（机械电子工程专业论文）基于plc的混凝土搅拌站控制系统设计.pdf

摘要 摘要 当前国内外成熟的混凝土搅拌站自动控制系统一般是由工控机、操作台及配 电柜几部分组成，虽然该系统能满足搅拌站控制系统的工艺要求，但具有体积大、 成本高、可靠性低、通信不稳定的缺点。基于这些缺点及p l c 控制技术飞速发展 的背景，本文提出了“p l c + 触摸屏+ 显示仪表”这样一种既经济又可靠的混凝土搅 拌站自动控制系统方案，并详细分析了这种控制系统的需求，根据需求，对系统的 软、硬件结构进行系统而全面的分析与设计。 首先，论文给出了选题的背景及意义，讨论了混凝土搅拌站控制系统目前的 发展状况，需要解决的问题，并给出了本论文需要完成的主要工作。接着分析了 搅拌站的控制流程、工艺要求和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。 其次，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，并对设计的优越 性作了简要阐述。 最后，论文对程序流程和友好的人机交互界面设计进行全面的论述，对混凝 土物料配比、搅拌参数、生产批次等进行有效的控制，在屏幕上可以看到配方值、 实际配料净值和秤的毛重。通过模拟调试表明控制系统的设计是正确有效的，实 时监控混凝土搅拌站的工作过程，将生成的生产数据能正确地显示在界面上。 关键词：混凝土搅拌站；p l c ；控制设计 广东- t 业大学工学硕士学位论文 i i a b s t r a c t a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo ft h ec o n c r e t em i x i n gs t a t i o ni n d o m e s t i ca n df o r e i g ni sg e n e r a l l yf o r m e db yi n d u s t r yc o n t r o l l e r , o p e r a t i o nt a b l ea n d s w i t c h b o a r d a l t h o u g ht h es y s t e mc a nm e e tt h et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n to ft h e m i x i n gs t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，i th a ss u c ht h es h o r t c o m i n g sa sl a r g es i z e ，h i g hc o s t s ， l o wr e l i a b i l i t ya n di n s t a b i l i t yi nc o m m u n i c a t i o n s a sf a ra ss h o r t c o m i n g sa n dt h e b a c k g r o u n do nt h er a p i dd e v e l o p m e n to fp l cc o n t r o lt e c h n o l o g ya r ec o n c e r n e d ，a n e c o n o m i c a la n dr e l i a b l ea u t o c o n t r o ls y s t e ms c h e m ei nc o n c r e t em i x i n gs t a t i o n 、析t h p l c p l u st o u c hs c r e e na n dd i s p l a yi n s t r u m e n ti sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r eo fs y s t e m sa r ef u l l ya n a l y s e d a n dd e s i g n e d a tf i r s t ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t o p i cs e l e c t e da l ep r e s e n t e di nt h i s p a p e ra n dt h ep r e s e n td e v e l o p m e n to fac o n c r e t em i x i n gs t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi s d i s c u s s e d t h ep r o b l e mn e e d e dt ob e s o l v e da n dt h em a i nw o r kn e e d e dt ob e c o m p l e t e da l ep r o p o s e di n t h ep a p e r t h e nt h ec o n t r o lp r o c e s sa n dt e c h n o l o g y r e q u i r e m e n t so f t h em i x i n gs t a t i o n ，t h ev a r i o u sc o n t r o ls c h e m ei nc o n c r e t em i x i n g s t a t i o na n dt h eo v e r a l ld e s i g no ft h em i x i n gs t a t i o np r o g r a m m ea l ep r e s e n t e db y a n a l y s i s 。 