基于PLC的混凝土配料控制系统Word格式文档下载.docx
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我国正处于经济高速发展的阶段，基础设施（包括房屋、桥梁、隧道、堤坝、机场等）的不完善在一定程度上阻碍其发展，这些基础设施的建造速度、成本和其质量无一不与混凝土生产设备有关。
随着当今世界科技日新月异。
混凝土生产设备正朝着智能化、信息化与商业化发展，研究高精度、智能型的配料控制仪成为建筑等行业的研究热点问题。
在现在化的生产中，生产机械的自动化程度反映了工业生产发展的水平。
现代化的生产设备与系统已不再是传统意义上单纯的机械系统，而是机电一体化的综合系统电气传动与控制系统已经成为现代生产机械的重要组成部分。
机与电，传动与控制已经成为不可分割的整体。
所谓的机电传动，是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称，它的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动，停止以及速度调节，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。
机电传动控制系统所要完成的任务，从广义上讲，就是要使生产机械设备，生产线，车间，甚至整个工厂都实现自动化；
从狭义上讲，则指通过控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数量的曾加，质量的提高，生产成本的降低，工人劳动的条件的改善的以及能量的合理利用。
机电传动以及控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。
单就机电而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。
所谓成组拖动，就是一台电动机拖动一根天轴，再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种生产方式效率低，劳动条件差，一旦电动机放生故障，将造成成组机械的停车；
所谓但电动机的拖动，就是用一台电动机拖动一台生产机械，它虽然较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构复杂；
多电动机拖动，即是一台生产机械的每一个运功部件分别由一台电动机拖动，这种拖动的方式不仅大大的简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件，所以，现在化机电传动基本上均采用这种拖动形式。
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。
减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。
自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。
采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。
因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。
它集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；
充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；
充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。
本设计就PLC在机械控制上的应用作了详细阐述。
1.1国内外的发展概况
德国于1903年建立了世界上第一个混凝土搅拌楼，随后，美国于1913年，法国于1933年，日本于1949年建立了搅拌楼。
70年代到80年代随着单片机的应用，搅拌楼进入了智能化时代[2]。
进入90年代混凝土生产发展到商用搅拌站阶段，也是搅拌设备发展最快的时期[3]。
目前，德国、美国、日本、意大利等国家生产搅拌设备的技术水平和可靠性方面处于领先地位。
现今同类产品中最为出色的是日本公司的CB920、美国托利多的Panth，但其一个控制盒同时称重多种物料的产品还难以可靠的对单通道进行启停、卸料等操作，并且其称量精度还有迸一步提升的空间[4]。
