1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：变频调速皮带称重模糊控制配料系统学生姓名：郭 昌学 号：200540501407专 业：自动化班 级：自 2005-4班指导教师：崔桂梅 教授内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）I变频调速皮带称重模糊控制配料系统自动化 05-4 郭昌 指导教师 崔桂梅摘 要 针对目前自动称重配料系统中采用传统 PID 控制的不足，提出了一种基于模糊-PID 控制的方法。将模糊控制技术与传统的 PID 控制技术结合起来，共同应用于实际系统的调节当中，误差较小时采用 PID 控制，误差较大时采用模糊控制，大大提高了系统抗外部干扰和适应内部参数变化的鲁棒性，
2、有效地解决了系统运行中误差不稳定和动态特性不理想的问题。系统采用西门子 S7-200 PLC 实现模糊-PID 双模控制，充分利用了 PLC 的控制功能，通过查表在 PLC 中实现了较为先进的模糊控制算法，大大加快了系统的响应速度，PLC 模拟输出控制变频器调节皮带电机转速，从而达到控制物料流量的目的，很大程度地降低了劳动强度，提高了生产效率和产品质量。 经过仿真试验，系统控制性能良好。关键词：模糊-PID 控制 ； 自动配料 ； 电子皮带秤 ； 变频调速内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）IIAbstractAutomatic weighing ingredients for the c
3、urrent system used in the inadequacies of traditional PID control, a fuzzy-PID control-based approach. The fuzzy control technology with the traditional PID control technology combined with common regulation applies to the actual system, the error when using PID control of a smaller margin of error
4、greater use of fuzzy control system greatly enhanced the anti-interference and adapt to external changes in the internal parameters robust and effective solution to a system error dynamic characteristics of instability and the problem of unsatisfactory.System uses a Siemens S7-200 PLC to achieve dua
5、l-mode fuzzy-PID control, make full use of the PLC control functions, through the look-up table in the PLC to achieve a more advanced fuzzy control algorithm, greatly speeding up the system response speed, PLC analog output inverter control motor speed regulating belt, so as to achieve the purpose o
6、f controlling the flow of materials, to a large extent reduced the labor intensity and improve production efficiency and product quality. After simulation, the system control performance good.Key words: Fuzzy - PID control; Automatic ingredient; Electronic belt scale; VVVF内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）III目录摘
