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硕t 学位论文 q t 9 - 1 5 混凝上砌块成型自动化生产线控制系统开发 摘要 随着现代建材业的快速发展，对混凝土砌块成型设备的智能化显得举足轻重。而 国内外的技术差距也是相当大的。我国混凝土砌块成型设备自动化程度不高、噪音大、 故障率高。想进口混凝土砌块成型设备，但其价格昂贵，从而国内对智能化的混凝土 砌块成型设备需求尤为迫切。因而国内市场急需研制一种智能化、成本低、性能优越 的混凝土砌块成型自动化生产线设备。 本文以q t 9 1 5 混凝土砌块成型自动化生产线为研究对象，在分析混凝土砌块成 型生产流程及控制要求基础之后，综合运用先进控制技术、系统集成技术、远程服务 技术、可靠性设计技术，研制了一套混凝土砌块成型生产线系统。为实现混凝土成型 自动化生产线的智能化做出了一定的贡献。本论文着重研究了q t 9 1 5 混凝土砌块成 型自动化生产线的结构布局及工艺、生产线控制器和p l c 模块的选型、控制系统可 靠性设计、p l c 关键程序设计、生产线监控触摸屏程序开发、上位机与下位机通信机 制的研究、企业级上位机程序设计等关键技术。论文中借助于w p l s o r 、s c r e e n e d i t o r 、 c # 2 0 、数据库等软件，完成了混凝土砌块成型自动化生产线p l c 控制程序设计、过 程控制级触摸屏程序设计、上位机软件系统的设计与开发，实现了整条生产线的现场 级控制、过程级控制、企业级控制以及远程故障监控、诊断与维护等功能。 关键词：可编程控制器生产线触摸屏上位机m o d b u s 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mb u i l d i n gm a t e r i a l si n d u s t r y , t h ec o n c r e t eb l o c k m a k i n gm a c h i n eb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t n o wt h et e c h n o l o g yg a yi sq u i t ew i d e b e t w e e nh o m ea n db r o a d i no u rc o u n t r y , t h ec o n c r e t eb l o c km a k i n gm a c h i n e sa p p e a r t h a tl o w - l e v e lo fa u t o m a t i o n , h i g hn o i s el e v e l ，a n dh i g hf a i l u r er a t e i ft h ec o n c r e t eb l o c k m a k i n gm a c h i n e sa r ei m p o r t e d ，t h eh i g hp r i c eh i d e ro u rs t e p s ot h ed e m a n do fi n t e l l i g e n t c o n c r e t eb l o c km a k i n gm a c h i n ei sq u i t eu r g e n ti nd o m e s t i cm a r k e t ak i n do fi n t e l l i g e n t l o w - c o s t ，s u p e r i o r - p e f o r m a n c em a c h i n e i sn e e d e dt ob ed e s i g n e d t h i sp a p e rw i l ld i s c u s st h ec o n c r e t eb l o c km a k i n gm a c h i n e o nt h eb a s i so ft h e a n a l y s i so fc o n c r e t eb l o c km a k i n gt e c h n o l o g yp r o c e s sa n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t ，t h e a d v a n c e dc o n t r o lt e c h n i q u e ，s y s t e mi n t e g r a t i o nt e c h n i q u e ，r e m o t es e r v i c e st e c h n i q u ea n d r e l i a b i l i t yd e s i g nt e c h n i q u ew e r ea p p l i e d ，ac o n c r e t eb l o c km a k i n gm a c h i n ew a sd e v e l o p e d w h i c hc o n t r i b u t e dt ot h ed e v e l o p m e n to fc o n c r e t eb l o c km a k i n gm a c h i n e t h i sp a p e rw i l l r e s e a r c ht h et e c h n o l o g yo fc o n c r e