基于PLC的混凝土搅拌机控制及监控程序设计毕业设计.docx
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基于PLC的混凝土搅拌机控制及监控程序设计毕业设计
本科毕业设计（论文）
题目：
基于PLC的混凝土搅拌机
控制及监控程序设计
基于PLC的混凝土搅拌站控制及监控程序设计
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
ThedesigningofthecontrollingandmonitoringprogramforconcretemixingstationswhichbasedonPLC
Student:
LICheng-haiTeacher:
QINYan-zhi
Abstract:
Concretemixingstationswereproductedanddevelopedwiththebirthofcement.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.InthemaintextImustcompletasystematicstructure,theI/OdistributionofPLCandprepartheworkflowchartandPLCprogram.
Keywords:
concretemixingstation;theI/Odistribut-ion;programmablelogiccontroller（PLC）;automaticcontrol
1绪论
1.1选题背景及意义
可编程序逻辑控制器（PLC）自它诞生以来至今，以其极高的性能价格比以及一系列人所共识的优点，受到越来越多的工程技术人员的重视。
它现在被广泛用于汽车生产、石油生产、IT制造、家电制造厂等工业控制系统场所，是现代制造业发展的重要技术之一。
它对工业的生产提供了良好的控制系统，它的广泛使用才使得人民不断增长的物质需求得到有利保障。
1969年美国DEC公司研制的第一台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。
PLC在控制领域的应用是保持了广泛的增长趋势。
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，交通和建筑竹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，而目要求生产速度快，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。
可编程控制器（PLC）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。
1.2混凝土搅拌机的现状及国内市场分析[1][2]
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己有100多年的历史。
随后，美国于1913年，法国于1933年建立了自己的搅拌站。
二次大战后，尤其是60年代到70年代，由于各国抓紧发展经济，医治战争的创伤，混凝土搅拌站得到了快速发展。
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。
我国混凝土搅拌站（楼）的研制是从50年代开始的，在其发展过程中，型式的选取和主要技术参数基本上是根据用户要求和参考国外产品的自由状态。
国标GB10171-88（（混凝土搅拌站（楼）分类》和GB10172-88（（混凝土搅拌站（楼）技术条件》的颁布实施，将混凝土搅拌站（楼）的研制和生产纳入了标准管理的轨道，为其发展奠定了基础。
产品技术标准和预拌混凝土标准的要求中，对于混凝土搅拌站（楼）的技术指标己达到发达国家水平。
当今国内生产的混凝土搅拌站质量迅速提高，逐步取代了进口搅拌站，在国内已经占主导地位，其控制系统也得到快速发展。
国内大型混凝土搅拌站生产厂商包括:
三一重工、珠海志美、上海华建、南方路机等。
自八十年代以来，我国混凝土机械有两次战略性产品结构调整，对行业的发展起到了举足轻重的作用：
一是八十年代初期混凝土搅拌机的升级换代，由双锥反转型、立轴和卧轴强制式混凝土搅拌机替代鼓筒型搅拌机，现在这三大系列产品的技术性能己达到国外同类机型的先进水平，从质量到数量上基本满足了国内需求;二是八十年代末到九十年代初“发展一站三车（即混凝土搅拌楼（站）、混凝土搅拌输送车、臂架式混凝土泵车和散装水泥车），把我国商品混凝土机械搞上去”的战略，推动了混凝土机械行业的第二次产品结构调整，反映了混凝土机械行业稳定、持续、全面发展的深层次要求。
经过科研院所和生产企业的共同开发，适时引进国外先进的混凝土泵和混凝土搅拌输送车技术，使我国在商品混凝土机械的设计、制造能力和水平都有了很大提高，一些产品已有批量生产，其技术水平与当今世界水平同步，减少了进口，节约了外汇，取得了较好的经济效益和社会效益。
