自动化水泥砖制作系统设计.docx

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自动化水泥砖制作系统设计

摘要

制砖机通过变频器控制振动频率，生产不同规格密度的砖。

本设计是使用PLC控制系统，利用变频器为基础设计自动控制的制砖机，PLC具有良好的操控性和稳定性，利用变频器的高效转速调节生产不同规格的砖，利用组态软件实现现场监控和油泵压力数据监视。

本文利用PLC对自动化水泥砖制作的控制系统进行设计，通过使用PLC，可以大大减少了系统对其它元器件的使用，使系统接线简单、检修维护方便快捷、可靠性提高，增进了系统的先进性。

关键词：

制砖机自动化水泥砖制作控制系统PLC

Abstract

ThispaperisbasedonthemachinerydesignandmachineryPLCprincipleandthedrawingsoftwareandrelatedknowledgeandtheory,bycollectingrelevantdataofsewingPLCmachineandreadingtherelatedliteraturebooksandreferringtothesewingmachineinthetailorshop,firstofall,dueuesethemainpartsinstitutionalmodelofthesewingmachine,secondlyusetheSolidworksdrawingsoftwaretoconductthepartmodelingwhichwasdesignedwell.

ThispaperusePLCandtheconductassemblydesignwhichthePLCpartswasbuilt,getthecorrespondingassemblymodel,finallyconductmovementsimulationtothecorrespondingassemblymodel.firstofall,dueuesthemainpartsinstitutionalmodelofthesewingmachine.

Keywords：

sewingmachine,assembly,partmodeling,PLC

目录

摘要I

目录II

1绪论1

1.1本课题研究的目的、意义1

1.2制砖机国内外发展现状2

2PLC控制系统简介3

2.1PLC的定义4

2.2PLC控制的制砖机的组成5

2.3PLC的分类7

2.4PLC的特点7

2.5PLC的控制过程8

3基于PLC控制的制砖机的工作过程设计9

3.1制砖机控制系统控制工作台的实现10

3.2基于PLC控制的制砖机中传感器的选型11

3.3基于PLC控制的制砖机中变频器12

4基于PLC控制制砖机控制系统的设计13

4.1基于PLC控制的制砖机的控制要求及其流程图13

4.2设计制砖机自动控制的硬件电路和软件电路14

4.2.1基于PLC控制的制砖机的硬件设计15

4.2.2基于PLC控制的制砖机的软件设计16

结论17

致谢18

参考文献19

1绪论

在基础设施建设中，砖起着举足轻重的作用。

城镇化发展迅速，对砖的需求量越来越大。

品质好的砖不但坚硬不易碎，而且生产过程不会污染环境。

基于PLC控制的制砖机不仅能生产出高品质的砖，而且具有产量大，工作稳定，效率高等优点。

制砖机通过PLC控制[1]，抗干扰能力强，工作稳定。

制砖机通过变频器控制振动频率，生产不同规格密度的砖。

本设计是使用西门子S7-200系列PLC，利用西门子MM440变频器为基础而设计的自动控制的制砖机，PLC具有良好的操控性和稳定性，利用变频器的高效转速调节生产不同规格的砖，利用组态软件实现现场监控和油泵压力数据监视。

