混凝土搅拌站自动化控制系统毕业论文[管理资料]

摘要
搅拌设备使用历史悠久，应用范围广。

在化学工业、石油工业、建筑行业等等传统工业中均有广泛的使用。

搅拌操作看来似乎简单，但实际上，它所涉及的因素却极为复杂。

在目前的建筑市场中, 因偷工减料, 导致混凝土强度降低, 不符合设计要求的事情屡有发生。

建筑工程上需要占地面积不大, 成本不高, 适合场地多变的混凝土搅拌设备。

本文系统介绍了一种labview控制, 触摸屏为人机接口的混凝土自动搅拌系统。

以触摸屏为控制器开发的混凝土搅拌站自动化控制系统, 具有稳定、可靠, 可以按照设定的配方, 自动、连续地控制搅拌机的转速, 同时该系统还有对数据进行浏览、查询、统计、打印等一系列管理功能。

在电机控制系统设计中，传统的方法是用逻辑电路或单片机实现电机控制，这种控制方法为人们提供了不少的帮助。

虽然此方法可行，但是由于线路复杂、制成后不易调整且编程语言比较复杂，因此存在一定的局限性。

基于这个思想，本系统采用美国NI公司的LabVIEW图形化编程语言，构建了对交流电机转速进行在线实时测量与控制的系统。

LabVIEW是美国NI公司基于虚拟仪器技术的面向多领域的G语言开发平台，它是通过编制不同的测试软件来构成任何一种仪器。

采用虚拟仪器，有以下几个优点：①突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制；②利用计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性；③通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理，通过用户界面技术，真正做到界面友好、人机交互。

而且其编程简单、图形显示功能强大，并且具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点，现已被广泛应用于自动化过程控制、仪器设计和数据采集等领域。

关键词：搅拌机转速，Labview，数据采集，电机控制
ABSTRACT
Mixing equipment used has a long history and wide range of applications. In the chemical industry, petroleum industry, construction industry, and more are widely used in traditional industries. Mixing operation may seem simple, but in practice, the factors involved are extremely complex. In the current market, Jerry-building, concrete strength, things have occurred do not meet the design requirements. Construction needs covers an area of small, inexpensive, suitable for field changeable concrete mixing introduced in this paper a labview control, touch screen for human-computer interface automatic concrete mixing touch screen and PLC as the controller development of automation control system of concrete mixing station and has stable and reliable, can be set according to the formula, the automatic, continuous mixer speed control, at the same time the system and the data browsing, query, statistics, print and a series of management functions.
In motor control system design, the traditional method is used logic circuits or MCU motor control, this control method has provided a lot of this method is feasible, However, as the line complex, not easily made adjustments with more complex programming languages, there are certain limitations.
Based on this thinking, the system used by the . NI LabVIEW graphical programming language, construction of the AC motor speed online real-time measurement and control systems. NI LabVIEW is the United States-based company Virtual Instrument technology-oriented fields of G-language development platform ,it is through the establishment of different tests pose any software to a device. Using virtual instrument, the following advantages : ①
breakthrough of the traditional equipment in data processing, display, storage, etc. the restrictions; ② using computer software abundant resources to achieve some of the hardware equipment software, saving the material resources, increase the flexibility of the system; ③ through software technologies and the corresponding numerical algorithms, real-time, directly to the various test data analysis and processing, user interface technology, really friendly interface and human-computer interaction. Programming and its simple, powerful graphics, and is an open, modular, reusable and interchangeable characteristics, have been widely used in process control automation, equipment design and data acquisition, and other fields.
KEYWARDS：Rotary speed，labview，data acquisition，motor control
目录
摘要(中文)…………………………………………………………
摘要(外文)…………………………………………………………………………………………………………………………
课题研究意义………………………………………………
课题研究现状及特点………………………………………
课题研究现状……………………………………
课题研究特点……………………………………
课题研究内容…………………………………………………………………………………………………………
系统流程图…………………………………………………
硬件组成……………………………………………………
系统工作原理………………………………………………
总体实现原理…………………………………………
搅拌机调速原理……………………………………………………………………………………………………
电源模块………………………………………………………
PID控制器……………………………………………………
FR-S500变频器………………………………………………
搅拌机电动机……………………………………………………………………………………………………
数据采集卡……………………………………………………
采集卡接线盒…………………………………………………
硬件接线图……………………………………………………………………………………………………………
虚拟仪器简介………………………………………………
虚拟仪器内部功能…………………………………
虚拟仪器系统框图…………………………………
labview概述………………………………………………
……………………………………
DAQ（数据采集卡）…………………………………
labview的安装………………………………………………
程序编译………………………………………………………
软件流程图……………………………………………
程序编译………………………………………………
5 总结……………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………
致谢词……………………………………………………………
附录………………………………………………………………
1 绪论
搅拌机的转速连续控制，对于搅拌过程是非常重要的环节，它会影响混凝土的粘性等一些物化特征，对于连续搅拌机转速的控制，归根结底就是需要控制电机,使电机的转速按预期转速变化。