在“十五”乃至2010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。
1.3本论文的主要工作
1.3.1混凝土搅拌站系统简介
根据控制系统的总体设计思路对混凝土搅拌站的组成、电控系统的构成、称重传感器等硬件进行详细的分析、选型和设计，以便对混凝土搅拌站的硬件系统有一个大概的了解。
1.3.2混凝土搅拌站系统软件设计
根据混凝土搅拌站的工艺流程画出程序流程图、进行PLC型号的选择、I/O端口的分配及写出梯形图程序，实现混凝土搅拌站控制系统对整个混凝土生产过程的可靠控制。
1.3.3程序的调试
通过仿真软件对初始化程序、报警程序、断电保护程序进行调试和修改，使得程序更加符合设计的要求。
2混凝土搅拌站系统概述
2.1混凝土搅拌站的组成[3][4]
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
1）运输设备
运输设备包括骨料运输设备、水泥输送设备以及水泵等。
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，。
水泥输送设备和添加剂输送设备由斗式提升机和螺旋输送机组成。
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，用料斗设备配合自动秤进行配料。
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。
根据制作贮料斗所用的材料不同，贮料斗分为钢贮斗、钢筋混凝土贮斗、木贮斗等;从外形上分，常用的有方形和圆形。
圆形贮斗又叫筒仓。
给料机和闸门都是贮料斗的卸料设备。
闸门控制贮料斗卸料口的开启和关闭的，大多是气动的，其构造简单，卸料能力大，但是只有当物料是完全松散状态时，才能比较均匀地控制料流。
而采用给料机卸料时，就比较容易控制均匀地卸料，给料机都是电动的。
闸门的类型很多，但在混凝土搅拌装置中最常用的是扇形闸门，它由压缩空气缸来操纵，骨料（石子和砂）都是采用闸门给料。
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。
水泥秤斗是圆形的，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2-2：
图2-2电控系统构成
1、PLC采用德国西门子SIMATIC系列产品。
它具有兼容性好和可靠性高的特点，为搅拌站的整个电控系统带来了高质高品的性能，也有利于用户今后对搅拌站的更新与扩展，笔者设计的混凝土搅拌机的PLC外部接线图如图2-3：
图2-3PLC外部接线图
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，其模拟部分精度适合于0.2%,0.1%、0.05%包装秤使用。
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、水泥放料电磁法阀、水泵阀门、添加剂放料电磁阀、送料电机、搅拌电机等。
2.3称重传感器的选择[15]
混凝土搅拌站控制系统主要采集的是各种物料的重量信号，故本系统选用的是压力传感器。
压力传感器是称重系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测物重量信号转换成容易测量的电信号输出，给称重仪表显示重量值，供控制或报警等使用。
影响称重传感器选型的因素：
①称重传感器选型应考虑过负荷因素
②可靠性
③传感器的防护等级
④搅拌站的规模和工作类型
⑤称重传感器的准确度
称重传感器的选型应充分考虑以上一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。
工程机械搅拌设备用称重传感器的选型既要考虑混凝土搅拌楼站称重系统的基本要求，又要兼顾称重传感器的运行环境，还要削弱那些对称重传感器有重要影响的
因素，合理地选择使用传感器。
根据不同类型和规模的搅拌设备选用相应的传感器[7]。
混凝土搅拌站要求的传感器额定载荷从1kg～4000kg不等，骨料传感器的称量范围最大，一般为50kg～4500kg;外加剂传感器的额定载荷最小，一般不超过50kg。
综合分析了传感器的量程和范围、线性度、灵敏度和分辨率后，并且根据搅拌站中称重传感器的运行环境，选用的是HL-F
（1）型方悬臂梁高精度压力传感器，如图2-4：
图2-4HL-F
（1）型方悬臂梁压力传感器
F型传感器具有0.05%F.S的精度等级、2mv/v的灵敏度、0.05%F.S的非线性、士0.05%F.S/30min的蠕变和蠕变恢复、0.05%F.S的滞后和重复性、0.02%F.S/100℃的零点输出温度影响和额定输出温度影响、15V（DC）的最大工作电压，其额定载荷则为1～20T。
F型传感器采用剪切结构，抗偏载、抗侧向能力强，具有动态响应快、综合精度高、防尘、防潮、防水性能好的特点。
