基于PLC的混凝土搅拌站电气控制系统设计土木工程文档格式.docx
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搅拌主机
物料称重系统
物料输送系统
物料贮存系统
控制系统
图1.1混凝土搅拌站系统
PLC可安全利用性高，具有极强的抗干扰能力，基本功能完备、性能优良，简单编程，安装调试很容易等特点，将其利用到混凝土搅拌站控制体系中，能够有效地弥补继电器控制系统的缺陷，满足现代工业的高速发展需求。
现在人们生活水平的在不断提到，社会在不断发展，基础设施不断完善，对混凝土的需求量也逐渐增加，因此进一步使混凝土搅拌站得到了快速发展。
基于PLC的混凝土搅拌站可以满足在生产效率、运行平稳等方面的要求，并且能够大大地提高市场竞争力，是新型混凝土搅拌站发展的趋势。
1.2混凝土搅拌站国内外研究现状
1.2.1混凝土搅拌站国外研究现状
当下表明，利用混凝土搅拌站制造混凝土，一般能够节省的水泥在10%-20%左右，从而降低产品成本10%左右，还可以保证混凝土质量、实现文明运行等方面的优势[3]。
开始，混凝土搅拌站的利用单机搅拌方法，商品混凝土的利用后，呈现汇总搅拌方法。
创立的最初时期，利用自动式的卸料卡车或机动翻斗车当做运送混凝土的工具，因此难以保证了混凝土的质量。
从20世纪60年代至70年代，全球各国的经济迅速成长，混凝土行业也获得了快速成长。
由于各类混凝土搅拌站特征不同，每一个国度的国情也有差别。
例如，德国大多需要高强度的混凝土，美国大多采用普通强度的混凝土，各个国家需求和习惯不同，所以在使用时会选用不同的搅拌站。
当下发展而论，德国、美国、意大利等国家制造的搅拌设备在系统运行和生产技术水平等方面均处于行业领先地位[4]。
如今，市场激烈竞争，各个生产商不断改进和完善控制体系的功效，生产出的物品的更新换代速度加快了，生产技术日益提高，近30年以来，德、日、美等国家的生产商对混凝土搅拌站做了许多科研工作，尝试使用新型工艺、新型技术和新型材料，推动了混凝土搅拌站的发展。
就技能工艺和设备的现代化程度而言，美国、德国、法国、意大利等出国度产的混凝土拌搅站在总体技能水平和操控机能等层面处于世界前沿。
当前，国外的混凝土拌搅的站首要特征是着重环保和强化质量等问题。
1.2.2混凝土搅拌站国内研究现状
随着我国政策的不断推行，在建造行业的飞一般的成长下，混凝土拌搅的站个数正在飞速增长，当下的环境中已成为建设施工中不可缺少的首要装置。
当下，混凝土搅拌制造站技能成熟，种类非常完美。
随着发展城镇，基础装备持续完善，混凝土搅拌站的发展逐步呈现新的趋势：
自动化程度高，可以大量生产，占用土地面积小，可移动性能好。
我国的混凝土搅拌站制造是从50年代开始的，在设备生产的过程中，主要的参数和型式的选择，基本是根据用户的要求或者参照国外已有的类型而定，在国标GB10171-89（《混凝土拌搅站分类》）和国标GB10172-98（《混凝土拌搅站技术条件》）的实颁布施后，使混凝土拌搅站的产生和制造逐进步入标准化管理的轨道，并为其以后的发奠定展了基础[5]。
混凝土拌搅站在我国起步相比较晚，跟着产品技术的不断发展，搅拌站的各项技术指标才逐渐规范化，商品混凝土已经在范围内获得全国推广利用，混凝土拌搅站快速的也获得成长。
在20世纪60年代中期，我国才制成立轴涡流浆式的搅拌机，在80年代初期开启制造卧轴式的搅拌机，直至20世纪80代年后期，伴随我国经民济国的飞一般的拓展，促使混凝土搅拌站得到飞速成长[6]。
在那时的时代里，搅拌站搅拌机首要装置是卧轴单式搅拌机和卧轴双式搅拌机，以电气电子秤称量，多采纳拉升料斗、悬臂拉铲等多种上料方法，控制系统以工控机、单片机为主。
到当下为止，我国已经可以能够组合出制造能力在50-300m3/h的各种型式的搅拌站，诸多技能能力已经达到或者超越国外搅拌站，首要体会在以下这几个方面：
