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基于plc的饲料配料控制系统的设计
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2011-05-08
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毕业设计 plc方面 西门子 基于plc的饲料配料控制系统的设计 本科
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物理电气信息学院 本科毕业论文
第一章 绪论
1.1 课题来源及选题依据
1.1.1 课题来源
针对产量与精度、稳定性、界面的人性化,以及生产安全要求,结合 PLC
在工控领域的应用和发展,加上饲料厂原控制系统普遍存在配料控制系统精度
不高,稳定性欠缺,基于 DOS 的人机界面在 DOS 状态下操作烦琐,不易掌握;
报表系统简单、呆板、存储空间小,以及无法查询配料历史记录,监督配料过
程,追踪产平质量情况。因此选择了“基于 PLC 的饲料配料控制系统设计”为题
全面进行新的控制系统的设计工作。
1.1.2 选题依据
用户要求新开发的控制系统一是要能实现对饲料生产系统进行全屏监控,
同时提高自动配料系统在恶劣的生产环境中的抗干扰性并且能降低系统的故障
率。
二是要能随时查询、预览和打印产量批报表、产量明细表、产量统计表、
材料消耗表、料仓批报表和料仓统计表等。
三是要能实现生产过程中可暂停配料或停止配料,或生产完成时自动停止
配料,可实现断电关机后由关机前状态继续配料功能。
四是控制系统生产监控界面能实时显示动态的模拟生产流程和实时显示各
种设备故障报警信息,并保存报警信息,便于排除故障和设备维护。
五是生产监控界面实时显示各秤当前批数,便于操作员了解配料情况;在当
前配方最后一批秤卸料完成后,就可以更改配方,启动配料,便于连续生产。
1.2 国内外同类课题的研究动态
1.2.1 现代控制理论在工业配料系统领域的应用
工业配料系统是指将几种不同的原料按照生产要求的比例进行混和,通过
配制加工成产品的过程,在建筑、医药、化工、食品、饲料等生产领域都具有
极其广泛的应用。在工业配料控制中,高精度和高速度配料对产品质量是至关
重要的。由于许多控制过程存在机理复杂、滞后大、出现超调和不可逆,控制
对象具有非线性和时变性等特点,采用常规的控制算法难以适应参数变化及干
扰因素的影响,不仅给测试带来困难,控制的效果也不理想
[2]
。
随着科学技术和生产的迅速发展,对复杂和不确定性系统实行自动控制的
要求不断提高,使得现代控制理论的局限性日益明显。为了克服理论和应用之
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物理电气信息学院 本科毕业论文
间的不协调,人们除了加强对生产过程的建模、系统辨识、自适应控制、鲁棒
控制等研究外,开始打破传统控制思想的束缚,试图面向工业配料过程的特点,
寻找各种对模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好的控制方法和算法。
国内有人提出了一种建立以人的经验(专家控制)、模糊自适应控制为基础的新
型控制系统,将传统专家系统知识库中的模糊规则转换到智能配料控制系统中,
无需建立精确的数字模型,能够处理控制过程中的不确定信息,同时可实现并
行处理。
(1)影响称重系统精度的因素
一般的增量式配料使用称料斗接收原料、称量完一种物料后,不排空料斗,
只将电子秤内部计数值清零,再接收另一物料。在供料的机械设备停止给料后,
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中,这些余料称为落
差。由于有落差的影响,所称物料重量的设定值应为需配制的物料标准重量减
去落差值。
不同的原料,其比重和流动性都不一样,料仓内料位的高低会产生下料受
力不均的现象,料斗内随下料增多料位不断增加的不可预估性,下料速度快慢
等等,都会使空中落差产生变化。另外,称量仪表称重的反应速度,下料的平
稳性都会对称重结果产生很大的影响。由上述分析可看出,给料机终止给料后,
由高度落差(给料机与料斗之间)引起空间物料的不确定性是影响最终物料配制
精确度的直接原因。若能准确估计终止给料时刻空间物料量而提前终止给料,
就能保证最终配制结果在给定的范围内。根据饲料厂重复批量称量的特点,利
用大量已有的称量误差数据对空间物料量进行模糊自适应补偿控制,本文采用
的配料自动控制系统,可以保证物料误差在最小范围内波动。
(2)控制系统
工业自动配料系统一般采用集散控制系统结构或基于现场总线的控制结构,
对于一些比较简单的称重配料系统,也可以采用工业计算机(IPC)加数据采集板
卡的形式进行配料过程的控制,本文根据工业配料的一般过程,使用工业控制
计算机和称重仪表组成整个系统,完全可以达到控制要求。
(3)控制手段
在一般工业配料过程中,控制系统的准确性和快速性相互矛盾,如何选取
动态和稳态的切换点,以及在稳态的过程中到底使用什么样的控制策略,是同
时提高控制系统精度和速度的关键。
1.2.2 PLC 的国内外状况及发展趋势
世界上公认的第一台可编程控制器 PLC(Programmable logic Controller),简
称 PLC,它是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置,是 1969 年美国数
字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的
PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定
时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器,人们很快将其引入可编程
控制器,使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机
特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,
可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,并将参加
运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的 PLC 是微机技术和继电
器常规控制概念相结合的产物。
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物理电气信息学院 本科毕业论文
