毕业设计（论文）-基于PLC的水泥垫块机控制系统设计.doc

南京高等职业技术学校毕业设计（论文）说明书系部 电气工程系 专业 电气自动化 作者 学号 09 题目 基于PLC的水泥垫块机控制系统设计 指导教师 评阅教师 完成时间： 2011 年 10 月 20 日基于PLC的水泥垫块机控制系统设计摘要：针对目前大多数水泥制砖机控制系统仍为手工操作，存在可靠性低、效率差、运行不稳定等问题，我们通过分析水泥制砖机的控制原理及和作用，提出利用PLC对水泥制砖机进行逻辑控制的方法。根据制砖工艺要求，说明了PLC控制系统的软、硬件设计方法、步骤和过程。水泥砌块在工业与民用建筑、路桥丁程、水利堤防等方面应用广泛，其主要由水泥制砖机模压成型。目前我国许多水泥制砖机控制系统仍为人操作，可靠性低、效率差、运行不稳定，远远跟不上时代的步伐和满足不了现代社会的要求，急需技术革新和改造。近年来，随着我国自动化技术的提高，可编程序控制器(PLC)作为一个新兴的工业控制器，因其体积小，功能齐全，价格低廉，可靠性高等独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。本文介绍一种可编程序控制器的制砖控制系统，它能根据生产实际的需要，实现上料、供板、成型、脱模至出砖的全过程自动生产。关键词：PLC、水泥垫块机、液压系统、组态目 录第一章 绪论11.1 本课题设计背景11.2 本课题设计内容21.3 本课题设计的目的和意义31.4 本课题设备结构及工作原理31.5 本课题设备控制系统要求4第二章 控制系统方案设计52.1 采用PLC控制系统的优点52.1.1从控制方式上比较52.1.2 从工作方式上比较52.1.3 从控制速度上比较52.1.4 从定时，计数上比较52.1.5 从可靠性，可维护性上比较52.2 系统设计的基本步骤5第三章 系统硬件设计83.1 可编程序控制器系统选型8第四章 控制系统软件设计104.1 控制流程104.2 系统控制原理图104.3 运行顺序功能图114.4 停机的顺序功能13第五章 垫块机分类及设备材料参数145.1 全自动水泥垫块机145.2 静压水泥垫块机155.3 设备材料参数15结束语17参考文献18致 谢19附录20第一章 绪论1.1 本课题设计背景垫块是现代建筑设施施工中钢筋混凝土结构支撑钢筋的一种不可或缺的一种辅助材料，早在机制水泥垫块出现之前，多为手工塑料模具加工，因为强度外观差异甚大劳动强度大成本投入高，使得新型水泥垫块机的问世成为建筑行业迫切需要的设备，新一代建筑水泥垫块机的出现使得原有的手动加工垫块逐渐淘汰。新型水泥垫块机的原料可以是粉煤灰、炉渣、煤矸石、矿渣、灰渣、沙子等，掺入一定比例的水泥即可，目前市场上种类繁多高。水泥垫块机设计振动台台面尺寸跟成型机的种类及一次成型制品的数量有关。其中一次成型制品的数量与单个加压制品摆放形式有关，每个制品的加压面的实际占有面积越小，则一次成型制品的数量就越多。模具的设计应考虑单个加压制品摆放形式及一次成型制品数量，上加压力由上振动器和上压头自重、模具自重以及由电控阳模压力阀控制的上加压力组成。目前国内外的水泥垫块机只要更换模具，成型出来的制品是多种多样的，成型制品不同，一次成型制品的数量也不同，加压接触面积也不同，其最佳单位加压力也不同，制品成型高度也不同，故上加压力应考虑满足生产制品成型时的最大加压力。20世纪20年代起，人们把各种继电器。定时器。接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统.由于它结构简单。容易掌握。价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位.但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差.20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置.为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：（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150V以上（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等（9）扩展时原系统改变最小（10）用户存储器至少能扩张到4KB（适应当时汽车装配过程的需要）十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义：可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。