t eb l o c km a k i n gm a c h i n e ，i n c l u d i n gt h es t r u c t i o n ，t h e t y p eo fa c t u a t o ra n dp l c ，t h er e l i a b l ec o n t r o l ，t h ek e yc o d eo fp l c ，t h ec o d eo f t o u c h s c r e e n ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p p e rm o n i t o ra n dl o w e rc o m p u t e ra n dt h e e n t e r p r i s e l e v e lm o n t o r sc o d e w p l s o f t , s c r e e n e d i t o r , c # 2 0d a m b a s ew e r eu s e dt o c o m p l e t e t h e d e s i g n t a s ka n dt or e a l i z et h er e a l - t i m e c o n t r o l ，p r o c e s sc o n t r o l ， e n t e r p r i s e l e v e lc o n t r o la n dr e m o t em o n i t o r i n g ，d i a g n o s ea n dm a i n t e n a n c e k e y w o r d s ：p r o g r a m m a b l ec o n t r o lu n i t , p r o d u c t i o nl i n e ，t o u c hs c r e e n , u p p e rm o n i t o r , m o d b u s i i 硕士学位论文q t 9 1 5 混凝，1 - 砌块自动化生产线控制系统开发 1 绪论 1 1 研究目的及意义 近年来随着我国墙体材料改革的深入发展，空心砖砌块必将成为住宅建筑的主导 产品。“大力发展新型墙体代替耗能高和毁田、占地严重的粘土砖是一项功在当代， 利在千秋的大业”；“混凝土小型空心砖砌块已成为国家发展的一种主导新型墙体材 料，是替代粘土砖的主要墙体材料 。国家科学技术部、国家税务局、国家建材局把 混凝土( 承重砖) 小型空心砖列为国家高新技术、绿色建材产品【l l 。 目前，国内有几家大型砌块成型设备制造商正致力于开发具有自主知识产权的混 凝土砌块成型自动化生产线，如福建泉州鸿昌机械制造有限公司、西安东方福星机械 有限公司、江苏腾宇机械制造有限公司等。江苏腾宇机械制造有限公司的第一条全自 动化生产线于2 0 0 7 年底研制成功。先进的混凝上砌块成型设备是高效率制造高质量 混凝土砌块的必要条件，而良好的控制系统有利于提高砌块的表面光洁度及密实度 等，关系到混凝土砌块的质量、生产效率及生产安全。 本课题针对江苏腾宇机械制造有限公司q t 卜1 5 混凝土砌块成型自动化生产线， 来实现对混凝土砌块生产过程的实时监控，通过调整设备运行参数，对自动生产线实 现智能全自动控制，为我国建材行业，特别足砌块成型业提供一条技术先进，成本低， 自动化程度高，操作合理简单，具有自主知识产权的混凝土砌块成型生产线。该研究 不仅符合国家政策，满足市场需求，更重要的是为墙改事业打下了峰实基础，为创建 社会主义和谐社会做出一定贡献。 1 2 砌块成型机的技术现状 我国混凝土砌块结构的应用虽然已有3 0 多年的历史，但由于国情和经济政策等 方面的原因，应用水平较低( 仅限于多层) ，应用范围较窄，各地发展不平衡，砌块的 应用数量在整个墙体材料总量中所占的比例不足1 0 。从国外砌块的发展和我国近来 墙改方向看，砌块作为粘土砖的首选替代材料已成定局，人们对砌块和砌块建筑的质 量、功能和效益等方面将提出更高的要求。 据不完全统计，1 9 9 6 年全国砌块总产量约为2 5 0 0 万m 3 ，各类砌块建筑约5 0 0 0 万m 2 ，近十年混凝土砌块与砌块建筑的年递增都在2 0 左右，尤以大中城市推广迅速。 以上海推广砌块建筑为例，1 9 9 4 年约5 0 万m s ，1 9 9 5 年约1 0 0 万m 2 ，1 9 9 6 年约1 5 0 万m 2 ，到1 9 9 9 年一季度累计完成砌块建筑4 5 0 万m 2 。这些砌块建筑大多是中低层的， 1 绪论硕十学位论文 至于高层的配筋砌体建筑，也已进行了一些试点工程，如8 0 年代广西建科院就设计 和建成1 0 、1 1 层砌块房屋，1 9 9 7 年建成的盘锦市国税局1 5 层住宅楼，1 9 9 8 年建成的 上海1 8 层配筋砌块住宅。目前作为国家标准砌体结构设计规范g b j 3 - 8 8 重大修 订内容配筋砌体部分的试点建筑还有北京首钢的1 8 层砌块住宅、辽宁抚顺5 栋 1 6 层砌块住宅等。各地已兴建或正兴建现代化的砌块生产联合企业从数量和规模上 都是空前的，仅以东北地区初步统计，这个几年前很少用砼砌块的广大地区光引进的 国外现代化砌块生产线就达1 0 条之多，年生产能力可达5 0 8 0 万m 3 。以大庆为例， 大庆油田从1 9 7 6 年引进美国砌块生产线起到1 9 9 9 年底，砌块产量和砌块建筑逐年大 幅度巨增。如1 9 9 7 年的4 栋砌块住宅、1 9 9 8 年4 4 栋砌块住宅、1 9 9 9 年的8 8 栋砌块 住宅及2 0 0 0 年计划的1 0 0 多栋住宅，连续几年累计上百万平米。