基于PLC、称重模块、触摸屏的工业配料自动控制

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。本文介绍了一种基于西门子PLC和新型称重配料控制器ID551的技术特性。根据西门子s7-200 PLC和称重仪表作为控制器,以完成控制过程。液体灌装配料系统主要由s7-200 PLC,称重仪表,HMI和四通道灌装设备构成。通过对称重仪表清零和标定等参数的设置，来完成相应的设置质量的精确称重。设置校准标定值为1Kg, 允许误差范围在10 g以内。系统采用慢喂阀和快喂阀两种方式添加原料，是为了达到高速、准确的目的。在设计本系统过程中考虑了可能影响系统误差诸多因素，如液体在空中停留的时间即空中飞料时间、影响水流速快慢的压力大小即蓄水池液位等。为了进一步减小误差，我们可以通过设置空中飞料时间来调整，设置空中飞料时间为1s。当称重结束时，完成称重，开始放料。当称重仪表称的桶中液体质量为零时，此时放料结束，完成一次原料称重。整个过程可以通过触摸屏设置并观测。把水、水泥、砂、碎石,分别在四个通道称重，当且仅当四个通道放料阀都处于复位状态时，搅拌电机开始工作，原料进行搅拌，完成一个工业配料的实际应用——混凝土搅拌自动控制系统。基于PLC、称重仪表、触摸屏的工业配料自动控制，可在材料精确、快速称重的生产行业进行应用。

关键词：PLC；称重仪表；人机界面；工业配料。

Title：Based on PLC and weighing instrument, touch screen, industrial automatic control

Abstract

Automatic batching system is one for all the different types of materials （Solid or liquid）In transmission、Matching、heating、mingle and so on. Then form the whole production process automation production line. Be widely used in chemical industry, metallurgy industry, building materials industry, food industry, feed processing industry etc. To introduce this system, the article takes a method to solve it. Liquid filling batching system is mainly composed of S7-200 PLC, weighing instrument, HMI and liquid filling equipment of four channels. Through to the weighing instrument reset Settings, Setting the calibration value set etc. To complete the corresponding setting quality and accurately of weighing, then setting calibrating the calibration value to 1 kg, allowed error range of 10 g. Set the air time to 1s. When the dosing and at the beginning of the start switch, then give S7-200 PLC a rising edge. In the design of this system in the process of considering many factors may affect the system error, calculating the air time. And the pressure of the reservoir water level size affect water pipe water injection flow rate, etc. In order to further decrease the error, we can set up through the air to fly time value to adjust it. When four of discharging valve are reset, mixer began to stir, then complete an industrial weighing ingredients. And industrial ingredients, weighing module, touch screen based on PLC automatic control system design, available in high precision material accurate formula of raw material and production industry.

Keywords: Programmable Logic Controller; Weighing instrument; Human Machine Interface ;Industrial ingredients.

目录

第一章绪论 (1)

1.1课题的提出 (1)

1.1.1 工业配料自动控制系统设计的提出 (1)

1.1.2 课题设计的目的和意义 (1)

1.2工业配料技术的前景 (2)

1.3课题设计的主要内容 (2)

1.3.1 系统实现原理 (2)

1.3.2 硬件电路的实现 (2)

1.3.3 软件程序的编制 (3)

1.3.4 误差分析 (3)

1.4课题设计的基本要和技术参数 (3)

1.4.1 课题设计的基本要求 (3)

1.4.2 系统的主要技术参数 (3)

第二章系统设计实现方案与原理 (4)

2.1引言 (4)

2.2系统的设计方案及PLC选型 (4)

2.2.1 设计方案论证 (4)

2.2.2 PLC选型方案论证 (6)

2.2.3 S7-200 PLC的特征 (9)

2.2.4 S7-200的主要组成部件 (9)

2.2.5原理分析 (10)

2.3本章小结 (11)

第三章自动配料系统硬件设计 (12)

3.1引言 (12)

3.2自动配料系统简介 (12)

3.2.1 自动配料系统的特点 (12)

3.2.2 自动配料系统组成 (12)

3.3自动配料系统的设计 (13)

3.3.1 配料系统 (13)

3.3.2 配料系统的组成 (14)

3.4称重仪表的选择及参数的设定 (15)

3.4.1 称重仪表的介绍 (15)

3.4.2 键盘菜单 (16)

