新型鎂質建材生產過程控制系統之機械研究及應用

來源: www.tcwpwd.live 作者:vicky 發布時間:2019-04-24 論文字數:44524字
論文編號: sb2019040209551525684 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇研究機械的論文,本文結合某大型鎂質建材生產廠家的生產自動化控制項目,針對傳統建材生產控制系統存在的系統穩定性差,原料稱量精度低的問題,對提高建材生產自動化程度進
本文是一篇研究機械的論文,本文結合某大型鎂質建材生產廠家的生產自動化控制項目,針對傳統建材生產控制系統存在的系統穩定性差,原料稱量精度低的問題,對提高建材生產自動化程度進行了深入探究。

第 1 章 緒論

1.1 課題背景及現狀
一個國家的經濟發展水平的重要標志就是制造業發展的高低,制造業在國民經濟中占有非常大的比重,處于國家工業的首要地位,是國家工業發展的首要前提。建材是國民經濟建設的重要基礎原材料,與各類重工業、輕工業都有著緊密聯系,與國家和人民的生活息息相關,不可分割[1]。隨著我國綜合實力的不斷增強和經濟發展水平的快速提高,作為國民經濟重要的支柱產業,建材工業在國家的經濟建設中越來越扮演著重要的地位,并且發揮出無可替代的積極作用。我國綜合實力已經躍居世界前列,經濟實力也日益增強,我國的建材產量目前占世界建材總產量的一半左右,建材工業成為衡量國家經濟實力和國家經濟建設發展水平的重要標志,國家的綜合實力也可由此體現出來。
建材工業在我國的國家經濟建設中已經是最早實現工業機械化和自動化的領域之一,但是因為當時我國的基本國情,建材工業生產過程的自動化程度相對落后。在 20 世紀 80 年代初,為改善我國建材行業相對落后的狀況,我國技術人員遠赴歐美,曾多次從英國、德國、美國等發達國家整套或部分引進了一批建材生產線,這些生產線多數是采用繼電器和接觸器來完成整個生產加工流程的整體程序控制和生產過程期間的報警提示,只有個別是采用可編程控制器來進行生產過程的控制。在20 世紀 90 年代末,我國引進了建材先進的生產工藝和先進的生產設備,使自動化技術得以廣泛的應用于建材廠家,提高了建材生產加工的效率,提升了產品的整體質量,給企業帶來了經濟效益[3]。在 21 世紀初期,隨著國內外科學技術的飛速提高,在習近平總書記的“四個全面”戰略布局的影響下,我國工業欣欣向榮,蓬勃發展,其中建材生產加工企業也在不斷的增多,其技術也在不斷的增強,實現了建材生產線的自動化控制,實現了對生產環節的信息化管理,加強了對生產環節的把控,強化了生產信息的管理,提高了建材的質量,帶來了可觀的經濟效益。隨著建材領域的不斷發展,建材企業的規模也不斷增大,人們對建材生產過程的控制系統也提出了更高的要求,要求生產過程的自動化系統具有更快速、更精準、更自動、更智能的特點[4]。
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1.2 建材生產控制系統的發展
在建材企業的生產控制中,自動化控制系統必須要具有高度的穩定性、準確性和可靠性,在漫長的工業化生產的發展過程中,控制系統大體可以歸納為以下幾種。
1.2.1 手動控制
在 20 世紀四五十年代之前,科技發展比較緩慢,先進的機器都還沒用出現,建材企業的生產需要依靠大量的生產人員來手動控制設備,憑借生產人員來觀察儀表的顯示狀態,從而手動控制各種設備的啟停以及設備故障的檢查,浪費了非常多的資源。
1.2.2 簡易自動化控制
在 20 世紀中后期,自計算機誕生以來,隨著其快速發展,建材企業的自動化生產也出現新的曙光。從 20 世紀 70 年代開始,掀起了引進國外資源的潮流,他們的控制核心都是由繼電器進行連鎖控制的,這種控制方式基本能實現設備的半自動化,如三相異步電動機、大型起重升降機等大型工業設備都可以實現自動停止和功能性報警。德國西門子公司和意大利的紐利公司生產的生產線已經可以采用 PLC 進行控制,在這時計算機技術還是屬于高端且沒有普及的狀態,所以很難實現更高程度的自動化生產控制。
1.2.3 直接數字控制系統
直接數字控制系統(Direct Digital Control),簡稱為 DDC 系統,是指用計算機對控制對象進行參數的檢測,通過數字量的傳輸通道(DI)和模擬量的傳輸通道(AI)進行對現場數據的實時監測和采集,使數據進入核心區域,再經過復雜的邏輯計算,使被控對象的參數穩定在設定值上,最后通過數字量的傳輸通道(DO)和模擬量的傳輸通道(AO)輸出,使輸出信號通過執行機構直接對現場的設備進行生產控制[5]。在這種系統中,計算機的輸出直接作用到現場的控制對象,因此,它是一個閉環控制型系統,是計算機技術在工業生產中的一種廣泛應用,其系統結構如圖 1-1 所示。

