本科畢業(yè)論文-基于PLC的飼料生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)研究與設(shè)計.docx

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1、摘 要隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多城市的工廠、事業(yè)單位都能看到各種形式的基于PLC的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。與此同時，工業(yè)經(jīng)濟在大踏步的前進后，越來越需要提升生產(chǎn)效率，而生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化、自動化程度起著決定性的作用。PLC自問世以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，早已取代繼電器控制系統(tǒng)在工控行業(yè)的絕對統(tǒng)治地位，在全世界發(fā)達國家中已經(jīng)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟推動作用。飼料生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)是精細化工廠生產(chǎn)工藝過程中一道非常重要的工序，其中的配料工序質(zhì)量對整個產(chǎn)品的質(zhì)量舉足輕重。自動配料控制過程是一個多輸入、多輸出系統(tǒng)，各條配料輸送生產(chǎn)線嚴格的協(xié)調(diào)控制，對料位、流量及時準確的進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。本文依據(jù)飼料生產(chǎn)系配料系統(tǒng)的工藝流程介紹了

2、飼料生產(chǎn)配料系統(tǒng)控制過程，詳細講述了PLC的選型及PLC飼料生產(chǎn)系統(tǒng)變頻控制中的硬件設(shè)置、參數(shù)設(shè)定和軟件設(shè)計過程。系統(tǒng)現(xiàn)場控制部分采用了PLC來控制生產(chǎn)過程，通過PLC來采集生產(chǎn)信息，通過PLC開關(guān)量輸入采集生產(chǎn)線的狀態(tài)及報警信息，并通過PLC開關(guān)量輸出實現(xiàn)對艙門開關(guān)的控制。在自動配料生產(chǎn)工藝過程中，將主料與輔料按一定比例配合，由皮帶稱完成對皮帶輸送的物料計量。PLC主要承擔對輸送設(shè)備進行實時控制，并完成對系統(tǒng)故障檢測、顯示及報警。關(guān)鍵詞：飼料生產(chǎn)；PLC；工藝流程；第1章 緒論1.1論文研究的來源、目的和意義1.1.1 論文研究的來源作為一個農(nóng)業(yè)大國，畜牧業(yè)養(yǎng)殖在我國具有十分重要的基礎(chǔ)地位，

3、而飼料工業(yè)又是為畜牧養(yǎng)殖業(yè)提供原材料供給的基礎(chǔ)。我國的飼料工業(yè)從改革開放開始起步，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)完成了從家庭手工作坊式的生產(chǎn)到世界第二大飼料生產(chǎn)大國的飛躍，已經(jīng)發(fā)展成為我國國民經(jīng)濟的當中的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，飼料產(chǎn)業(yè)己成為一個方興未艾的朝陽產(chǎn)業(yè)，對促進國民經(jīng)濟增長，促進養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展，服務“三農(nóng)”具有越來越重要的作用。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對飼料的需求量迅猛增加，采用傳統(tǒng)的飼料生產(chǎn)工藝流程早已不滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。飼料生產(chǎn)企業(yè)如何應對挑戰(zhàn)，在激烈的市場競爭中擴大產(chǎn)品產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，這是擺在飼料生產(chǎn)企業(yè)面前的一個非常嚴峻的課題。本論文正是在這樣一個大的背景條件下產(chǎn)生的。1

4、.1.2 論文研究的目的和意義飼料生產(chǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常重要的作用，不但是生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，更是源頭工序，直接關(guān)系著下游生產(chǎn)能否順利進行，決定著產(chǎn)品的質(zhì)量。配料精度的高低和配料速度的大小制約著整個生產(chǎn)過程的質(zhì)量和產(chǎn)量，而飼料生產(chǎn)的自動控制對提高配料生產(chǎn)的質(zhì)量起著舉足輕重的作用，飼料自動控制系統(tǒng)有助于實時掌握和了解配料生產(chǎn)工藝流程的運行狀況和參數(shù)變化，優(yōu)化生產(chǎn)，保證質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本的同時提高管理水平，使生產(chǎn)長期穩(wěn)定的運行，取得最佳效益。PLC是一種新型的具有極高可能性的通用工業(yè)自動化控制裝置。它以微處理器為核心，有機的將微處計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)及通信技術(shù)融為一體。其特點由：專為

5、工業(yè)控制設(shè)計，采取了精選元器件及多層次抗干擾等措施，能適應工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，抗干擾能力強，可靠性極高；采用易于理解和掌握的梯形圖語言，以及面向工業(yè)控制的簡單指令，編程方便；不僅具有先進的通訊和輸入、輸出能力，而且其模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、靈活的配置能力，使用戶可以靈活組成各種規(guī)模和不同要求的控制系統(tǒng)，使用方便；模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使操作人員在維修時只需要更換插入式模板或其他易損部件即可完成，既方便又減少了影響生產(chǎn)的時間；維護方便、硬件軟件齊全，設(shè)計和施工可同時進行，縮短了設(shè)計、施工、調(diào)試周期；結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，可靠性高，抗震防潮和耐熱能力強，使之易于安裝在機器設(shè)備內(nèi)部，易于實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品。

6、1.2 飼料加工發(fā)展現(xiàn)狀飼料工業(yè)時畜牧養(yǎng)殖業(yè)的基礎(chǔ)。我國飼料工業(yè)開始于70年代中后期，經(jīng)過短短二十多年的發(fā)展，從無到有，從小到大，走過了許多發(fā)達國家數(shù)十年才走完的歷程，飼料工業(yè)已成為我國工業(yè)體系中重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，我國已躍居為世界第二大飼料生產(chǎn)國。但是，飼料廠的配套自動控制系統(tǒng)和高精度配料控制系統(tǒng)還相對滯后，因此實現(xiàn)安全可靠的自動控制系統(tǒng)和高精度配料系統(tǒng)就顯得十分的迫切和必要。飼料廠自動控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了人工手動控制、機械電氣控制、單片機控制、工業(yè)計算機集中控制等幾個階段。第一階段，飼料加工機械比較簡單，各機械之間基本上沒有邏輯聯(lián)系，現(xiàn)場操作人員一般只負責一到兩個設(shè)備的操作與監(jiān)控，并手工的

7、記錄各項數(shù)據(jù)，產(chǎn)品質(zhì)量的人為因素很大。第二階段，繼電器手動控制在很大程度上降低了工人的勞動強度，但是大量的中間繼電器和時間繼電器組成的電控系統(tǒng)非常復雜，可靠性極低，特別是在調(diào)試和改造時的難度很大。第三階段，隨著大規(guī)模集成芯片技術(shù)的成熟，單片機控制系統(tǒng)應運而生。單片機配料控制系統(tǒng)較之前兩種系統(tǒng)設(shè)計電路復雜程度降低，可靠性大大提高，但其抗干擾能力比較差也局限了它的應用。第四階段，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應用，基于工控機的飼料廠自控系統(tǒng)也開始出現(xiàn)。這種系統(tǒng)大多采用集中控制方式，計算機除具有工藝流程控制、工況實時顯示、提供數(shù)據(jù)存儲、報表打印等功能外，還要完成對各對象的直接控制和數(shù)據(jù)采集任。隨著2

8、1世紀飼料加工新技術(shù)的出現(xiàn)，特別是現(xiàn)場總線和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，飼料工業(yè)的自動化控制水平也在相應提高。美國及歐洲的一些國家的飼料廠從火車、汽車進料，到成品散裝出料，全部為計算機自動控制，整廠單班操作人員只需要兩個人。飼料廠的管理和控制全部通過計算機進行操作，管控系統(tǒng)采用先進的模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)各部門的職能選擇不同的系統(tǒng)模塊。通過對人員管理系統(tǒng)、財務核算系統(tǒng)、原料接收系統(tǒng)、成品發(fā)放系統(tǒng)和生產(chǎn)加工系統(tǒng)共5個子計算機系統(tǒng)的管理，全部掌控整個飼料廠營運。在總體上，我國在飼料加工控制系統(tǒng)上存在技術(shù)不夠先進、企業(yè)平均規(guī)模小、綜合生產(chǎn)水平低等問題。因此，進一步提高飼料加工廠的自動化程度，仍然十分緊迫，設(shè)計

