(完整版)基于PLC的水泥自动配料控制系统设计毕业设计

基于PLC的水泥自动配料控制系统

设计

作者：邱忠林

专业名称：自动化

指导教师：王洋讲师

成都理工大学工程技术学院

学位论文诚信承诺书

本人慎重承诺和声明：

1.本人已认真学习《学位论文作假行为处理办法》（中华人民共和国教育部第34号令）、《成都理工大学工程技术学院学位论文作假行为处理实施细则（试行）》（成理工教发〔2013〕30号）文件并已知晓教育部、学院对论文作假行为处理的有关规定，知晓论文作假可能导致作假者被取消学位申请资格、注销学位证书、开除学籍甚至被追究法律责任等后果。

2.本人已认真学习《成都理工大学工程技术学院毕业设计指导手册》，已知晓学院对论文撰写的内容和格式要求。

3.本人所提交的学位论文（题目:

），是在指导教师指导下独立完成，本人对该论文的真实性、原创性负责。若论文按有关程序调查后被认定存在作假行为，本人自行承担相应的后果。

承诺人（学生签名）：

20 年月日

注：学位论文指向我校申请学士学位所提交的本科学生毕业实习报告、毕业论文和毕业设计报告。

摘要

随着科技的发展，现在许多的工厂都在使生产逐渐变得自动化、现代化，而可编程序控制器PLC的快速发展也为此做出了巨大的贡献。本文针对水泥制造的环境恶劣等一系列情况，设计了一种基于PLC的水泥自动配料系统。该系统由西门子的S7200型号的PLC作为测量和控制核心，西门子MM420变频器作为调速装置，采用了定量给料机作为称重装置，旋转编码器作为测速装置等。采用固定时间采集重量和转速，并进行PID调节，能够实现水泥生产的在线动态称重并调节，增强了系统的抗干扰能力，提高了配料精度并减轻了工人的工作负担。

关键词：PLC 变频器自动配料PID

Abstract

With the development of science and technology, many factories are in production now became automation, modernization, and the rapid development of the programmable controller PLC also made great contributions for this purpose. In the light of the conditions and a series of cement manufacture, design a kind of cement automatic batching system based on PLC. The system by Siemens S7200 models of PLC as measurement and control core, Siemens SM420 inverter as speed regulating device, constant feeder is adopted as a weighing device, rotary encoder as speed measuring device, etc. Adopting fixed time gathering weight and speed, and the PID adjustment, cement production can be implemented on-line dynamic weighing and adjustment, to enhance the anti-interference.

Keywords: PLC, Inverter, Automatic batching, PID

目录

摘要............................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................... II 目录............................................................................................................ I II 前言.. (1)

1 水泥概述 (2)

1.1 水泥的产生和发展 (2)

1.2 水泥的分类 (4)

1.3 水泥的生产工艺流程 (5)

2 系统模型及总体设计 (7)

2.1 水泥自动配料的原理分析 (7)

2.2系统的模型分析 (8)

2.3 系统的总体设计 (9)

3 系统主要器件的介绍 (12)

3.1西门子变频器简介 (12)

3.1.1 MM420基本组成及特点 (12)

3.1.2 MM420适用环境及优点 (13)

3.2称重及测速装置简介 (14)

3.3定量给料机简介 (15)

4 PLC简介及控制系统设计 (17)

4.1 PLC简介 (17)

4.2 系统控制要求分析 (20)

4.2.1 硬件介绍及信号传递 (21)

4.2.2 PLC外部接线图 (24)

5程序和组态 (27)

5.1系统主程序设计 (27)

5.2 子程序设计 (29)

5.3系统监控画面设计 (30)

5.3.1人机界面简介 (30)

5.3.2 画面设计 (32)

总结 (35)

参考文献 (36)

致谢 (37)

附录1PLC接线图 (38)

附录2自动配料系统程序 (39)

A2.1 系统主程序 (39)

A2.2系统子程序 (41)

前言

在现今的各种行业当中，自动化的生产制造已经随处可见了，在配料系统上的应用也在不断地提高、改进。

水泥最早产生于18世纪，那个时候的水泥制法比较简单，并且水泥的种类单一，所涉及到的工艺过程不像现在那么复杂。以前用于生产的水泥原料比较少，随着对水泥的进一步研究和社会需求，研制了很多用于不同工程建筑的水泥，原料的添加也会根据所生产水泥的强度不同而适当调整。发展到现在，水泥的种类已经很多了，并且生产流程也一步步的在趋于自动化。其中原料的配料过程也有了很大的改进。