7、要 .IAbstract II第一章 引 言 .11.1 设计背景及其意义 11.2 目前国内外的现状及存在的问题 21.2.1 电子皮带秤配料系统的现场工艺过程 .21.2.2 国内外常用技术解决方案 .21.2.3 现有控制系统存在的问题 .31.3 本设计的主要研究内容和解决的问题 5第二章 自动配料系统的总体结构设计 .72.1 系统总体设计方案和基本组成 72.2 系统工作原理及控制模型 92.3 配料皮带秤的组成及原理 102.3.1 配料皮带秤的组成 .102.3.2 配料皮带秤的工作原理 .102.4 称重传感器 112.4.1 称重传感器的选择 .112.4.2 称重信号的处
8、理 .122.5 测速传感器的选择 142.6 电机调速方式的选择 152.6.1 常用电机调速方式 .152.6.2 配料系统电动机的调速控制策略 .16内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）IV2.7 系统的抗干扰设计 192.8 接地措施 20第三章 电气控制系统 .213.1 配料过程的动力控制 213.1.1 可编程控制器的选用和配置 .213.1.2 系统的输入输出量 .223.1.3 动力控制部分的设计 .243.2 称量落差补偿问题 26第四章 模糊-PID 复合控制系统的设计 284.1 系统的控制模型 284.2 控制思想与控制算法 294.2.1 PID 控制器 294
9、.2.2 模糊控制原理 .324.2.3 Fuzzy 控制器的结构及算法 .344.2.4 模糊控制算法的 PLC 实现 .404.3 变频调速皮带称重模糊控制配料系统的仿真试验 .424.3.1 仿真分析 .434.3.2 仿真试验 .434.3.3 结论 .46第五章 系统通信与管理软件的设计 .475.1 系统的通信设计 475.1.1 PROFIBUS-DP 概述 .475.1.2 PROFIBUS-DP 系统的组成 .48内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）V5.1.3 PROFIBUS-DP 系统工作过程 .495.1.4 系统的 PROFIBUS-DP 通信 .525.2 系
10、统组态管理软件的选择与设计 535.2.1 组态软件的选择 .535.2.2 上位机与 PLC 的通信组态设计 .555.2.3 监控模块中变量组态 .575.2.4 配料系统的软件功能模块 .57第六章 总结与展望 .59参考文献 .60附录 .62致谢 .80内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）1第一章 引 言1.1 设计背景及其意义近年来，国内新建烧结机的配料方法均采用重量配料法，重量配料就是按原料的重量来配料，采用电子皮带秤对物料进行连续计量,通过调节圆盘给料机或皮带的速度来实现定量给料，重量配料易实现自动配料,配料精度较高。烧结机的配料采用电子皮带秤定量给料，为提高皮带配料秤的计
11、量精度和配料系统给料精度，所有给料机的皮带配料秤均采用变频调速的方式进行控制。该自动称重配料控制由下列五大部分：电子皮带称、称重控制 PLC、变频控制柜、监控计算机及现场操作箱部分。配料自动控制实现烧结用的原料如混匀矿、燃料、熔剂白云石、生石灰、冷返矿按照工艺要求的配比进行自动给料，能够判断下料堵料和失控故障、变频器故障，并报警。电子皮带秤自动配料系统可以按照设定配比和流量控制各输入物料的瞬时流量，从而达到控制各种产品的质量和产量的目的，是实现生产过程自动化和智能化、企业的科学管理、安全稳定生产和节能降耗的重要技术手段 1。微机配料控制系统在生产中的应用不仅可以提高配料质量和产量，也大大减轻了
12、岗位工人的劳动强度，提高了生产效率。有些企业开发了一些基于皮带秤仪表和 PID 控制器的皮带秤配料系统，但控制精度不尽人意，易出故障，不能适应许多生产工艺过程中的恶劣环境，不能满足用户日益增长的设备需求。因此，优化设计研制技术先进、设备成熟、经济实用的配料系统至关重要。本课题设计开发的变频调速皮带称重模糊控制配料系统能有效解决动态皮带称重控制物料流量的精度问题，又因为采用先进的控制算法明显加快了系统响应速度，很大程度地降低劳动强度，提高生产效率和产品质量，带来可观的经济效益，推动国民经济的发展。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）21.2 目前国内外的现状及存在的问题1.2.1 电子皮带秤
