1 绪论
1.1课题的来源及现实意义
1.1.1 课题的来源
自动配料系统是一个针对各种不同类型的物料（固体或液体）进行输送、配比、加热、混合以及成品包装等全生产过程的自动化生产线。广泛应用于化工、塑料、冶金、建材、食品、饲料等行业。
在氧化铝生产及其它工业生产中，经常会遇到多种物料配比控制的情况。在手动控制状态下，需要根据生产情况，计算出各物料的配比，再根据配比，分别计算出各物料的理想下料量，对各台设备分别设定，来满足配比的要求。当生产情况发生变化，需要改变下料量时，则需要再次分别计算各物料的设定值，再次分别设定。计算,操作时间长，且容易出错，给生产带来不良因素。
而采用PLC控制方式以及新颖的变频调速喂料机构，配合配料控制软件包，实现物料传送、配料控制、配方设计、生产数据管理等功能。并可以通过网络实现多个配料系统的集合控制。专利技术解决物料结拱、粘稠液体物料传送、配料过程中下料冲击和空中悬料误差的自动校正等问题，提高了配料精度。
1.2设计任务与总体方案的确定
1.2.1设计任务
使用siemens公司的可编程序控制器及Wincc组态软件。设计控制系统要求：
1．画出主电路
2. 分配I/O地址，列出元件表；
3. 设计系统控制的程序框图。
4. 根据程序框图设计该系统的控制梯形图，写出指令表。
5. 上机调试通过。
6. 利用Wincc组态软件对系统进行模拟运行
1.2.2 控制要求
1. 自动配料将完成3种物料的自动配比控制；
2. 控制方式为主从比例控制方式；
3. PLC要实现各种物料下料量的采集、喂料装置的启停、物料下料量的控制；
4. 组态操作界面能显示设备的运行、停车、故障；
5. 操作界面要求显示每种物料的下料设定值、实际下料值；通过界面上设置的启动、停车按钮实现整个系统的开停；
2 PLC概述
2.1 PLC的发展历史
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。
PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
2.2 PLC的硬件和软件
2.2.1 PLC的硬件构成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
CPU的构成：CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
I/O模块：PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
电源模块：PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
2.2.2 PLC的软件构成
1.系统软件
系统软件包含3个部分：
（1）.系统管理程序。其作用一是运行时间管理，控制可编程控制器何时输入，何时输出，何时计算，何时自检，何时通信。二是存储空间管理，规定个中参数，程序的存放位置，以生成用户环境。三是系统自检程序，包括各种系统出错检验，用户程序语法检验，句法检验，警戒时钟运行。
用户指令解释程序。用户指令解释程序是联系高级语言程序和机器码的桥梁。
标准程序模块及其调用程序。这是许多独立的程序块，各程序块具有不同的功能。
（2）.用户程序
用户程序即是应用程序，使PLC的使用者针对具体控制要求编制的程序。根据不同的控制要求编制不同的程序，这相当于改变PLC的用途，相当于继电器控制设备的硬接线线路，也正是所谓“可编程”一词的基本含义。
2.3 PLC系统的其他设备
1.编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
2.机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
3.输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
2.4 PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
2.5 PLC的注意事由
保证PLC的正常运行，因此在使用中应注意以下问题。
1. 工作环境
1.1 温度
PLC要求环境温度在0~55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔；开关柜上、下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境超过55℃，要安装电风扇强迫通风。
1.2 湿度
为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。
