基于NetLinx网络的混矿流量控制系统设计

辽宁工业大学工业控制网络课程设计（论文）题目：基于NetLinx网络的混矿流量控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化132班学号： 130302054学生姓名：石习斌指导教师：（签字）起止时间：2017.1.03~2017.1.13课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要铝工业对科技、经济、国防和人民生活具有极其重要的意义，氧化铝是电解铝的主要原料。

目前国内配料的操作基本为手动或半自动化操作，依靠人工经验设定物料配比，物料不能实现准确的计量，生产连续性差，设备运转率低，能耗大，工人劳动强度大，现已成为企业发展的瓶颈。

随着市场竞争的日益激烈，配料过程自动化对提高企业生产率、提升企业的竞争力有着不可忽视的作用。

本文针对氧化铝生料浆的配料过程，对皮带秤的启停功能，联锁功能和混矿流量的控制功能进行了探究和实现。

在氧化铝生料浆配料过程中，需要将混矿原料输送到球磨机中。

采用罗克韦尔公司的NetLinx三层网络完成混矿流量的控制，完成了Ethernet, ControlNet, DeviceNet网络结构的配置和规划。

根据现场试验数据，建立了控制器的设计模型，设计了PI控制器，通过实现过程控制和过程监控的信息集成和功能集成，从而实现配料过程控制与管理的自动化。

关键词：氧化铝；NetLinx三层网络；PI控制器；罗克韦尔目录第1章绪论 (1)第2章混矿流量控制系统的方案 (3)2.1概述 (3)2.2混矿流量控制系统的总体结构框图 (3)2.3流量控制系统的闭环反馈系统结构图 (3)2.4PID控制算法 (4)第3章 NETLINX网络介绍及配置 (6)3.1N ETLINX网络 (6)3.2N ET L INX网络的配置 (7)3.3RSL INX软件配置 (10)3.4D EVICE N ET网络的配置 (13)第4章系统的硬件设计 (17)4.1PLC的选型 (17)4.2变频器的选型 (18)4.3I/O模块的选型 (20)4.4流量计的选型 (21)4.5电动机的选型 (23)4.6混矿流量控制系统的主电路和控制电路图 (23)4.7流量控制系统的I/O分配表 (25)第5章系统软件设计 (26)5.1RSL OGIX5000软件的使用 (26)5.2混矿皮带秤的控制程序 (30)5.3流量控制程序 (32)第6章课程设计总结 (34)参考文献 (35)第1章绪论在氧化铝的配料过程中，配制生料浆的原料主要有：铝土矿、石灰(或石渣)、生料煤、碱粉(纯碱)、返回碱液以及生产过程中进入的污水等。

其中铝土矿包括普矿和高铝矿、高铁矿、低铝矿三种调整矿；返回碱液是后续工艺返回的碳分母液和硅渣的混合浆液。

它们的化学成分主要是氧化铝、氧化硅、氧化铁、氧化钙、氧化钠和固定碳等。

生料浆配料是氧化铝生产过程的重要工序，也是氧化铝生产的能耗大户，在要求生料浆配料稳产、高产和质优的基础上，降低碱耗，节约电能，对提高企业的经济效益与社会效益有着十分重要的意义。

为了使生料浆的碱比控制趋于合理，针对现有加碱系统的状况，需要对目前的加碱方式进行改造，将螺旋给料机改为皮带秤。

改为皮带秤的好处是加碱量可按工艺要求严格控制，得以提高、稳定一次合格率，但需增加一台皮带秤，同时要对加碱仓及相关设备进行改造。

由于生料浆配料过程具有上述综合复杂特性，因此难以采用现有的控制方法对生料浆的钙比、碱比、水分指标和磨机负荷状态进行控制，目前采用人工操作方式，更多的是依赖于操作员在配料过程中的大量工作，依赖于操作员的经验是否合理以及操作是否精心，所以目前的控制现状非常落后。

为了满足工艺要求和实现控制目标，不仅需要操作员对配料过程中的各种信息进行判断和决策后给出适当的赤泥浆流量设定值、碱粉流量设定值、各台磨机的混矿流量设定值、石灰石流量设定值和碱赤泥浆流量设定值，还需要对各个流量调节过程进行手动调整。

在氧化铝的生产工艺中，生料浆的制备是烧结法生产中的一项最重要工序之一，生料浆的各项指标：水分、细度、碱比、钙比、铝硅比等能否满足生产要求，将直接影响熟料的质量、窑的产能、窑的热工制度及操作、熟料中氧化钠、氧化铝的溶出率和沉降槽的操作。

