基于三菱PLC的水泥廠窯頭喂煤系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文說(shuō)明

1、 . . . 基于三菱PLC的水泥廠窯頭喂煤系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，其對(duì)水泥產(chǎn)量和質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。水泥煅燒是水泥生產(chǎn)過(guò)程中與其重要的部分，喂煤系統(tǒng)中煤粉的連續(xù)、均勻喂料是煅燒工作的基礎(chǔ)。由于國(guó)外喂煤系統(tǒng)控制的核心、編程語(yǔ)言與許多元器件國(guó)沒(méi)有替代品，日常難以維護(hù)，因此本設(shè)計(jì)將采用國(guó)的高性價(jià)比元器件和通用的三菱PLC代替國(guó)外喂煤系統(tǒng)中的部分。本喂煤系統(tǒng)控制目標(biāo)是能夠向窯頭連續(xù)、均勻的喂煤，并實(shí)現(xiàn)5的喂煤精度。本設(shè)計(jì)以三菱PLC為控制核心，轉(zhuǎn)子秤通過(guò)稱重傳感器測(cè)出其中煤粉的重量，同時(shí)轉(zhuǎn)子盤的旋轉(zhuǎn)速度也通過(guò)變頻器得出，PLC通過(guò)高速脈沖測(cè)量單元和A/D轉(zhuǎn)換單元將煤粉的重量和速度的轉(zhuǎn)

2、化為數(shù)字量，經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)算處理后得出煤粉瞬時(shí)流量，并與給定量進(jìn)行比較，再經(jīng)PID算法，最終達(dá)到瞬時(shí)流量跟蹤給定流量的最佳控制效果。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子秤，PLC，PID，喂煤系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換The cement kiln head feeding coal system based on mitsubishi PLC designABSTRACTWith the continuous development of construction industry, the requirement for the production and quality of cement is becoming more

3、and higher. And cement calcination is crucial steps in the process of cement production; coal feeding system of the continuous, uniform feeding is the basis of calcination work.Because there is no domestic substitute for foreign coal feeding system control core, program languages, and many devices .

4、It is difficult to maintain daily, so this design will use domestic cost-effective components and universal parts of the Mitsubishi PLC instead of feeding coal system abroad.The kiln head control goal of the coal feeding system is to be able to continuous and uniform feeding coal, and implement 5 pr

5、ecision of feed coal. This design use Mitsubishi PLC as the control core, the trochanterthrough weighing sensor to measure the weight of the rotor in the pulverized coal, at the same time, the rotating speed of rotor drum through transducer, PLC use high-speed pulse measurement unitand A/D conversio

6、n unit convertedweight and speed to digital quantity, and after the system processing coal instantaneous flow, and comparing with quantitative, then through PID algorithm, and finally achieve the optimal control of a effect that transient flow tract given flow.KEY WORDS: Rotor balance，PLC，PID，Coal f

7、eeding system，A/D conversion59 / 63目錄前言1第1章概述21.1研究的現(xiàn)狀21.1.1 水泥產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀21.1.2 水泥生產(chǎn)喂煤裝置簡(jiǎn)介21.2研究的意義31.2.1 傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)喂煤裝置31.2.2 新型水泥生產(chǎn)喂煤裝置的研發(fā)意義41.3設(shè)計(jì)方案41.4論文的主要工作與章節(jié)安排5第2章控制原理與總體設(shè)計(jì)62.1 控制流程與工作原理分析62.2 控制要求與控制目標(biāo)72.2.1 控制要求72.2.2 控制目標(biāo)72.3設(shè)備選型82.3.1 轉(zhuǎn)子秤82.3.2 PLC選型82.3.3 荷重傳感器92.3.4 速度傳感器92.3.5 變頻器92.3.6 羅茨風(fēng)機(jī)10

8、2.3.7 開關(guān)電源102.3.8 模擬量擴(kuò)展模塊102.3.9人機(jī)界面112.4 總體設(shè)計(jì)方案11第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)133.1 系統(tǒng)電路分析設(shè)計(jì)133.2 系統(tǒng)供電電路分析設(shè)計(jì)163.3 PLC外圍接線分析設(shè)計(jì)163.4 控制柜布局分析設(shè)計(jì)18第4章軟件設(shè)計(jì)204.1 程序流程圖204.1.1 主程序流程圖204.1.2 PID調(diào)制程序流程圖214.2 系統(tǒng)程序梯形圖224.2.1 電機(jī)啟停梯形圖224.2.2 PID參數(shù)設(shè)定梯形圖244.2.3 PID調(diào)制梯形圖264.3 梯形圖邏輯測(cè)試27第5章系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)305.1 組態(tài)軟件介紹305.2 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)制作305.2.1 系統(tǒng)組態(tài)制作3

9、05.2.2 系統(tǒng)組態(tài)畫面335.3 系統(tǒng)組態(tài)運(yùn)行33結(jié)論36辭37參考文獻(xiàn)38附錄39前言在中國(guó)乃至世界上的建筑行業(yè)中，水泥都是有史以來(lái)就是最不可或缺的建筑材料。水泥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺，也成為了衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平與綜合實(shí)力的重要指標(biāo)之一。在水泥的煅燒過(guò)程中，在穩(wěn)定水泥熱工制度中尤為重要的是燃燒器的煤粉計(jì)量喂料裝置，煤粉是否能夠充分燃燒取決于轉(zhuǎn)子秤供給煤粉量的均勻穩(wěn)定，因此煤粉計(jì)量在喂料過(guò)程中對(duì)水泥生產(chǎn)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。水泥廠窯頭喂煤的煤粉稱量和適當(dāng)控制對(duì)窯頭的穩(wěn)定以與水泥熟料的產(chǎn)量與質(zhì)量的提升，水泥生產(chǎn)的過(guò)程自動(dòng)化的加強(qiáng)都起到積極的影響。本設(shè)計(jì)方案中，轉(zhuǎn)子秤煤粉

10、計(jì)量控制系統(tǒng)主要包括粉煤倉(cāng)、稱重傳感器、煤粉喂料機(jī)、轉(zhuǎn)子秤和電氣控制器件等。煤粉由螺旋喂料機(jī)從粉煤倉(cāng)中均勻穩(wěn)定地喂入轉(zhuǎn)子稱，轉(zhuǎn)子稱的轉(zhuǎn)子盤帶著煤粉轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子盤上煤粉的重量通過(guò)轉(zhuǎn)子秤稱重傳感器精準(zhǔn)測(cè)出，然后經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換輸送到PLC的模擬量輸入端口，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)轉(zhuǎn)子秤的轉(zhuǎn)速也由變頻器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值傳輸?shù)絇LC的高速脈沖測(cè)量單元經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理。PLC通過(guò)高速脈沖測(cè)量單元和A/D轉(zhuǎn)換單元將速度和重量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后得出煤粉瞬時(shí)流量，并與用戶已設(shè)定的臺(tái)式流量所需要的給定量進(jìn)行比較，再經(jīng)PID運(yùn)算得出電機(jī)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，調(diào)整轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)

11、經(jīng)過(guò)變頻器去控制喂料機(jī)電機(jī)和轉(zhuǎn)子稱電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到煤粉瞬時(shí)流量與由臺(tái)時(shí)流量所設(shè)定的給定流量的誤差小于控制精度的最佳控制效果?，F(xiàn)代高科技技術(shù)含量的三菱PLC測(cè)控控制系統(tǒng)在被用于窯頭喂煤控制系統(tǒng)時(shí)，負(fù)責(zé)完成各種實(shí)時(shí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)窯頭喂煤控制系統(tǒng)的連續(xù)稱量和定量喂煤，實(shí)現(xiàn)水泥廠窯頭喂煤控制系統(tǒng)的連續(xù)化、均勻化，并實(shí)現(xiàn)5的喂煤精度。第1章 概述1.1研究的現(xiàn)狀1.1.1 水泥產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀水泥，粉狀水硬性無(wú)機(jī)膠凝材料，在建筑行業(yè)中能把砂、石、灰等建筑材料牢固地膠結(jié)在一起起到黏固的作用。在中國(guó)乃至世界上的建筑行業(yè)中，水泥都是有史以來(lái)最不可或缺的建筑材料。近年來(lái)，我國(guó)水泥產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，高科技技術(shù)含量

