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摘要混凝十砌块成型自动化生产线控制系统开发 摘要 随着我国墙改政策力度的加大，混凝土砌块必将打破房屋建筑材料中粘土砖的主 导地位，为我国建筑业的健康发展和环境保护作出巨大贡献。由于目前大多数国产混 凝土砌块成型设备自动化程度不高、生产效率较低，而进口混凝土砌块成型设备又价 格昂贵，因此并不能满足国内混凝土砌块生产的需求。中国市场上急需一种符合中国 国情、自动化程度高的混凝土砌块成型自动化生产设备。 本文以q t l 0 1 5 混凝土砌块成型生产线为研究对象，在分析混凝土砌块成型生 产工艺流程及控制需求基础上，运用可编程控制器、变频调速及工业组态软件等硬软 件平台，研究设计开发了混凝土砌块成型生产线的集散式控制系统。为实现混凝土成 型自动化生产线信息集成及可靠运行，本文着重研究了台达系列工控产品的通讯机 制、主机液压系统流量p i d 控制、子母窑车精确定位、码垛控制、升降板机控制等关 键技术。完成了基于w p l s o f t 、s c r e e n e d i t o r 及v b 开发平台的混凝土砌块成型自动 化生产线p l c 控制程序及上位监控程序的设计、开发与调试，实现了控制系统过程 控制、信息集成、工艺参数设定，历史数据管理及智能故障报警等功能。 现场调试运行表明：本文设计的混凝土砌块成型自动化生产线控制系统达到了预 期的功能要求，具有较好的可靠性和实用性，满足现场生产的要求。 关键词：混凝土砌块成型自动化生产线集散控制系统工业组态技术 变频调速 a b s t r a c t 混凝土砌块成型自动化生产线控制系统开发 a b s 仃a c t a sc h i n a se f f o r tt oi n c r e a s et h ew a l lm a t e r i a l si n n o v a t i o np o l i c y , t h ed o m i n a n t p o s i t i o no fc l a yb r i c ki nt h eh o u s i n gc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l sw i l lb eb r o k e nb yc o n c r e t e s e g m e n ，w h i c hw i l la d v a n c et h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sc o n s t r u c t i o ni n d u s t r ya n dm a k e a s i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o nt oe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n s i n c et h em a j o r i t yo fc h i n a - m a d e b l o c kf o r m i n gm a c h i n ei sn o th i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n ，l o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , a n d i m p o r to fb l o c kf o r m i n gm a c h i n ei se x p e n s i v e a ne c o n o m i c a la n dg o o dd e g r e eo f t h e a u t o m a t i o nb l o c km a c h i n ep r o d u c t i o nl i n ei su r g e n tn e e di nc h i n e s em a r k e t q t l 0 - 15b l o c kp r o d u c t i o nl i n ew a sc h o s e df o rt h eo b j e c to fs t u d yi nt h i sd i s s e r t a t i o n d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m w a sd e v e l o p e db a s e do np l c ，f r e q u e n c yc o n t r o l ， c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，o t h e ri n d u s t r i a lh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m a f t e ra n a l y z e dt h e p r o d u c t i o np r o c e s sa