新型镁质建材生产过程控制系统之机械研究及应用
2018-04-26 12:42:44 点击：
本文是一篇研究机械的论文，本文结合某大型镁质建材生产厂家的生产自动化控制项目，针对传统建材生产控制系统存在的系统稳定性差，原料称量精度低的问题，对提高建材生产自动化程度进行了深入探究。
3.1 网络通信协议的选择...................20
3.1.1 网络通信协议..........................20
3.1.2 通信协议的确定.......................20
第 4 章 原料称重控制系统设计···················41
4.1 称重系统设计.........................41
4.1.1 称重系统结构............................42
4.1.2 称重系统硬件选型.....................42
第 5 章 PLC 应用系统设计························49
5.1 可编程控制器介绍.........................49
5.1.1 PLC 的基本结构.......................49
5.1.2 PLC 工作原理.........................49
第 5 章 PLC 应用系统设计
第 1 章 绪论
1.1 课题背景及现状
一个国家的经济发展水平的重要标志就是制造业发展的高低，制造业在国民经济中占有非常大的比重，处于国家工业的首要地位，是国家工业发展的首要前提。建材是国民经济建设的重要基础原材料，与各类重工业、轻工业都有着紧密联系，与国家和人民的生活息息相关，不可分割[1]。随着我国综合实力的不断增强和经济发展水平的快速提高，作为国民经济重要的支柱产业，建材工业在国家的经济建设中越来越扮演着重要的地位，并且发挥出无可替代的积极作用。我国综合实力已经跃居世界前列，经济实力也日益增强，我国的建材产量目前占世界建材总产量的一半左右，建材工业成为衡量国家经济实力和国家经济建设发展水平的重要标志，国家的综合实力也可由此体现出来。
1.1 课题背景及现状
一个国家的经济发展水平的重要标志就是制造业发展的高低，制造业在国民经济中占有非常大的比重，处于国家工业的首要地位，是国家工业发展的首要前提。建材是国民经济建设的重要基础原材料，与各类重工业、轻工业都有着紧密联系，与国家和人民的生活息息相关，不可分割[1]。随着我国综合实力的不断增强和经济发展水平的快速提高，作为国民经济重要的支柱产业，建材工业在国家的经济建设中越来越扮演着重要的地位，并且发挥出无可替代的积极作用。我国综合实力已经跃居世界前列，经济实力也日益增强，我国的建材产量目前占世界建材总产量的一半左右，建材工业成为衡量国家经济实力和国家经济建设发展水平的重要标志，国家的综合实力也可由此体现出来。
建材工业在我国的国家经济建设中已经是最早实现工业机械化和自动化的领域之一，但是因为当时我国的基本国情，建材工业生产过程的自动化程度相对落后。在 20 世纪 80 年代初，为改善我国建材行业相对落后的状况，我国技术人员远赴欧美，曾多次从英国、德国、美国等发达国家整套或部分引进了一批建材生产线，这些生产线多数是采用继电器和接触器来完成整个生产加工流程的整体程序控制和生产过程期间的报警提示，只有个别是采用可编程控制器来进行生产过程的控制。在20 世纪 90 年代末，我国引进了建材先进的生产工艺和先进的生产设备，使自动化技术得以广泛的应用于建材厂家，提高了建材生产加工的效率，提升了产品的整体质量，给企业带来了经济效益[3]。在 21 世纪初期，随着国内外科学技术的飞速提高，在习近平总书记的“四个全面”战略布局的影响下，我国工业欣欣向荣，蓬勃发展，其中建材生产加工企业也在不断的增多，其技术也在不断的增强，实现了建材生产线的自动化控制，实现了对生产环节的信息化管理，加强了对生产环节的把控，强化了生产信息的管理，提高了建材的质量，带来了可观的经济效益。随着建材领域的不断发展，建材企业的规模也不断增大，人们对建材生产过程的控制系统也提出了更高的要求，要求生产过程的自动化系统具有更快速、更精准、更自动、更智能的特点[4]。
.........................