基于传统开发平台的电动机转速自动控制系统，往往面临开发周期长，成本高，兼容性和扩展性弱
的不足，从而也阻碍了电动机自动化系统的广泛应用。

LabV IEW 是美国NI(National Instrument)公司的软件产品,是虚拟仪器编程语言的典型代表。

LabVIEW 编程高效、灵活、面向对象,其强大的图形编程能力及可视化编程环境得到很多软件开发人员的青睐。

用LabVIEW开发的虚拟仪器有着传统的测控方法不可比拟的优势，LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。

LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新，将虚拟仪器技术应用于电动机转速控制领域，充分发挥虚拟仪器技术开发效率高、灵活性、兼容性强和网络通信的特点，设计与实现电动机的转速现场和在线监控，是为实现机电控制提供直接的调控数据。

，进行实时监控电机转速，实现自动化控制，显然具有一定的现实意义。

课题研究现状及特点
研究现状
连续式搅拌工艺和相应的搅拌设备经历了近30年的发展在国外已经是一项成熟的技术了。

在国外造就市场占有率已经达到95左右，但是，我国至今对这一技术仍存在着不同的看法，甚至带有某些排斥性的倾向。

究其原因，在很大程度上是由于不了解连续式搅拌工艺在近二十多年来的技术进步以及受某些传统观念的束缚而造成的，而后者显然与早期滚筒式搅拌设备的缺点在人们心目中所造成的深刻印象有关。

因此，追溯一下历史的发展，了解各个阶段的重要技术进步以及在这一领域内的新发展，对于推
动我国连续式搅拌设备的发展和技术进步无疑会是有益的。

现阶段，电机已经应用于生活的各个方面，连续搅拌机的转速控制，其实就是对于电机的控制，这就必须探讨一下电机的发展史。

电机的发展史可以追溯到19世纪初，法拉第的电磁试验中建立的电动机试验模型，被认为是世界上第一台电动机，接着直流电机就应运产生了。

19世纪末电机技术的不断发展，出现了交流电机，从一相、二相、三相，发展到今天的同步、异步电机。

电机的发展史就是社会工业的进步史，同时又极大的推动了社会的发展。

电机技术不断发展的同时，电机转速控制系统的要求也不在不断提高。

随着电机应用领域不断扩展，电机的工作环境也趋于恶劣，从开始的手动控制转速发展到今天的应用逻辑电路或单片机实现转速控制。

单片机控制转速系统，是电机控制领域的革命，它有着以前控制系统无可比拟的优势：成本低廉、对环境的适应性强、运行平稳、可扩展性好等。

但是单片机控制系统制成后不易调整且编程语言比较复杂，因此存在一定的局限性，所以提出基于LabVIEW的控制系统设计思想。

目前应用LabVIEW控制电机转速是一门新兴发展的技术，LabVIEW是应用G语言编制程序的，它可以通过编制测试软件来构成仪器。

采用虚拟仪器，有以下几个优点：①突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制；②利用计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性；③通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理，通过用户界面技术，真正做到界面友好、人机交互。

