基于PLC300水泥厂搅拌站自动控制系统设计94.docx
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基于PLC300水泥厂搅拌站自动控制系统设计94
西南科技大学
本11届毕业生毕业论文
题目:
水泥厂搅拌站自动控制系统设计
院系名称：
电子电气工程系专业班级：
09电气7班
学生姓名：
学号：
指导教师：
教师职称：
2012年9月5日
摘要
本论文以水泥厂搅拌站控制系统为背景。
首先，论文给出了我国混凝土的发展及市场分析，讨论了混凝土搅拌站控制系统目前的发展状况，简述了PLC的先进性和设计目标。
接着分析了搅拌站的工艺要求、混凝土搅拌站的工作原理当、自动控制的系统构成、搅拌站的工艺流程。
其次，论文根据搅拌站PLC的设计思想对系统主程序进行了设计、报警电路设计、断电保护设计。
然后，根据混凝土搅拌站控制要求，选定PLC的硬件及软件。
又对搅拌站的硬件进行设计，对硬件组态进行分析。
最后论文对程序流程和程序设计。
通过模拟调试表明控制系统的设计是正确有效的，实时监控混凝土搅拌站的工作过程，基本完成设计要求。
论文的软件介绍和程序设计各部分，一步一步介绍了PLC的各模块包括S7-300的基本组成，PLC的工作原理，STEP7软件，PLC的I/O分配、工作流程图及PLC程序的编写。
接着详细介绍了S7-PLCSIM软件的使用方法，最终完成调试要求。
关键词：
搅拌站；PLC；自动控制
Abstract
Inthisthesis,cementmixingstationcontrolsystemasthebackground.Firstofall,thepaperpresentsthedevelopmentofconcreteinourcountryandmarketanalysis,discussedtheconcretemixingstationcontrolsystempresentsituation,introducedthePLCadvancedanddesigngoals.Thenitanalyzesthetechnologicalrequirementsofmixingstation,concretemixingstationautomaticcontrolprinciplewhen,thesystemcomposition,mixingplantprocess.Secondly,accordingtothemixingstationPLCdesignthoughtonthesystemmainprogramdesign,designofalarmcircuit,power-offprotectiondesign.Then,accordingtotheconcretemixingstationcontrolrequirements,selectedPLChardwareandsoftware.Onthemixingstationhardwaredesign,hardwareconfigurationanalysis.Theresearchontheprogramflowchartandprogramdesign.Throughthesimulationexperimentsshowthatthecontrolsystemdesigniscorrectandeffective,real-timemonitoringoftheworkingprocessofconcretemixingstation,completedthedesignrequirements.
Theintroductionofsoftwareandprogramdesignofeachpart,step-by-stepintroductiontothevariousmodulesofthePLCincludingS7-300basiccomposition,theworkingprincipleofPLC,STEP7software,PLCI/Odistribution,flowchartandPLCproceduresforthepreparationof.ThenthepaperdiscussestheusageofS7-PLCSIMsoftware,finallycompletedcommissioningrequirements.
