PLC在配料生产线上的应用毕业设计.docx

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PLC在配料生产线上的应用毕业设计

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题目：

PLC在配料生产线上的应用

PLC在玻璃配料生产上的应用

摘要

现有的配料控制系统普遍配料精度不高、稳定性差，随着控制理论、电子通信技术的发展，传统的配料控制系统也面临信息化、自动化的变革。

本设计分析了玻璃配料的工艺流程，用PLC的控制系统代替原由单片机、继电器和称重仪表等组成的控制系统。

该配料系统由PLC、上位工控机、称重传感器等组成，针对控制要求对一些元器件进行了设计和选型。

传统的PLC控制系统通过I/O设备与PLC的I/O模块相连，PLC通过模拟量或开关量控制和监测现场设备，传输信号易受现场环境干扰。

因此，引入现场总线控制系统，建立分布式的PLC控制系统，实现传输信号的数字化。

本设计主要内容包括以下部分：

1、介绍玻璃的发展过程及玻璃配料现状。

2、分析玻璃配料系统的工艺流程。

3、配料系统软件设计。

4、利用PLC编程软件STEP7进行程序设计实现玻璃配料过程，利用组态界面表示玻璃配料生产过程。

关键词:

PLC；配料系统；组态；

TheapplicationofPLCinglassbatchproduction

Abstract

Nowcommoningredientsexistingbatchingcontrolsystemprecisionisn’thigh,andpoorstability,withthedevelopmentofcontroltheory,electroniccommunicationtechnology,Thetraditionalingredientsalsofacesthechangeofinformatization,automationcontrolsystem.Thisdesignanalysisoftheglassbatchprocess,withPLCcontrolsysteminsteadofpreviousMCU,relayandcontrolsystemiscomposedofweighinginstrumentandsoon.ThebatchingsystemconsistsofPLC,industrialcontrol,weighingsensorandsoon,forsomecomponentstocontrolthedesignandtypeselection.TraditionalPLCcontrolsystemviaI/OdevicesareconnectedtotheI/OmoduleofPLC,PLCwithanalogandswitchquantitycontrolandmonitoringoffieldequipment,transmissioninterferencesignalisvulnerabletotheenvironment.Therefore,thefieldbuscontrolsystemisintroducedtosetupadistributedPLCcontrolsystem,realizethetransmissionofdigitalsignal.Thisdesignmaincontentincludesthefollowingparts:

1,introducethedevelopmentprocessoftheglassandglassindustrystatusquo.2,analysisofglassingredientssystemprocessflow.3,batchingsystemsoftwaredesign.4,theuseofPLCprogrammingsoftwareSTEP7programmingrealizationofglassbatchprocess.Usingtheconfigurationinterfacesaidglassbatchproductionprocess.

Keywords:

PLC;Batchingsystem;Theconfiguration

第一章绪论

1.1课题背景及意义

在生产过程中，有的产品是将几种原料按一定比例混合，通过配置加工而成。

所以配料过程就是按一定比例混合原料的过程。

其中是否按预先设定的混合比例进行混合，直接关系最终产品的质量。

配料质量控制的优劣直接影响生产能否顺利进行【1】。

如果配料的质量不能达到要求，不仅会造成原料和能源的浪费，还可能会影响产品的质量、产量，甚至会因配料失误造成整个生产事故。

所以，要保证配料的速度，提高配料过程中的精度，以便产品质量和生产的顺利进行，

原料配料是玻璃生产的首道工序。

所以在生产玻璃过程中原料配料的准确、均匀和稳定是生产优质玻璃的主要条件。

尤其是配料的设备，需要同时对不同种原料进行准确的称量、混合、输送和投料，一旦出现事故就会造成重大的经济损失【2】。

一个现代化的大、中型玻璃池窑里有着一两千吨玻璃液，每天要投入上百吨配合料，而且在生产过程中各工序之间是连续作业，环环相扣，彼此影响很大，尤其是原料的配合，需要对好几种原料进行精确的称量混合、输送和投料，若出事将造成严重事故，在短时间内难以清除其影响，会造成重大的损失。

