2025年04月04日 12:40:26 来源：广州市凯士称重设备工程有限公司 >> 进入该公司展台 阅读量：1
| 基于PLC和变频器的配料系统设计与实现 | 2020-01-16 |
| 摘要：配料是精细化工厂生产工艺过程中的一道非常重要的工序，落后的配料系统不仅效率低而且配料不准，手工操作又将人为因素引入配料环节，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，因此实现高精度自动配料对工业企业生产有极为重要的意义。原配料系统采用模拟电路控制滑差调速电机的方法进行速度控制，由于滑差电机调速方式在低速时特性差、效率低，现场外部工作环境又很恶劣，工业粉尘很多，这些粉尘很容易进入滑差电机内部而出现磨损、卡死等现象，维修、维护麻烦，造成工作故障多，影响正常生产。随着计算机技术的飞速发展，对原有配料系统进行技术改造，以无级变速的变频器控制封闭式鼠笼电机转速方式，用可编程序控制器控制变频器，配料系统将生产所需的原料和辅料等按照一定的比例通过传送带依次传送，提高配料系统的配料精度和稳定性。配料系统采用PLC为称重仪表、变频器为执行器，MCGS监控软件为人机交互界面，设计了一套液位控制称重配料系统，并利用西门子S7-200PLC的PID参数自整定功能实现了控制参数的在线自调整。MCGS监控软件构成了控制称重配料系统的操作站，可以实现实时数据采集、控制参数输入、控制模式转换等多项功能。在液位控制实验中，MCGS监控软件记录了在设定液位下的PID参数整定过程和设定液位控制效果，S7-200PLC整定出的PID参数较好地实现了设定液位的稳定跟踪。整套称重配料系统具有控制灵活、精确度高、故障率低的特点，能满足一般化工生产过程中对液位的控制要求。 因配料系统所配的物料种类较多，达到7种。称重终端导致需用的给料设备较多，进而需用的变频器数量较多，变频器柜内温升较快，变频器内半导体器件容易损坏，设计时，我们采用2台变频器柜，柜内变频器分成上下两层布置，并在上下变频器之间加一块隔板，同时在控制柜后门上部安装轴流风扇，前门下部安装出口过滤器，和正常设计采用4台变频器柜相比，这样不仅降低了生产成本，而且还减少了安装空间；由于现场潮湿、腐蚀性及尘埃较多，容易造成电子器件锈蚀，接触不良，因而控制柜进行防腐处理；由于现场周围大功率设备较多，振动较大，安装时采用橡胶减振垫。变频器的接线主要包括两方面：其一是主回路，必须考虑电力线对电流容量、短路保护、电线压降等因数，特别注意线路的铺设距离，因其线路越长，线压降就越大，有时会产生电机转矩不足。其二是控制回路，因其信号较微弱，受外界的干扰较大，选择和铺设时应考虑抗干扰对策。变频器的接地主要包括三方面：其一弱电压、电流回路，应取一点接地；其二是使用屏蔽电缆时应使用绝缘电线，避免屏蔽层与接地通道相连；其三是电线的接地在变频器侧进行，使用专设的接地端子，不与其它接地端子共用。灌装机变频器对外界的干扰目前，变频器几乎均采用pwm控制方式，这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流，并导致电压波形畸变，对电源系统产生严重影响，特别是对称重信号和速度信号干扰特别严重，影响计量精度，为此，我们对此信号进行隔离处理，并对控制称重仪表电源进行处理，从而保证系统高精度运行。 自动配料系统由可编程控制器与电机电子秤组成一个两级计算机控制网络，通过现场总线连接现场称重仪表、控制计算机、ＰＬＣ、变频器等智能程度较高、处理速度快的设备。ＰＬＣ主要承担对系统故障检测、显示及报警，并同时向变频器输出信号，变频器完成调节电机机转速的作用。电机电子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。采用工业控制中应用广泛的ＰＩＤ调节进行流量实际控制，为系统流量ＰＩＤ闭环调节结构图，根据流量偏差，利用比例、积分、微分计算出控制量，通过变频器调节电机防爆电子秤速度，调整给定量，使之与设定值相等，完成自动配料过程。当自动配料系统开始工作，启动配料生产线，由电机防爆电子秤进行称重并实时计量，ＣＰＵ计算得实时流量及累计流量。一方面根据配比各辅料同时混合计量，并按配方工艺要求添加。另一方面，若设定流量与实际流量有偏差，调节器根据自动配料系统控制要求比较设定值与实际流量的偏差，经ＰＩＤ调节改变输出信号以控制变频器对输送电机的速度调节，从而实现流量控制。 1引言 称重仪表是以微处理器为基础，综合了计算机、微电子、自动控制、网络通信等技术而发展起来的一种适合工业现场的自动控制装置[1]。自1969年美国出现台称重仪表以来，经过几十年的发展，称重仪表已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。称重仪表已进入包括过程控制、位置控制等场合所有的控制领域。变频器是应用变频技术和微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备[2]。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。本文主要研究利用PLC和变频器等控制设备来组建一个自动化应用控制称重配料系统，能够根据生产实际需要，控制水箱内液位。使用人机交互界面对液位控制过程进行监控。 2称重配料系统组成 本称重配料系统主要由3个模块组成，分别是称重仪表模块、变频器调节模块和人机交互模块。