Keywords:
mixingstation;PLC;automaticcontrol
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1绪论
1.1我国混凝土的发展
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《混凝土搅拌站分类》和GB10172-88《混凝土搅拌站技术条件》的颁布实施，将混凝土搅拌站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。
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。
经过几十年努力，我国国产混凝土搅拌楼随着我国水电建设事业发展实现了从无到有、从引进仿制到自主创新的转变，从设计、制造、安装到调试运行已经形成一套完整的质量管理体系。
产品主要技术性能和总体水平均达到国际同类产品先进水平。
产品成功应用于三峡、葛洲坝、丹江口、万家寨、龙口、龙滩、天生桥、五强溪等大中型水利水电工程混凝土施。
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。
1.1.1我国混凝土搅拌站技术特点
20世纪80年代，我国借鉴意大利，阿尔卑惹拉混凝土重力坝建设经验．成功开发出碾压混凝土筑坝工艺，并广泛应用于水利水电工程建设。
目前，我国国产混凝土搅拌搂已形成四大系列产品。
几十种产品规格，技术呈以下几方面特：
（1）搅拌主机形式多样
近年，我国消化吸收国外先进设计制造经验．研制开发出强制式搅拌主机，机型有500L、1000L、1500L、2000L、3000L五种规格．这种搅拌楼生产率高、搅拌时间短。
适合生产水电工程用二级配、三级配混凝土．还广泛用于城市商品混凝土生产。
（2）产品功能齐全
1）国产混凝土搅拌楼增加了骨料预冷、加冰和预热功能，使大坝施工不受季节、地域的影响，缩短了施工工期。
2）搅拌楼结构形式由大接点板连接更新为铰接及模块化设计，使大楼、超大楼生产工期缩短20天，安装工期缩短一个月。
3）具备超大型，高精度配料、卸料技术，大大提高了配料精度和配料、卸料速度。
（4）操控系统便捷
模块化、多功能、综合性、高度自动化的搅拌楼计算机控制系统目前已经发展到了第七代。
控制系统采用计算机全自动控制、双机双控三屏显示技术，具备同步动态模拟仿真控制界面，同步模拟显示料仓料位的变化、称斗内进料、卸料动态显示、搅拌机内物料的动态搅拌过程，砂含水自动检测功能、温度巡测功能、坍落度检测功能，采用XP多任务网络操作平台、对外提供车辆自动识别和调度管理、搅拌系统网络化调度管理（实现无纸办公），实现系统故障远程诊断自动恢复功能。
（5）应用环保新技术
1）楼外水泥仓顶装有旋风袋式组合除尘器，经旋风和袋式过滤二级沉降，大面积过滤，仓内压力小于0。
4kg/m，粉尘排放小于150mgCm。
2）在楼内进料层、配料层、搅拌层各装有大风量排尘轴流风机进行通风、换气。
通过以上除尘措施，达到楼内环境含尘量小于6mgCm的环保要求，改善了搅拌楼的工作环境，楼外气力输送排放小于150mgCm，达到第十三类灰尘及生产性粉尘品排放的标准。
3）楼内采取了必要的消声措施．噪声控制小于85分贝。
达到国标GB一12349工业区Ⅲ类标准。
1.1.2国产搅拌站发展方向
目前，国产搅拌站已形成系列，设备生产能力从25m~420m。
但在应用中仍存在一些有待解决的问题：
（1）搅拌站里采用的料位指示装置如超声波连续式料位计用于骨料料位的测量，雷达连续式料位计用于粉料料位的测量，这两种料位计均存在刚开始使用效果不错，时间长了不可靠的缺点，导致水泥罐内料位测量不准确，出现冒仓现象，或已到浅仓而检测不到，影响生产，而且价位较高，在性价比和质量方面均有待提高。
（2）搅拌站里采用的砂含水测量装置也不可靠、不耐用。
探头一旦被砂子覆盖时间长检测数据就不够准确。
（3）目前国产大型、超大型搅拌站选用的搅拌主机6rn3、7rn3强制式机，4.5m3自落式机均采用进口，价位高且维护费用也高，国内企业正在研制。
1.2采用PLC控制的先进性和设计的目标
混凝土搅拌站最初是以单机的形式出现，各工地自拌自用，随着基础设施建设大规模的开展，商品混凝土的销售逐渐增大。
