基于PLC的智能水泥自動配料系統設計

門 洪，英宇翔，王 忠

（東北電力大學 自動化工程學院，吉林 132012）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，自動配料系統（也稱電子皮帶秤）已廣泛應用于工農業生產和社會生活的各個領域[1]。在很多生產工藝過程中，人們除了要求衡器能準確地進行稱量，滿足產品質量的需要外，還要求稱重過程能大幅度提高生產效率[2,3]。水泥是由石灰石和礦渣等材料按一定的配比混合煅燒而來，對散料在皮帶輸送過程中常需要進行動態連續稱量，而且還要對輸送中的流量進行調節、控制和達到準確的配比。配料的精確度直接關系著水泥的質量。如果配料的精確度達不到要求，輕則造成原料、能源的浪費，重則影響產品的質量和生產率，并且有些重要生產崗位的配料失誤甚至會給整個生產釀成事故。自動配料系統是實現生產過程自動化和智能化、企業的科學管理、安全穩定生產和節能降耗的重要技術手段[4]。

本文基于PLC設計了一種智能水泥自動配料系統，計量精度高，操作方便，對于實現真正的工業自動化，具有重要的意義。

1 水泥自動配料系統架構設計

1.1 基本機械結構

自動配料系統是自動衡器，是物料在輸送過程中連續自動地完成稱重任務，并且要自動完成累計，具有連續和自動稱重的特點。在稱重過程中所得到的稱重值，就是一段時間內物料的流量累計量。這不僅和皮帶上輸送的物料重量有關，還和皮帶運行的速度有關。所以，在采集皮帶上物料重量的同時，必須采集皮帶運行的速度，并把這兩個值送到控制器進行乘積和積分運算，運算的結果即為此時配料系統的配料速度和已經配料的累計值。其機械結構如圖1所示。

圖1 自動配料系統機械結構示意圖

1.2 控制結構

本文所設計的自動配料系統的控制結構如圖2所示。在系統運行的狀態下，自動配料系統利用稱重傳感器和測速傳感器把皮帶上通過的物料重量與皮帶速度轉換成電信號，轉換得到的兩組信號通過現場按鈕盒，通過A/D轉換輸送給主控制器進行計算、調節，輸出一個合適的控制值，經過D/A轉換后傳給變頻器，控制電機的運轉。在此過程中系統的給定值，也就是自動配料系統每小時所需要配料的噸數，可以是通過控制系統的鍵盤本地輸入，也可以是由DCS遠程給定的。稱重累計結果送給顯示器并同時由DCS進行上傳。

圖2 自動配料系統的控制結構框圖

1）控制器

由于本文所設計的自動配料系統應用的工業現場環境比較惡劣，潮濕、灰塵等干擾因素比較多，所以對控制器的抗干擾性能以及穩定性有很高的要求。PLC是專為工業控制而設計的，可靠性好、抗干擾能力強是它的最重要特點之一。綜合自動配料系統的控制要求，本設計選用西門子的S7200PLC作為控制器。

2）壓力傳感器

壓力傳感器是自動配料系統檢測物料重量的部件，它的性能指標很大程度上決定了自動配料系統的測量精度和運行穩定性。本設計采用德國HBM的波紋管電阻應變式傳感器，其原理如圖3所示，圖中R4為應變電阻，A，B兩點接入輸入電壓，通常為10V左右，C，D間為信號輸出電壓，其范圍在0mV～10mV。工作原理如下：當應變電阻R4受力后，將引起R4發生形變，從而使R4的阻值發生變化，受力越大形變的程度也就越大，阻值變化也就越大，并且阻值的變化大小和受力的大小成正比例關系。R4的阻值變化后，R4承受的電壓值隨之發生變化，如果將B點設為參考電位點，在受壓前后D點相對B點的壓差就產生了變化。而C點的電壓沒有變化，結果就是引起C點和D點之間有了一定的電壓。

圖3 壓電式傳感器原理示意圖

3）測速傳感器

皮帶速度檢測的準確程度直接影響到配料系統的準確度。本設計采用磁電式測速傳感器。在電機轉動過程中，帶動從動輪轉動，從而帶動了和從動輪同軸的測速齒輪的轉動，當測速傳感器接近測速齒輪時輸出脈沖信號。

電機速度越高，測速齒輪旋轉越快，測速傳感器輸出脈沖頻率也就越高，單位時間內脈沖個數也越多。通過計算單位時間內收到的脈沖數，算出從動輪的轉速，也就可以計算出皮帶的線速度。