辽河油田几年来建 造了2 0 多万i i l 2 的砌块建筑，特别是大庆油田等骨干砌块企业从起初以承重砌块为主， 到现在的多功能装饰砌块的产品结构。而利用国产砌块成型机的中小规模砌块厂近 l 、2 年呈更强劲的发展势头，这为我国大面积推广高质量砌块建筑创造了条件。 目前国内外生产的砌块成型机种类型式繁多，按其生产能力看：有年产量在1 万 至2 0 万立方米左右的多个等级。按机器的工作状态：可分为固定式和移动式。按机器 的自动化程度：可分为全自动、半自动和手动操作。按机器的功能：可分为专用性和通 用性砌块机。根据国际困内行业的发展趋势以及我国现实使用需求来看。固定式全自 动成型机是国际砌块设备生产发展的主流，最先进的设备技术和最新的产品都集中在 这一类型的设备之中。 和国外发达国家相比，我国砌块结构的发展尚处在初级阶段，我国目前砌块生产 能力虽然己达1 2 亿m 3 ，而年产量仅有4 0 0 0 多万m 3 ，推广应用尚有许多工作要做： 如扩大砌块结构的应用范围，增加砌块的品种和功能，完善和建屯砌块建筑结构的配 套技术标准等。1 2 1 3 砌块成型机技术提高措施 主要指提高砌块的生产技术和提高砌块的应用技术两个方面： 砌块生产技术的提高包括：普及砌块生产知识、规范砌块生产工艺、提高砌 块生产人员的专业技术水平；研制开发砌块机械新机璎，优化机械加工的原材料和配 件，改进机械加工工艺，提高机械组装质量，强化机械产品的销售与服务，多创名优 砌块机械产品；研究改进利用工业废渣生产各类砌块的技术，提高这类砌块的性能与 质量；发展各种轻质砌块，提高轻质砌块在砌块总量中的比重；研究丌发砌块房屋所 需的各种形状、规格的砌块，特别是各种建筑构造砌块；提倡研制各种专门用途的砌 块及各种功能性砌块，制订和修订各类砌块产品标准及检验方法标准，全面提高砌块 2 硕仁学位论文o t 9 - 1 5 混凝 砌块自动化生产线控制系统开发 的质量口1 。 砌块应用技术的提高包括：普及砌块建筑设计知识，宣传砌块建筑设计规格； 提高砌块建筑设计的艺术水平，发挥砌块的特色，美化砌块建筑的造型和色彩；借鉴 国外的成熟技术和研究开发我们自己的技术，妥善解决砌块建筑的某些使用功能方面 的问题；继续完善砌块建筑的结构设计理论与方法；研究编制适用于县镇、乡村的砌 块建筑设计资料与图集；研究规范砌块建筑施工技术；宣传砌块建筑施工规程；组织 和培训砌块建筑的专业施工队伍；研究开发砌块建筑施工的配套材料和专用机具；评 选砌块建筑的优质工程，全面提高砌块建筑的工程质量。砌块生产技术与应用技术的 提高工作，可以按梯级开展大中城市指导小城市，城市指导县镇与乡村；技术先 进的地区指导技术后进的地区；经验丰富的单位指导新推广的单位。建筑砌块与砌块 建筑的推广与提高是相辅相成的，两者互相促进，只要我们将推广与提高辩证地结合 起来，持之以恒地努力工作，我国的砌块建筑的新发展是可以实现的“3 。 1 4 课题的研究内容和目标 本课题是南京理工大学和江苏腾宇机械制造有限公司联合承担的江苏省科技攻 关计划项目“砌块成型智能化生产线开发及产业化( b e 2 0 0 6 0 9 5 ) 中的一部分。本 文以江苏腾宇机械制造有限公司q t 9 1 5 混凝土砌块成型自动化生产线为研究对象， 完成了混凝上砌块成型自动化生产线p l c 控制程序设计、过程控制及触摸屏程序设 计、上位机软件系统的设计与开发。 课题的主要研究内容： ( 1 ) 分析混凝土砌块成型自动化生产线的生产工艺及控制需求，进行控制系统的 总体方案论证及设计。 ( 2 ) 基于可编程控制器、变频调速及工业组态软件等硬软件平台，完成混凝土砌 块成型自动化生产线硬件选型。 ( 3 ) 研究混凝土砌块成型自动化生产线的控制策略，从而实现生产线的自动化。 ( 4 ) 研究台达工控产品m o d b u s 通讯协议原理及机制，解决上位p c 机和台达p l c 及变频器的实时通讯问题，完成混凝土砌块成型自动化生产线系统的信息集成。 通过本课题的研究，将开发出具有工业过程控制，参数设定，生产信息管理，智 能故障报警等功能的0 t 9 - 1 5 型混凝土砌块成型化生产线智能控制系统，该控制系统 必须具有高稳定性，低故障率，快速修复故障等特点。为我国建材行业提供一套物美 价廉的“混凝土砌块成型智能化生产线”，加速我国建材行业的发展，并降低成本， 同时也可以扩大国外市场，参与国际竞争。 3 1 绪论 硕十学位论文 1 5 章节安排 全文共分为六章，安排如下： 第一章绪论 对制造系统的发展趋势作了概述，阐明了混凝土砌块成型生产线对远程监控、诊 断系统的迫切需求。分析了监控诊断系统的发展过程和国内外研究状况及应用。最后 指出混凝土砌块成型生产线远程监控、诊断系统的研究内容和目标。 第二章系统需求分析与总体设计 首先分析了混凝土砌块成型生产线的组成、工艺流程，在此基础上提出了远程监 控、诊断系统的功能、信息和性能需求。接着由此建立远程监控、诊断系统的总体结 构，并阐述了系统各部分的功能。 第三章系统硬件设计 针对生产线的特点，提出了现场需采集的各类信号，并根据这些信号的来源和复 杂程度，提出了硬件的选毽，及其采用的型号介绍，最后得到了硬件方案。 第四章控制系统p l c 程序设计 介绍了p l c 设计开发的过程，以及主要设计的关键程序，提出了设计当中的干 扰信号，最后找到改善干扰的方法，进行系统的可靠性设计。 第五章控制系统软件设计 首先针对本系统进行了触摸屏界面设计，之后进行了上位机通信方式的阐述，最 后提出了可行的方法，并进行了上位机程序的设计。 