面粉生产过程控制系统设计(共54页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称面粉生产过程控制系统设计学 院电气信息学院专业班级测控技术与仪器081姓 名李 赟学 号指导教师张英杰 老师毕业设计(论文)的主要内容及要求:1 查阅资料了解面粉生产过程控制系统的发展历史和发展现状;2 查阅资料分析面粉生产工艺流程;3 设计面粉生产过程总体控制方案;4 选择合适的PLC,完成硬件组态、编写相应的控制程序并进行及仿真;5 使用组态软件对整个生产过程进行组态;6 整理论文资料并书写毕业设计论文;7 查阅英文材料并进行翻译;起止时间:2012年2月18日至2012年6月9日共16周指 导 教 师签 字系 主 任签
2、字院 长签 字摘要面粉加工是食品生产的重要原料工业,是粮食生产向人类消费过渡的传统行业。由于种种原因,其生产过程的自动化远远落后于同期实现机械化生产的纺织业。进入九十年代以来,为了降低成本,提高产品质量,适应不断变化的市场经济,我国的大中型面粉厂相继进行了电气自动化系统的改造,PLC开始被广泛的应用于我国面粉行业。可编程控制器(Programmable Controller)简称PLC,是一台有别于普通微机的专用计算机,它能直接在工业环境中应用,不需要专门的空调和恒温环境,它专为工业环境控制而设计制造,具有丰富的输入输出接口和较强的输出驱动能力。由于它具有很多优点,目前已被广泛应用于全世界工业
3、生产的各个领域。本文先介绍了PLC系统的硬件组成、工作原理、软件编程等,并详细介绍了利用PLC控制技术实现面粉生产过程的自动控制。关键词:自动控制系统,面粉生产,iFIX, PLCABSTRACTFlour processing is the important material industry of food producing, and the traditional industry of the transit of cereal producing to human consumption.For various reasons, the automation of its pro
4、duction processlags far behind the textile industry over the same period to achieve the mechanized production. Since the 1990s, in order to reduce costs, improve product quality and adapt to the changingmarket economy, Chinese large and medium-sized flour mills successively carried transformation of
5、 electrical automation system, the PLC began to be widely used in the flour industry of China. Programmable controller referred as PLC, is a dedicated computer different from ordinary computer, it can be directly applied in industrial environments without dedicated air conditioning and constant temp
6、erature environment. It has been designed for control of industrial environmental with rich input and output interface and strong output drive capability. It has so many advantages that it has been widely used in various areas of industrial production around the world. This paper introduces the hard