1.3 震动
应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施。
1.4 空气
避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。
1.5 电源
PLC供电电源为50Hz、220（1±10%）V的交流电，对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接LC滤波电路。
3 自动化软件的发展现状
3.1发展历史及定义
自20世纪80年代初期诞生至今，自动化软件（组态软件）已有20年的发展历史。应该说组态软件作为一种应用软件，是随着PC机的兴起而不断发展的。80年代的组态软件，像Onspec、Paragon500、早期的FIX等都运行在DOS环境下，图形界面的功能不是很强，软件中包含着大量的控制算法，这是因为DOS具有很好的实时性。90年代，随着微软的Windows3.0风靡全球，以Wonderware公司的Intouch为代表的人机界面软件开创了Windows下运行工控软件的先河，由于Windows3.0不具备实时性，所以当时，80年代已成名的自动化软件公司在对于操作系统的支持上，或按兵不动，或将组态软件从DOS向OS/2移植，人们这样做的原因，是大家都认为工控软件必须具有很强的实时性和控制能力，必须运行在一个具备实时性的操作系统下，像DOS、OS/2、WinNT（1993年才推出）等。历史证明，在当时的硬件条件下，上位机做人机界面切中了用户的需求，Wonderware因而在不长的时间内成为全球最大的独立自动化软件厂商，而在80年代靠DOS版组态软件起家，后来向OS/2移植的公司后来基本上都没落了。
那么，本文中提到的自动化软件指什么？到底什么是自动化软件？它应该具备哪些功能和特征呢？
首先，自动化软件主要包括人机界面软件（HMI），像Intouch、iFix、组态王等；基于PC的控制软件，统称软PLC或软逻辑，像亚控的KingAct以及即将推出的组态王嵌入版、西门子的WinAC等；还包括生产执行管理软件，许多专家也将这一类软件归为MES（ManufacturingExecutionSystem），像Intellution公司的iBatch、Wonderware公司的InTrack等，另外，与通用办公自动化软件相比，自动化软件还应包括相应的服务。
其次，自动化软件主要具备如下功能及特征：工业过程动态可视化；数据采集和管理；过程监控报警；报表功能；为其他企业级程序提供数据；简单的回路调节；批次处理；SPC过程质量控制；符合IEC1131-3标准。
3.2发展趋势
在自动化软件赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但制造业的需求是决定性的。制造业的发展，带来了对自动化软件需求的提升；也决定了自动化软件将由过去单纯的组态监控功能，向着更高和更广的层面发展。
（1）开放性技术
自动化软件正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用户还是硬件供应商都将自动化软件作为全厂范围内信息收集和集成的工具，这就要求自动化软件大量采用“标准化技术”，如OPC、DDE、ActiveX控件、COM/DCOM等，这样使得自动化软件演变成软件平台，在软件功能不能满足用户特殊需要时，用户可以根据自己的需要进行二次开发。比如组态王6.0中提供了4个开发工具包，就是使用户可以进行二次开发。自动化软件采用标准化技术还便于将局部的功能进行互连。
（2）构造全厂信息平台
ERP是国内炙手可热的话题，但目前的ERP主要应用在商业企业的财务、销售、物流等方面。在国内外的企业生产中，还没有多少企业能够将生产信息和ERP系统整合到一起，使生产效率和市场效益最大化，也就是说在工业现场和ERP之间存在着鸿沟，如何使实时历史数据能够进入企业信息管理系统，是现代信息工厂迫在眉睫的需求。随着大型数据库技术的日益成熟，全球主要的自动化厂商已发展了相关平台，使自动化软件向着生产制造和管理的信息系统的方向发展。自动化软件已经成为构造全厂信息平台的承上启下的重要组成部分。在未来企业的信息化进程中，自动化软件将成为中间件，因为自动化软件厂商在既了解企业工艺、控制、生产制造需求，又能完成现场历史数据的记录、存储及为ERP提供生产实时数据方面有着得天独厚的优势。
（3）无线的人机界面解决方案
