基于PLC的沥青混凝土搅拌生产线控制系统毕业设计论文.docx
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基于PLC的沥青混凝土搅拌生产线控制系统毕业设计论文
摘要
沥青混凝土搅拌生产线是随着沥青混凝土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生产线。
随着电力电子技术及控制技术的发展，使得交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用。
由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。
本文针对PLC和配料控制器结合控制的搅拌生产线来设计其控制及监控程序，设计中主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。
本系统选用西门子S7-200PLC做控制器，完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。
采用通用变频器三菱FR-A540，对4个电机进行转速调节。
编程软件选用STEP7，采用顺序控制策略。
利用组态软件良好的人机界面和通信能力，使工作人员可以在触摸屏上就可以方便的浏览现场的工业流程、实现变频器的参数设置、故障诊断及电机的启动和停止。
用PLC做控制器，完成对沥青混凝土搅拌生产线的自动控制，该沥青混凝土搅拌生产线是将两种石料、两种粉料和沥青三类材料，根据工程配方称重后放到搅拌缸中进行充分搅拌，搅拌后放入到小车并存放到储料罐中，系统周而复始地工作。
关键词：
沥青混凝土搅拌生产线；变频器；可编程控制器（PLC）；自动控制
Abstract
Asphaltconcretemixproductionlineswereproductedanddevelopedwiththebirthofconcretewithtar.Itistheconstructionofthenecessaryequipmentforbuildings,bridges,roads,damsandotherprojects.Withthedevelopmentofelectricpowerandelectronictechnologyandcontroltechnology，ACfrequencyconversionvelocitymodulationtechnologyiswidelyusedintheindustrymotordraggingfields．Becauseofthecharacteristicswithpowerfulfunction，easyoperationandhighdependability，PLCisusuallyusedforthefieldofdatagatheringandequipmentcontrol.
Inthispaper,thecontrollercombinesPLCandthecontrolofmixingingredientsproductionlinetodesignitscontrolandmonitoringprocess,thedesignofthemaintasksinasystematicstructure,PLC'sI/Oallocation,workflowandproceduresforthepreparationofPLC.ThesystemusesSiemensS7-200PLCcontrollertodotocompletethedatacollectionandonthedrive,motorandotherequipmentofthecontroltasks.UsingacommondriveMitsubishiFR-A540,onthe4motorspeedcontrol.ProgrammingsoftwareusedSTEP7,usesequentialcontrolstrategies.BythevirtueofHMIwithniceconfigurationsoftwareandstrongcommunicationability，thestaffcanconvenientlybrowsetheindustryflowFigonthelocale，settheparameterofthetransducer,diagnosethefault，andstartorstoptheelectromotoronthePCmachineinthecontrol-centerroom．
TodowiththePLCcontrollertocompletethemixingofasphaltconcreteproductionlineautomaticcontroloftheasphaltconcretemixingtwokindsofstoneproductionline,twothreetypesofpowderandasphaltmaterials,accordingtotheprojectformulationweighedintoafullbowlofstir,stirintothecarco-existintothestoragetank,thesystemagainandagaintowork.