13、配料系统的现场工艺过程企业内常见的皮带秤自动配料系统现场结构组成如图 l-l 所示，结构形式是一种最基本、使用最广泛的皮带配料系统。由于每个称重单元的工作原理与控制方法是类似的，本系统以称重单元中的一个为例。系统的每个物料仓装满物料压在皮带上，皮带电机拖动皮带转动，则物料被连续拉出，皮带电机的转速就决定了物料的流量。皮带电机可采用多种调速方式，每个皮带下面有一自动称重皮带秤，通过皮带秤就可以称出下料的流量、累计量等数据；所有皮带的下面是一输送主皮带把混合好的原料送到下级容器中。图 1-1 皮带秤自动配料系统现场示意图1.2.2 国内外常用技术解决方案目前国内电子皮带秤自动配料系统的生产厂家主要
14、有徐州拉姆齐、山西新元、济南金钟等，国外的生产厂家有德国申克、日本大和等。某些厂家从成本考虑，采用单内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）3片机进行简单的称量积算和 PID 调节，功能简单，控制精度低，管理功能弱，可靠性不高。规模较大的公司则通常采用基于调节器和 Windows 平台的皮带秤配料系统 2-3，该系统正常工作时，配料仪表接受来自秤体的称重信号和测速信号，经乘积算后显示瞬时流量和累计量，并将瞬时流量以 420 毫安模拟电流的形式送往 PID 调节器作为调节测量输入信号，调节器将该信号与机内设定值比较运算后输出 420 毫安模拟调节信号，控制皮带电机转速，从而进一步控制该种物料的下
15、料流量，最终使几种物料的瞬时下料流量与阶段累计量都保持在用户要求的范围内。要改变流量及配比可直接在调节器上进行设定操作，操作简单方便。为便于集中控制，可以采用工控机作为上位机，通过串行接口与配料仪表和调节器进行通讯，对现场配料情况进行实时监控，并可直接在工控机上进行经验 PID 参数的设定 3，加上报警监测功能，整个系统实现了自动化，节省了劳力，提高了生产效率。第 i 号皮带电机的传统控制方框图模型如图 1-2 所示。图 1-2 常用系统控制方框图1.2.3 现有控制系统存在的问题适用上述解决方案的工艺现场首先必须满足这样一个前提条件，那就是物料流出量必须与直拖皮带电机的转速成正比。要使系统具
16、有良好的调节品质，即有较高的稳定性、准确性和快速性，系统还必内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）4须具备两个条件 4:1)系统自身的结构性质稳定，这包括它的容量系数、阻力和传递距离等内容。2)调节器有合理的 PID 参数。只有将这三种作用的强度作适当的配合，才可以使调节器快速、平稳、准确地运行，从而获得满意的控制效果。在这两者中，条件 1)是条件 2)的前提，因为 PID 参数取决于系统的动态特性，而影响系统动态特性的主要因素是系统本身的结构性质。因为以往常用配料称重系统方案设计是基于普通的 PID 调节器，采用一般的 PID控制算法，其参数一般是按阶跃响应的过渡过程时间来整定的，灵敏度较
17、高，对于固定参数的系统有着较好的调节品质，从理论上讲能做到无误差调节，在误差较小的范围内确有其优越性。在各设备运转正常、稳定的情况下，可以实现良好的控制效果。同时，利用调节器的自整定功能可由调节器自动整定出一套合理的 PID 参数用于系统的正常运行。但是，实际中电子皮带秤自动配煤系统的控制准确度会受到多个因素的影响 5。1)给料设备安装精度的影响给料设备加工和安装精度对控制准确度也会发生影响。例如:采用圆盘给料机作为给料设备时，假如圆盘的水平精度不高，在给料圆盘旋转一周的时间内将会产生给料量的大小变化。要害是周期性大小变化的干扰信号会引入到配料控制回路，对系统控制准确度产生影响，所以，给料设备
18、的加工安装应最大限度地严格。2)料仓结构形状的影响实践证明:料仓的形状以及料仓内壁的材料选用，都对物料均匀流线型下落有影响。严重时会使物料积压在料仓中，产生所谓的“悬料”现象，物料时下时不下。这些都会干扰配料系统正常工作。3)物料物理特性的影响内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）5物料流动性的好坏是影响配料系统的因素之一。当物料的粒度、湿度、温度、灰分发生变化时，给料设备往往不能正常地供料，严重时配料系统无法工作。如在我国南方，雨水较多，若对物料无保证措施，物料水分受天气的影响有时会粘成球团，在这种情况下，配料准确度是无法保证的，而在我国北方，冬天气温很低，若对物料无保护措施，物料可能结在
19、一起，也同样不能保证准确度，所以，要达到控制准确度指标，物料应不结块、结球，粒度保持一致，水分适中，流动性好。因此一般都在物料仓两边加两个电机作为振动器使用，以防止物料结块。4)机械震动的影响配料皮带秤检测出的物料瞬时流量是要参与控制量的输出运算的，是通过瞬时物料流量求出控制量。如果瞬时物料流量不稳定，将直接影响系统的控制准确度。安装时尽量避免将周围输送设备的振动引入到配料秤中。5)现场环境较为复杂、恶劣，其他外界干扰频繁。如:秤体排列紧凑，秤体周围常安装有大功率给料电机;仪表附近装有大功率变频器，电机经常频繁启停，电磁波干扰大。由于以上因素的存在，系统误差往往较大，其动态特性并不理想，超调量