我国自60年代开始研究混凝土搅拌楼，主要用于水利工程。
80年代中期开始生产小型混凝土搅拌楼，用于工业与民用建筑工程。
目前国内还处在混凝土搅拌楼的研发阶段，研发的配料机多数沿用“提升上料，自落配料、开环控制”的设计模型。
国内专业的商用搅拌站还很少，并且国内少数的商用搅拌站大多采用国外的生产装置用。
现今国内配料搅拌控制仪大多是单通道，如果要对水泥、泥沙、水、外添加剂进行同时称量，需要4个控制盒，通过上微机协调控制。
显然这种状况制约了我国组建大型搅拌站。
并且国内生产的配料搅拌控制盒在精度和稳定性上与国外一流水平还有相当大的距离。
混凝土配料设备的各阶段新技术及其特点如表1.1所示
表1.1混凝土配料设备的各阶段特点
年代
引入的新技术
特点
70年代以前
配料搅拌机械
手动机械、配料精度低、生产率低
70到80年代
单片机技术
智能机械、生产率提高、精度提高、单通道控制器
90年代
信息技术
大型配料系统、生产率大幅提高、管理方便、商业化
现今
智能算法与机械改进
大型系统、精度大幅提高、多通道控制器
就技术工艺和设备的先进性而言，美国、英国、德国、法国、意大利、日本等国家生产的混凝土搅拌设备在总体技术水平和运行性能方面处于世界前列，尤其在智能控制和运行可靠性方而更是如此。
其产品占据了世界工程机械的大部分市场，而且牢牢占据了高端市场，仅我国240t／h以上的大型混凝土搅拌设备份额中，国外产品就占了90％。
2005年国内市场容量大约在1200台左右，销售额30亿元左右。
其中，国产混凝土搅拌设备销量在950台左右，多数以240t／h以下的（低端）产品居多，销售额14亿元左右；
进口及外资产品销售数量250台左右，并以240t／h以上的（高端）产品居多，销售额在16亿元左右。
在市场激烈竞争的强烈刺激下，他们不断改进和完善整机性能，加快产品的更新换代，液压和气动技术更是日益提高，电子技术、微型计算机技术和信息处理技术的不断发展，使得工程机械产品到了机电液气一体化发展的新时期[5]
1.2本课题的研究内容和意义
在建筑行业中，混凝土是建筑工程中应用最广泛的材科之一，箕经济、技术指标对于整个建筑工程的质量和成本有着举足轻重的关系。
混凝土由水泥、水、砂石、外添加剂等原材料制成。
早期采用的是人工配料，即操作人员将各种原料依次在磅秤上称量，然后依次加入到搅拌器中，最后才进行搅拌搅拌就是充分混合的过程。
因此，各种原料的重量是否符合预先设定的比例在很大程度上取决于计量入员抟技箍移工箨责任心。
这稗配料方法存在效率低和精度不高的缺点，直接影响建筑的质量和成本。
为了提高混凝土的强度节约水泥和满足技术要求，各种原材料必须严格按预先试验好的比例配合在一起。
混凝土配料搅拌控制系统就是对这几种物料按比例进行称量然后再搅拌混合的智能化装置。
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。
两且是生产优质高强混凝土的可靠保证[6]。
这些年来随着建筑行业的迅猛发展，迫切需要研制出兼顾速度和精度的混凝土配料控制系统。
1.3本课题应达到的要求
本文在了解和分析工艺需求的基础上,运用自动控制理论和技术,分析和研究影响配料精度、配料速度和系统稳定性等因素的关键技术,设计出一套性能良好的混凝土配料系统（硬件构成和软件实现）,实现整个搅拌站稳定、快速地提供高质量的混凝土,满足工艺要求。
主要研究内容和方法如下：
（1）在分析影响混凝土配料控制精度的因素基础上,通过大量的工程实践经验,研究和制定控制策略。
（2）根据工艺要求,利用计算机控制技术提出系统方案设计。
主要包括:
系统总体结构的组成、硬件元器件的选型、系统软件平台的选择、配料系统各关键模块的具体设计、数据库系统、操作界面的设计等。
（3）采用软件模块和对象化的设计方法,结合用户需求设计开发监控程序,并进行软件与硬件的联合调试,对系统进行检测和优化,使系统达到设计目标間。
（4）通过现场调试和运行,不断完善参数,以达到满意的配料控制精度和速度,最后交付用户使用。
2混凝土配料系统结构
2.1混凝土配料控制系统的组成
配料控制系统由储料仓、给料系统、称重计量系统、搅拌设备、混料设备、输送设备及中心控制系统几部分组成[7]。
（1）给料系统
螺旋给料系统由电机驱动，给料速度由电机（包括减速机）速度、螺旋给料器口径和螺距来决定。
适用于物料流动性较好、配料精度要求较高、配料速度要求较慢的场合。
为了提高配料速度和精度，可采用双速电机机构驱动螺旋给料机，粗加料时用高速，细加料时用低速。