数字终端已具备越来越强的功能和智能化，像现在可以看到的预装了WinCE的PDA，具备非常好的图形能力。蓝牙技术发展迅速，据专家预测，其未来的传输距离可达100m，另外，以XML为基础的WML语言标准已经建立。这些技术的发展为无线的人机界面解决方案提供了先决条件。和其他技术相比，无线的人机界面能够以更低的费用，更快的连接、更容易地获取重要的生产信息，像紧急报警、重要事件、生产过程中的重要参数等等。
（4）以客户为导向的软件设计
如何站在客户的角度来设计软件是所有自动化软件厂商都应面对的挑战，自动化软件涉及从控制、人机界面到生产管理的多个层次，相应存在着多个模块，比如亚控目前有组态王和软逻辑两大产品模块，保持不同模块的一致性，能有效地减少用户学习的时间。相同的数据结构也便于产品在企业内集成。这种一致性不仅表现在外观和感受上，还表现在兼容性、平台、编程工具、数据访问、控制引擎、E-Business等诸多方面。例如西门子的WinCC和编程软件STEP7使用了相同的数据结构，这使得用户只需将系统中的数据点定义一次。
3.3监控组态软件WINCC简介和应用
3.3.1 WINCC简介
监控组态软件不仅有监控和数据采集(SCADA)功能，而且有组态、开发和开放功能。监控组态软件是伴随着计算机技术、DCS和PLC等工业控制技术的突飞猛进而发展起来的。随着个人计算机(PC)的普及和开放系统的推广，基于PC的监控组态软件在工业控制领域不断发展壮大。监控组态软件广泛运用于工业、农业、楼宇和办公等领域的自动化系统。
随着计算机硬件和软件技术的发展，自动化产品呈现出小型化、网络化、PC化、开放式和低成本的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的硬件、软件和网络结构系统。监控组态软件已经成为其中的桥梁和纽带，是自动化系统集成中不可缺少的关键组成部分。
西门子公司的W1nCC是WlndowsControIConter(视窗控制中心)的简称。 它集成了SCADA、组态、脚本(Script)语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统(W1ndows 2000或XP)环境下使用各种通用软件的功能。WinCC继承了西门子公司的全集成自动化(TIA)产品的技术先进和无缝集成的特点。
WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一个特点在于其整体开放性，它可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。用户也可将WinCC作为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。
WinCC因其具有独特的设计思想而具有广阔的应用前景。借助于模块化的设计，能以灵活的方式对其加以扩展。它不仅能用于单用户系统，而且能构成多用户系统，甚至包括多个服务器和客户机在内的分布式系统。WinCC集生产过程和自动化于一体，实现了相互间的集成。
3.3.2 WINCC的特点
纵观WinCC系统的特点，我们可以看到两个明显的特征。
一、WinCC不是孤立的软件系统，它时刻与以下系统集成在一起：
1.与自动化系统的无缝集成。西门子公司的PI。C产品，经历了从早期致力于提高运行速度，到增强系统通信和联网能力，再到融合了运动控制技术等诸多技术的T系列产品以及故障安全型的F系统的发展阶段。在这样的背景下，WinCC与相应的硬件系统紧密结合，通过统一的组态和编程、统一的数据管理及统一的通讯，极大地降低了用户软硬件组态的工程量，实现了整个产品范围内的高度集成。
2.与自动化网络系统的集成。从现场总线PROFIBUS到工业以太网，再到PROFINET技术和基于组件的自动化技术CBA(Component-Based Automation)，以及无线通讯解决方案，由于WinCC内置了基于S5/S7协议的通讯系统，并提供了大量面向这些系统和技术的组件，从而为WinCC和这些系统的最优化通讯和良好的互操作性提供了保证。至于在WinCC平台上实现基于PROFIBUS的诊断功能，以及基于以太网的网络管理功能等，更是锦上添花之笔。
3.与MES系统的集成。制造执行系统MES(Manufacturing Execution Systems)，作为连接企业生产系统和管理系统的桥梁，包含了生产订单管理、原材料管理、生产运营记录、设备管理、工厂信息管理、生产规范管理系统和实验室信息管理等系统，代表着现代化智能工厂发展的最新潮流。来自西门子公司的MES系统SIMATIC IT正是代表这一潮流的优秀系统。通过适当的适配系统，WinCC可以轻松地集成在该系统下。换言之，实施了基于WinCC的HMI/SCADA系统，就为实施MES系统打下了坚实的基础。