n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t s f o ra c h i e v e di n f o r m a t i o n si n t e g r a t i o na n d e n s u r i n gt h es y s t e mr e l i a b l e rr u n n i n g ，t h ec o n t r o lp r o d u c t so fd e t a l s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h eb l o c km a c h i n eh y d r a u l i cp i dc o n t r o l ，p r e c i s ep o s i t i o n i n gf i n g e rc a r s ， s t a c kc o n t r o l ，t h ec o n t r o lp l a t em o v e m e n t so fk e yt e c h n o l o g i e sw e r ep u te m p h a s i so d r e s e a r c h t h ep l cc o n t r o lp r o c e d u r e sa n dm o n i t o r i n gp r o c e d u r e sf o rt h ep ca n dh m l w e r ed e v e l o p e db a s e do nt h ec o m p l e t i o no ft h ew p l s o f t ，s c r e e n e d i ta n dv bd e v e l o p m e n t t o o l ，w h i c hr e a l i z e dp r o c e s sc o n t r o l ，i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ，p r o c e s sp a r a m e t e r ss e t t i n g ， h i s t o r i c a ld a t am a n a g e m e n ta n di n t e l l i g e n tf a u l ta l a r m ，a n do t h e rf u n c t i o n s d e b u g g i n g a tt h es c e n ei n d i c a t e dt h a t ：t h ed e s i g no ft h eb l o c kp r o d u c t i o nl i n ec o n t r o l s y s t e ma c h i e v et h ee x p e c t e df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，h a sg o o dr e l i a b i l i t ya n da v a i l a b i l i t y t om e e tt h er e q u i r e m e n t so f p r o d u c t i o na tt h es c e n e k e y w o r d s ：b l o c kf o r m i n g ，a u t o m a t i o np r o d u c t i o nl i n e ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ， s o f t w a r ef o ri n d u s t r i a lc o n f i g u r a t i o n ，f r e q u e n c yc o n t r o l i i 声明 。 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：二豳擞。三孵6 月垆 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：二巴垒堂妒辟6 月啪 硕士学位论文混凝七砌块成型自动化生产线控制系统开发 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 我国是一个人口众多、资源相对不足的国家，耕地面积仅占国土面积的1 0 ，不 到世界平均水平的一半。但在房屋建筑材料中，粘土砖仍占主导地位，每年烧砖近 7 0 0 0 亿块，而生产粘土砖每年耗用粘土资源1 4 亿多立方米，相当于毁田8 0 万亩，同时 每年生产粘土砖消耗6 0 0 0 多万吨标准煤。限制和淘汰使用粘土砖对保护我们赖以生存 的土地、环境和节约能源意义深远。用混凝土砌块代替粘土砖，可大量节约土地和粘 土资源，降低能耗，减少污染，改造建筑功能，促使我国建材业和建筑技术进步和产 业结构调整、转变经济增长方式具有显著的社会经济效益，对我国建筑业的健康发展 和环境保护将起到十分重要的作用【l 】。 