料门给料系统适合物料流动性好、配料速度要求快、精度要求相对较低的场合。
通常使用双气缸实现料门两种开口大小或一大一小两个料门。
在粗加料时将料门全部打开，达到一定量时将料门关闭一部分进行细加料，达到预定量时将料门全部关闭。
对于一些液体原料（如水等）可采用电磁阀给料方式，这种方式控制相对简单、也可采用双管路双电磁阀控制，提高配料速度和精度。
除了上述三种方式外，还有一些场合可以采用传送带、刮板、真空抽吸、震动给料等方式。
本系统采用螺旋给料机来供料。
（2）称重计量系统
称重计量系统是自动配料系统的核心。
随着科学技术的迅速发展，称重技术的进步可谓之日新月异，称重计量模式的发展经历了传统的杠杆机械秤、机电结合式电子秤和传感器式电子秤、电脑秤和微机控制秤等阶段。
杠杆机械秤主要由秤斗和杠杆系统组成，其称重速度慢、效率低、不能适应生产自动化的要求。
图2.1子称原理框图
电子秤是装有电子装置的一种衡器，它由承重、传力复位系统（如机械计量斗）、称重传感器以及称重仪表等组成[8]。
电子秤的结构如图2.1所示。
（3）中心控制系统
称重计量系统和中心控制系统是自动配料系统的核心。
中心控制系统可采用单片机或者微机来实现。
控制上有集中控制和分布式控制等形式。
前者考虑到对计算机的充分利用，用一台计算机直接控制和管理多路生产设备，造价相对低廉，但是这种控制方式控制任务过于集中，一旦计算机出现故障，则会影响全局。
随着科学技术的进步，低廉和功能完善的微型计算机和单片机的问世，出现了分布式控制结构，即由若干微处理器分别承担部分任务，共同组成计算机控制系统，并且用一台功能更强的计算机进行管理，这种结构中的每一台控制器功能都较为简单，但是可靠性更高，可维护性更好。
采用两级分布式控制方式时，系统的下位机一般采用单片机为核心控制器，每台控制器直接控制四台秤，实现四路物料的定量给料。
系统的上位机一般采用工控机。
一台上位机连接多台下位机，用于生产线的集中管理。
上位机具有数据采集和分类储存的功能，还可实现人机对话，完成集中监视、集中操作和集中管理等多项任务。
系统的上下位机之间通过RS-485或RS-232等串行通讯总线进行信息交换[9]。
（4）搅拌设备
目前国内的搅拌设备已趋于成熟，有0.5/1.0/1.5/2.0/3.0/4.0m3等多种规格。
例如市场主流的珠海仕高玛MAO系列搅拌机具有以下功能：
①配备多重轴端密封保护装置及风压保护装置，有效杜绝漏浆现象发生。
②独有监控系统可监控减速箱、卸料泵、润滑油泵等重要部件运行状态。
③配备380VAC电动时控润滑油泵。
④可选配搅拌机称重保护装置。
⑤重型设计，运行稳定。
2.2混凝土配料及搅拌系统结构图如下
图2.2混凝土配料及搅拌控制系统结构
2.3混凝土配料及搅拌系统中需要控制的部件
（1）PLC主机：
选择西门子S7—200-226系列外部扩展一个数字模块EM221（8I）作为混凝土配料及搅拌系统过程中的控制主机。
（2）转换开关SL:
用于切换电路的手动、单周期、连续工作过程。
（3）启动按钮SB1：
用于混凝土配料及搅拌系统的初始上电工作。
（4）停止按钮SB2：
用于混凝土配料及搅拌系统的工作结束。
（5）手动石料1按钮SB3：
用于手动控制石料1电磁阀的启动和停止。
（6）手动石料2按钮SB4：
用于手动控制石料2电磁阀的启动和停止。
（7）手动石粉1按钮SB5：
用于手动控制石粉1电磁阀的启动和停止。
（8）手动石粉2按钮SB6：
用于手动控制石粉2电磁阀的启动和停止。
（9）手动沥青按钮SB7：
用于手动控制沥青电磁阀的启动和停止。
（10）手动石料料斗按钮SB8：
用于手动控制石料料斗电磁阀的启动和停止。
（11）手动石粉料斗按钮SB9：
用于手动控制石粉料斗电磁阀的启动和停止。
（12）手动沥青料斗按钮SB10：
用于手动控制沥青料斗电磁阀的启动和停止。
（13）手动搅拌机按钮SB11：
用于手动控制搅拌缸电机M的启动和停止。
（14）手动阀门开关SB12：
用于手动控制搅拌缸阀门电磁阀的启动和停止。
（15）石料1脉冲计量传感器SB13：
用于计量石料1储料仓的放料数量。
（16）石料2脉冲计量传感器SB14：
用于计量石料2储料仓的放料数量。
（17）石粉1脉冲计量传感器SB15：
用于计量石粉1储料仓的放料数量。
（18）石粉2脉冲计量传感器SB16：
用于计量石粉2储料仓的放料数量。
（19）沥青脉冲计量传感器SB17：
用于计量沥青储料仓的放料数量。
（20）石料料斗限位传感器SQ1：