4.与相应的软硬件系统一起，实现系统级的诊断功能。诊断功能包括产品和系统的层次，贯穿于工程实施阶段、调试阶段和运行阶段。配合适当的软硬件系统，如Pr。Ag-ent等，WinCC可以方便地实现基于不同通讯协议、从软件到硬件、从自动化站到操作站乃至整个SCADA网络的诊断。
二、坚持开放性和先进性高于一切的理念开放性和标准化是软件系统的生命线
1.整个系统通过完整和丰富的编程系统实现了双向的开放性。借助C脚本，WinCC几乎可以通过Win32 API无限制地访问到Windows操作系统及该平台上各种应用的功能，这正是现代SCADA系统的魅力所在；而VB脚本则从易用性和开发的快速性上相得益彰。反过来，通过ODK，WinCC的整个组态和运行系统又完全呈现给任何用户自行开发的系统，为希望以WinCC作为平台软件进行工厂管理级软件和信息系统开发的用户提供了绝佳的平台。
2.数据库系统全面开放。数据库是SCADA系统的灵魂。从最基本的单用户系统开始，WinCC就内置了高效的数据库系统。它既可与操作站部署在同一台PC上，又可以紧耦合(中央归档服务器)或松耦合(长期归档服务器)的方式独立于操作站配置。通过ADO，OI。EDB，SQL等，WinCC的数据库系统完全开放，这就为构成灵活而高效的IT和商务系统做好了充分的准备。
3.广泛采用最新的开放性软件技术和标准，面向多种操作系统平台。WinCC是第一个完全基于32位内核的HMI/SCADA软件，因而，各种开放和最新的软件技术就成为WinCC的代名词。西门子公司作为OPC规范的五个发起公司之一，在各类产品中广泛支持OPC，WinCC更是囊括了OPCDA，OPCHDA，OPCASLE和OPCXML等多种规范。与此同时，WinCC支持包括Windows C正在内的多种Wind。ws平台，能满足用户从移动式设备(如PDA)到远程客户机等各种应用需求。
4 配料系统简介
全自动配料控制系统在各行业的应用已屡见不鲜，如：冶金，有色金属，化工，建材，食品等行业。它是成品生产的首要环节，特别是有连续供料要求的行业，其配比的过程控制直接影响了成品的质量，它是企业取得最佳经济效益的先决条件。虽然行业各自不同的工艺特点对配料控制要求也不同，但其高可靠性，先进性，开方性，免维护性，可扩展性是工厂自动化FA所追求的一致目标。
4.1自动配料系统的特点
(1) 配料现场粉尘大, 环境恶劣;
(2) 各组份在配方中所占比例不同, 有时甚至差异悬殊;
(3) 配料速度和精度要求高;
(4) 配方可能经常变换、调整;
(5) 物料可能受环境温度、湿度影响。
4.2 自动配料系统的优点
操作界面简洁、方便、美观、稳定性好、容错能力强、配料精度高、产量高，简单易学，即使没有学过电脑的人员，只要按照操作说明书来操作，很快就会上手。设备有故障，配料系统自锁或提示操作员操作员按下暂停键，并声光报警提示操作员，如混合机故障，再者如当配料超重或过轻，配料暂停，提示操作员，等待确认，配料继续。配料秤静态误差±１‰FS；动态误差0.0±２.0‰FS；
4.3 自动配料系统组成
自动配料系统是对粉粒或液体物料进行单秤称重并按所选配方混合这一工业过程进行实时监控管理的自动化系统,已广泛应用于冶金、建材、化工、医药、粮食及饲料等行业。一般的工业自动配料系统由以下几部分组成。
(1) 给料部分:给料部分是从料仓(或储罐) 向称重设备中加料的执行机构。根据物料的不同特性,可以选用不同的给料设备,如电磁振动给料机、螺旋给料机、单(双) 速电磁阀等。
(2) 称量部分:称量部分由传感器、标准连接件、接线盒和称量斗组成,与称量仪表一起进行物料的称量以及误差的检测。
(3) 排料设备:排料可以是称重设备(减量法) 或排放设备(增量法、零位法) 。通常由排空阀门、电磁振动给料机、螺旋给料机、电(气) 动阀门等组成。所有设备均应根据现场的工艺条件和物料的性质等进行设计和选择。
(4) 配料控制系统:配料控制系统由称量仪表、可编程控制器、上位工控机及其它控制器件等组成。
(5) 校秤系统:配料系统传感器应进行定期调校,以保证系统配料精度。
4.4配料技术的最新进展
目前, 称重配料系统的流程控制几乎全部由可编程控制器(PLC) 来实现, 上位计算机主要用于配方管理、屏幕人机对话和称重资料的存储打印等工作。随着微处理器技术的发展, 配料系统中的称量仪表由最初的专用积木式仪表发展为智能化的工业控制终端以及专门的配料控制器。配料控制器是用来控制一种或多种物料的配制的微电脑系统, 可以完全或部分取代可编程控制器, 实现配料的自动化。称量仪表的功能也由最初的资料显示发展为具有自诊断、自动零位跟踪、置零去皮、预置点输出、动态称重、数据通信等多项功能。