12、的水泥生產(chǎn)線不斷地投入使用，全國(guó)水泥產(chǎn)量增速世界首屈一指1。中國(guó)目前在全球水泥生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中獨(dú)占鰲頭。從水泥生產(chǎn)線來(lái)看，2012年我國(guó)新增水泥熟料生產(chǎn)線124條， 2013年我國(guó)新增水泥熟料生產(chǎn)線72條2；從行業(yè)產(chǎn)量看來(lái)，我國(guó)水泥產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，在“十五”期間，我國(guó)全社會(huì)固定資產(chǎn)投資保持年平均20%以上的飛速增長(zhǎng)，有力的拉動(dòng)了水泥的生產(chǎn)和消費(fèi)，因此水泥生產(chǎn)企業(yè)得到了快速發(fā)3。目前就我國(guó)水泥企業(yè)的數(shù)量而言，7000余家的水泥生產(chǎn)企業(yè)在世界圍也是屈指可數(shù)，水泥行業(yè)的年產(chǎn)量就占據(jù)了全世界水泥年產(chǎn)量的半壁江山4。1.1.2 水泥生產(chǎn)喂煤裝置簡(jiǎn)介水泥生產(chǎn)工藝主要包括：水泥原料破碎和預(yù)均化、生料制備、預(yù)熱分

13、解、熟料煅燒、粉磨、包裝。在水泥的熟料煅燒過(guò)程中，在穩(wěn)定水泥熱工制度中尤為重要的是燃燒器的煤粉喂料計(jì)量裝置，煤粉是否能夠充分燃燒取決于轉(zhuǎn)子秤供給煤粉量是否均勻穩(wěn)定，因此喂料裝置的稱重測(cè)量對(duì)水泥煅燒來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要。窯頭喂煤系統(tǒng)喂煤量的計(jì)量不準(zhǔn)確不僅會(huì)造成后續(xù)窯頭燒成系統(tǒng)對(duì)于煤粉的不充分燃燒，還有可能直接影響整個(gè)水泥廠的生產(chǎn)產(chǎn)量甚至停窯事故，進(jìn)而影響到工廠的經(jīng)濟(jì)效益。因此, 我們選用的搖頭喂煤控制系統(tǒng)要控制精度高，稱重計(jì)量準(zhǔn)確，系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，對(duì)煤粉適應(yīng)能力強(qiáng)。這樣既可以提高水泥熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量,又能節(jié)約水泥原料,降低生產(chǎn)成本5。1.2研究的意義1.2.1 傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)喂煤裝置在我國(guó)水泥

14、生產(chǎn)過(guò)程中,傳統(tǒng)的煤粉喂料計(jì)量裝置大多采用稱重皮帶機(jī)、螺旋喂料機(jī)、失重式喂料機(jī)和沖量式流量計(jì)喂料機(jī)。1稱重皮帶機(jī)稱重皮帶機(jī)中的皮帶秤是安裝在皮帶輸送機(jī)上的動(dòng)態(tài)稱重儀表，對(duì)放置在皮帶上并隨皮帶連續(xù)移動(dòng)的松散物料進(jìn)行稱重。傳統(tǒng)的煤粉稱重皮帶機(jī)固定設(shè)備投資大,維修不便，效益增長(zhǎng)緩慢，對(duì)皮帶封性要求高，且具有防爆裝置,對(duì)安裝有一定的要求，不方便其廣泛使用，于此同時(shí)煤粉粘連在輸送帶的皮帶秤上會(huì)引起零點(diǎn)漂移,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。2螺旋喂料機(jī)螺旋喂料機(jī)通過(guò)稱重橋架把經(jīng)過(guò)的物料進(jìn)行重量檢測(cè)，用來(lái)稱重膠帶上的煤粉重量，裝在膠帶尾部的速度傳感器測(cè)量喂料機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后將重量信號(hào)和速度信號(hào)一起送至螺旋喂料機(jī)的控制

15、核心，經(jīng)過(guò)一定的處理后，就可以與時(shí)的測(cè)量出流經(jīng)煤粉的瞬時(shí)流量。但螺旋喂料機(jī)不宜輸送易變質(zhì)、粘性大、易結(jié)塊的物料，因?yàn)檫@些物料會(huì)粘結(jié)在螺旋上，停止移動(dòng)并隨之旋轉(zhuǎn)或者在吊軸承處形成物料的積塞，從使螺旋喂料機(jī)不能正常工作。因此, 螺旋喂料機(jī)也不是理想的煤粉稱重裝置。3失重式喂料機(jī)和沖量式流量計(jì)喂料機(jī)失重式喂料機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)其電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率來(lái)修正的差值，從而可以使系統(tǒng)均勻、準(zhǔn)確、連續(xù)的給窯頭喂煤。失重式喂料系統(tǒng)需要有減振設(shè)施或無(wú)彈性平臺(tái),這大大增加了水泥廠原始投資，同時(shí)系統(tǒng)在開始喂煤階段,有時(shí)由于無(wú)規(guī)則測(cè)容的操作，會(huì)出現(xiàn)安全意外。沖量式流量計(jì)喂料機(jī)利用由來(lái)自喂料機(jī)煤粉的重力對(duì)特定沖擊板的重力分量對(duì)流經(jīng)煤粉

16、進(jìn)行重量檢測(cè)的,由于是間接測(cè)重煤粉重量,所以測(cè)量不準(zhǔn)確,而且對(duì)煤粉要求較高，稍微有不確定因素的進(jìn)入，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)計(jì)量不準(zhǔn)確甚至停機(jī)影響生產(chǎn)。由此可見，失重式喂料系統(tǒng)和沖量式流量計(jì)喂料系統(tǒng)也不是理想的喂煤裝置6。1.2.2 新型水泥生產(chǎn)喂煤裝置的研發(fā)意義隨著技術(shù)的發(fā)展以與水泥產(chǎn)品的要求不斷地提高，必將不斷的出現(xiàn)新的水泥生產(chǎn)喂煤裝置。近些年煤粉計(jì)量喂料系統(tǒng)不斷推出新，一代更比一代計(jì)量準(zhǔn)確，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間也更長(zhǎng)，人性化更高。又由于不斷地從國(guó)外引進(jìn)高效率輥壓機(jī)和新的高效選粉機(jī),因此新出現(xiàn)的喂料設(shè)備喂料轉(zhuǎn)子秤的研發(fā)也就勢(shì)在必行7。世界圍的水泥生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)公司都在積極研發(fā)與新型干法水泥生產(chǎn)線配套的轉(zhuǎn)子秤計(jì)