随着计算机技术和测控技术的发展，高可靠、高自动化的自动控制系统便成了混凝土搅拌站的发展方向。
在混凝土搅拌站自动控制系统中，系统的稳定性、数据采集处理的精确性直接影响到混凝土的质量。
而在市场竞争日趋激烈的今天，搅拌站自动控制系统的性价比也与企业的生存紧密的联系在一起。
因此，研究一种低成本、高可靠性的新型搅拌站自动控制系统，具有极为广阔的市场前景。
混凝土搅拌站包括贮料、配料、物料称量、搅拌及卸料等过程，是一个受多环节制约的复杂系统，物料的配比和称重精度等因素都直接影响混凝土的质量。
由于PLC运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活及抗干扰能力强等特点。
PLC已成为工业控制领域的主要控制设备，始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了安全可靠和比较完善的控制应用。
本系统拟采用PLC进行控制，并达到以下设计目标：
（1）混凝土搅拌站控制系统能自动配料、连续搅拌、手动卸料装车等全部控制，为了方便维护，控制系统还有手动控制切换功能；
（2）搅拌站控制系统具有显示各物料的流量和累计量、故障报警信息和参数修改等功能；
（3）混凝土搅拌站控制系统动态工艺流程显示，各设备的运行状态；
（4）还具有控制简单，功能适用，配料精度高，无故障时间长等特点；
（5）采用工业计算机PLC控制达到目标：
减少人力，提高生产能力，2台120并联站可以把混凝土年产量提高到60万立方米，3台可以提高到80万立方米。
2混凝土搅拌站系统概述
2.1混凝土搅拌站简介
2.1.1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所示：
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。
2.1.2混凝土搅拌站的工作原理
混凝土搅拌站分为四个部分:
砂石给料、粉料（水泥、粉煤灰、膨胀剂等）给料、水与外加剂给料、传输搅拌与存储。
搅拌机控制系统上电后,进入人-机对话的操作界面,系统进行初始化处理，其中包括配方号、混凝土等级、坍落度、生产方量等。
根据称重对各料仓、计量斗进行检测,输出料空或料满信号,提示操作人员确定是否启动搅拌控制程序。
启动砂、石皮带电机进料到计量斗；打开粉煤灰、水泥罐的蝶阀,启动螺旋机电机输送粉煤灰、水泥到计量斗；开启水仓和外加剂池的控制阀使水和外加剂流入计量斗。
计量满足设定要求后开启计量斗斗门,配料进入已启动的搅拌机内搅拌混合,到设定的时间打开搅拌机门,混凝土进入己接料的搅拌车内。
2.2混凝土搅拌站自动控制系统的构成
控制系统是搅拌站的核心，主要完成按照预定的混凝土配比控制搅拌站的全部工作过程。
早期由于混凝土搅拌站的称量系统一般采用杠杆秤，所以控制系统采用继电器加接触器的控制方式；后来由于称量系统采用了高精度电位器，出现了穿孔卡形式的控制系统；随着传感器技术及电子技术的发展，目前搅拌站的控制系统一般为计算机控制，主要有以下优点：
能实现生产过程的自动化，提高生产率：
能贮存大量配合比供用户选用，调用、修改配合比都十分方便；能进行落差自动跟踪修正，欠秤补料，超秤扣料，可显著提高称量精度；能实现骨料含水率检测和配比值的自动修正，即自动减水加砂，保证混凝土稠度值的一致性；能直观的模拟显示混凝土搅拌站的整个工艺流程状态，实现实时监控；能自动记录存储各类数据和制表打印；实现最优化控制；可实现先进的科学管理功能。
2.3电控系统构成及控制要求
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所示：
图2-2电控系统构成
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。
搅拌站进行混凝土生产时，首先将骨料分别装入各自料仓，然后打开石料和砂料的给料阀门分别将骨料投入到秤斗进行称量，秤斗中的骨料不断增加直到电子秤指示到所要求的重量才控制下料阀门停止投料，然后启动平皮带和斜皮带将骨料卸入集料斗。
在骨料配料的同时,搅拌机也开始搅拌,因为同时在利用定时器进行水泥、所需水及外加剂的计量。
在混凝土所需的各种材料计量完毕后，控制集料斗和各秤斗开门，以把各种材料装入搅拌机进行搅拌。