20 世纪 70 年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术
己全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型
体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定
了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初,可编程控制器在先进工业国家
中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高
性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家
日益增多,产量日益上升,这标志着可编程控制器己步入成熟阶段。
20 世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从
控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生
了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制
场合;从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可
编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前,可编程控制器在机械制造、
石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最
初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及
产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前,我国自己已可以生产中小型可编程控制
器。
上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、
大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种
产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外,无锡华光公司、
上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。可以预期,
随着我国现代化进程的深入,PLC 在我国将有更广阔的应用天地
[1]
。
PLC 主要表现为以下几个方面:
(1)微型、小型 PLC 功能明显增强
很多有名的 PLC 厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的 PLC。
三菱的 FXOS14 点(8 个 24VDC 输入,6 个继电器输出),其尺寸仅为
58InmX89llun,仅大于信用卡几个毫米,而功能却有所增强,使 PLC 的应用
领域扩大到远离工业控制的其它行业,如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆
等,甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。
(2)集成化发展趋势增强
由于控制内容的复杂化和高难度化,使 PLC 向集成化方向发展,PLC 与
PC 集成、PLC 与 DCS 集成、PLC 与 PID 集成等,并强化了通讯能力和网络化,
尤其是以 PC 为基础的控制产品增长率最快。PLC 与 PC 集成,即将计算机、
PLC 及操作人员的人一机接口结合在一起,使 PLC 能利用计算机丰富的软件资
源,而计算机能和 PLC 的模块交互存取数据。以 PC 机为基础的控制产品容易
编程和维护用户的利益,开放的体系结构提供操作灵活性,最终降低成本和提
高生产率。
(3)向开放性转变
PLC 存在严重的缺点。主要是 PLC 的软、硬件体系结构是封闭而不是开放
的,绝大多数的 PLC 是专用总线、专用通信网络及协议,编程虽多为梯形图,
但各公司的组态、寻址、语文结构不一致,使各种 PLC 互不兼容。国际电工协
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物理电气信息学院 本科毕业论文
会(IEC)在 1992 年颁布了 IECll31 一 3《可编程序控制器的编程软件标准》,
为各 PLC 厂家编程的标准化铺平了道路。现在开发以 PC 为基础、在 windows
平台下,符合 IECl131- 3 国际标准的新一代开放体系结构的 PLC 正在规划中。
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物理电气信息学院 本科毕业论文
第二章 PLC 的组成及工作原理
2.1 PLC 的基本组成
可编程控制器采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运
算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟
式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备
都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计
[4]
。
PLC 的基本组成可归为四大部件;
中央处理单元(CPU 板)—控制器的核心;
输入部件(I/0 部件)—连接现场设备与 CPU 之间;
输出部件—连接驱动或受控元件的接口电路;
电源部件—为 PLC 内部电路提供能源;
整体结构的 PLC—四部分装在同一机壳内;
模块式结构的 PLC—各部件独立封装,称为模块,通过机架和总线连接而
成。
I/0 的能力可按用户的需要进行扩展和组合,另外,还必须有编程器将用户
程序写进规定的存储器内。
图 2-1 PLC 基本组成
2.2 PLC 的软件组成
PLC 的软件由系统程序和用户程序组成。系统程序由 PLC 制造厂商设计编
写的,并存入 PLC 的系统存储器中,用户不能直接读写与更改。系统程序一般
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输
入
接
口
部
件
中央处理单元
CPU (板)
电源部件
输
出
接
口
部
件
接受
现场信号
驱动
受控元件
按钮
继电器触点
行程开关等
接触器
电磁阀
指示灯等
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