混凝土自动搅拌控制系统的设计 毕业论文.doc

成都工业学院成教院 毕 业 设 计（论 文） 论文题目： 混凝土自动搅拌控制系统的设计 教 学 点： 指导老师： 职 称： 讲师 学生姓名： 学 号: 1212441139 专 业： 机电一体化技术 成都工业学院成教院制 二一四年三月二十日 成都工业学院成教院 毕业设计（论文）任务书 题目： 混凝土自动搅拌控制系统的设计 任务与要求： 时间： 2013 年 11 月 28 日 至 2014 年 4 月 17 日 共 20 周 教 学 点： 学生姓名： 学 号： 1212441139 专业： 机电一体化技术 指导单位或教研室： 指导教师： 职 称： 讲 师 成都工业学院成教院制 毕业设计( 论文)进度计划表 日 期 工 作 内 容 执 行 情 况 指导教师签 字 2013.11.28 - 2013.12.20 查找资料，选题 2013.12.22 -2014.1.31 完成论文的初稿 2014.2.1- 2014.3.15 完成论文二稿的写作 2014.3.16- 2014.4.5 完成论文的终稿及格式 修改 2014.4.6- 2014.4.20 定稿，打印论文，做好 评阅的准备 2014.4.21- 2014.4.25 论文评阅 教师对进度 计划实施情 况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。 摘 要 介绍一种混凝土搅拌站自动化控制系统,此系统以工控机为上位机,plc 为 下位机, 基于操作平台,提供一种实用的混凝土搅拌站自动化控制系统方案。， 论文分析了混凝土搅拌站当前各种控制方案，通过分析给出了搅拌站的总体设 计方案。论文对控制系统特征进行分析，结合搅拌站的控制要求，设计出系统 的硬件原理框图，并对其中的控制电路进行了较为详细的介绍。论文对 plc、 单片机程序流程做了详细介绍以及上位机统一控制。 关键词：搅拌站、plc、工控机 abstract introduction of an automation control system of concrete mixing plant, this system based on industrial control computer to the pc, plc slave, based on platform, providing a practical programme of automation control system of concrete mixing plant. , this paper analyzes the current control scheme for concrete mixing plants, through the analysis of the plants overall design scheme. papers analyze the characteristics of control system, combined with the mixing plant control requirements, design a system hardware schematic diagram, and the control circuit is described in more detail. paper plc, mcu program process was described in detail as well as the pc control. keywords: mixing、plc、ipc 目 录 第一章 引 言 1 第二章 系统方案及确定 .2 第一节 方案比较 .2 第二节 方案的确定 .2 第三章 搅拌站控制系统的硬件设计 .4 第一节 下位机的硬件设计 .4 第二节 称重仪表的硬件设计 .5 第三节 芯片与电路设计 .6 第四节 上位机的选择 10 第四章 混凝土搅拌站控制系统的软件设计 11 第一节 plc 程序设计 11 第二节 单片机程序设计 13 第三节 上位机的设计 14 结束语 .15 谢辞 .16 参考文献 .17 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 1 第一章 引 言 随着城市现代化建设及其大型水利等工程的不断发展,以往那种由工地自行 生产混凝土的方式由于其质量难以保证、噪声及粉尘污染大,因而必将为自动控 制的混凝土搅拌站所取代。自动控制的混凝土搅拌站具有产品质量优良稳定、 生产成本低、环保性能良好等特点,正在成为混凝土生产的主流。