基于PLC的水泥自动配料控制系统设计
和微型计算机，人们将其和可编程逻辑控制器相结合，使可编程序逻辑控制器在原有的基础上增加了微机所具有的运算、数据传送及处理等功能，这使它进一步升级，成为了比较完善、功能全面的工业控制装置。这个时候的可编程逻辑控制器可以说是同时具有了继电器常规控制概念和微机技术两者的特点。在家用电脑越来越多的走进人们生活中后，就将可编程逻辑控制器正式定名为Programmable Logic Controller（PLC），这样不仅比较方便，能够反映出可编程控制器的功能特点，而且还不会和计算机（PC）相冲突。
1. PLC的定义
国际电工委员会(IEC)在1980年代初就开始了有关可编程序控制器国际标准的制定工作，并发布了数稿草案。在2003年发布的可编程序控制器国际标准IEC61131-1(通用信息)中对可编程序控制器有一个标准定义：“可编程序逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序储存器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算等操作的基于用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机器或过程。PLC及其相关的外围设备，都应按易于与工业控制系统集成，易于实现其语气功能的原则设计。”
由国际电工委员会给出的对PLC的定义我们可以知道，它是一种专门为工业所设计的设备，我们都知道工业生产的环境往往比较恶劣，因此它作为工业生产所用的设备，必须要有强力的抗干扰能力和高度对不同环境的适应能力，同时也要具有比较广的应用范围。这是把可编程序控制器和一般的微机控制系统加以区分的重要特性。定义也指出了PLC为“数字运算操作系统”，那也就相当于是计算机的一种，只不过它是专在工业生产上使用的计算机，是为工业生产而特意设计的。对用户来说，PLC的程序编写非常的方便，通过程序的运行，它可以完成逻辑运算、顺序控制、定时、计数等操作，输入和输出可以是开关量，也可以是模拟量，而且还能很轻松的跟工厂现有的控制系统相结合，易于实现对PLC在工业上的要求，满足用户的各种需求。
从PLC的定义中我们还可以知道，它设计出来是专用在工业控制系统上的，所以尽管它的种类非常多，并且不同厂商制造的PLC
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在结构、功能上多少有区别，但是其系统内部的组成和它的工作原理基本上都是一致的。总体来说，PLC系统都是由硬件和软件两个部分相结合起来的，工作方式采用的都是集中采样和集中输出的周期性循环扫描。
2. PLC的基本组成
可编程逻辑控制器实际上也算是计算机的一种，不过它是专用于工业控制的，即使如此，它的硬件结构也基本上与微机相同，主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图4.1所示。
图4.1 PLC结构框图
PLC有很强的耐用性和适应性，并且抗抗干扰能力也很强。使用期间，不出故障的时间平均下来差不多可以有3-5万小时。并且PLC还具有维修便捷；灵活；通用；功能完善；接线简单；编程简单；使用方便等众多优点。针对水泥生产的环境和自身所学，本设计的主控制器选用的是西门子S7-200系列的PLC。
4.2 系统控制要求分析
自动配料系统主要由PLC、称重传感器、变频器、皮带驱动电机及低压电器组成。系统的主要任务是在收到了实际测量值后，上位机通过程序，把这个测量值跟设定值比对，若出现偏差则按照程序进行PID调节，再把调节以后的信号送入变频器，来实时动态的控制电机
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转速，达到一个平衡的状态；若没有偏差则直接输出。三种物料的调节需要同步。
系统运行流程如下：
1. 系统通电，按下启动按钮SB1，皮带运输机和定量给料机先后启动，检测四台电机是否正常运转，若正常，开启物料库阀门下料；若有电机故障，则停止。这里，须定量给料机和皮带运输机先顺序启动，并由称重装置检测是否有物料，再开启物料库下料阀门。如果先开启下料阀门而皮带没有运作，容易造成物料将皮带坐死。 2. 系统正常启动并运行后，便自动按照程序执行。若物料量大于设定值，称重传感器送入上位机的信号会增大，经PID调节后，控制器输出给变频器的信号变小，相应的降低电机转速，使实际值和设定值一致。反之就是提高电机转速。达到实时稳态恒流量控制。