20、一般较大，因为不能及时地调整流量，造成系统自身的阻力和传递距离不稳定，设备运转不稳定，系统的结构性质不稳定，最终导致控制系统无法实现理想的控制效果，并调节器的自整定功能也失效 5。此时，通常只能由操作人员通过一定的经验方法了解系统的动态特性，人工整定出一套粗略的 PID 参数，使之能够在恶劣的环境条件下以适用于一个较宽的范围。但此时皮带秤的计量性能和配料精度都会受到影响。目前，该问题一直困扰着许多用户，尚没有较为成熟的方法来解决这一问题。还有其他如：称重传感器、测速传感器的选择；电机调速方式的选择；系统抗干扰设计；动力联锁控制；系统调试；称重管理软件的设计等问题都有待于进一步改进内蒙古科技大学
21、毕业设计说明书（毕业论文）613。1.3 本设计的主要研究内容和解决的问题本课题针对以上现有皮带配料系统中存在的问题，设计开发了一套合理高效的变频调速皮带称重模糊控制配料系统以解决皮带输送过程中的，系统响应速度与控制精度的问题。本设计主要研究内容是针对自动配料环节，采用模糊-PID 复合控制技术、将模糊控制技术结合传统的 PID 控制策略应用在自动配料系统的调节中。论文详细阐述了模糊-PID 复合控制系统具体的实现，即通过对自动配料系统的分析，建立合理的控制系统模型，根据模糊控制原理，提出自动配料系统的模糊控制结构和算法，以改进电子皮带秤自动配料系统的控制调节效果，解决了原系统存在的误差较大时
22、，动态特性不理想，超调量较大的问题，从而进一步提高了系统的配料精度和配料速度 6。论文第二章阐述了皮带秤配料系统的总体结构设计，第三章说明了电气控制系统的配置实现，第二章和第三章属于系统的硬件设计部分；第四章对模糊-PID 复合控制系统进行了详细研究以及部分仿真试验，第五章介绍了系统通信与管理软件的设计思路，第四章和第五章属于系统的软件设计部分；第六章是设计所得出的结论部分。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）7第二章 自动配料系统的总体结构设计2.1 系统总体设计方案和基本组成以 4 台皮带秤组成的配料系统为例。本系统主要由配料电子皮带秤、仪表控制柜、动力控制柜、低压开关柜、变频器柜、现
23、场操作盘、工业控制微型计算机、及监控管理软件几部分组成 7。1)配料电子皮带秤配料电子皮带秤对经过皮带的散装物料进行自动地连续称量和累计，具有运输和计量两种功能。称重部分采用电阻应变式工作原理，多托辊杠杆式结构，实际工作时，皮带秤采用恒速计量方式 1，通过调节上级给料速度来改变物料流量，本类型皮带秤多用于企业内部生产的工艺控制。2)仪表控制柜仪表控制柜主要包括 4 台皮带秤仪表。每台皮带秤仪表接受来自称重传感器的重量毫伏信号和来自测速传感器的带速脉冲信号，计算出流量和累计量，并将流量信号以 420 毫安模拟电流的形式送给工控机，工控机将流量信号与机内设定值比较后，根据一定的控制规则输出 420
24、 毫安调节信号，控制现场给料电机的转速，从而构成单机闭环系统，达到控制某种物料流量的目的。皮带秤仪表通过 RS-485 通讯接口与工控机进行通讯。3)动力控制柜动力控制柜是动力部分的中央控制部件，安装有电流表、控制按钮、指示灯、可编程控制器(以下称 PLC)及电机保护电路，用于监控现场皮带机电流、对现场皮带机和给料设备的启停进行控制、指示电机运行状态、联锁控制及打滑跑偏报警。PLC 通过扩展 EM277 通讯模块，用 PROFIBUS_DP 的通讯接口与工控机进行通讯。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）84)低压开关柜低压开关柜配置有刀开关、断路器、电压表、电流表、电流互感器、隔离变压器
25、等器件为各控制柜和配煤系统动力部分提供电源，同时检测动力电源部分的相间电压和线电流。5)变频器柜柜中的变频器，接受来自动力控制柜的开关信号控制上级给料电机的启停，同时亦接受来自工控机的 420 毫安调节信号，来改变输出动力电源的频率，从而控制现场 7 台给料机的转速。如果变频器功率较大，则必须在柜体中配置散热风扇，以保证变频器能正常工作。6)现场操作盘配煤系统电机的现场控制部件，装有控制按钮、指示灯，可在机旁对现场皮带机和给料设备的启停进行控制、指示 PLC 对电机的命令状态。7)工业控制微型计算机及软件工控机作为上位机，通过 PROFIBUS 双向通讯接口与动力控制柜中的 PLC 联机，控制