4）鍵盤、顯示器

TD400C是S7-200文本顯示設備，為背光液晶顯示，分辨率為192×64，具有2行（大字體）或4行（小字體）顯示功能，使操作員或用戶能夠與應用程序進行交換，可以查看、監視和更改應用程序固有的過程變量。在TD400C上自定義了16個功能按鍵，實現了開機、關機、運行、停止等智能化功能。

5）變頻器

采用模擬電路控制滑差調速電機方式具有價格低廉等優勢，但是在低速時滑差電機調速方式特性差、效率低，且現場外部工作環境惡劣，粉塵多，易進入滑差電機內部而出現磨損、卡死等現象，維修、維護麻煩，造成工作故障多，影響正常生產[5]。本設計采用富士P11S系列變頻器對電機進行無級變速，可提高配料精度和穩定性，減少系統故障。

2 控制策略

目前的自動配料系統多通過固定時間間隔對物料重量和皮帶速度采樣，然后把采得的數據進行運算處理，即對皮帶上物料重量的檢測是通過檢測一段時間內有效稱量段上的物料重量，對這段皮帶上物料的重量進行平均，所得到的結果作為單位長度上物料的重量。

這種方法在下料平穩的情況下，檢測到物料的重量值基本符合實際值，但在實際過程中，往往會出現下料不穩的情況，尤其在物料潮濕發粘的情況下，還經常會出現一會有料一會沒料的情況，在這種情況下，對皮帶上的物料進行平均運算，結果與實際值相差很大，影響系統的精度。

本設計不通過固定的時間間隔來對系統采樣，而是皮帶運行固定一段距離來對系統的物料重量采樣一次，壓力傳感器檢測的是皮帶上某段物料的重量，把這段長度作為系統的固定采樣長度，消除因將物料進行平均而帶來的誤差。改進后的配料系統控制算法如下：

1）累積量的計算方法：

式中：

X ( n)為系統第n次采樣時配料累積值；

M ( n)為系統第n次采樣時有效稱量段上物料重量。

2）第n次采樣時瞬時流量的計算方法：

式中：

P ( t)為系統顯示的瞬時流量值；

V ( t)為皮帶的瞬時速度；

L為有效稱量段長度。

3）流量控制方法：

式中：

S ( t)為配料系統在t時間每小時配料量；

F為系統設定的每小時配料量；

x為配料系統運行時間，整小時數加一；

x'為x減去系統已經運行的整小時數。

4）控制皮帶速度的計算方法：

式中 )(tVi為皮帶單位時間應該運行的長度。

3 系統軟件設計

3.1 主程序

主程序分為初始化程序、信號采集、判斷運行模式以及模擬量輸出，流程如圖4所示，其中自動調節程序是配料系統計量的核心，通過讀取系統設定流量以及瞬時的荷重值和速度值，輸出合適的電流來控制變頻器驅動電機，實現控制皮帶加快或減慢。

圖4 主程序流程圖

3.2 累積量計算程序

本設計中對累積量的計算通過記錄采樣時有效稱量段上物料的重量，等待皮帶運行的長度等于有效稱量段的長度后，累積量增加n（Kg），如此循環進行，程序流程圖如圖5所示。

圖5 累積量計算流程圖

3.3 電機速度調節程序

電機的速度是由系統設定流量、傳感器的即時荷重、系統的運行時間、系統的累積量共同決定的，流程圖如圖6所示。

圖6 電機速度調節程序流程圖

4 結論

本文設計了一種智能化水泥自動化配料系統，具有操作方便、配料精度高、稱量速度快等優點，能夠克服現場運行環境惡劣、干擾因素眾多的現狀，有效地提高了系統的控制準確度和可靠性，解決了以往皮帶秤配料系統存在的系統誤差較大、動態特性不理想的問題。

本系統應用于安徽某水泥廠，能夠按照用戶要求自動完成下料、稱量、配料全過程，很大程度地降低了勞動強度，提高了生產效率和產品質量，對于提高水泥的質量有著十分重要的意義。

[1] 方原柏.電子皮帶秤的現狀和發展動向[J].衡器,2006,35(6):3-8.

[2] 王祖麟,周立成.基于PLC模糊控制自動配料系統研究,磚瓦,2011,(4):20-21.

[3] 潘笑,李琦,文劍波.新型高精度電子皮帶秤的研制[J].華東電力,2007,19(10):35-37.

[4] 韓仁生.自動配料控制系統設計及給料過程控制方法研究[D].沈陽:東北大學,2009.

[5] 梁萬用,胡智宏,江泳.基于AD7718的超硬材料粉末自動配料系統設計[J].儀表技術與傳感器,2010,(1):64-65.