3.4.3 预置点应用 (20)

3.5系统硬件连接 (20)

3.5.1 系统硬件连接总体框图 (20)

3.5.2 称重仪表端口设置 (21)

3.5.3 输入/输出接线 (22)

3.5.4 S7-200接线图 (22)

3.6称重传感器 (23)

3.6.1 称重传感器特点 (23)

3.6.2 称重传感器原理 (23)

3.6.3 称重传感器接线 (23)

第四章软件设计 (26)

4.1引言 (26)

4.2顺序控制法 (26)

4.2.1 顺序控制 (26)

4.2.2 顺控系统的结构 (26)

4.2.3 顺控功能图的结构 (28)

4.3监控组态软件WINCC简介和应用 (31)

4.3.1 WINCC简介 (31)

4.3.2 WINCC的特点 (31)

4.3.3 WINCC的组态 (33)

4.3.4 操作界面设置 (33)

4.3.5 操作站的选配 (35)

4.4软件流程图 (35)

4.4.1 主程序流程图 (35)

4.4.2 整体软件流程图 (36)

4.5PLC控制梯形图 (37)

4.5.1 单桶配料梯形图 (37)

4.6误差分析 (39)

第五章全文总结 (40)

致谢 (41)

参考文献 (42)

第一章绪论

1.1课题的提出

1.1.1 工业配料自动控制系统设计的提出

在带有自动化配料系统的工业生产中，配料工序是工业生产过程中非常重的环节，在混凝土制作过程中的纤维水泥浆由水、水泥、砂、碎石,等四种物料接一定比倒进行配制的，其配料精度直接影响着混凝土。因此，精确、高效的称量设备不仅能提高生产率，而且是生产优质混凝土的保证。

国内配料厂前期投入使用的微机配料系统大部分是国外引进的，随着我国电脑工业的发展．微机配料系统已逐步国产化，我国许多科研、生产单位都投入到开发生产的行列。配料系统普遍存在的问题是：配料精度低、机电控制部分的可靠性差，缺少数据库管理生产以及对生产过程的实时动态监视。配料精度低的主要原因是电子称系统的动态性范围小，而可靠性差，主要是中间继电器和微机控制系统的可靠性低所致。本设计中的配料系统可减少人的重复操作，并且它还可以完成人无法元成的操作，从而太太地提高工业生产效率。

结合混凝土搅拌的工艺控制要求与特点，这次设计采用了德国西门子公司S7-200 PLC系类可编程程序控制器来代替中间继电器和过程控制的微型机，来进行控制。为了实现生产过程的动态监视，使用西门子触摸屏与PLC相连接，在彩色屏幕上显示出生产过程设备运行的状况和生产中的数据。经实际运行，该系统技术性能忧良，运行稳定可靠，操作主观方便。

改革开放30年来，我国工农业取得举足轻重地发展，各行业生产的产品随着市场的不断壮大，产品批量也逐步扩大；工业称重仪表种类很多，且应用领域广泛，对国民经济的发展有着巨大的影响；称重仪表属计量领域，计量同其它高科技一样，是国家之间竞争的重点之一。本文工业称重仪表主要应用于定量包装称重领域，是将机械、电气、电子、计算机、自动控制结合在一起的计量设备。称重仪表性能的好坏直接影响到生产企业的经济效益。本文采用的称重仪表实现了高称重精度和高称重速度，满足了工业生产的需要。

本文以西门子S7-200系列PLC 配合ID551型称重仪表实现对配料生产线自动控制设计进行详细的阐述。

1.1.2 课题设计的目的和意义

本文介绍了一种基于西门子PLC和新型称重配料控制器ID551的四通道灌装设备自动控制系统。系统实现称重仪表的称重，将信号传递给控制器即西门子S7-200 PLC，由程序控制阀门动作，达到精准快速称重的目的。可以用在四通道灌装原料的定量称重。精确度高，误差范围10g。通过触摸屏可以检测整个工业配料过程，对于高自动

