新型自动配料装车控制系统设计.docx
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新型自动配料装车控制系统设计
新型自动配料装车系统设计
摘要
自动配料系统是一个针对各种不同类型的物料(固体或液体)进行输送、配比、加热、混合以及成品包装等全生产过程的自动化生产线。
广泛应用于化工、冶金、建材、食品、饲料加工等行业。
本文主要围绕饲料厂配料工艺流程进行研究,包括配料系统的组成、配料流程、装车系统的组成、电子称的基本原理等等,应用PLC(可编程序控制器)技术,设计了自动配料装车系统,提出了可移动式料斗称双速进料式零位法称量的控制方案。
使用siemens公司的可编程序控制器S7-200可以设计满足控制要求的自动配料装车控制系统。
并且通过S7-200模拟仿真软件验证了系统的有效性。
本设计的预期目标是改变以往配料系统的传统配料方式,提高运行人员工作效率,提高配料系统的配料精度,提高工业系统管理水平和生产效率,解决工业的配料装车问题,从而实现对资源的优化配置,提高工业效率和经济效益。
本文针对自动配料装车过程以及配料精度进行重点研究,得出可移动式料斗称双速进料式零位法称量的控制方案可以满足饲料厂的配料需求。
关键词:
自动配料;装车;称量
Newtypeofautomaticbatchingloadingsystemdesign
Abstract
Automaticbatchingsystemisoneforallsortsofdifferenttypesofmaterials(solidorliquid)forconveyingandproportion,heating,mixingandfinishedproductpackagingofwholeproductionprocessautomationproductionline.Widelyusedinchemicalindustry,metallurgy,buildingmaterials,foodindustry,feedprocessing,etc.
Thisarticlemainlyrevolvesthefeedmillsbatchingprocessisstudied,includingthepositionofbatchingsystem,batchingprocess,theloadingsystemposition,thebasicprincipleofelectronicscale,etc.,applicationofPLC(programmableLogiccontroller)technology,automaticbatchingloadingsystemisdesignedandproposedmobilehoppersaidtwo-speedfeedingtypezeromethodweighingcontrolscheme.UseofSiemenspany'sS7-200programmablecontrollercanbedesignedtomeetthecontrolrequirementsofautomaticbatchingloadingcontrolsystem.AndbyS7-200simulationsoftwaretoverifytheeffectivenessofthesystem.Anticipatedtargetofthisdesignistochangethepreviouswayoftraditionalingredientssystem,enhancestheworkingefficiencyoftheoperationpersonnel,improvingthebatchingaccuracyofbatchingsystem,improvemanagementlevelandproductionefficiencyofindustrialsystem,solvetheproblemofindustrialingredientsloading,soastorealizetheoptimizationofresourceconfiguration,improvetheindustrialefficiencyandeconomicbenefits.
Dosingandloadingprocessandprecision,theauthorofthispapertofocusonresearch,concludedthatportabletwo-speedfeedinghoppersaidtypezeromethodweighingcontrolschemecanmeetthedemandoffeedmillsintheingredients.