17、量與控制系統(tǒng)。目前國(guó)水泥廠使用的煤粉計(jì)量與控制設(shè)備中，都由國(guó)外供貨，由于外國(guó)廠商對(duì)自己的獨(dú)有設(shè)備具有嚴(yán)格的，我們無(wú)法獲取相關(guān)設(shè)備信息，就造成了國(guó)壟斷的局面，設(shè)備價(jià)格高昂、維修困難、通用性差等等，給我過(guò)的水泥生產(chǎn)帶來(lái)許多不必要的麻煩，對(duì)水泥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也帶來(lái)了很大的制約，而國(guó)的水泥生產(chǎn)過(guò)程中的窯頭喂煤設(shè)備計(jì)量不準(zhǔn)確，系統(tǒng)不穩(wěn)定，可靠性差等等都需要大步的提升8。因此，展開對(duì)水泥廠窯頭喂煤控制系統(tǒng)的煤粉稱量的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)具有極大的研究意義。隨著第一臺(tái)轉(zhuǎn)子秤系統(tǒng)成功運(yùn)用于水泥磨,我們看到采用全新的水泥廠要窯頭喂煤稱重系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)小巧，操作方便，能適用于水泥廠復(fù)雜的環(huán)境，對(duì)水泥產(chǎn)量和質(zhì)量也有了質(zhì)的提升

18、，我們確信國(guó)產(chǎn)新型轉(zhuǎn)子秤系統(tǒng)必將取代傳統(tǒng)的水泥廠煤粉稱重計(jì)量方式9。1.3設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子秤煤粉計(jì)量控制系統(tǒng)主要包括粉煤倉(cāng)、稱重傳感器、煤粉喂料機(jī)、轉(zhuǎn)子秤和電氣控制器件等。煤粉由螺旋喂料機(jī)從粉煤倉(cāng)中均勻穩(wěn)定地喂入轉(zhuǎn)子稱，轉(zhuǎn)子稱的轉(zhuǎn)子盤帶著煤粉轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子盤上煤粉的重量通過(guò)轉(zhuǎn)子秤稱重傳感器精準(zhǔn)測(cè)出，然后經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換輸送到PLC的模擬量輸入端口，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)轉(zhuǎn)子秤的轉(zhuǎn)速也由變頻器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值傳輸?shù)絇LC的高速脈沖測(cè)量單元經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理。PLC通過(guò)高速脈沖測(cè)量單元和A/D轉(zhuǎn)換單元將速度和重量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后得出煤粉瞬時(shí)流量，并與用戶已設(shè)定的臺(tái)式流量所

19、需要的給定量進(jìn)行比較，再經(jīng)PID運(yùn)算得出電機(jī)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，調(diào)整轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)經(jīng)過(guò)變頻器去控制喂料機(jī)電機(jī)和轉(zhuǎn)子稱電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到煤粉瞬時(shí)流量與由臺(tái)時(shí)流量所設(shè)定的給定流量的誤差小于控制精度的最佳控制效果10。1.4論文的主要工作與章節(jié)安排水泥廠窯頭喂煤控制系統(tǒng)中最重要的就是轉(zhuǎn)子秤的設(shè)計(jì)與控制，本設(shè)計(jì)對(duì)于控制系統(tǒng)中的各個(gè)單元模塊的選型和電路的總體設(shè)計(jì)以與軟件的編寫都做出詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析，具體如下所示：1、對(duì)系統(tǒng)總體進(jìn)行分析，確定總體設(shè)計(jì)方案。2、根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，選出具體的硬件設(shè)備。如轉(zhuǎn)子秤、PLC、傳感器、開關(guān)電源、羅茨風(fēng)機(jī)、觸摸屏、變頻器等等。3、畫出相應(yīng)的電氣接線圖

20、，硬件原理圖等。4、對(duì)各個(gè)單元模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，繪制流程圖，編寫程序。5、用MCGS組態(tài)軟件對(duì)水泥廠窯頭喂煤控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)、仿真。第2章 控制原理與總體設(shè)計(jì)2.1 控制流程與工作原理分析窯頭喂煤控制系統(tǒng)是由煤粉倉(cāng)、喂料機(jī)、轉(zhuǎn)子秤、除塵器、羅茨風(fēng)機(jī)與相應(yīng)的PLC控制系統(tǒng)組成。煤粉進(jìn)入煤粉倉(cāng)后，由一個(gè)錐形漏斗與螺旋喂料機(jī)喂入轉(zhuǎn)子秤，通過(guò)轉(zhuǎn)子秤來(lái)計(jì)量喂煤量的大小并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)過(guò)一定角度由羅茨風(fēng)機(jī)通過(guò)出風(fēng)口將煤粉吹入窯頭通道，在此過(guò)程中為避免發(fā)生揚(yáng)塵還有鎖風(fēng)喂料機(jī)的加入，最后送至窯頭。窯頭喂煤控制系統(tǒng)控制流程如圖2-1。圖2-1 窯頭喂煤控制系統(tǒng)控制流程圖窯頭喂煤控制系統(tǒng)中粉煤倉(cāng)中的

21、煤粉由螺旋喂料機(jī)喂入轉(zhuǎn)子稱，進(jìn)入轉(zhuǎn)子稱，煤粉經(jīng)過(guò)荷重傳感器的稱重后，由轉(zhuǎn)子盤帶至進(jìn)入羅茨風(fēng)機(jī)氣力輸送區(qū)。轉(zhuǎn)子秤中的荷重傳感器能準(zhǔn)確的測(cè)出轉(zhuǎn)子盤中煤粉的重量，并將相應(yīng)的重量信號(hào)輸送給PLC，該重量信號(hào)又與轉(zhuǎn)子秤電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)控制系統(tǒng)處理后得到煤粉的瞬時(shí)流量，再經(jīng)過(guò)PLC中自帶的PID快速運(yùn)算處理，最后再通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)喂料機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的喂煤量，實(shí)現(xiàn)煤粉的定量給料。系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)出喂煤系統(tǒng)的瞬時(shí)流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算得出累計(jì)流量、臺(tái)時(shí)流量等。 三菱PLC控制該系統(tǒng)完成荷重信號(hào)的檢測(cè)，變頻器信號(hào)的處理，PID運(yùn)算等等一系列的調(diào)節(jié)控制處理過(guò)程。2.2 控制要求與控制目標(biāo)2.2.1 控制

22、要求本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以三菱系列FX2N的PLC為控制核心，用以實(shí)現(xiàn)圓盤喂料機(jī)的自動(dòng)控制與相應(yīng)參數(shù)的PID調(diào)節(jié)，通過(guò)轉(zhuǎn)子秤上的荷重傳感器檢測(cè)出流經(jīng)煤粉的重量，輸出重量信號(hào)，通過(guò)變頻器可直接得出轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)速信號(hào)，也通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子秤電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，通過(guò)控制屏顯示瞬時(shí)流量、給定流量、累積量、荷重、轉(zhuǎn)速等過(guò)程參數(shù)，并能通過(guò)顯示屏設(shè)定和改變過(guò)程參數(shù)獲得所需要的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量，且本系統(tǒng)要求系統(tǒng)的控制精度為5。水泥廠窯頭喂煤控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子秤部分的煤粉稱量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，密封優(yōu)良，能有效的防止煤粉外漏，喂煤穩(wěn)定。系統(tǒng)能有效抑制外界干擾，并且系統(tǒng)的魯棒性能有所增加。2.2.2 控制目標(biāo)若要實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需具

23、備以下條件： 1. 搖頭喂煤控制系統(tǒng)需要運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定、稱重計(jì)量時(shí)可靠，裝置密封性良好，受控性良好。 2. 煤粉稱重計(jì)量裝置具有高的靈敏度和穩(wěn)定性，受外界擾動(dòng)小，能長(zhǎng)期穩(wěn)定維持在一定的控制精度。3. 煤粉稱量圍要寬，喂料機(jī)在大幅度改變喂煤量時(shí)，系統(tǒng)的計(jì)量精度仍能保持不變，本系統(tǒng)的控制精度為5。 4. 系統(tǒng)自動(dòng)化程度要高，在水泥廠各種復(fù)雜的環(huán)境下仍能繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行，即適用性要強(qiáng)，。國(guó)水泥廠的窯頭喂煤裝置為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定都采用德國(guó)菲斯特公司生產(chǎn)的煤粉轉(zhuǎn)子秤，由于該公司設(shè)備對(duì)使用環(huán)境和維護(hù)方式要求很高，因此在煤粉輸送過(guò)程中要嚴(yán)格把控煤粉的質(zhì)量（純度）和水分、粉煤倉(cāng)的材質(zhì)，要求密封、恒溫，同時(shí)秤體消風(fēng)