26、 PLC 的运行方式，输出开关量量控制信号控制主皮带电机的启停，从而构成完整的配料系统。工控机另留有一个 RS485 双向通讯接口，以备与全厂的上位工控机通讯。监控软件的主要功能有:根据生产配方和产量目标对称重过程进行自动控制，对称重数据进行统计管理并实现打印，包括对变频器进行调节控制的运算。系统软件有多种现场监控方式和配方输入方式，以适应不同的工程要求，用户可设定报警打印时间等参数。界面采用菜单方式，使用方便，用户可通过鼠标或键盘进行操作，对整个配料系统进行控制和管理。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）92.2 系统工作原理及控制模型系统开始工作时，工控机首先根据本次生产任务首先进行各
27、种初始化，包括各成分的名称、仓号、产量、标准配比、标准流量等，然后按一定时序控制各给料机和皮带秤的启动，各给料机按一定流量给料，同时工控机读取皮带称重仪的重量信号和累计量数据，根据各成分的累积量值计算当前的实际配比，通过与标准配比的比较修正各给料机的给定量，使系统工作在最佳配比状态，当达到预定产量时，再按一定时序停止各给料机。该系统的特点是由一台上位机来控制多台给料机，为了实现一定的配比，各给料机之间的工作又是相互联系的，而且给定量要随当前的实际配比进行修改，因此其控制结构是较为复杂的。第 i 号给料机的控制方框图模型如图 2-1 所示。给定值调整 F U Z Z Y - P I D 变频器监
28、测单元皮带电机工业控制计算机P g i P i F g iE iU i V i F iP f i F f i图 2-1 第 i 号皮带电机的控制方框图模型从图 2-1 中可以看出，该系统属于一个多闭环有关联控制结构。就第 i 号给料仓而言，有两个闭环和一个前馈，内环是一个 FUZZY-PID 控制器，据给定流量 Fgi 去控制调速给料机，使其给料流量 Fi 控制在理想的给定值 Fgi 附近。外环根据当前的累积值和希望产量之差P 以及前馈环节的给料机当前流量来修正内环的给定值。控制器采用 FUZZY-PID 复合控制方式，当偏差较大时采用模糊控制，当偏差减小到较小范围时采用 PID 控制方式。这
29、样就可以解决系统误差较大，其动态特性不理想，超调量较大的控制难题。具体实现见第四章。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）102.3 配料皮带秤的组成及原理2.3.1 配料皮带秤的组成配料皮带秤的结构组成，主要由输送机架、称重传感器、测速传感器、秤架、主动滚筒、从动滚筒、输送带、张紧装置、拖动装置、清扫器、调偏装置等组成。当散落在输送皮带机上的物料通过秤体时，秤体中的称重传感器和测速传感器分别把重量毫伏信号和带速脉冲信号通过接线盒送往皮带秤仪表。2.3.2 配料皮带秤的工作原理皮带秤是自动衡器，与人们熟悉的非自动秤比较，前者是物料在输送过程中连续自动地完成称重任务，后者是物料在静止状态下断续
30、地进行称重。所以连续、自动称重是皮带秤的主要特点。运动皮带上单位长度的瞬时流量，某一段距离的物料重量，或一段时间和一段距离的累积重量，这些量可以用积分法来演算。输送机输送物料时，皮带秤仪表连续测量皮带上每单位长度的载荷值 q(kg/m)，并与皮带在同一时刻的速度 v(m/s)相乘，测得结果为物料的瞬时流量，q*v(kg/s)。因物料输送的不均匀性和皮带速度随时间变化，所以在 T 时间间隔的累积流量可以用以下积分式(2-1)表示:式（2-1）TdtvtqW0)(WT 时间间隔的物料累积量 kg 或 t ；T物料通过秤的时间 S 或 h ；q(t)皮带单位长度上的物料重量 kg/m ；v(t)物料
31、在皮带上的运行速度 m/s 。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）112.4 称重传感器称重传感器作为衡器的关键部件，其应用已经很普及了，但是称重传感器的选型，尤其是动态称重传感器的选型，还有很多要点需要注意。配料皮带秤传感器选型时应着重考虑称重传感器的量程、灵敏度、结构材质等方面 8-9。2.4.1 称重传感器的选择l)量程的选择皮带秤称重传感器的受力包括杠杆结构秤体的自重、物料流量作用力以及称量段内输送皮带的自重，因此量程选择要考虑这几项内容。物料流量作用力 Fl的计算方法见式(2-2)。式（2-2）)(tVRLFil 式(2-2)中，Fi物料额定流量；L称量段长度；R杠杆比，R=传感