可遍程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。定义强调了PLC应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征。定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。1.2 本课题设计内容本课题将在以下几方面对水泥垫块机系统进行研究和论证。控制系统可以根据生产的需要对砖块形状进行来设定，操作人员可以通过触摸屏进行模具设定，控制监控等操作。1.3 本课题设计的目的和意义可编程控制器（PLC）因为抗干扰能力强，可靠性好，控制系统结构简单，通用性强，编程方便，易于使用，设计、施工、调试、的周期短，体积小，维护操作方便，易于实现网络化，可实现三电一体化等优势已经成为应用面最广，最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。通过PLC对程序设计，提高水泥垫块机系统的控制水平。因此PLC在水泥垫块机控制系统中应用非常广泛，具有很高的应用价值。1.4 本课题设备结构及工作原理水泥砖的原材料主要由细石子、砂和水泥等组成。水泥制砖机是一个强压成型设备，其结构如图 1-1所示。水泥制砖工艺流程如图1-2所示。砖坯成型经过石子、砂和水泥混合和搅拌，注入模腔，挤压成型，最后出模等一系列工艺生产过程。具体如下：将推板送到模箱下部的工作台上，工作台上升至模箱底部、起模，通过往复导向面料装置将混合、搅拌后的物料浇注入模具，模箱振动，上压头压下，将模箱中的料在振动的同时压实成型，判断是否需要二次面料，如需则返回加料，如不需则工作台带动推板和成型砖下降至最底部，再将推板和成型砖一起推出，完成制砖工作。图1-1 水泥垫块机实物图1.5 本课题设备控制系统要求图1-2 控制系统图水泥制砖机控制系统要求机器工作时自动、稳定、可靠运行。为满足这一要求，控制系统应具备以下性能：1）通过PLC控制起模缸、液压缸、送料缸等的进退，提高了系统的性能，减少了人力使用。通过更换模具可生产不同规格多孔砖、空心砌块、路缘石、路面砖以及植草树砖、护坡砖等水泥制品，每个动作程序互锁。2）设置了手动/自动按钮，手动按钮主要是在系统或软件调试时使用，一般生产中，采用自动模式。并为各个按钮设置了指示灯，以便系统运作不控制系统的输入/输出信号名称及地址编号如正常时，容易查错。第二章 控制系统方案设计2.1 采用PLC控制系统的优点2.1.1从控制方式上比较用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、控制要求设计控制程序，而且在以后的修改中只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。2.1.2 从工作方式上比较电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。2.1.3 从控制速度上比较电器控制速度慢，触点易抖动；而PLC通过通过半导体来控制，速度很快，无触点，故无抖动一说。2.1.4 从定时，计数上比较电器控制定时精度不高，易受环境温度变化的影响，且无计数功能；而PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有计数功能。2.1.5 从可靠性，可维护性上比较电器控制接触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线较多，可靠性，维护性差；而PLC无触点，采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，能适应工作现场的恶劣环境，使用寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。2.2 系统设计的基本步骤水泥垫块机控制系统的设计与步骤，在水泥垫块机控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：1）深入了解和分析水泥垫块机控制系统的工艺条件和控制要求2）确定I/O设备。根据水泥垫块机控制系统的功能要求，确定系统所需的输入，输出设备3）根据I/O点数选择合适的PLC类型4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图5）设计水泥垫块机控制系统的梯形图，根据控制要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个水泥垫块机控制系统设计的核心工作6）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善7）进行水泥垫块机控制系统的整体联机调试，调试中发现的问题逐一排除，直至调试成功。