2 0 0 3 年6 月3 0 日前在我国1 7 0 个城市禁止使用实心粘土砖，所有省会城市在2 0 0 5 年底以前全面禁止使用粘土砖，以此带动各地淘汰实心粘土砖发展新型墙体材料。国 家为鼓励新型墙体材料的发展陆续推出了一系列新的优惠政策，如发展新型墙体材料 项目引进国外先进设备免征进口设备关税和产品增值税；凡利用本企业外的大宗煤矸 石、炉渣、粉煤灰作主要原料生产建材产品免征所得税5 年；对生产原料中掺有3 0 煤矸石、炉渣、粉煤灰及其它废渣的建材产品免征增值税等。 国家经贸委、国家计委在关于发展新型建材的若干意见中要求：已引进的新 型建材工艺装备到“十五 末要基本实现国产化，并引导企业积极采用国内已消化吸 收的新型建材成套技术装备。国家机械工业联合会在l o 类工程机械产品结构调整中将 承重砼砌块生产设备列入砼机械的两个重点发展项目之一，国家建材工业“十五 规 划将单班年产5 万n f 的砼砌块生产线作为重点发展产品，各省市、自治区也制定了一些 相关政策。这些都将积极有效地推动墙体材料的改革，有利于砌块建筑的发展，带动 砌块生产设备向更高层次迈进【2 j 。 “十一五 期间随着我国国民经济持续、健康的发展和消费需求的变化，居民住 宅将成为新的消费热点。目前全国大中城市禁止使用实心粘土砖任务基本完成，“禁 实 工作还将逐渐由大中城市向小城市和城镇，由城镇住宅向农村住宅方面延伸。随 着国民经济水平的提高和渐进性的发展趋势，加快了砖瓦生产企业技术改造的步伐， 同时要求砖瓦装备生产企业提供高质量装备产品。而国外厂商美国c o l u m b i ab e s s e r 公司和欧洲h e s s ( 德) 等公司生产的化砌块成型全自动生产线由于价格昂贵且售后 服务困难，不适宜大多数国内砌块生产厂家引进使用。市场迫切需要一种技术先进、 生产效率高、价格适中的国产混凝土砌块成型设备和砌块成型生产线。 目前中东地区由于连年战争，建筑市场十分火爆，对墙体材料的需求量很大；另 l 1 绪论硕士学位论文 一方面，俄罗斯地区经济近年逐渐复苏，目前正在实行改革开放政策。所有这些都为 我国质优价廉的新型墙材装备带来了很大的机遇和广阔的国际市场。 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的开发，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。先进的混凝土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。 -， 本课题研究的控制系统是基于江苏腾宇机械制造有限公司的q t l 卜1 5 混凝土砌 块成型自动化生产线，旨在实现对混凝土砌块生产过程实时监控，灵活调整设备运行 参数，故障诊断满足用户要求的智能全自动生产线控制系统。为我国砌块成型制造业 提供一条工艺先进，能耗低，自动化程度高，操作简单，经济实用，具有自主知识产 权的混凝土砌块成型全自动化生产线。为推进我国墙体材料革新，保护耕地和节约能 源做出积极贡献。 1 2 混凝土砌块成型机的技术现状及发展趋势 1 2 1 技术现状及特点 国外砌块成型机的发展历史较长，尤其二战以后得到迅速发展。生产厂商主要有 美国c o l u m b i ab e s s e r 公司和欧洲h e s s ( 德) 、m a s a ( 德) 、r o s a c o m t t a ( 意) 公司等。其 中美国c o l u m b i ab e s s e r 公司的成型机均为模振成型机，欧洲公司则以台振成型机为主， 前者采用液压传动，后者大多采用机械传动。它们的共同特点是可靠性好、故障率低、 自动化程度高，振动加速度一般达到1 0 9 - 1 5 9 左右，个别甚至更高，生产的砌块抗压 强度高且制品质量稳定，生产率可达到1 0 8 0 - - - - 3 0 4 0 块小时。 意大禾l j r o s a c o m t t a 公司是意大利最大的砌块成型机的专业生产厂家，在国际居于 领先水平。生产的砌块成型机从小型手动成型机v 。到大型全自动的m a r a t h o n ( 马拉 松型) 和s 呵t h e s i s ( 综合型) 砌块成型机，品种齐全，自成系列，可满足各种用户 的需求【3 】。其主要特点如下： ( 1 ) 自动化程度高，产量大，必要时可进行手动操作； ( 2 ) 采用型钢结构，保证机械性能的稳定，增加使用寿命； ( 3 ) 主机自动化设备先进，装有振动器电子调频系统用于电子变频调速和启动， 具有液晶显示装置和电子逻辑控制系统； ( 4 ) 计量系统设有灵敏度很高的传感器和电、光、液控制的执行机构，并通过中 央电子自动系统进行操作，保证物料配比的准确，确保产品的质量； 2 硕士学位论文混凝土砌块成型自动化生产线控制系统开发 ( 5 ) 脱模速度快； ( 6 ) 在传输设备上采用程控子母车系统，保证了垂直和水平输送的准确性和定位 的无误性，节省了人力物力； ( 7 ) 整个系统的动作和工作周期均由微处理机控制。 美国c o l u m b i ab e s s e r 公司制造的1 6 0 0 压砖机和u l 厂一3 7 全自动传输系统和体积计 量系统，可组成一个现代化的高效率砌块厂，可生产高强度、高质量的空心砌块、实 心混凝土砌块、混凝土砖和各种混凝土铺路砖。