1.1本课题研究的目的、意义

随着人民生活水平的提高，住房条件得到显著改善，近年来城镇化步伐的加快,住宅建筑量日益增大，据统计我国每年基础建设建筑量庞大，近年来增长迅速。

过去技术落后，使用柴火烧制粘土砖。

砖窑烧砖时大量使用木炭和煤炭，高耸的烟囱排出滚滚浓烟，不仅会污染大气破坏环境，而且还破坏了大量农田。

烧结粘土砖会排放大量的二氧化碳，据统计每年排放到大气中的二氧化碳超过1.7亿吨，造成了城市的酸雨和全球的温室效应。

为了减少人类对环境的破坏，2011年我国开始严格限制烧结砖的产量，并且禁止使用粘土砖。

面对庞大的市场需求，而且又必须保护好环境，减少能源的损耗，免烧制砖机的出现解决了这一棘手问题。

1.2制砖机国内外的发展现状

每年用于基础建设产生和北方暖气供暖所产生的能耗至少占到了我国年能耗总量的15%。

而且粘土砖在生产过程中会排放出大量的烟灰，污染严重，种种原因限制了烧结砖项目。

因此面对巨大的市场需求，免烧制砖机得到了快速发展。

免烧砖机市场中主要有：

水泥砖机、液压压砖机、制砖机、砌砖机等。

全自动制砖机在市场上应用广泛，其具有自动化程度高，产量大，品质好等特点，备受欢迎！

经过40多年的发展，国内外制砖机等机械设备发展迅速。

世界上许多国家的制砖机公司不断研发出新型的制砖机。

意大利有SACMI、SITI等四家公司主要生产墙地砖压制成形机械设备。

德国制造自动控制制砖机设备的生产商有LADSBUCHER、DORST等公司，国内生产商也不甘落后，积极研发全自动控制的制砖机。

国内外未来制砖机产品发展的趋势是：

（1）推出宽台面的液压砖机许多企业推出了宽台面的液压砖机，制砖机中还增加压制砖坯的模块数，从而提高了生产效率。

（2）大吨位制砖机数年前市场中出现3000，4000吨大吨位液压砖机。

（3）过滤液压油并保持液压系统的清洁液压系统液压油的不干净往往会导致液压系统发生故障，所以很多企业特别注重液压系统中的液压油，保持液压油的清洁，并且采取在油泵的进口和出口处设置液压油过滤系统，全面全方位保持液压油的清洁。

（4）简化液压控制系统,减少液压系统的能耗在国外液压制砖机系统动力系统用高效变量泵驱动取代定量泵，增加了许多回收系统，将能源的损耗将至最低。

2PLC控制系统简介

PLC即可编程控制器（Programmable Logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委（InternationalElectrical Committee颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义;PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：

一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

2.1PLC的定义

PLC即可编程控制器（Programmable Logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义;PLC英文全ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：

一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC是可编程逻辑控制电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。

2.2PLC控制的制砖机的组成

该控制系统组成包括：

10个光电开关作为限位开关检测各个动作是否归位，1个压力传感器检测压模压力大小调节压模压力，2台变频器分别调节震模频率和油泵电机的转速，1台西PLC控制各个器件协调运行。