在工业生产上，由于需求量大，生产量大，所以对配料的量有很高的要求。以前的工业配料过程大多都是人为达成的，这不仅效率低，而且所需人力较大，资源消耗了往往还无法达到预期的生产量。随着时代的进步和科技的发展，很多生产制造企业的生产线都在逐步的变得自动化、智能化，这些都离不开自动化控制设备。PLC便是这些众多设备其中之一，作为专为工业控制设计的计算机，它的应用范围非常广，并且还在进一步的发展，掌握它的使用方法非常实用，这正是本篇论文选题的原因。

1 水泥概述

现如今，水泥混凝土与我们的生活息息相关，不管是房屋建造、公路的修建还是在一些其他的地方，水泥都是随处可见的。水泥是一种粉状的水硬性无机胶凝材料，加水混合搅拌以后会成为浆状物，可以在大气中固化或在水里更好的固化，并且能够把砂、石等材料牢固地胶结在一起。早期人们使用的石灰和火山灰的混合物与现在的石灰火山灰水泥相似度很高，用它和碎石混合制造而成的混凝土，固化以后不仅强度比较高，而且还可以有效地抵抗淡水和含盐水的侵蚀。一直以来，水泥作为一种重要的胶凝材料，被广泛的用在了建筑等行业。

1.1 水泥的产生和发展

水泥的产生起源于英国，18世纪中期，一名英国的工程师进行石灰在水中硬化特性的研究时发现了用含有粘土的石灰石来烧制，可以获得水硬性石灰；用于水下建筑的砌筑砂浆，最理想的成分是由水硬性的石灰和火山灰组成。这算是最早发现的水泥制法了，这是水泥研制和发展的一个良好开始。

1796年，英国人J.帕克用泥灰岩烧制出了一种水泥，它外观呈棕色，很像古罗马时代的石灰和火山灰混合物，因此被命名为罗马水泥。又因它采用的是天然泥灰岩来作原料并且没有进行配料就生产出来了，所以还叫做天然水泥。此种水泥的水硬性和快速凝结特性都非常不错，非常适合于那些需要跟水接触的建设。

法国的一位土木技师毕加，在1813年发现了将石灰和粘土按三比一的比例混合制而成的水泥性能非常的好。

1824年，英国的建筑工人约瑟夫·阿斯谱丁发明了水泥。他把灰石和粘土作为原料，按一定的配比混合后，在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料，再将熟料研磨制成水泥。因为这种水泥硬化之后跟波兰特用来修建房屋等的材料颜色差不多，所以被命名为波特兰水泥，这位建筑工人也获得了此种水泥的专利。波兰特水泥用在建筑上的效果非常好，它的出现在水泥发展历史上有很重大的意义。

1877年，英国的克兰普顿在已有的生产水泥基础上，发明了回转炉，这种设备和以前的窑式制造水泥的设备相比在各方面都具有很大的提升。这种设备被不断地改良，现今被广泛地应用于水泥工业中煅烧水泥熟料的过程。

我国的水泥厂是在河北唐山的一个“细绵土”厂的基础上建立起来的，名叫启新洋灰公司，当时的产量可达每年四万吨。

近代，由于发展的需要，对各类建造的要求不一样，比如水利设施所需水泥的强度就很高，因此人们都在不断地改进和提高波特兰水泥性能，在此过程中，还成功地发现并研制了一批可以满足特殊建筑工程需求的水泥，例如高铝水泥，特种水泥等等。现如今已经有的水泥品种达到了100多种，据统计，在2007年全世界的水泥产量大概达20亿吨。水泥使用的地方非常广泛，而且不同的工程对其的要求也不一样，因此早在1952年我国就制定了第一个水泥的全国统一标准，确定了水泥生产的原则是多品种、多标号，并由波兰特水泥所含的主要矿物组成将其改名为矽酸盐水泥，后来又改成了硅酸盐水泥直到现在。

2012年，中国的水泥年产量达到21.84 亿吨，占全球水泥总产量的50%以上[1]。

1.2 水泥的分类

总的来说，水泥的分类方式可以有以下三大类：

1.按其用途和性能分：

（1）通用水泥: 这种水泥是土木建筑工程使用最为广泛的水泥。通用水泥主要指的是：GB175—2007规定的六大类水泥，即硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。人们日常生活中见到最多的便是通用水泥。

（2）专用水泥：这种水泥具有专门的用途。如：G级油井水泥，道路硅酸盐水泥等。这种水泥的针对性很强，只有在相应的要求下才会使用专用水泥。

（3）特性水泥：在水泥生产过程中添加的辅料不同或者添加量不同，会让生产出来的水泥带有一定的特性。如：快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、磷铝酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥和磷酸盐水泥等。