该生产线基本系统设计为全自动化， 包括全自动智能配料设备、全自动砖机( 1 6 0 0 型) 、全自动钢托板输送、全自动蒸汽 养护、全自动成品传输及码垛设备。其产品的主要特点如下【4 】： ( 1 ) 模箱、芯子和横梁是固定在一起； ( 2 ) 喂料箱由贮料斗接到混凝土拌合料后升到模箱上部，待料落下后即开始振 动； ( 3 ) 砌块靠钢托板下面振动台使之密实，振动台的电机间歇启动； ( 4 ) 脱模机构采用上箱脱模方式，脱模后的砌块和托板被顺序推到传送带上。 国外砌块成型设备，如美国贝赛尔、德国海斯、日本虎牌等，其振动成型的垂直 同步水平及调整振频和振幅的技术较好规模及自动化水平较高，但国外一条自动化 生产线总投资高达三四千万元有些甚至上亿元投产后产品成本居高不下。一些企 业购置进口设备后很难赢得应有的利润并使企业背上沉重的还贷包袱。发展国内砌 块成型自动化生产设备，研制高水平、大规模砌块生产设备提到了议事日程。开发一 种价廉、可靠、小型、有一定档次的砌块成型机，不仅使用户的投资风险减小到最低 限度，也满足了日益担心市场变化莫测的用户心理需求【5 】【6 】。 国内的混凝土砌块成型技术研究开始于2 0 世纪6 0 年代，经历了移动式成型设备、 固定式成型设备、自动生产线等几个发展阶段。国内有关科研院所和生产企业共同努 力，陆续开发生产了台振、模振等不同振动形式、多种型号规格的砌块生产设备，如 q t j 4 3 5 、q t 4 - 1 8 、q t 4 2 5 、q t j 3 2 5 、q m j 3 2 5 、q m j 5 2 2 、h q c 3 型等， 在与进口设备的竞争中占有了自己的一席之地。目前国内的混凝土砌块成型机的生产 厂家主要有江苏腾宇机械制造有限公司、西安东方福星机械有限公司、四川绵竹太极 机械有限公司、泉州市鸿昌机械制造有限公司等【7 】。 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。根据国际国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瞄j 。 1 绪论硕士学位论文 国内产品主要有两种类型：一种是压制成型机械，完全靠液压加压使混凝土密实， 其不足之处是成型效率低，砌块的上下密实度不均匀，严重影响砌块强度，而且砌块 表面太光滑，不利于墙体粉刷和装修。另一种是振动成型机械，振动在砌块成型机中 所起的作用是使混凝土均匀地分配和压实，它的应用促进了现代化砌块成型机的发 展，成型机的小时产量可达2 0 0 0 块砌块( 1 9 0 1 9 0 3 9 0 m m ) 以上，江苏腾宇机械制造 有限公司生产的q t 9 - 1 5 、q t l o - 1 5 就是这类产品。振动成型设备一般采用垂直定向振 动来实现理想的振动成型，目前振动技术在砌块成型中的应用主要有两种方式：( 1 ) 由一个或多个振动板所产生的垂直单向振动；( 2 ) 在模箱上上产生或直接传递到模箱 的垂直单向振动。 前者的缺点： ( 1 ) 振动传递过程有一定衰减； ( 2 ) 难于进行正确的调整； ( 3 ) 振动分配均匀性较差。 后者的缺点：对模箱的刚度要求较高，且模箱的较重，尺寸受到限制。现有的砌 块成型机通常都把振动和压力效应相结合作为砌块密实的主要手段【9 】【1 0 】。 1 2 2 主要存在的技术不足 虽然目前国内外产混凝土砌块成型机的制造能力取得了长足进展，但在实现砌 块成型机及砌块成型自动化生产线的数字化、智能化操作控制，解决机组的振动不 均、布料不均、提高油缸使用寿命、成型机组设备的实时运行监控与诊断维护等方 面，还存在许多技术上的不足【1 l 】 1 2 】。 ( 1 ) 机组的振动不均匀； ( 2 ) 布料不均匀，不少厂家着手开发新型布料装置； ( 3 ) 油缸使用寿命较短； 。 ( 4 ) 成型机组设备缺少实时运行监控与诊断维护； ( 5 ) 砌块成型机及自动化生产线尚未实现数字化、智能化和管控一体化； ( 6 ) 缺少柔性化、集成化和网络化的高水平成套装备。 1 2 3 未来发展趋势 混凝土砌块成型机及砌块成型生产线未来的技术发展趋势主要有： ( 1 ) 砌块成型机采用液压和电气联合驱动和控制，自动化程度越来越高。 生产设备在引进、消化、吸收日本、美国等发达国家先进砌块生产线的同时，利 用自身技术力量，研制开发了具有自主知识产权的自动化生产线，国内一些机械厂研 究开发，并已投放市场的空心砌块自动化生产线，总体水平己基本接近国外引进生产 线。国产固定式成型机的应用，改变了过去单一移动成型机的局面，固定式成型工艺与 4 ， 硕士学位论文混凝土砌块成型自动化生产线控制系统开发 移动式成型工艺并举，为砌块生产企业的产量、规模上档次创造了条件。 砌块成型机是近年发展较快的一种新型建材设备，随着用户对产品质量和生产效 率要求的提高，砌块成型机控制系统也在不断更新。将p l c 、触摸屏控制技术引入砌 块成型设备中，并采用机、电、液三结合的控制方法，控制系统结构紧凑，安装操作 方便，自动化、智能化程度高。