混凝土搅拌站 控制系统是一套用于生产混凝土的自动化电子配料、控制装置,它由工控机、操 作台及基于 plc 的现场控制站三部分组成,能够按照给定的配方,自动地控制各 部分物料称量、投料、搅拌和出料。plc 具有可靠性高，功能完善，编程简单 等特点，可以有效地弥补混凝土搅拌站常规继电器控制系统的缺陷，与工控机 相结合，混凝土搅拌站的控制系统采用上位机进行管理，下位机 plc 进行控制 与监视，实现从配料计量、搅拌、到出料生产全过程的自动化、智能化。以提 高配料精度，提高产品质量和产量，降低成本。 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 2 第二章 系统方案及确定 第一节 方案比较 一、方案一 本方案中的混凝土搅拌站测控系统主要由上位工控机监控管理部分、下位 机 plc 现场控制部分及单片机称重系统计量部分组成。通过 plc 通讯单元实现 与计算机的通讯,计算机可以完成数据的采集和处理,并可以传送至 plc 的数据 区,计算机还可以直接读写 plc 内部数据区的数据,也可以监控程序执行状态。 可见, 通过 plc 与计算机通讯,可以方便完成混凝土配比参数的选择,也使 plc 控制系统的调试抛开了程器的不直观不方便的缺馅,调试、参数修改和故障处理 等都实现人机操作对话,控制系统更完善,这是目前自动控制领域最理想的控制 方式,即采用工控机为数据管理级,plc 为数据控制级, plc 与计算机通讯形成控 制网络管理现场的集散控制系统。 二、方案二 本方案通过传感器、硬件电路、io 接口电路、显示面板等对水泥搅拌站作 业参数进行实时测量和显示，控制执行元件，实现对水泥搅拌站整机控制，它 是由供料、贮料、配料，搅拌、出料，控制等系统控制等系统及结构部件组成， 显然，它是一个受多环节控制的复杂系统。本方案主控器由单片机来实现，模 数转换由 adc0809 来实现，用 led 数码管，通过一种译码器和一方向器与单片 机相连，设置几种键来控制电机。本方案的核心就是电机的启动，由于电机启 动需 220 v 以上的电压，而单片机提供的电压不能做到使电机启动，所以需要 使驱动器来驱动电机，使其启动。本方案中，采用了继电器来驱动。 第二节 方案的确定 基于 plc 和工控机的混凝土搅拌站控制系统充分利用了 plc 控制具有可靠 性高、功能完善、产品标准化、开发性日益增强以及编程简单直观等优点,能够 有效弥补继电器控制和单片机控制在可靠性方面的缺陷,与工控机配合易于实现 操作与管理的结合。具有强大的数据处理和图像表现能力的组态软件的应用,融 合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术和软件技术,具有可靠性高、 操作简单、维护容易等特点。所以决定采取第一种方案。 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 3 图 2-1 搅拌站电气系统硬件结构图 硬件由可编程控制器(含数字量输入输出模块、模拟量输入模块)、工控机、 电子称量系统打印机、若干电器元件组成。根据搅拌站的工艺流程和控制要求， 选用 plc 作为电气系统的主控制器并扩展模拟模块以读入现场标准模拟量信号 和输出模拟量至变频器，控制有调速要求的电机运行。plc 通过串行通信口与 上位工控机相连。其中 plc 是整个控制系统的核心,所有的开关量控制以及顺序 控制都需经过 pl c 处理。现场的称重传感器将重量信号反馈给 plc，通过逻辑 处理去驱动现场的放料门或电动机;其余的动作机构则是通过按钮给 plc 输入信 号来实现控制。 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 4 第 3章 搅拌站控制系统的硬件设计 第一节 下位机的硬件设计 一、 plc 机型的选择 根据控制要求和控制功能的分析，选用三菱的 fx2n 系列 plc，fx2n 系列可 编程控制器输入继电器采用八进制编码，基本单元输入继电器最大范围为 x0x7 共 64 点，扩展后可达 x0x267 共 184 点。fx2n 系列可编程控制器输出继 电器也采用八进制编码，基本单元输出继电器最大范围为 y0y77 共 64 点，扩 展后系统可达 y0y267 共 184 点。fx2n 系列每条基本指令执行时间为 0.08us; 具有 27 条基本指令、2 条步进指令和 128 种功能指令；有 3072 点辅助继电器、 1000 点辅状态继电器、256 定时器、235 点计数器、8000 多点 16 为数据寄存器、 128 点跳步指针和 15 点中断指针；内附 8k 步 ram(run 过程中可更改程序)，最 大可达 16k,最大可扩展到 256 个 i/o 点。