32、器受力 / 实际称量段受力(一般取 R=0.5)；V（t）物料在皮带上的运行速度。考虑到皮带秤的使用环境较恶劣，经常遇到震动、冲击、过载等情况，为提高皮带秤可靠性，选择量程时，常取 1.5 的安全系数。为解决这些问题，同时还要考虑机械限位的设计，称重传感器的材质尽量选用抗冲击、抗过载能力强且输出稳定的钢制传感器，而尽量不选取铝制材料。2)灵敏度的选择一台衡器是否能正常工作，必须考虑这个系统中各个部件的技术参数能否匹配 19。对衡器来讲，也就是称重传感器所选用最大秤量值，灵敏度值;称重仪表所选用的供桥电压值、最高灵敏度值等数最终必须满足这个系统的整体指标要求。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论
33、文）123)称重传感器结构类型的选择电阻应变式称重传感器的结构类型较多，按照弹性体结构区分，主要有以下几种类型。a)悬臂梁式称重传感器悬臂梁式称重传感器结构简单，灵敏度高，便于制作加工，但对立的作用点较敏感，对于震动大的场合，其输出信号不稳定。b)剪切梁式称重传感器该类型传感器的弹性体截面形式多为工字形，电阻应变片贴在中性层位置上，对受力点的变化不敏感，但结构简单，灵敏度高，线形好，但弹性体贴片困难，加工不易。所用材质多为铝制，稳定性差，而钢质的多为大量程，不适合皮带秤使用。c)S 型称重传感器该类型传感器应变输出大、线性好，主要有平行梁和剪切梁两种类型。剪切梁式的剪切力与梁弯距无关，消除了受
34、力点移动所引起的输出灵敏度变化，对侧向载荷也有较大的抵抗能力，而且结构紧凑小巧。其不足之处在于，用于小量程时，贴片处的腹板太薄，不易加工制作，且不易做到较高的灵敏度。平行梁式有较大的刚度，对载荷的偏移不敏感，有较高的输出灵敏度，可用于小量程称重传感器。通过以上分析可知，对于配料皮带秤，可选用钢质的 S 型称重器，其连接方式采用关节轴承，处于受拉状态，其抗侧向力的能力可安装于密封的梁内，结构紧凑。2.4.2 称重信号的处理该测控系统中，采集的信号是来自各皮带秤上压力传感器输出的 mV 级小信号。设计选用的皮带秤远传来的动态称重信号是 030mV 范围，不能直接被 PLC 读取，需要经过外加放大电
35、路处理，将其转化为 010V 的标准电压信号。为了实现电压放大，采用 LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，与单电源应用场内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）13合的标准运算放大器相比，它有一些显著优点：可单电源工作 3V-32V、短跑保护输出、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能，其引脚图如下图 2-2 所示。图 2-2 LM324 引 脚 图 （ 管 脚 图 ）又考虑到生产现场信号线与动力线、照明线并排布置，距离很近，在长距离传输中极易受到干扰而产生波动，故信号线采用了屏蔽补偿导线，信号线用金属管与动力线隔离。此外，在称重信号的输入端接入滤波网络,接入滤波
36、网络后的输入电路如图 2-3 所示。 图 2-3 称重信号的处理转化图内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）142.5 测速传感器的选择电子皮带秤所测量物料的瞬时流量的大小取决于两个参数，即瞬时流量等于称重传感器测量的承载器上物料负荷值 q(kg/m)和测速传感器测量的皮带速度值 v(m/s)两个参数相乘所得，即:W(t)=q*v，由此可见，测速传感器的测量精确度和稳定性与称重传感器的测量精确度和稳定性是同等重要的。只要保证 q(t)*V(t)的乘积不变，就可以保证物料流量的恒定。即随皮带上物料重量的变化控制皮带运行速度做出相应的调整，就可以保证物料流量的恒定。目前称重传感器的精确度普遍提高
37、到万分之几，而测速传感器的精确度大多在千分之几，所以提高测速传感器精确度是提高电子皮带秤系统精确度有效的途径之一。测速传感器的脉冲信号进入显示仪表后，通常以 3 种方式完成与称重传感器信号的相乘运算 8。第一种方式是测速脉冲信号经整形、放大后转换成 O10V DC 模拟信号，并作为称重传感器的供桥电压，在称重传感器内实现乘法运算；第二种方式是测速脉冲信号经整形、放大后转换成模拟(或数字)信号，与称重传感器放大后的模拟(或数字)信号在专用的乘法器里进行乘法运算;第三种方式是测速脉冲信号整形后直接作为显示仪表中累加器的发信号，每接受一个测速脉冲信号，累加器就对称重传感器的输入信号进行一次采样，皮带