因此原料的制备对玻璃生产具有非常重要的作用。

称量部分是原料配料工艺的核心，合理的称重配料方式对实现原料的自动配料非常重要。

因此，人们对称量配料过程提出了“快速、准确、连续、自动”的要求【3】。

无论是人为因素还是设备因素都容易造成配料错料，而引起玻璃质量的下降。

若采用人工配料，因为现场的粉尘较大，所以很容易造成对人身体的危害。

因此，提高配料系统的称量精度、系统的自动化水平和可靠性，对保障玻璃生产线优质且稳定的生产、改善工作环境和提高劳动生产有很重要的意义。

因此，原料的配料自动化是现代玻璃工业发展的趋势。

此外，饲料、食品、化工、等行业也离不开配料生产过程，需要通过自动配料控制系统实现生产的自动化【4】。

虽然各个行业所用的物料和生产工艺不同，但配料控制系统所需要完成的任务基本相同，所以研究和开发一种自动配料控制系统具有一定的实际意义。

1.2玻璃配料工业现状

玻璃工业在我国产业中不仅是一个重要的行业，也在经济建设中起着非常重要的作用。

随着经济的快速发展，玻璃配料行业也得到了相应的发展。

20世纪80年代后期，我国浮法玻璃出现了第一次发展的高峰，以年增长35%的速度快速发展，远远高于当时我国经济发展10%的增长速度，玻璃工业的发展极为引人注目。

近年来，玻璃生产行业的竞争日益激烈。

所以，稳定并提高产品的质量、产量和增强竞争力成为玻璃生产发展的主要目标。

因此，玻璃生产中的称重配料系统必须具有高性能、高速度、高可靠性和稳定性等特点，以满足现代化生产的要求【5】。

目前我国玻璃工业中存在的主要问题与国际先进水平的差距主要表现在：

①资源和能源的消耗高，综合利用水平低，②整体技术、装备和管理水平与国际先进水平相比仍有很大的差距。

③因为产品结构不够合理，导致优质浮法和深加工率偏低。

④企业规模小、数量多、国际竞争力差。

⑤企业创新和自主开发能力较差，缺少具有驱动力的技术创新机制和能力。

⑥无序竞争现象比较突出【6】。

我国在玻璃配料技术方面，仍然存在着设备装备不合理、工艺落后、产品单一和自动化程度低等方面的弊端，难以满足现代化玻璃工业发展的需要。

随着计算机技术和控制技术的发展，以可编程控制器为基础的集散控制系统成为了当今浮法玻璃生产线控制系统的主流，日益成熟，它不仅解决了配料控制系统中存在的配料精度低，机电控制部分可靠性差的问题，而且还加强了数据库管理生产以及对生产过程的实时动态监控。

同时随着信息技术化、网络化向自动化领域的渗透，使自动化系统的体系结构面临一场大的变革【7】。

1.2.1配料系统的现状

通常情况下在配料生产过程中，要求不仅能够实现全自动、半自动和手动配料，并且可以在不同工作模式之间进行转换。

配料控制系统必须要有很高的可靠性以保证系统正常连续的工作，若出现故障能够及时报警或紧急停车。

目前，我国配料领域选用的控制系统种类很多种：

1.2.2直接数字控制系统

直接数字控制系统是利用计算机的分时处理功能直接对多个控制回路实现多种形式控制的多功能数字控制系统。

计算机的输出直接作用于控制对象。

直接数字控制系统是一种闭环控制系统。

具有多功能性、在线实时控制、分时方式控制和灵活性等特点，它结构紧凑、便于维护，有较强的抗干扰能力和控制精度、轻便灵活、方便操作。

缺点是这种控制系统一切的信息交换都要通过中心计算机，一旦计算机出错，不易检查错误，容易造成整个系统的瘫痪【8】。

所以这种控制系统在现代玻璃配料生产企业中很少应用。

图1.1直接数字控制系统框图

该系统由计算机通过检测装置对工业现场的过程参数进行采样，然后将采样值与存于存储器中的设定值进行比较，然后再根据两者的差值和相应于指定控制规律的控制算法进行分析和计算，形成所要求的控制信息，然后将其传送给执行机构以控制生产过程，用分时处理方式完成对多个单回路的各种控制，如比例积分微分、前馈、非线性、适应等控制。