fx2n 系列拥有大量适用于特殊用途的 条件，与 fx2 系列相比，面积，体积要小 50%，fx2n 是 fx 系列功能最强、速度 最快的微型可编程控制器。 二、搅拌站 plc控制系统外部接线图 图 3-1 plc控制系统的外部接线图 三、系统的控制方式 系统应具有手动控制和自动控制两种工作方式，手动工作方式主要是在系 统维护或软件调试时使用，而在正常生产过程中一般采用自动工作方式。因此 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 5 应设置手动、自动选择和相应按钮并为各按钮设置指示灯，以便系统运作不正 常时方便查错。 系统的逻辑控制主要由 plc 负责,可以接收各种开关、按钮及接触器状态等 输入信号和上位机的命令,实现各种动作的控制,其中包括配料仪表的启停、电 机的顺序启停控制、连锁控制和保护控制等。输出通过中间继电器(24vdc)控制 电磁阀或接触器等执行设备。plc 与上位机可通过 rs2485 接口来实现。现场传 感器与变送器和仪表实时采集流量、压力、重量等检测信号，根据称重信号和 生产配方产生螺旋送料机、电子秤、阀门等的控制信，可以动态检测和处理配 料过程中可能出现的问题，称重显示仪表可与 plc 实时、高速通信。可以通过 单片机的开关量输出 1/0 作为 plc 的输入量，以控制输出。 首先,电控柜向配料器发出一个启动信号,开始配料。先打开各骨料仓阀门, 将物料放入其下的各骨料秤中,通过传感器采集到称重信号,待达到配方设定值, plc 发出信号,关闭各骨料仓进料阀门,同时相应的传送皮带开始启动运行，当 皮带运行 30 秒，骨料的排料阀门开启，物料落入其下的传送皮带上,送入集料 斗中。骨料配料的同时在各自的秤斗中进行水泥、粉煤灰及防冻剂的称重和水 的计量，在混凝土所需的各种骨料粉料称量完毕、水计量完毕后，控制集料斗 阀门和粉料排料阀门开门，并通过其相应的传送带把各种材料装入搅拌机、同 时水箱阀门开启水进入到搅拌机，然后搅拌机进行搅拌。搅拌机运行指定的时 间后，打开搅拌机的卸料门进行卸料，完成混凝土生产的一个循环。为了提高 搅拌站的搅拌效率，一般在搅拌机进行混凝土搅拌时，下一个生产循环的骨料 粉料等的称重计量同时进行。 第 2节 称重仪表的硬件设计 一、称重仪表的硬件结构 图 3-2 称重仪表的硬件 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 6 利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放 大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单 片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。 此外，还可通过键盘输入设定值。通过开关量输出电路与 plc 通信。 二、称重系统中单片机的选择 单片机采用 mcs-51 系列单片机。由 atmel 公司生产的 at89s52 是一种低功 耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 8k 在系统可编程 flash 存储器。使用 atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80c51 产品指令和引脚完 全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在线系统可编程 flash，使得 at89s52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。 三、传感器和其外围以及放大电路设计 传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，由于 惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰， 可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，又因为全桥式等臂电桥的灵敏 度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以在本设计中选用 最终方案我们选择的是上海开沐自动化有限公司生产的 ns-th1 系列称重传感器， 额定载荷 20kg，该称重传感器均采用全桥式等臂电桥。 由于传感器输出的电压信号很小，是 mv 级的电压信号，因此为了提高系统 的抗干扰能力，在传感器外围电路的设计过程中，增加了由普通运放设计的差 动放大器增益调节电阻 rg 选用 10k 电阻，是为了满足系统抗干扰的要求而设 计。