24、、 羅茨風(fēng)機(jī)用風(fēng)、助流系統(tǒng)的使用也需要嚴(yán)格注意。2.3設(shè)備選型2.3.1 轉(zhuǎn)子秤國(guó)大型熟料生產(chǎn)線為了保證喂煤系統(tǒng)的穩(wěn)定一般都采用德國(guó)菲斯特公司生產(chǎn)的DRW系列轉(zhuǎn)子秤煤粉轉(zhuǎn)子秤，本設(shè)計(jì)也欲采用DRW系列轉(zhuǎn)子秤。DRW系列轉(zhuǎn)子秤是德國(guó)奧格斯堡的菲斯特公司于1984年設(shè)計(jì)并獲得專利，于1985年用于水泥生產(chǎn)線，1995年引進(jìn)中國(guó)。目前，中國(guó)水泥行業(yè)約有1500套該轉(zhuǎn)子秤運(yùn)行在不同的生產(chǎn)線上。DRW系列轉(zhuǎn)子秤以先進(jìn)的前饋控制技術(shù)，強(qiáng)勁的功能深得用戶的信賴。DRW系列轉(zhuǎn)子秤占地面積小，稱重計(jì)量準(zhǔn)確，自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)喂煤量。但價(jià)格較昂貴，安裝不便，維護(hù)困難。DRW系列轉(zhuǎn)子秤中的DRW4.12型轉(zhuǎn)子稱適用于水泥

25、煅燒過(guò)程中煤粉的連續(xù)稱量。煤粉從粉煤倉(cāng)的輸出、稱重和直接傳送到氣力輸送管道的所有過(guò)程都在一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的封閉式機(jī)構(gòu)完成，此型號(hào)轉(zhuǎn)子秤的計(jì)量精度為±0.05。2.3.2 PLC選型在窯頭喂煤控制系統(tǒng)中的PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在詳細(xì)分析系統(tǒng)的控制目標(biāo)，控制要求，輸入輸出I/O點(diǎn)數(shù)、需要PLC達(dá)到的功能特性以與外接設(shè)備的特定特性要求等等之后，我們最終選擇有較高性價(jià)比、高性能的三菱FX2N系列PLC。 三菱PLC是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的PLC之一，其梯形圖編程簡(jiǎn)單，修改方便。FX2N系列是三菱PLC家族中最先進(jìn)的系列，具有高速處理分析數(shù)據(jù)，可互聯(lián)擴(kuò)展等特點(diǎn)，能為工廠生產(chǎn)自動(dòng)化和控制自動(dòng)化提供最理想的控制

26、核心。三菱FX2N系列的PLC性能強(qiáng)勁，外形小巧，高速度處理，其所有方面都是FX系列中最高檔次的超小型、可滿足多樣化廣泛需要的PLC程序裝置。綜合PLC選型的規(guī)則與本系統(tǒng) I/O口的需求，三菱FX2N-32MR-001基本單元帶有16點(diǎn)繼電器I/O端口，分析后可得出其能夠滿足系統(tǒng)的控制要求，因此可選其作為本系統(tǒng)的基本控制核心。2.3.3 荷重傳感器荷重傳感器主要是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)體使載體發(fā)生形變的形變度來(lái)獲得被測(cè)體重量的傳感器，荷重傳感器能將載體因所受的壓力而改變的形變程度轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸，從而達(dá)到測(cè)量荷重的目的。荷重傳感器是喂煤控制系統(tǒng)能夠持續(xù)定量喂煤的重要元器件之一，其量

27、程選擇的正確與否將直接影響到系統(tǒng)的計(jì)量精度和喂煤精度，我們應(yīng)盡可能使從轉(zhuǎn)子秤流過(guò)的煤粉瞬時(shí)荷重維持在荷重傳感器20%80%的受力圍。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，決定選用西門子公司的壓力荷重傳感器SIWAREX WL270 CP-S SB，本荷重傳感器設(shè)計(jì)緊湊，適用于安裝在容器計(jì)量秤中，額定負(fù)載有10t、20t、30t和50t。荷重傳感器的形變片的形變圍為0.232.67mm，誤差± 0.02% 。2.3.4 速度傳感器速度傳感器指的是能夠感受被測(cè)速度并轉(zhuǎn)換成可用于輸出或檢測(cè)的信號(hào)的傳感器。由于本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子秤電機(jī)和喂料電機(jī)是由變頻器控制的，可直接由變頻器的相關(guān)數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，而羅茨

28、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)喂煤精度沒(méi)有影響，只要其能將煤粉從轉(zhuǎn)子盤卸出后在氣力輸送管道吹至窯頭就可，無(wú)需對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。2.3.5 變頻器系統(tǒng)對(duì)喂料機(jī)電機(jī)和轉(zhuǎn)子秤電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度要求較高，因此我們引入變頻器對(duì)兩者電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精密控制。本設(shè)計(jì)的窯頭喂煤控制系統(tǒng)需要配備2臺(tái)變頻器，一臺(tái)拖動(dòng)和控制轉(zhuǎn)子秤電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，另一臺(tái)拖動(dòng)和控制喂料機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)系統(tǒng)喂料的臺(tái)時(shí)流量以與變頻器的高性價(jià)比需求，最終確定2臺(tái)變頻器都選用三菱變頻器FR-740系列中的FR-A740-7.5K-CHT。此變頻器輸入3相380V 、50Hz的交流電壓。在閉環(huán)時(shí)可進(jìn)行高精度的轉(zhuǎn)矩/速度/位置控制 ，因此在控制精度方面能夠滿足

29、系統(tǒng)要求。2.3.6 羅茨風(fēng)機(jī)羅茨風(fēng)機(jī)輸送的風(fēng)量大小一般是由風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小來(lái)決定的，羅茨風(fēng)機(jī)的選型要根據(jù)煤粉流量、壓頭、葉片以與電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)決定我們的需要，另外還要滿足系統(tǒng)需要羅茨風(fēng)機(jī)在安裝、噪音大小等方面的要求。根據(jù)本系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)與數(shù)據(jù)選擇MD系列HSR200高壓羅茨風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)氣密性好、風(fēng)機(jī)送風(fēng)效率高，節(jié)能高效，噪音低、振動(dòng)小，體積小，控制精度較高，使用較一般風(fēng)機(jī)方便。風(fēng)機(jī)口徑為80500A，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為5350 m³/min。2.3.7 開關(guān)電源三菱PLC自帶電源，可用來(lái)給傳感器或者擴(kuò)展模塊供電。若是PLC外接按鈕或行程開關(guān)，則可以直接使用自帶電源；若是外接接近開關(guān)或光電

30、開關(guān)，可以選擇使用PLC部提供的24V電源，也可以使用外部另接24V電源對(duì)其進(jìn)行供電。在此我們考慮到外部單元較多，部電源不能滿足要求，因此需要選用開關(guān)電源作為外部電源供電。因?yàn)镻LC自帶電源電壓為直流24V，總電流也不大，所以擁有24V/5A的一般電源既能滿足要求。2.3.8 模擬量擴(kuò)展模塊由于我們選用的FX2N-32MR-001型PLC不能直接讀取荷重傳感器和速度傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，因此只有通過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊將標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)才能由CPU處理。在此我們就需要在輸入和輸出端加入A/D與D/A模擬量擴(kuò)展模塊。A/D轉(zhuǎn)換器的控制精度是由其二進(jìn)制位數(shù)決定的，二進(jìn)制位數(shù)越多，一個(gè)單位所占比例

