料漿配料過程中的堿赤泥漿流量控制系統(tǒng)設計

1、遼 寧工 業(yè) 大 學PLC技術及應用課程設計（論文）題目：生料漿配料過程中的堿赤泥漿流量控制系統(tǒng)設計院（系）： 電氣工程學院專業(yè)班級： 自動化071 學 號： 070302011學生姓名：劉尊龍指導教師：（簽字）起止時間：2010-12-22到2010-12-31課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室： 學 號070302011學生姓名劉尊龍專業(yè)班級自動化071課程設計（論文）題目生料漿配料過程中的堿赤泥漿流量控制系統(tǒng)設計課程設計（論文）任務課題完成的功能、在氧化鋁配料過程中，需要將堿赤泥漿原料輸送到球磨機中。輸送設備采用泵，泵的驅(qū)動設備為交流電動機，控制系統(tǒng)完成以下功能：1

2、、實現(xiàn)泵啟停的邏輯控制功能；2、實現(xiàn)堿赤泥漿流量的控制功能；3、監(jiān)控畫面中具有啟停泵，流量設定值輸入，實際流量監(jiān)視等功能。設計任務及要求：1、采用西門子公司200系列PLC；2、方案設計，I/O分配表；3、硬件設計和軟件開發(fā)；4、離線運行結果分析；5、撰寫課程設計說明書；技術參數(shù)：1、電動機的額定功率22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。2、堿赤泥漿的流量范圍為80-120t/h。進度計劃1、熟悉課程設計題目，查找及收集相關書籍、資料（2天）；2、設計系統(tǒng)的結構原理圖（1天）；3、儀表、控制系統(tǒng)等設備的選型（1天）；4、程序開發(fā)（4天）；5、撰寫課設論文（1.5天）

3、；6、設計結果考核（0.5天）；指導教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯：總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要在生料漿配料過程中，堿赤泥漿的流量對生料漿的各項工藝指標有著直接的影響。本文使用PLC來控制變頻器，讓變頻器來控制電動機，進而控制泵起到改變流量的功能。針對堿赤泥漿流量的特性，本文使用了PID的控制方法。介紹了西門子S7-200PLC，變頻器MM440和計量泵。并介紹了PID算法的應用，用框圖法來編輯程序。本文設計了泵的啟停邏輯控制，堿赤泥漿的流量控制等程序。設計了PLC各個I/O接口的功能，并通過監(jiān)控畫面來模擬整個

4、過程。從而能在應用中更準確的控制流量。關鍵詞：堿赤泥漿；PLC；PID控制方法；監(jiān)控畫面目 錄第1章 緒論1第2章 課程設計的方案22.1 概述22.2 系統(tǒng)組成總體結構2第3章 硬件設計33.1 PLC系統(tǒng)的設計33.2計量泵43.3變頻器53.4 I/O口分配6第4章 軟件設計84.1 系統(tǒng)主流程圖84.2 系統(tǒng)梯形圖9 泵的啟停程序94.2.2 PID控制94.3模擬環(huán)境運行14第5章 課程設計總結15參考文獻16第1章 緒論目前，生料泥漿的生產(chǎn)已經(jīng)實現(xiàn)自動化，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，在生產(chǎn)過程中要控制生泥漿的配料堿赤泥漿的流量，以此來提高產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，生料漿生產(chǎn)線中有越來越多的機器在使用

5、先進的堿赤泥漿流量控制技術來提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。而應用PLC完成電氣部分的控制是工業(yè)自動化電氣控制的主要發(fā)展方向。本次課設主要介紹怎樣控制堿赤泥漿的流量。我國的堿赤泥漿流量控制系統(tǒng)相對于西方發(fā)達國家來講還有很大的差距。設備陳舊，技術落后，成為阻礙我們生泥漿配料行業(yè)發(fā)展的一個嚴重問題。鑒于這些問題，我國企業(yè)不斷發(fā)展自身的實力，逐步朝著生產(chǎn)高速化、設備結構合理化、設備的多功能化、設備的綠色化、控制的智能化等方向發(fā)展。推出適合自己需求的產(chǎn)品來。本次課設就是朝著這個方向進行研究和設計。可編程序控制器(Programmable Controller)簡稱PC，為了避免同個人計算機（Personal