2.按其主要水硬性物质名称分：

（1）硅酸盐水泥，即国外通称的波特兰水泥；

（2）硫铝酸盐水泥；

（3）铝酸盐水泥；

（4）铁铝酸盐水泥；

（5）氟铝酸盐水泥；

（6）磷酸盐水泥；

（7）以火山灰或潜在具有水硬性的材料及其他活性材料为主要成分的水泥。

3. 按其主要技术特性分：

（1）快硬性（水硬性）：分为快硬和特快硬两类；

（2）水化热：分为低热和中热两类；

（3）抗硫酸盐性：分中抗硫酸盐腐蚀和高抗硫酸盐腐蚀两类；

（4）膨胀性：分为膨胀和自应力两类；

（5）耐高温性：铝酸盐水泥是耐高温的水泥，它的耐高温性能是按照水泥中氧化铝含量来分级的[2]。

本文设计的是硅酸盐水泥的生产配料系统。

1.3 水泥的生产工艺流程

水泥生产线是由生产水泥的一系列设备组成的水泥设备生产线。整个生产过程主要有原料的破碎及预均化、生料制备均化、预热分解、水泥熟料的加工、水泥粉磨包装等。下面对这些过程做一个简单地介绍：

1.破碎及预均化：这是水泥生产的第一个步骤，将运来的水泥原料石灰石等用破碎机破碎并均化混合后经皮带运输机送入生料均化库。

2.生料制备均化：由于预均化的混合达不到配比需求，还必须将破碎的原料再进行一次均化。

3.预热分解：石灰石等原料按比例均化后便是煅烧了，由于直接煅烧所需时间久，能量大，这就要在煅烧之前先将生料加热，使之获取足够能量分解后再经回转窑送到篦冷机冷却后输送到熟料存放的地方。

4. 水泥熟料的加工：这时的水泥也可以使用，但成品相对较高，因此往往还需要加入一些其他便宜的辅料，用来降低成品。将熟料和辅料按比例混合后送入磨机房进一步加工，这时出来的水泥便是成品了，经提升机送入水泥库。

5.水泥粉磨包装：这是水泥制备的最后一道工序。因有的地方使用水泥量不是特别多，并且易于储藏，需要将水泥成品进行装袋处理。

这整个过程中，在生料的制备和后面的熟料加工都会有配料这个过程，因此它对于水泥的生产是非常重要的。配料的精度决定着水泥的质量，自动配料系统对水泥生产带来很多便利。

2 系统模型及总体设计

本章主要介绍水泥配料系统的工作原理，整个系统的模型，以及总体设计。

2.1 水泥自动配料的原理分析

水泥成品是由熟料（石灰石、粘土等煅烧而得）、矿渣、石膏等材料按一定比例的配比混合后磨制而成。该自动配料系统由3台皮带秤配料线组成，编号为1#、2#、3#，其中1#为主料即熟料秤，2#，3#分别为矿渣和石灰石秤。配比方式采用的是总量比例控制，即操作员只需设定三种物料总的下料量，再设定这几种物料的具体配比是多少，系统就可以自动计算出各物料的下料设定值，分别存储在CPU中，在系统运行过程中将测量值与设定值对比，再相应的去调节电机转速，自动控制各物料的下料量，使各物料的实际下料量与设定值相同[3]。当生产工艺发生改变，需要生产另一种强度的水泥时，操作员可以直接修改各物料新的下料量，系统会自动计算出设定值，非常便捷，能满足不同的生产需求。自动配料系统其实就是一个将生产需要的每一种物料进行单独称重后并按照工艺设定的比例去混合的自动化过程，可以简单地描述成以下几部分：

1.给料部分：给料部分是从物料库向定量给料机中下料的执行机构。

2.称重部分：物料下到定量给料机上，上面的皮带秤获取重量后将数据反馈给PLC，通过与设定值对比，调节皮带电机的转速。

3.下料部分：在配料过程中，还需要运输皮带按固定的转速运转，经系统调节后的物料从下料口下到皮带上。

4.配料控制系统：这是整个系统的核心，它主要由称重和测速元件、PLC、上位机及现场控制箱等组成。

自动配料系统相当于是一种自动衡器，它要连续自动的测量出物料在运输过程中的重量，也就是实时的物料重量，并且还要自动完成累计，具有实时动态自动测量的特点。在称重过程中所测量得到的值，也就是流量的累计量，这个值跟物料重量和皮带电机速度都有关系。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。

2.2系统的模型分析

整个配料系统的模型由物料库、定量给料机、皮带运输机三大部分组成。

物料库是三种原料存储的地方，当整个系统的皮带运输机启动后开启阀门下料；定量给料机集称重、测速和输送物料为一身；皮带运输机用作运输混合后的材料。其结构如图2.1所示。