31、越小，控制精度越高。由于本系統(tǒng)要求系統(tǒng)控制精度達(dá)到5，那么本系統(tǒng)選用的A/D或D/A轉(zhuǎn)換器精度就要達(dá)到1，12位的控制精度；而8位的控制精度則為，不能滿足要求。因此我們選用12位的A/D轉(zhuǎn)換單元或D/A轉(zhuǎn)換單元。FX2N常用的模擬量輸入單元有FX2N-2AD、FX2N-4AD、FX2N-8AD。我們選擇FX2N-2AD輸入單元，F(xiàn)X2AD為2通道12位A/D轉(zhuǎn)換單元，它可以根據(jù)外部連接方法與PLC指令選擇電壓輸入或電流輸入，是一種具有高精確度的輸入單元。FX2N常用的模擬量輸出單元有FX2N-2DA、FX2N-4DA、FX2N-8DA。我們選擇FX4DA輸出單元，F(xiàn)X4DA為4通道12位D/A

32、轉(zhuǎn)換單元，它可以通過(guò)簡(jiǎn)易的調(diào)整與PLC的指令改變模擬量的輸出圍，是一種具有高精確度的輸出單元。2.3.9人機(jī)界面人機(jī)界面是用戶和系統(tǒng)間進(jìn)行交互的媒介，它可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部信息處理的形式與人類可接受的形式之間的轉(zhuǎn)換。由于水泥廠的工作環(huán)境復(fù)雜以與使用方便和高性價(jià)比的要求，系統(tǒng)欲采用日本三菱GT1050-QBBD-C觸摸屏，顯示屏為5.7英寸藍(lán)白16灰度，DC電源。GT10系列人機(jī)界面優(yōu)點(diǎn)有很多，如HMI結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，但部處理功能強(qiáng)大，標(biāo)準(zhǔn)配方功能實(shí)用性很強(qiáng)，方便加工存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。支持多臺(tái)互連，人機(jī)界面置標(biāo)準(zhǔn)的USB，RS-232，RS-422接口。2.4 總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求、控制目標(biāo)與控制系統(tǒng)的精度

33、要求等，設(shè)計(jì)出了本窯頭喂煤控制系統(tǒng)：煤粉的臺(tái)時(shí)流量大小是由轉(zhuǎn)子秤電機(jī)的轉(zhuǎn)速和測(cè)重裝置的荷重傳感器的共同決定的，其轉(zhuǎn)子盤流經(jīng)的煤粉荷重通過(guò)荷重傳感器直接測(cè)得，而轉(zhuǎn)子秤電機(jī)的轉(zhuǎn)速由變頻器的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)得出。系統(tǒng)將實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)子秤電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子盤上的煤粉的荷重的乘積值與設(shè)計(jì)臺(tái)時(shí)流量轉(zhuǎn)換后的預(yù)先設(shè)定值相比較，由變頻器調(diào)制喂料電機(jī)轉(zhuǎn)速，使喂料機(jī)的喂煤量保持在一個(gè)恒定圍，進(jìn)而達(dá)到搖頭喂煤控制系統(tǒng)精確喂煤的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)子秤中的轉(zhuǎn)子盤將煤粉從喂料機(jī)輸送到羅茨風(fēng)機(jī)的氣力輸送區(qū)時(shí)，煤粉立即被吹送至窯頭?，F(xiàn)代高科技技術(shù)含量的三菱PLC測(cè)控控制系統(tǒng)在被用于窯頭喂煤控制系統(tǒng)時(shí)，負(fù)責(zé)完成各種實(shí)時(shí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)窯頭喂煤控制

34、系統(tǒng)的連續(xù)稱量和定量喂煤，實(shí)現(xiàn)水泥廠窯頭喂煤控制系統(tǒng)的連續(xù)化、均勻化，并實(shí)現(xiàn)5的喂煤精度。喂煤系統(tǒng)控制原理圖如圖2-2所示。圖2-2 喂煤系統(tǒng)控制原理圖第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)電路分析設(shè)計(jì)在基于三菱PLC的水泥廠窯頭喂煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們通過(guò)DCS系統(tǒng)來(lái)控制整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，包括喂料機(jī)電機(jī)、轉(zhuǎn)子秤電機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)電機(jī)三臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)和停止。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)用三菱PLC完成各種實(shí)時(shí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)稱量和定量喂煤。同時(shí)在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)、均勻的喂煤。3.1.1喂料機(jī)電機(jī)控制在本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，煤粉第一個(gè)進(jìn)入的裝置就是喂料機(jī)，因此對(duì)喂料機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

35、在整個(gè)控制過(guò)程中不可小覷，因此喂料機(jī)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)顯得尤為重要。喂料機(jī)電機(jī)控制原理圖如圖3-1所示。圖3-1 喂料機(jī)電機(jī)控制原理圖過(guò)程分析如下：總開關(guān)QF1閉合，系統(tǒng)開始準(zhǔn)備工作，變頻器開始運(yùn)行，選擇設(shè)定好的運(yùn)行頻率，且變頻有效，系統(tǒng)處于備妥狀態(tài)。此時(shí)備妥信號(hào)發(fā)出，過(guò)程為KA1閉合，繼電器線圈KA11帶電。與此同時(shí)DCS發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，繼電器線圈K1得電，繼電器線圈K1的常開觸頭立即閉合線路接通，進(jìn)而繼電器線圈KM1得電，使繼電器線圈KM1的常開觸點(diǎn)閉合，喂料機(jī)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)，控制回路中正常運(yùn)轉(zhuǎn)指示燈HL11亮，DCS系統(tǒng)中繼電器線圈KM1的常開觸頭閉合，發(fā)出應(yīng)答信號(hào)表明電機(jī)已正常運(yùn)轉(zhuǎn)。若出現(xiàn)故

36、障，則熱繼電器KH1中常閉開關(guān)斷開，正常運(yùn)行指示燈滅，DCS中的常開開關(guān)KH1閉合，發(fā)出故障信號(hào)，此時(shí)，由COM1端連接的故障信號(hào)燈HL12亮。NLB-T3-1是現(xiàn)場(chǎng)按鈕盒，手動(dòng)、自動(dòng)模式可任意切換操作，在出現(xiàn)故障時(shí)，工作人員在得到確切信息后可手動(dòng)切換到手動(dòng)操作狀態(tài)，以盡快修復(fù)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，保證不影響工廠的正常生產(chǎn)。3.1.2轉(zhuǎn)子秤電機(jī)控制在本控制系統(tǒng)中最重要的部分就是控制轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子秤電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度、控制精度都顯得尤為重要。轉(zhuǎn)子秤電機(jī)的控制與喂料機(jī)電機(jī)的控制可謂小異，都需要變頻器來(lái)精準(zhǔn)的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子秤電機(jī)控制原理圖如圖3-2所示。圖3-2 轉(zhuǎn)子秤電機(jī)控制原理