控制，工作环境特别差的条件下的精确称重。

工业称重仪表应用领域相当广泛，如化肥、饲料、罐头等等，不同领域对工业称重仪表的要求也有所不同，但无论是从整个硬件还是软件系统上来讲，他们都有很多共同之处，可以相互借鉴。随着现代电子技术的不断发展，工业称重仪表智能化要求的不断提高，对现代工业称重仪表提出了更多的要求，除了满足基本的称重功能外，还必须针对不同行业领域实现多种工作模式、多种量程范围、工业称重仪表设计电子实钟功能，本文设计的称重仪表主要用于饲料的定量精确配比，因而必须具备清零，预设值，标定值等参数的设置、备份、查询、删除功能。对于这些功能的实现，一个性能优越的处理器及良好外围器件和软件实现是至关重要；基于此，我们提出了本课题的研究。

1.2工业配料技术的前景

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。

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。

1.3课题设计的主要内容

本论文所研究的是基于PLC、称重仪表、触摸屏的工业配料的自动控制，其主要研究内容如下：

1.3.1 系统实现原理

系统中使用西门子S7-200 PLC作为主控器，称重仪表直接接受传感器信号，通过两个注水阀共同配合工作，达到了快速，准确称重的目的。称重仪表返回给PLC数字信号，准确进行信号传递，准确启动和关闭注水阀和放料阀。节约称重时间，并且对于高精度准确配料有更强的意义。

1.3.2 硬件电路的实现

首先根据系统要求确定总体设计方案，其次进行PLC、称重仪表、触摸屏选型及系统硬件连线设计。

1.3.3 软件程序的编制

主要是控制系统中的顺序控制和触摸屏的组态。

1.3.4 误差分析

由于设计控制系统中有不少环节会引起误差。如液体在空中停留的时间即空中飞料时间、和影响水流速快慢的压力大小即蓄水池液位等。我们需要对引起较大误差的环节进行分析和说明，然后提出需要改进的问题。

1.4课题设计的基本要和技术参数

1.4.1 课题设计的基本要求

1.称重仪表精度：精确到10克；

2.采用称重仪表直接接收传感器信号，并对原料重量进行控制与显示；

3.通过触摸屏对系统运行状态进行监控。

4.1Kg称重时间控制在30s内。

1.4.2 系统的主要技术参数

?工作电压：AC 220V 50HZ；

?最大消耗：120W（包含驱动的直流电磁阀）；

?控制秤台数量：最多四个；

?支持的通讯协议：点对点接口（PPI）；多点接口（MPI）；PROFIBUS；MODBUS；

?PLC编程软件：STEP7 MicroWIN；

?最高测量分辨率：200000/mV(@12.5Hz)；

?滤波方式：标准低通滤波器和FIR 滤波器；

?非线性：±0.001％F·S；

?波特率：1200bps、2400 bps、4800 bps、9600 bps、19200 bps (可选)；

?自动零点跟踪范围： (可选)；

?手动清零范围： (可选)；

?使用温度范围：-40℃～+70℃；

?存储温度范围：-60℃～+90℃；

第二章系统设计实现方案与原理

2.1引言

本章主要内容是研究和设计使用S7-200 PLC控制系统。要求该系统称重精度高、所需称重时间短、分辨率高、自诊断能力强等。这样，系统就可以快速准确称重、而且S7-200 PLC控制灵活。要实现上述功能会有许多方法，但是每一种方法都有它们各自的优点和缺点。根据实际的需求，我们需要设计出一个控制简单、精度高且具有较高性能的控制系统。因此我们需要选择一个合理的方案来完成上述对于系统的要求，并保证该系统具有较好的性能。因此我们的设计目标得以明确。

2.2系统的设计方案及PLC选型

2.2.1 设计方案论证

上面提到要实现这一设计目标的方法有许多种。下面我们将列举部分设计方案，通过它们之间的比较，选择其中比较合理的方案。

方案一：采用称重变送器，给称重传感器供电，采集小信号，放大然后输出标准的0-5V或者4-20mA输出；PLC通过标准的模拟量模块采集信号，然后经过变换、标定，通过PLC的人机界面输入相应的参数，通过PLC集成的数字量控制包装、配料等计量任务

缺点：由于信号经过变送仪表和DCS两次转换，误差会大大增加；而且校秤时要先调变送器，然后在DCS上进行校准。

方案二：采用带模拟电流输出的称重计量仪表：仪表直接接受传感器信号，仪表可指示重量、并将重量值转换成4-20mA信号输出至DCS或PLC信号模块，由DCS或PLC 再将4-20mA信号转换成重量值，并由DCS或PLC进行控制，组成控制方案复杂。