第六章总结与展望 4 硕上学位论文 q t 9 1 5 混凝士砌块自动化生产线控制系统开发 2 系统分析与总体设计 2 1 生产线的组成 q t 9 1 5 砌块混凝土自动化生产线由配料系统、主机系统、码垛系统、窑车系统 四部分组成，整体生产线结构布置如图2 1 1 所示。其中生产混凝土砌块的关键机械 如图2 1 2 为砌块成型机主机部分。 图2 1 1 显示了生产线的设备组成及其运作方式，下面将详细介绍其系统构成。 配料系统组成主要由水泥仓、装载机、配料机、水泥秤、螺旋输送机、强制式搅 拌机、皮带输送机、p l c 配料控制系统组成。其工作方式为：首先在配料控制系统中 设置所需要配比：包括沙、石、水泥、水的各部分重量，配比完成后把配比系统打到 自动运行状态。装载机负责往配料机中添加辅料( 沙、石子) ，同时刮板输送机输送 沙石到称重料斗，到达设定的重量后，提升到搅拌机。同时由水泥仓中抽取水泥到搅 拌机料斗部分，这时搅拌机开始工作，并加水进行混合。混合时间到达后就可以进行 卸料，由皮带输送机输送到砌块成型机主机料斗中准备待用【5 j 。 q t 9 1 5 型生产线主机部分有：推板机、砌块成型机、推板机i 、升板机构成。 推板机i i 上面至少保证要有托板，主机部分才能正常，f ：始工作。木托板送入砌块主 机待用。主机启动后，主机生产出来的混凝土砌块经推板机i 输送至升板机，升板机 升板满后子母窑车进入叉送搬运到养护窑中进行养护加固处理。 码垛机系统构成为：降板机、推板机i v 、推板机i i i 、翻板机，码垛机和送垛机。 子母窑车从养护窑取出已经养护好的砌块运行到降板机前面，然后变速叉送放入到降 板机上，这时降板机在推板机处于后位或者是i ； 位时才开始工作。开始降板机电 机旋转降低到限定的高度，把砌块及托板放到推板机i v ，码垛机把推板i v 送来的混 凝土砌块搬运到送垛机上，同时推板把木托板推到推板机i i i 的后位上面。推板机 i i i 运行，把托板送入到翻板机上进行翻板，除去上面粘住的杂物。由于翻板机每次 翻一板，所以其另外一面的一张托板就有推板机i 上面的联动机构推入到推板机 当中，为下一次工作循环做好准备，到此完成一个工作循环。 窑车系统组成有：子母窑车和养护窑。子母窑车主要负责混凝土砌块托板的搬运， 对提高生产的效率及自动化程度具有相当大的意义。母车作在主要轨道中作横向运 动，运动处于降板机、升板机及养护窑之间，子车主要作纵向运动，运动范围涉及升 板机、降板机和养护窑。养护窑的作用是：提供蒸汽养护砌块，提高砌块的质量。 5 2 系统分析与总体设计硕一l 学位论文 1 养护窑c u r i n gr o o m 2 螺旋推板机s c r e wc o n v e y o r3 水泥仓c e m e n ts i l o 4 装载机l o a d e r 5 配料机b a t c h i n gm a c h i n e 6 水泥秤c e m e n ts c a l e 7 强制式搅拌机c o m p u l s o r ym i x e r 8 皮带推极机b e l tc o n v e y o r 9 码跺机c u b e r 10 降板机u n e l e v a t o r 1 1 送板机 1 2 托板返同机1 3 链式推板机c h a i nc o n v e y o r 1 4 送跺机c u b e rr o l l i n g 。p a t h1 5 砌块成型机b o c km a k i n gm a c h i n e 16 升板机e l e v a t o r17 链式推板机c h a i nc o n v e y o r18 叉t - f o r kl i f t 图2 1 1 q t 9 1 5 生产线示置图 6 硕士学位论文q t 9 1 5 混凝土砌块自动化生产线控制系统开发 图2 1 2 q t 9 15 砌块成型主机 国内传统的生产砌块生产线的特点是：功能结构单一，工人的劳动强度大，生产 效率较低，所以不言而喻其自动化程度有限。然而当今国外的大多数砌块成型生产线 几乎都是一机多用，只需进行模具的更换，就可生产出满足要求的各种型号的混凝土 砌块【6 1 。 混凝土砌块自动化生产线一般由：自动配料、混凝土搅拌、混凝土输送设备： 砌块成型主机；较多的托板；自动码垛、送垛装置：托板自动返回、输送设 备；蒸气养护窑、子母窑车；成品砌块自动码垛、装载、输送等设备组成。仅包 括、部分组成的生产线叫做砌块半自动生产线。当前，进口的生产线大多 数为全自动类型的生产线或自动生产线，国产生产线中绝大多数是半自动生产线、极 少出现自动化生产线。 2 2 生产线工艺流程 沙、石子、水泥等原材料经过配料机，搅拌机进行精确的配料和充分搅拌均匀后， 经过皮带输送机输出到砌块成型主机的料斗内。砌块成型机的主料斗内有混凝土，布 料箱内有混凝土，送板仓内有托板，振动台上有托板，这时按启动按扭，送料箱向前 运行，到达模箱上方时，振动台振动加料，同时布料箱内破拱装置工作，布料结束后， 送料箱退回，分料电机运行将物料补充到布料箱内，同时压头下降，振动台振动加压， 到达砌块高度时，振动停止，延时消除余振。模箱向上运行开始脱模，到位后，压头 上升，送板装置将另一托板送到振动台，同时将已制的砌块送到砌块输送装置上，由 砌块输送装置将砌块送出，模箱下降，即完成一个生产周期。