其电路如图 3-3 所示。 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 7 图 3-3 传感器和其外围以及放大电路图 第三节 芯片与电路设计 一、a/d 转换芯片与 at89s52单片机接口电路设计 ad574 是美国 analog device 公司生产的 12 位单片 a/d 转换器。它采用逐 次逼近型的 a/d 转换器，最大转换时间为 25us，转换精度为 0.05%，所以适合 于高精度的快速转换采样系统。电路接线图如下图 3-4 所示: 根据芯片管脚的原理，无论启动、转换还是结果输出，都要保证 ce 端为高 电平，所以可以将单片机的/rd 引脚和/wr 端通过与非门与 ad574 的 ce 端连接 起来。转换结果分高 8 位、低 4 位与 p0 口相连，分两次读入，所以 12/-8 端接 地。同时，为了使 cs、a0、r/-c 在读取转换结果时保持相应的电平，可以将来 自单片机的控制信号经 74ls373 锁存后再接入。cpu 可采用中断、查询或者程 序延时等方式读取 ad574 的转换结果，本设计采用中断方式，则将转换结束状 态 sts 端接到 p3.2。 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 8 图 3-4a/d转换芯片与 at89s52单片机接口电路图 二、键盘电路与 at89s52单片机接口电路设计 在本系统中键盘采用矩阵式键盘并采用中断工作方式。键盘为 4 x 4 键盘， 包括 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、十个数字及确认和清除键。采用中断工 作方式提高了 cpu 的利用效率，没键按下时没有中断请求，有键按下时，向 cpu 图 3-5键盘电路与 at89s52单片机接口 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 9 提出中断请求，cpu 响应后执行中断服务程序，在中断程序中才对键盘进 行扫描。上图 3-5 就是键盘电路与 at89s52 单片机接口电路图。 三、rs-485 通信接口 通信电路的连接如图 3-6 所示。将单片机采集的重量数据传送到单片机， 利用单片机的 rxd,txt 接口连接到 rs485 串行口接受和发送数据和指令。通过 p2.2 引脚，为了防止总线冲突，在复位状态下，使 485 总线了都处于接受状态 p2.2 是逻辑电平“1”时，485 芯片的 re 低电平有效，使其处于接受电路图状 态；反之，逻辑电平“0”时就是发送状态。在总线出口处接有 120 的线路匹 配电阻，防止线路信号的反射对接受的影响。 图 3-6通信接口连接图 四、显示电路 该电路只使用 89c51 的 2 个端口，配接 4 片串入并出移位寄存器 74ls164 可调稳压器。其中 74ls164 的引脚 q0q7 为 8 位并行输出端;引脚 a、b 为串行 输入端;引脚 clk 为时钟脉冲输入端，在 clk 脉冲的上升沿作用下实现移位， 在 clk=0、清除端 mr=1 时，74ls164 保持原来数据状态;mr=0 时，74ls164 输出 清零，其显示电路如图 3-7。 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 10 图 3-7显示电路 五、开关量输出 利用键盘将设定值置入内存,仪表随时比较采样值和设定值,并把比较结果 以开关量方式输出,达到控制外设的目的。开关量电路图如图 3-8 图 3-8开关量电路图 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 11 第四节 上位机的选择 上位机可根据用户要求选择工控机(ipc)或普通计算机(pc),它只需标准串 口而不需进行其它扩展,用户维护方便上位机主要完成各种状态参数的显示,发 布控制命令和调整控制参数等功能。混凝土搅拌站上位机控制负责所有设备的 供电及保护、电机的启停控制、制动控制和正反转控制等,它接受来自 plc 和手 动按钮操作命令,实现对电机的控制。当系统出现异常情况时,可以通过设置在 控制室或现场的紧急停止按钮迅速停止设备的运行。上位机采用组态王 6.51 开 发。 可靠性强,开发周期短,具有完善的图形界面生成功能。组态王 6.51 工控组 态软件是北京亚控公司生产的标准 pc 平台上的一种组态软件，它是以 mfc(微 软基础类库)、com(组件对象模型)技术为基础的运行于 microsoft windows 环 境下的 hmi(人机接口)软件包，组态王 6.51 主要由工程管理器、工程浏览器和 画面运行系统 3 部分组成。 