分级控制系统（SCC+DDC）：采用种控制方式既能实现对生料配料的实时不间断控制，又能综合管理配料系统的生产过程，完美的弥补了直接数字控制系统的不足。且伴随着价格低廉、功能完善的微型计算机的迅速发展，采用监督控制+数字控制分级控制方式的水泥配料控制系统建设成本持续降低，非常好的满足了中小型水泥生产企业对水泥产能及基础造价需求。

3、集散控制系统（Distributedcontrolsystem简称DCS)。虽然这种控制方式能满足企业对大产能的需求，但由于这种控制方式的配料控制系统建设成本非常高，一般只适合对生产流量需求大且前期投资充足的大型水泥企业建造。

4、现场总线控制系统(FieldbusControlSystem简称FCS)。采用这种控制系统建设而成的生产线的优点在于节省硬件数量与前期建设投资，有效降低设备维护开销，并且用户具有高度集中的系统控制权，拥有简便的客户操作。另外，现场总线控制系统的配料精度与系统运行可靠性也有不少提升。但目前自动化现场测量、控制设备价格仍处于较高水平，因此只有极少数大型水泥生产企业愿意投资采用现场总线控制系统。

1.3水泥生产流程简介

硅酸盐类水泥生产工艺在水泥生产系统中具有重要地位，硅酸盐水泥是以石灰石、粘土为主料，将原料经破碎、均化、配料、磨细等步骤制成生料，再将生料送到回转炉中煅烧成熟料，随后将熟料加适量石膏、矿渣等经球磨机磨粉制成成品水泥。

水泥生产工艺因生料制备方法不同，可大致分为干法水泥生产法(包括半干法)和湿法水泥生产法（包括半湿法）两类：

1、干法水泥生产工艺生产流程简介：将原料烘干的同时进行磨细处理（或先烘干，再将经磨细）制成生料粉的生料喂入波尔窑内煅烧成水泥熟料。

2、湿法水泥生产工艺生产流程简介：湿法水泥生产是将原料加适量水后磨粉制成生料浆，再送入湿法窑内煅烧成水泥熟料。

水泥生产流程主要包9道生产工艺：

生料破碎及预均化

生料均化

熟料烧成

熟料预热分解

熟料储存

熟料配料即水泥配料

水泥磨粉

水泥储存

水泥包装

1.4设计要点

水泥配料系统在水泥生产流程中是一个承上启下的地位。具有相对的独立性，但却需要根据前后流程来确定启停顺序。水泥配料量的精确性依靠的是皮带秤的电机转速调节精度及重量传感器和速度传感器的精度。设计要点：

1、配料控制系统的启动停止受外部条件控制，即收到配料系统前后正常工作的信号后，配料系统自动开始运行。

2、配料系统原料仓为并排排列，为避免损失，配料系统应具有顺序启停的功能，即配料系统内部各硬件启停顺序应合理，并且在硬件启动失败后系统急停。

3、因为配料系统中配料原料有独立储料仓，因此与上一部分衔接并不紧密，所以有相对独立的运行时间，而与下一步球磨机磨粉紧密关联。因此配料系统的启停控制应考虑球磨机的启停状态，考虑到这一前提，便将球磨机的启动停止状态作为配料控制系统的启停开关。

4、每一原料储料仓对应一条皮带秤，所以需要对每一条皮带秤分别称重、测速以及调速。

本文就利用PLC设计一个水泥配料控制系统展开，选用西门子s7-200系列PLC作为水泥配料控制系统的核心，使配料系统具有自动控制的功能，通过皮带秤检测配料实时重量，采用固定时间采集配料重量和转速，测得水泥配料的实时重量，将数据发送回PLC与设定值进行对比，并进行PID调节，反馈信号通过西门子变频器MicroMaster440对皮带秤电机进行调速，通过调速的方式实现对配料原料重量的控制。同时皮带秤压力传感器和速度传感器也具有故障检测的功能，当重量数据和速度数据持续异常配料系统皮急停。最终完成一个抗干扰、精密度高、控制方便的水泥配料控制系统。

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西南科技大学城市学院本科生毕业论文

第2章系统设计思想

2.1配料系统原理分析

在采用干法水泥生产工艺生产水泥系统中，水泥成品是由水泥熟料、石膏、矿渣等原料经一定比列混合均匀后经球磨机磨粉制成的。因此本自动配料系统中选用三台皮带秤作为配料控制器，三个具有固定开度的物料储料仓作为水泥配料的暂存容器。三台皮带秤编号为0#、1#、2#，分别对应水泥熟料、矿渣、石膏。本配料控制系统为重量控制系统。即在给定物料配比条件下系统自动调节三台皮带秤运送速度以达到改变物料配比的目的。同时系统应满足在生产任务完成后能够正确的顺序停止。整个水泥生产配料部分可以分为以下几个小模块：