生料浆生产过程中，由于原来的取样、检测手段落后：样品人工化学分析的精度不高，时间较长（约两个小时），导致不能及时准确地调整原料配比，人工调节下料量准确性差，造成一次配料合格率不高，二次调配工作量大，操作工作量大，劳动强度高，严重制约了生料浆合格率的提高和成份的稳定，进而影响着氧化铝的产量及其技术经济指标。

配料作为氧化铝生产的第一道工序，配制生料浆指标的好坏直接关系到熟料质量的高低，“配料是基础，烧结是关键”的思想已是广大科技人员的共识。

基于规则的专家系统相对于传统手工计算配比方法，提高了计算速度和配比精度。

但专家系统的知识瓶颈问题使得系统扩展性差，不能适应生产工序变化。

生料浆的各项指标：水分、细度、碱比、钙比、铝硅比等能否满足生产要求，将直接影响熟料的质量、窑的产能、窑的热工制度及操作、熟料中氧化钠、氧化铝的溶出率和沉降槽的操作。

生料浆生产过程中，由于原来的取样、检测手段落后：样品人工化学分析的精度不高，时间较长（约两个小时），导致不能及时准确地调整原料配比，人工调节下料量准确性差，造成一次配料合格率不高，二次调配工作量大，操作工作量大，劳动强度高，严重制约了生料浆合格率的提高和成份的稳定，进而影响着氧化铝的产量及其技术经济指标。

因此，通过对生产中各原料成份的快速分析和保证入磨量的准确计量及配比，从而实现优化控制达到一次出磨合格，为逐步取消出磨生料在小槽中反复倒槽的传统工艺，最终实现出磨生料浆经混合槽直接入窑，确保烧结法系统稳产高产、经济技术指标优化有着极其重要的意义。

因此，开发、研制一套实用可靠的生料浆配料自动控制系统，实现生料浆配料的自动控制势在必行。

生料浆配料是氧化铝生产过程的重要工序，也是氧化铝生产的能耗大户，在要求生料浆配料稳产、高产和质优的基础上，降低碱耗，节约电能，对提高企业的经济效益与社会效益有着十分重要的意义。

为了使生料浆的碱比控制趋于合理，针对现有加碱系统[2]的状况，需要对目前的加碱方式进行改造，将螺旋给料机改为皮带秤。

改为皮带秤的好处是加碱量可按工艺要求严格控制，得以提高、稳定一次合格率，但需增加一台皮带秤，同时要对加碱仓及相关设备进行改造。

由于生料浆配料过程具有上述综合复杂特性，因此难以采用现有的控制方法对生料浆的钙比、碱比、水分指标和磨机负荷状态进行控制，目前采用人工操作方式，更多的是依赖于操作员在配料过程中的大量工作，依赖于操作员的经验是否合理以及操作是否精心。

为了满足工艺要求和实现控制目标，不仅需要操作员对配料过程中的各种信息进行判断和决策后给出适当的赤泥浆流量设定值、碱粉流量设定值、各台磨机的混矿流量设定值、石灰石流量设定值和碱赤泥浆流量设定值，还需要对各个流量调节过程进行手动调整。

第2章混矿流量控制系统的方案2.1概述在氧化铝生料浆配料过程中，需要将混矿原料输送到球磨机中。

本系统采用罗克韦尔公司的ControlLogix为控制器，采用罗克韦尔公司的NetLinx三层网络，将流量计检测到的混矿流量反馈给PLC，通过PID调节输出给变频器控制电动机转速。

采用PowerFlex40变频器控制电动机。

其中，电动机的额定功率22Kw，额定电压380V，额定电流7A，额定转速1450rpm；同时，混矿的流量范围为60-80t/h。

运用工业控制网络及PLC等相关知识，设计混矿流量控制系统。

同时实现了皮带秤的启停功能及联锁功能，通过RsLogix5000完成梯形图编写。

最后通过离线运行检验系统设计。

2.2混矿流量控制系统的总体结构框图采用ControlLogix为控制器,通过PowerFlex40变频器控制电动机的转速，从而控制皮带秤的传送速度，来控制混矿浆的流量。

系统的总体结构框图如图 2.1所示：图2.1 混矿流量控制系统的总体结构框2.3流量控制系统的闭环反馈系统结构图本系统对流量的控制采用闭环控制，闭环系统的给定值由控制器给定，用流量计检测流量反馈给控制器ControlLogix，通过PI算法由变频器PowerFlex40控制电动机的转速，从而控制混矿浆的流量。

流量控制系统的总体结构图如图 2.2所示：图2.2 流量控制系统的闭环反馈系统结构图2.4PID控制算法在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

1、比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

2、积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

3、微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。