混凝土拌和生产线自动设计说明书.docx
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混凝土拌和生产线自动设计说明书
毕业设计说明书
混凝土拌和生产线自动
控制系统设计
专业
电气工程及其自动化
学生姓名
班级
学号
指导教师
完成日期
基于PLC的混凝土拌和生产线自动控制系统设计
摘要:
混凝土搅拌站是随着水泥的诞生而产生和发展的。
它是建筑、桥梁、道路、大坝等工程施工中的必备设备，它由贮料、配料、搅拌、放料等结构部件组成，是一个受多环节制约的复杂系统。
而随着我国经济建设的高速发展，综合国力不断增强，国家对基础设施建设的投资力度加大，拉动了城市商品混凝土的高速发展，同时，使混凝土搅拌站有了较大的发展空间，最初搅拌站仅以单机的形式出现，混凝土自拌自用，随着基础设施建设大规模的开展，产生了很大的商品混凝土市场，搅拌站的需求越来越大，计量要求越来越高，于是出现了各种不同形式带有计量装置的搅拌站，从而产生了现代的混凝土搅拌站。
常见的混凝土搅拌站控制方式有继电器直接控制、PLC和计算机结合以及PLC和配料控制器结合3种控制方式。
采用PLC和配料控制器结合控制的搅拌站性能可靠、性价比高，可以保证混凝土的质量，提高混凝土生产效率。
作为混凝土搅拌站的核心，控制及监控程序在计量精确、控制可靠、管理方便等方面的要求也日益提高。
本文针对PLC和配料控制器结合控制的搅拌站来设计其控制及监控程序设计中主要要完成的任务有系统构造、PLC的I/O分配、工作流程图及PLC程序的编写。
关键词:
混凝土搅拌站；I/O分配；可编程控制器（PLC）；自动控制
TheControlSystemDesignofConcreteMixing
ProductionLine
Abstract:
Concretemixingstationswereproducedanddevelopedwiththebirthofcement.Itistheconstructionofthenecessaryequipmentforbuildings,bridges,roads,damsandotherprojects.It’sconstructedfromstoragematerials,ingredients,stirring,discharge,andotherstructuralcomponents,anditisasubjecttotheconstraintsofthecomplexmulti-linksystem.AsChina'seconomicconstructionandtherapiddevelopment,Comprehensivenationalstrengthconstantlyenhancethestate'sinfrastructureconstructioninvestmentincreasedtoboostthecity'srapiddevelopmentofready-mixedconcrete,sothattheconcretemixingstationshavelargerspacefordevelopment,theinitialMixingstationonlyintheformofstand-alone,self-mixconcrete-occupied,withtheconstructionofinfrastructurefacilitiesforlarge-scale,alotofready-mixedconcretemarketwasdeveloped,thedemandformixingstationsarelargerandlarger,andmeasuresareincreasinglydemanded,sothemixingstationswithvariousformsofmeasurementdevicesweredeveloped,therebythemodernconcretemixingstationwascreated.
Commonconcretemixingstationscontrolwaysmaybethethreekinds:
Relaydirectcontrol,PLCandcomputercombinationofingredientsandthePLCandcontrollercombination.ButPLCcontrollerandacombinationofingredientscontrolofthemixingstationisreliable,cost-effectiveandcanensurethequalityofconcrete,increasetheproductionefficiency.Asthecoreofconcretemixingstations,Thecontrollingandmonitoringprograminthemeasurementprecise,reliablecontrol,easymanagementandotheraspectsisincreasinglydemanded.
ThispaperforPLCandthecombinationofingredientscontrollertocontrolthemixingstationwilldesignitscontrollingandmonitoringprogram.InthemaintextImustcompleteasystematicstructure,theI/OdistributionofPLCandpreparetheworkflowchartandPLCprogram.