近年来, 随着现场总线技术的推广, 将传统的配料控制系统改进为基于现场总线的控制系统成为科技进步的必然趋势。目前, 许多用于配料的称重仪表已经有了Profibus、Modbus 等现场总线接口,使基于现场总线的配料控制系统成为可能, 基于现场总线的配料控制系统正在迅速推广。
5 自动配料系统的设计
5.1 配料系统的设计
配料系统的设计包括称重方式选择、给料方式选择、生产线结构方式选择、配料控制系统的设计等。
5.1.1 称重方式选择
在工业配料过程中, 常用称量方式有进料式称量和卸料式称量2 种。进料式称量有2 种实现方法, 第1 种方式称为零位法, 即在称量开始时通过给料设备向称量料斗内给料, 在称量值达到设定值时停止给料, 然后打开闸门将料卸出, 再从零位重新称量下一物料; 第2 种方式称为增量法, 即称量料斗接收、称量好一种物料后, 不排空料斗, 而是只将电子秤内部计数值清零, 再接收另一物料。显然, 零位法的称量精度比增量法的称量精度高。
采用进料式称量, 当给料设备停止给料后, 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, 这些余料称为落差。因为有落差的影响, 增量法称量物料重量的设定值应为要配制的物料标准重量减去落差值。
为保证称量速度和称量精度, 在进料式称量时一般采用双速给料的方法, 即先快速给料至设定值的90 %～95 % , 以保证称量效率, 然后慢速给料,以保证称量精度。卸料式称量首先向料斗内装入始终多于配方要求的物料, 然后自料斗内向外卸料进行称量, 落下的物料的重量就是要配制的物料的重量。减量法称量还可以省去料斗, 直接将传感器安装在料仓上,料仓中物料总重量减少的数值就要配制的物料的重量值, 此方法由于精度太低而较少采用。减量法只能一料一秤。
同样为了兼顾速度和精度, 减量法也采取双速卸料, 一般是先快速卸料, 到达设定值的90 %～95 %时改为慢速卸料。
在进料式称量中, 由于物料本身特性及料斗原因可能造成卸料不净, 从而产生称量误差。卸料式称量只称量从料斗中取走的物料量并显示其重量,不存在卸料干净与否的问题, 因而该方式特别适合于称量难称的物料, 如易粘附的物料等, 其缺点是设备比较复杂, 需要同时有给料装置和卸料装置,要求车间高度较高,并且由于称量料斗内的物料重量值总是高于需要配制的物料的重量值, 从而导致传感器量程增大, 造成称量精度降低。因而一般情况下卸料式称量的精度比进料式称量的精度低。
5.1.2 给料方式选择
目前, 称重配料系统最常用的给料装置有电磁振动给料机和螺旋给料机。
电磁振动给料机运用机械振动学的共振原理,双质体在低临界近共振状态下工作, 无转动部件、耗电少、体积小、重量轻、运行费用低。在给料过程中, 物料在料槽中被连续抛起, 并按抛物线轨迹向前作跳跃运动, 因此对料槽的磨损较小。其缺点是安装后的调试较复杂, 调整不当会产生噪声且运行不好。
与电磁振动给料机相比, 螺旋给料机给料均匀, 受外界影响小, 机械振动小, 运行平稳, 对称量的干扰也小, 可以避免因振动造成的粉料分层。但螺旋给料机上安装有电动机和减速器, 重量大,效率较低。对于液体物料, 一般采用阀门控制给料量。
5.1.3 生产线结构
(1) 采用固定式单组份料斗秤的结构:每个料仓对应1台料斗秤,各组份原料在称量后由溜槽、集料带或集料小车收集并导入后续工序。
(2) 采用固定式多组份料斗秤的结构:几个料仓对应l 台料斗秤, 各组份原料在同一台料斗秤内累加称量后由集料带或集料小车收集并导入后续工序。
(3) 采用移动式料斗秤的结构:通过移动带有称量料斗的集料小车进行各种物料的累加式称量。采用这种方式进行配料需要集料小车有很好的定位精度。
(4) 采用称重带式输送机式的多组份秤的结构:料仓的出料机构就是多组份秤的给料机构, 各种物料在移动的配料带上由皮带秤进行累加称重。
5.2 配料系统的组成
一般的自动配料系统由以下几部分组成:
(1)给料部分给料部分是从料仓(或储罐)向称重设备中加料的执行机构
根据物料的不同特性, 选用不同的给料设备, 如电磁振动给料机、螺旋给料机、单(双) 速电磁阀等。
(2) 称量部分称量部分由传感器、标准连接件、接线盒和称量斗组成, 与称量仪表一起进行物料的称量以及误差的检测。
(3) 排料设备排料可以是称重设备(减量法)或排放设备(增量法、零位法) 。通常由排空阀门、电磁振动给料机、螺旋给料机、电(气) 动阀门等组成。所有设备均应根据现场的工艺条件和物料的性质等进行设计和选择。