触摸屏作为显示终端，可以随时将设备的当前状态及 故障信息用汉字直观显示，便于操作人员掌握设备状态，快速处理故障。同时，省去 了大量的操作按钮、指示灯等易损器件，使连线简化，系统的可靠性大为提高f 1 3 】【1 4 】。 ( 2 ) 从单机简易生产设备发展为全自动化生产线，从单一功能机向多功能机发 展。 传统国内生产砌块的设备一砌块生产线大多只具有单一功能，且自动化程度相当 低，工人劳动强度大，生产效率低下【l5 1 。现在大多数砌块成型设备几乎都是一机多用， 只需要更换模具，就可生产满足要求的各种型号的混凝土砌块【l 6 1 。 混凝土砌块全自动生产线一般由：混凝土自动配料、搅拌、输送设备：程控 砌块成型机；托板；自动码垛、输送设备：托板自动回收、输送设备；蒸气 养护、输送设备；成品砌块自动码垛、包装、输送设备等组成。仅有、 部分设备组成的生产线称为砌块半自动生产线。目前，进口设备绝大多数为全自动生 产线或自动生产线，国产设备绝大多数为半自动生产线、极少数为自动生产线。 ( 3 ) 采用全数字化控制，进一步提高设备的自动化程度。 砌块成型生产线的工艺过程涉及的设备环节较多，不论是设备的安装与调试，还 是设备的运行过程都对设备的自动化程度有较高的要求。而采用先进的数字控制技术 是解决这一问题的有效途径。 ( 4 ) 设备运行与管理实现智能化。 为了保证砌块成型生产线的可靠运行，降低对操作工人的技术要求，减小操作工 人的劳动强度，必须进一步提高砌块成型设备的智能化程度。采用专家系统、人工神 经网络、模糊控制技术等人工智能技术，根据加工对象的属性和要求自动选用成型加 工工艺与参数，确保成型加工质量最优，进一步提高生产线的优化能力和适应性【l 。 ( 5 ) 实现基于远程维护技术的售后服务。 对砌块成型装备及生产线这样一类较复杂的机电系统，为用户提供及时的、优质 的售后服务是提高企业竞争力的关键之一。传统的售后服务是服务人员的现场服务， 不仅费时费工，而且影响对用户的及时服务。引入网络化技术可以通过因特网实现对 砌块成型装备及生产线的远程监控、诊断和维护，从而可以克服时空障碍更好地为客 户服务，保证设备安全可靠地运行，同时也可以为设备生产厂家创造更大的发展空间 b 8 。 1 绪论 硕士学位论文 1 3 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“q t l 0 - 1 5 型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o t l 0 1 5 混凝土砌块成型自动化生产线为研 究对象，开发了一套基于p l c + 上位机的集散式智能控制系统。 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 ) 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。 ( 3 ) 研究子母窑车大惯性系统精确定位的控制策略，实现子母窑车精确定位。 ( 4 ) 设计主机液压系统压力控制策略，满足主机压力快速响应、高稳定性的控制 要求；研究码垛层数柔性算法，在不改变控制程序及电气布线情况下实现码垛层数柔 性化控制。 ( 5 ) 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软硬件设计、开发及调试。 本课题的最终目标是研制成具有过程控制，工艺参数设定，生产信息管理，智能 故障报警等功能的q t l 0 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 必须具有可靠性高，低故障率，故障修复快等特点。为砌块制造厂商提供价廉物美的 “混凝土砌块成型智能化生产线 ，促进我国建材机械装备的发展，出口国外市场，参 与国际竞争，加速我国经济的国际一体化进程。 1 4 论文的组织结构 本文以q t l 0 1 5 混凝土砌块成型自动化生产线为研究对象，在充分分析控制系 统的控制需求基础上，丌发了基于p l c + 上位机的集散控制系统。全文分为六章，各 章内容安排如下： 第一章：简要说明课题研究的背景及意义，分析了国内外砌块成型装备技术现状 及发展趋势，详细分析了国内砌块生产设备的技术不足。 第二章：对控制系统总体设计方案进行论证。介绍了自动化生产线的组成及工艺 流程，详细分析了控制系统的功能、信息、性能需求，选择了控制系统结构模型，给 出了系统总体设计方案，并简要介绍了系统开发环境。 第三章：详细研究了台达系列产品通信机制及各部分通信实现，对主机液压系统 压力控制、子母窑车精确定位、码垛机控制、升降板机控制等关键技术进行了仔细 6 硕士学位论文混凝七砌块成型自动化生产线控制系统开发 分析，提出了具体的解决方案。 第四章：详细介绍了控制系统的硬件设计，包括设计准则，硬件选型及可靠性设 计。 第五章：介绍了系统软件设计过程。详细分析了p l c 控制程序的设计流程及监 控程序的功能需求，并对监控程序开发做出了详细说明。 第六章：对制系统现场调试运行情况作了相关说明。 第七章：总结本控制系统开发成果与不足，对今后工作进行了展望。 