砌块输送装置将砌块输 2 系统分析与总体设计 硕十学位论文 送到升板机下方后停止，累计输出两块后，升板机工作向上提升一个高度，将两板砌 块抬起；当升板机下方有两板砌块后，升板机重复以上动作，当升板累计提升1 2 层后 停止，这时等候在升板机正f ；i 方的字母窑车的子车向前行走到升板机内，到位后，子 车的升降油缸工作，叉齿向上提升将升板机内的1 2 层托板抬起，然后，子车向后行走， 返回母车内停止，这时母车开始横向行走到指定养护窑l ；i 停止，子车向窑内行走，到 达指定位置后停止，叉齿下降，将1 2 层托板放在养护窑的台阶上，这时，子车向后行 走退回母车内：字母窑车根据指令到达另一养护窑前，子车向i j i 行走到达指定位置后 叉齿上升，将已养护好的1 2 层托板抬起并返回母车，这时母车运行到降板机前方停止， 子车向前行走到达降板机内停止，叉齿下降将1 2 层托板放在降板机上，然后退回母车， 母车再行走到升板机前方停止，等待下一循环开始阳引。当子车将1 2 层托板放在降板 机上，并退回母车后，降板机下降一定高度，将最下两层托板放在推板机链条上，降 板机停止，同时，推板机运转将两板砌块输送到码垛机下方后停止，这时码垛机开始 工作。工作流程为：码垛机央具下降到位后，横向央具油缸工作，将两板砌块横向夹 紧后立即松开，并停止，然后横向纵向夹具油缸同时工作，将制品央紧，同时由小油 泵进行保压，防止制品脱落；夹具座连同制品上升一定高度后停止，码垛机行走装置 工作，带动制品行走到送垛机上方停止；夹具座下降，到位指定高度后停止，横向纵 向夹具油缸同时工作将制品松开，放置在送垛机上，夹具座上升并返回到送块机上方 等待下一循环开始( 注意：在下循环过程中，在夹具座上升后增加一个旋转功能，旋 转功能由油缸驱动，可实现9 0 。旋转，在以后工作中，旋转功能间隔一板进行一次， 保证码垛平稳) ，砌块码垛每次增高1 9 0 r a m ，直到码好5 层后整个大循环结束。当制品 码好5 层后送垛机工作，将5 层制品输送到指定位置后停止，这时抱平叉车将制品叉起 后，运送到指定的成品堆场( 整个工作过程中：升降、行走、旋转时大泵供油；横向 纵向夹具油缸工作时大泵、小泵同时供油；夹具油缸保压时小油泵供油) 。当码垛机 将送块机的砌块抓走后，送块机与托板返回机时i 的l 号电机同时工作，将两空托板 依次送到托板机返回机i 上，到达翻板机内时，托机返回机i 停止工作，当托板到达 翻板机内后，翻板机工作，将托板翻转1 8 0 。放置在托板返回机i 的另- - n ，这时2 号电机工作，将托板送到托板返回机i i 的托板仓内，并停止工作。当翻板机内空时， 托板返 口j 机i 号电机一直工作，实现将托板连续送到托板返回机i i 的托板仓内。当主 机给出送板信号后，托板返回装置i i 工作将托板送到主机使用，实现砌块全自动运行 的托板返回工作。q t 9 1 5 砌块成型生产线工艺流程如图2 2 1 所示。 8 硕上学位论文q t 9 - 15 混凝士砌块自动化生产线控制系统开发 2 3 功能需求 图2 2 1q t 9 - 1 5 砌块成型生产线工艺流程 基于对混凝土砌块主机存在问题的分析以及运行总体要求，分析出主要有控制与 监控两大块，具体功能如下： ( 1 ) 现场控制级 砌块成型过程控制； 砌块成型生产过程数据采集与处理； p l c 和变频器的状态数据采集与处理； 报警与紧急事件处理； 与现场上位机实时通信，并向远程监控中心传输数据。 ( 2 ) 远程监控级 p l c 和变频器的状态监控； 关键工艺参数监控； 历史数据采集； 数据分析及参数优化。 9 2 系统分析与总体设计 硕 学位论文 2 4 信息需求 基于远程监控、诊断与维护系统的功能需求，确定其信息需求如下： 生产工况信息 设备运行状态信息 生产安全保护信息 报警信息 控制参数 现场质量信息 2 5 性能需求 远程监控、诊断系统的性能需求表现为： ( 1 ) 现场工业计算机与维护中心服务器的信息一体化，满足实时性要求； ( 2 ) 基于c s 结构应具有较好的开放性； ( 3 ) 良好的安全可靠性； ( 4 ) 保证故障诊断的准确性； ( 5 ) 系统的人机界面友好，方便维护； ( 6 ) 实现监控中心的多用户同时在线监控； ( 7 ) 经济实用。 2 6 控制系统总体方案设计 整个混泥土砌块自动化生产线控制系统中，我们采用的控制形式为：集散控制系 统( d c s ) ，总体控制方案如图2 6 1 所示： l o 硕士学位论文q t 9 1 5 混凝土砌块自动化生产线控制系统开发 执行机构 图2 6 1 控制系统总体方案 在整条全自动生产线控制系统中，我们拟采用现场控制总线式技术结构，1 # p l c 主要控制包括整体生产线除子母窑车以外部分，2 # p l c 主要控制子母窑车，且两台p l c 之间需要能够相互通讯，其中以1 # p l c 为控制核心。 1 # p l c 主要作用为：第一、根据工业现场的光电开关和行程开关作为数字输入信 号，分析出托板的位置情况，控制推板机工i 、砌块成型主机、推板机i 、升板机、降 板机、推板机i v 、码垛机、送垛机、推板机i i i 、和翻板电机旋转，也就是对生产线主 体部分的控制；第二、通过工业触摸屏1 与l # p l c 实现实时通信，完成砌块生产线的 工艺流程参数配置，达到最优。同时可以控制生产线的运行，还有就是出现故障的自 动报警功能。第三、通过工业触摸屏2 与2 # p l c 完成通信采集子母窑车的各类信息， 还有配置子母车运, 7 7 ：d i ：i 减速度。同时可以使子母窑车能到达升降板机处、自动手动 进出窑，完成叉送托板的工作；第四、两个触摸屏完成对生产线主体部分以及各个 生产环节的生产过程控制和关键设备监控，能对各类重大故障报警做出分析后采取处 理。 