(4) 控制系统配料控制系统由称量仪表、上位工控机、可编程控制器及其他控制器件等组成。典型的配料控制系统在一些比较简单的称重配料系统中, 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的控制。
(5) 校秤系统配料系统传感器应定期进行调校, 以保证系统配料精度。
5.2.1 输送装置的设计
此配料系统所配物料有3种，均为块状物料，均采用皮带运输机输送，通过变频电机控制皮带速度，调整下料量。
为了能够适应维修、备用、互换的需求，3种物料的运送皮带都选用相同的规格，皮带宽度为800mm，最大下料量为60t/h，在下料口部位做相应的设计，能够方便调整皮带上物料的厚度，配合皮带速度的调整，实现下料量大范围的控制。放料门采用气动放料门， 结构简单、紧凑，适用于对放料速度要求较高的场合。
5.3 计量系统的设计
根据下料量的要求，对称重元件及测速元件进行设计。
5.3.1 称重元件设计
1.电子秤以自动秤量方式将散状物料按预定的配比进行秤量，该秤可控制物料的秤量、卸料。当饲料到规定的数值时，指针移到相应的接近开关处，使电子秤动作，再执行下一步饲料的送料和秤重，依此类推，直到全部饲料配比完毕。
电子秤由秤体、称重传感器和放料门组成。称重传感器采用高精度称重传感器，该钢制弹性体具有较强的抗过载能力和较长的使用寿命，特别适用于工业现场恶劣环境下高准确度配料的技术要求。称重仪表性能稳定，抗干扰能力强，功耗低、可靠性高，而且具有远程数据通讯功能、设定预置功能及落差补偿功能，可实现准确、高速动态采样。其最大载荷可达250KG/M。它的输出信号驱动其微型输出继电器，以开关量形式将信号送入PLC，它有调零、去皮重、加皮重和拨码盘设定称量值等功能。
2.皮带称的工作原理：物料通过给料设备送至配料皮带秤，秤体中的称重传感器和测速传感器将称重和速度信号送至皮带秤仪表，皮带秤仪表显示输送物料的瞬时流量、累计量等数据，同时将瞬时流量以4～20mA模拟电流形式送往PID调节器，调节器根据测量值与设定值的偏差，通过变频器去调整皮带秤驱动电机的转速，使之精确地以用户设定的给料流量给料，达到恒定物料瞬时流量的目的。适用该工作模式的工艺现场必须满足这样一个前提条件，那就是物料给出量必须与给料控制电机的转速成正比。
图1 皮带称结构
皮带秤仪表将测量到的瞬时流量转化为两个4～20mA模拟输出信号，一个作为PID调节器的反馈输入与调节器机内设定植比较参与反馈运算，另一个作为PID调节器的前馈输入乘前馈放大系数，然后再与反馈运算输出相加输出4～20mA模拟调节信号控制变频器的频率从而及时改变电机的转速。单回路前馈-反馈复合控制系统较为实用可行的电原理图如图2所示。
图2 单回路前馈-反馈复合控制系统较为实用可行的电原理图
5.3.2 测速元件的设计
这里采用变频器进行调速。
1.变频调速基本原理：
三相异步电动机的转速公式为: n = n1 (1-s)=60f(1-s)/p (1)
式中:
n — 电机的转速，r/min
n1 — 同步转速，r/min
p — 磁极对数
s — 转差率，%
f — 频率，Hz
由转速公式（1）可知, 我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽(10%～100%)和精度高等性能，节电效果20%～30%。 实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即： U∝E=C1fΦ （2） 式（2）中，C1为常数，因此有：Φ∝E/f≈U/f （3） 若外加电压不变，则磁通Φ随频率而改变，如频率f下降，磁通Φ会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速(VVVF)，简称变频调速。
从结构上看，静止变频调速装置可分为交-直-交变频、交-交变频两种方式。前者适用于高速小容量电机，后者适用于低速大容量拖动系统。只要设法改变三相交流电动机的供电频率f, 就可以十分方便地改变电机的转速n, 比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。
2.变频器的构成
异步电机的变频调速是通过变频器实现的。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器(MCU/DSP)等部分组成。图3给出了PWM型交-直-交变频器的控制原理框图。
图3 PWM型交-直-交变频器原理框图