Keywords:
automaticbatching;load;weigh
第1章绪论
1.1课题的来源及现实意义
1.1.1课题的来源
自动配料系统是一个针对各种不同类型的物料(固体或液体)进行输送、配比、加热、混合以及成品包装等全生产过程的自动化生产线。
广泛应用于化工、冶金、建材、食品、饲料加工等行业。
随着科学技术的日新月异,自动化程度要求越来越高,原有的生产配料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。
因此减轻劳动强度,保障生产的可靠性、安全性,降低生产成本,减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题[1]。
基于PLC(可编程逻辑控制器)控制的自动配料装车系统集自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体。
配料生产在工业生产中有着非常重要的作用,不但是生产过程中的一个重要环节,更是源头工序,直接关系着下游生产能否顺利进行,决定着产品质量。
配料精度的高低和配料速度的大小制约着整个生产过程的质量和产量,而配料生产的自动控制对提高配料生产的质量起着举足轻重的作用。
配料自动控制系统有助于实时掌握和了解配料生产工艺流程的运行状况和参数变化,优化生产,保证质量,在降低生产成本的同时提高管理水平,使生产长期稳定地运行,取得最佳效益。
同时自动配料车是物流体系中运输和分配最重要的组成部分,它是能自动存储物料的系统,加快运输效率,加快物流。
PLC是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。
它以微处理器为核心,有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体。
其特点有:
专为工业控制设计,采取了精选元器件及多层次抗干扰等措施,能适应工业现场的恶劣环境,抗干扰能力强,可靠性极高;采用易于理解和掌握的梯形图语言,以及面向工业控制的简单指令,编程方便;不仅具有先进的通讯和输入、输出能力,而且其模块化的系统结构、灵活的配置能力,使用户可以灵活组成各种规模和不同要求的控制系统,使用方便;模块化的系统结构使操作人员在维修时只需要更换插入式模板或其它易损部件即可完成,既方便又减少了影响生产的时间;维护方便;硬件软件齐全,设计和施工可同时进行,缩短了设计、施工、调试周期;结构紧凑,体积小,重量轻,可靠性高,抗振防潮和耐热能力强,使之易于安装在机器设备部,易于实现机电一体化产品[2]。
1.1.2现实意义
自动配料装车系统能够提高运行人员工作效率,提高配料系统的配料精度,提高工业系统管理水平和生产效率,解决工业的配料装车问题,从而实现对资源的优化配置,提高工业效率和经济效益。
1.2国外发展现状及趋势
自动配料装车设备广泛应用于建材、冶金、煤炭、电力、化工、轻工等工业生产部门[3]。
配料精度是影响产品质量的关键因素,配料的效率对生产过程起决定性作用。
由于在工业生产中,经常遇到多种配比控制情况。
在手动状态下,需要根据生产情况计算出各物料的配比,再根据配比分别计算出各物料的理想下料量,对各台设备分别设定,从而满足配比的要求。
当生产情况发生变化时,需要改变下料量,则需要再次分别计算各物料的设定值,再次分别设定。
这种人工操作方式计算,操作时间长,且容易出错,给生产带来许多不良因素。
老式配料装车设备因为没有计量而存在多装、少装的问题,特别是在运输的过程中不允许车辆超载,多装了,得卸掉,少装了,得进行二次装车,使得装车工作进行非常缓慢。
因此提高自动配料系统的效率与配料精度是近年来企业关注的重点。
随着当今科学技术的发展,各类物料输送的生产线对自动化程度的要求越来越高,原有的生产配料设备已经远远不能满足当前高度自动化的需要,由于控制系统的发展和革新,使得生产线的运输控制也得到不断的改善和生产效率的不断提高,配料装车控制经历了以下三个阶段:
[4]
⑴.手动控制:
在20世纪60年代末70年代初期,便有一些工业采用PLC来实现配料装车控制,但是限于当时的技术还不够成熟,只能采用手动控制方式来控制机械设备,而且早期配料装车控制系统多为继电器和控制器所组成的复杂控制系统,这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷,几乎无数据处理和通信功能,必须要有专人负责操作。
