生料浆配料过程中的碱赤泥浆流量控制系统设计.docx
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生料浆配料过程中的碱赤泥浆流量控制系统设计
目录
第1章绪论1
第2章课程设计的方案2
2.1概述2
2.2系统组成总体结构2
第3章硬件设计3
3.1PLC系统的设计3
3.2计量泵4
3.3变频器5
3.4I/O口分配6
第4章软件设计8
4.1系统主流程图8
4.2系统梯形图9
4.2.1泵的启停程序9
4.2.2PID控制9
4.3模拟环境运行14
第5章课程设计总结15
参考文献16
摘要
在生料浆配料过程中,碱赤泥浆的流量对生料浆的各项工艺指标有着直接的影响。
本文使用PLC来控制变频器,让变频器来控制电动机,进而控制泵起到改变流量的功能。
针对碱赤泥浆流量的特性,本文使用了PID的控制方法。
介绍了西门子S7-200PLC,变频器MM440和计量泵。
并介绍了PID算法的应用,用框图法来编辑程序。
本文设计了泵的启停逻辑控制,碱赤泥浆的流量控制等程序。
设计了PLC各个I/O接口的功能,并通过监控画面来模拟整个过程。
从而能在应用中更准确的控制流量。
关键词:
碱赤泥浆;PLC;PID控制方法;监控画面
绪论
目前,生料泥浆的生产已经实现自动化,为了提高产品质量,在生产过程中要控制生泥浆的配料碱赤泥浆的流量,以此来提高产品的质量。
因此,生料浆生产线中有越来越多的机器在使用先进的碱赤泥浆流量控制技术来提高产品的质量和生产效率。
而应用PLC完成电气部分的控制是工业自动化电气控制的主要发展方向。
本次课设主要介绍怎样控制碱赤泥浆的流量。
我国的碱赤泥浆流量控制系统相对于西方发达国家来讲还有很大的差距。
设备陈旧,技术落后,成为阻碍我们生泥浆配料行业发展的一个严重问题。
鉴于这些问题,我国企业不断发展自身的实力,逐步朝着生产高速化、设备结构合理化、设备的多功能化、设备的绿色化、控制的智能化等方向发展。
推出适合自己需求的产品来。
本次课设就是朝着这个方向进行研究和设计。
可编程序控制器(ProgrammableController)简称PC,为了避免同个人计算机(PersonalComputer,简称PC)混淆,现在一般将可编程序控制器简称为PLC(ProgrammableLogicController)。
PLC从诞生至今已有30多年,发展势头异常迅猛,已经成为当代工业自动化领域中的支柱产品之一。
特别是随着计算机技术和通信技术的发展,PLC的应用领域逐步扩大,应用前景十分看好。
传统的控制系统(特别是1969年以前,那时PLC还未出现)中主要元件是各种各样的继电器,它可以可靠且方便地组成一个简单的控制系统。
但随着社会的进步,工业的发展,控制对象越来越多,其逻辑关系也越来越复杂,用继电器组成的控制系统就会变得非常庞大,从而造成系统的不稳定和造价昂贵。
主要表现在:
①当某个继电器损坏、甚至继电器的某触点接触不良都会影响系统的运行;②继电器本身并不太贵,但控制柜内元件的安装和接线工作量极大,造成系统价格偏高;③产品需要不断地更新换代,生产设备的控制系统不断地作相应的调整。
但对庞大的系统而言,日常维护已很难,再作调整难度更大。
PLC自问世以来,经30多年的发展,在工业发达国家(如美、日、德等)已成为重要的产业之一,生产厂家不断涌现,PLC的品种多达几百种。
国内应用始于80年代。
一些大中型工程项目引进的生产流水线上采用了PLC控制系统,使用后取得了明显的经济效益,从而促进了国内PLC的发展和应用。
目前国内PLC的应用已取得了许多成功的经验和成果,证明了PLC是大有发展前途的工业控制装置,它与DCS、SCADA、计算机网络系统相互集成、互相补充而形成的综合系统将得到更加广泛的应用。
课程设计的方案
概述
本次设计主要是综合应用所学知识,设计生料浆配料过程中的碱赤泥浆流量控制系统,并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。
能够较全面地巩固和应用PLC课程中所学的基本理论和基本方法,并初步掌握PLC系统设计的基本方法。
应用场合:
应用于生料浆配料过程中,通过输入的流量数,通过变频器控制电动机再通过泵的转速来实现流量的控制。
系统功能介绍:
由泵上的流量监视测量出的真实碱赤泥浆流量与系统要求的的碱赤泥浆流量相比较,经PLC的计算后调节变频器,从而控制泵转速调节碱赤泥浆的流量。
系统组成总体结构
本设计针对在生料浆配料过程中,需要将碱赤泥浆原料输送到球磨机中。
当碱赤泥浆的流量控制在80—120t/h时球磨机才能工作在最佳状态,用泵监视出的流量通过PLC中的PID模块的计算控制电动机的转速。
系统的总体结构图如图2.2。
图2.2系统总结构图
硬件设计
PLC系统的设计