Keywords:
concretemixingstation;theI/Odistribution;programmablelogiccontroller（PLC）;automaticcontrol
基于PLC的混凝土拌和生产线自动控制系统设计
1绪论
1.1选题背景及意义
1969年美国的数字设备公司（DEC）成功研制出世界上第一台PDP-14型PLC。
随后，在二十世纪七十至八十年代一直简称为PC。
由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；可编程序范围很大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称为PLC。
此后，这项新技术就迅速发展起来，并推动了欧洲各国、日本以及我国对可编程序控制器的研制和发展。
可编程序控制器自问世以来，发展极为迅速，它已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。
可编程序控制器总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展，具有可靠性高、功能完善、编程简单且直观，能够有效地弥补继电器控制系统的缺陷。
目前，PLC在国内外已广泛应用于机械制造、电力、采矿、钢铁化工等行业。
PLC的应用在机械行业十分重要，它是实现机械一体化的重要工具，也是机械工业技术进步的强大支柱。
随着我国经济建设的高速发展，许多大型的基础工程及建筑工程相继开工。
建设优质的工程需要高品质的混凝土，而且随着人们环保意识的加强，为了减少城市噪音和污染，交通和建筑管理部门要求施工用的混凝土集中生产和管理。
这样，不仅要求混凝土的配料精度高，而且要求生产速度快，因此，混凝土生产过程中搅拌设备自动控制系统日益受到人们的重视。
1.2混凝土搅拌机的现状及国内市场分析
从1903年德国建造世界上第一座预拌混凝土搅拌站以来，商品混凝土作为独立的产业已有100多年的历史。
目前，德国、美国、意大利、日本等国家的搅拌站在技术水平和可靠性方面处于领先地位。
国外生产的搅拌站一般生产率在50m3/h～300m3/h，对于商品混凝土生产，搅拌站形式应用比较普遍，尤其在大型工程中被采用。
在“十五”乃至2011年期间，我国要建设一大批大型煤矿、油田、电站、机场、港口、高速铁路、高等级公路等重点工程，同时也要进行大量的城市道路、城镇住宅的开发与建设，这都需要大量的混凝土。
所以现在正是大力发展混凝土机械的大好时机，作为“一站三车”中的一站，混凝土搅拌楼（站）占有举足轻重的地位。
2混凝土搅拌站系统概述
2.1混凝土搅拌站的组成
一个全套的搅拌装置是由许多台主机和一些辅助设备组成，它最基本的组成部分有以下五个:
运输设备、料斗设备、称量设备、搅拌设备和辅助设备，如图2-1：
图2-1混凝土搅拌站示意图
沥青混凝土拌和生产线是目前道路建设领域中的重要设备之一，随着筑路路面要求的提高，它对沥青混凝土拌和质量提出更高的要求：
1）系统要求能连续16H工作；
2）要求沥青混凝土拌和的油石比精确；
3）要求生产过程中的每一拌料具有数据备查功能。
系统根据工程上沥青混凝土具体配比要求，由料仓将料放入称料斗称料，称料完毕后，按一定顺序放入拌缸中搅拌，拌缸搅拌的同时，料斗又开始下一循环称料，拌缸中的料经过45S搅拌后，放入小车，并存放到贮料罐。
简化的控制对象工作要求见图2-2所示：
系统控制要求分析：
系统称料分三路：
石料，石粉和沥青。
当系统启动，若三个料斗都处于关门状态，三种材料根据工程配方开始称料：
石料称斗先称取1#石料，当称量值到，关闭1#石料仓门，接着称料斗开始称2#石料，称量值到，关闭2#石料仓门；在称石料的同时，粉称斗和沥青称斗也开始称料。
粉称斗称料过程与石料类同。
而沥青称料作了技术处理：
沥青称量分两步进行，第一步与石料、石粉同步称量，称沥青所需要量的80%，余下的20%等石料称料结束，根据石料称量偏差对沥青称量作修正，经第二次称量，实际加入的沥青量的百分比为：
X
石料理论称量值
石料实际称量值-石料理论称量值
0.8X+0.2X+X
式中，X为沥青量在拌料中的百分比。
当三种原料称料结束，将石料放入拌缸，延时△T1放入沥青，在延时△T2放入石粉，三个称料斗放完料后再次进行下一循环称料。
而拌缸中的料经过搅拌45S后放入小车，由小车将料放入贮料罐中。