如图2.1所示。

2.1制砖机的组成

2.3PLC的分类

可编程控制器类型很多，可从不同的角度进行分类：

1）按控制规模分

控制规模主要指控制开关量的入、出点数及控制模拟量的模入、模出，或两者兼而有之（闭路系统）的路数。

但主要以开关量计。

模拟量的路数可折算成开关量的点，大致一路相当于8～16点。

2）按点数分，PLC大致可分为微型机、小型机、中型机及大型机、超大型机。

微型机控制点仅几十点，如德维森公司的V80系列PLC本体从16点到40点，OMRON公司的CPM1A系列PLC，西门子的Logo仅10点。

小型机控制点可达100多点。

如如德维森公司的V80系列PLC可扩展到256点，OMRON公司的C60P可达148点，CQM1达256点。

德国西门子公司的S7-200机可达64点。

中型机控制点数可达近500点，以至于千点。

如德维森公司的PPC11系列可扩展到1024点，OMRON公司C200H机普通配置最多可达700多点，C200Ha机则可达1000多点。

德国西门子公司的S7300机最多可达512点。

大型机：

控制点数一般在1000点以上。

如如德维森公司的PPC22系列可扩展到2048点，OMRON公司的C1000H、CV1000，当地配置可达1024点。

C2000H、CV2000当地配置可达2048点。

超大型机：

控制点数可达万点，以至于几万点。

如美国GE公司的90－70机，其点数可达24000点，另外还可有8000路的模拟量。

再如美国莫迪康公司的PC－E984--785机，其开关量具总数为32k（32768），模拟量有2048路。

西门子的SS－115U－CPU945，其开关量总点数可达8k，另外还可有512路模拟量。

等等。

以上这种划分是不严格的，只是大致的，目的是便于系统的配置及使用。

一般讲，根据实际的I/O点数，凡落在上述不同范围者，选用相应的机型，性能价格比必然要高；相反，肯定要差些。

自然，也有特殊情况。

如控制点数不是非常之多，不是非用大型机不可，但因大型机的特殊控制单元多，可进行热备配置，因而采用了大型机。

2.4PLC的特点

PLC控制功能多样，具有多种指令系统和多种存储数据的存储模块。

（2）PLC的指令数量多，不但能够处理逻辑类型问题，也能处理数据类型的问题。

（3）PLC内存大，功能完善，存储元件在断电后可以清空数据也可以保留数据，能够通过设置满足用户的不同需求。

（4）PLC有着丰富的外部设备，可以建立起有好的人机交互系统，进行信息交换。

（5）PLC有自我检查的功能，可以进行自检。

2.5PLC的控制过程

可编程控制器执行程序的过程有三个阶段。

（1）输入采样阶段PLC通过扫描把输入端口的输入状态按顺序保存在输入映像寄存器中，然后控制器对采集的信息进行处理，因为输入信号存在输入映像寄存器中，即使程序在执行过程中输入状态发生了变化，对程序的执行和处理也无任何影响。

当一次扫描结束，映像寄存器被刷新，输入端信号才再次被采集进入输入映像寄存器中，进行程序执行。

再次扫面刷新，再次执行处理。

（2）程序执行阶段PLC梯形图程序扫描遵循从左到右，从上到下的步骤顺序执行。

所谓用户程序的执行，并非是系统将CPU的工作交由用户程序管理，CPU仍执行系统程序中的指令。

输入端每次采集数据都会寄存在输入端映像数据存储区内，CPU执行时将存储区内的信号数据进行处理。

当用户程序管理程序后，程序执行一次扫描周期后进行刷新，所有的输出映像都被依次刷新，系统进入下一输出刷新阶段。

（3）输出刷新阶段当所有的指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段存到输出锁存器中，通过输出端子和外部电源，驱动外部设备。

其中输出锁存器一直将状态保持到下一个循环扫描周期的开始，所以输出映像寄存器的状态在程序执行阶段是动态的。

3基于PLC控制的制砖机的工作过程设计

3.1制砖机控制系统控制工作图的实现

自动控制的制砖机系统是利用PLC把传感器采集的相关参数--模拟量转换成数字信号，然后将数字信号与给定值进行比较，通过程序中参数比较处理，输出相应的控制信号进行控制。

制砖机中PLC通过压力传感器检测压模的压力并与设定值相比较，如果压模的压力比设定的压力值小，PLC通过控制变频器提高油泵转速来达到增加压头压力的目的。

若压头的压力大于设定的压力变频器降速，减轻压槽的压力大小。

制砖机通过震模震动制造出密度不同的砖型，通过变频器变频来控制震模震动频率的快慢，自动控制制砖机系统简易工作图如图2.2所示。

图2.2控制工作图

3.2基于PLC控制的制砖机中传感器的选型

现在代信息技术也被称为传感技术，包括信息的拾取、传输和处理技术。

传感器对于整个制砖机的控制系统有着很大的关系。

本设计中BYP300型压力传感器。

BYP300压力传感器工作原理BYP300型压力传感器采用先进的扩散硅传感器，扩散硅传感器灵敏度非常高，有着高精度和载能力强的特点。

传感器和放大电路高度集成，体积小，结构简单，安装简便，所以应用广泛。

BYP300压力传感器的特种压力敏感元件使用扩散等工艺技术，将其组成惠斯通电桥，通过精密的机械加工技术形成对压力变化很敏感的薄片。

当压力作用在传感器上是，传感器上敏感薄片发生形变，薄片的电阻值的变化与压力成正比关系，电阻的变化对应着电压电流也随之变化。

在电桥上通入直流电后会产生一个4～20mA的直流信号。

在本设计中，通过压力传感器把模拟量输入到PLC中，PLC通过比较指令做出相应动作，从而该变变频器的工作状态。

全量程方为0-32000，在组态中全量程为0-50MPa，在制砖机运行时正常压力为45MPa，当压力超过45MPa时，油泵电机转速下降，组态中能实时监控压力的大小。