可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。
但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC,plc自1966年出现,美国,日本,德国的可编程控制器质量优良,功能强大。
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,基本构成为:
a、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的,因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
b.中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性,近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。
这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。
c、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
d、输入输出接口电路
1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路,作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成,作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
e、功能模块
如计数、定位等功能模块
f、通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等
本文采用的是西门子S7-200
图3.1西门子S7-200PLC
3.2计量泵
电机经联轴器带动蜗杆并通过蜗轮减速使主轴和偏心轮作回转运动,由偏心轮带动弓型连杆的滑动调节座内作往复运动。
当柱塞向后死点移时,泵腔内逐渐形成真空,吸入阀打开,吸入液体;当柱塞向前死点移动时,此时吸入阀关闭,排出阀打开,液体在柱塞向进一步运动时排出。
在泵的往复顺还工作形成连续有压力、定量的排放液体。
该泵性能优越,其中隔膜式计量泵绝对不泄露,安全性能高,计量输送精确,流量可以从零到最大定额值范围能任意调节,压力可从常压到最大允许范围内任意选择。
2.调节直观清晰,工作平稳、无噪声、体积小、重量轻、维护方便,可并联使用。
3.该泵品种多、性能全、适用输送-30度到450度,粘度为0-800mm/s,最高排出压力可达64Mpa,流量范围在0.1-20000L/h,计量精度在±1%以内。
4.根据工艺要求该泵可以手动调节和变频调节流量,亦可实现遥控和计算机自动控制。
计量范围:
0-400升/公顷,压力范围:
0-1.0兆帕,驱动方式:
电机驱动,控制方式:
手动、自动控制(可接收4-20mA信号来调节流量)
1、铸铝壳体,散热性能高,整体重量轻,适用各种酸碱药液,无毒无味。
2、采用凸轮机构.整体上完全无泄露,可安置于药槽或管道上。
3、接触介质泵头为PVC、可选PTFE、及不锈钢材质。
4、性价比高,普遍适用于,压力要求不高的水处理行业。
5、在泵运行或停止时也可任意调节流量也可定量输出。
6、隔膜为多层复合结构压制而成,第一层超韧性Teflon耐酸薄膜,第二层EPDM弹性橡胶,第三层厚度支撑铁芯,第四层采用强化尼龙纤维补强,第五采用EPDM弹性橡胶完全包履,可有效提升隔膜使用寿命
图3.2计量泵实物图
3.3变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用工频电源变换为另一频率的电能控制装置,能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类:
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”,以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
变频器通常分为4部分:
整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。
整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。
高容量电容存储转换后的电能。
逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关,将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。
控制器按设定的程序工作,控制输出方波的幅度与脉宽,使叠加为近似正弦波的交流电,驱动交流电动机。