图2-2生产线称量控制要求
1）运输设备
运输设备包括骨料运输设备以及水泵等。
一般骨料运输设备有皮带机、拉铲、抓斗和装载机等，其中皮带机是搅拌装置中最常用的骨料运输设备。
2）料斗设备
料斗设备由贮料斗、卸料设备（闸门、给料机等）和一些其它附属装置组成。
料斗设备在生产中起着中间仓库的作用，用来平衡生产。
在混凝土搅拌装置中，用料斗设备配合传感器称量进行配料。
所以，它是工艺设备的组成部分，并不是大宗物料的贮存场所。
3）称量设备
称量配料设备是混凝土生产过程中的一项重要工艺设备，它控制着各种混合料的配比。
称量配料的精度对混凝土的强度有着很大的影响。
因此，精确、高效的称量设备不仅能提高生产率，而且是生产优质高强混凝土的可靠保证。
一套完整的称量设备包括贮料斗、给料设备（闸门或给料机）和称量设备等。
对称量设备的要求，首先是准确，其次是快速。
称量的不精确将对混凝土的强度产生很大的影响，同时又要满足一定的生产率。
称量设备从构造上可分为杠杆秤和电子秤等，其中，杠杆秤已经被淘汰。
为了适应各种不同的物料，秤斗在构造上略有不同。
骨料秤斗是长方形的，而水等液体的秤斗是圆形的，斗门设有橡皮垫，以保证密封。
传感器的装设，电子秤的秤斗采用三点悬挂，在每套悬挂装置的中部各装有一个传感器。
4）搅拌设备
即一般的混凝土搅拌机，没有提升装置和供水装置。
其设计技术很成熟，在搅拌站设计中，一般采用标准搅拌机。
例如，目前国内厂家基本都使用双卧轴强制式搅拌机，此搅拌机搅拌能力强，搅拌均匀、迅速，生产率高，对于干硬性、塑性及各种配比的混凝土，均能达到良好的搅拌效果。
2.2电控系统的构成
电控系统由PLC、智能元件、传感器、中间继电器和执行机构等构成，如图2-3：
图2-3电控系统构成
1、PLC采用日本三菱公司的FX系列产品。
它是种高性能小型可编程控制器。
2、智能元件主要是指集显示、变送和控制于一体的配料控制器。
它有一个0～5V的模拟输出接口板。
3、传感器主要包括称重传感器和行程开关等。
4、执行机构包括骨料放料电磁法阀、添加剂放料电磁阀、搅拌电机等。
2.3PLC控制系统的组成
PLC控制系统主要由硬件部分和软件部分组成。
（1）硬件部分
PLC控制系统的硬件部分不仅包括符合系统控制要求的PLC机型、存储器容量、输入输出模块、电源模块、通信模块、模拟量输入／输出模块和其他特殊功能模块等，还包括合适的外围装置，如输入设备（按钮、开关、传感器等）、输出设备（接触器、继电器等）和执行装置控制的现场设备（电机、水泵、阀门等）。
（2）软件部分
PLC控制系统软件部分包括对I／O地址、内部继电器、定时器、计数器的使用和分配，根据要求设计的PLC控制程序及人机界面等。
3混凝土搅拌站控制系统设计
3.1控制系统设计的基本原则及步骤
PLC控制系统是为现场工艺控制服务的，为实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
在设计控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求。
（2）在满足控制要求的前提下，使控制系统简单、经济、使用及维护方便。
（3）要考虑PLC控制系统未来的可扩展性。
（4）控制系统的构成应力求简单、实用，操作、维护、检修方便，安全可靠。
图3-1为PLC控制系统设计的一般步骤，具体分析如下：
（1）分析控制要求：
在设计PLC控制系统之前，要深入了解分析被控对象的工艺要求和控制要求，设计出令人满意的控制系统。
（2）确定输入／输出设备：
根据控制要求选择合适的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等），并确定PLC所需的I／O点数。
（3）选择合适的PLC：
根据所需的I／O点数和具体PLC控制系统的功能要求，选择类型合适的PLC，需要考虑PLC的机型、存储容量、电源模块和其他功能模块等。
（4）I／O分配：
规定PLC的端子和输入／输出设备之间的对应关系，绘制出端子的连接图。
（5）PLC程序设计：
根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。
在PLC程序设计阶段一般先画出程序流程图，再编写程序。
（6）模拟调试：
可以用按钮、开关来模拟数字量，用电压源和电流源来代替模拟量，对程序反复调试、修改，直到满足控制要求。