同时，也可以根据需要将必要的信息用打印机打印出来或者在终端机的屏幕上显示。

1.2.3监督控制系统

监督控制系统又称为设定值控制系统。

计算机监控系统是在操作指导系统的基础上演变而起来的。

操作指导系统是一种开环控制结构，在该系统中计算机起到定时采集生产过程参数，并按照工艺要求以及指定的控制算法求出输入输出关系和控制量的作用，通过显示、打印和报警提供现场信息，方便管理人员对生产过程进行分析和调节等。

计算机监控系统具有闭环结构，它可以根据生产过程的状态、环境、条件因素，按照预定的控制模型计算出生产过程的最佳给定值，并据此对模拟式调节仪表进行自动整定，也可以进行顺序控制、最优控制以及适应控制运算，使生产过程始终处在最优工作状态【9】。

图1.2监督控制系统框图

该控制系统由监督控制计算机和数字控制计算机实现两级控制，SCC计算机根据配料生产工艺信息和其它信息，管理并监控整个配料过程、改变DDC级计算机配料给定值；DDC级计算机根据SCC计算机设定的配料给定值，实时控制称量配料。

DDC级计算机可以是单片机，也可以是可编程控制器（PLC）。

DDC系统和SCC系统都属于集中控制型的系统，当这种系统集中很多的控制回路时，就会带来“危险高度集中”的问题，而使系统的可靠性大为降低。

这就要求直接数字控制由集中型向分散型转移，于是出现了“控制分散，信息集中”的集散型控制系统。

1.2.4集散型控制系统

集散控制系统又称为分散型综合控制系统（简称DCS），是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的全新模式的分布式计算机控制系统。

它将若干台微机分散用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，通过CRT装置、通信总线、键盘、打印机等，进行集中操作、显示和报警。

如图1.3所示，集散控制系统按照分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制结构。

图1.3集散控制系统框图

DCS通常采用若干控制器对一个生产过程中的多个控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并且能够进行数据交换。

操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。

过程级主要由过程控制站、I/O单元、现场仪表组成，是系统控制功能的实施部分。

DCS的控制决策由过程控制站完成，因此，控制程序是由过程控制站实现的。

DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、CPU、网络接口和I/O口组构成。

DCS中的I/O一般是模块化的，一个I/O模块上有一个或多个I/O通道，用来连接传感器和调节阀。

通过现场总线将操作站、现场控制器、I/O组件进行连接，在这一层次内形成开放的、双向的、数字通信系统【11】。

1.2.5现场总线控制系统

现场总线控制技术（FCS）是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。

它依靠现场总线技术把具有检测和控制和通信能力的微处理芯片放入传统的测量控制仪表中，使它们各自具有数字计算能力、数字通信能力。

FCS采用简单的双绞线作为总线，把多个测量控制仪表连成网络系统，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个数字测量控制设备之间以及现场仪表与远程控制计算机之间实现数据传输和信息交换，从而形成适应实际需要的自动控制系统【12】。

图1.4现场总线控制系统框图

第二章玻璃配料控制总体设计

2.1玻璃配料工艺分析

玻璃配料就是根据要生产的玻璃工艺性能指标将砂石、白云石、长石、纯碱、芒硝等各种原料按一定得比例通过称量系统精确称量后，通过集料皮带传送到混合机中进行干混，然后加适量的水进行湿混，然后经过原熔皮带将混合料送到玻璃熔窑窑头熔炼的过程【13】。