1、可靠性较高。
混凝土搅拌站的首要部门有搅拌主机、螺旋式输料机，以及电气带动元件的特征不变、可靠性高、使用寿命长。
2、生产能力强。
双联站和多联站的诞生，提高了各大混凝土公司的出产功效，从基本上填补了单站生产能力的缺少。
3、产品品质好，出品效率高。
在出产过程当中利用双卧轴式的搅拌主机，利用传动装备带动两个反向步同滚动的搅拌轴，混合料在搅拌罐内作径向和轴向活动，构成对流，提高了搅拌品质。
4、自动控制水平高。
当下，大多数控制体系都比较先进，自动化水平较高。
近几年来ERP系统的广泛应用，不仅可以实时监控运行情况，还可以提高生产水平。
搅拌站大多数开始采用工业计算机控制生产运行，既可以使用手动操作也可以通过自动控制，操作简单方便[7]。
1.3混凝土搅拌站的未来发展
虽然混凝土搅拌站在近几年来获得快速成长，然则可靠性、环保性、安全性等方面还存在不足。
当今时代下，人们对工业的智能化提起了更多需求，所以混凝土搅拌站未来肯定会在环保、可靠、智能等方向进一步拓展[8]。
（1）环保技能不断提高
环保技能慢慢成熟，用在混凝土搅拌站的关键技能之一，其影响着产品的品质。
当下，我国混凝土搅拌站首要是从粉尘、噪音和污染三个方向是向改进和完备，从而做到环保化生产。
在之后发展过程当中，将会有更多的环保技能应用到混凝土搅拌站上，譬如除尘技术、废水废物回收技能、除噪音技能等。
（2）智能化程度逐渐增强
在未来，混凝土搅拌站中将创立和完善ERP管理系统、搅拌站操控经管体系一体化等，呈现混凝土搅拌站的远程操纵、程序进级、故障处理、保护维修等功能。
（3）生产效率不断提高
对混凝土搅拌站的功效出产请求不停提高，促使高效果的混凝土搅拌站不断潮涌。
搅拌站主机的装置不断更新，以后的混凝土搅拌站的产率将获得进一步成长和改良。
（4）设计模块化
为了满足客户多变的要求，提高混凝土搅拌站可靠性以及产品的质量，未来的设计方案将趋近于模块化，可以依据客户的个性化要求，选择得当的关键部件进行模块化设计组装。
（5）精确度提高
在混凝土出产过程当中，对石料、沙料、水泥、添加剂和水的称重精度是首要问题。
当前，在精确度方面另有较大的进步空间，精确度的提升标志着我国混凝土搅拌站的成长方向，增强计量的精确度才能出产高质量、高强度的混凝土来。
（6）设备标准化
在当下的资源自然紧张和低产量高能耗的局势下，促使有关部门和生产企业推动生产设备标准化的发展。
设备的标准化能够从基本上降低装置的生产消耗，大量节约能耗物质。
1.4主要研究内容
本篇文章首要探讨内容是基于PLC的混凝土搅拌站电气控制体系设计，是遵循实际混凝土搅拌站的运作工艺流程，对控制系统整体进行整体分析设计，主要包括混凝土搅拌站的系统组成、电气控制系统的组成成分等硬件部分分析、选型和设计。
根据工艺流程画控制程序流程图，选择合适型号的PLC进行I/O端口分配并编写梯形图程序，实现对混凝土搅拌站生产过程的有效控制。
使用STEP7-Micro/WIN编程软件编写控制程序并进行调试，使其满足实际工艺流程。
利用组态王对运行体系进行组态，调试和监控体系运行。
最后，使该控制正常运行体系。
2混凝土搅拌站系统简述
2.1混凝土搅拌站的系统组成
混凝土搅拌站首要包含搅拌主机系统、物称料量系统、运送物料系统、物贮料存系统、控制系统五大组成系统[9]，如图2.1。
物料运送系统
搅拌主机系统
图2.1混凝土搅拌站系统图
1.搅拌主机
搅拌主机遵照其方法搅拌分划自落式搅拌和强制式搅拌[10]。
搅拌主机的功效首要是将各种质料放入到搅拌罐中，按照工艺要求及技术指标进行加工搅拌，并达到预期质量要求。
2.物料称量系统
采用各种原料单独称量的方式，按照生产要求严格称量骨料、粉料、液态的原料重量。
在出产范例中，应按规格质料称量的精确度到达±