1、物料仓给料部分：将所需配料从物料仓库运送到给料仓暂存，为下一步物料配比做准备。

2、物料称重调节部分：经由下料指令控制，皮带秤工作，皮带电机启动，皮带秤上传感器测得数据传发送至PLC，经PLC将设定值比对数据后，将对比处理结果发送至变频器，通过变频器调节皮带秤电机转速控制给料量，从而达到按配比要求配料。

3、混合物料运送部分：本部分由一条恒速传送带构成，以实现配成料到下一步（磨粉机）的运输。

图2-1配料系统仿真图

2.2配料系统模型分析

水泥配料系统由物料储料仓、皮带秤、混合物料传送皮带三部分组成。建立模型如图2-1所示：

物料库阀门有固定开度，即下料速度随皮带秤的传送速度变化。混合物料传送皮带运送速度一定。因此配料系统的控制核心为皮带秤的控制。物料库是储存三种原料的地方，当系统启动运行后，配成料传送带优先启动，皮带秤启动，物料库开阀下料。皮带秤有称重、测速、运输物料的功能，混合物料传送皮带可以混合物料。

2.3配料系统流程设计

水泥生产过程中，配料系统的最终目的是为了将各种原料进行最优配比，以实现水泥的均匀配料且使水泥质量的到最有效的保证。在水泥生产中，不同种类的水泥原料配比不同，原料也存在差异。因此可控配比以及可控配料成了本次设计的主要目标。而为了保证水泥质量，高精度的配料输送必不可少。

图2-2配料系统顺序流程图

水泥生产配料系统中，水泥熟料、矿渣、石膏三种物料的重量比例设定为熟料80%，矿渣15%，石膏5%。若配成料总量为200t/h，则所需熟料为160t，矿渣30t，石膏10t。通过皮带秤上的重量传感器将物料的实时重量发送至PLC与配比值进行实时比对，再通过由PLC调节皮带秤的给料速度从而达到预设配比。通过实时监测与调控，保证了配料的精确性，以此保证水泥生产的质量要求。配料系统顺序流程图如图2-2所示：

如流程图所示皮带秤优先于物料仓启动，因此会存在皮带秤空载调控现象，可能会损坏皮带秤。因此，为避免该情况发生应在皮带秤调速调控前添加调控条件，即在物料仓开启前不进行调速调控。

第3章硬件系统设计

3.1混合物料传送部分

物料传送系统由一台皮带机构成，主要功能为将混合物料匀速的传送至球磨机。

物料传送系统要求在水泥配料系统启动时，混合物料传送皮带第一顺序启动，防止皮带秤上物料浪费，正常停止时，混合物料传送皮带应与皮带秤1＃停止时间相同或滞后，即需要将皮带秤最远端的物料传送至下一个处理系统。

3.2皮带秤控制部分

此部分为配料系统的核心，包括物料称重测速和变速的功能。定量给料部分如图3-2所示：

图3-2定量给料流程图

定量给料部分是由混合物料传送皮带，称重装置，测速装置，调速装置组成的。称重装置选择时需要满足粉状原料的称重，测速装置则需要对混合物料传送皮带进行测速，将储料仓的实时下料质量和混合物料传送皮带的传送速度经计算后可以得到物料在一定时间内的传送质量，将处理后的信号发送至上位机与预设值进行对比，若存在误差允许范围外的差值时，则通过调速装置对传送电机进行调速，以达到调整配料质量的目的。选用设备简介：

1、皮带秤：在具有物料传送功能的同时还可以对传送过程中的物料进行重量累积，并且皮带秤的内置速度传感器还能对皮带进行测速。皮带秤主要分为以下几种：

按承载器分类：（1）称量台式承载皮带秤；（2）输送机式皮带秤。

承载器按带速分类：（1）单一速度皮带秤；（2）可变速皮带秤。

为满足水泥配料过程中的水泥的运输应当选择输送机式承载器、变速皮带秤。目前皮带秤多包含有测速装置，集称重测速功能于一体。因此传送系统选择皮带秤即可。

2、调速装置：调速装置中使用最多的是变频器。

变频器（VFD）是一类功率控制设备，它的核心技术是变频技术，它利用变频技术和微电子技术改变电动机工作电源频率来控制交流电动机的转速。变频器主要由整流(交变直)、滤波、逆变器(直变交)、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等七个部分组成。逆变器调节输出电源的电压和频率通过控制内部IGBT，并根据电动机的实际工作状态需要提供所需的工作电压，从而实现节能和调速的目的。随着工业自动化生产线水平及产品质量要求的不断提高，变频器在自动化工业生产系统中得到了广泛的应用。变频器的发展：生在交流电机无级调速的大量需求背景下变频器横空出世，传统的直流调速设备因体积庞大且故障率非常高而应用受限。所以体积小巧、调速能力强的控制器的研发有了重要的意义。

自进入21世纪以来，国产变频器发展迅速，逐渐在世界高端