7、ware structure,working principles and software programming of the PLC system, and then describes how to take advantage of the technology of PLC to achieve the automatic control of the flour production process .Keywords: Automatic control system, Flour production, iFIX, PLC目录专心-专注-专业1. 绪论1.1 国内外面粉加工自
8、动化技术的现状面粉加工是把小麦通过清理、研磨、筛理、分级、提纯,加工成各种不同等级面粉的系统科学,它主要包含两方面的内容:制粉设备和制粉工艺。20世纪80年代以前,我国的制粉技术由于受到经济发展水平、制粉设备品种、加工精度以及企业经济实力的制约,采用的都是最基本、最简易的设备和工艺。我国改革开放以来,特别是上世纪80年代末到90年代初大规模引进国外面粉生产线并进行消化吸收,结合我国蒸煮食品的特点,现已逐渐形成了具有中国特色的面粉加工技术。90年代以来,引进生产线的面粉厂以其合理的工艺、先进的设备及自动化技术的应用,提高了产品质量和整体经济效益。当时引进的面粉生产线主要特点有:(1)工艺线路、设
9、备及故障自动监控方面。自动控制及监测技术已在一些引进面粉厂中采用,国产设备配套安装设计的面粉厂,有的也有工艺模拟屏,也可以显示工艺及设备运行情况,但绝大部分无PLC控制的程序启停和故障检测。工艺屏的控制操作也仅仅是将现场控制的方式进行简单的移位和集中,这样的“自控”只是集中控制而不是自动程序控制。(2)程序控制技术方面。引进系统大部分采用继电器联锁控制方式,个别在配粉车间采用PLC控制。例如引进的瑞士布勒公司的生产线也只是在制粉车间的局部工段采用了PLC控制。在满足不断变化的市场需求的过程中,制粉行业中的自动化技术以其特殊的工业方式也在不断地发展。50多年来,自动化仪表从气动到电动,从现场控制
10、到中央控制,从仪表屏操作到计算机操作站,从模拟信号到数字信号等等,变化确实惊人。半个世纪以前,制粉行业已具有确保基本的联锁功能的机电系统,在出现报警或其它故障的情况下,通过继电器链保证按照预定的安全逻辑顺序地停机,控制系统为就地式的简单控制装置。随着面粉厂规模增大,设备数量增加,工艺复杂,自动仪表采用电动仪表,就地控制改为中央仪表控制。中央仪表控制室配有手工绘制的面粉厂的整个工艺流程图,通过指示灯光表示每台机器的状态,操作员可以直观形象地监视和操作面粉生产过程。早期自动顺序启动系统利用定时转换器,大大简化了面粉厂的启动操作。以微处理器为核心的集散控制系统(DCS )的出现,代替了原有集中式DD
11、C系统。以可编程逻辑控制器(PLC)为主体的计算机控制系统满足新的市场要求,确保面粉厂对数百台设备的监控,实现各种工艺要求。最新的机电系统保证面粉厂联锁功能,安全性好。1.2 本课题研究主要内容本课题主要研究的是面粉生产车间的自动化控制系统,通过分析生产工艺流程;分析研究西门子S7-300 PLC硬件组态、编程与通讯,实现iFIX上位机组态,进而完成现场控制系统的设计。应用PLC与iFIX相结合综合控制现场设备是本课题的研究内容,它主要包括以下几个方面:(1)研究面粉生产数据以及故障信息采集(2)研究西门子S7-300 PLC硬件组态(3)研究西门子S7-300 PLC软件编程(4)研究GE
12、Fanuc iFIX 4.5组态(5)研究西门子S7-300 PLC与现场设备和上位机的互联(6)研究最终的系统整合,搭建成具有一定开放系统特性的基本系统。包括PLC控制系统设计、上位机管理和监控系统设计。2. 控制系统总体设计2.1 面粉生产工艺流程2.1.1 小麦初清工艺流程小麦在收获、干燥、运输和储存过程中,不可避免地会混入各种各样的杂质;小麦在田间生长过程中,难免受自然灾害的影响或病虫害的感染,出现变质或感染病害的麦粒。小麦中混有杂质或病害麦粒直接影响制粉的安全生产、成品质量及食品的安全和卫生。因此,小麦在制粉之前必须将混在其中的各种杂质彻底清理干净。小麦中的杂质种类很多,不可能用一种