9、出高性能自動控制系統(tǒng)和高精度自動配料系統(tǒng)意義重大。1.3 課題研究內(nèi)容論文內(nèi)容主要包括計算機控制系統(tǒng)的硬件選型和電氣設(shè)計及PLC軟件設(shè)計：1) 飼料加工自動控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計；2) 飼料加工自動控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計；3) 粉碎機自動喂料系統(tǒng)設(shè)計；4) 模塊式程序設(shè)計的應用；1.4 論文的結(jié)構(gòu)安排論文在結(jié)構(gòu)上分為五個章節(jié)，具體安排如下：第1章：本章簡單介紹了飼料生產(chǎn)自動化配料系統(tǒng)的概念以及論文的研究背景、目的和意義。通過論述飼料生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)相關(guān)概念及PLC在國內(nèi)外發(fā)展趨勢，對飼料生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)的技術(shù)特點進行了簡單的比較分析。給出了主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排。第2章：本章簡單介紹了

10、PLC以及局域網(wǎng)控制基礎(chǔ)知識，然后對飼料生產(chǎn)工藝流程控制系統(tǒng)進行深入分析，針對飼料生產(chǎn)自動化配料系統(tǒng)的功能設(shè)計要求提出了系統(tǒng)總體框架設(shè)計，最后給出了系統(tǒng)的的要求，提出了硬件、軟件系統(tǒng)構(gòu)造方案，包括硬件設(shè)計要點和軟件設(shè)計要點。第3章：本章主要進行了飼料生產(chǎn)自動化控制配料系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分，包括稱重方式選擇、給料方式選擇、生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)方式選擇、配料控制系統(tǒng)設(shè)計，給出了系統(tǒng)各個部分的硬件芯片選型和硬件電路的設(shè)計，具體內(nèi)容由變頻器、感應器、電動機、PLC的選型及設(shè)計過程。第4章：本章主要完成闡述飼料生產(chǎn)自動化配料系統(tǒng)部分的軟件解決方案及其實現(xiàn)，并對系統(tǒng)軟件的設(shè)計過程進行了詳細的研究。本章還從系統(tǒng)數(shù)字濾波

11、技術(shù)于PID調(diào)節(jié)算法角度，研究了數(shù)字濾波器及PID控制算法的設(shè)計方法和過程。第5章：本章的內(nèi)容時文章的總結(jié)和展望，總結(jié)了論文所完成的主要工作內(nèi)容，為了更好的實驗網(wǎng)絡化只能飼料生產(chǎn)系統(tǒng)，展望了基于PLC技術(shù)的飼料自動化控制管理信息系統(tǒng)的發(fā)展前景。第2章 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1 飼料生產(chǎn)系統(tǒng)概述飼料生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)是對飼料生產(chǎn)及加工過程中的各類碎玉米、配料、微量元素等粉?；蛞后w物料進行稱重并按所選配的方式進行混合攪拌，制成滿足一定要求，具有較高營養(yǎng)的飼料成品的實時監(jiān)控管理的自動化系統(tǒng)，具有廣闊的市場前景。目前我國大部分飼料生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)業(yè)務流程主要包括如下幾個核心部分：給料部分、稱量部分、

12、配料部分。給料部分：給料部分是從原料倉（或儲罐）向稱重設(shè)備中加料的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的序號控制原料倉（用于儲存各種飼料生產(chǎn)所需原料，如棉柏、豆柏、魚粉等）全速下料。根據(jù)飼料生產(chǎn)所需原料的不同特性，需要分別選用不同的給料設(shè)備。稱量部分：在進行飼料生產(chǎn)的同時，需要判斷飼料生產(chǎn)所需要的所有料是否下料結(jié)束，一般通過采集電子稱的重量，將重量模擬電壓信息送往電子稱，用來采集重量信號來判斷是否達到提前量。在飼料生產(chǎn)中為了提高生產(chǎn)效率與準確度往往采用雙配料倉，生產(chǎn)現(xiàn)場有多少配料倉則需要安裝相應的電子稱?？刂葡到y(tǒng)：飼料生產(chǎn)控制系統(tǒng)由稱量儀表、可編程控制器及其它控制元件組成。為了實現(xiàn)飼料生產(chǎn)過程遠程控制，則

13、需要配置遠程控制計算機、數(shù)據(jù)庫服務器、管理計算機、地磅電子稱等。2.1.1 給料方式選擇目前，在飼料生產(chǎn)及加工領(lǐng)域，其中飼料生產(chǎn)配料廣泛采用的給料系統(tǒng)一般有以下幾種：電磁震動給料系統(tǒng)、螺旋給料系統(tǒng)、螺旋給料系統(tǒng)、電磁閥給料系統(tǒng)等。除了上述四種方式外，還有一些場合可以采用傳送帶、刮板、真空抽吸、振動給料等給料方式。其中應用較為廣泛的分別是電磁振動給料機和螺旋給料機。電磁振動給料機運用機械振動學的共振原理使得飼料生產(chǎn)中所需要的混合料在低臨界共振狀態(tài)下工作在給料過程中，物料在料槽中被連續(xù)拋起，并按拋物線軌跡向前跳躍運動，這種給料方式因為不需要轉(zhuǎn)動部件，同時對料槽的磨損比較小，具有耗電少、體積小、重量

14、輕、運費低等優(yōu)點。但遺憾的是該種給料方式對安裝要求比較高，并且現(xiàn)場調(diào)試困難，調(diào)整不當會產(chǎn)生噪聲且運行不好。螺旋給料機方式與電磁振動給料機相比，能夠?qū)崿F(xiàn)給料均勻的特點，并且不容易受外界影響。飼料所需混料由旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片在螺旋管體內(nèi)連續(xù)推進送料，在重力作用下進入攪拌器，使得系統(tǒng)機械振動較小，能夠保持攪拌倉運行平穩(wěn)，并且對稱量的干擾相對較小，能夠很好的避免飼料攪拌過程中飼料原材料分層或者攪拌不均的缺陷。但螺旋給料機上安裝有電動機和減速器，重量大，效率較低。對于液體物料，一般采用閥門控制給料量。2.1.2稱重方式選擇在飼料生產(chǎn)的配料過程中，包括原料的儲存、輸送、稱重配料、除塵、物料混合等多種設(shè)備，涉及

15、粉粒狀固體散料、液體等多種物料。根據(jù)飼料生產(chǎn)工藝要求，常用稱量方式有進料式稱量和卸料式稱量2種，具有單斗單料、單斗多料、多斗多料等多種工作模式。其中進料式稱量又可分為零位法和增量法等稱重方式，零位法指的是料倉開始從空位給料，直到料倉滿足給定要求，即停止加料，然后打開料倉放料直到空位，再重新稱重。增量法指的是稱量料斗接收、稱量好飼料后，在未放空料倉的情況下就開始加料，系統(tǒng)自動將電子秤內(nèi)部計數(shù)值清零。很明顯，采用零位法的稱量方式其精度相對增量法更為精確。采用進料式方法進行物料稱量時，需要注意給料落差的計算，即當給料設(shè)備停止給料后，部分物料尚未進入攪拌倉的余料?？紤]到落差余量對最終配料成份的影響，在