6、 Computer，簡稱PC）混淆，現(xiàn)在一般將可編程序控制器簡稱為PLC（Programmable Logic Controller）。PLC從誕生至今已有30多年，發(fā)展勢頭異常迅猛，已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化領域中的支柱產(chǎn)品之一。特別是隨著計算機技術和通信技術的發(fā)展，PLC的應用領域逐步擴大，應用前景十分看好。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)（特別是1969年以前，那時PLC還未出現(xiàn)）中主要元件是各種各樣的繼電器，它可以可靠且方便地組成一個簡單的控制系統(tǒng)。但隨著社會的進步，工業(yè)的發(fā)展，控制對象越來越多，其邏輯關系也越來越復雜，用繼電器組成的控制系統(tǒng)就會變得非常龐大，從而造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定和造價昂貴。主要表現(xiàn)在：當某

7、個繼電器損壞、甚至繼電器的某觸點接觸不良都會影響系統(tǒng)的運行；繼電器本身并不太貴，但控制柜內(nèi)元件的安裝和接線工作量極大，造成系統(tǒng)價格偏高；產(chǎn)品需要不斷地更新?lián)Q代，生產(chǎn)設備的控制系統(tǒng)不斷地作相應的調(diào)整。但對龐大的系統(tǒng)而言，日常維護已很難，再作調(diào)整難度更大。PLC自問世以來，經(jīng)30多年的發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達國家(如美、日、德等)已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一，生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)，PLC的品種多達幾百種。國內(nèi)應用始于80年代。一些大中型工程項目引進的生產(chǎn)流水線上采用了PLC控制系統(tǒng)，使用后取得了明顯的經(jīng)濟效益，從而促進了國內(nèi)PLC的發(fā)展和應用。目前國內(nèi)PLC的應用已取得了許多成功的經(jīng)驗和成果，證明了PLC是大有發(fā)展前

8、途的工業(yè)控制裝置，它與DCS、SCADA、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)相互集成、互相補充而形成的綜合系統(tǒng)將得到更加廣泛的應用。第2章 課程設計的方案2.1 概述本次設計主要是綜合應用所學知識，設計生料漿配料過程中的堿赤泥漿流量控制系統(tǒng)，并在實踐的基本技能方面進行一次系統(tǒng)的訓練。能夠較全面地鞏固和應用PLC課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌握PLC系統(tǒng)設計的基本方法。應用場合:應用于生料漿配料過程中，通過輸入的流量數(shù)，通過變頻器控制電動機再通過泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)流量的控制。系統(tǒng)功能介紹:由泵上的流量監(jiān)視測量出的真實堿赤泥漿流量與系統(tǒng)要求的的堿赤泥漿流量相比較，經(jīng)PLC的計算后調(diào)節(jié)變頻器，從而控制泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)堿

9、赤泥漿的流量。2.2 系統(tǒng)組成總體結構本設計針對在生料漿配料過程中，需要將堿赤泥漿原料輸送到球磨機中。當堿赤泥漿的流量控制在80120t/h時球磨機才能工作在最佳狀態(tài)，用泵監(jiān)視出的流量通過PLC中的PID模塊的計算控制電動機的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)的總體結構圖如圖2.2。PLC變頻器電動機計量泵流量監(jiān)測輸入流量值實際流量值圖2.2系統(tǒng)總結構圖第3章 硬件設計3.1 PLC系統(tǒng)的設計可編程控制器(Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為 工業(yè)控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC

10、，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC,plc自1966年出現(xiàn)，美國，日本，德國的可編程控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強大。 PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為： a、電源 PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%

11、)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去 b. 中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入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)傳送到相應的輸出裝置，如

12、此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 c、存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 d、輸入輸出接口電路 1、現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。 2、現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。 e、功能模塊 如計數(shù)、定位等功能模塊 f、通信模塊 如以太網(wǎng)、

13、RS485、Profibus-DP通訊模塊等本文采用的是西門子S7-200圖3.1西門子S7-200PLC3.2計量泵電機經(jīng)聯(lián)軸器帶動蝸桿并通過蝸輪減速使主軸和偏心輪作回轉(zhuǎn)運動，由偏心輪帶動弓型連桿的滑動調(diào)節(jié)座內(nèi)作往復運動。當柱塞向后死點移時，泵腔內(nèi)逐漸形成真空，吸入閥打開，吸入液體；當柱塞向前死點移動時，此時吸入閥關閉，排出閥打開，液體在柱塞向進一步運動時排出。在泵的往復順還工作形成連續(xù)有壓力、定量的排放液體。該泵性能優(yōu)越，其中隔膜式計量泵絕對不泄露，安全性能高，計量輸送精確，流量可以從零到最大定額值范圍能任意調(diào)節(jié)，壓力可從常壓到最大允許范圍內(nèi)任意選擇。 2.調(diào)節(jié)直觀清晰，工作平穩(wěn)、無噪聲、

14、體積小、重量輕、維護方便，可并聯(lián)使用。 3.該泵品種多、性能全、適用輸送-30度到450度，粘度為0-800mm/s，最高排出壓力可達64Mpa，流量范圍在0.1-20000L/h，計量精度在1%以內(nèi)。 4.根據(jù)工藝要求該泵可以手動調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)流量，亦可實現(xiàn)遙控和計算機自動控制。計量范圍：0-400升/公頃，壓力范圍：0-1.0兆帕，驅(qū)動方式：電機驅(qū)動，控制方式：手動、自動控制(可接收4-20mA信號來調(diào)節(jié)流量) 1、鑄鋁殼體，散熱性能高，整體重量輕，適用各種酸堿藥液，無毒無味。 2、采用凸輪機構整體上完全無泄露，可安置于藥槽或管道上。3、接觸介質(zhì)泵頭為PVC、可選PTFE、及不銹鋼材質(zhì)。4

15、、性價比高，普遍適用于，壓力要求不高的水處理行業(yè)。5、在泵運行或停止時也可任意調(diào)節(jié)流量也可定量輸出。6、隔膜為多層復合結構壓制而成，第一層超韌性Teflon耐酸薄膜，第二層EPDM彈性橡膠，第三層厚度 支撐鐵芯，第四層采用強化尼龍纖維補強，第五采用EPDM彈性橡膠完全包履，可有效提升隔膜使用壽命圖3.2計量泵實物圖3.3變頻器變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護等功能。主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的

16、直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。整流單元將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。高容量電容存儲轉(zhuǎn)換后的電能。逆變器由大功率開關晶體管陣列組成電子開關，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波。控制器按設定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅(qū)動交流電動機。MM440是一種集多種功能于一體

17、的變頻器，它的主要特點是內(nèi)置多種運行控制方式；快速電流限制，實現(xiàn)無跳閘運行；內(nèi)置式制動斬波器，實現(xiàn)直流注入制動；具有PID控制功能的閉環(huán)控制，控制器可用于控制多個交替工作的生產(chǎn)過程；多功能數(shù)字、模擬輸入/輸出口，可任意定義其功能和具有完善的保護功能。圖3.3M440變頻器實物圖3.4 I/O口分配本設計接入變頻器需要2個模擬量輸入，2個模擬量輸出。PID控制需要1個模擬量輸入，1個模擬量輸出和1個數(shù)字量輸入。選用CPU224有14個數(shù)字量輸入和10個數(shù)字量輸出。擴展一個EM231和EM232。表3.4 I/O地址分配表輸 入輸 出I0.0泵的運行狀態(tài)Q0.0泵的啟動I0.2PID的手動/自動轉(zhuǎn)