37、圖其中轉(zhuǎn)子秤電機(jī)的過(guò)程分析與喂料機(jī)電機(jī)的過(guò)程分析幾乎沒(méi)有區(qū)別。只是在變頻器的設(shè)定過(guò)程中即兩者電機(jī)的轉(zhuǎn)速可能會(huì)不同，但控制方式是完全一樣的。3.1.3羅茨風(fēng)機(jī)電機(jī)控制羅茨電機(jī)的控制主要是對(duì)風(fēng)速的需要來(lái)設(shè)定的，羅茨風(fēng)機(jī)主要是將煤粉吹入窯頭，因此不再需要變頻器對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。但對(duì)于3臺(tái)電機(jī)的啟停控制有著一定的要求，本系統(tǒng)要求3臺(tái)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)同步啟動(dòng)，在工作完成后，先停止喂料電機(jī)，然后延時(shí)2秒停止羅茨風(fēng)機(jī)與轉(zhuǎn)子秤電機(jī)。這樣做的目的是清空轉(zhuǎn)子秤中剩余的煤粉，避免影響此次與下次工作時(shí)喂煤的精度，同時(shí)也避免了煤粉的長(zhǎng)期堆積對(duì)機(jī)器造成影響。羅茨風(fēng)機(jī)控制原理圖如圖3-3所示。圖3-3 羅茨風(fēng)機(jī)控制原理圖羅茨風(fēng)

38、機(jī)的過(guò)程分析與喂料電機(jī)與轉(zhuǎn)子秤電機(jī)的過(guò)程分析也沒(méi)有區(qū)別，只是羅茨風(fēng)機(jī)不在需要變頻器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，但其分析過(guò)程還是相似的。3.2 系統(tǒng)供電電路分析設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)是由多模塊組成，且由于各模塊性質(zhì)確定，其所需電源均一樣。電機(jī)由工業(yè)用電的380V電源直接供電，而PLC和開關(guān)電源都需要由220V電源供電，因此它們需要的電源由380V經(jīng)過(guò)變壓器變壓提供。開關(guān)電源為24V電源，向人機(jī)界面和PLC的模擬量擴(kuò)展單元供電?？刂乒窭锏娘L(fēng)機(jī)和工業(yè)空調(diào)都是由220V電源供電。在供電電路中所使用的K3控制變壓器是參考德國(guó)西門子公司樣機(jī)制造的新產(chǎn)品，符合相關(guān)國(guó)際、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該控制變壓器能耗小、使用方便、器件安全可靠，

39、適用于交流5060Hz，額定輸入電壓小于500V，額定輸出電壓小于220V的各類廠房機(jī)床、機(jī)械設(shè)備的控制操作。其中L1、L2、和L3是3臺(tái)電機(jī)的正常運(yùn)行指示燈，供電電壓為220V。系統(tǒng)供電電路原理圖如圖3-4所示：圖3-4 系統(tǒng)供電電路原理圖3.3 PLC外圍接線分析設(shè)計(jì)PLC外圍接線設(shè)計(jì)即為PLC的I/O點(diǎn)分析設(shè)計(jì)，由前面的電路圖分析與PLC選型可知，我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中3臺(tái)電機(jī)輸入點(diǎn)與輸出點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)情況，即9個(gè)輸入，10個(gè)輸出。對(duì)PLC的I/O口分布分析得I/O口輸入、輸出分配列表如表3-1、3-2所示：表3-1 輸入口分布表輸入輸入口分配喂料機(jī)DCS驅(qū)動(dòng)信號(hào)X0喂料機(jī)DCS備妥信號(hào)X

40、1喂料機(jī)DCS故障信號(hào)X2轉(zhuǎn)子秤DCS驅(qū)動(dòng)信號(hào)X3轉(zhuǎn)子秤DCS備妥信號(hào)X4轉(zhuǎn)子秤DCS故障信號(hào)X5羅茨風(fēng)機(jī)DCS驅(qū)動(dòng)信號(hào)X6羅茨風(fēng)機(jī)DCS備妥信號(hào)X7羅茨風(fēng)機(jī)DCS故障信號(hào)X8表3-2 輸出口分布表輸出輸出口分配喂料機(jī)DCS應(yīng)答信號(hào)Y0喂料機(jī)運(yùn)行指示燈Y1喂料機(jī)故障指示燈Y2轉(zhuǎn)子秤DCS應(yīng)答信號(hào)Y3轉(zhuǎn)子秤運(yùn)行指示燈Y4轉(zhuǎn)子秤故障指示燈Y5羅茨風(fēng)機(jī)DCS應(yīng)答信號(hào)Y6羅茨風(fēng)機(jī)運(yùn)行指示燈Y7羅茨風(fēng)機(jī)故障指示燈Y8延時(shí)控制Y9由PLC輸入輸出分布表可知PLC端子接線圖如圖3-5所示。圖3-5 PLC端子接線圖3.4 控制柜布局分析設(shè)計(jì)電氣控制柜顧名思義就是作為電氣控制作用的電柜。控制柜主要作用是將電氣

41、元件的控制功能集中放置，里面一般放有開關(guān)，繼電器或PLC等元器件。在安裝控制柜的過(guò)程中我們要注意很多的事項(xiàng)，如控制柜部的布局走線，好的走線可以提高系統(tǒng)的安全性、實(shí)用性，方便設(shè)備操作人員操作和進(jìn)行日常的維護(hù)檢修?？刂乒癫季窒嚓P(guān)要求如下：接地：控制柜中所有設(shè)備都應(yīng)有良好的接地，避免發(fā)生意外。接線：接線應(yīng)嚴(yán)格控制各種器件的走線布局，避免分開接線的線路放置一起走線引起線路不適。 安裝布局：控制柜在設(shè)計(jì)時(shí)，一定要注意布局的區(qū)域性，設(shè)備不同，要求不同，合理規(guī)劃控制柜的布局。 排風(fēng)：控制柜一定要注意散熱，保持通風(fēng)順暢。考慮到以上各種要求，以與結(jié)合本設(shè)計(jì)中所需要的安排布局，得到如下的控制柜布局圖，如圖3-6所

42、示。圖3-6 控制柜布局圖第4章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，所有的硬件都是由軟件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)連接的，這樣才能構(gòu)成控制系統(tǒng)對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)的控制。本設(shè)計(jì)中需要對(duì)喂料電機(jī)、轉(zhuǎn)子秤電機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)、PID控制等進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行不斷的調(diào)試達(dá)到我們所預(yù)想的結(jié)果。本系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)采用三菱PLC的編程語(yǔ)言，軟件梯形圖在三菱系列PLC的專用編程軟件GX Developer中編程，并使用GX Simulator進(jìn)行仿真校驗(yàn)。4.1 程序流程圖4.1.1 主程序流程圖根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，我們繪制出了系統(tǒng)主程序流程圖。在開始信號(hào)發(fā)出后，系統(tǒng)處于備妥狀態(tài)，并且開始調(diào)用PID程序，以對(duì)我們所設(shè)定的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相比較

43、，能夠得出準(zhǔn)確的臺(tái)式流量、瞬時(shí)流量、累積量等等，幫助我們實(shí)時(shí)給予轉(zhuǎn)子秤電機(jī)進(jìn)行調(diào)制控制，使喂煤精度達(dá)到要求。在轉(zhuǎn)子秤電機(jī)、喂料電機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常的情況下，DCS系統(tǒng)與時(shí)給出故障信號(hào)，方便設(shè)備操作人員給出修復(fù)。主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1 主程序流程圖4.1.2 PID調(diào)制程序流程圖PID調(diào)制程序在調(diào)用后根據(jù)系統(tǒng)給出的設(shè)定值，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，直到達(dá)到允許誤差，滿足喂煤精度要求。在PID程序監(jiān)視下，如果轉(zhuǎn)子秤電機(jī)轉(zhuǎn)速正常，即在誤差允許圍的等于設(shè)定轉(zhuǎn)速，則PID程序不需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，但必須保持實(shí)時(shí)監(jiān)視，直至整個(gè)程序運(yùn)行結(jié)束。如果轉(zhuǎn)子秤電機(jī)轉(zhuǎn)速小于我們需要的符合要求的設(shè)定轉(zhuǎn)速，需要通過(guò)