图2-1 系统方案图系统控制原理如图所示,系统主要是由触摸屏、可变程序控制器（PLC）、电机、气缸传送带等组成图2-2 系统组成图第三章 系统硬件设计3.1 可编程序控制器系统选型可编程序控制器PLC是一种通用的自动控制装置。它将计算机技术、自动化技术和通信技术融为一体，成为现代IT业实现自动化的核心设备。将PLC及计算机控制技术应用到水泥制砖机控制系统中，通过软件设计来实现联锁保护、自动控制及过程控制，无疑可以解决目前制砖系统存在的难题。选用三菱公司FX2N 系列型号PLC下位机作为控制系统核心。在选择这种FX2N系列PLC时需要考虑以下几点：1）输入输出的总合计点数（包括特殊模块占用的点数）要控制在256以内。2）电源容量（基本单元以及扩展着单元都内置电源，对扩展模块提供DC24V电源。因此扩展模块、特殊模块的总消耗电流要控制在基本单元以及扩展单元的电源容量范围内）3）对FX2N基本单元上连接的特殊单元、特殊模块连接台数要控制在8台以内。图3-1 硬件电路图（1）图3-1 硬件电路图（2）从上面的分析可以知道，本系统共有开关量输人点32点，开关量输出点 26点，那么我们只能在FX2N-64MR、FX2N-64MT、FX2N-64MS；这三种型号中选择一种。FX2N-64MR是继电器输出有触点交流直流两用，FX2N-64MT晶体管输出无触点直流负载用，FX2N-64MS可控硅输出交流，无触点交流负载用。我们综合考虑参照 FX2N产品目录及市场实际价格，选用主机为FX2N-64MR(32输入/32输出)一台PLC，这样配置是最经济的。表3-1 控制系统的I/O点及地址分配表- 10 -第四章 控制系统软件设计4.1 控制流程根据对制砖机系统组成及控制原理分析，制砖机控制系统软件由下面各程序模块组成，具体如下。其流程如图4-1所示。(1)初始化程序，系统初始化参数设置，对一些数据寄存 器及定时器清零复位。(2)单步调试程序，系统调试使用，供维修人员使用，进人此程序后，连锁条件解除，设备完全由人工控制各部件的开启。(3)故障处理程序，处理系统故障，根据输人信号的不同类型显示不同的故障类别，引起操作人员注意和帮助维修人员修理设备，确保设备安全和人身安全。(5)急停程序，系统出故障时采用此急停程序，能够马上使系统停止。(6)自动程序，系统采用自动模式，使系统自动进入制砖系统控制。(7)手动程序，手动制砖使用。(8)公共程序，系统功能调用，供程序模块共同使用。(9)通信程序系统与其他系统通信时使用。(10)停机程序，执行本程序时，PLC按照设备所出的工作状态依次关闭所有元件、电源、电机、阀门。4.2 系统控制原理图为PLC系统控制原理图，此图连好后可持续使用，即使工艺改变，也只需改变软件设计，而不必改变连线。 图4-1 控制原理图4.3 运行顺序功能图生产过程的控制如系统顺序功能图所示，当输出地址 Y0、Y1为 l状态，Y10为0状态，Y7由0变为 l时，控制系统开始运行。Y4为ON，S20被置位，控制推板进，行程开关X0为 ON时，程序分为两条并行支路。支路 1：S21被置位，Y12动作，控制起模缸下，当行程开关X13为ON时，起模缸停止，S22置位，Y5动作，送料缸进，依次顺序，此支路依次完成以下任务：送料缸将原料送入起模缸，通过时间继电器控制料仓的开关，保证足够的原料，然后启动主振电机及压头电机将原料压实，接着主振电机复位，起模缸上，压头电机停。支路2超过T44所设定的时间后，推板退，即控制推板液压缸进退的电机，然后判断是否需要二次面料，即X30是0还是l，若为0，则程序结束，再从开始循环执行，若为l，则继续为其加进二次面料，S40被置位，Y6动作，控制二次面料进，到 X27为 ON时，二次面料退，然后复位，同时起模缸上，压头缸上然后启动主振电机及压头电机将原料压实, 起模缸上，压头电机停。此次流程结束，同到初始状态，循环执行。 图4-2 运行功能顺序图4.4 停机的顺序功能停机的顺序功能如图所示，按下停机按扭后。面料缸退、起模缸上，压头缸上，推板退，接着停下砖坯电机和油泵电机，整个系统安全停下。图4-3 停机功能图第五章 垫块机分类及设备材料参数5.1 全自动水泥垫块机人工垫块机是将震动电机安装于钢铁框架下，模具放置于框架上。将混凝土填放于模具上，开动震机。待混凝土被均匀填入模具后即可出模，平均2分钟一板。每人每天可生产3000左右个垫块。