（7）现场安装与配线：
将输入／输出设备与PLC之间的连线接好。
（8）联机调试：
将PLC程序与现场的输入／输出设备一起进行调试，解决发现的问题，使系统满足控制要求。
（9）整理技术文档：
要整理的技术文档包括设计说明书、I／O接线原理图、程序清单、元器件明细表、使用说明书等。
图3-1PLC控制系统设计步骤示意图
3.2PLC的工作原理
图3-2PLC循环扫描工作方式
这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
①输入处理：
输入处理也叫输入采样。
在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。
在此输入映像寄存器被刷新接着进入程序执行阶段。
在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。
②程序执行：
根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。
但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中，对每个器件而言，器件映像寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。
③程序处理：
程序执行完以后，将输出映像寄存器，即器件映像寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。
PLC的扫描既可按固定的顺序进行，也可按用户程序所指定的可变顺序进行。
这不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行一次，而目也因为在一些大系统中需要处理的I/O点数多，通过安排不同的组织模块，采用分时分批扫描的执行方法，可缩短循环扫描的周期和提高控制的实时响应性。
循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，也可以说PLC是“串行”工作的，这和传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别。
PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。
由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映像寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。
暂存在输出映像寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。
由此可以看出，全部输入输出状态的改变需要一个扫描周期。
换言之，输入输出的状态保持一个扫描周期。
扫描周期是PLC一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。
PLC的扫描时间取决于扫描速度和用户程序长短。
毫秒级的扫描时间对于一般工业设备通常是可以接受的，PLC的响应滞后是允许的。
但是对某些I/O快速响应的设备，则应采取相应的措施。
如选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。
影响I/O滞后的主要原因有:
输入滤波器的惯性；输出继电器接点的惯性；程序执行的时间；程序设计不当的附加影响等。
3.3 可编程控制器的选用
进行PLC选型时，应该从以下几个方面进行考虑:
I/O点数问题，I/O类型问题，联网通信问题，系统响应时间问题，可靠性问题，程序存贮器问题。
确定PLC的型号以后，就必须对各种模块进行选型，开关量模块的选型主要涉及到如下几个问题:
外部接线方式问题，点数问题，开关量输入模块，开关量输出模块。
本项目选择了日本三菱公司FX中档可编程控制器，并配置FX-4AD（四通道12位A/D转换模块），而12位的A/D转换器可使石料称量分辨率达0.5kg，以满足系统技术指标。
模拟输入量包括石粉、石料、沥青等重量。
3.4称量系统模拟量采集
3.4.1模拟量输入模块
模拟量输入模块的作用是将传感器输出的标准模拟量信号转换为PLC内部的数字量信号。