我们选用的2 台工业触摸屏，它主要通过r s 4 8 5 与p l c 系统进行通信。主触摸屏l 和主控制器1 通信，实现对q t 9 1 5 砌块成型机生产线的监控作用。另一台触摸屏2 与子 母窑车p l c 2 通信控制子母窑车的运转。 通过良好的人机操作界面一触摸屏，现场操作人员与生产线进行对话。一方面 2 系统分析与总体设计 硕士学位论文 用s c r e e n e d i t o r 组态软件监控整条自动化生产线，实现信号的采集、报警、历史数据 的显示、故障诊断等信息通过触摸屏显示给操作人员，以便操作人员很好的及时处理 相关信息；另一方面，操作人员可以通过触摸屏控制整条生产线n 叫。 上位p c 机作为整个控制系统的总监控设备，控制着整条生产线的运行状况，包 括混泥土砌块成型生产线的手动操作、自动操作。现场运行设备的监视，工艺参数设 定以及关键工艺参数的实时显示，产生故障的报警和诊断、历史数据分析存档等。工 业触摸屏监控的子母窑车系统，实时显示每个窑位的工作状态，可以看到每个窑位的 满空情况，以便于现场操作工人实时实地对子母窑车系统进行总体控制。 1 2 硕士学位论文q t 9 - 1 5 混凝士砌块自动化生产线控制系统开发 3 系统硬件设计 3 1 可编程控制器( p l c ) 简介 3 1 1 概述 可编程控制器简称p c ( 英文全称：p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) ，它经历了可编程 序矩阵控制器p m c 、可编程序顺序控制器p s c 、可编程序逻辑控制器p l c ( 英文全 称：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 和可编程序控制器p c 几个不同时期。为与个人 计算机( p c ) 相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。1 9 8 7 年国际电 工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c a lc o m m i t t e e ) 颁布的p l c 标准草案中对p l c 做了如 下定义：“p l c 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、 计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类 型的机械或生产过程。p l c 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一 个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 目前，p l c 控制已广泛应用于生产机械和 生产过程中，被公认为现代工业系统自动化的三大支柱之一。三大支柱为：可编程控 制器、机器人、c a d c a m 。而可编程控制器的应用深度和广度已经成为衡量一个国 家工业自动化程度高低的标志【1 1 1 1 2 】。 可编程控制器为了适应在工业环境中一些应用，有很多优良的特点： 首先，可靠性高，抗干扰能力强。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继 电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。p l c 用软件代替大量的中间 继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控 制系统的1 1 0 1 1 0 0 ，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设 备的关键性能。p l c 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造， 内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的f 系列 p l c 平均无故障时间高达3 0 万小时。一些使用冗余c p u 的p l c 的平均无故障工作 时间则更长。从p l c 的机外电路来说，使用p l c 构成控制系统，和同等规模的继电 接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大 降低。此外，p l c 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在 应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除p l c 以外 的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪 3 系统硬件设计硕士学位论文 、4 其次，配套齐全，功能完善，适用性强。p l c 发展到今天，已经形成了大、中、 小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各 种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模 的系统。p l c 的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。