图2.1 自动配料结构图

从图中可以看出，系统是由三大部分组成，熟料库的下料口是有固定开度的，皮带运输机的速度也是固定的，所以熟料库下料及运输机部分的控制相对简单，整个控制重点集中在定量给料机上面。它集测速和称重，而且三台机器的运行状态是需要实时同步的。

2.3 系统的总体设计

在水泥的生产过程中，配料是为了将各种原料按照合适的比例来下料，优良的配料比例，可以降低成本，使生产的水泥质量优秀。不同的配料比例所得到的产品就不一样，不合适的配料比例甚至会使生产的产品质量不合格。因此，配料的精确度、准确度，决定了水泥成品的质量。

配料系统中，定量给料机按照200th的总量来进行给料，三种物料的比例分别为熟料80%，矿渣15%，石膏5%。因此，需要满足熟料每小

时给料量为160t，矿渣30t,石膏10t。当然，实际生产过程中不可能是一

小时才累积一次数据，这样万一有误差就非常大了。本设计通过皮带运行一定时间内来对系统的物料重量采样一次，称重传感器检测的是皮带上某段物料的重量，把这段时间作为系统的固定采样时间，再将实际流量值与系统设定值作对比，由PLC判断有无误差，来调节电机转速。简单点说就是采用流量控制原理。将称重传感器的测量值和速度传感器的测量值同时送入上位机，控制器将速度信号与称重信号进行处理，得到瞬时流量及累计量。

速度传感器直接连在大直径测速滚筒上，提供一系列脉冲信号，每个脉冲表示一个皮带运动单元，脉冲的频率正比于皮带速度。我们可以把每次采集的物流量看成是脉冲信号，每来一个上升沿信号就对流量采样一次，这样只需要在PLC的程序内添加一个计数器，就可以通过两次采样在皮带运行一定距离所花的时间，计算出瞬时值。知道了实际测量值和设定的流量值，就可以作出比对，来调节电机的转速。因为这两个值的概念不同，无法统一计算，因此需要用到PID调节。

在工业生产的过程中，经常会出现实际测量值和设定值有偏差，但是这些偏差又是人们不想要的，因此需要想办法消除或者减少它们，普遍采用的是对偏差进行比例、积分、微分三种控制方式组合的办法，人们称之为PID调节。仅使用比例控制时，能够将比例用来体现系统的偏差，当系统有了偏差时，它会马上产生调节作用来降低偏差。调节时间跟比例的大小成反比关系，一个大一个就小，但如果比例太大会造成系统的稳定性降低，严重还会出现系统不稳定的情况。积分的作用就是要将系统的稳态误差消除，让整个系统没有一点误差。当系统出现误差时，积分调节就开始作用，直到消除误差。积分作用的强弱取决于积分的时间常数Ti。

Ti越小，积分强度越大；反之则越小。加入了积分调节后，会让系统的响应速度降低，因此普遍将其它两种调节方式和积分作用相组合，组成PI或PID调节。PI是最常用的控制方式。最后一种是微分调节，它能将系统产生的偏差信号变化率反映出来，这样就可以在偏差变化之前知道它的趋势并且在它产生之前就将其消除掉，能够达到超前的控制作用。但是微分作用对噪声等的干扰有放大作用，因此太大的微分调节，反而不利于系统的抗干扰。这里强调一下，微分作用不能单独使用，需要和另外两种调节方式结合使用，组成PID控制器[4]。PID的调节原理如图2.2所示。

图2.2 PID调节原理

在配料过程中，需要同时采集三台皮带机上物料的重量以及电机的转速，将采集后的数值送到控制器（PLC）与设定值做对比，检测是否有误差，并作出相应的调节。对每一台的控制都是相同的。

3 系统主要器件的介绍

3.1西门子变频器简介

变频器，是现今工业自动化上使用较为广泛的产品之一，它将变频技术和微电子技术相结合，可以通过改变电压输出频率，去相应的调节电机转速，在实际的生产中，有着很大的作用。

3.1.1 MM420基本组成及特点

对本系统来说，电机带动皮带运作，要使配料准确、精确度高，因此电机的转速是需要变化的，需要随时按照PLC的信号进行调速，所以变频器是必不可少的重要元器件。而且变频器还具有节能的特点，非常适用于水泥生产这一类的高能耗企业。

一般来说，变频器的内部电路都有两个部分，一是完成电能转换过程（整流、逆变）的主电路；二是处理信息的收集、变换和传输的控制电路。

1. 主电路

变频器的主电路可以将电源提供的交流电压先经整流转换成直流电压；在内部控制下，再将直流电压经逆变转换成频率和电压都可以调节的交流电压输出给负载电机，这就可以根据需要去调节电机的转速，而不需要负载电机一直在工频运行，起到了一定的节能作用。其中直流环节是通过电容来进行滤波的，因此其属于电压型的交-直-交变频器。