而且其编程简单、图形显示功能强大，并且具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点，现已被广泛应用于自动化过程控制、仪器设计和数据采集等领域。

在自动化和各个控制领域中得到广泛应用。

目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统，GPIB一起控制系统，VXI仪器系统以及这
三着之间的任意组合。

本文采用LabVIEW 软件为开发平台，以实验室现有设备条件设计一个电机转速闭环控制系统,以少量的硬件设备完成了电机转速的控制,具有精
度和效率高,可扩展性强以及操作界面友好等特点。

系统特点
该系统以虚拟仪器控制三相电机为主，以实验室现有条件设计一个闭环自动控制系统，该系统具有以下特点：
一、以虚拟仪器为开发平台，实现对采集卡的读写操作，工作周期短；
二、通过采集卡输出电压信号，改变变频器频率，自动控制调节电机转速；
三、可以实现连续调速，开发周期短，可以无成本零编程的实现远程控制；
四、系统拥有的存储数据的功能可以将以往的监测数据存储下来，将保存的信息资料进行定期分析，优化系统参数。

课题研究内容
本文以PC与采集卡双向数据传输为主，根据实验室的现有条件，通过旋转编码器采集搅拌机电机转速，传入采集卡，然后通过串口输入labview，把设定转速和实际转速作比较，；通过Pci-1710U-DE采集卡输出0-5V电压信号，改变变频器频率来控制电机转速，从而实现闭环自动控制。

该系统控制精度理想，自动化程度高，人机界面友好。

2 系统基本原理
系统流程图
系统流程图
该系统由PC机、电源模块、采集卡、搅拌机电机、旋转编码器组成，硬件图如下：
系统硬件图
总体实现原理
首先由计算机向采集卡发送数据，启动变频器，从而启动电机，旋转编码器把电机速度相关信息传给采集卡，然后采集卡把数据传给计算机，计算机通过相关运算，通过PID 控制器,把实际速度和设定速度作比较，通过Pci-1710U-DE 采集卡输出0-5V 电压信号，改变变频器频率来控制电机转速，实现自动控制。

搅拌机调速原理
从理论上我们可知，电机的转速N 与供电频率f 有以下关系：
N=60f(1-s)/p (1) 搅拌机电机 采集电机转速 旋转编码器
其中： p ——电机极数 s——转差率
由式(1)可知，转速n 与频率f 成正比，如果不改变电动机的极数，只要改变频率f 即可改变电动机的转速，当频率f 在0～50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段
3 硬件介绍
本次设计的硬件主要包括电源模块、PID控制器、数据采集卡、数据接线盒、变频器、旋转编码器等组成。

本章将系统的介绍各硬件的详细信息以及针对本次设计的硬件选型。

电源模块
电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，其特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器 (DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列(FPGA) 及其他数字或模拟负载提供供电。

此电源模块为采集卡、变频器提供220V交流电源。

具有控制、显示、操作、零压、短路保护
功能。

设置空气开关、电源指示灯、电源输出实验插座等。

220V实验插座采用4#护套插座及实验导线，具有良好的安全保护和误操作保护。

PID控制器
PID控制器
工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。

PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。

不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。

PID控制器（Proportion Integration 控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。

通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。

PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。

这个控制器把收集到的数据
和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。

和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。

可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。

PID是以它的三种纠正算法而命名的。

这三种算法都是用加法调整被控制的数值。

而实际上这些加法运算大部分变成了减法运算因为被加数总是负值。

这三种算法是：
比例- 来控制当前，误差值和一个负常数P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加。

P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。

这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。

比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是10°C，它的预定值是20°C。

那么它在10°C 的时候会输出100%，在15°C的时候会输出50%，在19°C的时候输出10%，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。