缺点：由于信号经过仪表和DCS两次转换，误差会大大增加；而且校秤时称重仪表和DCS要单独进行校准，必须进行两次；仪表和DCS数值不统一，容易引起误导。

方案三：采用专用的称重模块，目前西门子的S7-200，S7-300，ET200S等都有专用的称重模块，其实此模块是将称重专用的仪表电路搬到了PLC的模块里，数据通过PLC的背板总线直接读到PLC的CPU中，此类产品内部集成了数据处理功能，用专用的软件进行标定（siwarextools），交给CPU的数据已经是标定好的数据；OMRON也有类似的产品，是由另外的一家日本衡器厂家提供的产品。具体应用如图2-1。

缺点：造价高；没有成型产品，用户必须具有程序开发能力，有一定的局限性。

方案四：采用带通讯输出的称重仪表：仪表直接接受传感器信号，并可在仪表中设定参数。预设值，标定值，去皮，清零等，也可通过PLC总线去修订。称重仪表可指示重量、并将重量值采用数字信号经通讯接口传输至PLC信号模块，由PLC进行接收信号并进行控制。此方案也可利用人机界面来进行检测，设定参数，显示工作状态。

传感器采用托利多称重传感器配合进出料阀门的四通道灌装配料系统。

此方案的不足之处是每个不同的称重仪表，都需熟悉它得工作方式和工作过程，但是相对于其他方案来说，此方案学习起来易懂，误差易修订，控制方式灵活。

近年来，由于长期从事精细化工的自动化控制工作，在工业称重应用中，以上几种控制方案在工程中都有应用，积累了丰富的工程经验。先后使用过托利多称重变送器、托利多T600控制仪、志美CB920控制器及国产多个知名品牌设备，均存在这样和那样的问题，集中反映在以下方面：

?控制精度难以控制；

?通讯互连互通问题最难解决，与现有PLC/DCS接驳困难。早期产品通讯功能较

差，许多参数无法在线修改，修改设置会中断生产；通讯中断频率高；

?人机界面简单，信息量较小，普通工人很难掌握；

?控制程序比较简单，现有产品大多适用于定量包装行业，对于比较复杂的工艺，

如化工配料，需要同步控制机泵和阀门，同时需要手自切换、临时中断、随即添加等，在现有控制器上都无法实现。

图2-1 西门子采用专用称重模块的工业配料自动控制系统

综上所述：为此我们选择了方案四。即称重仪表采用称重专用仪表ID551，主控制器选用西门子200系列PLC和液晶显示器，配合Smart Line精彩系列的触摸屏来进行控制，硬件系统采用托利多的六线制传感器配合四通道灌装设备共同构成整个工业配料自动控制系统。

2.2.2 PLC选型方案论证

在可编程逻辑控制器系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是可编程逻辑控制器工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用可编程逻辑控制器应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，可编程逻辑控制器的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。

1.输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商可编程逻辑控制器的产品特点，对输入输出点数进行圆整。所需地址分配如下表1所示。

表2-1 输入输出地址分配表

如上表所示，基于PLC、称重仪表、触摸屏的工业配料自动控制系统需要输入点12个，输出点12个。

2.存储器容量的估算

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

3.控制功能的选择

该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

（1）运算功能

简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。

（2）控制功能

控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID 控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。

（3）通信功能

大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE 通信标准，应是开放的通信网络。

可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可编程逻辑控制器通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。

可编程逻辑控制器系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信

负荷不大于60%。可编程逻辑控制器系统的通信网络主要形式有下列几种形式：

a)PC为主站，多台同型号可编程逻辑控制器为从站，组成简易可编程逻辑控制

器网络；

b)1台可编程逻辑控制器为主站，其他同型号可编程逻辑控制器为从站，构成

主从式可编程逻辑控制器网络；

c)可编程逻辑控制器网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子

网；

d)专用可编程逻辑控制器网络（各厂商的专用可编程逻辑控制器通信网络）。

为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能

的（如点对点、现场总线、）通信处理器。

4.编程功能

离线编程方式：可编程逻辑控制器和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型可编程逻辑控制器中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。

5.诊断功能

可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对可编程逻辑控制器的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。可编程逻辑控制器的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。

6.处理速度

可编程逻辑控制器采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，可编程逻辑控制器接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.2ms/K。

7.可编程逻辑控制器的类型

可编程逻辑控制器按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型可编程逻辑控制器的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型可编程逻辑控制器提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