16、實際配料稱量計算時其給料設(shè)定值應為要配制的物料標準重量減去落差值。在實際的給料控制模式中，一般采用雙速給料的方法，首先根據(jù)給料設(shè)定值，快速放料，當放料量接近設(shè)定值的90%左右，則減少閘門放料量，采取慢速給料，這種控制方式能夠在保證放料速度的同時增加稱量精度。卸料式稱量方式則與給料式過程相反，即先在料斗內(nèi)預先裝入多于配方要求的物料，然后開啟放料進行稱量，通過稱量落下的物料重量便能夠獲取飼料生產(chǎn)所需配料的重量。采用減量法稱量可以直接將傳感器安裝在料倉上，通過傳感器檢測料倉中物料總重量減少的參數(shù)值計算飼料生產(chǎn)的實際配料量，但該方法稱量精度較低，因而在實際的配料控制過程中較少采用。同理，為了實現(xiàn)和增量

17、法同樣的效率和控制精度，減量法也采取雙速卸料，在快速卸料量達到給定值的90%左右開始變?yōu)槁傩读稀?.1.3飼料生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)本文研究的飼料生產(chǎn)配料方式采用固定式多組份料斗秤的結(jié)構(gòu):該稱量結(jié)構(gòu)類似固定式料斗秤結(jié)構(gòu)，不過該結(jié)構(gòu)為了節(jié)省電子稱量裝置，采用固定幾個料倉對應1臺電子料斗秤，各組份原料通過皮帶傳送裝置混合在同一臺料斗秤內(nèi)累加稱量后再由集料帶或集料小車收集進入攪拌倉進行后續(xù)工序，該結(jié)構(gòu)有利于實現(xiàn)多種配料的精確控制。飼料生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)中的配料控制模塊由稱量儀表、上位工控機、可編程控制器及其他控制器件等組成。典型的配料控制系統(tǒng)在一些比較簡單的稱重配料系統(tǒng)中，也可以采用工業(yè)計算機(IPC)加數(shù)

18、據(jù)采集板卡的形式進行配料的控制。目前國內(nèi)大部分飼料生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)構(gòu)造及過程如圖2-1所示在實際的飼料生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)的飼料成品料同樣需要存儲在相應的倉位中，其存儲倉一般有單倉、雙倉或三倉等配置形式，另外再配一個廢料倉。本文設(shè)計的飼料生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)工作過程及原理描述如下:飼料給料采用進料式零位法，通過電子皮帶秤對圓盤給料機輸送的物料進行計量，并且采用固定式多組份料斗秤的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)給料量采用比例調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制原理進行給料量的計算，通過安裝在電子秤的稱重傳感器由電腦計算儀接收稱重信號和速度信號，將其轉(zhuǎn)換成累計值和瞬時流量并將其轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過串口線傳輸至飼料現(xiàn)場控制計算機，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)

19、換將其變換成4-20mA范圍內(nèi)的給料模擬電流信號傳送給AI調(diào)節(jié)器與事先設(shè)置的飼料給料量進行比較運算后，根據(jù)偏差，運用閉環(huán)PID控制算法以及數(shù)字濾波后計算需要調(diào)節(jié)的給料量，調(diào)節(jié)量同樣需要轉(zhuǎn)換成4-20mA范圍內(nèi)的模擬信號輸送給變頻器驅(qū)動飼料給料機的電機轉(zhuǎn)速。當給料量出現(xiàn)增大時，需要降低電機轉(zhuǎn)速，反之，則提高電機轉(zhuǎn)速，加快放料量，從而保證飼料生產(chǎn)配料量按照合理比例進行配制。在進行給料量計算時，按照如下算法過程進行。系統(tǒng)首先根據(jù)設(shè)定好的序號控制原料倉全速下料，假如電子秤門己關(guān)閉，通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換采集電子秤的重量，并判斷是否到達提前量，如果沒到達提前量，繼續(xù)全速下料。如果到達了提前量，開始利用均

20、值濾波及PID算法控制電機的通斷時間，開始點動下料。系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定值來檢測是否到達規(guī)定的誤差量，如果沒有到達規(guī)定的誤差量，繼續(xù)點動下料。如果到達設(shè)定的誤差量，系統(tǒng)就會換倉。在進行生產(chǎn)的同時，系統(tǒng)會判斷所有的原料是否下料結(jié)束，如果所有原料下料沒有結(jié)束，控制原料倉繼續(xù)下料。如果所有原料下料結(jié)束，系統(tǒng)會檢測攪拌機門是否關(guān)閉，如果沒有關(guān)閉，系統(tǒng)便會報警。2.2 PLC簡介可編程控制器(Programmable Logic controller，簡稱PLC)，是以微處理器作為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)與自動化技術(shù)而開發(fā)的新一代工業(yè)控制器。具體的說，它是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖22所示，主要

21、為工業(yè)環(huán)境所應用。采用可以編程的存儲器，用于它內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行順序控制、邏輯運算、計數(shù)、定時與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。它的可靠性高、耐高溫、耐沖擊和耐振動等特點，己成為解決自動控制問題的最有效工具。圖22 PLC控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2.2.1 PLC的特點PLC具有高可靠性、容易掌握、體積小、價格便宜等特點，新一代的PLC還具有PID調(diào)節(jié)功能，其應用己經(jīng)從開關(guān)量控制擴大到模擬量控制領(lǐng)域，己成功地應用于航天、冶金、輕工等行業(yè)。控制系統(tǒng)的復雜化和高難度化，使得PLC朝著集成化的方向發(fā)展，現(xiàn)在主要是PLC和PC集成、PLC和DCS集成、P

22、LC和PID集成等等，這些都強化了網(wǎng)絡化與通訊能力。由于近來數(shù)據(jù)通訊技術(shù)發(fā)展比較快，用戶對開放性要求非常強烈，現(xiàn)場的總線技術(shù)及以太網(wǎng)技術(shù)也同步發(fā)展。比如說羅克韋爾A-B公司主推的三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)體系，即EtherNet、ControlNet、DeviceNet，西門子公司在Profibus-DP及Profibus-FMS網(wǎng)絡等等。此外，很多PLC廠家擁有與之相應的組態(tài)軟件及開發(fā)平臺，軟硬件的有效結(jié)合，一定程度上大大提高了系統(tǒng)的性能。PLC具有如下幾個典型特點(1)可靠性高，抗干擾能力強不論是硬件還是軟件，PLC都采取了很多措施，所以PLC控制系統(tǒng)非?？煽?。例如，在硬件方面:PLC的輸入輸出電路和內(nèi)

23、部的CPU都是電隔離，而且CPU板還有抗電磁干擾的屏蔽措施，所以可確保PLC程序的運行不受外界的電與磁干擾，這可使系統(tǒng)出故障的機率幾乎為零，做到萬無一失。在軟件方面:PLC系統(tǒng)都設(shè)置了“看門狗”(Watchingdog)監(jiān)控程序，PLC每次上電后，還都要運行自檢程序及對系統(tǒng)進行初始化，開發(fā)了很多防止及檢測故障的指令，出現(xiàn)故障時有相應的出錯信號提示。(2)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量小，維護方便PLC的梯形圖程序一般采用順序控制法，梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖十分接近，避免了生產(chǎn)一線的技術(shù)工人學習匯編語言，使得可編程邏輯控制器實現(xiàn)方法更為簡單，容易被初學者掌握。對于復雜的控制系統(tǒng)

24、來說，采用基于梯形圖的設(shè)計方法減少了繼電器系統(tǒng)電路圖的設(shè)計時間，其中繼電器控制系統(tǒng)中采用的接線邏輯被PLC存儲邏輯代替，較少了工程師進行外部控制設(shè)備的接線工作，也使得后期的設(shè)備維護更為簡單，減少了系統(tǒng)開發(fā)時間。這也使得PLC控制器系統(tǒng)在許多對程序設(shè)置靈活性要求較高的小產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)中得到更為廣泛的應用。(3)體積小，功耗低從全面及長遠看，PLC的使用還是經(jīng)濟的。一是因為它的體積小、所占空間小，輔助配套的設(shè)施投入少;二是使用時省電，運行費用也少;三是工作可靠，如停工損失也少;四是維修簡單，維修費用少;五是可再次使用并且能帶來附加價值等，從中可得到更大的回報。2.2.2 PLC工作原理PLC采用“順