3%，水泥、水和添加剂的称量精确度按要求要到达±
2%。
3.物料运送系统
骨料运送采取传送带或传送料斗进行传送，运送间隔较大、故障率低、效率高。
粉料运送主要输送水泥等粉状原料，可以采用气动输送、螺旋输送，结构比较简单、可靠性较高、成本低。
液体传送首要用水泵输送水和液态添加剂等。
4.控制系统
混凝土搅拌站的控制系统是整个搅拌站的核心系统，它可以根据不同工艺要求、不同运行功能进行设计。
根据混泥土搅拌站的规模而定，一般小型搅拌站的控制系统设计比较简单[11]。
5.物料贮存系统
各类搅拌站的质料贮存体系差不多，固态的骨料一般采用堆放的方法，粉料采用仓斗贮存，液态添加剂则需要密封的容器贮存。
2.2混凝土搅拌站的工艺流程
混凝土搅拌站流程图如图2.2。
搅拌站依照预先规定的出产工艺流程，保质保量的生产混凝土。
石料
水泥、添加剂
沙料
试验确定配比
计量
搅拌均匀
水
出料
控制时间
抽样检测
运输使用
图2.2混凝土搅拌站工艺流程图
3控制系统的硬件设计
3.1可编程逻辑控制器（PLC）
3.1.1PLC的诞生和成长
1969年在美国数字化设备公司制造的第一台可编程控制器。
美国汽车工业的生产技术发展推进了PLC的产生，开始的目的是为了改善继电器、接触器控制系统的缺点，替代了继电器，自1968年以来，PLC不断成长，逐步替代继电器控制板，现代的PLC功能更丰富，其用途从单一的控制功能扩展到控制和监控整个制造系统[12]。
微处理器利用到可编程逻辑控制器中，实现了呈现计算机特征的工业操控装置，为了显示出功能特性，为其定义名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪80年代初期，PLC广泛应用于先进工业发达国家，逐步进入成熟阶段。
20世纪末期，出现了大型机、诞生各种各样的特殊功能单元、人机界面单元和通信单元，使其更适应于现代工业的需求[13]。
3.1.2PLC的基本结构及工作原理
可编程序控制器（PLC），把自动化技术、计算机技术、通信技术结合为一体的新型工业自动控制设备[14]。
各类型号PLC的构造基本一样，首要是由CPU，电源，储存器和输入输出接口电路等组成。
PLC在运作状况时，遵循内部处理、通信处理、程序录入、程序运行、程序导出的顺序，连续扫描工作。
3.1.3PLC控制系统设计流程图
PLC的选型与编程软件的选择
确定控制对象和控制要求
正确？
符合控制要求
I/O地址分配
软件设计以及模拟调试
设计修改
现场安装调试
硬件组装
结束
通电试验
N
Y
图3.1PLC控制系统工作流程图
3.1.4PLC的选择
PLC选型的基本原则是：
在功效需求的前提下，选择最可靠、利用维护轻易及性价比最优的机型[17]。
在选择PLC时，应从以下几个方面综合考虑：
（1）选择合适I/O点数
根据对控制系统的具体分析，列出所需的PLC所有输入、输出端口，以及PLC运行所需要的电压、电流，确定I/O点数，然后加上10%—20%的点数作为设计裕量，最终确定PLC控制系统的总I/O点数。
PLC的输出情势：
隔离式的每组输出的输出点可以利用差别的电压等级和电压类型，性价比相对较高。
若是各组的输出点没有特别需求，可以采取分组式或共点式的输出。
根据电压、电流等级范围确认输入接口的种类。
（2）PLC的结构选择
在中、小型控制系统中利用扩展功能比较方便的整体式结构PLC，I/O点数、种类和数量的选择比整体式PLC灵活，此外还具有特殊的功能模块，用来完成特殊控制任务[18]。
（3）CPU功能及指令功能的选择
CPU的功效首要是用来数据传送、逻辑时序功效、数据运算以及高速计数等。
一般要根据详细的用户程序的大小，综合思量CPU的选择。
任何PLC能够呈现算数运算、数据传送、转换模拟/数字量、运动控制等功能，当代PLC的功能指令愈来愈强大。
