1、电信学院毕业设计开题报告姓 名 白丽霞 专业 电气工程及其 自动化 班级 电气四班学 号 指导教师 王晓兰 肖骏 题目类型 工程设计题 目 配料皮带秤 PLC 自动控制系统设计一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，如实说明选题目的、意义，列出主要参考文献）1、选题背景及依据配料皮带秤在诸多行业的工业生产过程中占有及其重要的地位，配料皮带秤工序的合理性、稳定性、准确性以及快速性直接影响到以后各生产环节的顺利进行。配料生产系统是一种将多种原料按一定比例混合在一起，进行加工生产出某种产品的过程。其中配料是生产中必不可缺少的关键环节，落后的配料设备不仅效率低，而且配料不准，手工操作又将人的
2、因素引入配料环节，使工艺配方难以在生产中实现，严重影响产品质量的稳定及进一步提高。因此实现高精度的快速的配料皮带秤对工业企业生产有极为重要的意义。目前国内皮带秤自动配料系统主要是采用单片机进行简单的称量计算和 PID调节，功能简单，控制精度低，管理功能弱，可靠性不高。而金川集团镍冶炼厂的皮带秤自动配料系统也采用了单片机控制，其配料车间就有 20 多台皮带配料秤，只能对分散在厂房每个地方的配料秤主机依次进行设置，对于连续配料的质量有很大的影响，一是会浪费原材料，二是影响生产的顺利进行，重则影响生产效率，在某些重要生产岗位上，配料失误甚至会酿成事故，可见配料精度与配料速度影响着整个生产的质量和产量
3、。PLC 具有高可靠性，丰富的 I/O 接口模块，模块化结构适合各种工业控制的需要，编程简单易学，安装简单维修方便等特点。而可靠性高，稳定性好是 PLC 相比于单片机的最大的优点。本课题是基于镍冶炼厂皮带配料秤的应用现状，提出皮带配料秤与整个镍冶炼生产过程控制系统集中架构在一起，实现生产过程控制系统与配料系统的集中控制,通过上位机对现场配料情况进行实时监控，并可直接在上位机上进行相关参数的设定，使得整个系统自动化程度和生产效率得到了进一步的提高。本设计主要针对的是配料皮带秤中配料这一环节，皮带秤有如下几个特点：（1）皮带秤的计量对象是连续流动的物料，称重仪表可以显示物料的瞬时流量和在某一段时间
4、内的累计流量。（2）配料皮带秤是在皮带运行中进行测量，所以测量的稳定性很重要。（3）由于皮带速度大多在 12m/s 左右，故配料皮带秤必须具有较高的响应速度。2、主要参考文献（ 1 ）姜建芳.西门子 S7200PLC 工程应用技术教程 ，机械工业出版社 2010（ 2 ）程玉华.西门子 S7200PLC 工程应用实例分析 ，电子工业出版社， 2008（ 3 ）李辉.S7 200PLC 编程原理与工程实训 北京航空航天大学出版社 2007（ 4 ）潘再平.电子电力技术与电机控制实验室教程. 杭州：浙江大学出版社，2000.（ 5 ）天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册（第 3 版） ，
5、机械工业出版社.（ 6 ）电气工程师手册编辑委员会，电气工程师手册（第 3 版） ，机械工业出版社.（ 7 ）马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统M.机械工业出版社，2010.（ 8 ）陈伯时，仲明振，中国电气工程大典编委会.中国电气工程大典：第 15 卷.电气传动自动化M.北京：中国电力出版社，2009.( 9 ) Munoz-Garcia,Alfredo. New induction motor V/f control method capable of high-performance regulation at low speedsJ.IEEE Transactions on Ind
6、ustry Applications, 1998,34(4) :813-821.( 10 ) Siemens. Simovert MasterdrivesM.西门子电气传动有限公司，2000.二、主要设计（研究）内容、设计（研究）思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案、设计（研究）工作步骤设计内容 配料皮带秤是一种动态计量衡器，是对皮带输送机上的物料进行连续、自动累计的计量设备，其设计内容包括以下几个方面：（1） 查阅资料深入了解配料秤的组成结构。如下图所示是配料系统的结构组成图，本结构图中有 4 个称重单元，对应于镍冶炼厂中配料的四种原料即焦炭、石灰石、转炉渣、镍精矿，每个单元有料仓、给料电
7、机、皮带秤组成。每个给料仓通过各自的给料电机来控制给料速度，进而调节给料量。物料到达皮带秤后，由皮带秤测量原料的重量和皮带的速度，每个料仓的下料最后到达主皮带，混合后再送入下一级。配料皮带秤有四个称重单元，对应于每个配料皮带秤的现场示意图如下图所示。图 1. 配料皮带秤的现场示意图（2）配料皮带秤是装有皮带秤整个称量装置的皮带输送机，其中给料设备是调节物料多少，按照给料电机和驱动电机调速方式的不同，配料皮带秤有一下几种工作方式：恒速控制方式、变速控制方式、同步控制方式。（3）研究 PID 算法，将 PID 算法与皮带配料秤的控制结合起来，设计出基于 PID 控制算法的皮带配料秤软件控制程序。P