Keywords:
Asphaltconcretemixproductionlines;Frequency;Programmablelogiccontroller（PLC）;Automaticcontrol
第1章绪论
研究沥青混凝土搅拌生产线的意义
随着中国交通道路网的不断壮大与延伸，道路的施工生产线也在不断发展改进。
在高等级公路的建设中，沥青混凝土作为一种面层料，越来越多地被道路设计者们采用，而沥青混凝土搅拌生产线就担负起了生产沥青混凝土的使命。
道路建设速度日益加快，中小型的沥青混凝土搅拌站已经不能满足道路建设的需求。
10年前产量在120t/h的沥青搅拌生产线已经渐渐逐出市场竞争的舞台，取而代之的是360t/h及400t/h等高产量的沥青混凝土生产线，它们渐渐成为市场的主流产品。
沥青混凝土搅拌生产线是目前道路建设领域中的重要生产线之一，随着筑路路面要求提高，它对沥青混凝土搅拌质量提出更高的要求：
系统要求能连续16h工作；要求沥青混凝土搅拌的油石比精确；要求生产过程中的每一拌料具有数据备查功能等。
沥青混凝土搅拌生产线的发展情况
沥青混凝土搅拌生产线的发展过程
我国的沥青搅拌生产线经历了简单产品的自行开发、技术引进、技术合作。
到完全自主开发并达到国际先进水平几个发展阶段。
1969年9月，我国第1台强制间歇式沥青混合料搅拌生产线（30t/h）诞生。
该产品是由当时的交通部公路研究所筑路机械室的几位留苏人员参考前苏联的技术开发设计的，由当时的交通部西安筑路机械厂生产制造。
那时国内沥青路面较少，除应用于国内市场外，还出口到亚非国家。
该产品技术水平低，全部采用手动控制，燃烧器为人工点火，称量系统的传感器为机械杠杆式。
20世纪80年代前国内仅有中交西筑生产强制间歇式沥青搅拌生产线，并没有进口生产线。
我国沥青搅拌生产线真正发展是从20世纪80年代初期开始的。
1983年，交通部西安筑路机械厂承担了国家第1批重大引进技术消化吸收项目，引进了当时国际上先进的英国Parker公司LB1000型强制间歇式沥青搅拌生产线。
其生产能力为80t/h，控制系统采用全自动控制，燃烧器自动点火，热油加热器全自动无人看管，称量系统采用电子称并通过PLC进行称量误差的自动补偿。
在除尘系统上，考虑当时的国情。
配备的是一级多管旋风和二级湿式除尘器，该产品很快推向了市场。
同时，当时较先进的意大利Marini公司和Parker公司的原装机器以及日本的新泻等公司的产品也进入了中国市场，这些新产品、新技术给我国沥青搅拌生产线的发展带来了第1次飞跃。
这时中国许多厂家，特别是市政系统的生产厂家，纷纷加入到开发、设计、生产沥青搅拌生产线行列。
同时，西安筑路机械有限公司推出了LB500型（40t/h）和LB2000型（160t/h）产品，与LB1000型一起形成了该厂的LB系列产品。
20世纪90年代初期，我国的公路建设迅猛发展，公路施工部门感到LB2000型及以下产品已不能满足公路建设的需要。
西安筑路机械有限公司抓住时机，在1994年承担了国家“八五”一条龙重大技术引进消化吸收项目，再次引进了英国Parker公司的M3000型强制间歇式沥青搅拌生产线，它不但在产量上达到了240t/h，而且从技术上又前进了一大步，并且在形式上采用移动式，即全套生产线装到12个运输底盘上，只要有牵引车头即能行走，不需要专门的平板车，并且不用地脚螺栓，大大方便了用户。
该产品的投放市场，带动了国内生产厂家向着产品便于运输、无基础方向发展，使我国沥青搅拌生产线技术的发展又有了一次飞跃。
1998年，该公司又与英国Parker公司合作，联合推出了M2000型、M1500型、M750型强制间歇移动式沥青搅拌生产线，使该公司形成了M系列产品。
2000年西安筑路机械有限公司根据世界沥青搅拌生产线技术发展趋势，与德国边宁荷夫公司进行技术合作，联合生产出具有当代国际先进水平的环保节能型沥青搅拌生产线，产量分别为160t/h、240t/h和320t/h。
该产品从配料开始，就采用计算机进行控制，控制部分全部采用计算机触摸屏，并且实现了故障报警、故障点显示等功能，真正实现了智能化。
同时这种合作方式也使我国沥青搅拌生产线产品从单纯的技术引进转变为合作生产、联合开发，也让我国沥青搅拌生产线的技术水平跟上了国际发展步伐。
该产品的投放市场，推动了国内各生产厂家产品开发向着大型、绿色、环保、节能方向发展。
例如现在国内的徐工、德基、雪桃等厂家已能生产320t/h的沥青搅拌生产线。
2001年西安筑路机械有限公司又开发出具有自己知识产权的获国家专利并达到国际先进水平的J2000型国际标准及转箱式沥青搅拌生产线。
我国公路建设仍在快速发展，对沥青搅拌生产线的需求量仍在大幅增加。
对产品的性能和质量也提出了更高的要求。
目前我国有能力生产沥青搅拌生产线的厂家初步统计有70多家，其中年生产能力在1000台（含1000型以下）以上在10家左右。
国内每年需求量大约800台。
其中，进口生产线约150台，主要集中在生产能力为240t/h以上的产品上，而进口生产线的销售额却占总销售额的50%左右。
沥青混凝土搅拌生产线的发展趋势
随着中国交通道路网的不断壮大与延伸，道路的施工设备也在不断发展改进。