用于控制石料料斗电磁阀的启动和停止。
（21）石粉料斗限位传感器SQ2：
用于控制石粉料斗电磁阀的启动和停止。
（22）沥青料斗限位传感器SQ3：
用于控制沥青料斗电磁阀的启动和停止。
（23）石料1电磁阀YV1：
用于控制石料1储料仓的放料与否。
（24）石料2电磁阀YV2：
用于控制石料2储料仓的放料与否。
（25）石粉1电磁阀YV3：
用于控制石粉1储料仓的放料与否。
（26）石粉2电磁阀YV4：
用于控制石粉2储料仓的放料与否。
（27）沥青电磁阀YV5：
用于控制沥青储料仓的放料与否。
（28）石料料斗电磁阀YV6：
用于控制石料料斗的放料与否。
（29）石粉料斗电磁阀YV7：
用于控制石粉料斗的放料与否。
（30）沥青料斗电磁阀YV8：
用于控制沥青料斗的放料与否。
（31）搅拌缸阀门电磁阀YV9：
用于控制搅拌缸阀门的开关与否。
（32）搅拌缸电机M：
用于对材料进行搅拌。
（33）声报警：
发出声音。
（34）光报警HL：
发出光亮。
表2.3混凝土配料及搅拌系统I/O点及地址分配
输入
输出
功能
地址
手动转换开关SL
I0.1
石料1电磁阀YV1
Q0.1
单周期转换开关SL
I0.2
石料2电磁阀YV2
Q0.2
连续转换开关SL
I0.3
石粉1电磁阀YV3
Q0.3
启动按钮SB1
I0.4
石粉2电磁阀YV4
Q0.4
停止按钮SB2
I0.5
沥青电磁阀YV5
Q0.5
石料料斗限位传感器SQ1
I0.6
石料料斗电磁阀YV6
Q0.6
石粉料斗限位传感器SQ2
I0.7
石粉料斗电磁阀YV7
Q0.7
沥青料斗限位传感器SQ3
I1.0
沥青料斗电磁阀YV8
Q1.0
阀门限位传感器SQ4
I1.1
搅拌缸电机M
Q1.1
手动石料1按钮SB3
I1.2
搅拌缸阀门电磁阀YV9
Q1.2
手动石料2按钮SB4
I1.3
声报警
Q1.3
手动石粉1按钮SB5
I1.4
光报警HL
Q1.4
手动石粉2按钮SB6
I1.5
手动沥青按钮SB7
I1.6
手动石料料斗按钮SB8
I1.7
手动石粉料斗按钮SB9
I2.0
手动沥青料斗按钮SB10
I2.1
手动搅拌机按钮SB11
I2.2
手动阀门开关SB12
I2.3
石料1脉冲计量传感器SB13
I2.4
石料2脉冲计量传感器SB14
I2.5
石粉1脉冲计量传感器SB15
I2.6
石粉2脉冲计量传感器SB16
I2.7
沥青脉冲计量传感器SB17
I3.0
2.4混凝土配料控制方案设计
为了使PLC完成混凝土配料控制系统整个生产过程的现场控制功能，PLC需要采集各秤的重量信号及其它传感器和行程开关提供的开关量信号，并对此进行处理后，输出对电磁阀、电动机等各执行机构的控制信号，其具体细节如下：
（1）石料斗秤、沙料斗秤等由称重传感器感应的信号分别经称重变送器进入PLC。
由于变送器输出的是并行BCD码，所以需经过程序转换成二进制码，存储在PLC的数据寄存器中。
然后经过PLC程序处理。
（2）各秤斗称量时，达到设定值时停止给料。
（3）由于秤斗上粘附的原料使称重产生偏差，所以需要进行去皮处理。
去皮时，PLC记下此时的重量，此重量即为基准零点。
在称量时用总重量减去基准零点值，得到的就是原料的准确重量。
（4）考虑到有可能因突然停电造成配料停止，为了不使已经配好的原料浪费，己经配好的原料的重量需要具有停电保护功能，所以在程序中，把这些重量信号存在可断电保持的数据寄存器中。
（5）由于搅拌站运行过程中,各送料机及搅拌机等难免不出故障,因此,应设计故障报警程序。
3混凝土配料控制系统设计
3.1系统设计
混凝土配料控制系统共有5个料斗，每个料斗各配有一台称重仪，分别对每种物料的下料量进行实时采集，将重量传输至工控机，根据与设定参数的比对，通过PLC对电机、阀门的控制。
上位机对各种工艺参数进行实时监控，包括设定值的给定、提前量、累计量等。
系统上位机采用组态软件MCGS,主要完成对重量数据的处理和和PLC进行通讯、实时监控、数据的存储[10-12]。
完成对物料的控制、画面的动感效果，数据的存储是主要解决的技术问题。
PLC作为下位机，采用Windows操作系统下的STEP7编程软件进行程序的在线或离线检查、调试、监控等操作，以方便可靠地实现对现场设备的控制。
由于混凝土搅拌设备需要连续地生产，因各个动作之间有着严格的顺序限制，因此采用顺序控制、经验控制和步进控制相结合，软
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