1.2 建材生产控制系统的发展
在建材企业的生产控制中，自动化控制系统必须要具有高度的稳定性、准确性和可靠性，在漫长的工业化生产的发展过程中，控制系统大体可以归纳为以下几种。
1.2.1 手动控制
在 20 世纪四五十年代之前，科技发展比较缓慢，先进的机器都还没用出现，建材企业的生产需要依靠大量的生产人员来手动控制设备，凭借生产人员来观察仪表的显示状态，从而手动控制各种设备的启停以及设备故障的检查，浪费了非常多的资源。
1.2.2 简易自动化控制
...........................
第 2 章 建材生产控制系统总体设计
............................
第 3 章 网络通信方案的研究················19.........................
1.2 建材生产控制系统的发展
在建材企业的生产控制中，自动化控制系统必须要具有高度的稳定性、准确性和可靠性，在漫长的工业化生产的发展过程中，控制系统大体可以归纳为以下几种。
1.2.1 手动控制
在 20 世纪四五十年代之前，科技发展比较缓慢，先进的机器都还没用出现，建材企业的生产需要依靠大量的生产人员来手动控制设备，凭借生产人员来观察仪表的显示状态，从而手动控制各种设备的启停以及设备故障的检查，浪费了非常多的资源。
1.2.2 简易自动化控制
在 20 世纪中后期，自计算机诞生以来，随着其快速发展，建材企业的自动化生产也出现新的曙光。从 20 世纪 70 年代开始，掀起了引进国外资源的潮流，他们的控制核心都是由继电器进行连锁控制的，这种控制方式基本能实现设备的半自动化，如三相异步电动机、大型起重升降机等大型工业设备都可以实现自动停止和功能性报警。德国西门子公司和意大利的纽利公司生产的生产线已经可以采用 PLC 进行控制，在这时计算机技术还是属于高端且没有普及的状态，所以很难实现更高程度的自动化生产控制。
1.2.3 直接数字控制系统
1.2.3 直接数字控制系统
直接数字控制系统（Direct Digital Control），简称为 DDC 系统，是指用计算机对控制对象进行参数的检测，通过数字量的传输通道（DI）和模拟量的传输通道（AI）进行对现场数据的实时监测和采集，使数据进入核心区域，再经过复杂的逻辑计算，使被控对象的参数稳定在设定值上，最后通过数字量的传输通道（DO）和模拟量的传输通道（AO）输出，使输出信号通过执行机构直接对现场的设备进行生产控制[5]。在这种系统中，计算机的输出直接作用到现场的控制对象，因此，它是一个闭环控制型系统，是计算机技术在工业生产中的一种广泛应用，其系统结构如图 1-1 所示。
...........................
2.1 镁质建材生产工艺流程
镁质建材生产工艺流程分为上料和配料两部分，两部分虽然紧密相连却又相互独立，工艺流程图如下图 2-1 所示，下面我就对工艺流程的两部分来进行详细介绍。上料系统主要负责将建材原料从地面运送向储料仓。
上料系统包含两种原料的上料：粉末状原料氧化镁和液体原料硫酸镁溶液。液体原料硫酸镁溶液是需要现场制作的，人工将袋装硫酸镁投入搅拌罐中，打开进水气动阀，开始向搅拌罐中加水，等到达高料位时停止加水，然后向搅拌罐中通入水蒸气，同时温度计开始测温，等温度到达 26 摄氏度时，停止加温，搅拌机开始搅拌，使晶体溶解，当溶液检测仪检测波美度到达 29 时，停止搅拌，开启提升泵将硫酸镁溶液抽取到储料罐中等待使用。粉末状的氧化镁原料上料过程比较复杂，袋装的工业级轻质氧化镁易储藏，但是将其运送到十米高的储料仓，光靠人力是不可能完成的，必须要依靠自动化的设备来实现目的。
镁质建材生产工艺流程分为上料和配料两部分，两部分虽然紧密相连却又相互独立，工艺流程图如下图 2-1 所示，下面我就对工艺流程的两部分来进行详细介绍。上料系统主要负责将建材原料从地面运送向储料仓。
上料系统包含两种原料的上料：粉末状原料氧化镁和液体原料硫酸镁溶液。液体原料硫酸镁溶液是需要现场制作的，人工将袋装硫酸镁投入搅拌罐中，打开进水气动阀，开始向搅拌罐中加水，等到达高料位时停止加水，然后向搅拌罐中通入水蒸气，同时温度计开始测温，等温度到达 26 摄氏度时，停止加温，搅拌机开始搅拌，使晶体溶解，当溶液检测仪检测波美度到达 29 时，停止搅拌，开启提升泵将硫酸镁溶液抽取到储料罐中等待使用。粉末状的氧化镁原料上料过程比较复杂，袋装的工业级轻质氧化镁易储藏，但是将其运送到十米高的储料仓，光靠人力是不可能完成的，必须要依靠自动化的设备来实现目的。