25、序掃描、不斷循環(huán)”的方式進行工作。步驟如下:按照用戶控制要求編制好程序，并存于存儲器中，當PLC運行時，CPU執(zhí)行命令，按指令序號(或地址號)順序地作周期性循環(huán)掃描工作。如果沒有跳轉(zhuǎn)指令，那么他就從設(shè)置的第一條指令開始，逐條順序執(zhí)行用戶設(shè)定的程序，直到程序結(jié)束為止。然后重新返回第一條指令，開始下一輪的工作。在每一次的掃描過程中，還要完成對輸入信號的采集和對輸出狀態(tài)的刷新等工作，周而復始地進行下去。圖23 PLC周期執(zhí)行程序流程圖PLC的掃描工作過程如圖2-3所示，主要可分為:采集輸入信號、程序執(zhí)行和輸出刷新三階段，并進行周期性的循環(huán)工作。PLC以掃描工作方式按順序?qū)λ休斎攵说妮斎霠顟B(tài)進行一次

26、采集，并存入寄存器中，此時寄存器會因采集到信號被刷新。然后PLC對程序按順序進行掃描執(zhí)行。如果程序用梯形圖來表示的話，那么總是從上到下，從左到右順序執(zhí)行。所有程序執(zhí)行完畢后，PLC會將輸出映象寄存器中與輸出有關(guān)的狀態(tài)(輸出繼電器狀態(tài))轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，然后通過一定方式輸出，并驅(qū)動外部負載。對于PLC控制系統(tǒng)輸出方式選擇而言，則需要根據(jù)選用的PLC產(chǎn)品以及控制系統(tǒng)規(guī)模進行考慮。一般的原則是:對于大部分中小型控制系統(tǒng)來說，其控制的輸入輸出工I/O點數(shù)較少，PLC處理性能較低，所編寫的控制程序較簡單，因而多采用一次性輸入輸出的方式，該方式在降低響應速度的同時能夠提高系統(tǒng)的抗干擾性，因而適合工作環(huán)境

27、干擾加大的場合。對于一些工I/O點數(shù)較多，控制系統(tǒng)功能程序及過程比較復雜的系統(tǒng)，則一般采用定期采集、定期輸出的方式，能夠滿足較好的實時性控制要求。也有的系統(tǒng)采用中斷輸入/輸出或者基于智能工I/O接口等方式。2.3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計根據(jù)飼料生產(chǎn)過程控制的上述流程，本文設(shè)計的過程控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如下:系統(tǒng)由遠程控制計算以及飼料生產(chǎn)現(xiàn)場控制計算機組成一個兩級計算機控制網(wǎng)絡，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。圖24 飼料生產(chǎn)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計其中遠程控制計算機用來控制工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)監(jiān)控以及管理，為車間級管理及公司級管理層提供接口，包括對各種原料、配方、生產(chǎn)時間等進行預置和設(shè)定，同時能夠?qū)︼暳仙a(chǎn)相關(guān)數(shù)

28、據(jù)進行管理及存儲。生產(chǎn)現(xiàn)場計算機控制系統(tǒng)則依然采用傳統(tǒng)的PC機和PLC組成上、下位機控制系統(tǒng)組成，其中上位機是PC工控機，為操作人員提供良好的人機界面，它的功能主要包括通信鏈路的建立，數(shù)據(jù)的接收、校驗、處理與打包發(fā)送，參數(shù)和狀態(tài)的查詢，參數(shù)的修改，報表與圖表的輸出，數(shù)據(jù)庫的更新與維護等。下位機以小型PLC為核心，通過現(xiàn)場總線連接現(xiàn)場儀器儀表、控制計算機、變頻器等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備對被控對象進行監(jiān)測和控制，利用PLC輸出的電流信號大小控制變頻器輸出的頻率的大小，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速，起到控制電動給料裝置給料速度的目的，并完成對系統(tǒng)故障檢測、顯示及報警等輔助功能?？紤]到本飼料生產(chǎn)系統(tǒng)飼

29、料配比工藝過程固定，控制量主要以開關(guān)量控制為主(電動機的啟、停由開關(guān)量控制)、帶少量數(shù)字量控制(變頻器的控制端輸入)，對系統(tǒng)控制速度要求較低，控制功能主要能夠?qū)崿F(xiàn)PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等即可。通過對飼料生產(chǎn)現(xiàn)場情況、被控對象的I/0點數(shù)以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面統(tǒng)計結(jié)果的分析，綜合考慮系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)濟性以及技術(shù)成熟度、開發(fā)周期等要素，本系統(tǒng)選用模塊式結(jié)構(gòu)的西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列的中型可編程控制器就能夠很好的勝任自動化生產(chǎn)配料系統(tǒng)開發(fā)要求。此外，在本工程設(shè)計中，為了避免電源對系統(tǒng)造成的干擾，計算機、所有PLC、工控儀表、變送器的電源均采用一體化供電方式，輸入輸出信號

30、全部用繼電器隔離，防止強電損壞設(shè)備以及信號相互干擾。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計在飼料生產(chǎn)工業(yè)中，由于飼料配料以及過程控制的復雜性、現(xiàn)場多種設(shè)備相互之間存在干擾以及系統(tǒng)可靠性要求高等特點，所以在實際應用中常采用高可靠性的中央控制器如PLC和現(xiàn)場總線技術(shù)如PROFIBUS。生產(chǎn)現(xiàn)場計算機控制系統(tǒng)則依然采用傳統(tǒng)的PC機和PLC 組成上、下位機控制系統(tǒng)組成，其中上位機是PC工控機，為操作人員提供良好的人機界面。下位機以小型PLC為核心，通過現(xiàn)場總線連接現(xiàn)場儀器儀表、控制計算機、變頻器等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備對被控對象進行監(jiān)測和控制。在本系統(tǒng)中就是采用西門子S7-200可編程序控制器控制現(xiàn)場設(shè)備，并通

31、過PROFIBUS現(xiàn)場總線由PC機進行監(jiān)控。遠程控制計算機用來控制工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)監(jiān)控以及管理，為車間級管理及公司級管理層提供接口，包括對各種原料、配方、生產(chǎn)時間等進行預置和設(shè)定，同時能夠?qū)︼暳仙a(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)進行管理及存儲。由于配料控制系統(tǒng)需要快速同現(xiàn)場設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，本文使用PROFIBUSDP通信協(xié)議，使DP主站能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備進行實時有效的監(jiān)控。根據(jù)實際情況，系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)采用總線型，通信速率為9600bps。整個飼料生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計包括稱重方式選擇、給料方式選擇、生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)方式選擇、配料控制系統(tǒng)的設(shè)計等。本章主要闡述系統(tǒng)功能模塊硬件部分的設(shè)計內(nèi)容。3.1 計量系統(tǒng)設(shè)計飼料生產(chǎn)過程

32、的自動化控制，實際上包含了兩個方面的內(nèi)容。一類是以自動化儀表為執(zhí)行結(jié)構(gòu)，對生產(chǎn)過程中一些變化的物理量進行自動控制，使單機設(shè)備某一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)處于最佳工作狀態(tài)，屬于儀表自動化的范疇。例如在配料混合生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過配料秤智能控制儀，按照預定的配方要求，控制物料的加料過程及配比，用壓制機智控制儀，控制和監(jiān)測壓制過程中的溫度、壓力、流量等。另一類是以電動機、電磁閥等為執(zhí)行機構(gòu)，控制生產(chǎn)設(shè)備機械運動的系統(tǒng)，屬于電氣傳動自動化的范疇。在這一范疇內(nèi)，結(jié)合飼料生產(chǎn)過程的特點，本章所要解決的問題是如何按照生產(chǎn)工藝的要求，合理有效地按照一定的規(guī)律，控制飼料生產(chǎn)過程中上百臺生產(chǎn)設(shè)備的協(xié)調(diào)運行，己使整個生產(chǎn)過程達到最優(yōu)的