图2.1玻璃配料工艺图

工艺流程：

依次启动窑头皮带、窑头料仓、提升皮带、原熔皮带、混合机、传输皮带，启动完成，然后各称量系统对砂石、白云石、长石、纯碱、芒硝按预先设定好的称量方式各称加料，称量结束，系统检验是否满足排料条件，满足条件则按设定好的方式进行定时和顺序排料，传输皮带将混合料送入混合机混合。

排料结束经过延时后，系统进行下一周期的加料。

混合机先将混合料进行定时干混，然后加水进行湿混，定时时间到，排料门打开，将混合料排到原熔皮带，经原熔皮带送到玻璃熔窑窑头熔炼。

完成一次配料周期。

当混合机排料结束后进入下一配料周期。

系统设置排废装置，如果配料过程出现错误造成废料，则将其通过排废装置排出。

2.2玻璃配料系统的组成设计

完整的配料控制系统一般由给料系统、称量系统、混合系统、碎玻璃控制系统、输送系统组成【14】。

2.2.1给料系统

目前常用的给料系统有电磁振动给料系统、螺旋给料系统、料门给料系统、电磁阀给料系统等。

电磁振动给料机采用卧式安装，多弹簧板结构，工作更加稳定、噪音低、放料平稳，给料速率调节方便，造价低，可以用于磨蚀性大的固体物料，适应的物料力度范围广。

通过可控硅的半波整流，驱动给料机的电磁线圈按照工频振动产生向前的输送力。

给料机的振动头为电磁线圈，送电后，线圈将以50Hz的频率吸引、释放带动输料溜槽的衔铁，衔铁的振动使给料机对物料产生向前的推动力。

通过调节可控硅的导通角来实现输送能力的大小，采用电位器或电压可连续的调整。

螺旋给料机，常用于物料流性较差或流动性强的物料。

该给料系统给料平稳，适合超细粉物料。

采用螺旋输送方式，它的入口段设计为变节距或变直径或两者都变化，以确保物料能从物料仓出口处均匀卸出，对于长宽比例大的物料仓出口更为合适，它的中部输送段是等节距或变节距的，使物料在螺旋输送槽中的充填率降低到15%-40%，这样就能减小螺旋给料机的过送量，它的出口处或者出口段也可以根据物料的不同流动性能而有各种变化。

比如说可以将最后一节螺旋做成双头以减小过送量的波动幅度，对于有显著黏着性的物料，可以将螺旋末端伸到出料口部分或在出口端前部的输送槽上做些直立刮板弄碎物料块。

或者根据工艺需要，可以将螺旋给料机做成两个出口，也可以让螺旋给料机中间进料、两端出料；有些物料的流动性能不好，使物料仓的不结拱临界出口宽度相当大，但是工艺上又不大要求喂料量大，这是可以采用双螺旋给料机甚至三螺旋给料机。

所以说可以根据所需物料的具体流动性能和工艺要求，设计出功能良好的螺旋给料机。

因此，螺旋给料机在玻璃配料中的使用进来日益普及。

料门给料系统适合物料流动性好，配料速度要求快，精度要求相对较低的场合。

该系统通常使用双气缸实现料门两种开口大小或一大一小两料门，实现了既提高配料速度又提高精度的要求。

在粗加料时，将料门全部打开或两个料门打开，达到一定量时，将料门关闭一部分或将大料门关闭，进行细加料，达到预定量时将料门全部关闭。

对于一些液体原料可采用电磁阀给料系统。

这种方式控制相对简单，也可采用双管路双电磁阀控制，以提高配料速度和精度。

2.2.2称重计量控制系统

在配料之前，首先要对称量控制系统输入数据，包括要求供料的窑炉。

料方序号或各组分的设定值、称量快慢切换值、悬浮量等。

根据称量和排料的顺序，原料的称量方式可分为增量法和减量法以及累计称量，增量法称量是通过给料设备向称斗内加入规定数量的物料，然后由排料装置将称量斗中物料排空；减量法称量则是通过给料装置向称斗内加入大于规定数量的物料，然后由称量斗下的排料机将规定内的物料排出。