根据控制要求，本系统中总共有四台电机：三台皮带秤上的电机，一台皮带运输机上的电机。其接线如图4.2所示。
图4.2电机主电路接线图
(1) M1为混料运输电机，M2-M4为三种物料的皮带电机，且这三台电机每一台都有一个变频器；QA0是隔离开关，通段主电源，对主电路起保护作用；热继电器BB对电机起过载保护；QA1-QA4为
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接触器。
4.2.1 硬件介绍及信号传递
1. 控制结构
在系统运行的状态下，自动配料系统利用定量给料机上的称重传感器和旋转编码器把皮带上通过的物料重量与皮带速度转换成4-20毫安的电信号，转换得到的两组信号由现场端子盒送到主控制器进行计算、调节，最后输出一个合适的控制值到变频器。
（1）控制器
由于本设计是用于水泥生产的自动配料，考虑到系统应用的工业 生产环境较为恶劣，粉尘、噪声等外界的干扰有点多，因此本设计对主控制器的抗干扰性、耐用性和稳定性都有比较高的要求。PLC是专用在工业生产上的控制器，对上诉要求都能够满足。综合自动配料系统的控制要求和自身所学，本设计选用西门子的S7-200PLC作为控制器。三台皮带秤电机需要三台变频器进行调速，因此还需要PLC添加扩展模块。
（2）称重及测速装置
称重传感器是自动配料系统检测物料重量的部件，它的性能指标很大程度上决定了自动配料系统的测量精度和运行稳定性。本设计采用了电阻应变式传感器作为称重装置，它的工作方式为：当s有重物经过其表面时，它内部的弹性体（弹性元件，敏感梁）会由于外部物品的重力而发生形变，这就会使它表面的一个转换原件，电阻应变片也跟着一起发生形变。在这个原件发生形变以后，它内部的电阻值会发生相应的变化（增大或减小），然后再通过测量电路把这个电阻的变化量转换成相应大小的电信号（电压或电流），这样就可以根据电信号得出具体重量了[10]。采用绝对值旋转编码器作为测速装置。测得的数据会通过端子盒总线送到PLC。
（3）调速装置
皮带电机的转速调节的精准度，决定了配料的精确度，且现场外部工作环境恶劣，粉尘多。本设计采用的是西门子MM420变频器作为调速装置，它具有一体化的构造设计；控制方法采用了很强大的IGBT技术，起动、制动性能更优良；还具有强大的通讯能力、准确
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的控制性能、和高牢靠性；智能维护功能；友好的操作界面等优点。
2. 信号传递的I/O点分配
本系统中，共有四台驱动电机，分别为1#、2#、3#定量给料机上的皮带电机，外加一个混料后的运输皮带电机，4#。对于水泥的生产，配料和主料都是需要同时加入的，设定好了进料量后，三种物料分别按比例下料，通过恒流量控制，达到实际下料量跟设定值相同。
变频器由PLC进行控制，输出驱动皮带电动机。称重传感器测量物料重量，速度传感器测量电动机的转速。
(1) 系统启动五秒后，检测是否所有电机都正常运转，若有故障则停车，正常就开启阀门下料，系统运行。
(2) 生产过程中，称重传感器和测速传感器将测得的数据送到PLC，算出实时流量和累积流量，将经计算后的数据与设定值对比，若有偏差则调节器根据系统控制要求，将偏差经PID调节来改变PLC的输出信号以控制变频器对输送电动机的速度调节，从而实现恒流量控制。
(3) 整个系统有电源指示、电机运行指示、故障报警等。 根据上述要求，PLC的I/O分配表如下：
表4.3 I/O分配表 输入 启动按钮SB1 停止按钮SB2 急停按钮SB3 1#皮带电机正常运转信号 1#皮带电机故障信号 2#皮带电机正常运转信号 2#皮带电机故障信号 3#皮带电机正常运转信号 3#皮带电机故障信号 1#变频器故障信号 2#变频器故障信号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 输出 1#皮带电机M1 2#皮带电机M2 3#皮带电机M3 混料运输机M4 1#物料阀Q1 2#物料阀Q2 3#物料阀Q3 电源指示灯PG1 送料电机运行信号灯PG2 皮带电机运行信号灯PG3 变频器故障信号灯PG4 - 19 -
Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2