33、技術(shù)經(jīng)濟指標。在傳統(tǒng)的飼料生產(chǎn)過程中，往往采用皮帶秤計量飼料的給量，其工作原理如圖3-1所示。圖31 皮帶秤結(jié)構(gòu)工作示意圖其中飼料生產(chǎn)所需要的各種配料按照給定配方通過給料設(shè)備送至配料點的子皮帶秤進行過磅，電子秤相當于重力及速度檢測傳感器，能夠?qū)⑴淞戏Q重以及皮帶傳速進行數(shù)字顯示，同時利用數(shù)模轉(zhuǎn)換將配料進給的瞬時流量、累計量等數(shù)據(jù)以420mA模擬電流形式送往PID調(diào)節(jié)器，整個系統(tǒng)按照閉環(huán)方式進行控制，調(diào)節(jié)器根據(jù)測量值與設(shè)定值的偏差進行負反饋控制，輸出控制結(jié)果給變頻器去驅(qū)動電機來控制傳送皮帶給料的速度，確保飼料進料量按照預定要求進行配置?？刂扑惴ㄔO(shè)計的關(guān)鍵是要求飼料生產(chǎn)過程中必須精確掌握配料進給量與

34、傳輸皮帶驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速之間的線性關(guān)系。皮帶電子秤是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要由秤體、稱重傳感器和放料門組成。稱重傳感器采用高精度稱重傳感器，該鋼制彈性體具有較強的抗過載能力和較長的使用壽命，特別適用于工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境下高準確度配料的技術(shù)要求。本文考慮到飼料生產(chǎn)系統(tǒng)的工作過程，選用電子秤，其工作原理如圖3-2所示。圖3-2 電子稱工作示意圖電子秤的主要組成組件:重量傳感器、放大器電路、濾波器電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、中央處理器、電源供應電路、按鍵、外殼、機構(gòu)、秤盤。電子秤的功能特點:電子秤采用一個三積分A/D轉(zhuǎn)換器，對重量、溫度、電池電壓三個量進行測量，對傳感器的溫度零漂，溫度滿量程漂移，分二十個區(qū)

35、間，線性化全自動軟件補償，硬件成本增加極少，使電子計價秤、計重秤達到國際標準;電子秤多機總線聯(lián)網(wǎng)(無須接口板)，一臺PC機可遙控幾十臺電子秤鍵盤操作和各種數(shù)據(jù)采集;電子秤能夠?qū)崿F(xiàn)CPU單總線雙向數(shù)據(jù)通訊;電子秤能檢測兩個加載點，達到十個加載點補償?shù)男Ч?，全自動解方程計算曲線參數(shù)，輕輕松松達到高精度線性補償?shù)哪康?電子秤抗干擾、高精度稱重濾波技術(shù)，將普通的一臺電子秤讀數(shù)穩(wěn)定度提高五倍以上;采用模塊化部件設(shè)計，加快電子秤的開發(fā)速度和產(chǎn)品的系列化，A/D模塊三種，低阻抗、高阻抗、帶CPU模塊，數(shù)字化CPU模塊多種，現(xiàn)推出一種高性能CPU模塊:53 (29mm，內(nèi)置實時時鐘、RS232、RS485、D

36、A、4M FLASH、多路I/0、單總線通訊、在線可編程模塊)。攪拌倉所需飼料配料經(jīng)電子秤中的重量傳感器將配料重量轉(zhuǎn)換成電壓或電流的模擬訊號，經(jīng)過內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換后以數(shù)字方式顯示。電子秤重力傳感器輸出信號穩(wěn)定性取決于電子秤自身質(zhì)量以及外部供電電源以及安裝位置。本文稱重電子秤內(nèi)部集成UH61-100u型重力傳感器，分別采用獨立電源供電來保證轉(zhuǎn)換精度，部分電子秤采用二次穩(wěn)壓來提高每個重力傳感器供橋電源的穩(wěn)定性。三只重力傳感器分別安裝在稱斗和稱架之間，在傳感器承受的重力與傳感器中心軸線存有。角的情況下則需要計算稱重誤差，計算公式為W=W (1-cosa)。假設(shè)電子秤秤斗凈重為100kg，料斗給料凈重25

37、kg，則電子秤負載配料實際重量則為125kg，在傳感器安裝誤差為。=4。時，則計算誤差接近0. 43Kg。因而，電子秤中重力傳感器的安裝位置對稱重精度具有一定的影響，需要確保三只重力傳感器均能垂直受力。此外，在進行電子秤內(nèi)部橋路時，需要保證傳感器輸出靈敏度相同，并且調(diào)節(jié)其工作電流使其工作在接近零溫度系數(shù)(2ppm/C)下。本系統(tǒng)中采用的電子秤儀表性能穩(wěn)定，其最大載荷可達250KG/M，完全滿足本系統(tǒng)飼料配料的稱量要求，抗干擾能力強，功耗低、可靠性高，能夠以自動秤量方式將散狀物料按照預定的配比進行秤量并能夠控制物料的秤量、卸料。當飼料送料和稱重到規(guī)定的數(shù)值時，指針移到相應的接近開關(guān)處，使電子秤動

38、作再執(zhí)行下一步飼料的送料和稱重，依此類推，直到全部飼料配比完畢。同時具有遠程數(shù)據(jù)通訊功能，可以設(shè)定預置功能及落差補償功能，可實現(xiàn)準確、高速動態(tài)采樣。它的輸出信號驅(qū)動其微型輸出繼電器，以開關(guān)量形式將信號送入PLC，它有調(diào)零、去皮重、加皮重和撥碼盤設(shè)定稱量值等功能。在本系統(tǒng)中，飼料配料給料量控制采用順饋一單回路負反饋復合控制策略進行，其控制算法基于數(shù)字濾波及PID控制，其控制電路設(shè)計如圖3-3所示。采集后的重力傳感器信號將數(shù)字化后的稱重信號以及測速信號分別轉(zhuǎn)化為兩個420mA模擬輸出信號，一個作為PID調(diào)節(jié)器的前饋輸入，用來進行擾動的補償控制，一個作為PID調(diào)節(jié)器的反饋輸入，兩者信號的輸出進行相加

39、與給定的控制信號進行比對，輸出420mA模擬偏差調(diào)節(jié)信號，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動變頻器頻率來調(diào)整驅(qū)動電機。圖3-3 單回路前饋一反饋復合控制系統(tǒng)較為實用可行的電原理圖3.2 PLC子系統(tǒng)硬件設(shè)計PLC安裝在飼料生產(chǎn)現(xiàn)場區(qū)域控制器CPU中，能夠?qū)︼暳仙a(chǎn)現(xiàn)場各區(qū)域設(shè)置的傳感器以及生產(chǎn)過程、設(shè)備工作狀態(tài)等監(jiān)控參數(shù)通過總線進行傳輸并由PLC控制器進行數(shù)據(jù)處理，并通過串口總線傳輸給現(xiàn)場控制PC機，能夠及時將過程控制的結(jié)果以及各項參數(shù)傳輸給現(xiàn)場控制計算機，根據(jù)部署在現(xiàn)場計算機上的生產(chǎn)控制命令進行自動化生產(chǎn)，控制各生產(chǎn)車間設(shè)備(給料機、攪拌倉、成品打包等)按照生產(chǎn)程序正常工作。其中PLC現(xiàn)場控制子系統(tǒng)的硬件設(shè)