在搅拌机运行了规定的时间后，打开搅拌机的门进行卸料（搅拌站的门先半开，再全开），完成混凝土生产的一个循环。
在石料、砂料的称重计量时，系统用分别控制两个门进行快速粗略和慢速精确的计量，以减少称量时间和称量精度。
同理，对水的计量亦采用水粗称阀和水精称阀进行控制，而水泥、粉煤灰和防冻剂等添加剂则由计量螺旋机从各自料仓送入各自秤斗进行计量。
由于整台设备生产的连续性较强，控制系统中，每一个动作的前后时序性都有严格的要求，且到达某个状态时，必须保证与这一状态有关的动作全部完成，才可以进入下一个状态，因此必须通过设备上安装的限位开关和传感器对各执行机构的状态进行监控。
3混凝土搅拌站的控制系统设计方案
3.1混凝土搅拌站PLC程序设计思想
为了使PLC完成混凝土搅拌站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）骨料斗秤、水泥斗秤、粉煤灰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。
把重量数据送入上位工控机，经训练补偿模块处理后，再送回PLC，更新其数据寄存器。
（2）由操作人员设定混凝土配料方案，包括了各种原料的给料量、提前量和允许误差：
当原料重量+提前量．给料量>允许误差时，秤斗加料；加料停止后，PLC计算原料重量与给料量之间的实际误差；为了提高计量精度，仅当原料重量大于允许误差时，秤斗卸料。
（3）各秤斗称量时，当重量达到设定值的90％以前快速给料，达到90％以后慢速给料，达到设定值时停止给料。
骨料：
计量开始时，同时打开两个给料门，当重量到达设定值的90％时，关闭大开度给料门，仅由小门进行加料，直到重量到达设定值：
水：
与骨料类似，区别在于水由粗称泵和精称阀供给：
粉料和防冻剂：
计量开始时，螺旋输送机以最高速运转，当计量达到设定值的90％时，开始精称，即控制螺旋输送机的转速下降，直到重量达到设定值；外加剂：
与粉料和防冻剂类似，区别是液体外加剂用泵供给。
（4）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。
（5）由于加料停止后，从料仓给料口到秤斗之间还滞留一部分原料要落入秤斗中，为了使配料精度达到要求，在程序中需考虑这一重量，当原料重量达到停止加料条件时，由滞留在空中的原料补充提前量差值，即成为提前量一部分，从而达到精度要求。
（6）由于搅拌站运行过程中,环境状况艰苦所以送料机及搅拌机等工作一定次数后需要进行维护,以保证工作的顺利及可靠。
（7）增加备用电源，满足1~2个循环的备用电量，以防止突然断电的物料浪费及满足短暂的少量物料供应。
3.2系统初始化及主程序设计
根据工作流程的要求，PLC控制程序执行输出动作时，计算机必须己经处于数据的采集与处理状态，因此，需要设定内部辅助继电器标志。
只有当计算机复位该标志时，PLC才能确认计算机已处于所要求的状态，否则必须关断所有输出负载，进入等待。
同理，结束时，判断停止条件:
所有门、所有阀均己关闭;集料斗和秤斗均为空；本批搅拌结束且PLC无输出动作等，系统初始化程序及主程序流程图见图3-1所示：
图3-1PLC控制系统主程序流程图
3.2.1报警电路的设计
由于条件有限，报警电路的设计较为简单，利用I2.1～I2.7作为各电动机故障信号。
程序运行流程图如图3-2所示:
图3-2报警程序运行流程图
3.2.2断电保护程序设计
由于整个设备的工作流程是连续循环进行的，因此断电之后再起动必须仍然恢复断电前的状态。
程序设计选择具有断电保护的内部辅助保持继电器和数据，将气缸、电磁阀或电机的运行状态和参数进行保存，实现断电保护，如图3-3所示：
图3-3断电保护程序流程图
4PLC的硬件、软件选择
4.1PLC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。
4.1.1CPU的选择
（1）I/O点数的确定
经过对各输入输出的大略计算，本设计中需要数字量输入62点，数字量输出59点，模拟量输入通道6路，其具体分配见表4-1，4-2，4-3。
本系统需要配置的I/O点如下:
表4-1模拟量输入通道统计表
模拟量输入
通道数
石料重量（石料重量传感器输入）
3
沙料重量（沙料重量传感器输入）
3
总计
6
表4-2数字量输入点数统计表
升级会员 