p l c 有较强的 带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制 场合。除了逻辑处理功能以外，现代p l c 大多具有完善的数据运算能力，可用于各 种数字控制领域。近年来p l c 的功能单元大量涌现，使p l c 渗透到了位置控制、温 度控制、c n c 等各种工业控制中。加上p l c 通信能力的增强及人机界面技术的发展， 使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易。 再次，易学易用，深受工程技术人员欢迎。p l c 作为通用工业控n - t - 算机，是面 向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语 言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用p l c 的少量开关量逻辑控 制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和 汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。再次，p l c 系统都采用的是 模块化结构，除基本单元外，还包括多种扩展单元和各种各样的功能模块，可以根据 不同的工业控制要求而自由组合，实现灵活的控制。 还有，系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。p l c 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，很容易掌握。对于复杂的控 制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。p l c 用存储逻 辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大 为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过 程成为町能。这很适合多品种、小批鼍的生产场合。 最后，体积小，重量轻，能耗低。以超小型p l c 为例，新近出产的品种底部尺 寸小于1 0 0 r a m ，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩d , n 原来的 1 2 1 1 0 。它的重量小于1 5 0 9 ，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实 现机电一体化的理想控制设备。【1 3 1 。 3 1 2p l c 系统的构成 p l c 是一种以微处理器为核心的工业自动控制装置，从结构上分，p l c 分为固 定式和组合式( 模块式) 两种。固定式p l c 包括c p u 板、i o 板、显示面板、内存 块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式p l c 包括c p u 模块、i o 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。1 ；4 1 。 ( 1 ) p l c 的硬件系统 1 4 硕仁学位论文0 1 9 - 1 5 混凝士砌块自动化生产线控制系统开发 p l c 的硬件系统由基本单元、i o 扩展单元及外部设备组成。 p l c 的基本单元主要包括c p u 模块、存储器模块、i o 部件、电源模块和编程器。 c p u 是p l c 的核心，起神经中枢的作用，每套p l c 至少有一个c p u ，它按p l c 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描l ；f j 方式采隼由现场输入装 置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和p l c 内部电路的 工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指 令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 c p u 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态 总线构成，c p u 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程 序及数据，是p l c 不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析c p u 的内部电路，但对各部分的工作机制还是 应有足够的理解。c p u 的控制器控制c p u 工作，由它读取指令、解释指令及执行指 令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下 工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 c p u 速度和内存容量是p l c 的重要参数，它们决定着p l c 的工作速度，i o 数 量及软件容量等，因此限制着控制规模。 p l c 与电气网路的接口，是通过输入输出部分( i o ) 完成的。i o 模块集成了 p l c 的i o 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输 入模块将电信号变换成数字信号进入p l c 系统，输出模块相反。