40、計及安裝是本系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備，主要包括供電系統(tǒng)、PLC、總線通信與觸摸屏等。在本項目中采用西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC,供電系統(tǒng)由隔離變壓器、PS207組成，CPU模塊選用CPU226-2DP，總線采用PROFIBUS總線接口完成與西門子的PLC的網(wǎng)絡化連接，最后通過局域網(wǎng)實現(xiàn)現(xiàn)場控制計算機的互聯(lián)，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控與調(diào)度管理的協(xié)調(diào)。3.2.1 PLC系統(tǒng)框圖設(shè)計在熟悉工藝流程特點和明了控制任務的基礎(chǔ)上，設(shè)計一個PLC控制系統(tǒng)的首要任務是詳細羅列該系統(tǒng)的全部功能和要求，其中包括系統(tǒng)方框圖組成的描述，PLC及其I/O與被控過程其他控制器或計算機關(guān)系的闡述等。圖3-4 飼料廠生產(chǎn)過程PL

41、C控制系統(tǒng)框圖飼料廠生產(chǎn)過程PLC控制系統(tǒng)框圖各部分功能如圖3-4所示:1）PLC作為控制主機安裝在PLC柜內(nèi)，通過其I/O模塊，接收來自MCC柜內(nèi)的交流接觸器、保護元器件(自動空氣開關(guān)、繼電器、現(xiàn)場傳感器)等動作輸入信號以及操作臺上控制按鈕主令信號，根據(jù)程序運行的結(jié)果發(fā)出輸出信號，控制MCC柜內(nèi)的交流接觸器動作，從而達到控制監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備的目的。2）MCC柜即電動機控制中心，安裝控制回路中的交流接觸器、自動空氣開關(guān)、熱繼電器、中間繼電器、電流互感器等電器元器件，對被控設(shè)備實行驅(qū)動控制以及短路、過載保護等功能。3）現(xiàn)場操作按鈕箱安裝在現(xiàn)場各樓層，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的手/自動操作轉(zhuǎn)換，在現(xiàn)場對單臺設(shè)備實

42、現(xiàn)手啟動、停操作，在自動控制方式下，亦能通過現(xiàn)場操作按鈕實現(xiàn)單機設(shè)備的緊急停車，通過PLC控制程序運行，從而實現(xiàn)故障設(shè)備工段的自動聯(lián)鎖停車。4）用雕刻或絲網(wǎng)印刷等方法將工藝流程刻畫在有機塑料或技術(shù)材料做成的顯示屏上，用指示燈的狀態(tài)來模擬顯示現(xiàn)場設(shè)備運行的狀態(tài)。燈亮表示該設(shè)備在運行，燈熄滅表示該設(shè)備停車等。采用這種方式模擬現(xiàn)場顯示生產(chǎn)過程，直觀、一目了然，但反映的信息單調(diào)，電氣接線較多，一旦制造成功，工藝上有任何改動，在模擬屏上不能更改。所以在一些飼料廠的設(shè)計中，取消了這部分硬件設(shè)備，而用PLC與上位機通訊組態(tài)方式，在計算機屏幕上顯示工藝流程。操作臺安裝系統(tǒng)中的一些操作按鈕、指示燈、報警器、電流

43、電壓表、控制電源穩(wěn)壓器等。如一次回路的合閘分閘按鈕、各樓層信號聯(lián)絡按鈕、指示燈、各工段的主令啟動、停車按鈕等。e.典型控制原理圖:以一個直接啟動的電機控制回路，說明強電控制系統(tǒng)與PLC之間的關(guān)系。如圖3-5所示。圖3-5 典型控制原理QF自動空氣開關(guān)，做短路、斷路和過載保護開關(guān)PF熱電保護KM交流接觸器SB現(xiàn)場手/自動轉(zhuǎn)換及急停開關(guān)SA現(xiàn)場啟動按鈕合上主回路空氣開關(guān)QF其常開觸點QF閉合，當SB置手動位置時，按下啟動按鈕SA，交流接觸器KM線圈得電，其輔助常開觸點閉合自鎖，主觸點KM閉合接通電動機M電源，電動機啟動運轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)換開關(guān)SB置于中間位置，KM線圈失電，其主觸點及常開觸點斷開，電動機電

44、源切斷停止運轉(zhuǎn)。但SB置于自動位置時，由PLC根據(jù)程序命令發(fā)出輸出信號，使KM線圈得電，電動機運行，同時PLC根據(jù)程序命令監(jiān)測輸入信號的狀態(tài)，KM常開觸點閉合，對應的輸入點狀態(tài)為“1”，則電機M正常運行;運行中當發(fā)生短路或過載故障時QF常開觸點也斷開，對應的輸入點狀態(tài)為“0”，KM常開觸點斷開，其對應的輸入點狀態(tài)為“0”，通過編制程序，PLC發(fā)出故障報警信號，并切斷有關(guān)的輸出信號做相應的聯(lián)鎖停車控制。在自動運行狀態(tài)下，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)故障，將轉(zhuǎn)換開關(guān)SB置于中間位置，KM線圈失電，電機停止運行，相應的SB輸入狀態(tài)位由“1”變?yōu)椤?”，KM輸入狀態(tài)由“1”變?yōu)椤?”，PLC同樣發(fā)出報警及聯(lián)鎖控制信號。3

45、.2.2 PLC選型PLC產(chǎn)品的種類繁多。PLC的型號不同,對應著其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等均各不相同,適用的場合也各有側(cè)重。因此,合理選用PLC,對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標有著重要意義。 PLC的選擇主要應從PLC 的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下,力爭最佳的性能價格比。選擇時應主要考慮到合理的結(jié)構(gòu)型式,安裝方式的選擇,相應的功能要求,響應速度要求,系統(tǒng)可靠性的要求,機型盡量統(tǒng)一等因素。通過對飼料生產(chǎn)現(xiàn)場情況、被控對象的I/O點數(shù)以及工藝要求

46、、掃描速度、自診斷功能等方面統(tǒng)計結(jié)果的分析，綜合考慮系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)濟性以及技術(shù)成熟度、開發(fā)周期等要素，本系統(tǒng)選用模塊式結(jié)構(gòu)的SIMATIC S7-200 系列 PLC。杰出的實時響應在任何時候均可對整個過程進行完全控制，從而提高了質(zhì)量、效率和安全性。SIMATIC S7-200 Micro 自成一體：特別緊湊但是具有驚人的能力特別是有關(guān)它的實時性能它速度快，功能強大的通訊方案，并且具有操作簡便的硬件和軟件。但是還有更多特點：SIMATIC S7-200 Micro PLC具有統(tǒng)一的模塊化設(shè)計目前不是很大，但是未來不可限量的定制解決方案。這一切都使得SIMATIC S7-200 Micro PLC

47、在一個緊湊的性能范圍內(nèi)為自動化控制提供一個非常有效和經(jīng)濟的解決方案。SIMATIC S7-200的應用領(lǐng)域從更換繼電器和接觸器一直擴展到在單機、網(wǎng)絡以及分布式配置中更復雜的自動化任務。S7-200也越來越多地提供了對以前曾由于經(jīng)濟原因而開發(fā)的特殊電子設(shè)備的地區(qū)的進入。SIMATIC S7-200可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。1) 基本單元S7-200系列PLC中可提供4種不同的基本型號的8種CPU供選擇使用，其輸入輸出點數(shù)的分配見表3-1：表31 S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元型號輸入點數(shù)輸

48、出點數(shù)可帶擴展模塊數(shù)CPU22164CPU222862個擴展模塊78路數(shù)字量I/O點或10路模擬量I/O點CPU22414107個擴展模塊168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點CPU22624162個擴展模塊248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點CPU226XM24162個擴展模塊248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點2) 擴展單元S7-200系列PLC主要有6種擴展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴展I/O點數(shù)，S7-200系列PLC擴展單元型號及輸入輸出點數(shù)的分配如表4-12所示：表4-12 S7-200系列PLC擴展單元型號及輸入輸出點數(shù)類型型號輸