由图2可知，这是一个VVVF变频调速系统。首先是将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后形成幅值基本稳定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f的协调控制的要求。PWM的优点是能消除与抑制低次谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，调速范围宽。近年来，带驱动和保护电路的各种智能功率模块(IPM)也相继应用在变频系统中。IPM模块是将三相逆变IGBT、驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上，它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了解接口电路和定义，很快便可以组成并运行系统，从而大大加快了新产品的开发周期。
为了提高配料精度，给料方式采用快、慢速给料。当料斗料重小于设定比例的时，配料皮带电机在变频器调节下，转速大雨=于额定转速，即快速给料；在料斗料重大于设定比例时，配料皮带电机在变频器调节下，电机转速低于额定转速，即慢速给料；
6 控制系统硬件设计
6.1 PLC的选型
本设计中采用西门子公司的S7-200型PLC,其优越的性能表现为极高的可靠性极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。
6.1.1 S7-200的特征
1.体积小, 尺寸: 160×80×62mm由于其紧凑的设计,S7- 200可以适合于任何机器控制环境。
2.易于使用: 通过STEP7- Micro/Dos软件可以非常方便地为S7- 200编程,而且该软件能够在任何一台IBM兼容个人计算机上使用,哪怕是一台286 的微机,要求MS-DOS5.0以上。
3.灵活多用: S7- 200的输入ö输出点可以支持各个领域的设备,如: 光电传感器,驱动马达按钮开关,灯,泵,搅拌器等。
6.1.2 S7- 200的主要组成部件
1.中央处理器(CPU ):是控制系统的大脑,它根据用户程序进行控制。
2.输入和输出( I/O ):是系统的控制点,输入用于监视现场装置，输出用于控制执行机构。
3.编程口:用于连接编程设备,例如,一台计算机或一个手持编程器。
图4 S7-200简易组成连接图
6.1.3 软件
S7-200的编程软件叫做STEP7- Micro/Dos它基于MS-Dos5. 0上的版本。STEP7-Micro/Dos 的编程语言有两种表示方法:语句表和梯形图。
6.2 称重仪表的选配
称重仪表即能满足计量需要，又能适应控制要求，既能接受传感器的信号，完成计量计算，又能接受控制系统的下料量设定信号，并根据测量信号与设定值的偏差，自动调整皮带机的转速，将下料量控制在要求范围内。
在这里选用电子秤，其工作原理如下：秤重物品经由装在机构上的重量传感器，将重力转换为电压或电流的模拟讯号，经放大及滤波处理后由A/D处理器转换为数字讯号，数字讯号由中央处理器(CPU)运算处理，而周边所须要的功能及各种接口电路也和CPU连接应用，最后由显示屏幕以数字方式显示。
图5 电子秤的工作原理图
电子秤的主要组成组件：
1.重量传感器
2.放大器电路
3.滤波器电路
4.模拟数字转换器
5.中央处理器
6.电源供应电路
7.按键
8.外壳
9.机构
10.秤盘
电子秤的功能特点：
1.电子秤数字温度自动补偿技术。采用一个三积分A/D转换器，对重量、温度、电池电压三测量，对传感器的温度零漂，温度满量程漂移，分二十个区间，线性化全自动软件补偿，硬件成本增加极少，使电子计价秤、计重秤达到国际标准。
2.电子秤多机总线联网（无须接口板），一台PC机可遥控几十台电子秤键盘操作和各种数据采集。
3. 惊奇的通讯技术，电子秤多CPU单总线双向数据通讯。打开进口的条码电子秤，线束数百根，而三积分条码电子秤各模块间只用一根线通讯。
4. 电子秤函数型线性补偿技术。检测两个加载点，达到十个加载点补偿的效果，全自动解方程计算曲线参数，轻轻松松达到高精度线性补偿的目的。
5. 电子秤抗干扰、高精度称重滤波技术，将普通的一台电子秤读数稳定度提高五倍以上。
6. 模块化部件设计，加快电子秤的开发速度和产品的系列化，A/D模块三种，低阻抗、高阻抗、带CPU模块，数字化CPU模块多种，现推出一种高性能CPU模块：53(29mm，内置实时时钟、RS232、RS485、DA、4M FLASH、多路I/O、单总线通讯、在线可编程模块。目标只用一块CPU模块解决所有称重问题。
6.3 操作站的选配
1.上位组态监控软件的初始化
具体包括：变量的初值；初始化命令语言；上下位机变量网络地址的对应；设置报警条件，所需记录的历史数据等。
2.组态监控软件的各功能模块及数据库间的关系
