基于PLC的智能水泥自动配料系统设计.pdf

I 匐 似 基于P L C 的智能水泥 自动配料系统设计 Au t om a t i c bat chi n g s ys t em f or cem ent bas ed on PLC 门洪，英宇翔 ，王忠 MEN Ho n g．YI NG Yu x i an g，W ANG Zh on g 东北电力大学 自动化工程学院，吉林 1 3 2 0 1 2 摘要 针对水泥制造业应用环境恶劣、干扰因素比较多的现状 ，本文设计了一种智能自动配料系统。 该系统由7 2 0 0 型号P L C 作为测量和控制的核心 ，T D 4 0 0 C 作为人机接口单元，采用F S 1 1 系列 变频器用来控制配料系统的电机速度，波纹管电阻应变式压力传感器作为称重元件 ，磁电式速 度传感器作为测速元件，采用固定取样长度并进行累加称重的控制策略，能够实现水泥生产过 程中的在线动态称重，有效地增强了系统的抗干扰能力，解决了下料不稳定时带来的误差 ，提 高了配料精度。 关键词 自动配料系统；P L C；变频器 ；配料速度 中图分类号 T P 2 9 文献标识码 A 文章编号 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 3 0 1 I- -O l 2 8 - 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 1 E ． 3 7 0 引言 随 着科 学技 术 的不 断 发展 ， 自动配 料 系统 也称电子皮带秤 已广泛应用于工农业生产和 社会生活的各个领域n 】 。在很多生产工艺过程 中， 人们除 了要求衡器能准确地进行称量，满足产 品 质量 的需要外，还要求称重过程能大幅度提高生 产效率口 ， 3 】 。水泥是 由石灰石和矿渣等材料按一定 的配 比混合煅烧而来，对散料在皮带输 送过程 中 常需要进行动态连续称量 ，而且还要对输送 中的 流量进行调节、控制 和达到准确的配比。配料 的 精确度直接关系着水 泥的质量 。如果配 料的精确 度达不到要求，轻则造成原料 、能源的浪费，重 则影响产品的质量和生产率 ，并且有些重要生产 岗位的配料失误甚至会给整个生产酿 成事故 。 自 动配料系统是实现 生产过程 自动化和智能化 、企 业的科学管理 、安全稳定生产和节能降耗 的重要 技术手段H。 本文基于P L C 设计 了一种智能水泥 自动配料系 统 ，计量精度高 ，操作方便 ，对于实现真正 的工 业 自动化 ，具有重要的意义。 1 水泥自动配料系统架构设计 1 ． 1基本机械结构 自动配料 系统是 自动衡器 ，是物料在输送过 程 中连续 自动地完成称重任务 ，并且要 自动完成 累计 ，具有连续和 自动称重 的特点 。在称 重过程 中所得到的称重值 ，就是一段时间内物料 的流量 累计量。这不仅和皮带上输送的物料重量有关 ， 还和皮带运行 的速度有关 。所以，在采 集皮带上 物料重量的同时 ，必须采集皮带运行 的速度 ，并 把这两个值送到控制器进行乘积和积分运算 ，运 算的结果即为此时配料系统的配料速 度和 已经配 料的累计值 。其机械结构如图1 所示 。 ≯≮ 8 9 l 2 ≯ 0 0 旗飘 鬻 鍪 鬟 翳 1 4 囊囊 蠹 黧瓣 1 3 1 ． 进料 口 2 、8 、9 ． 承重托辊 3 、5 ． 计量托辊 4 ． 称重托辊 6 ． 主动滚筒 7 ． 拖动轴 1 O ． 测速传感器 1 1 ． 从动滚筒 1 2 ． 皮带 1 3 ．现场按钮盒 1 4 ． 压力传感器 1 5 ． 下料斗 图1自动配料 系统机械结构示意图 1 ． 2 控制结构 本文所设计的自动配料系统 的控制结构如 图2 所示 。在系统运行的状态下 ， 自动配料系统利用 称重传感器和测速传感器把皮带上通过的物料重 量与皮带速度转换 成电信号 ，转换得到的两组 信 号通过现场按钮盒，通过A ／ D转换输送给主控制器 进行计算 、调节 ，输 出一个合适 的控制值 ，经过 D ／ A 转换后传给变频器 ，控制电机的运转。在此过 收稿日期2 0 1 2 0 7 3 0 l ie 者简介门洪 1 9 7 3一 ，男，吉林永吉人，副教授，博士，主要从事测控技术及其应用等方面的研究工作。 [ 1 2 8 ] 第3 5 卷第1 期2 0 1 3 0 1 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 訇 似 程 中系统 的给 定值 ，也就 是 自动配料 系统每小时 所需要配料 的吨数 ，可 以是通过控制 系统 的键盘 本地输入 ，也 可以是由DCS 远程给 定的。称重累 计结果送给显示器并同时由D CS 进行上传 。 