氧化镁上料系统主要由破袋机、风机、料封泵、除尘器和储料仓组成。操作人员将袋装的氧化镁依次放到破袋机的传送带上，袋装的氧化镁靠着摩擦力和传送带一起运动到机器顶端，然后靠重力往底部滑落，在下降过程中，通过快速转动的刀片切开袋子，被割开的破损的包装袋和粉状物料一起落入振动筛进行分离，破碎的袋子进入到破袋机的回收部分，从振动筛落下的物料从机器底部由螺旋输送机运送至通往风机的管道中，由破袋机处理完的物料被运送到管道中，这时管道的另一端安装有一个强劲的风机，风机和料封泵一起将氧化镁粉末吹向储料仓中。储料仓中设有高低料位，当储料仓的物料下降到低料位时开始往仓里加料，当物料到达高料位时表示料仓已满，停止加料。
............................
2.2 生产控制系统设计要求
生产控制系统的设计必须要满足建材生产工艺要求，能提高生产效率，能提高控制精度，能满足客户对建材产品的需求，给工厂带来切实的实际效益，实现自动化和绿色化生产。
2.2.1 生产控制系统工艺要求
建材的质量始终是工艺的最终要求，为满足产品的质量要求和提高生产效率，建材生产控制系统的工艺要求主要包括以下几方面：
生产控制系统的设计必须要满足建材生产工艺要求，能提高生产效率，能提高控制精度，能满足客户对建材产品的需求，给工厂带来切实的实际效益，实现自动化和绿色化生产。
2.2.1 生产控制系统工艺要求
建材的质量始终是工艺的最终要求，为满足产品的质量要求和提高生产效率，建材生产控制系统的工艺要求主要包括以下几方面：
（1）控制系统运行稳定，功能完善，安全性高。
（2）上料系统快速稳定，控制平稳，搅拌罐温度控制平稳。
（3）保证配料系统的配料精度，满足新工艺的精度要求[11]。
（4）控制室操作人员可以在线监控和控制整个生产系统的状态，可以在线改变原料的配比数据，人机界面清晰美观，操作简单。
（5）控制系统整体结构清晰明了，控制流程简洁易懂。
（2）上料系统快速稳定，控制平稳，搅拌罐温度控制平稳。
（3）保证配料系统的配料精度，满足新工艺的精度要求[11]。
（4）控制室操作人员可以在线监控和控制整个生产系统的状态，可以在线改变原料的配比数据，人机界面清晰美观，操作简单。
（5）控制系统整体结构清晰明了，控制流程简洁易懂。
2.2.2 生产控制系统技术要求
结合建材生产自动化控制系统的发展状况和本次系统的工艺要求以及现场生产设备的具体情况，对本次控制系统的技术要求提出以下几点：
（1）控制系统应该具有手动控制和自动控制两种操作模式，可以用来及时切换生产的模式，使生产更好的运行下去，避免出现失误。
（2）在配料系统中应使用先进的控制技术，提高配料的精度，能够准确的称量粉末状原料和液体原料，保证氧化镁称量的精度在 500KG 内误差不超过 5％。
（3）控制系统应和现场生产设备的控制要求相契合，使受控对象能稳定高效的运行[12]。
（4）控制系统必须具备良好的人机交互界面，可以清晰的监控实时的生产状态，快速准确的控制被控对象，可以显示生产的历史数据。
结合建材生产自动化控制系统的发展状况和本次系统的工艺要求以及现场生产设备的具体情况，对本次控制系统的技术要求提出以下几点：
（1）控制系统应该具有手动控制和自动控制两种操作模式，可以用来及时切换生产的模式，使生产更好的运行下去，避免出现失误。
（2）在配料系统中应使用先进的控制技术，提高配料的精度，能够准确的称量粉末状原料和液体原料，保证氧化镁称量的精度在 500KG 内误差不超过 5％。
（3）控制系统应和现场生产设备的控制要求相契合，使受控对象能稳定高效的运行[12]。
（4）控制系统必须具备良好的人机交互界面，可以清晰的监控实时的生产状态，快速准确的控制被控对象，可以显示生产的历史数据。
（5）控制系统必须能够长期安全有效的运行，并且应具有良好的可维护性，方便技术人员维修。
（6）满足企业生产规模的扩大，满足企业的发展需求，给企业带来良好的效益。
............................