38、速度越快，累加器采样的次数越多，采样值不断累加，因而以数字方式实行了乘法运算。在皮带电机转子上同轴安装光电脉冲式测速传感器测皮带电机，计算出皮带的实际传输速度。光电脉冲式测速传感器由装在输入轴上的开孔圆盘、光源、光敏元件等组成。当圆盘转到某一位置时，由光源发射的光通过开孔圆盘上的孔照身到光敏元件上，使光敏元件感光，产生一个电信号。圆盘上的孔可以是 1 个或多个，取决于设备要求的脉冲数。另外，在某些场合，测速信号可以通过特殊方法获得。对本身不调速的皮带秤来内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）15说，皮带速度的变化量大致为士(0.10.5)%，这取决于供电电源频率、电源电压及负荷率，其中，供电
39、电源频率影响最大。但对于由大电网供电的用户来说，由于电网电源频率相当稳定，即使在不同负载率情况下，通常皮带速度的变化率也小于0.2%。大多数电子皮带秤的显示仪表里都有这样一个功能，即内脉冲、外脉冲选择功能。当选择外脉冲时，由安装在皮带输送机上的测速传感器向显示仪表提供脉冲信号;当选择内脉冲时，则由显示仪表本机内的信号脉冲源提供脉冲信号。因此，当皮带秤的皮带张力均匀，不会出现打滑的情况下，可以考虑使用皮带秤仪表的内脉冲来代替实际测速输入。这一方法适用于测速传感器出现故障，安装不方便的特殊场合。2.6 电机调速方式的选择2.6.1 常用电机调速方式调速电机一般有三种调速方式，即变频调速、电磁调速和
40、直流电动机调速 11。1)变频调速方式一般采用变频器 VVVF-变压变频方式，调速比可达 1:10。2)电磁调速方式一般由异步电动机、电磁转差离合器、测速发电机、控制装置等组成，通过控制转差离合器的励磁电流来实现调速，低转速时功耗大，不易长期低速运行。高转速只能略低于异步电动机的同步转速。实现无级调速设备价格高。3)直流电动机调速方式直流电动机采用一种可调电压的供电电源，单相或三相输入，输出一种可调直流电，通常加有控制和保护电路，具有改善电动机的特性和运行保护的功能，为无级恒转矩调速，应用较为广泛。过去，直流电机拖动系统应用较为广泛，因为直流电机易于实现调压、调磁、调内蒙古科技大学毕业设计说明
41、书（毕业论文）16速，能满足宽范围调速、高精度和快速响应的要求，但因其结构上存在换向器，不仅使维护困难，其单机容量、最高转速和使用环境也受到限制：近年来，随着电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能已可以与直流调速相媲美，目前，已进入交流调速逐步替代直流调速的时代。2.6.2 配料系统电动机的调速控制策略在皮带秤配料系统中，应用变频器给感应电动机提供可变电源来调整电机转速的方法是最简便、采用最多的调速控制方案 10，该电源的电压与频率之比是按一定规律变化的。1) 交流变频调速原理异步电动机的转速公式，见式(2-3)。式 (2-3)Psfsn/)1(60)1(式(2-4)中，n电机转速
42、；n1旋转磁场转速；S 转差率；f1定子电源频率；P电机极对数。由上式可知，改变 f1、S、P 中任意一个变量，n 都会随之相应改变，通常采用的是改变 f1 的方式，此方式调速范围宽，平滑性好，效率高，动态及静态性能良好。受交流变频器控制的感应异步电动机在调速过程中有两种工作状态，一种是恒转矩调速状态；另一种是恒功率调速状态。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）17已知异步电动机工作时，磁通 ： U1/4.44f1 N1 Kn1 式 (2-4)式(2-5)中，U1定子相电压的有效值N1定子每相绕组串联匝数，Kn1:定子每相绕组的绕组系数，电磁转矩： M = CmI 2s Cos 2s 式(
43、2-5)式(2-6)中，Cm 与电动机自身结构有关的比例常数，I2s 转子相电流的有效值， 2s 转子电流比转子电动势滞后的角度，a)恒转矩调速状态由式(2-5)、式(2-6)可知，当某一固定电机调速时，若磁通增加，将导致励磁电流激增的不利后果，引起绕组过热;若磁通减少，则输出转矩下降，此时，如果负载转矩仍很大，也会导致定、转子的过电流，引起过热。因此，在一些经常有超大负载的场合中，一般使用恒转矩调速方式。此时，U1/f1 为常数，且 U1 最大不能超过电机额定电压 Ue ，f1 不超过电机额定频率 fe。配料系统有时还会发生堵料和持续超负载的情况，因此，变频器应工作于恒转矩状态，以避免发生电