称重配料系统组成见图1。 2.1称重仪表模块 本称重配料系统采用西门子S7-200PLC作为称重仪表[1]，它接收被控对象的状态信息，根据控制目标，并按照一定的程序进行分析处理，控制信号通过输出接口送往变频器，从而控制整个称重配料系统有目的地运行。 选择CPU226作为S7-200的主机模块。它具有40路数字量I/O点，可连接7个扩展模块，扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。在通信方面，CPU226具有2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。各项性能均可满足液位控制称重配料系统的要求。 选择EM231作为S7-200的模拟量输入模块。液位称重模块传入信号经过滤波去掉干扰信号后，再通过A/D转换，将液位模拟量信号变换成S7-200能够处理的数字信号，然后经过光电耦合器传送给S7-200的CPU226模块。EM231模块需要直流24V供电，可由CPU226模块的称重模块电源DC24V供电。这一模块有两种型号：EM2312路和4路RTD模块。本控制装置选用2通道模块。 选择EM232作为S7-200的模拟量输出模块。S7-200输出的数字量经光电耦合器，再经过D/A转换器后，数字信号转换成模拟信号，经过运算放大器后驱动变频器。光电耦合器和EM231模块中的功能一样，是将内外电路隔开，防止外部电磁干扰信号对S7-200内部电路造成干扰。EM232模块提供电流输出(4～20)mA和电压输出（1～5）V两种模式，由于MITSUBISHIS500变频器只能接受电流信号，所以选择电流输出模式。EM232模块上部有7个端子，左起每3个位1组，为一路模拟量输出。每组中有电压负载端子、电流负载端子和公共端，控制称重配料系统只需1路模拟量输出。 2.2变频器调节模块 4称重配料系统软件设计 变频器接收S7-200PLC发出的控制信号并向水泵电机供电，构成开环或闭环称重配料系统[3]。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控 制装置[4-5]。本称重配料系统采用MITSUBISHIS500变频器，它采 4.1称重仪表PID算法的软件实现 本称重配料系统在S7-200PLC中实现PID控制，在STEP7-Micro /WIN完成算法的编程。 直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给水泵电动机。MITSUBISHIS500变频器电路由整流环节、逆变环节、直流环节3个部分组成。整流环节为三相桥式不可控整流器；逆变环节为IGBT三相桥式逆变器，输出PWM控制量；直流环节起到滤波、直流储能和缓冲无功功率的作用。 2.3人机交互模块 人机交互由上位机安装HMI软件来实现，本称重配料系统采用MCGS通用监控软件。MCGS称重配料系统包括组态环境和运行环境2个部分[6]，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制等功能[7]。本文设计的监控界面以动画显示、流程控制等多种方式解决了液位控制称重配料系统的数据采集、液位监测、故障报警等实际工程问题。 3称重配料系统硬件设计 基于PLC和变频器的液位调节控制称重配料系统硬件构成如图2所示。控制称重配料系统的称重仪表S7-200的EM231模拟量输入模块接受压力称重模块传送来的（4～20）mA的水位信号，转化成数字量信号后送至CPU226中，CPU226对检测值和设定值的偏差进行PID运算，运算结果经EM232模拟量输出模块转化为（4～20）mA信号，输出给变频器，由变频器来调节水泵电机的转速，从而调节进水量，最终控制水箱内液位稳定在设定值。 其中，Mn为第n采样时刻的计算值；Kc为增益；SPn和PVn分别为第n采样时刻的设定值和过程变量值；Ts为采样时间；Ti为积分时间；Td为微分时间，Mx为回路输出的初始值。 本称重配料系统中设定值为操作人员设定的液位控制目标值。过程变量值是经A/D转换和计算后得到的液位的实测值。进行PID控制的目的就是使现场实际液位跟随液位设定值并且保持稳定。 主机模块CPU226支持PID指令向导，利用指令向导生成液位控制PID程序[9-10]。在STEP7-Micro/WIN编程软件中，进入PID指令向导。步，选择PID回路，有8个回路可以，本称重配料系统只需要一个回路的PID。第二步，确定给定值范围，即液位控制范围，设置为0～100，设定采样时间为1s，设定增益、积分时间和微分时间的初始参数。第三步，确定回路输入和输出模式，包括输入输出的极性和取值范围。针对输入选项，考虑到给定值的范围和液位称重模块的测量输出值，选择单极性输出，范围为0～1000。针对输出选项，考虑到变频器信号接收要求，选择模拟输出、单极性，使用20％偏移量，范围为6400～32000。鉴于安全的考虑，利用向导生成的PID中，还选用了高、低限报警和手动操作模式，为在特殊情况下采取制动措施提供了便利。 4.2上位机监控画面设计 上位机上安装MCGS监控软件作为整套称重配料系统的操作站。操作站的功能是完成人机交互，操作人员通过操作站进行水位设定值以及PID参数的设置，同时进行对水位测量值的监控和历史数据的记录。设计组态的主监控画面如图3所示。 | |