工业控制中，某些输入量（如压力、温度、流量等）是模拟量，某些执行机构（如伺服电动机、调节阀、记录仪等）要求PLC输出模拟量信号，而PLC的CPU只能处理数字量；传感器和变送器的模拟量为标准的电流或电压，如4～20mA,1～5V,0～10V，PLC可有A/D转换器将模拟量转换为数字量；带正负号的电流或电压信号在A/D转换后用二进制的原码或补码表示。
模拟量I/O模块的主要任务是完成A/D转换，可以是单独的A/D转换，如模拟量输入模块FX－4AD。
表3-1FX-4AD技术指标
项目
电压输入
电流输入
4通道模拟量输入。
通过输入端子变换可选电压或电流
模拟量输入范围
DC-10～+10V（输入电阻200k
）绝对最大输入
15V
DC-20～+20mA（输入电阻250
）绝对最大输入
32mA
数字量输出范围
带符号位的12位二进制（有效数位11位）数值范围-2048～+2047
分辨率
5mV（10V
1/2000）
20
A（20mA
1/1000）
综合精确度
1%（满量程0V～10V）
1%（满量程4mA～20mA）
转换速度
每通道15ms（高速转换方式时为每通道6ms）
隔离方式
模拟量与数字量间用光电隔离。
从基本单元来的电源经DC/DC转换器隔离。
各输入端子间不隔离
模拟量用电量
DC24（1
10%）V，50mA
I/O占有点数
程序上为8点（计输入或输出点均可），有PLC供电的消耗功率为5V30mA
FX-4AD为4通道12位A／D转换模块，根据外部连接方法及PLC指令，可选择电压输入或电流输入，是一种具有高精确度的输入模块。
通过简易的调整或根据PLC的指令可改变模拟量输入的范围。
瞬时值和设定值等数据的读出和写入用FROM／TO指令进行。
本设计中设置CH1，CH2，CH3为电压输入状态。
3.4.2缓冲寄存器BFM的分配
表3-2FX-4AD模块BFM分配表
BFM
内容
*#0
通道初始化缺省设定值=H0000，BFM#0中写入4位16进制数分别设定4个通道工作方式
*#1
通道1
平均取样次数设定1～4096，缺省值=8，设定值超出范围按缺省值8处理
*#2
通道2
*#3
通道3
*#4
通道4
#5
通道1
存放各通道经A/D转换的数字量平均值，数据由FROM指令读取
#6
通道2
#7
通道3
#8
通道4
#9
通道1
存放各通道当前A/D转换的数字量，数据由FROM指令读取
#10
通道2
#11
通道3
#12
通道4
#13～#19
不能使用
*#20
重置为缺省设定值缺省设定值=H0000，若BFM#20=1，设定值均恢复到缺省设定值，若BFM#20=0，设定值不改变
*#21
零点0和增益G调整，缺省设定值b1,b0=0,1（允许）；b1,b0=1,0（禁止）
*#22
零点、增益调整
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0
G4
O4
G3
O3
G2
O2
G1
O1
*#23
零点值：
缺省设定值=0，调整值以5mV/20uA为步距。
零点：
数字量输出为0时的是输入值
*#24
增益值：
缺省设定值=5000，调整值以5mV/20uA为步距。
增益：
数字量输出为+1000时的是输入值
*#25～*#28
空置
*#29
出错信息
*#30
特殊功能模块识别码，用FROM指令读入，FX-4AD的识别码为：
K2010
*#31
不能使用
特殊功能模块FX-4AD的缓冲寄存器BFM，由32个16位的寄存器组成，编号为BFM#0～#31。
FX-4AD的BFM：
（1）BFM#0，写入十六进制4位数字H0000，使各通道初始化，最低位数字控制通道1，最高位控制通道4；各位数字意义：
0：
设定输入范围-10～+10V；
1：
设定输入范围+4～+20mA；
2：
设定输入范围-20～+20mA；
3：
关闭该通道。
（2）BFM#29中各位的状态是FX-4AD运行正常否的信息，如：
b2=0,表示DC24V电源正常，b2=1则电源有故障。
用FROM指令读取BFM#29，可作响应处理。
（3）BFM#30中存放特殊功能模块的识别码，PLC用FROM指令读入，FX-4AD识别码为K2010，用户可在程序中利用识别码，在传送数据前先确认模块
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