44、PID控制處理數(shù)據(jù)對(duì)喂料電機(jī)和轉(zhuǎn)子秤電機(jī)進(jìn)行調(diào)制，加快電機(jī)轉(zhuǎn)速，直至符合要求；同理，在轉(zhuǎn)子秤電機(jī)大于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，我們也需要對(duì)其進(jìn)行降速處理。PID控制能很好的幫助我們利用軟件完成我們對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的處理。PID調(diào)制程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2 PID調(diào)制程序流程圖4.2 系統(tǒng)程序梯形圖4.2.1 電機(jī)啟停梯形圖本系統(tǒng)要求三臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)為DCS發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)之后啟動(dòng)，當(dāng)工作完成，停止運(yùn)行時(shí)，要求喂料電機(jī)先停止，轉(zhuǎn)子秤電機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)延時(shí)兩秒后停止，這樣做是為了清空轉(zhuǎn)子秤中余料。電機(jī)啟停梯形圖如圖4-3所示：圖4-3 電機(jī)啟停梯形圖在編程設(shè)計(jì)中用到了M0、M1、M2三個(gè)輔助繼電器和T0、T1兩個(gè)延

45、時(shí)繼電器，X000為程序開始運(yùn)行指令，X001為程序結(jié)束指令。輸出指令Y000為工頻電機(jī)既羅茨風(fēng)機(jī)，Y001是轉(zhuǎn)子秤電機(jī)，Y002是喂料電機(jī)。啟動(dòng)：在X000強(qiáng)制閉合后，輔助繼電器M0線圈得電，M0常開開關(guān)閉合，發(fā)生自鎖；與此同時(shí)，轉(zhuǎn)子秤電機(jī)Y001與羅茨風(fēng)機(jī)Y000同步運(yùn)轉(zhuǎn)。輔助繼電器M2線圈得電，常開開關(guān)閉合，發(fā)生自鎖，喂料電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。停止：在結(jié)束信號(hào)X001發(fā)出后，輔助繼電器M2線圈得電，喂料電機(jī)Y002立即失電停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)定時(shí)器T0、T1開始計(jì)時(shí)，2s后，時(shí)間繼電器T0、T1的常閉開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)子秤電機(jī)Y001與羅茨風(fēng)機(jī)Y000同時(shí)失電，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。4.2.2 PID參數(shù)設(shè)定梯形圖工業(yè)控制

46、中，PID控制在系統(tǒng)調(diào)節(jié)上的作用非常精準(zhǔn)并且改正效果明顯。PID控制可以對(duì)被控對(duì)象的未知數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有效控制，PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序設(shè)計(jì)容易，參數(shù)易于調(diào)整，同時(shí)對(duì)于工廠的工作環(huán)境有著較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。在本設(shè)計(jì)中，PID也是控制系統(tǒng)精確度的可信部分。PID的調(diào)節(jié)原理如圖4-4所示。圖4-4 PID調(diào)節(jié)原理圖采用PLC對(duì)模擬量進(jìn)行PID控制的本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-5所示。PLC部已基本上提供PID控制的功能指令，三菱系列的PID控制指令實(shí)際是子程序的調(diào)用，輸入輸出需要與D/A和A/D轉(zhuǎn)換單元一并使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PID控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)精度。相對(duì)于使用硬件來(lái)達(dá)到模擬控制，其價(jià)格便宜很多。圖4-5

47、 用PLC實(shí)現(xiàn)PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖FX2N系列PLC的PID指令編號(hào)為FNC88，如圖4-6所示，給定值SV和反饋值PV存放S1和S2中，控制參數(shù)的值存放在S3S36中，輸出值MV存放在D中。圖4-6 PID指令系統(tǒng)PID調(diào)制的PID控制器的參數(shù)整定需要整定比例放大系數(shù)Kp、積分時(shí)間常數(shù)Ti、微分時(shí)間常數(shù)Td、采樣周期Ts，任意參數(shù)整定的不合適都會(huì)直接對(duì)系統(tǒng)的控制效果產(chǎn)生直接影響。在設(shè)置整定參數(shù)的過(guò)程中，實(shí)時(shí)把控整定參數(shù)與控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性的關(guān)系。PID控制表達(dá)式為：Kp：由S3+3的值決定，能與時(shí)產(chǎn)生與偏差成正比的調(diào)節(jié)作用。Ti：由S3+4的值決定，能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度

48、。Td：由S3+6的值決定，有超前預(yù)測(cè)的特性。Ts：由S3的值決定， Ts值的設(shè)定遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)階躍響應(yīng)的純滯后時(shí)間或上升時(shí)間。PID參數(shù)整定的步驟如下： 1、置調(diào)節(jié)器Ti到最大值，Td為零，比例帶置較大值，使控制系統(tǒng)投入運(yùn)行；2、待系統(tǒng)穩(wěn)定后運(yùn)行后，逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下此時(shí)的臨界比例帶和臨界振蕩周期；3、利用臨界比例帶和振蕩周期的數(shù)值按照相應(yīng)的公式計(jì)算出整定參數(shù)值。根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)PID參數(shù)設(shè)定的梯形圖如圖4-7所示。其中M8002為初始脈沖，只在運(yùn)行時(shí)接通。圖4-7 PID參數(shù)設(shè)定梯形圖4.2.3 PID調(diào)制梯形圖喂煤控制系統(tǒng)要想要達(dá)到5控制精度，就必須將荷重傳感器檢測(cè)到

49、的實(shí)時(shí)荷重信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（020mA）后與時(shí)送給PLC作比較處理，接著通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)讀到PLC中，再通過(guò)變頻器讀取電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而得到實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)，再與預(yù)設(shè)值作比較，進(jìn)而細(xì)一步調(diào)節(jié)喂料機(jī)電機(jī)與轉(zhuǎn)子秤電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之達(dá)到理想狀態(tài)。PID調(diào)制梯形圖如圖4-8所示。M8000為運(yùn)行監(jiān)視器，在系統(tǒng)運(yùn)行中一直處于接通狀態(tài)，既調(diào)節(jié)程序?qū)⒁恢碧幱诠ぷ鳡顟B(tài)，監(jiān)視煤量是否達(dá)到系統(tǒng)對(duì)其的精度要求。圖4-8 PID調(diào)制梯形圖4.3 梯形圖邏輯測(cè)試在完成梯形圖的編寫后，電機(jī)程序檢查按鈕，檢查程序是否出錯(cuò)，如果沒(méi)有出錯(cuò)，對(duì)程序可以進(jìn)行邏輯測(cè)試，在邏輯測(cè)試中，我們完全可以看出所編輯的梯形圖是

50、否能夠按照我們所涉與的那樣進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。點(diǎn)擊工具欄中“工具”選項(xiàng)下的“梯形圖邏輯測(cè)試啟動(dòng)”選項(xiàng)，啟動(dòng)梯形圖邏輯測(cè)試，PLC持續(xù)寫入。梯形圖無(wú)誤顯示界面如圖4-9所示。圖4-9 梯形圖無(wú)誤顯示界面下面開始邏輯測(cè)試，將X000啟動(dòng)，即強(qiáng)制取ON，輔助繼電器M0、M2的線圈得電，時(shí)間繼電器T0、T1線圈線路接通得電，三臺(tái)電機(jī)羅茨風(fēng)機(jī)Y000、轉(zhuǎn)子秤電機(jī)Y001和喂料電機(jī)Y002開始工作。其邏輯測(cè)試結(jié)果如圖4-10所示。圖4-10 X000強(qiáng)制啟動(dòng)邏輯測(cè)試結(jié)果然后將X001強(qiáng)制啟動(dòng)，即關(guān)閉系統(tǒng)。輔助繼電器M2線圈立即斷電，喂料電機(jī)Y002也立即停止工作，隨后輔助繼電器M1的線圈得電，時(shí)間繼電器T0、T1計(jì)