积分- 来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。

I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。

一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。

通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。

所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。

微分- 来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。

这个导数的控制会对系统的改变作出反应。

导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。

这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。

D参数对减少控制器短期的改变很有帮
助。

一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数。

用更专业的话来讲，一个PID控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。

这一点在计算它是否会最终达到稳定结果时很有用。

如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能永远无法达到预设值。

本次设计中，利用PID控制器，智能的比较设定转速和采集卡实际采集到的转速，并输出偏差信号，从而控制变频器，改变频率，进而改变电机转速。

FR-S500变频器
FR-S500变频器
变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，
进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

其工作原理是：主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路。

其中整流器是大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。

也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

平波回路是在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。

为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。

装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

逆变器是同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。

控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。

（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。

它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg 等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏。

FR-S500变频器为单相200V系列，，通过改变频率来调节输出的电压，以此来改变电机的转速。

数字式拨盘，设定简单快捷。

柔性 PWM，实现更低噪音运行。

15 段速，PID，4-20mA 输入和漏源型转换等多功能。

可提供 RS-485 通信功能的机型 FR-S500(可通过电缆接 FR-PU04 面板) 及FR-S540- K-CHR (可通过电缆接 FR-PA02-02面板)。

外部端子控制。

搅拌机电动机
电动机
搅拌机的搅拌轴通常由电动机驱动。

由于搅拌设备的转速一般都比较低,因而电动机绝大多数情况下都是与变速器组合在一起使用的,有时也采用变频器直接调速。

为此,选用电动机时,应特别考虑与变速器匹配问题。

在
很多场合,电动机与变速器一并配套供应,设计时可根据选定的变速器选用配套的电动机。

搅拌机电动机选用的基本原则
通常应根据搅拌轴功率和搅拌设备周围的工作环境等因素选择电动机的型号,并遵循以下基本原则:
①根据搅拌设备的负载性质和工艺条件对电动机的启动、制动、运转、调速等的要求,选择电动机类型。

②根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求,考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩,合理选择电动机容量,并确定冷却通风方式。

同时选定的电动机型号和额定功率应满足搅拌设备开车时启动功率增大的要求。

③根据使用场所的环境条件,如温度,温度、灰尘、雨水、瓦斯和腐蚀及易燃易爆气体等,考虑必要的防护方式和电动机的结构型式,确定电动机的防爆等级和防护等级。

④根据企业电网电压标准和对功率因数的要求,确定电动机的电压等级。

⑤根据搅拌设备的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的性能要求,以及机械减速的复杂程度,选择电动机的额定转速。

除此之外,选择电动机还必须符合节能要求,并综合考虑运行可靠性、供货情况、备品备件通用性、安装检修难易程度、产品价格、运行和维修费用等因素。

综上所述，可以选用YVF系列三相异步电动机该系列电机是在Y2系列电机的基础上，开发设计的通用型变频调速电机，能与目前市场上不同厂家的变频器良好地匹配，变频范围5-100Hz或3-100Hz。

YVF系列频调速电机和变频器配套使用，具有效率高，噪声低，节能效果明显，驱动平稳，变速范围广，快速响应性能优良等特点，可广泛应用于数控，纺织，冶金
等要求高精度调速的场合，也可应用于以节能为目的的风机水泵类负载，单机平均节电率可达30-60。

旋转编码器
旋转编码器
旋转编码器是用来测量转速并配合PWM技术可以实现快速调速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出（REP）。

它分为单路输出和双路输出两种。

技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。

单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。

旋转编码器是用来测量转速的装置。

旋转编码器
直接与旋转轴连接时，可以测定旋转圈数，即每转一圈会发出一定数目的脉冲信号，这样就可以根据脉冲数的多少计算出旋转的圈数。

它分为单路输出和双路输出两种。

技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有）和供电电压等。

单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。

其工作原理由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。

本次设计采用旋转编码器来采集搅拌机电动机的转速，并将转速传给数据采集卡。

数据采集卡。