7 2 总体方案设计论证 硕士学位论文 2 总体方案设计论证 2 1 混凝土砌块成型自动化生产线的组成 整条自动化生产线由由砌块成型主机系统( 含配料系统) 、子母窑车系统和码垛 系统三部分组成。 砌块成型主机系统由q t l 0 1 5 型砌块成型机、送板机、链式输送机i 、升板机 及自动配料系统组成。送板机将木托板送入主机准备生产，由主机生产出来的混凝土 砌块经链式输送机i 输送至升板机，升板机升板1 2 层后等待子母窑车搬运。它是整 条生产线的核心部分，该部分控制系统的优劣直接影响到产品的质量。自动配料系统 由配料机和搅拌机组成，各种原材料如砂子，水泥，水经过配料机精确配比，输送至 搅拌机搅拌。由于公司方面原因，目前自动配料系统还是单独控制，与主机控制系统 相独立。 码垛系统由降板机、链式输送机i i 、返板机i 、翻板机、返板机i i ，码垛机和送 垛机组成。子母窑车从养护窑取出已养护好的1 2 层砌块放入降板机上，降板机逐层 把砌块及托板放到链式输送机i i ，码垛机把砌块搬运到送垛机上，木托板经返板机i 、 翻板机、返板机i i 返回到送板机中，完成一个工作循环。它主要功能分离托板与砌块， 为送板机提供托板，保证托板的循环利用，为把砌块成品输送到砌块堆场作准备工作。 提高混凝土砌块生产的效率及自动化程度，减少操作人员人数，降低生产劳动力成本。 窑车系统由子母窑车和养护窑组成。子母窑车是砌块搬运工具，提高砌块生产的 效率及自动化程度。母车作横向运动，在升板机、降板机及养护窑之间运动，子车作 纵向运动，在升降板机和养护窑里取放砌块。养护窑提供蒸汽养护砌块，缩短混凝 土砌块养护时间，提高砌块的质量。 2 2 混凝土砌块成型工艺流程 沙、石、水泥等原材料经配料机，搅拌机进行精确配料和充分搅拌均匀后，经皮 带机输出到砌块成型机主机的料斗内。经过砌块成型主机的振动加料、破拱布料、振 动加压、模箱脱模等过程后生成半成品砌块。当砌块主机生产2 板混凝土砌块时，链 式输送机i 把2 板半成品砌块( 含托板) 输送到升板机，升板机提升一个单位高度。 当升板机累计提升1 2 层时，子母窑车把1 2 层半成品砌块运送到养护窑内，完成该动 作后从养护窑另一窑位取出养护好的1 2 层砌块成品( 含托板) 放入降板机内，子母 窑车再行走到升板机前方停止，等待下一循环开始。降板机逐层下降，将砌块成品及 托板逐层放在链式输送机i i 上，链式输送机i i 将砌块成品输送到码垛机工作平台上。 8 硕上学位论文混凝土砌块成型自动化生产线控制系统开发 码垛机将砌块成品搬运到送垛机上，同时托板沿着返板机i 继续输送到翻板机。托板 被翻板机翻转18 0 。后继续沿着返板机i 输送到返板机i i 里，返板机i i 将托板输送到 送板仓。当砌块成型主机需要托板时，送板机将送板仓的托板输送到砌块成型主机， 一个工作循环完成。码垛机将砌块成品搬运到送垛机，当码好一定层数时，送垛机开 始工作，将砌块成品送到叉车搬运地点，等待叉车将砌块成品运送到砌块堆场以便出 售。其生产工艺流程如图2 2 1 所示 图2 2 1 混凝十砌块自动化生产线工艺流程图 2 3 控制系统需求分析 基于混凝土砌块自动化生产线生产工艺的复杂性及恶劣的工作环境及设备的特 殊要求，自动化生产线控制系统必须具有较高的可靠性及故障自诊断能力。综合分析 混凝土砌块自动化生产工艺流程，控制系统总体应具有以下需求。 2 3 1 功能需求 基于对目前生产过程中存在问题的分析以及控制系统的总体要求，生产监控系统 总体上应具有以下功能，分布在现场控制级和上层监控级上，各级具体功能如下： ( 1 ) 现场控制级 9 2 总体方案设计论证 硕士学位论文 生产过程控制：控制各设备按照工艺流程生产运行，完成砌块混凝土自动化 生产线的全自动运行，控制系统控制生产线正确有序的运行。 生产过程数据采集与处理：采集自动化生产线重要工艺参数上报给上位机， 便于及时调整重要工业参数使确保砌块质量最优。 设备状态数据采集与处理：实时采集各设备运行状态，若设备出现故障必须 能自动停机报警。 报警与紧急事件处理：当遇到操作或参数设置错误，必须做出相应报警处理 以便操作员及时发现错误，减少设备故障发生率 与上位机实时通信：实时把采集的数据信息上传给上位机，显示在上位机， 方便生产线的自动监控。 ( 2 ) 监控级 设备状态监控：现场监控用于操作员对生产线的监控；企业监控用于砌块生 产厂家对生产线的监控，方便砌块生产企业对生产现场的管理。 关键工艺参数监控：由于自动化生产线可以生产多种型号的混凝土砌块，各 种型号的砌块工艺参数各不相同，工艺参数( 液压系统流量、振动时间、 码垛层数) 必须能根据实际情况作相应的修改或设定。 历史数据收集、归档和分析：对所有的生产产量及工艺参数存档分析，为今后 相关工艺参数设定定下参照标准。 数据分析及参数优化：优化工艺参数，提高混凝土砌块的生产效率及质量 信息集成服务：提供与远程故障诊断模块的通讯接口，实现远程故障诊断维护 模块与控制系统的信息集成。 