18、換開關Q0.1泵的停止AIW0.0PID的模擬量輸入AQW0.0控制變頻器工作第4章 軟件設計4.1 系統(tǒng)主流程圖數(shù)據(jù)采集及處理主要包括實時采集通過泵的流量信號，計算出系統(tǒng)流量是否在允許的流量范圍內(nèi)，從而控制變頻器改變電動機的轉(zhuǎn)速，以達到堿赤泥漿流量在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)目的系統(tǒng)主程序流程圖如圖4.1所示。開始系統(tǒng)的初始化對采集的流量處理流量是否在80t/h-120t/h否是結束PID運算圖4.1主流程圖4.2 系統(tǒng)梯形圖4.2.1 泵的啟停程序由于在泥漿配料過程中，需要將堿赤泥漿原料輸送到球磨機中，而如果先加入的話可是損害球磨機，所以在球磨機沒啟動前不可以輸入堿赤泥漿。所以設Q0.0控制堿赤泥漿

19、泵的電機，Q0.1控制球磨機，I0.1和I0.3為控制泵的啟動合停止。啟停程序如下：4.2.2 PID控制PID控制算法中的參數(shù)定義如下：M（t）：PID回路輸出，有時間的函數(shù)；Mn：第n次采樣時刻，PID回路輸出的計算值；e：PID回路的偏差（設定值與過程變量之差）；：在第n次采樣時刻的偏差值；：在第n-1次采樣時刻的偏差值；：采樣時刻的偏差值;：PID回路輸出初始值；MX：積分項前值；：PID回路增益；：積分項的比例常數(shù)；：微分項的比例常數(shù)；：采樣周期；：積分項的比例常數(shù)；：微分項的比例常數(shù)；：第n采樣時刻的設定值；：第n-1采樣時刻的設定值；：第n采樣時刻的過程變量值；：第n-1采樣時刻

20、的過程變量值；如果一個PID回路的輸出M時間t的函數(shù)，則可以看做是比例項，積分項和微分項三部分之和。即以上各量都是連續(xù)量，第一項為比例項，最后一項為微分項，中間兩項為積分項。用計算機處理這樣的控制算式，即連續(xù)的算式必須周期性地采樣并進行離散化，同時各信號也要離散化，公式為從上式看出，比例項僅是當前采樣的函數(shù)，積分項是從第一個采樣周期到當前采樣周期所用誤差項的函數(shù)，微分項是當前采樣和前一次采樣的函數(shù)。對計算機系統(tǒng)來說，只要保存積分項前值和誤差前值，就可以得到一個更簡單的公式，如具體到S7-200PLC中，設定值為SP，過程值為PV，系統(tǒng)增益系數(shù)只使用，積分時間控制積分項在整個輸出結果中影響的大小，微分時間控制微分項在整個輸出結果中影響的大小。具體的計算公式為一般來說，設定值不是經(jīng)常改變的，所以，n時刻和n-1時刻的SP是相等的。對上式進行簡化后，得出這就是PLC中使用的PID算法。PID控制程序如下：80為裝入的設定值。0.4為裝入的回路增益，0.2為采樣時間，30.0為積分時間，15.0微分時間AIW0為模擬量輸入AQW0為輸出模擬量4.3模擬環(huán)境運行開關控制泵的啟停，輸入設定值然后堿赤泥漿流入泵中，檢測出當前流量，當球磨機正常運行時（顯示為綠時），泵流入球磨機中。第5章 課程設計總結在這次生料漿配料過程中的堿赤泥漿流量控制系統(tǒng)設計中，我查看了大量的關于泵、西門子S7-200