特别适合于恶劣环境，如建筑、水利、化工、电力、港口等行业的工程机械，如搅拌站、打桩机、配料秤、料斗秤等。
2.4小结
本章对混凝土搅拌站的组成、电控系统的构成以及传感器的选型作了简要的论述，使读者对混凝土搅拌站的硬件系统有了一个大概的了解。
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[17]
任何一种控制系统都是为了实现被控对象（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。
再设计控制系统时，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。
设计前，要深入现场进行调查研究，收集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合共同拟定电气方案，协同解决实际中出现的各种问题。
2在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。
监控界面友好，简洁明快。
3保证控制系统的安全、可靠。
4考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量及MCGS监控点时，应该留有余量。
控制系统设计的一般步骤如图3-1所示：
图3-1PLC控制系统设计流程图
3.2 PLC的工作原理[16]
PLC采用循环扫描的工作方式，其扫描过程如图3-2所示。
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。
内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。
在通信操作服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停（STOP）状态时，只进行内部处理和通信服务操作等内容。
在PLC处于运行（RUN）状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作[11]。
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及组态软件选择[15]
3.3.1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:
1）I/O点数问题
当控制对象I/O点在60点之内，I/O点数比为3:
2时选用整体式（小型）PLC较为经济;当控制对象I/O点在100-300点左右，选用中小型模块式的较为合理;当控制对象I/O点在500点以上时就必须选用大型PLC。
2）I/O类型问题
I/O类型也是决定PLC选型的重要因素之一，一般而言，多数小型PLC只具有开关量I/O;PID,A/D,D/A、位控功能一般只有大、中型PLC才有。
3）联网通信问题
联网通讯是影响PLC选型的重要因素之一，多数小型机提供较简单的RS-232通讯口，少数小型PLC没有通讯功能。
而大型PLC一般都有各种标准的通信模块可供选择。
4）系统响应时间问题
系统响应时间也是影响PLC选型的重要因素之一。
一般而言，小型PLC扫描时间为10-20ms/kb;中型PLC扫描时间在10ms/kb以下;大型PLC扫描时间在1ms/kb以下，而系统响应时间约为2倍的扫描周期。
5）可靠性问题
应从系统的可靠性角度，决定PLC的类型和组网形式，比如对可靠性要求极高的系统，可考虑选用双CPU型PLC或冗余控制系统/热备用系统。
6）程序存贮器问题
在PLC选型过程中，PLC内存容量、型式也是必须考虑的重要因素。
通常的计算方法是:
I/O点数×8（开关量）+100×模拟量通道数（模拟量）+120×（1+采样点数×0.25）（多路采样控制）。
进行PLC选型时，不要盲目地追求过高的性能指标。
另外，I/O点数，存贮容量应留有一定的余量以便实际工作中的调整。
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:
①外部接线方式问题。
I/O模块一般分为独立式、分组式和汇点式。
通常，独立式的点均价格较高，如果实际系统中开关量输入信号之间不需隔离可考虑选择后两种。
②点数问题。
前面所说，点数是影响PLC选型的重要因素，同样在进行I/O模块的选型时也必须根据具体点数的多少选择恰当的I/O模块。
一般而言，点数多的点均价就低。
③开关量输入模块。
通常的开关量输入模块类型有有源输入、无源输入、光电接近传感器等输入。
进行开关量输入模块的选型时必须根据实际系统运行中的要求综合考虑。
④开关量输出模块。
通常的开关量输出模块类型有继电器输出、可控硅输出和晶体管输出。
在开关量输出模块的选型过程中，必须根据实际系统运行
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