⑵.自动控制:
在20世纪80年代,由于计算机的价格普遍下降,这时的工业控制企业将PLC充分的与计算机相结合,自动化设备最终实现了PLC在配料装车系统的应用。
⑶.全自动阶段:
现阶段,由于PLC技术向高性能、高速度、大容量发展,大型PLC大多数采用CPU结构,不断向高性能、高速度、大容量方向发展。
将PLC运用到配料装车系统中,可实现配料装车系统的全自动控制,降低了系统的运行费用。
PLC控制的自动配料装车系统具有连线简单、控制速度快、精度高、可靠性和维护性好、维修和改造方便等优点。
在国,大多数还是人工管理,智能控制急需普及,国外工程机械产品以电子、信息技术为先导,开发出各种工程机械匹配的软、硬件系统,使工程机械向信息化、智能化前进。
国外大多数PLC品牌都有与之相应的开发平台和组态软件,软件和硬件的相互结合使系统的性能大幅度提高,人机界面更加的友好。
通讯技术的发展、现场总线的发展及以太网的发展通讯能力大大增强。
在国外的自动配料装车系统中,已经广泛的应用了PLC控制系统,而采用可靠性比较高的FX2N系列或S7-200系列PLC软件控制该系统,实现自动配料装车,满足了系统的可靠性、稳定性、实时性和扩展性的要求。
从满足自动配料装车控制系统的安全性、扩展性和可靠性方面考虑,鉴于PLC的诸多优势,结合自动配料装车系统的需要,选择德国西门子公司的S7-200系列可编程序控制器。
S7-200系列PLC是西门子公司生产的具有高性能价格比的小型可编程控制器,由于它具有控制能力强、体积小、抗干扰能力强等优点而得到广泛的应用 [5]
1.3设计任务与控制要求的确定
1.3.1设计要求
使用siemens公司的可编程序控制器S7-200设计满足控制要求的自动配料装车控制系统。
并完成:
⑴.主电路设计,并画出接线示意图。
⑵.分配I/O地址,列出分配表。
⑶.设计系统控制的程序框图。
⑷.根据程序框图设计该系统的控制梯形图。
⑸.上机调试通过。
1.3.2控制要求
本设计针对饲料生产工艺中的自动配料装车系统。
⑴.本设计以中小型饲料厂为背景,通过对自动配料装车系统进行分析,了解其工艺流程,列出控制要求,并提出自动配料装车控制系统的设计方案,完成对6种饲料的配比、称量、配料、混料、打包、装车全自动控制。
⑵.在了解配料流程和设备的基础上,通过程序的设定和配置,对传送带、电磁阀进行控制,以控制料斗电磁阀门的打开和关闭及物料的传送,并按照控制系统的要求,控制按照不同比例自动配料,来改变配料的工艺要求。
⑶.在上述方案基础上,通过自动配料装车流程图统计出设备数目,进而统计所需I/O点的数目,进行PLC选型。
⑷.对PLC控制系统的程序设计,并进行系统调试等工作。
再进一步优化配料装车系统的设计方案,增加其他配料方法的可行性,多样性,提高配料装车的效率。
⑸.对配料精度进行深度分析,提高自动配料系统的效率与配料精度。
第2章自动配料装车系统概述
2.1配料系统概述
全自动配料控制系统在各行业的应用已屡见不鲜,如:
冶金,有色金属,化工,建材,食品,饲料等行业。
它是成品生产的首要环节,特别是有连续供料要求的行业,其配比的过程控制直接影响了成品的质量,它是企业取得最佳经济效益的先决条件。
虽然行业各自不同的工艺特点对配料控制要求也不同,但其高可靠性,先进性,开方性,免维护性,可扩展性是工厂自动化FA所追求的一致目标。
2.1.1自动配料系统的特点
(1).配料现场粉尘大,环境恶劣。
(2).各组份在配方中所占比例不同,有时甚至差异悬殊。
(3).配料速度和精度要求高。
(4).配方可能经常变换、调整。
(5).物料可能受环境温度、湿度影响。
2.1.2自动配料系统组成
自动配料系统是对粉粒或液体物料进行称重并按所选配方混合这一工业过程进行实时监控管理的自动化系统,已广泛应用于冶金、建材、化工、医药、粮食及饲料等行业[6]。
一般的工业自动配料系统由以下几部分组成。
(1).给料部分:
给料部分是从贮料仓(或储罐)向称重设备中加料的执行机构。
根据物料的不同特性,可以选用不同的给料设备,如电磁振动给料机、螺旋给料机、单(双)速电磁阀等。
(2).称量部分:
称量部分由传感器、标准连接件、接线盒和称量料斗组成,与称量仪表一起进行物料的称量以及误差的检测。
(3).排料设备:
排料可以是称重设备(减量法)或排放设备(增量法、零位法)。
通常由排空阀门、电磁振动给料机、螺旋给料机、电(气)动阀门等组成。
所有设备均应根据现场的工艺条件和物料的性质等进行设计和选择。
(4).配料控制系统:
配料控制系统由称量仪表、可编程控制器、上位工控机及其它控制器件等组成。
(5).校秤系统:
配料系统传感器应进行定期调校,以保证系统配料精度。
2.1.3配料技术的最新进展
目前,称重配料系统的流程控制几乎全部由可编程控制器(PLC)来实现,上位计算机主要用于配方管理、屏幕人机对话和称重资料的存储打印等工作。
随着微处理器技术的发展,配料系统中的称量仪表由最初的专用积木式仪表发展为智能化的工业控制终端以及专门的配料控制器。
配料控制器是用来控制一种或多种物料的配制的微电脑系统,可以完全或部分取代可编程控制器,实现配料的自动化。
称量仪表的功能也由最初的资料显示发展为具有自诊断、自动零位跟踪、置零去皮、预置点输出、动态称重、数据通信等多项功能[7]。
近年来,随着现场总线技术的推广,将传统的配料控制系统改进为基于现场总线的控制系统成为科技进步的必然趋势。
目前,许多用于配料的称重仪表已经有了Profibus、Modbus等现场总线接口,使基于现场总线的配料控制系统成为可能,基于现场总线的配料控制系统正在迅速推广。
2.2自动配料系统的方案选择
某饲料厂生产一种饲料,成分有6种,故有6个贮料仓,每个贮料仓下面对接一个给料机,可根据物料成分的性质自动调节给料的速度。
给料机下面是一个装有电子计量秤的称重料斗。
6个贮料仓和称重料斗底部都有一个出料阀门,出料阀门的开闭由电子开关根据配料信号来决定。
系统构成的简单示意图如图2.1所示:
图2.1配料系统结构
此配料系统的设计包括称重方式选择、给料方式选择、生产线结构方式选择、称重元件的选择等。
2.2.1称重方式选择
在配料生产过程中,常用称量方式有进料式称量和卸料式称量2种。
进料式称量有2种实现方法,第1种方式称为零位法,即在称量开始时通过给料设备向称量料斗给料,在称量值达到设定值时停止给料,然后打开闸门将料卸出,再从零位重新称量下一物料;第2种方式称为增量法,即称量料斗接收、称量好一种物料后,不排空料斗,而是只将电子秤部计数值清零,再接收另一物料显然,零位法的称量精度比增量法的称量精度高。
采用进料式称量,当给料设备停止给料后,还将有一部分物料在空中以自由落体的方式落入称量料斗,这些余料称为落差。
因为有落差的影响,增量法称量物料重量的设定值应为要配制的物料标准重量减去落差值。
而在配料生产工业中,因为所配物料均为固体颗粒,给料机放料后,在电子称上直接可以称量其数值。
在进料式称量中,由于物料本身特性及料斗原因可能造成卸料不净,从而产生称量误差。
卸料式称量是只称量从料斗中取走的物料量并显示其重量,不存在卸料干净与否的问题,因而该方式特别适合于称量难称的物料,如易粘附的物料等,其缺点是设备比较复杂,需要同时有给料装置和卸料装置,要求车间高度较高,并且由于称量料斗的物料重量值总是高于需要配制的物料的重量值,从而导致传感器量程增大,造成称量精度降低。
因而一般情况下卸料式称量的精度比进料式称量的精度低。
为保证称量速度和称量精度,在进料式称量时一般采用给料设备双速给料的方法,即先快速给料至设定值的90%
95%,以保证称量速度,然后慢速给料,以保证称量精度。
对于减量法则采取双速卸料,即先快速卸料,到达设定值的90%
95%时改为慢速卸料。
本次设计采用双速进料式零位法称量。
2.2.2给料方式选择
目前,称重配料系统最常用的给料装置有电磁振动给料机和螺旋给料机。
电磁振动给料机运用机械振动学的共振原理,双质体在低临界近共振状态下工作,无转动部件、耗电少、体积小、重量轻、运行费用低。
在给料过程中,物料在料槽中被连续抛起,并按抛物线轨迹向前作跳跃运动,因此对料槽的磨损较小。
其缺点是安装后调试较复杂,调整不当会产生噪声且运行不好。
与电磁振动给料机相比,螺旋给料机给料均匀,受外界影响小,机械振动小,运行平稳,对称量的干扰也小,可以避免因振动造成的粉料分层。
但螺旋给料机上安装有电动机和减速器,重量大,效率较低。
对于液体物料,一般采用阀门控制给料量。
在本设计中,由于饲料生产工艺的物料为固体,故我们采用螺旋给料机进行给料。
2.2.3生产线结构的选择
在工程中,常用的称重配料生产线一般有以下几种结构:
(1).采用固定式单组份料斗秤的结构:
每个贮料仓对应1台料斗秤,各组份原料在称量后由溜槽、集料带或集料小车收集并导入后续工序。
(2).采用固定式多组份料斗秤的结构:
几个贮料仓对应l台料斗秤,各组份原料在同一台料斗秤累加称量后,由集料带或集料小车收集并导入后续工序。
(3).采用移动式料斗秤的结构:
通过移动带有称量料斗的集料小车进行各种物料的累加式称量。
采用这种方式进行配料需要集料小车有很好的定位精度。
(4).采用称重带式输送机式的多组份秤的结构:
贮料仓的出料机构就是多组份秤的给料机构,各种物料在移动的配料带上由皮带秤进行累加称重。
第一种配料精度也高,但由于每一种物料都要一台称量仪表和一套传感器。
因此成本较高。
本设计采用第三种移动式料斗秤的结构。
2.2.4称重元件的选择
⑴.普通电子秤:
普通电子秤以自动称量的方式将散状物料按预定的配比进行称量,该秤可控制物料的称量、卸料。
当饲料到规定的数值时,指针移到相应的接近开关处,使电子秤动作,再执行下一步饲料的送料和秤重,依此类推,直到全部饲料配比完毕。
电子秤由秤体、称重传感器和放料门组成。
称重传感器采用高精度称重传感器,该钢制弹性体具有较强的抗过载能力和较长的使用寿命,特别适用于工业现场恶劣环境下高准确度配料的技术要求。
称重仪表性能稳定,抗干扰能力强,功耗低、可靠性高,而且具有远程数据通讯功能、设定预置功能及落差补偿功能,可实现准确、高速动态采样。
其最大载荷可达250KG/M。
它的输出信号驱动其微型输出继电器,以开关量的形式将信号送入PLC,它有调零、去皮重、加皮重和拨码盘设定称量值等功能。
⑵.皮带称:
皮带称的结构如图2.2所示,皮带秤的工作原理是物料通过给料设备送至配料皮带秤,秤体中的称重传感器和测速传感器将称重和速度信号送至皮带秤仪表,皮带秤仪表显示输送物料的瞬时流量、累计量等数据,同时将瞬时流量以4~20mA模拟电流形式送往PID调节器,调节器根据测量值与设定值的偏差,通过变频器去调整皮带秤驱动电机的转速,使之精确地以用户设定的给料流量给料,达到恒定物料瞬时流量的目的。
适用该工作模式的工艺现场必须满足这样一个前提条件,那就是物料给出量必须与给料控制电机的转速成正比[8]。
图2.2皮带称结构
皮带秤仪表将测量到的瞬时流量转化为两个4~20mA模拟输出信号,一个作为PID调节器的反馈输入与调节器机设定植比较参与反馈运算,另一个作为PID调节器的前馈输入乘前馈放大系数,然后再与反馈运算输出相加输出4~20mA模拟调节信号控制变频器的频率从而及时改变电机的转速。
单回路前馈-反馈复合控制系统较为实用可行的,如图2.3所示。
图2.3单回路前馈-反馈复合控制系统较为实用可行的电原理图
由于采用普通电子称就能够完成设计,所欲采用普通电子称进行称量。
2.3装车系统的概述
2.3.1装车系统的组成
总体控制要求:
如图2.4所示,系统由料斗、传送带、检测系统组成。
配料装置能自动识别货车到位情况及对货车进行自动配料,当车装满时,配料系统自动停止配料。
料斗物料不足时停止配料并自动进料。
图2.4装车系统结构图
L1:
红灯
L2:
绿灯
M1:
混料打包
M2:
传送带电机
M3:
传送带电机
2.3.2装车系统的控制
⑴.打开“启动”开关,红灯L1灭,绿灯L2亮,表明允许汽车开进装料。
⑵.当汽车开进装车位置时,红灯信号灯L1亮,绿灯L2灭;同时自动配料系统开始配料,配料完成后,M1启动物料开始混料打包经过10s后,再启动M2和M3。
物料通过传动带运到车上。
⑶.当车装满时,限位开关检测车是否装满,若没有装满则继续传送饲料,若装满10s后,M2和M3停止。
同时红灯L1灭,绿灯L2亮,表明汽车可以开走。
⑷.关闭“启动”开关,自动配料装车的整个系统停止运行。
第3章自动配料装车控制系统硬件设计
3.1PLC基本单元及相关模块选配
3.1.1PLC的选配
本设计中采用西门子公司的S7-200型PLC,其优越的性能表现为极高的可靠性极丰富的指令集,易于掌握,便捷的操作,丰富的置集成功能,实时特性,强劲的通讯能力,丰富的扩展模块。
(1).S7-200的特征
①.体积小,尺寸:
160×80×62mm由于其紧凑的设计,S7-200可以适合于任何机器控制环境。
②.易于使用:
通过STEP7-Micro/Dos软件可以非常方便地为S7-200编程,而且该软件能够在任何一台IBM兼容个人计算机上使用,哪怕是一台286的微机,要求MS-DOS5.0以上。
③.灵活多用:
S7-200的输入/输出点可以支持各个领域的设备,如:
光电传感器,驱动马达按钮开关,灯,泵,搅拌器等。
⑵.PLC的硬件构成
从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。
CPU的构成:
CPU是PLC的核心,起神经中枢的作用,每套PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和PLC部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规
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