图2 自动 配料 系统 的控制结构框 图 1 控制 器 由于本文所设计 的 自动配料系统应用 的工业 现场环境比较恶劣 ，潮湿、灰尘等干扰因素 比较 多 ，所 以对控制器的抗干扰性能 以及稳定性有很 高的要求 。P L C 是专为工业控制而设计的，可靠性 好、抗干扰能力强是它的最重要特点之一 。综合 自动配料系统的控制要求 ，本设计选用西 门子 的 S 7 2 0 0 P L C 作为控制器 。 2 压力传感器 压力传感器是 自动配 料系统检测物料重量的 部件，它的性能指标很大程度上决定 了自动配料 系统的测量精度和运行稳定性 。本设计采用德 国 HBM的波纹管电阻应变式传 感器 ，其 原理如 图3 所示，图中R 4 为应变 电阻，A，B两点接入输入 电 压，通 常为 1 0 V左右，C，D间为信号输 出电压 ， 其范 围在0 mV 1 0 mV。工作原理如下 当应变 电 阻R 4 受力后 ，将 引起R 4 发生形变 ，从而使R4 的 阻值 发生变化 ，受力越大形变的程度也就越大 ， 阻值变化也就越大 ，并且阻值的变化大小和受力 的大小成正 比例关 系。R4 的 阻值变化后 ，R 4 承受 的电压值随之 发生变化 ，如果将B点设为参 考电 位点 ，在受压前后D点相对B 点的压差就产生 了变 化 。而c点的电压没有变化，结果就是引起c点和 D点之 间有了一定的电压 。 I N一 图3压 电式传感器原理示 意图 3 测速传感器 皮带速度检测的准确程度直接影响到配料 系 统的准确度 。本设计采用磁 电式 测速传感器 。在 电机转动过程 中，带动从动轮转动 ，从而带动了 和从动轮同轴 的测速齿轮 的转动 ，当测速传感器 接近测速齿轮时输 出脉冲信号。 电机速度越高 ，测速齿轮旋转越快 ，测速传 感器输 出脉冲频率也就越高 ，单位时 间内脉冲个 数也越多 。通 过计算单位时 间内收到的脉冲数 ， 算 出从动 轮 的转 速 ，也就 可 以计算 出皮带 的线 速度 。 4 键盘、显示器 T D4 0 0 C是S 7 ． 2 0 0 文本显示设备，为背光液晶 显示，分辨率为1 9 2 X6 4 ，具有2 行 大字体 或4 行 小字体 显示功能，使操作 员或用户能够与 应用程序进行交换 ，可 以查 看、监视和更改应用 程序固有的过程变量 。在T D4 0 0 C上 自定义 了l 6 个 功能按键，实现 了开机 、关机 、运行、停止等智 能化功能。 5 变 频 器 采用模拟电路控制滑差调速电机方 式具 有价 格低廉等优势 ，但是在低速时滑差电机调 速方式 特性差、效率低，且现场外部工作环境恶劣，粉 尘 多，易进入滑差 电机 内部而 出现磨损、卡死等 现 象，维修 、维 护麻 烦，造成工作故障多，影 响 正常生产 】 。本设计采用富士P l 1 S 系列变频器对电 机进行无级变速 ，可提 高配料精度和稳定性，减 少系统故障。 2 控制策略 目前的 自动配料 系统多通过固定时间间隔对 物料重量和皮带 速度采样 ，然 后把采得的数据进 行运算处理 ，即对皮带上物料重量的检测是通过 检测一段时间内有效称量段上 的物料重量 ，对这 段皮带上物料 的重量进行平均 ，所得到的结果作 为单位长度上物料的重量。 这种方法在下料平稳的情况下，检测到物料 的重量值基本符合实 际值 ，但在实际过程 中，往 往会 出现下料不稳 的情况 ，尤其在物料潮湿发粘 的情 况下 ，还经常会 出现一会有料一会没料 的情 况 ，在这种情况下 ，对皮带上的物料进行平均运 算 ，结果与实际值相差很大，影响系统的精度。 第3 5 卷第1 期2 0 1 3 0 1 上 I 1 2 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 似 本设 计 不通 过 固定 的时 间 间 隔来对 系统 采 样 ，而是皮带运 行固定一段距离来对系统 的物料 重量采样一次 ，压力传感器检测的是皮带上某段 物料的重量，把这段长度作为 系统的固定采样长 度 ，消除因将物料进行平均而带来 的误差 。改进 后的配料系统控制算法如下 1 累积量的计算方法 1 2 ⋯ f 1 百 式中 ， z 为系统第n 次采样时配料累积值； M n 为系统第n 次采样时有效称量段上物料 重 量 。 2 第n 次采样时瞬时流量 的计算方法 P f f 2 式 中 尸 为系统显示的瞬时流量值； 为皮带的瞬时速度； 为有效称量段长度。 3 流量控制方法 t _F． x-X n 3 式中 f 为配料系统在t 时间每小时配料量； 助系统设定的每小时配料量； x 为配料系统运行时间，整小时数加一 ； X ’ 为X 减去系统已经运行的整小时数 。 4 控制皮带速度的计算方法 4 式中 f 为皮带单位时间应该运行的长度。 3 系统软件设计 3 ． 