增量法与减量发一般应用于排库形式，累计称量多应用于塔库形式。

目前，大部分玻璃生产线采用的是增量法和减量法相结合称量方式。

⑴增量称量法及其控制原理增量称量法称量过程中，以进入到称量斗的物料量为最终配方值的称量方式称之为增量法。

这种称量方式通过上料设备把原料从物料仓加到称量斗中，当达到设定值时停止加料，料斗下有一闸门，开启闸门放出所有已称好的原料，然后输送到混合机。

这种称量方式要求原料不能粘附在称量斗壁上，否则最终放出的原料量不等于称量值，降低称量精度。

并且如果称量斗下部闸门如果控制不好，容易发生漏料将严重影响到配合料的化学组分均匀性。

使用增量称量方法时，控制系统启动后，首先要检查物料仓中是否有料，如果料仓空则发出往料仓内送料的命令，直至能满足称量反馈信号送回为止。

若有料，则往下检查配料秤的零点，同时检查称量斗卸料门是否关好，如满足条件，则启动物料仓的振动器和给料机向称斗加速给料；倘若称斗门开着，控制系统将会发出信号使它关闭，经过再次检查如果称量斗卸料门还没关闭或配料称中有料，则系统进入保持状态直到操作人员到现场处理好为止。

当给料机快速向称斗加料后，配料秤的重量测量值也随着增加，称量控制系统判断称量值是否达到90%的快加量。

若达到，则给料机由快速加料切换为慢速加料，并随时判断称量值测量值是否达到应加的重量值。

如果达到，则给料机停止慢加料，并显示出设定值、实际称量和误差，否则继续进行慢加料。

当每台称的给料机都完成加料工作后，配料生产线的控制系统对各个配料秤校验，核对各个成分的称量值是否在允许误差之内。

校验满足精度要求后，且传输皮带开、混合机开、混合机空、混合机关门等条件满足，便发出允许排料信号。

如果某台称的称量值有不足或过量的情况，则按下述方式处理。

称量值不足时，如稍大于允许误差值，则给料机以慢速缓慢加料，直到达到允许误差范围之内，若是慢速缓慢加料仍然未能达到允许误差，则报警，称量系统进入状态，由操作人员到现场处理，排除故障后，系统才继续运行。

如果超过量小于某一规定值，则其他各称在接到相应的信号后自动增加配料量，以保证配方正确，然后才允许排料。

如果超过量是在3%-10%之间时，则发出信号询问是否废弃本次称量的原料，如果不同意废弃，则按小过量方式处理。

如果同意废弃，则按废料处理。

如果超过量为10%以上，控制系统自动将本次称量的原料作废料处理，一次称量法要求排料时称量斗必排空，才能保证称量精度，为避免粘料，配料秤斗壁上一般都装有舱壁振动器。