在编程是，IN2的值为32000/50=640，AIW0的值为IN2×45=28800。

3.3基于PLC控制的制砖机中变频器

在19世纪期间，直流电动机和交流电动机在工业中得到应用。

当时已经成为动力机械的主要驱动装置。

但由于技术的不成熟，在相当长的时间里，工业上对机械设备进行调速控制大多数仍然使用直流电动机。

由于转换器的存在，直流电动机的维护费用非常大，且电机的最高转速和单机容量不能再提高。

因此，人们希望用能够调节转速的交流电动机取代直流电动机。

因此，人们开始大量研究交流调速系统。

20世纪初期，能够调节转速的交流电动机在特种工业中得到迅速发展。

变频器的小型化，多功能化，网络化和无公害化发展。

变频器在交流调速系统中性能优异，在工业应用中发挥重要作用。

变频器的缺点主要有变频器的输出电流和电压的谐波对电机的影响，对电网波动和对电网的谐波污染。

在变频器使用中，变频器电能损耗也要考虑在内。

在制砖机控制系统中使用的变频器的型号为西门子MM440[7]，西门子MM440变频器是用来控制三相交流电动机调速的变频器。

西门子MM440变频器的主要特性特点：

（1）易于安装，调试

（2）牢固的EMC设计

（3）简便的电缆连接

（4）响应速度

（5）参数设置方便，数值设置广泛

（6）具有矢量控制功能

（7）变频加速/减速的斜坡特性能够调节，也能调节起开始和结束段的平滑圆弧。

本设计选用恒定转矩控制方式，MM440变频器的技术参数范围为：

数字量输入6个，可编程，可切换高电平/低电平有效。

模拟量输入2个，可编程。

功率因数0.98固定频率：

15个，可编程。

跳转频率4个，可编程。

变频器要实现三段固定频率控制，需要3个数字输入端口。

可由P0703控制数字输入端口“7”，作为控制电动机启动和停止。

实现3段固定频率控制功能要用到数字输入端口“5”和输入端口“6”端口“5”和端口“6”可由开关S1和S2组合成二位二进制控制码控制。

变频器中开始使用前要恢复变频器工厂默认值。

设置参数P0010=30;P0970=1后，按下P键，屏幕上显示“busy”字样,此时变频器开始复位，需要30s，恢复变频器的参数返回到工厂默认值。

4基于PLC控制制砖机控制系统的设计

制砖机自动控制系统在设计中包括硬件电路和软件电路，在软件设计过程中可以通过学过的知识编写程序，在硬件电路设计过程中要查阅相关知识，选择合适设备类型，在指导老师的帮助下，对制砖机自动控制运行有了深刻理解。

要严格按照控制要求，逐步分析执行步骤。

运用保护环节使制砖机自动运行中安全，可靠。

4.1基于PLC控制的制砖机的控制要求及其流程图

（1）本设计关键在于送料,布料和压模的控制

（a）送料：

先判断储料中是否有料，若有料物搅拌，若无料物先配料，把搭配好且搅拌好的的物料装入料车，料车经导轨运行到模框上方，开始布料；（b）布料：

料车在导轨上运行至砖模上方开始筛料，使物料撒入砖模内，填

充好后料车原路返回；

（c）压模：

料车回位后震动装置启动，震动装置先慢,然后快速震动,震动结束后压头下降启动，压模压砖，将砖坯压紧压实。

压砖完毕,压头上升完毕后，推砖机推出砖坯，传送带启动,送砖机启动,砖出炉养护,开始下一次送料。

（2）制砖机自动控制系统的流程及其流程图

（a）按下启动按钮，定时器开始定时，配料系统和搅拌电机启动。

运行5s后停止。

（b）上料电机启动，上料门打开，料物经料斗装入小车，2s后料门关闭，料车启动。

料车经轨道运行至模框上方后，料车料门打开，开始布料。

不了结束，料车料门关闭，料车经轨道退回至起始位置。

（c）震动电机启动，震动频率先以10Hz慢震动10s后，再以35Hz快震动10s，震动时间可以根据需求调节。

震动结束后压模下降，开始压砖，压砖压力设定为40Mpa。

油泵频率设为35Hz，当压力传感起检测到压头压力大于40Mpa时，油泵电机频率变为10Hz。

（d）压模压砖20s后，压模上升，推砖机电机启动将转推至传送带上，传送带电机启动，将压好的砖送至装板机，出炉养护，接着循环。

制砖机自动控制系统的流程图如图所示：

4.2设计制砖机自动控制的硬件电路和软件电路

按照自动控制制砖机的设计要求，选择合适的硬件设备部件。

压力传感器，变频器的选型，限位开关的使用个数等硬件，再利用学校实验室的现有条件选择一台S7-200PLC，节约成本，简化硬件结构，从而提高可靠性,增加灵活性的控制效果。