8、ID 控制算法是控制系统设计的核心内容，它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r(t)与实际输出值 y(t)构成控制偏差：e(t)=r(t)y(t)将偏差的比例、积分、和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制。模拟 PID 控制器的理想控制规律为：u(t)=kpe(t) dt+Td 10() ()其中，u(t) ：调节器的输出 e(t)：调节器偏差输入信号KP：比例调节系数 Ti：积分时间Td：微分时间PID 控制结构主要由 PID 控制器，执行机构和被控对象组成。PID 控制器
9、是根据系统的偏差，利用偏差的比例积分、微分运算出控制量进行控制的。如下图所示是 PID 控制系统原理图，由系统的输入值 r(t)与测量值 y(t)得到偏差 e(t),然后对偏差进行比例、积分、微分运算最终得出控制作用 u(t)。PID 的控制原理图如下图 2 所示。+ r(t) e(t) + u(t) y（t）+ 图 2. PID 控制原理图（4）基于西门子 PLC 软硬件开发平台调试皮带配料秤软件控制程序。当系统开始上电后, 按下开始按钮，上位机向 PLC 发出配料的指令，此时 1 号配料系统、2 号配料系统、3 号配料系统、4 号配料系统同时开始配料，系统开始配料后开始检测各配料是否达到系
10、统的设定值，如果没有达到设定值则继续配料，如多达到设定值则上位机向 PLC 发出停止命令结束配料。配料皮带秤的系统控制流程图如图图 3 所示。设计思想当配料皮带秤开始运行时，在其上位设定一个流量设定值，皮带运输机上的物料重量通过悬浮秤架压到称重传感器上，传感器将重量信号转化为电信号送到控制器，同时测速传感器将皮带的速度转化为电脉冲信号也送到称重传控制器，仪表通过采集重量和速度信号进行流量计算，得到瞬时流量和重量累积值等数据。由于皮带配料秤上的物料实际值与给定值有一定的偏差，根据偏差大小来调整变频器的频率，从而控制电机以维持瞬时流量的恒定。这样就够成了一个闭环系统，从而达到了恒定物料流量的目的，
11、其配料系统控制图如图 4 所示。比例环节积分环节微分环节变频器 给料电机图 3.系统控制流程图设定流量 偏差 实际流量+图 4. 配料系统控制原理图解决的关键问题(1)配料皮带秤的工作原理根据题目要求，深入现场熟悉配料皮带秤的组成结构，并进一步了解配料皮带秤的工作原理。PID 调节器调节变频器调速 给料电机PLC（2）PLC 控制系统的硬件连接在配料皮带秤控制系统中，硬件连接是控制系统的骨架，只有具备完善的硬件系统才能设计出符合要求的配料皮带秤。（3）研究 PID 算法电子皮带秤称量的是瞬时流量，上位机给出的是设定流量，二者在实时计量中有所偏差。在流量实际控制中采用工业控制中应用最为广泛的 P
12、ID 调节，根据流量偏差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。（4）编写软件控制程序将 PID 算法与皮带配料秤的控制结合起来，设计出基于 PID 控制算法的皮带配料秤软件控制程序。拟采用的技术方案方案一：在配料皮带秤自动控制系统设计中，采用单片机作为主控制器件。单片机接收来自称重传感器和测速传感器的电信号，PID 调节器对偏差进行比例、积分、微分的计算，最后通过控制变频器来控制电机的转速，同时也可以通过键盘来改变配料比和设定值，从而控制流量的恒定，其系统框图如下图所示。图 5.单片机控制系统框图方案二：在配料皮带秤自动控制系统设计中，采用 PLC 作为主控制器件。用 PLC 来采集皮带
13、秤的重量信号和速度信号，在秤重显示器中进行瞬时流量和累计量的计算及 PID计算，然后将偏差送到控制器，控制器控制变频器进而控制电机的转速从而控制流量的恒定，通过上位机可以实时的检测各个配料系统的运行情况。其配料皮带秤系统框图如图 6 所示。图 6. 配料皮带秤系统框图方案比较：采用单片机进行简单的称量计算和 PID 调节，功能简单，控制精度低，管理功能弱，可靠性不高。自动配料系统采用 PLC 控制方案，具有功能强大、方便灵活、可靠性高、成本低、易维护等优点，大大提高了配料精度，便于计量的微化控制。所以本课题采用方案二。设计工作步骤：1.了解配料皮带秤系统的组成结构、工作原理及其控制算法。2.设
14、计配料皮带秤系统的硬件组成。PLC 采用西门子系列，其他硬件包括称重传感器，测速传感器，称重显示器，皮带秤称体，变频器，电机，上位机等。3. 配料皮带秤系统的硬件设计及选型。包括 PLC 的 CPU 选型，模块的选择，称重传感器的选型，测速传感器的选型，称重显示器的选型、变频器的选型，电机的选型，上位机的选型。4. 配料皮带秤系统的软件设计。研究 PID 算法，将 PID 算法与配料皮带秤的控制结合起来，设计出基于 PID 控制算法的皮带配料秤软件控制程序。5. 皮带秤配料系统的各个硬件连接，整体电路连接6.基于西门子 PLC 软硬件开发平台调试皮带配料秤软件控制程序。三、毕业设计（论文）工作进度安排第 1 周 查阅文献资料第 2-3 周 总体方案设计第 4-6 周 设计系统硬件结构第 7-9 周 设计系统软件第 10 周 外文资料翻译第 11-12 周 设计说明书撰写及图纸绘制第 13 周 毕业设计说明书评阅、审阅第 14 周 学生撰写毕业设计简介，毕业答辩准备第 15 周 毕业答辩指 导教 师意 见指导教师签字_ 年 月 日