MM440是一种集多种功能于一体的变频器,它的主要特点是内置多种运行控制方式;快速电流限制,实现无跳闸运行;内置式制动斩波器,实现直流注入制动;具有PID控制功能的闭环控制,控制器可用于控制多个交替工作的生产过程;多功能数字、模拟输入/输出口,可任意定义其功能和具有完善的保护功能。
图3.3M440变频器实物图
3.4I/O口分配
本设计接入变频器需要2个模拟量输入,2个模拟量输出。
PID控制需要1个模拟量输入,1个模拟量输出和1个数字量输入。
选用CPU224有14个数字量输入和10个数字量输出。
扩展一个EM231和EM232。
表3.4I/O地址分配表
输入
输出
I0.0
泵的运行状态
Q0.0
泵的启动
I0.2
PID的手动/自动转换开关
Q0.1
泵的停止
AIW0.0
PID的模拟量输入
AQW0.0
控制变频器工作
软件设计
系统主流程图
数据采集及处理主要包括实时采集通过泵的流量信号,计算出系统流量是否在允许的流量范围内,从而控制变频器改变电动机的转速,以达到碱赤泥浆流量在系统要求的范围内目的系统主程序流程图如图4.1所示。
图4.1主流程图
系统梯形图
泵的启停程序
由于在泥浆配料过程中,需要将碱赤泥浆原料输送到球磨机中,而如果先加入的话可是损害球磨机,所以在球磨机没启动前不可以输入碱赤泥浆。
所以设Q0.0控制碱赤泥浆泵的电机,Q0.1控制球磨机,I0.1和I0.3为控制泵的启动合停止。
启停程序如下:
PID控制
PID控制算法中的参数定义如下:
M(t):
PID回路输出,有时间的函数;Mn:
第n次采样时刻,PID回路输出的计算值;e:
PID回路的偏差(设定值与过程变量之差);
:
在第n次采样时刻的偏差值;
:
在第n-1次采样时刻的偏差值;
:
采样时刻
的偏差值;
:
PID回路输出初始值;MX:
积分项前值;
:
PID回路增益;
:
积分项的比例常数;
:
微分项的比例常数;
:
采样周期;
:
积分项的比例常数;
:
微分项的比例常数;
:
第n采样时刻的设定值;
:
第n-1采样时刻的设定值;
:
第n采样时刻的过程变量值;
:
第n-1采样时刻的过程变量值;
如果一个PID回路的输出M时间t的函数,则可以看做是比例项,积分项和微分项三部分之和。
即
以上各量都是连续量,第一项为比例项,最后一项为微分项,中间两项为积分项。
用计算机处理这样的控制算式,即连续的算式必须周期性地采样并进行离散化,同时各信号也要离散化,公式为
从上式看出,比例项仅是当前采样的函数,积分项是从第一个采样周期到当前采样周期所用误差项的函数,微分项是当前采样和前一次采样的函数。
对计算机系统来说,只要保存积分项前值和误差前值,就可以得到一个更简单的公式,如
具体到S7-200PLC中,设定值为SP,过程值为PV,系统增益系数只使用
,积分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小,微分时间控制微分项在整个输出结果中影响的大小。
具体的计算公式为
一般来说,设定值不是经常改变的,所以,n时刻和n-1时刻的SP是相等的。
对上式进行简化后,得出
这就是PLC中使用的PID算法。
PID控制程序如下:
80为装入的设定值。
0.4为装入的回路增益,0.2为采样时间,30.0为积分时间,15.0微分时间
AIW0为模拟量输入
AQW0为输出模拟量
4.3模拟环境运行
开关控制泵的启停,输入设定值然后碱赤泥浆流入泵中,检测出当前流量,当球磨机正常运行时(显示为绿时),泵流入球磨机中。
课程设计总结
在这次生料浆配料过程中的碱赤泥浆流量控制系统设计中,我查看了大量的关于泵、西门子S7-200PLC、变频器等资料。
加深了PLC控制系统I/O接口的扩展方法,模拟量输入、输出通道的设计,常用控制程序的设计方法,以及PID的算法与程序设计。
通过老师指导和帮助,以及在这十天的努力,设计出了自己比较满意的系统。
在整个设计中我懂得了许多PLC应用技术的知识,也培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
通过这十天的PLC应用技术课程设计,我对本学期所学的PLC应用技术有了更深入的了解和认识,更深入的了解了PLC应用技术在生产过程中的应用。
对生产过程的被控对象、执行机构、测量变送、电气开关的联系与应用有了进一步的认识。
在设计过程中,我首先熟悉了系统的工艺,进行对象分析,按照要求确定方案。
然后进行了对硬件与软件的设计与调试。
在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富,使我终身受益。
参考文献
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