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第 2 章 建材生產控制系統總體設計

2.1 鎂質建材生產工藝流程
鎂質建材生產工藝流程分為上料和配料兩部分,兩部分雖然緊密相連卻又相互獨立,工藝流程圖如下圖 2-1 所示,下面我就對工藝流程的兩部分來進行詳細介紹。上料系統主要負責將建材原料從地面運送向儲料倉。
上料系統包含兩種原料的上料:粉末狀原料氧化鎂和液體原料硫酸鎂溶液。液體原料硫酸鎂溶液是需要現場制作的,人工將袋裝硫酸鎂投入攪拌罐中,打開進水氣動閥,開始向攪拌罐中加水,等到達高料位時停止加水,然后向攪拌罐中通入水蒸氣,同時溫度計開始測溫,等溫度到達 26 攝氏度時,停止加溫,攪拌機開始攪拌,使晶體溶解,當溶液檢測儀檢測波美度到達 29 時,停止攪拌,開啟提升泵將硫酸鎂溶液抽取到儲料罐中等待使用。粉末狀的氧化鎂原料上料過程比較復雜,袋裝的工業級輕質氧化鎂易儲藏,但是將其運送到十米高的儲料倉,光靠人力是不可能完成的,必須要依靠自動化的設備來實現目的。
氧化鎂上料系統主要由破袋機、風機、料封泵、除塵器和儲料倉組成。操作人員將袋裝的氧化鎂依次放到破袋機的傳送帶上,袋裝的氧化鎂靠著摩擦力和傳送帶一起運動到機器頂端,然后靠重力往底部滑落,在下降過程中,通過快速轉動的刀片切開袋子,被割開的破損的包裝袋和粉狀物料一起落入振動篩進行分離,破碎的袋子進入到破袋機的回收部分,從振動篩落下的物料從機器底部由螺旋輸送機運送至通往風機的管道中,由破袋機處理完的物料被運送到管道中,這時管道的另一端安裝有一個強勁的風機,風機和料封泵一起將氧化鎂粉末吹向儲料倉中。儲料倉中設有高低料位,當儲料倉的物料下降到低料位時開始往倉里加料,當物料到達高料位時表示料倉已滿,停止加料。

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2.2 生產控制系統設計要求
生產控制系統的設計必須要滿足建材生產工藝要求,能提高生產效率,能提高控制精度,能滿足客戶對建材產品的需求,給工廠帶來切實的實際效益,實現自動化和綠色化生產。
2.2.1 生產控制系統工藝要求
建材的質量始終是工藝的最終要求,為滿足產品的質量要求和提高生產效率,建材生產控制系統的工藝要求主要包括以下幾方面:
(1)控制系統運行穩定,功能完善,安全性高。
(2)上料系統快速穩定,控制平穩,攪拌罐溫度控制平穩。
(3)保證配料系統的配料精度,滿足新工藝的精度要求[11]。
(4)控制室操作人員可以在線監控和控制整個生產系統的狀態,可以在線改變原料的配比數據,人機界面清晰美觀,操作簡單。
(5)控制系統整體結構清晰明了,控制流程簡潔易懂。
2.2.2 生產控制系統技術要求
結合建材生產自動化控制系統的發展狀況和本次系統的工藝要求以及現場生產設備的具體情況,對本次控制系統的技術要求提出以下幾點:
(1)控制系統應該具有手動控制和自動控制兩種操作模式,可以用來及時切換生產的模式,使生產更好的運行下去,避免出現失誤。
(2)在配料系統中應使用先進的控制技術,提高配料的精度,能夠準確的稱量粉末狀原料和液體原料,保證氧化鎂稱量的精度在 500KG 內誤差不超過 5%。
(3)控制系統應和現場生產設備的控制要求相契合,使受控對象能穩定高效的運行[12]。
(4)控制系統必須具備良好的人機交互界面,可以清晰的監控實時的生產狀態,快速準確的控制被控對象,可以顯示生產的歷史數據。
(5)控制系統必須能夠長期安全有效的運行,并且應具有良好的可維護性,方便技術人員維修。
(6)滿足企業生產規模的擴大,滿足企業的發展需求,給企業帶來良好的效益。
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第 3 章 網絡通信方案的研究················19
3.1 網絡通信協議的選擇...................20
3.1.1 網絡通信協議..........................20
3.1.2 通信協議的確定.......................20
第 4 章 原料稱重控制系統設計···················41
4.1 稱重系統設計.........................41
4.1.1 稱重系統結構............................42
4.1.2 稱重系統硬件選型.....................42
第 5 章 PLC 應用系統設計························49
5.1 可編程控制器介紹.........................49
5.1.1 PLC 的基本結構.......................49
5.1.2 PLC 工作原理.........................49