1 主程序 主程序分 为初始化程序 、信号采集、判断运 行模式以及模拟量输出，流程如图4 所示，其 中自 动调 节程序是配料 系统计量的核心 ，通过读取系 统设 定流量 以及瞬时的荷重值和速度值，输 出合 适 的电流来控制变频器驱动 电机 ，实现控制皮带 加快或减慢 。 I 1 3 0 1 第3 5 卷第1 期2 o “1 3 一 o l 上 否 图4 主程序 流程 图 3 ． 2 累积量计算程序 本设计 中对 累积量的计算通过记录采样时有 效称量段上物料的重量 ，等待皮带运行的长度等 于有效称量段的长度后 ，累积量增加n K g ，如 此循环进行，程序流程图如图5 所示。 图5 累积量计算流程 图 【 下转第1 3 6 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 訇 3 试验结果及分析 在系统设计 完成后 ，对其进行 了试验 。试验 过程中，设置桶装纯净水 的传输速度v 为0 ． 5 m／ s ， 从桶装水送入端 口至输 出端 口间传输轨道距离 为 1 2 m，纯净水桶间距 为1 m，每个桶的搬运平均时间 为1 5 s 。系统采用2 2 0 V ／ 5 0 H z 的供电方式，测试时间T 为l h 。则在2 h 内可传输桶装纯净水数量 满足下式 f 一 L 一 k _ 1 一 一 _ 1 式中t 为第 桶水用时， ； 鱼 n 一 1 一 一 一 l l ’ 1 ， V 显然 T，因此有 r - L v 1 V 经计算得到l d , 时 内，利用桶装纯净水可传送 桶装水1 7 8 7 桶 。实际测试时 ，由于考 虑到搬运员 工的休 息及桶装水间距误差等问题 ，实测得到的 桶装水传输数量为1 4 0 0 桶 。 若 未采用 桶装纯 净水 自动装卸 系统 ，通过人 工操作方式时，1 4 , 时内，两名工人搬运的纯净水 数量为2 5 0 桶，工作效率提高了近6 倍 。 4 结论 本文所研制的桶装纯净水 自动 装卸系统结构 合理、能够 自动装载和传输纯净水 桶，传输性能 可 靠 。试 验结 果证 明 桶装纯净水 自动 装卸系统在很大程度上缓解 了纯净水生产企业搬运工人的劳动 强度，提高纯 净水生产企业的生产效率。 参考文献 [ 1 】刘存香， 刘学军． 基于L a b V I E W的差动 电感式位 移传 感器 校准装置研 制 【 J 1 ． 仪表技术， 2 0 0 8 ， 1 0 6 8 7 0 ． 【 2 】张尔利， 刘学军， 刘存香， 罗杰斌． 基于虚拟仪器的压阻 式 压 力 传 感器 校 准 系统 的 设 计 开 发 【 J 】 ． 制 造 业 自动 化 ， 2 0 0 9 0 7 6 9 ． ●矗‘ ●童● 矗●j量‘ 矗‘ 童‘ 重‘ 矗I 重‘ 盘‘ 矗● ． 蠡● 蠡‘ j蠡‘ 蠢‘ 出‘ 盘‘ 矗I 出● {量● 童● 蠢‘ 童● 【 上接第1 3 0 页】 3 ．3 电机速度调节程序 电机的速度是 由系统设 定流量 、传感器 的即 时荷重 、系统的运 行时 间、系统的累积量共 同决 定的，流程图如图6 所示 。 图6电机速度调节程序流程图 | 1 3 6 1第3 5 卷第1 期2 0 1 3 - 0 1 上 4 结论 本 文设 计 了一 种智 能化 水 泥 自动化 配 料 系 统 ，具有操作方便 、配料精度高、称量速度快 等 优点 ，能够克服现场运行环境恶劣、干扰因素众 多的现状，有效地提高 了系统的控制准确度和可 靠性 ，解决了以往皮带秤配料系统存在的系统误 差较大、动态特性不理想的问题。 本系统应用于安徽某水泥厂 ，能够按照用户 要求 自动完成下料 、称量 、配料全过程 ，很大程 度地降低了劳动强度 ，提高了生产效率和产 品质 量，对于提高水泥的质量有着十分重要的意义。 参考文献 【 l 】方 原 柏 ． 电 子 皮 带 秤 的 现 状 和 发 展 动 向 【 J 】 ． 衡 器 ， 2 0 0 6 ． 3 5 6 3 8 ． 【 2 】王祖麟， 周立成． 基于P L C 模糊控制 自动 配料系统研究， 砖 瓦， 2 0 1 1 ， 4 2 0 2 1 ． 【 3 】潘笑， 李琦， 文剑波． 新型高精度电子皮带秤的研制[ J 】 ． 华 东 电力， 2 0 0 7 ， 1 9 1 o 3 5 3 7 ． 【 4 】韩 仁生． 自动 配料控制 系统设 计及给料过程 控制方法研 究[ D] ． i 完阳 东北大学， 2 0 0 9 ． 【 5 】梁万用， 胡智宏， 江泳． 基于AD 7 7 1 8 的超硬材料粉末 自动 配料系统设计[ J 】 ． 仪表技术与传感器， 2 0 1 0 ， 1 6 4 6 5 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m