（6）满足企业生产规模的扩大，满足企业的发展需求，给企业带来良好的效益。
............................
3.1 网络通信协议的选择...................20
3.1.1 网络通信协议..........................20
3.1.2 通信协议的确定.......................20
第 4 章 原料称重控制系统设计···················41
4.1 称重系统设计.........................41
4.1.1 称重系统结构............................42
4.1.2 称重系统硬件选型.....................42
第 5 章 PLC 应用系统设计························49
5.1 可编程控制器介绍.........................49
5.1.1 PLC 的基本结构.......................49
5.1.2 PLC 工作原理.........................49
第 5 章 PLC 应用系统设计
5.1 可编程控制器介绍
5.1.1 PLC 的基本结构
PLC 实质上是一种专门应用于工业控制的微型计算机，其基本组成包括以下几部分：
（1）电源
电源是 PLC 正常运行的基本保障，PLC 的电源采用开关式稳压电源，确保 PLC的稳定运行
5.1.1 PLC 的基本结构
PLC 实质上是一种专门应用于工业控制的微型计算机，其基本组成包括以下几部分：
（1）电源
电源是 PLC 正常运行的基本保障，PLC 的电源采用开关式稳压电源，确保 PLC的稳定运行
（2）中央处理单元
中央处理器是整个 PLC 的核心单元，它的性能直接决定 PLC 的性能，就像人的大脑一样，所有的命令也是从这里发出。
（3）存储器
存储器本质是一种半导体电路，但是它的特殊就在于它拥有记忆功能，它可以存放系统的信息、用户编制的程序和一些变量等数据信息，我们写入 PLC 的程序都是放在存储器中。
（4）输入输出单元
输入单元是 PLC 和输入设备的连接通道，是信号进入 PLC 的通道，它的功能是接收来自于被控设备的反馈信号，一般包括各种检测设备传输过来的执行元件的开关状态或是否故障状态。输出单元是连接 PLC 和被控设备的通道，PLC 发出的指令信号通过输出单元传递给被控设备，被控设备进而执行 PLC 给出的命令[55]。
.........................
中央处理器是整个 PLC 的核心单元，它的性能直接决定 PLC 的性能，就像人的大脑一样，所有的命令也是从这里发出。
（3）存储器
存储器本质是一种半导体电路，但是它的特殊就在于它拥有记忆功能，它可以存放系统的信息、用户编制的程序和一些变量等数据信息，我们写入 PLC 的程序都是放在存储器中。
（4）输入输出单元
输入单元是 PLC 和输入设备的连接通道，是信号进入 PLC 的通道，它的功能是接收来自于被控设备的反馈信号，一般包括各种检测设备传输过来的执行元件的开关状态或是否故障状态。输出单元是连接 PLC 和被控设备的通道，PLC 发出的指令信号通过输出单元传递给被控设备，被控设备进而执行 PLC 给出的命令[55]。
.........................