51、時(shí)開始，2s過(guò)后，時(shí)間繼電器T0和T1斷開，羅茨風(fēng)機(jī)Y000和轉(zhuǎn)子秤電機(jī)Y001也停止工作。其邏輯測(cè)試結(jié)果如圖4-11所示。圖4-11 X001強(qiáng)制啟動(dòng)邏輯測(cè)試結(jié)果同時(shí)也可以對(duì)X8000、X8002采取強(qiáng)制ON，使其設(shè)置PID參數(shù)后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID調(diào)制，但其參數(shù)設(shè)置還是要根據(jù)實(shí)際需要與實(shí)際水泥廠生產(chǎn)情況而進(jìn)行設(shè)定。PID進(jìn)行模擬運(yùn)行如圖4-12所示。圖4-12 PID模擬運(yùn)行第5章 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)5.1 組態(tài)軟件介紹組態(tài)是系統(tǒng)模塊化任意組合而成的，常用的組態(tài)軟件有MCGE、組態(tài)王、力控、昆侖通態(tài)、紫金橋、世紀(jì)星等國(guó)軟件。組態(tài)軟件可以使用戶自定義一套最適合自己研發(fā)和應(yīng)用仿真控制系統(tǒng)。組態(tài)軟件通常運(yùn)

52、行在工控機(jī)上，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行操作和維護(hù)，通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)行進(jìn)行控制、調(diào)制和運(yùn)用。本系統(tǒng)采用組態(tài)王組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬控制，其能夠快速的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與監(jiān)測(cè)的同時(shí)對(duì)前端數(shù)據(jù)處理與控制。5.2 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)制作5.2.1 系統(tǒng)組態(tài)制作1.建立組態(tài)工程雙擊桌面組態(tài)王圖標(biāo)，打開工程管理器，點(diǎn)擊新建組態(tài)王工程，首先指定新建工程的所在目錄，然后輸入自己所要建立工程的名稱，在“工程管理器”的目錄中就有了自己的工程，點(diǎn)擊完成我們所需要的“水泥廠窯頭喂煤設(shè)計(jì)”工程。如圖5-1所示。圖5-1 建立組態(tài)工程2.建立組態(tài)畫面： 打開上面已經(jīng)建好的工程，進(jìn)入工程管理器界面，在界面新建“水

53、泥廠窯頭喂煤設(shè)計(jì)”畫面，如圖5-2所示。圖5-2 建立組態(tài)畫面3.主畫面編輯進(jìn)入畫面編輯窗口，在此編輯窗口中下利用工具欄中的畫面繪圖工具完成對(duì)水泥廠窯頭喂煤系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)。系統(tǒng)為用戶提供了工具箱、調(diào)色板、導(dǎo)航圖、線性、畫刷類型以與圖庫(kù)等。工具箱為用戶提供了矩形、直線、多邊形、扇形等簡(jiǎn)單的圖形對(duì)象，并且還有指示燈、按鈕等圖形對(duì)象。工具箱的功能很強(qiáng)大，它有很多的優(yōu)點(diǎn)，不僅降低了設(shè)計(jì)畫面的難度，也統(tǒng)一了畫面的外觀。4.設(shè)備設(shè)置和組態(tài)王6.55進(jìn)行交換數(shù)據(jù)的設(shè)備都稱之為外部設(shè)備，如PLC、變頻器、板卡、模塊以與儀表等。外部設(shè)備如PLC是通過(guò)串行口與上位機(jī)如電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。因此，外部設(shè)備只有先定義好

54、后，上位機(jī)和外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換才能進(jìn)行。在本次設(shè)計(jì)中選用的外部設(shè)備為三菱FX2N和基于Windows操作系統(tǒng)的組態(tài)王6.55進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的通信。在本次設(shè)計(jì)中選用的是設(shè)備菜單欄下的COM1口。選中COM1口后，雙擊“新建”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А贝翱?，在彈出窗口中選中“PLC/三菱/FX2N_485/COM”，選中后點(diǎn)擊“下一步”，為安裝設(shè)備起一邏輯名稱為“新I/O設(shè)備”，單擊“下一步”，彈出選擇串口號(hào)窗口，選擇“COM1”,單擊“下一步”，彈出設(shè)備配置設(shè)置指南窗口，將地址改為00，然后單擊“下一步”直至“完成”。這樣設(shè)備設(shè)置也就完成。設(shè)備設(shè)置如圖5-3所示。圖5-3 設(shè)備設(shè)置5.構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)在組態(tài)

55、王中最重要的一部分為數(shù)據(jù)庫(kù)，其是上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的橋梁，也是實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫連接的中介。換言之，只有先定義好數(shù)據(jù)庫(kù)，才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫連接以求達(dá)到控制目的。在數(shù)據(jù)庫(kù)中包含有結(jié)構(gòu)變量、數(shù)據(jù)詞典、報(bào)警組。在本次設(shè)計(jì)中用到了結(jié)構(gòu)變量和數(shù)據(jù)詞典。結(jié)構(gòu)變量中我們定義了“定時(shí)器結(jié)構(gòu)”，以便完成對(duì)喂料電機(jī)停止2s后轉(zhuǎn)子秤電機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)才停止的控制，定義如圖5-4所示。圖5-4 結(jié)構(gòu)變量定義在數(shù)據(jù)詞典中我們根據(jù)系統(tǒng)的需要定義了幾組變量，各變量如圖5-5所示。圖5-5 數(shù)據(jù)詞典中的變量定義6.動(dòng)畫連接目前為止，由工具箱繪制的圖形界面是靜止的，我們要對(duì)這些仿真圖形進(jìn)行動(dòng)畫屬性設(shè)置，使它們按照設(shè)計(jì)要求模擬仿真水泥廠窯頭

56、喂煤畫面，形象逼真的“動(dòng)”起來(lái)。點(diǎn)擊選中我們需要設(shè)置的圖像對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)畫連接，即可以產(chǎn)生形象的動(dòng)畫效果，雙擊圖畫會(huì)出現(xiàn)“動(dòng)畫連接”的對(duì)話框，在對(duì)話框設(shè)置該動(dòng)畫的屬性變化、位置和大小變化等。只要這樣電動(dòng)機(jī)的啟停我們才能夠根據(jù)指示燈顏色的變化觀察出來(lái)。5.2.2 系統(tǒng)組態(tài)畫面組態(tài)畫面中包含兩個(gè)按鈕啟動(dòng)和停止、3臺(tái)電機(jī)和3臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行指示燈，即Y0000為羅茨風(fēng)機(jī)，Y0001變頻為轉(zhuǎn)子秤電機(jī)，Y0002變頻為喂料電機(jī)。其中設(shè)定重量輸入框可以輸入對(duì)系統(tǒng)所設(shè)定的喂煤量，顯示框可顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速與瞬時(shí)重量。系統(tǒng)組態(tài)畫面如圖5-6所示。圖5-6 系統(tǒng)組態(tài)畫面5.3 系統(tǒng)組態(tài)運(yùn)行對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)畫狀態(tài)和煤粉流程進(jìn)行檢查，對(duì)水泥廠窯頭喂煤控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行后,可出現(xiàn)系統(tǒng)最先預(yù)想的動(dòng)畫效果。再接上PLC進(jìn)行連機(jī)調(diào)試,模擬運(yùn)行電機(jī)結(jié)果與PLC梯形圖運(yùn)行的結(jié)果是一樣的。將編好的PLC梯形圖程序編譯完，下載到PLC界面，然后切換到組態(tài)設(shè)置好COM端