2 3 2 信息需求 基于生产监控系统的功能需求，确立其信息需求如下： ( 1 ) 控制系统及上层系统下达给生产监控系统的信息 工艺指标：工艺参数设置信息 质量指标：标准质量参数信息 生产质量分析数据：产品质量信息报表分析 ( 2 ) 生产监控系统的上报信息 主要设备运行状况信息 关键工艺点信息( 温度、压力、流量、速度等) 质量信息 ( 3 ) 生产监控系统内部采集与处理的信息 1 0 硕士学位论文混凝七砌块成型自动化生产线控制系统开发 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 3 2 性能需求 生产监控系统的性能需求表现为： ， 实现与远程故障维护系统的信息集成，实时监控自动化生产线的状态信息； 硬软件体系结构应具有较好的开放性； 良好的安全可靠性，系统要适应恶劣的工业环境； 系统的人机界面友好，使用维护方便； 满足生产需要的实时多任务处理性能； 经济实用。 2 4 控制系统总体结构 常用的工业控制系统结构模型有集散控制系统( d c s ) 、现场总线控制系统( f c s ) ， 以太网控制系统结构等。各控制系统模型各自有自己的优缺点 1 9 卜【2 1 1 ，运用于不同的 控制领域。结合本控制系统的特点，本控制系统选用集散控制系统系统模型，具体原 因见控制系统机构说明。 2 4 1 集散控制系统模型 分散控制系统也成为分布式计算机控制系统，产生于2 0 世纪7 0 年代中期，随着 计算机技术、信号处理技术、测控技术、网络通信技术及人机接口技术相互渗透发展 而产生。d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是由过程控制级、控制管理级和生产管 理级所组成的一个以通信网络为纽带的多级计算机网络控制系统2 2 】【2 3 】，具有显示、 操作、管理集中，控制相对分散，灵活配置，组念方便的优点，典型d c s 体系结构 如图2 3 1 1 所示。 2 总体方案设计论证硕士学位论文 图2 4 1 1 典型d c s 体系机构 以其它控制系统相比，集散控制系统具有如下特点： ( 1 ) 分散性和自治性：如图2 4 1 1 所示，d c s 各工作站是通过网络接口连接起 来的，各个工作站相互独立自主地完成系统分配给自己规定的任务，控制功能分散， 危险分散，提高了系统可靠性瞄】。 ( 2 ) 协调性：d c s 各工作站通过通信网络相互传送各种信息，相互协调工作， 以实现系统的总体功能。 ( 3 ) 灵活性和开放性：d c s 硬件结构采用积木式结构，可灵活配置成小、中、 大各类系统。另外还可根据系统需要，扩展系统，改变其配置。 ( 4 ) 友好性：d c s 的人机接口和软件面向技术人员和操作人员，方便操作、显示 直观、方便直观监控设备的运行状态。 ( 5 ) 可靠性：d c s 采用了容错设计、冗余设计技术及一系列抗干扰措施，系统具 有故障诊断能力，使系统可靠性得到全面提高，高可靠性是d c s 的生命力所在【2 5 1 。 d c s 具有一系列优点，是目前工业自动化系统应用及选型的主流。由于d c s 自身 结构特点，难免存在一些局限性，如控制算法简单，模拟信号传输精度低等。随着通 信及计算机技术的发展，d c s 也在不断改进中，使之适合更多的工业现场应用，其 主要发展方向 2 6 】： ( 1 ) d c s 向开放化发展，在管理层及信息层采用t c p i p 、工业以太网等标准。 ( 2 ) 软件不断丰富，普遍支持o p c 、c o m 、d c o m 及d n a 等技术。 ( 3 ) 功能覆盖面越来越广，如采用通用工作站，大屏显示技术 基于对混凝土砌块自动化生产线的工艺流程及特殊工作环境深入分析，自动化生 产线工艺流程复杂，输入输出点数较多，生产环境恶劣，粉尘较大，部分设备处于高 温高湿工作环境之中( 子母窑车) ，必须以系统的可靠性及稳定性为第一原则进行控 1 2 硕士学位论文混凝土砌块成型自动化生产线控制系统开发 制系统总体方案设计。根据合作单位的要求，控制系统在满足系统功能基础上，尽量 降低生产成本，方便维护。本课题采用成熟的p l c + 上位机集散控制技术，p l c 进行 现场信号采集及控制，上位机完成控制系统的监控。 2 4 2 控制系统结构设计 控制系统主要由上位p c 机、工业触摸屏、p l c 控制器、变频器、接近开关、光 电开关、电磁换向阀及异步电机等组成。本控制系统采用二级监控结构，由现场控制 级，企业监控级组成。现场控制级采用p l c 控制器和信号传感器的传统模式，传感 器采集的信号传给控制器，控制器根据实时信号控制生产线的执行机构，并把相关信 息传给人机界面，操作员工通过人机界面来监测和控制现场生产线。企业监控级主要 有上位p c 机组成，人机界面把生产线现场的信息通过r s 4 8 5 通讯上传给上位机，通 过一定的操作权限设置，系统参数的设置及修改必须在上位p c 机上或人机界面进行， 操作员工只能进行生产线的普通操作。 图2 4 2 1 控制系统结构示意图 控制结构拟采用双控制器式的集散控制系统模型，结构图如图2 3 2 1 所示。其 中1 # p l c 为主控制器控制主机系统及码垛系统，上位p c 机为主监控中心，2 # p l c 控制子母窑车系统。由于两个p l c 控制器之间距离较远，它们采用传输距离远、抗 干扰能力强的r s 4 8 5 通讯1 27 l 。