13、设备将各类杂质一次清理干净,必须将各种不同作用原理的设备组合使用。用筛理设备分离出与小麦体积不同的杂质,用去石机分离出比麦粒比重大的石子,用精选设备分离出与小麦形状不同的杂质,用磁选器去除磁性杂质,用打麦机和刷麦机清理小麦表面等等。而且相同的设备还要重复使用,才能达到理想的清理效果。图2-1是小麦初清流程图。(a)原粮 卸粮坑 斗提机 初清筛 高效振动筛(2) 垂直吸风道毛麦仓刮板输送机斗提机磁选器垂直吸风道(b)图2-1 小麦初清流程图注:括号内数字表示设备数量。原粮倒入卸粮坑后由斗式提升机送入初清筛清除大杂。清理过的小麦自动流入高效振动筛,由头道筛去除中杂,筛下小麦流过二道筛去掉草籽等小杂
14、。完成后小麦自动流入垂直吸风道,吸除麦糠等轻型皮壳类杂质。经磁选后,由斗式提升机、刮板输送机等设备输送入毛麦仓储存待用。所有的麦仓出口均安装配麦器,用于不同品种小麦的搭配加工。混入小麦中的灰尘等细微杂质由风机从各设备中吸除,经布筒式脉冲除尘器和沙克龙除尘器高效分离后,经关风器送入灰房密闭保存初清的目的是去除小麦中的大杂,如砖头、瓦块及绳头等,并尽可能地去掉部分的小杂和轻杂,以避免这些杂质影响机器的正常工作及物料的流动和出仓,并减少物料中的灰尘含量。2.1.2 小麦清理工艺流程小麦清理流程共设了三筛,两打,两去石,两精选,一洗麦,三磁选,四风选,三着水,两润麦。具体流程如图2-2所示。除杂方法组
15、合的基本原则是先易后难、先粗后精、先危害大的后危害小的。按照这样的原则,首先采用高效振动筛除大中杂、小杂和轻杂,然后采用比重分级去石机去除石子,再用精选机去除与麦粒大小、比重相近的球形或细长形杂质。之后再进行小麦表面清理,先利用打麦机对小麦进行打击,通过撞击和摩擦作用使麦粒表面和腹沟内的尘土、部分的麦毛和麦皮脱落,接着用第二道筛将这些杂质筛出,并同时筛出比麦粒略大的中型杂质。在打麦的过程中还可将一些泥块、炉渣打碎并筛出。这样即完成了毛麦清理过程。在小麦着水和润麦之后,再重复以上过程进行光麦清理,以达到除杂尽净的目的。在小麦清理流程中使用洗麦机清洗麦粒表污,去石洗麦机还可以去除麦中的石子。流程中
16、智能化的着水控制仪可以精确地控制物料的水分。在小麦清理过程完成即将入磨前,又设了一道喷雾着水机。这道工序是以雾化水使麦粒表面湿润,使麦皮的韧性增加,降低麦皮在研磨过程中的破碎。喷雾着水之后设了净麦仓,使麦粒表面水分被吸收。同时该仓还起到平衡、缓冲流量的作用,保证清理和制粉工段的流量稳定。(a)(b)图2-2 小麦清理流程图注:括号内数字表示设备数量。2.1.3 小麦制粉工艺流程制粉工段是面粉生产系统的核心,其技术水平的高低与整个系统的生产效率、产品质量的关系最为密切,所以制粉工艺流程多年来一直是人们研究制粉技术的重点。最早且最简单的工艺流程只设45道磨,中间物料不进行粗细分级,连续地进行“磨-
17、筛-磨-筛”的过程,即所谓的“一条龙”。其后的发展是在流程中增加了心磨系统,将中间物料进行粗细分级,粗的物料入皮磨系统,细的物料入心磨系统。这样粗细不同、质量不同的物料分别进行研磨筛理,提高了工艺效果和产品质量。再后来又增加了渣磨和尾磨,使物料的分级更加细致,并且在系统中使用了清粉机,将心磨的物料进一步提纯,心磨系统使用光辊和松粉机,减低麸星的产生,这就是现代的制粉工艺。世界上制粉技术先进的国家如瑞士、英国、意大利等国家如今采用的都是这样的工艺。我国在20世纪70年代之前,小麦加工以生产标准粉为主,对面粉质量的要求不高,而要求有较高的单产,所以使用的工艺比较简单,大致上都是四皮(或五皮)、四心
18、、二渣,全部用齿辊,不设清粉机。到了70年代中后期,粮食购销逐渐放开,面粉供应充足,对面粉质量的要求也随之提高,制粉工艺也随之发生了变化。本课题所研究的制粉流程设计了四道皮磨(B)、八道心磨(M)、一道渣磨(s)和两道尾磨(T),另外还配置了八道清粉(P)、四道打麸(Br)和一道刷麸。这是一个路线长度适中、功能齐全的工艺流程。 (1)皮磨系统皮磨的作用是剥开麦粒,刮下大粒状的胚乳送往渣磨和心磨系统,并逐道地刮净麸皮上残存的胚乳。同时还要尽量保持麸片的完整,避免麦皮过碎而混入面粉中。2皮不分粗细,3皮和4皮分粗细,有利于提高研磨效果。虽然未设5皮,但在系统的后路配备了四道打麸和一道刷麸,足以保证