除了上述的选择PLC是主要考虑的方面外，需要考虑内存容量和存储器种类的选择、I/O响应时间的选择、通信联网功能的选择，还需要考虑其他方面的原因，比如性价比，备品、备件的考虑，技术支持等方面。
综合以上全部方面的选择思量，联合具体的混凝土搅拌站控制体系的要求。
因此，选用西门子PLC，其系统配置灵活、编写程序简单、备有可以自动选择、高速运算等特点，易于组态，便于安装，符合搅拌站控制系统的需求，具体如下：
（1）S7-200226CPU模块：
数字量输入/数字量输出=24/16。
（2）EM231扩展模块：
模拟量输入4位，输入电压±
5V,输入电流0-20mA。
3.2称重传感器的选型
混凝土搅拌站控制系统必要称量各类原料的重量，应当选用压力传感器。
压力传感器是一种可以将压力信号转换成电信号的转换装置，是电子衡量器件的关键部件。
称重传感器利用于绝大多数的衡量器件中，因为其结构比较简单，所适用的范围较广，准确度较高，而且能够在环境相对比较差的场所适用[19]。
3.2.1主要影响因素
称重传感器选用的主要影响因素有：
（1）使用环境
（2）可靠性
（3）灵敏度、准确性
此外，还应该考虑其构造简便、易于维护，体积较小、质量较轻、价格便宜、好安置的传感器。
3.2.2称重传感器的要求
称重传感器长期运行，确认传感器的必要指标。
（1）确定容量
传感器的容量=料斗重量+（0.6~0.7）*质料重量*指数
（2）选择准确度
当下，搅拌器上的S型的传感器、板环式的传感器和悬臂梁式的传感器，其准确度等都好于正常指标。
3.3元器件清单
根据控制系统的需求，结合硬件设备性能，列出元器件清单，见附录I。
3.4电气原理图
根据混凝土搅拌站运行工艺和控制系统设计方案，对硬件电路进行连接，并且要符合安全接线规范。
具体系统电气原理图，见附录II。
4控制系统的软件设计
4.1PLC编程软件
西门子公司专门为S7-200系列小型PLC而设计的编程软件，STEP7-Micro/WIN可以根据控制系统的设计要求编写控制程序，完成与PLC的实时通信，可以进行程序的下载和上载以及在线监控等功能[20]。
在软件的设计过程中，首先需要按照实现的功能要求绘制控制流程图，其次根据工艺流程将整个运行过程分为不同的功能模块编写控制程序[21]。
4.1.1STEP7-Micro/WIN窗口组件
图4.1STEP7-Micro/WIN窗口组件图
4.1.2PLC的I/O配置
依据现实的混凝土搅拌站的控制系统所需输入输出点数，合理分派PLC的I/O端口。
混凝土搅拌站操控体系设计用到PLC的数字量I/O分配表，见附录I。
模拟量I/O分配表如下表：
表4.1模拟量I/O分配表
AIW2
AIW4
石料称量传感器输入
沙料称量传感器输入
遵循I/O点数及其特征，具体分派如下表：
表4.2模块分派表
模块名称
设备名称
输入输出点数
CPU
CPU226
24I/16O
扩展模块
EM231
4AIW
统计
CPU模块1块
模拟量扩展模块1块
4.2系统组态
在自动控制体系中，为用户快速组建工业自动控制体系监控特性的工具，其利用范畴非常广泛，主要包括电力系统领域，石油、化工领域等，具有数据搜集与操控以及进程监视等功效。
4.2.1混凝土搅拌站操控系统组态
遵循混凝土搅拌站的操控体系，利用组态王工具进行组态。
其组态图画如下图所示：
图4.2混凝土搅拌站系统组态图
从组态画面上可以对混凝土搅拌站运行系统进行监视与控制，通过动画、图形等向用户展示控制设备的运行状况，其中包含丰富的设备驱动程序和灵便的组态方法、连接数据等功能。
本次混凝土搅拌站的设计选用西门子S7-200系列的PLC，226型CPU外加一个EM231扩展模块。
控制变量有两种根本类型：
内存型变量和I/O型变量。
本设计选用的I/O型变量是指可以对外部工作设备进行数据收集、数据交换的变量。