49、入點輸出點數(shù)字量擴展模塊EM2218無EM222無8EM2234/8/164/8/16模擬量擴展模塊EM2313無EM232無2EM235313) 可編程序控制器PLC在正式運行時，不需要編程器。編程器主要用來進行用戶程序的編制、存儲和管理等，并將用戶程序送入PLC中，在調(diào)試過程中，進行監(jiān)控和故障檢測。S7-200系列PLC可采用多種編程器，一般可分為簡易型和智能型。簡易型編程器是袖珍型的，簡單實用，價格低廉，是一種很好的現(xiàn)場編程及監(jiān)測工具，但顯示功能較差，只能用指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計算機進行編程操作，將專用的編程軟件裝入計算機內(nèi)，可直接采用梯形圖語言編程，實現(xiàn)在線監(jiān)

50、測，非常直觀，且功能強大，S7-200系列PLC的專用編程軟件為STEP7-Micro/WIN。4) 程序存儲卡為了保證程序及重要參數(shù)的安全，一般小型PLC設(shè)有外接EEPROM卡盒接口，通過該接口可以將卡盒的內(nèi)容寫入PLC，也可將PLC內(nèi)的程序及重要參數(shù)傳到外接EEPROM卡盒內(nèi)作為備份。程序存儲卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0兩種，程序容量分別為8K和16K程序步。5) 寫入器寫入器的功能是實現(xiàn)PLC和EPROM之間的程序傳送，是將PLC中RAM區(qū)的程序通過寫入器固化到程序存儲卡中，或?qū)LC中程序存儲卡中的程序通過寫入器傳送到R

51、AM區(qū)。6) 文本顯示器文本顯示器TD200不僅是一個用于顯示系統(tǒng)信息的顯示設(shè)備，還可以作為控制單元對某個量的數(shù)值進行修改，或直接設(shè)置輸入/輸出量。文本信息的顯示用選擇/確認的方法，最多可顯示80條信息，每條信息最多4個變量的狀態(tài)。過程參數(shù)可在顯示器上顯示，并可以隨時修改。TD200面板上的8個可編程序的功能鍵，每個都分配了一個存儲器位，這些功能鍵在啟動和測試系統(tǒng)時，可以進行參斷3.2.3 PLC系統(tǒng)I/O點數(shù)在確定機型容量時，I/O點數(shù)變成了一個重要因素。將所有I/O點按其形式(開關(guān)量或模擬量)、功用(輸入或輸出)、信號電平(直流或交流、電流電壓等級)和設(shè)置地點(遠程或就地)等來分類，并按照

52、預選的PLC機型編制I/O分配端子圖，包括架號、機架內(nèi)的I/O通道號，每個I/O點的操作數(shù)分配號(即I/O地址號)和寄存器的選用安排等，列出PLC硬件配置清單。PLC要實現(xiàn)的功能主要有各物料下料量的采集、各喂料裝置的啟停、各物料下料量的控制、各物料下料量的累計。小型PLC中，整體式的體積小而且價格比模塊式的便宜，但在設(shè)計中，經(jīng)常碰到一些沒估計的指標，所以在設(shè)計中需要進行局部調(diào)整，另外模塊式PLC排除故障所需時間短，估算輸入輸出接口比較多，考慮到成本我們采用離線編程的方式，以降低軟硬件的開銷。根據(jù)PLC I/O節(jié)點使用原則，即預留出25%左右的I/O點以做擴展時使用。本系統(tǒng)中I/O點數(shù)量和類型如

53、表3-1所示。表3-1生產(chǎn)現(xiàn)場I/O點數(shù)量和類型表I/O類型數(shù)字量輸入開關(guān)量輸出開關(guān)量輸入信號類型流量信號4按鈕4電磁閥4速度信號4料位傳感器8指示燈8變頻器故障4接觸器9變頻器啟動4調(diào)速信號3自動手動切換開關(guān)2報警電鈴2跑偏檢測電位器43.2.4 PLC系統(tǒng)硬件設(shè)計要點飼料生產(chǎn)現(xiàn)場PLC控制子系統(tǒng)硬件設(shè)計關(guān)系著本飼料生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)整個運行的可靠性、穩(wěn)定性、安全性，加之系統(tǒng)包括飼料配比、攪拌加工、成品傳輸、打包分裝，現(xiàn)場儀器儀表包括電子秤、壓力、溫度、風量、物料位等多個檢測點，需要能對重要參數(shù)區(qū)域進行計數(shù)分析，保證生產(chǎn)過程工藝參數(shù)的最佳范圍和各參數(shù)間的最佳組合，就不得不提高PLC控制子系

54、統(tǒng)硬件設(shè)計抗干擾性，本文主要從系統(tǒng)輸入、輸出電路設(shè)計以及抗干擾設(shè)計幾點進行闡述34-351) PLC控制系統(tǒng)的輸入電路設(shè)計:在信號源與儀表之間的連接導線、儀表內(nèi)部的配線就很容易通過磁禍合在電路中形成干擾。例如PLC供電電源適用的電源范圍較寬，常為AC85-240V，因而可通過安裝1:1隔離變壓器、電源濾波器等裝置解決輸入端干擾禍合問題，同時將導線盡量遠離強電設(shè)備以及動力網(wǎng)，將變壓器的次級線圈屏蔽層接PLC輸入電路、信號線避免與動力線平行敷設(shè)來減小高低頻脈沖干擾。同時，對PLC輸入電路電源做好防短路及過載等問題。2) PLC控制系統(tǒng)的輸出電路設(shè)計，根據(jù)要求，晶體管輸出可用于變頻器、各種指示燈或數(shù)

55、字直流調(diào)速器的啟動停止，它響應時間短，適用于高頻動作;首選繼電器輸出的條件是PLC控制系統(tǒng)輸出頻率應在6次/min以下，采用這種方法，特點是設(shè)計簡單，抗干擾和帶負載能力較強。如果PLC輸出帶電磁線圈等感性負載的，負載斷電時會對PLC的輸出造成強烈的電流沖擊，所以直流感性負載一般和二極管相連，對交流感性負載應接入吸收電路，這樣PLC就可以得到有效的保護。當PLC的掃描頻率在10次/min以下時，可采用繼電器輸出，也可采用PLC輸出驅(qū)動中間繼電器或固態(tài)繼電器(SSR)，然后再驅(qū)動負載。對于兩個重要輸出量，PLC內(nèi)部一般互鎖，但最好在PLC外部進行硬件上的互鎖，這樣就大大加強了PLC系統(tǒng)運行的安全性

56、、可靠性。3) PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計。影響PLC飼料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，因而在實際設(shè)計中需要針對不同的干擾源進行分類，如根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原因可分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等;根據(jù)噪聲的波形及性質(zhì)可分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等;按噪聲干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。在本系統(tǒng)中，可通過將PLC系統(tǒng)裝置在金屬柜之內(nèi)，同時將外殼接地來進行磁場屏蔽來防止空間輻射干擾;在實際的布線過程中，將強電和弱電分開走線并保持足夠的間距，模擬信號傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜。3.3 輸入輸出模塊選擇3.3.1 S7-200PLC的數(shù)字量模塊數(shù)字量輸入模塊包括直流輸入模塊

