基于PLC的自动配料系统毕业设计

毕业设计（论文）任务书

专业电气自动化

一、课题名称：基于PLC的自动配料系统设计

二、主要技术指标：系统配料精度：±1%，首尾滚筒距： 2~6m，常用带速： 0.01-0.05m/s 物料密度0.75~2.0t/h，灵敏度：2mv/v 准确度等级：c3级综合误差：±0.02%最大

称量最大安全负荷： 150%最大称量极限过负荷：200%最大称量，称重传感器输入信

号范围 0~30mv，速度传感器输入信号范围： 0~20Hz， RS485串行通讯接口。

4、操作界面要求显示每种物料的下料设定值、实际下料值；通过界面上设置的启动、停车

按钮实现整个系统的开停。

[2]章皓，王先忧，应力刚.可编程控制器在配料自动控制系统中的应用[J].机电工程

[3]秦益霖，MPS课程项目

[4]段梅，李新，PLC在混料控料系统的应用[J]。1997，23（10）：30—32，41

[5]张本举，自动配料系统的设计，中国铝业中州分公司计控室，2000年

学生（签名）2010 年 5 月7 日

指导教师（签名）2010 年5 月10 日

教研室主任（签名）2010 年5 月10 日

系主任（签名）2010 年 5 月12 日

毕业设计（论文）开题报告

基于PLC的自动配料系统设计目录

摘要

Abstract

第1章课题来源背景 (1)

1.1.1 课题来源……………………………………………………………………1.1.2 研究的目的和意义…………………………………………………………1.2 设计任务与总体方案的确定……………………………………………….

1.2.1 设计任务………………………………………………………………………

1.2.2 总体设计方案的确定………………………………………………………

第2章PLC概述 (1)

2.1 PLC的发展历史................................................. (3)

2.2 PLC的硬件和软件 (4)

2.3 PLC的通讯联网……………………………………………………………

2.4 PLC的注意事项.....................................................................第3章配料系统简介. (5)

3.1 自动配料系统的特点及优点 (6)

3.2 自动配料系统的组成 (8)

3.3 配料技术的最新进展 (11)

第4章自动配料系统设计 (14)

4.1 称重方式选择 (14)

4.2 给料方式选择…………………………………………..……….. ………….1

5.

4.3 生产线结构 (16)

4.4 配料系统的组成……………….………………………..…………………... 4.5 输送装置的设计………………………………..……………………………..

4.6 计量系统的设计........................................................................ 第5章控制系统的硬件设计. (19)

5.1 PLC的选配 (19)

5.2 S7—200的特征 (20)

5.3 S7—200的主要组成部件 (23)

第6章系统的软硬件设计 (30)

第7章系统的监控组态 (43)

第8章结束语 (58)

参考文献

摘要

本课题为自动配料自动控制系统的研制。随着经济的发展自动配料自动控制系统在诸多行业的工业生产中得到广泛应用。本文介绍了一种全新的配料系统，它采用上下位机的结构模式，以PC机作为上位机，PLC作为下位机，论文主要内容包括系统总体方案的选择，硬件选择和软件设计等。

首先，通过对比分析集散控制系统和计算机集中控制系统各自的特点，确定系统的总体设计方案为基于集散控制系统的思想，以集中控制和分散管理为指导原则，选用计算机和PLC构成上下位机的结构形式，从而实现系统自主控制的目标。其次介绍了系统硬件的选择，包括上下位机的选择、传感器选择和称重显示仪选择。上位机本着经济实用、满足要求的原则，通过比较工控机和品牌个人电脑，决定选用品牌电脑，下位机主要是完成生产控制，通过对比分析选用德国西门子S7-200系列的PLC。PLC的高可靠性可以很好的满足控制要求。传感器选用电阻应变式称重传感器，选用时主要考虑量程和精度两项指标，最后是控制算法和PLC的控制流程。本方案的生产效率和控制精度相对较高，对各行业中的配料生产有着很好的借鉴和指导应用作用。

关键词：PLC配料；传送；自动控制；研究设计

Abstract

This subject for the ingredients of an automatic control system. with economic development of the development of the automatic control system for the ingredients in a number of widely used in industrial production. this article introduced a new ingredients system, it uses the old patterns of the structure, the pc as upper, plc as the old machines and paper main contents including the overall system of choice, hardware and software design choice.