若排料后的称量控制系统检测发现称量斗壁上有粘料现象，则发出信号使舱壁振动器工作几秒钟后再进行检测。

当振动若干次仍无效果，则报警，由操作人员到现场处理。

增量称量法的优点是投资较少，控制比较简单，一旦发生超差，可以及时补救。

增量称量法对于湿度小，不易黏结且用量不大的物料较为适用。

但是称量斗，对于一些粘性强，湿度大的物料存料比较严重。

尽管有时称量是准确的，但排料时可能一部分物料沾到称量斗上而未进入混合机。

因此参加混合的物料有可能超出误差范围，造成配合料质量的下降。

⑵残量卸料称量法及控制原理这是一种增量法的改良方法。

因增量法称量原料多采用卸空法排料，简单说也就是将物料加到规定称量值以后，称量系统控制停止加料，开始卸料到卸完物料，完成一个称量周期。

但含有一定水分的原料和粘性强的原料不宜采用。

在生产中，一些厂家针对增量法的弊端将其进行了改良。

把原来的排料方式由卸空法改为残量卸料法的称量工艺。

称量系统部分物料易于残留在称料斗内，所以在称量时索性多加上一定量的物料，把多出的物料留于称量斗内。

其称量过程是：

首先在应配料的基础上加上一定量的物料残留量作为满载的首次剂量值，当物料卸至此计算值时，系统控制停止卸料，完成一个配料周期。

因为这种称量方式对每种物料进行两次称量，所以延长了称量的周期，但这种方式很大程度的提高了配料系统的称量精度。

⑶减量称量法及其控制原理在称量过程中，由称量斗排出的物料量为最终配方值，这种称量方式称为减量称量法。

假定要称量Xkg的原料，先通过给料机向称斗加料到Akg，然后由称量斗出料口处的给料机往外排料，知道称量斗中还残留Bkg料时停止排料，使X=A-B。

称量斗中残留的数量一般为额定称量值的1/4-1/5。

减量法称量可以使粘附在称量斗壁上和称量斗中的残留物料量不会影响称量精度，这种称量方式比一次称量方式多用了一台给料机，但却能保证达到，很高的称量精度。

现代玻璃生产中减量称量法已被普遍采用。

减量法称量是在系统启动之后，首先检查物料仓和配料称中的残留料量。

若正常，就启动物料仓振动器及给料机向称量斗中快速加料，因为减量法的称量精度由称量斗加料后的称量值和排料后的称量值的差决定的，所以这里不用在临近设定值时切换到慢加料，控制好排出的量就可以了，关键是设定好卸料值。

为了获得一定的配料精度，减量法的排料应该有快、慢排料切换，即得到允许的排料命令时先快速排料，配料秤的重量随之减少，当称量控制系统判别排料值已经达到应排值的90%，则排料机即由快排料改为慢排料，当排料值达到设定排料值时，排料机停止工作，并将出口处的快速断流闸板关闭。

减量称量法的优点：

由于排料为称量过程，消除了称斗中粘料误差，提高了动态精度。

其次排料时使用输送设备，可以使物料平稳落下，并可控制排料顺序和速度，使物料形成夹层状，起到预混的作用。

这样使系统的精度大大提高。

但是由于排料是最终排料量，所以一旦出现误差很难补救。

因此，减量称量法时对其设备的要求是很高的，其造价高于增量称量法。

2.2.3混合控制系统

混合过程是混合和分料的过程。

达到最佳混合均匀度的混合时间为3-5min。

适当的混合时间可以保证各种原料颗粒的均匀分布，过短的混合时间无法达到这一要求，过长的混合时间不利于提高混合质量。

因此过短或过长的混合时间都会导致配合料均匀性变差。

加水量计算按照配合料中的含水量要求，计算机自动调整配合料的加水量，保证配合料中的含水率不变。

定时加水通长作为定量加水的后备方式，确定即使加水系统出现故障还能够加水。

为了保证加水量的准确性一般多选择定量加水方式。

2.2.4碎玻璃控制系统

碎玻璃通常在窑头加入。

经碎玻璃称称量后，配料输送过程中将称量好的碎玻璃均匀加入，和配合料一起加入到窑头仓中进行熔炼。

一般在配合料的输送皮带上加接触式传感器，当配料和传感器接触时向碎玻璃料斗发出卸料信号，排出的碎玻璃均匀的撒在配料上。

2.2.5输送控制系统

输送系统是将配合料经混合机排出后，通过原熔皮带、提升皮带装置将原料最终送入到玻璃熔窑的过程。

1、传送带常见故障

①打滑为防止皮带打滑常常采用防滑套将传送带与皮带之间的打滑现象减到最低限度，常采取的措施有：

检查装置的调节机构是否需要加以紧固；绷紧上下传送带；磨粗或更换现有防滑套表面；检查驱动齿轮的磨损情况等。

②传送带与纸板之间打滑挂面纸板与热板之间产生的摩擦过大是传送带与纸板之