主要原因如下： ( 1 ) 子母窑车特殊的高温、潮湿工作环境使其故障率比较高，若只用一个控制站 控制整条生产线，一旦子母窑车系统出现故障，整条生产线就瘫痪了，大大降低了生 产效率。用两个控制站，当子母窑车系统出现故障时，可以一边用叉车或人工暂时代 替子母窑车进行半自动生产，一边进行子母窑车的维修，提高生产线生产效率。 ( 2 ) 考虑到子母窑车移动的特殊工况，子母窑车的所有电线均通过一个布线器随 子母窑车的移动自动收放。若使用单控制站的方式，所涉及到的动力线、信号线都必 2 总体方案设计论证 硕士学位论文 须走到一起并随着子母窑车的移动自动收放，变频器的动力输出线会对接近开关，光 电开光传感器及通讯产生严重干扰，影响生产线的正常工作。采用双控制站的方式， 把变频器的动力输出线单独隔离出来，使动力输出线尽可能短的直接接到电动机上， 可以减小其产生的电磁干扰，有利于提高控制系统可靠性。 2 4 3 控制系统功能设计 基于对自动化生产线控制功能需求分析及合作厂家的总体要求，自动化生产线控 制系统应具有两大模块现场控制和企业监控模块，各模块的具体功能如下： ( 1 ) 现场控制 自动化生产线生产流程控制； 生产过程工艺参数采集及生产产量统计； 设备状态数据采集及处理； 操作错误报警及紧急事件处理； 与上位机实时通讯，返回生产线设备状态。 ( 2 ) 企业监控 设备状态监控及限位显示； 工艺参数设置及监控显示； 历史数据收集、归档； 工艺参数数据分析及优化。 2 5 控制系统总体方案设计 在整个生产线控制系统中，我们拟采用集散控制系统d c s 结构，控制系统总体方 案图如图2 5 1 所示： 1 # p l c 主要功能：第一、根据行程开关和光电开关的输入信号，分析木板以及 砖块的位置情况，控制送板机、砌块成型机、送块、升板机、降板机、码垛机、送垛 机和返板机及翻板机的电机及油缸的动作，也就是对生产线主体部分的控制；第二、 通过与2 # p l c 实时通信，告矢n 2 # p l c 升降板机的工作状态；第三、完成对生产线主 体部分各个生产环节的生产工艺参数和设备状态上传给上位p c 机，以实现上位机对 生产线的实时监控，对各类故障报警做出及时分析和合理的处理。 2 # p l c 主要功能：第一、与i # p l c 实时通讯，读取升降板机的工作状态，控制子 母窑车及时运动至升降板机指定窑位并加以机械控制校正停靠位置、自动进出窑， 完成送放板的工作；第二、随时向i # p l c 报告自己的工作状态；以便i # p l c 的控制动 作；第三、上传子母窑车的状态及生产工艺参数给触摸屏，以便现场工作人员对子母 窑车的操作。 上位机我们选用工业触摸屏和p c 机各1 台。p c 机作为总监控设备，监控整条生产 1 4 硕士学位论文撮土砌块成型自动化生产线控制系统开发 线的运行状况，包括整条生产线的手动操作，自动运行监视，参数设定及关键工艺参 数的实时显示，故障报警诊断、历史数据分析整理等。工业触摸屏监控子母窑车系统 实时显示窑车工作状态，故障显示手动调整按钮，参数设定，工艺参数实时显示等， 以便现场操作员工实时对子母窑车系统的监控。 2 6 系统开发环境 执行机构 251 控制系统总体方案蚓 系统开发必须有相应的开发环境在本控制系统丌发中软件开发主要包括p l c 控制程序、触摸屏监控程序、上位p c 监控程序三部分，分别用到的工具软件是 w p l s o f l 、s c r e e n e d i t o r 及v i s u a l b a s i c 6 0 ，下面对以上软件作相关介绍。 2 6 1p l c 控制程序开发软件 p l c 作为控制系统的核心，其程序优劣直接影响生产线的生产工艺能否顺利完 成。在本控制系统中，p l c 程序采用常见的梯形图语言编程，它通俗易懂，使用方便、 修改灵活、调试监控简单。p l c 控制程序开发采用台达p l c 专用编程软件w p l s o f i 。 它功能强大，操作方便支持三种编程方式：指令编程、梯形图编程及顺序功能圈编 程。在本控制系统采用梯形图编程编程方式，其符号及规则充分体现了电气技术人员 的读图及思维习惯，简洁直观“。其主要特点如下： ( 1 ) 软件通用性较强，适合台达所有系列p l c 的程序编写实现了设置操作共用 化，方便控制程序协同设计。 1 5 2 总体方案设计论证硕士学位论文 ( 2 ) 快捷菜单功能丰富，几乎所有的操作在菜单上都有快捷操作方式，许多常用 的模块化设计都有快捷功能菜单，如通讯格式设置、上网拨号、p l cl i n k 。每条指令 都支持热键操作，极大提高了编程效率。 ( 3 ) 可进行在线离线模拟调试，对p l c 内部数据可以方便的读写或实现辅助继 电器的复位置位操作，极大的方便了程序的调试。 ( 4 ) 可以在线联机调试，实现对p l c 内部数据实时监测，及时发现及更正程序中 的错误，极大缩短了调试时间。 w p l s o j 乇友好操作界面，功能强大菜单快捷方式为程序编程人员提供了一个高效 率的程序开发工具。 2 6 2 触摸屏监控程序开发软件 台达人机界面监控程序的采用组态软件s c r e e n e d i t o r 。该软件主界面快捷菜单丰 富，及大提高了程序编写效率，深受广大用户欢迎，主要由