根据实验设备及用户经验，我们选择西门子小型PLC作为主控制器。具体型号如S7-200CN CPU一览表（图2-2）所示。

图2-2 S7-200CN CPU一览表

2.2.3 S7-200 PLC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。

2.2.4 S7-200的主要组成部件

1.中央处理器(CPU):是控制系统的大脑,它根据用户程序进行控制。

2.输入和输出(I/O):是系统的控制点,输入用于监视现场装置，输出用于控制

执行机构。

3.编程口:用于连接编程设备,例如,一台计算机或一个手持编程器。

图2-3 S7-200简易组成连接图

2.2.5 原理分析

根据西门子s7-200 PLC和称重仪表作为控制器,以完成控制过程。液体灌装配料系统主要由s7-200 PLC,称重仪表,HMI和四通道灌装设备构成。通过对称重仪表清零和标定等参数的设置，来完成相应的设置质量的精确称重。设置校准标定值为1Kg, 允许误差范围在10 g以内，设置空中飞料时间为1 s。当计量开始时启动开关，此时给s7-200 PLC输入通道一个上升沿，此时输出通道q0.0和q0.1置1，快喂阀和慢喂阀同时打开，一同向桶中注入液体，当称重仪表测量到桶中液体质量达到慢喂量的预设值时，将Q0.1置0。快喂阀关闭，剩余质量由慢喂阀注满，直到达到1Kg，慢喂阀开关Q0.0置0,慢喂阀关闭。系统采用慢喂阀和快喂阀两种方式添加原料，是为了达到高速、准确的目的，误差允许范围10g。在设计本系统过程中考虑了可能影响系统误差诸多因素，如液体在空中停留的时间即空中飞料时间、和影响水流速快慢的压力大小即蓄水池液位等。为了进一步减小误差，我们可以通过设置空中飞料时间来调整。当所称液体质量达到预设值时，称重仪表将反馈信号到s7-200 PLC，输出Q0.3置1，防水阀接通，开始放料。当称重仪表称的桶中液体质量为0时，此时放料结束，同时Q0.3复位，完成一次原料称重。整个过程可以通过触摸屏设置并观测。把水、水泥、砂、碎石,分别在四个通道称重，当且仅当四个通道放料阀都处于复位状态时，搅拌电机开始工作，原料进行搅拌，完成一个工业配料的实际应用——混凝土搅拌自动控制系统。基于PLC、称重仪表、触摸屏的工业配料自动控制，可在材料精确、快速称重的生产行业进行应用。

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，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。而对于具体型号的选定，主要依照于点数的多少，是否添加扩展模块来决定。

具体采用CPU 226CN(24DI/DO)最多可带七个扩展模块，最大扩展点数DI/DO为256个按冗余25%来算，256*（1-0.25）/12=16,一个S7-200 CPU 226CN可最多控制16个这样的四通道灌装设备系统（系统框图如图2-4所示）。对于本系统所需要求，可不添加扩展模块。

控制显示单元

四通道

灌装设备单元

图2-4四通道灌装设备系统框图

2.3本章小结

本章我们简述了基于PLC、称重仪表、触摸屏的工业配料自动控制系统设计的几个方案，对它们进行比较分析。综合每个方案的优点和缺点，从中选择了比较合理既能达到控制系统的功能，又具有较好性能的方案。并且对我们所选的设计方案理论进行进一步地分析，说明称重仪表称重参数设定意义，称重方式和过程。最后我们提出了方案四的总体设计方式来达到所需要的目标。

第三章自动配料系统硬件设计

3.1引言

前面的内容中我们已经通过方案的比较，确定了我们要采用的设计控制系统的具体方案，提出了我们设计的系统所要达到的设计目标。因为称重仪表的参数设定和性能指标对于基于PLC、称重仪表、触摸屏的工业配料自动控制系统的设计起到了决定性的作用。因此在设计过程当中，不仅要考虑系统中各个模块的具体的实现方案，还要考虑所选用的称重仪表是否能与整个控制系统所需要的指标相匹配。在这一章当中，我们主要介绍自动配料系统的硬件电路部分连接和称重仪表的功能实现，为了方便叙述，我们将整个控制系统分成不同的模块来进行说明。

3.2自动配料系统简介

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所追求的一致目标。

3.2.1 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。

3.2.2 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单秤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。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。