成品率低，振动机容易坏，劳动力大等缺点液压自动水泥垫块机是目前国内行业中最先进，最理想的专业生产混凝土水泥块的生产设备，本设备设计合理，自动化程度高，占地面积小，生产效率高。该设备专业生产各种型号规格混凝土水泥垫块，包括轮式垫块，桥梁垫块， 每天8个小时可生产（15mm20mm型）的混凝土块60多万块；（30mm50mm型）每天8小时可生产垫块35万块。垫块型号规格不同，产量也不同。本机器产量高易操作，45人就可生产。1）垫块机成型机机架：采用高强型钢及特种焊接工艺制造，极其坚固。2）垫块机导向柱：采用超强特种钢材制成，表面镀铬具有良好的抗扭与耐磨能力。 垫块机模具3）压头：机、电、液同步驱动，同一托板制品高度误差极少，产品一致性好。4）垫块机布料器：采用传感与液压比例驱动技术，在摆动布料车及破拱机构作用下，产生强制。6）离心泄料，布料快速均匀，对带孔垫块制品特别有利。7）垫块机振动器：采用电液技术驱动，多源式振动系统，在电脑控制下由液压驱动产生垂直同。8）步振动，频幅可调，实现低频加料，高频成型的工作原理，对不同原材料可获得良好振实效垫块机设备维修与保养：1）每次开机应空负荷运转25分钟，（冬季可加长时间，不低于30分钟），方可正常工作。2）新设备在使用一星期以后需将全部油路滤清一次，并清洗油箱，然后依据机器工作的负荷情况，36个月更换一次油液，清洗一次油箱。3）使用过程中严禁由于系统发热而将油箱盖或注油孔打开。4）压力表开关压力调整完毕后，应关闭（禁止长期开启压力表开关，损坏压力表）。5）严禁露天使用，应有防雨措施5.2 静压水泥垫块机该设备采用液压传动，集成油路，电气控制，具有自动化程度高，噪音小使用寿命长，操作方便，结构紧凑等特点。该机主要生产圆形、带孔，马镫带孔水泥垫片，生产成型后可以直接码垛。节省托板。静压水泥垫块机该机为龙门式钢结构专用制砖机，加压方式为下移式，该机最大压力为250T，可以压制边长为400*300mm，该机可更换不同型号的模具，生产多种产品，如混凝土垫块，钢筋垫块，隐形垫块铁路桥梁专用垫块、水泥构件、装饰构件、欧式构件、锌合金马镫等等。可谓是一机多用，满足不同行业的多种需要。厚度为200mm以内的各种路沿石、护坡砖、花墙砌墙砖、护坡砌块、水磨石及多联模具，多联模具在该机应用可以大大提高生产产量，可广泛应用于市政、建筑、林园、小区建筑领域。静压水泥垫块机技术参数:5.3 设备材料参数导线载流量、截面积简单计算方法。条件：首先应符合发热条件，即导线允许安全电流与允许电流密度两者值的大小（允许安全电流指在不超过它们最高工作温度条件下允许长期通过的最大电流即负载电流，符号I；允许电流密度指导线芯的单位面积S允许长期通过的最大电流，符号Im。）计算方法： S = I / Im I = S Im基本值： Im=58A/mm2(铜导线） 即 1mm2单位面积铜导线允许长期通过最大电流58A，Im=35A/mm2(铝导线） 即 1mm2单位面积铝导线允许长期通过最大电流35A根据功率公式：P=UI，结合上面的计算方法就可算出导线所带负荷功率了。经验公式：铜导线面积等于负载功率千瓦数乘以0.65，得数小于或等于导线实际截面的就选其值，大于的选粗一级的导线，铝线在算出铜线结果的基础上粗一级。导线规则一般是：1.5m、2.5m、4m、6m、10m、16mm2、25mm2、35mm2、50mm2、70mm2、95mm2、120mm2、150mm2、185mm2等等。有关电缆线径、截面积、重量估算公式1）估算铜、铁、铝线的重量（kg/km） 重量=截面积比重 S=截面积（mm2） 铜线 W=9S W=重量（kg） 铝线 W=3S d=线径（mm） 铁丝 W=8S 实际铜的比重8.9g/cm3、铝的比重2.7g/cm3、铁的比重7.8g/cm32）按线径估算重量（kg/km） 铜线 W=6.98d27d2 铝线 W=2.12d22d2 铁丝 W=6.12d26d2 结束语我们分析了水泥制砖机可编程序控制器(PLC)控制系统的原理、结构及控制系统特点，该自动控制装置改善了传统制砖机人操作、效率低、精度不高等缺点，实现了砖机的自动化控制，使制砖生产率和砌块产品质量得到了很大的提高，工人劳动强度降低。PLC控制系统虽然比继电器控制的电路成本有所提高，但是可编程序控制器控制系统的硬件线路十分简单，系统的可靠性高，维修工作量和维护费用大幅度降低，如果大量应用，可以提高制砖厂的经济效率。该控制系统经某些砖瓦厂实际运行显示，设备运转正常，系统性能稳定可靠，充分了满足制砖工艺要求。具有广阔的应用前景。参考文献1 胡学林主编. 可编程控制器教程M. 电子工业出版社, 2005.2 王永华主编. 现代电气控制及PL