在高等级公路的建设中，沥青混凝土作为一种面层料，越来越多地被道路设计者们采用，而沥青拌和楼就担负起了生产沥青混凝土的使命。
道路建设速度日益加快，中小型的沥青拌和楼已经不能满足道路建设的需求。
10年前产量在120t/h的沥青搅拌站楼已经渐渐逐出市场竞争的舞台，取而代之的是360t/h及400t/h等高产量的沥青搅拌生产线，他们渐渐成为市场的主流产品。
随着沥青搅拌生产线产量的增大，其各部位结构也相应地随之增大，作为一种大型机械，搅拌生产线的基础及设备安装应引起我们的高度重视。
同时，由于工程建设对沥青混凝土的要求越来越高，控制精确的油石比收到格外重视。
系统设计内容及目标
本次设计的沥青混凝土搅拌生产线按照固定的工作程序，有条不紊的完成每步动作，以达到系统的控制要求。
本课题设计内容：
用PLC做控制器，完成对沥青混凝土搅拌生产线的自动控制，该沥青混凝土搅拌生产线是将两种石料、两种粉料和沥青三类材料，根据工程配方称重后放到搅拌缸中进行充分搅拌，搅拌后放入到小车并存放到储料罐中，系统周而复始地工作。
设计目标：
用PLC组成控制系统，完成沥青混凝土的配料和搅拌，从而提高工业自动化程度。
第2章
系统总体设计
沥青混凝土搅拌生产线系统的工艺流程
系统启动时，三个料斗处于关闭状态，石料秤斗先通过电子秤称取1#石料，当称量值到关闭1#石料仓门，接着电子秤称取2#石料，直至2#石料称量值到，关闭2#石料仓门；在称石料的同时，粉秤斗与沥青秤斗也开始称料。
粉秤斗称量过程同石料一样，都通过电子秤称量，而沥青秤斗通过控制阀门开度控制沥青流量。
当所有原料称量完毕，开启各自秤斗阀门注入拌缸搅拌，然后注入料车通过传送带送至储料罐。
其工艺流程图见图2.1。
图2.1沥青混凝土搅拌生产线工艺流程图
系统方案论证及组成
系统的方案论证
1、可编程控制器与继电器控制系统的比较
几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业领域中大量地应用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和发展，继电器控制系统故障率高，大大降低了控制系统的可靠性和安全性，因此继电器控制系统与PLC相比较，存在着质的差别，表2.1给出可编程控制器与继电器控制系统功能与特点的比较。
表2.1可编程控制器与继电器控制功能与特点的比较
比较项目
可编程控制器
继电器控制
控制功能的实现
进行编程实现所需控制功能
进行硬件接线完成控制
可靠性
采用软继电器，可靠性高
元器件多触点多，易出现故障
控制的实时性
微处理器控制，实时性非常好
机械动作时间常数大实时性差
占用空间与安装
体积小，重量轻
控制柜体积大、笨重
使用寿命
寿命长
易损、寿命短
复杂控制能力
很强
极差
价格
较高
较低
维护
工作量小
复杂、工作量大
2、可编程控制器与计算机控制系统的比较
通用计算机具有十分强大的计算与数据处理能力，同时数据的处理速度已经达到极高的水平，但是应用较差，在很多方面远远没有PLC功能强大，表2.2给出可编程控制器与计算机控制系统功能与特点的比较。
表2.2可编程控制器与计算机控制系统功能与特点的比较
比较项目
可编程控制器
通用计算机
工作方式
扫描式
中断式
编程语言
语句表、梯形图等
汇编、高级语言
续表2.2
工作环境
可在环境差工作
要求工作环境较高
对使用着要求
语言易学
专门语言培训
可靠性
工业级要求
商业级要求
系统软件
功能专用
功能强大
适用领域
工业控制
办公、管理，科学计算
从上面的论述和比较可以看出，PLC的硬件决定了它的可靠性和控制功能比继电器控制系统计算机控制系统高的多，它是专门为工业控制场合设计的，所以它的稳定性好，而且它操作简单灵活，易于实现系统升级和功能扩展。
选用PLC控制沥青混凝土搅拌生产线，其硬件接线少、线路设计合理、编程简单，参数修改简便，降低了维修率，提高了工作效率；具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性。
所以本设计采用可编程序控制器作控制器。
系统的组成
本系统采用西门子S7-200PLC控制，系统称料分为三路：
石料、石粉和沥青。
当系统起动，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，根据称量值是否达到预设值而控制进料阀的关闭，并控制搅拌电机和传送带的工作，系统由PLC控制器，石料、石粉和沥青的称重电路，A/D转换模块以及电机控制电路等部分组成，并通过触摸屏来进行参数修订和显示。
PLC控制的沥青混凝土搅拌生产线控制系统的结构框图如图2.2。
图2.2PLC控制的沥青混凝土搅拌生产线控制系统结构框图
1、PLC控制器
PLC控制器是沥青混凝土搅拌生产线控制系统的核心设备，各称量电路根据原料的称量值是否达到预设值而向PLC的输入端发送或者停止发送电信号，PLC根据输入的信号自动控制相对应的控制电路从而控制沥青混凝土原料配比。
2、石料（石粉/沥青）称量电路
石料（石粉/沥青）秤斗的皮带秤先称取石料（石粉/沥青），当称量值到，通过A/D转换，将信号送PLC，关闭石料（石粉/沥青）仓门。
3、A/D转换