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 12 第四章 混凝土搅拌站控制系统的软件设计 第一节 plc程序设计 可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、 时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很 有规律，容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比继电器系统电 路图的设计时间要少得多。 根据对搅拌站系统的硬件组成和控制原理的分析，按照模块化的程序设计 思想，搅拌站 plc 控制系统的程序主要包括初始化程序、配方传送程序、仪表 称重程序，以及骨料粉料等进料、配料、搅拌逻辑控制程序和 plc 与上位机通 信程序等子程序。 plc 需要采集各秤的重量信号及其他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。 根据工作流程的要求,plc 控制程序执行输出动作时,计算机必须已经处于 数据的采集与处理状态,因此,需要设定内部辅助继电器。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。 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 pl c 无输出动作等。 下为 plc 现场控制部分现场功能图 4-1 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 13 图 4-1plc现场功能 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 14 第二节 单片机程序设计 软件程序设计采用模块式结构,其优点是结构清晰、调试方便、易维护、易 扩充。整个系统由采样、称重、键盘扫描、液晶显示、程序设定、打印通信、 开关量输出等模块组成。总流程设计如图 4-2 所示。 图 4-2单片机总流程 系统上电启动后,首先进行初始化,对寄存器和各 i/o 端口进行设置;然后执 行自检程序,自检无误后开始扫描键盘。当有按键触发时,经判断分别进行程序 设定和功能键处理。若无键触发则对 ad 模块进行采样,并自动校零。若程序设 定的 f1 为 enable,则直接显示 ad 采样的电压值后返回循环起点。反之,进入称 重模块计算,将采样模块得到的数据进行零点修正和满度修正后,可作皮重处理, 也可减去皮重作净重处理;得到的数再与开关量的设定值比较,输出设定的相应 是 否 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 15 电平,达到控制的目的;然后显示称重值及相应状态;最后如有打印或通信要求, 执行该段子程序后回到循环起点。 一、称重模块 称重过程中,即使经过足够时间的延迟,由于机械振动和电磁干扰等原因,采 样得到的数也总会在真值附近抖动,使采样精度有一定的偶然性。为了克服这个 弊病,通常不在误差带中,因而都会引起较大读数误差。本控制器的采样模块软 件设计采用多点采样剔除可采用多点采样取其平均值或多点采样取其中值等方 法。但这两种方法都有其不足之处:平均值法会引入干扰点误差;取中值法可能 坏点的办法,从而得到了满意的效果。 二、按键设定模块 在按键设定模块中,可自由选择进入每个设定的内容,也可随时保存设置内 容并退出,无需一兜到底经历每一项设定。程序设定的内容有: f1 原始值显示， f2 自动零点跟踪功能设置；f3 波特率选择；f4 打印功能；f5 输出模式 设定；f6 称重值精度设置； f7 单位显示设置，f8 仪表精度标定模式。 三、其余 另外,功能键设计有调零、皮重设定、毛重/净重切换、开关量高低值及电 平设定、打印设定、无零检验设定等功能。按键程序采用一键多用及组合键的 设计,使得仪表面板简洁明快,操作也极为方便。 第三节 上位机的设计 为了保证通信的正确性, 上、下位机必须遵从相同的通信协议，设定通信 参数( 包括数据位, 停止位, 波特率、校验方式)。通信方式多为主从式，通信 过程为应答式。即由主机向从机发送一个命令, 从机收到命令后给出一个应答 信号便完成一次通信。在组态王中, 工控机对网络终端各协调器节点采用定时 轮询方式进行读、写操作。 成都工业学院成教院毕业论文（设计（混凝土） 自动搅拌控制系统的设计） 1