选择合适的软件设备必须考虑到系统的稳定性和可靠性，在系统中要有初试化和计时等功能要求，在软件设计中使用S7-200系列的PLC[11~14]编写编写控制程序，实现制砖机系统的自动控制。

4.2.1基于PLC控制的制砖机的硬件设计

（1）限位开关的简介限位开关有时又被称为行程开关。

当运动的物体接近限位开关的时候，限位开关的触角装置触动限位开关的开合装置，从而引起限位开关开合装置闭合状态发生改变。

正是通过限位开关闭合状态的改变去控制电路的通断来引起电机的起停。

（2）限位开关的组成及其工作原理限位开关有两种。

一种是接触式的，另一种是非接触式的。

接触式限位开关和行程开关一样，指的是运动的物体接近限位开关的时候，限位开关的触角装置触动限位开关的开合装置，从而引起限位开关开合装置闭合状态发生改变。

正是通过限位开关闭合状态的改变去控制电路的通断来引起电机的起停。

开关动作需要接触非接触式的限位开关与接触式限位开关相对，知识限位开关的动作不需要接触。

（3）限位开关的选型

选择限位开关时除需考虑其本身的性能，如限位开关的耐压值，使用寿命，精确度，还必须同时考虑诸如工作环境的考虑。

制砖机工作时粉尘较大，噪音，污水对限位开关的影响都要考虑。

在工作时，电机启动电流较大，引起电流的波动，变频器的使用更会污染电网。

所以限位开关的选择稳定性必须考虑在内。

另外，在制砖机中最好选用一种型号或性能相似的限位开关，以便于制砖机系统的有效控制和高效管理。

（4）系统硬件设计按照制砖机控制系统要求，制砖机系统开关输入点有11点，开关量输出点18个，在PLC实验室中使用的是CPU224XP模块，该模块有输出点有10个，输入点14个，虽然输出只有10个，但可以采用扩展模块EM223，增加输出点；采用BYP300型压力变送器监测压力大小，限位开关选用WTB27MultiPac光电传感器，两台西门子MM440变频器。

基于PLC自动控制系统的机械图，拨下开关SA1，自动控制制砖机开始运行，制砖机各部件按照设定步骤完成任务，在自动执行时按下停止按钮SA2，制砖机的各个部件紧急停止并且复位。

按下开始按钮，制砖机再次从新开始运行。

4.1.2基于PLC控制的制砖机的软件设计

（1）制砖机自动控制系统程序的I/O分配表：

制砖机制动控制系统的输入点11个，输出点18个，I/O分配表

结论

本次毕业设计的题目是多功能切菜机的设计，直到今天，毕业设计总算接近尾声了，通过这次对于多功能切菜机的设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，本文所设计的是自动化水泥砖制作控制系统的设计，通过初期的方案的制定，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。

致谢

在此论文完成之际，我的心里感到特别高兴和激动，在这里，我打心里向我的导师和同学们表示衷心的感谢！

因为有了老师的谆谆教导，才让我学到了很多知识和做人的道理，由衷地感谢我亲爱的老师，您不仅在学术上对我精心指导，在生活上面也给予我无微不至的关怀支持和理解，在我的生命中给予的灵感，所以我才能顺利地完成大学阶段的学业，也学到了很多有用的知识，同时我的生活中的也有了一个明确的目标。

知道想要什么，不再是过去的那个爱玩的我了。

导师严谨的治学态度，创新的学术风格，认真负责，无私奉献，宽容豁达的教学态度都是我们应该学习和提倡的。

通过近半年的设计计算，查找各类自动化水泥砖制作控制系统的相关资料，论文终于完成了，我感到非常兴奋和高兴。

虽然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因为我是怎么想的，这是我付出的汗水获得的成果，是我在大学四年的知识和反映。

四年的学习和生活，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的个人能力，更重要的是来自老师和同学的潜移默化让我学到很多有用的知识，在这里，谢谢老师以及所有关心我和帮助我的人，谢谢大家。

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