44、机过流过热。通常，变频器功率一般应大于电机功率一个数量级，变频器额定输出电流要大于电机额定电流1.11.5 倍。b)恒功率调速状态当 f1 fe 时，由于电机所用电压受绕组绝缘强度的限制，不能无限制提高，所以保持 U1 = Ue，则 减小，但由于转速增加，输出功率近似不变，相当于恒功率调速。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）182)变频器控制回路的设计要点 11：a)变频器的启停不可用频繁切断供电端电源的方法实现，必须将启停开关信号接入控制输入端口实现，否则将影响变频器的使用寿命。b)变频器的供电电源端不得加入熔丝类保护器件，避免变频器缺相运行。加入空气断路器后，可以在变频器保护功能动作
45、的同时切断三相电源。c)由于变频器本身所具有的热保护等功能，给料电机的控制线路可省去热继保护等器件，这样，也可避免在实际运行中，一旦发生轻微的堵料而引起的热继保护器件频繁动作，导致电机频繁启停。3)在交流变频器的电气安装过程中，还应注意以下问题。a)变频器柜体散热良好，能够防尘。b)变频器不可在短时间内频繁通断电，以免造成损坏。c)变频器随时接地，且远离其它仪表，以免造成干扰。d)控制线与动力线要分开，不可并行敷设。变频器进出线推荐使用屏蔽电缆，模拟信号输入线采用双绞线。因为变频器实际运行频率往往低于 5OHz，输出电压往往低于 38OV，输出电流大于输入电流，所以一般变频器对电机的输出线截面
46、要大于变频器的电源输入线截面。e)若变频器继电器输出带有感性负载，应采用压敏电阻、RC 吸收电路或二极管对输出接点进行保护，该电路漏电流应小于感性负载的维持电流。f)由于电机工作频率在 050Hz 间无级变化，在某些频率点上容易与其它设备造成机械共振，应想方设法予以回避，而且在这些频率点上也易对秤体的测速频率信号造成干扰，应采取抗干扰措施。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）192.7 系统的抗干扰设计由于本系统中配有多台电机及变频器，干扰源集中，这些干扰会对称重信号、速度信号、010V 线性模拟电压、通讯信号等弱电小信号产生强烈影响，因此，在设计中，应采取多种措施来尽量减小这种影响。1)
47、使用隔离变压器对干扰较敏感仪表大多数集中于仪表控制柜中，仪表柜的供电取自低压开关柜，为避免工频动力电源线路上的干扰对仪表的影响，在低压开关柜内，配置了一台380V/220V 隔离变压器，其输出作为仪表柜的供电，以保证动力电源零线上的干扰不会带入仪表控制柜。电源谐波比较严重时，可在隔离稳压器前面加低通滤波器消除电源的高频干扰和高次谐波，通常低通滤波器先与电源相接，低通滤波器输出再接隔离变压器也可同时使用带屏敝层的电压扼流圈和低通滤波器的办法。2)速度传感器等现场信号尽量采用高幅值开关量信号速度传感器要采用开关量传感元件作为测速元件的光电编码器，其输出为方波，幅值为 12V 以上，经高速光耦放大为
48、幅值 24V 的高速脉冲输入 PLC，显著提高了抗干扰能力。3)其他现场信号电缆应尽量选择屏蔽线或双绞线，配线应时注意动力与控制、强电与弱电分别拉开间距。控制柜采用金属外壳，变频器柜与其他柜体间留有一定距离，以防止其他控制柜内的设备受到变频器的影响而不能正常工作 26。4)良好的接地系统。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）202.8 接地措施配料系统具备合理完善的接地系统。1）控制室内应有保护接地网和信号接地网。仪表的屏蔽地和信号地可共用一个地网，信号电缆中的备用线芯应与屏蔽线一点接地。信号回路的接地点应在仪表侧，检测部分不能再接地。2）信号抗干扰接地的实现屏蔽问题实际是一个噪声抑制问题
49、，噪声源很多，如何正确接地是抑制噪声的重要措施。对于模拟式称重传感器来讲，主要有工频噪声和共模两种干扰。对于工频噪声干扰可采取以下措施：a)称重传感器信号传输电缆避开动力线；b)称重传感器传输电缆的屏蔽层可靠接地；c)采用并联供桥法，以降低系统的输出阻抗。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）21第三章 电气控制系统3.1 配料过程的动力控制本系统控制部件复杂，干扰源多，为使设备平稳可靠运行，要求系统软件、硬件可靠性高，抗干扰能力强，系统主要采用可编程控制器来实现系统的电气部分的控制。3.1.1 可编程控制器的选用和配置PLC 的下述特点适于该系统 14-16。1)所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离。2)主机的输入电源和输出电源均可相互独立，减少电源间干扰。3)采用循环扫描工作方式，提高抗干扰能力。4)内部的监视定时器具有良好的自诊断功能，以保证 CPU 可靠工作。5)各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。6)对采用的器件进行严格的筛选。7)采用密封防尘抗震的外壳封