First, through comparative analysis 集散control systems and computer control system is on its own features, and establish a system based on the overall design 集散control system of thought, to focus on control and decentralized administration for guiding principles and use the computer and plc make up the form of a structure to achieve the goal. control systems. Second on a hardware system, including the old machine of choice, sensors and weigh the choice of that instrument. the upper in the economy and meet the requirements of the practical principle, by comparing IPCand brand personal computers and decided to use the computer, the famous brand in the production is largely complete control of, through comparative analysis selection of german siemens s7 -200 series of the plc. Plc high reliability can meet the demands of control. the sensor selection of the resistance strain in weigh the choice of sensor, the main consideration of the quantum and precision to two items, the algorithms and control of the plc control. this scheme of control efficiency and accuracy of relatively high, with all sectors of the ingredients produced a very good and guiding role of the application.

Keywords: Plc ingredients ;automatic transmission ; research desig

第1章绪论

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、塑料、冶金、建材、食品、饲料等行业。

在工业生产中，经常会遇到多种物料配比控制的情况。在手动控制状态下，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，来满足配比的要求。当生产情况发生变化，需要改变下料量时，则需要再次分别计算各物料的设定值，再次分别设定。计算,操作时间长，且容易出错，给生产带来不良因素。

而采用PLC控制方式以及新颖的变频调速喂料机构，配合配料控制软件包，实现物料传送、配料控制、配方设计、生产数据管理等功能。并可以通过网络实现多个配料系统的集合控制。专利技术解决物料结拱、粘稠液体物料传送、配料过程中下料冲击和空中悬料误差的自动校正等问题，提高了配料精度。

1.2设计任务与总体方案的确定

1.2.1设计任务

使用siemens公司的可编程序控制器及Wincc组态软件。设计控制系统要求：1．画出主电路

2. 分配I/O地址，列出元件表；

3. 设计系统控制的程序框图。

4. 根据程序框图设计该系统的控制梯形图，写出指令表。

5. 上机调试通过。

6. 利用Wincc组态软件对系统进行模拟运行

1.2.2 控制要求

1.自动配料将完成3种物料的自动配比控制；

2.控制方式为主从比例控制方式；

3.PLC要实现各种物料下料量的采集、喂料装置的启停、物料下料量的控制；

4.组态操作界面能显示设备的运行、停车、故障；

5.操作界面要求显示每种物料的下料设定值、实际下料值；通过界面上设置的启动、停车按钮实现整个系统的开停；

第2章 PLC概述

2.1 PLC的发展历史

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按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设计。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

2.2 PLC的硬件和软件

2.2.1 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、内存块、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、内存、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内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定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

I/O模块：PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O 模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

2.3 PLC的通讯联网

依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

2.4 PLC的注意事项

保证PLC的正常运行，因此在使用中应注意以下问题。

1. 工作环境

1.1 温度

PLC要求环境温度在0~55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔；开关柜上、下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境超过55℃，要安装电风扇强迫通风。

1.2 湿度

为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。

1.3 震动

应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施。

1.4 空气

避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。

1.5 电源

PLC供电电源为50Hz、220（1±10%）V的交流电，对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接LC滤波电路。

第3章配料系统简介

全自动配料控制系统在各个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，开放性，免维护性，可扩展性是工厂自动化FA所追求的一致目标。

3.1 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、湿度影像；

在工业生产中，经常会遇到以上情况。在手动控制状态下，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，来满足配比的要求。当生产情况发生变化，需要改变下料量时，则需要再次分别计算各物料的设定值，再次分别设定。计算,操作时间长，且容易出错，给生产带来不良因素。

而采用PLC控制方式以及新颖的变频调速喂料机构，配合配料控制软件包，实现物料传送、配料控制、配方设计、生产数据管理等功能。并可以通过网络实现多个配料系统的集合控制。专利技术解决物料结拱、粘稠液体物料传送、配料过程中下料冲击和空中悬料误差的自动校正等问题，提高了配料精度。

3.2 自动配料系统的组成

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。

排料设备：排料可以是称重设备（减量法）或排放设备。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。

（3）配料控制系统：配料控制系统由称量仪表、可编程控制器、上位工控机及其他控制器件等组成。

（4）校称系统：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 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储存打印等工作。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机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置的微电脑系统，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动诊断、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