图6 组态监控软件的各功能模块及数据间的关系
7 控制系统的软件设计
7.1 称量仪表参数设定
7.1.1 电子秤参数设定
1.最高输入灵敏度：0. 8μv／d。
2.零点信号范围：—1～12mV。
3.A/D分辨率：1/ 6 万。
4.量程信号范围：0～30mV。
5.A/D转换速率：20～30次 / 秒。
6.供桥电压：12V。
7.工作电压：～220V±10%。
8.使用温度：0～40℃。
9.消耗功率：≤15w。
10.保险管：≤ 1 A。
11.重量单位：kg
12.最大流量：根据实际需要设置范围
7.1.2 皮带秤参数设定
重量单位：根据需要设置成T/KG。
流量单位：根据流量范围合理设置。
最大流量：设置正常显示的最大流量，根据各皮带秤的下料量不同而分别设置。
秤台长度：是物理称重的有效长度，本设计所用皮带秤有效长度为1.1m。
7.2 PLC程序编制
PLC要实现的功能只要有各物料下料量的采集、各喂料装置的启停、各物料下料量的控制、各物料下料量的累计。
各种物料的采集只需在PLC模块中对各物理量进行组态，按照硬件定义各量的通道，根据各量的实际情况定义信号高低位、电流高低位参数即可。
1.PLC I/O点配置表
2.程序流程框图
图7程序流程框图
3.系统程序顺序功能图
图8系统程序顺序功能图
注意：由于版面问题Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0都是持续输出的。具体见附件A（PLC梯形图编制）。
7.3操作站WINCC组态系统
1.系统的主要特点：
该系统以标准化协议通信、模块化程序设计、集中管理、分散控制、操作简便为基本设计思想，它应用了计算机技术、信息处理技术、测量处理技术、测量控制技术、通讯网络技术和人机接口技术。它既不同于单一的仪表控制系统，也不同于单纯的计算机管理系统，而是吸收了两者的优点。
2.控制系统原理
该控制系统由皮带秤架、螺旋秤架，称重传感器、测速传感器、信号变送器、工控机、变频器及交流电机组成。
图9 操作站配置系统图
3.上位组态软件WINCC
先对上位组态软件初始化具体包括：变量的初值；初始化命令语言；上下位机变量网络地址的对应；设置报警条件，所需记录的历史数据等。
图10 WINCC中设定的部分变量
4.操作界面设置
根据生产的需要设计操作界面，操作界面上能显示各主要参数的实际情况，显示各设备的运转情况，显示各故障报警情况，并能实现操作人员对设备的有效控制，对配料参数的输入及调整。
5.操作界面的操作
操作界面上画出了3台被控设备的示意图，每台被控设备电机位置的指示灯以不同的颜色显示该设备的运行、停机状态。气动阀门位置浅蓝，绿两色代表阀门的开闭两种状态。I/O域的0、1分别显示了状态的闭、开。
图11 WINCC模拟的组态系统初始图
图12 系统进行料位检测时显示的红灯与料满时的绿灯
测速电机在皮带称显示是开始启动根据不同的比例改变速度，其中的绿色，红色，蓝色分别表示电机的常转、慢转、快转。皮带称显示时由原来的灰色变为红色。
图13 运行中的配料系统
图14 测速电机快转信号（蓝色）
图15 测速电机慢转信号（红色）
每台秤由3个棒图分别显示该秤的下料设定值，实际下料值。设定值为PLC计算出的，送到控制仪表的值。
图16 皮带称过程显示
图17 电机速度显示
8 总结
1.PLC是面向工业发展起来的一种新型的工业控制器，它将计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点。传统继电器控制系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，且其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，在工业生产过程控制中得到了广泛的应用。近几年，在电石厂、冶炼厂、钢铁厂等重型1业的配料系统和输送系统中广泛采用了PLC控制，改善了工人的工作环境，精简了操作人员，减少r配料中的人为误差，取得良好的经济效益。
2.配料控制系统应用比较广泛，采用了可编程控制技术，使整个控制系统的可靠性和精度大大提高，实现了自动控制。同时山于PLC扩展容易，可以对它进行扩展，如只需增加I/O接口模块就可扩展原料系统的输送控制；也可以与电炉控制系统连接，只需增加通信模块就可实现与上位机的通信，从而实现电炉整个系统的计算机管理。
3.本配料系统所选用的PLC控制系统与单片机系统相比，稳定性高，不易受外界电磁的干扰。
4.系统可实现实时选择、修改、设置各种参数及配方，对现场实时监测和控制。
5.上位机使用PC机，通过RS一232串口传给下位机，并对下位机的工作状况进行监控。