3.3自动配料系统的设计

3.3.1 配料系统

在混凝土搅拌站生产工艺中，为满足生产的需要，设计一套自动配料系统。此配料系统将完成4种物料（水、水泥、砂、碎石）的自动配比控制。自动配比方式有2种，即总量比例控制和主从比例控制。在总量比例控制方式下，操作员只需设定几种物料的下料总量，再设定这几种物料的配比要求，系统将自动计算出各物料的下料设定值，分别送到各喂料设备，自动完成各物料的下料量控制，使各物料的下料量满足总量和比例的要求。当下料总量值或下料比例需要改变时，操作员只需改变总量值或比例值，系统将立即重新自动计算出各物料新的设定值，立即更改个物料的下料量，调整十分迅速，满足生产需要。在主从比例控制方式下，操作员只需设定几种物料的下料比例，再选取一种物料为主变量，则其他物料的下料量将按比例地跟随主变量下料量。当主变量下料量改变时，其它物料的下料量立即改变，保证下料比例不变。当需要改变物料下料比例时，操作员只需改变比例值，各物料的下料量立即按照新的比例设定。为了使操作更方便，适应性更强，可以选取一种或多种或全部物料单独控制，其下料量由操作员完全控制，不随其它物料变化。本设计采用的使主从比例控制。

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、配料控制系统的设计等。

1.称重方式选择

在混凝土生产过程中, 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内给料,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 种方直接称量其数值。

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,并且由于称量料斗内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。

由于本系统采用的原料不存在容易粘附的物料等，所以采用进料式称量，运用零位法，对于每四个原料进行单独给料称量，再集体卸料进入混合即可。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,而是只将电子秤内部计数值清零,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。

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。其缺点是安装后的调试较复杂, 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。

而在本设计中，由于混凝土生产工艺的物料为固体和水，故我们采用的是螺旋给料机。

3.生产线结构

（1）采用固定式单组份料斗秤的结构

每个料仓对应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

几个料仓对应l台料斗秤, 各组份原料在同一台料斗秤内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。本设计设计不同成分的四种原料，最终选择采用固定是单组份料灌装系统设备，每个料仓对应1个灌装桶，各组分在称量后，进入搅拌仓，最后形成。

3.3.2 配料系统的组成

一般的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, 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

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.控制系统

配料控制系统由称量仪表、上位工控机、可编程控制器及其他控制器件等组成。典型的配料控制系统在一些比较简单的称重配料系统中, 也可以采用工业计算机(IPC)加数据采集板卡的形式进行配料的控制。

5.校秤系统

配料系统传感器应定期进行调校, 以保证系统配料精度。

3.4称重仪表的选择及参数的设定

3.4.1 称重仪表的介绍

本系统选择了西门子PLC作为主控制器配合称重仪表来实现工业配料的自动控制系统，本系统经过综合考虑，选择常州生产的ID551作为专业称重仪表。

ID551 是一种标准工业导轨(DIN)安装的过程称重控制显示仪表，主要应用与工业过程称重、灌装、包装和配料系统，通过RS232/485串口，很容易和触摸屏或PLC 组网实现单头、多头组网控制系统。

1.性能指标

?24VDC 电源输入, 整机最大功耗小于3W

?1路传感器接口, 最多支持8个350欧姆传感器

通讯接口

1路RS232/485串口通讯口，支持MODBUS-RTU 通讯协议和重量连续输出

?8路输入和8路输出

?200Hz A/D重量更新速度

?200Hz 预置点速度

?双速/单速预置点控制

?预置点启动阀值比较功能

?预置点启动自动去皮功能

?提前量自动修正功能

?超差检测功能

2.温度和湿度

?使用温度为：-100C~400C，湿度为10％~95％，不冷凝。

?存贮温度为：-400C~600C，湿度为10％~95％，不冷凝。

3.采购型号选择（如表3-1）

表3-1 ID551型号配置说明

3.4.2 键盘菜单

1.键盘操作说明

[1]校秤功能块→[2]秤应用功能块→[3]预置点功能块→[4]输入口配置功能模块→[5]输出口配置功能块→[6]串口通讯接口功能块→[11]维护功能模块。

图3-1键盘操作按键

2.菜单说明

（1）校秤功能块

a)分度值

具体分度值设定见表3-2。