。

第四章自动配料系统设计

在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3种物料的自动配比控制。自动配比方式有两种，即总量比例控制和主从比列控制。在总量比列控制方式下，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的控制，使各物料的下料量满足总量和比列的要求。当下料总量值或下料比列需要改变时，操作员只需改变总量值或比列值，系统将立即重新自动计算出各物料新的设定值，立即更改各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，在选取一种物料为主变量，则其他物料的下料量将按比例的地跟随主变量下料量。当主变量下料量改变时，其他物料的下料量立即改变保证下料比列不变。当需要改变物料下料比列时，操作员只需改变比列值，各物料的下料量立即按照新的比列设定。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，不随其他物料变化。本设计采用的是

主从比列控制。

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。

4.1 称重方式选择

在本工艺生产过程中，采用进料式称重，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。卸料式称重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，因而该方式特别适用于称量难称的物料，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置的物料的重量值，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。

4.2 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震动给料机和螺旋给料机。电磁震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、运行资费低。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。

4.3 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向称重设备中加料的执行机构根据物料的不同特性，选用的不同的给料设备，如电磁震动给料机、螺旋给料机、单双速电磁阀。

(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或排放设备。通常由排空阀门、电磁震动给料机、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加数据采集板卡的形式进行配料的控制。

(5) 校称系统配料系统传感器应定期进行调试，以保证系统配料精度。

4.4 输送装置的设计

此配料系统所配物料有3种，均为块状物料，均采用皮带运输机传送，通过变频器电机控制皮带速度，调整下料量。

为了能够适应维修，备用，互换的需求，3种物料的运送皮带都选用相同的规格，放料门采用气动放料门，结构简单，紧凑，适用于对放料速度要求高的场合。

4.5称重原件设计

(1) 电子秤以自动称量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，在进行下一步饲料的送料和称重，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。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。

第五章控制系统的硬件设计

5.1 控制系统的硬件设计

5.1.1 PLC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，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯功能，丰富的扩展模块。

一 S7-200的特征

1.体积小：由于其紧凑的设计，S7-200可以适用于任何机器控制环境。

2.易于使用：通过STEP7-Micio/Dos软件可以非常方便的为S7-200编程，而且

该软件能够在仁和一台兼容个人计算机上使用。

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，搅拌器等。

二 S7-200的主要组成部件

1 中央处理器（CPU）：是控制系统的大脑，他根据用户程序进行控制。

2 输入/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，一台计算机或者一个手持编程器。

S7-200简易组成连接图

3 编程软件

S7-200的编程软件叫做STEP7-Micro/Dos它基于MS-Dos5.0上的版本。

STEP7-Micro/Dos的编程语言有两种表示方法：指令表和梯形图。

5.1.2 操作站的选配

1.上位组态监控软件的初始化

具体包括：变量的初值、初始化命令语言、上下位机变量网络地址的对应、设置报警条件，所需记录的历史数据等。

2 组态监控软件的各项功能模块及数据库间的关系

5.2控制系统的软件设计

5.2.1 PLC程序编制

PLC要实现的功能主要有各物料下料量的采集、各喂料装置的启停、各物料下料量的控制、各物料下料量的累计。

各种物料的采集只需在PLC模块中对各物理量进行组态，按照硬件定义各量的通道，根据各量的实际情况定义信号高地位、电流高低位参数即可。

根据本设计的要求，先给出I/O点分配表，然后写出流程图以及顺序功能图。PLC I/O点配置表.

系统PLC输入输出配置表

总结

配料控制系统应用比较广泛，采用了了可编程控制技术，使整个控制系统的可靠性和精度大大提高，实现了自动控制。同时由于PLC扩展容易，可以对它进行扩展，如只需增加I/O接口模块就可扩展原料系统的输送控制；也可以与电炉控制系统连接，只需增加通信模块就可实现与上位机的通信，从而实现整个系统的计算机管理。

本设计将机械、控制作为一个整体考虑，使各部分密切配合，协调动作，共同完成配料任务。设计中的一些参数是假定参数，在实际应用中，需要根据实际情况进行调整，此系统应用于生产中，能使操作变得十分简单，有效的提高产品质量，降低生产成本。

通过本次设计，我的认识领域得到进一步扩展，专业技能得到了进一步的提高。同时增强了分析和解决过程实际的综合能力。另外，也培养了自己的严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。

本设计还存在一些不足，由于本设计只用于模拟演示，因此在设计时部分元件并不能如实际中的自动运行，需要进行手动设置。其中的传感器信号及部分参数设定都是由人为给定的。