结论
本文结合了某大型镁质建材生产厂商的自动化生产控制系统项目，对现代工业常用的几种控制系统设计方案进行了深度全面的分析和研究，设计出了基于仿现场总线通信的分布式系统结构。对 RS-485 总线通信进行了全面的分析，就提高通信速率、提高通信的稳定性和 RS-485 总线的负载能力进行了讨论，并提出了可行性措施；针对建材生产过程控制系统中的称重环节进行了重点分析，就称重原料过程中的称重精度低的问题进行了分析和探究，分析了影响称量精度的原因，通过多次的实际称量试验，设计出了自动变频控制方案，使给料机能够根据实际情况进行变速给料，提高了称重环节的速度，保证了原料称量的精度，提高了整个生产控制系统的效率；对 PLC 控制系统的硬件和软件进行了设计，设计了良好的人机交互界面，和整个控制系统互相配合，包括上位机的组态设计和下位机的触摸屏界面设计，可以实时的对整个生产流程进行状态的监控和控制，使操作人员操作起来更加简单易懂。本文的主要工作如下：
本文结合了某大型镁质建材生产厂商的自动化生产控制系统项目，对现代工业常用的几种控制系统设计方案进行了深度全面的分析和研究，设计出了基于仿现场总线通信的分布式系统结构。对 RS-485 总线通信进行了全面的分析，就提高通信速率、提高通信的稳定性和 RS-485 总线的负载能力进行了讨论，并提出了可行性措施；针对建材生产过程控制系统中的称重环节进行了重点分析，就称重原料过程中的称重精度低的问题进行了分析和探究，分析了影响称量精度的原因，通过多次的实际称量试验，设计出了自动变频控制方案，使给料机能够根据实际情况进行变速给料，提高了称重环节的速度，保证了原料称量的精度，提高了整个生产控制系统的效率；对 PLC 控制系统的硬件和软件进行了设计，设计了良好的人机交互界面，和整个控制系统互相配合，包括上位机的组态设计和下位机的触摸屏界面设计，可以实时的对整个生产流程进行状态的监控和控制，使操作人员操作起来更加简单易懂。本文的主要工作如下：
（1）通过分析镁质建材生产的工艺流程和自动化控制要求，设计了以 Modbus总线通信网络为基础的分布式控制总体结构，结合现场总线技术，使生产自动化控制系统更加稳定、高效、智能。
（2）对 Modbus 通信协议进行了详细的分析，对通信接口进行了分析对比，对影响通信速率的原因进行了分析，选择了合适的通信方式，完成了智能仪表和控制器之间的数据通讯，实现了数据的实时交换，提高了通信的速率。
（3）根据工厂的工艺流程和控制要求，对 PLC 控制系统的硬件进行了详细的配置，对所需要的元件进行合理的选型和安装，对软件的程序进行了开发编制，对被控设备进行调试，提高系统的稳定性和可维护性。
（4）结合企业的工艺要求，对建材生产过程的称重环节进行了重点分析，设计出合适的称量方案，实现了电机的自动变速给料，减小了称量误差，提高了称量精度。
（5）开发编制了生产流程的监控系统界面及现场触摸屏的控制界面，使操作人员能实时直观的监控生产的状态，快速的控制生产设备，使操作变得简单易懂。
参考文献（略）
（2）对 Modbus 通信协议进行了详细的分析，对通信接口进行了分析对比，对影响通信速率的原因进行了分析，选择了合适的通信方式，完成了智能仪表和控制器之间的数据通讯，实现了数据的实时交换，提高了通信的速率。
（3）根据工厂的工艺流程和控制要求，对 PLC 控制系统的硬件进行了详细的配置，对所需要的元件进行合理的选型和安装，对软件的程序进行了开发编制，对被控设备进行调试，提高系统的稳定性和可维护性。
（4）结合企业的工艺要求，对建材生产过程的称重环节进行了重点分析，设计出合适的称量方案，实现了电机的自动变速给料，减小了称量误差，提高了称量精度。
（5）开发编制了生产流程的监控系统界面及现场触摸屏的控制界面，使操作人员能实时直观的监控生产的状态，快速的控制生产设备，使操作变得简单易懂。
参考文献（略）
- 上一篇：消防大数据综合应用平台解决方案 [2018-04-27]
- 下一篇：研究生论文的写作结构要求 [2018-04-26]