i o 分为开关量输入 ( d i ) ，开关量输出( d o ) ，模拟量输入( a i ) ，模拟量输出( a o ) 等模块。 常用的i 0 分类如下： 开关量：按电压水平分，有2 2 0 v a c 、1 1 0 v a c 、2 4 v d c ，按隔离方式分，有继 电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型( 4 2 0 m a ，0 2 0 m a ) 、电压型 ( 0 1 0 v , o 5 v , 1 0 1 0 v ) 等，按精度分，有1 2 b i t ，1 4 b i t ，1 6 b i t 等。 除了上述通用i o 外，还有特殊i o 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按i o 点数确定模块规格及数量，i o 模块叮多可少，但其最大数受c p u 所能管 理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。外部设备主要是指生产厂家 提供的外部存储器、打印机和e p r o m 写入器掣1 4 】【1 5 1 。 p l c 电源用于为p l c 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电 路提供2 4 v 的工作电源。电源输入类型有：交流电源( 2 2 0 v a c 或1 1 0 v a c ) ，直流 电源( 常用的为2 4 v d c ) 。 编程器是p l c 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对 系统作一些设定、监控p l c 及p l c 所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场 3 系统硬件设计硕 ：学位论丈 控制运行。小编程器p l c 一股有手持型编程器，目前一般由计算机( 运行编程软件) 充当编程器。也就是我们系统的上位机。 ( 2 ) p l c 的软件系统 可编程控制器的软件系统是指用户所使用的各种程序的集合，通常是由系统程序 和用户程序共同构成。系统程序是每一个p l c 硬件系统必须包括的部分，由生产厂 家固化提供，用于控制p l c 系统本身的相关运行。系统相关程序固化在e p r o m 中。 用户程序当然是由使用者根据现场控制要求用p l c 的几种程序语占进行编制相应的 控制程序，以实现自己所需的控制要求。【1 6 j 3 2p l c 控制系统设计原则 p l c 控制系统的设计是为了实现被控对象( 生产设备和生产过程) 的工艺要求， 以提高生产效率和产品质量，在p l c 控制系统设计中应遵循以下原则【2 8 】： ( 1 ) 首先要满足被控设备的全部控制要求，包括功能要求、性能要求 ( 2 ) 在满足控制系统要求的基础上，应考虑实用性、经济性、可维护性 ( 3 ) 控制系统应确保控制设备性能的稳定性及工作的安全性和可靠性 ( 4 ) 控制系统应具有可扩展性，能满足生产设备的改良和系统的升级 ( 5 ) 注意控制系统输入输出设备的标准化原则和多供应商原则，易于采购和替 换 ( 6 ) 易于操作，符合人机工程学的要求和用户的操作习惯。【1 7 】 3 3p l c 主机及扩展模块选型 3 3 1 控制系统i o 点分析与设计 本控制系统的手动按钮在上位机里采用软按钮实现，这样能够节省硬件按钮输入 点，降低控制系统的开发成本。i # p l c 用来控制主机及码垛系统，同时与2 # p l c 进 行实时通讯。 主机系统输入、输出点分别为1 9 点和1 8 点，包括1 8 个数字量输入点，和1 7 个数字量输出点，1 个模拟量输入点和一个模拟量输出点。码垛机系统包括2 6 个数 字量输入点和2 0 个数字量输出点，还有一个模拟量输入点。 在该控制系统中，模拟量输入范围为4 - 2 0 m a ，输出范围为o 1 0 v ，分别呵以由 相关资料查询得知【1 8 】f 1 9 】。 子母窑车系统由2 # p l c 控制，由于子母窑车工作环境是非常恶劣的，所以该系 统的手动按钮同时采用了硬件按钮和软件按钮进行双保险。2 # p l c 包括3 0 个输入点 1 6 硕士学位论文 q t 9 - 15 混凝士砌块自动化生产线控制系统开发 数和1 2 个输出点数，还有一个模拟量输入即拉绳传感器作为输入。详细情况见第四 章的子母窑车系统详细i o 分配说明表。另外全部的数字的输入量电压均为2 4 v 直流 电，数字的输出量电压均为2 2 0 v 交流电。 3 3 2p l c 功能主机选型 根据控制系统输入输出点数的数量及程序软元件使用数量，结合p l c 控制系统 设计的原则，决定选用台达e h 系列的两种p l c ，i # p l c 主机采用的是的型号为 d v p s o e h 0 0 r ，2 # p l c 子母窑车的型号为d v p 6 4 e h 0 0 r 。 台达e h 系列p l c 体积小，速度快，功能非常强，万年历功能，丰富的模块及 板卡，使得广泛适用于各种行业的检测、监控、自动控制以及定位控制等。内置通讯 口比国外品牌多，c o m l 为r s 2 3 2 通讯，主要用于程序的下载；c o m 2 为r s - 4 8 5 通 讯口可以用于与变频器、p l c 及其他设备组成更为庞大的控制系统