在图形界面设计时，组态王软件自带一些图素，但在制作美观可靠地界面时需要结合现场生产的需求，自己绘制图素使监控画面生动形象，可以利用设计软件，如corelDRAW。
体系动画包含物料箱、传送带、搅拌罐、泵、管道及各类箱斗的开关等。
确立系统运行画面，体系界面的图素设计和结构设计完成后，要实现体系正常工作还需要创立图画联接。
组态王中创立图画联接时，对于开关、传送带和搅拌机的启停操做等只需要将图素与PLC的I/O端口对应即可，现场开关量的动作就能在监控画面上显示，就是通过组态王采集PLC的I/O的动态变化，实现动画连接。
混凝土搅拌站的操控体系是自动化出产混凝土的首要环节，利用组态王工具开发效率较高，界面设计直观，功效丰富，满足现场出产的要求。
4.3控制系统程序分析
4.3.1程序控制流程图
根据生产流程，PLC通过程序采集输入端口的信息，数据分析、处理后，控制输出动作，完成混凝土搅拌站开关阀、电机等元器件动作。
控制体系的程序流程图，如下图所示：
手动模式
自动模式
传送带开
骨料放料阀开
水泵开
液体添加剂泵开
搅拌机启动
搅拌结束？
手动运行结束
自动循环
初始化程序
启动
图4.3控制体系工作流程图
4.3.2运行程序设计
混凝土搅拌站在运行过程中，首要启动传送带，然后分别打开石料箱、沙料箱、水泥箱的开关阀，使骨料依次放入称重斗1中进行称重，称重完成后，打开称重斗1的放料阀，通过传送带将骨料运送到搅拌箱中。
完成后，水泵和添加泵分别打开，将水和液体添加剂输送到称重斗2中进行称重，称重完成后，打开称重斗2的放料阀，通过输送管道将水和液体添加剂输送到搅拌箱中。
所有原料都放入搅拌箱中后，搅拌器开始工作，按照程序中设定的时间进行充分地搅拌。
在加料过程中，因为需要对石料、沙料和水泥进行分别称重，所有要严格控制出料阀的开量，快速粗略和慢速精确。
同理，对水和液体添加剂的开关阀也应该精确控制。
全部生产过程的控制，要保证动作连续，使每个动作完成后有序地进行下一个动作。
系统的初始化梯形图程序，如下图所示：
图4.4系统初始化程序
当控制程序初次上电接通时，SM0.1接通一次，将体系所用到的所有输出点（Q0.0~Q1.7）以及程序中涉及的中间变量（M1.0~M1.3）复位，便于后续程序中利用。
系统的主程序，如下图所示：
图4.5系统主程序
程序工作前，经过检测I0.1点的状况，选用运行方法。
当I0.1得电导通时，体系处于自动模式，该模式下接通I0.0程序连续实行，体系也将连续运行；
当I0.1失电断开时，体系处于手动方式，该方法下接通I0.0整个程序只实行一遍后终止。
4.3.3报警程序设计
混凝土搅拌站控制系统在运行过程中，如果因为人为原因或体系本身产生故障时，该控制系统应当及时发现故障，并且中断运行，发出报警信号，等候技术人员修理。
报警工作流程图，如下：
人为误操作
系统故障
触发报警程序
系统故障灯闪烁
系统停止运行
故障解除
故障程序停止运行
图4.6系统报警流程图
系统的报警梯形程序，如下图所示：
图4.7系统报警程序
当体系在运行过程当中产生故障时，系统报警程序将启动。
当检测到I1.3、I1.4、I1.5和I1.6中任何一个报警信号时，系统终止运行，并且报警信号对应的指示灯将以0.5秒接通0.5秒熄灭的状况闪烁，直至报警信号消散，系统恢复运行，指示灯熄灭。
4.3.4梯形图程序
混凝土搅拌站在程序控制下稳定运行，详细梯形图程序见附录V。
5实验与仿真
5.1实验
5.1.1系统组态与接线
通过实验箱对系统运行进行模拟，如图所示：
图5.1系统组态图
在STEP7Micro/WIN编程软件，编写梯形图程序后，设置PLC地址，并将其连同程序一同下载到P
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