第 5 章 PLC 應用系統設計

5.1 可編程控制器介紹
5.1.1 PLC 的基本結構
PLC 實質上是一種專門應用于工業控制的微型計算機,其基本組成包括以下幾部分:
(1)電源
電源是 PLC 正常運行的基本保障,PLC 的電源采用開關式穩壓電源,確保 PLC的穩定運行
(2)中央處理單元
中央處理器是整個 PLC 的核心單元,它的性能直接決定 PLC 的性能,就像人的大腦一樣,所有的命令也是從這里發出。
(3)存儲器
存儲器本質是一種半導體電路,但是它的特殊就在于它擁有記憶功能,它可以存放系統的信息、用戶編制的程序和一些變量等數據信息,我們寫入 PLC 的程序都是放在存儲器中。
(4)輸入輸出單元
輸入單元是 PLC 和輸入設備的連接通道,是信號進入 PLC 的通道,它的功能是接收來自于被控設備的反饋信號,一般包括各種檢測設備傳輸過來的執行元件的開關狀態或是否故障狀態。輸出單元是連接 PLC 和被控設備的通道,PLC 發出的指令信號通過輸出單元傳遞給被控設備,被控設備進而執行 PLC 給出的命令[55]。
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結論
本文結合了某大型鎂質建材生產廠商的自動化生產控制系統項目,對現代工業常用的幾種控制系統設計方案進行了深度全面的分析和研究,設計出了基于仿現場總線通信的分布式系統結構。對 RS-485 總線通信進行了全面的分析,就提高通信速率、提高通信的穩定性和 RS-485 總線的負載能力進行了討論,并提出了可行性措施;針對建材生產過程控制系統中的稱重環節進行了重點分析,就稱重原料過程中的稱重精度低的問題進行了分析和探究,分析了影響稱量精度的原因,通過多次的實際稱量試驗,設計出了自動變頻控制方案,使給料機能夠根據實際情況進行變速給料,提高了稱重環節的速度,保證了原料稱量的精度,提高了整個生產控制系統的效率;對 PLC 控制系統的硬件和軟件進行了設計,設計了良好的人機交互界面,和整個控制系統互相配合,包括上位機的組態設計和下位機的觸摸屏界面設計,可以實時的對整個生產流程進行狀態的監控和控制,使操作人員操作起來更加簡單易懂。本文的主要工作如下:
(1)通過分析鎂質建材生產的工藝流程和自動化控制要求,設計了以 Modbus總線通信網絡為基礎的分布式控制總體結構,結合現場總線技術,使生產自動化控制系統更加穩定、高效、智能。
(2)對 Modbus 通信協議進行了詳細的分析,對通信接口進行了分析對比,對影響通信速率的原因進行了分析,選擇了合適的通信方式,完成了智能儀表和控制器之間的數據通訊,實現了數據的實時交換,提高了通信的速率。
(3)根據工廠的工藝流程和控制要求,對 PLC 控制系統的硬件進行了詳細的配置,對所需要的元件進行合理的選型和安裝,對軟件的程序進行了開發編制,對被控設備進行調試,提高系統的穩定性和可維護性。
(4)結合企業的工藝要求,對建材生產過程的稱重環節進行了重點分析,設計出合適的稱量方案,實現了電機的自動變速給料,減小了稱量誤差,提高了稱量精度。
(5)開發編制了生產流程的監控系統界面及現場觸摸屏的控制界面,使操作人員能實時直觀的監控生產的狀態,快速的控制生產設備,使操作變得簡單易懂。
參考文獻(略)


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