19、对麸片的处理效果。各道皮磨的磨下物料,分别用平筛进行筛理分级,分出大小麸片、粗粒、粗粉及面粉。麸片送往下道皮磨或打麸机处理;粗粒送往清粉机进一步精选,以分出纯净的麦心送往心磨研磨成粉,其余的带皮颗粒则送往渣磨系统继续研磨剥刮,细麸片则去细皮磨或尾磨处理;粗粉是非常细的胚乳颗粒,纯度较高,直接送往心磨系统。(2)渣磨系统从皮磨系统分级出来的粗粒物料,多是粘有麦皮的胚乳粒,这部分物料粒度较小,不宜送入皮磨系统,但又不是纯净的胚乳,也不宜送入心磨系统。所以在流程中设置了渣磨系统,用磨辊将这些物料轻微地研磨,使麦皮与胚乳分开,经过筛理分级后提取质量好的胚乳粒送往心磨系统。(3)心磨和尾磨系统心磨系统的
20、作用是将皮磨系统、渣磨系统、清粉系统提取的不同粒度的胚乳粒研磨成粉,同时最小限度地磨碎麦皮和麦胚。尾磨的作用是处理从皮磨、渣磨、心磨和清粉系统提出的细麸屑,经研磨和筛理后分出细麸和次麦心。心磨系统中经光辊研磨后的物料,部分胚乳会成为粉片或粉团,这些粉片和粉团如不及时粉碎,便不能用平筛将其作为面粉提出,而被推往后路心磨重复研磨,降低了磨粉机的生产率,增加了动力消耗。为此,心磨系统经光辊研磨后的物料,再进入撞击松粉机或打板松粉机通过撞击形式进行粉碎,然后进入平筛筛理。尾磨和渣磨的物料含胚乳少,麦皮多,磨辊研磨力度小,不易形成粉片,所以采用了柔和的粉碎设备打板松粉机。(4)清粉系统清粉的目的是将皮磨
21、、渣磨提出的麦渣、麦心和硬粗粉进行精选,按质量分成麦皮、带有麦皮的胚乳和纯胚乳粒。这样,将纯净的胚乳粒单独地送往心磨系统研磨,就可获得高质量的面粉。清粉机的原理是风、筛结合,空气自下而上从筛面穿过,使筛上物料产生分级,重的物料在下从而穿过筛孔,轻的物料则留在筛面上。这样即可将物料按比重的不同进行分级。2.2 可编程控制器PLC及其与DCS比较可编程控制器是一台有别于普通微机的专用计算机,它能直接在工业环境中应用,不需要专门的空调和恒温环境,它专为工业环境控制而设计制造,具有丰富的输入、输出接口和较强的输出驱动能力。 PLC的最小系统有以下四部分组成:微处理器(CPU)存储器(RAM、ROM)输
22、入输出单元(I/O接口)电源,其结构框图如图2-3所示。图2-3 PLC的基本结构框图 PLC和DCS是当前自动控制领域两大控制系统。PLC即可编程控制器,英文全称为Programmable Controller,早期的PLC主要用来代替继电器实现逻辑控制,其功能随着技术的发展已大大超出了逻辑控制的概念。DCS即分布式控制系统,英文全称为Distributed Control System,在国内自动化行业又习惯称之为集散控制系统,它是以集中式控制系统为基础结合现代4C技术发展而来的。其二者主要的特点概括如下:(1)PLC 的主要特点:程序编制及生成简单,运行速度快,能够很好地完成条件、顺序、
23、计数、步进等控制功能,同时能够实现数据处理、通讯联网、实时监控等功能。(2)DCS的主要特点:功能全,采用网络通讯技术,完备的开放系统,可靠性高,具有综合性和专业性,实现了人机对话,扩展灵活,管理能力强,具有集中管理、分散控制的特点。PLC和DCS有很大的不同,首先PLC和DCS的设计原理区别较大。PLC是从模仿继电器控制原理发展起来的,它存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作指令,并通过输入和输出操作来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,将其存入PLC的用户程序存储器,运行时按存储的程序逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。DCS是在运算放大器的基础
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