57、和交流輸入模塊，主要用來控制用戶設(shè)備的數(shù)字量輸入信號的通/斷(0N/0FF)，如按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、光電開關(guān)、接近開關(guān)、繼電器和接觸器的觸點等。數(shù)字量輸入模塊的每一個輸入點與用戶設(shè)備連接構(gòu)成輸入電路，并通過輸入電路把現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換成CPU能接收的數(shù)字信號，以適應現(xiàn)場輸入信號多樣性的需求。數(shù)字量輸入的編程元件為“I”。1）直流輸入模塊。S7-200PLC直流輸入模塊如EM221 8點24VDC, 8個數(shù)字量輸入分為兩組，1M和2M分別為兩組輸入點內(nèi)部電路的公共端。直流電源可以用CPU模塊輸出的24VDC作為輸入回路的電源，也可以用外部用戶提供的24VDC作為輸入回路的電源，正、

58、反電壓極性都可以。直流輸入模塊圖如下圖36所示。圖36 直流輸入模塊圖直流輸入模塊的內(nèi)部電路與外部電路接線如圖37所示。圖中雙向發(fā)光二極管LED用作狀態(tài)指示;電阻R2和C構(gòu)成濾波電路，濾掉輸入電路的觸點抖動或髙頻干擾脈沖;光耦合器T隔離了外部輸入電路與PLC內(nèi)部電路的電氣連接，并把外部信號整流成內(nèi)部電路接收的標準信號。當外部按鈕SB接通時，直流電源經(jīng)電阻R1和阻容濾波后加在雙向發(fā)光二極管LED 上，經(jīng)過光耦合，光敏晶體管接收光信號并送入內(nèi)部電路，對應輸入映像寄存器狀態(tài)為“1 雙向發(fā)光二極管LED點亮;當外部按鈕SB斷開時，對應輸入映像寄存器狀態(tài)為“O”，LED 熄滅圖37 直流輸入模塊的內(nèi)部電

59、路與外部電路接線圖2)交流輸入模塊。S7-200PLC交流輸入模塊如EM221 8 點220VAC，有8個分隔式數(shù)字量 輸入端，供電電源為220VAC,如圖38交流輸入模塊的內(nèi)部電路與外部電路接線如圖3-9所示。圖中R1為取樣電阻，用來限制輸 入信號過高;R2和C為髙頻去耦電路，防止高頻信號干擾。當外部按鈕SB接通時，交流電源 經(jīng)電容C、電阻R2和雙向發(fā)光二極管LED,使發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)過光耦合，光敏晶體管接收光信號并送入內(nèi)部電路，對應輸入映像寄存器狀態(tài)為雙向發(fā)光二極管LED點亮：當外部 按鈕SB斷開時，對應輸入映像寄存器狀態(tài)為“0”，LED熄滅圖38 交流輸入模塊圖圖39交流輸入模塊的內(nèi)部

60、電路與外部電路接線圖3.4.2 PLC模擬量模塊模擬信號是指在一定范圍內(nèi)連續(xù)的信號（如電壓、電流等），這個“一定范圍”可以理解為模擬量的有效量程。在使用S7-200系列模擬量時，需要注意信號量程范圍、撥碼開關(guān)設(shè)置、模塊規(guī)范接線、指示燈狀態(tài)信息等。S7-200模擬量模塊分為AI模擬量輸入模塊、AO模擬量輸出模塊、AI/AO模擬量輸入輸出模塊三種類型。1) AI模擬量輸入模塊如果傳感器輸入的模擬時電壓或電流信號（如10V或0-20mA），可以選用普通的模擬量輸入模塊，通過撥碼開關(guān)設(shè)置來選擇輸入信號量程。注意規(guī)范接線，盡量按照模塊上的通道順序使用，且未接信號的通道應短接。如果傳感器時熱電阻或熱電偶，

61、直接輸出信號接模擬量輸入，但需要選擇特殊的測溫模塊，測溫模塊分為熱電阻模塊EM231RTD和熱電偶模塊EM231TC。注意不同的信號應該連至相對應的模塊。2) AO模擬量輸出模塊S7-200的擴展模塊里，分別有2路、4路的模擬量輸出模塊EM232，根據(jù)接線方式選擇輸出信號類型，如電壓：10V，流：-20mA（4-20mA。3) AI/O模擬量輸入輸送模塊A. CPU本體集成的2路AI、1路AO本體集成的2路AI電壓是10V，1路AO是：電壓信號：0-10V或電流信號：0-20mA；輸出信號類型可以通過硬件接線來選擇。B. EM235模擬量輸入輸出模塊EM235模塊由4路AI和1路AO，通過撥碼

62、開關(guān)設(shè)置來選擇4路AI通道的輸入信號量程，1路AO是：電壓信號：0-10V或電流信號：0-20mA；輸出信號類型可以通過硬件接線來選擇。3.4.3 通信接口設(shè)置S7200PLC整合了一個或兩個RS485通信接口，即可作為PG（編程）接口，也可作為OP（操作終端）接口，如鏈接一些HMI（人機接口）設(shè)備。支持自由通信協(xié)議及PPI（點對點主站模式）通信協(xié)議。3.4.4 電源S7200本機單元有一個內(nèi)部電源，它為本機單元，擴展沒款以及24v/DC電源輸出。每一個S7200CPU向外提供5VDC和24VDC電源。需要注意一下兩點：1) CPU模塊都有一個24V DC電源的定額，可以增加一個外部24V D

63、C電源來供給擴展。2) 當有擴展模塊鏈接時CPU模塊也為提供5V電源。如果擴展模塊的5V電源需求超出了CPU模塊的電源定額，必須卸下擴展模塊，直到需求在電源預定值之內(nèi)才行。第4章 PLC軟件部分設(shè)計本系統(tǒng)在傳統(tǒng)儀表PLC控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用局域網(wǎng)通信技術(shù)將飼料生產(chǎn)現(xiàn)場控制與公司遠程管理系統(tǒng)相結(jié)合，融和了標準化協(xié)議通信、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、計算機控制技術(shù)等多種方法。本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包括生產(chǎn)現(xiàn)場軟件以及遠程端管理信息系統(tǒng)設(shè)計兩部分內(nèi)容。本章主要闡述PLC現(xiàn)場部分的軟件設(shè)計以及數(shù)字PID控制算法。4.1 飼料生產(chǎn)控制程序流程可編程序控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了用戶程序的編制方法，在目前各類PLC 控制程序設(shè)計過程

64、中，經(jīng)常出現(xiàn)諸如順序控制結(jié)構(gòu)、循環(huán)控制結(jié)構(gòu)、判斷分支結(jié)構(gòu)、終端結(jié)構(gòu)等，針對不同的控制功能及其過程，不同程序結(jié)構(gòu)同時決定了系統(tǒng)內(nèi)部電路組成及編程思路的差異性。循環(huán)控制的程序結(jié)構(gòu)，采用模塊式結(jié)構(gòu)，整個程序是由若干個程序塊串聯(lián)組成，每個程序塊又由若干條指令，完成某種控制功能。運行時 CPU 從程序起點開始，依次執(zhí)行各個程序塊中的每一條指令，直到程序終點，從而構(gòu)成一個掃描周期，并周而復始地重復上述掃描循環(huán)。 對于飼料生產(chǎn)過程的控制，采用循環(huán)控制結(jié)構(gòu)及編程方法，就完全可以達到控制功能的要求，一般包括以下幾個程序塊： a)系統(tǒng)工作狀態(tài)識別及初始化程序塊；b)設(shè)備非聯(lián)鎖集中控制操作程序庫；c)流程聯(lián)鎖控制主令啟停操作程序塊；d)設(shè)備輸入狀態(tài)檢測程序塊；e)風網(wǎng)設(shè)備控制程序塊；f)主流程設(shè)備控制程序塊；g)設(shè)備故障報警程序及顯示程序塊；h)與上位機通訊數(shù)據(jù)的采集與匯總程序塊。由現(xiàn)場控制計算機完成系統(tǒng)程序初始化，根據(jù)遠程控制端計算機發(fā)送的系統(tǒng)配置參數(shù)啟動可編程控制