采用西门子专门A/D转换模块进行A/D转换，将采集到的模拟信号转换成数字信号送至PLC进行控制。
4、控制电路
控制电路有石料阀门、石粉阀门及沥青阀门控制电路。
4个电机分别控制4个皮带秤的启停及调速，1个电机控制搅拌器的转动，2个电机控制传送带的启停及运行。
第3章
沥青混凝土搅拌生产线硬件设计
可编程控制器
可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。
它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的三大支柱之一。
可编程控制器的概念
可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PLC。
国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。
并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
可编程控制器的优点
现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。
PLC一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。
PLC具有如下特点：
（1）编程方便，可现场修改程序。
（2）维修方便，采用插件式结构。
（3）可靠性高于继电器控制装置。
（4）体积小于继电器控制盘。
（5）数据可直接送入管理计算机。
（6）成本可与继电器控制盘竞争。
（7）输入可以是交流电。
（8）可直接驱动接触器、电磁阀等。
（9）扩展时原系统改变最小。
（10）用户存储器至少扩展到4KB。
可编程控制器的发展趋势
发展迅速，产品更新换代；开发各种智能化模块，不断增强过程功能；PLC与个人计算机（PC）结合；通信联网功能不断增强；发展新的编程语言，增强容错功能。
可编程控制器的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6、通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
可编程控制器的系统组成
PLC种类繁多，但其组成和工作原理基本相同。
用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。
1、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，是PLC的核心起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
2、存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
PLC使用的存储器类型有三种：
ROM、RAM和EEPROM。
3、输入/输出模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块。
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。
输入/输出模块从广义上分包含两部分：
一是与控制设备相连接的接口电路；另一部分是输入和输出的映像寄存器。
输入模块用于接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。
输出模块用于将这些信号转换成CPU能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。
4、电源模块
PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。
5、接口模块
接口模块用于将扩展单元或功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。
6、通信接口
为了实现“人─机”或“机─机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。
7、编程器
过去的编程设备一般是编程器，其功能仅限于用户程序读写和调试。
8、其他部分
需要时，PLC可配有存储器卡、电池卡等。
可编程控制器的工作原理
PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，但是CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。
概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。
可编程控制器的编程语言
编程语言是PLC的重要组成部分，常见的编程语言有梯形图（LD）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）、结构化文本和指令表（IL）。
系统的输入/输出信号
输入信号分析
输入设备用于产生输入控制信号，本设计中输入设备包括以
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