t h es e c o n d ，t h i sp a p e rm a k e sa na n a l y s i so nt h ef e a t u r e so ft h ec o n t r o ls y s t e m ， c o m b i n i n gw i t hc o n t r o lr e q u i r e m e n t so fm i x i n gs t a t i o n ，t h eh a r d w a r es c h e m a t i c so f t h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，am o r ed e t a i l e di n t r o d u c t i o no nt h ei n t e r f a c e c i r c u i ti sg i v e na n dt h ed e s i g np r i n c i p l ea n d e x p a n s i o na b i l i t ya l ei n t r o d u c e db r i e f l y a tl a s t ，ac o m p r e h e n s i v ep r e s e n t a t i o no n af r i e n d l yi n t e r a c t i v ei n t e r f a c ed e s i g n i sg i v e ni nt h i sp a p e r , a ne f f e c t i v ec o n t r o lo nt h er a t i oo fc o n c r e t em a t e r i a l s ，m i x i n g p a r a m e t e r s ，b a t c hp r o d u c t i o na n ds oo nh a v eb e e nt a k e n d u r i n gt a k i n gi n g r e d i e n t s ， t h es i m u l a t i o ng r a p h i c ss h o w st h a tb l e n d i n gd a t ao fd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，t h ea c t u a l i n g r e d i e n t sa n dt h en e tv a l u eo ft h es c a l e sc a nb es e e n o nt h es a m es c r e e n s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ec o n t r o li sc o r r e c ta n de f f e c t i v e ，t h er e a l - t i m e m o v i n gp i c t u r e ss i m u l a t i o nc a nr e f l e c tt h ew o r k i n gp r o c e s so fc o n c r e t em i x i n g i i i 广东工业大学t 学硕士学位论文 s t a t i o na c c u r a t e l y , t h ep r o d u c t i o nd a t ag e n e r a t e dc a nb ed i s p l a y e dc o r r e c t l yo nt h e i n t e r f a c e k e yw o r d s ：t h ec o n c r e t em i x i n gs t a t i o n ；p l c ；c o n t r o ld e s i g n i v 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 周秀善 z 卯窘年多月么日 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 混凝土搅拌站最初是以单机的形式出现，各工地自拌自用，随着基础设施建 设大规模的开展，商品混凝土的销售逐渐增大。随着计算机技术和测控技术的发 展，高可靠、高自动化的自动控制系统便成了混凝土搅拌站的发展方向。 在混凝土搅拌站自动控制系统中，系统的稳定性、数据采集处理的精确性直 接影响到混凝土的质量。而在市场竞争日趋激烈的今天，搅拌站自动控制系统的 性价比也与企业的生存紧密的联系在一起。因此，研究一种低成本、高可靠性的 新型搅拌站自动控制系统，具有极为广阔的市场前景。 混凝土搅拌站包括贮料、配料、物料称量、搅拌及卸料等过程，是一个受多 环节制约的复杂系统，物料的配比和称重精度等因素都直接影响混凝土的质量。 由于p l c 运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活及 抗干扰能力强等特点，如今成为工业控制领域的主要控制设备，始终处于工业自 动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了安全可靠和比较完 善的控制应用；但由于其本身不具备人机交互功能，在工艺参数较多，需要人机 交互时，使用具有触摸操作功能的触摸屏是一种很好的选择，通过触摸屏和p l c 结合使用，可以在触摸屏中直接设定目标值与实际值进行比较，并可实时监控到 系统实际值的大小，实现报警等功能；配料控制器性能可靠、性价比高，可方便 地利用通信接口扩展成计算机控制系统。综上所述，本系统采用“p l c + 触摸屏+ 显示仪表 这样一种控制方式的搅拌站系统有着重要的意义，适应当今技术发展 的潮流。 在“十一五”期间，我国要建设一大批大型煤矿、油田、电站、机场、港口、 高速铁路及高等级公路等重点工程，同时也要进行大量的城市道路、城镇住宅的 开发与建设，这都需要大量的混凝土。所以现在正是大力发展混凝土机械的大好 时机，作为“一站三车 中的一站，混凝土搅拌站占有举足轻重的地位“由文献 i - 6 可知 ，研究混凝土搅拌站控制技术具有广阔的前景。 广东工业大学t 学硕士学位论文 1 2 国内外现状及发展 从1 9 0 3 年德国建造世界上第一座预拌混凝土搅拌站后，商品混凝土作为独 立的产业已有多年的历史。随后，美国于1 9 1 3 年，法国于1 9 3 3 年建立了自己的搅 拌站。二次大战后，尤其是6 0 年代到7 0 年代，由于各国抓紧发展经济，医治战争 创伤，混凝土搅拌站得到了快速发展。目前，德国、美国、意大利及日本等国家的 搅拌站在技术水平和可靠性方面处于领先地位。国外生产的搅拌站生产率一般在 l o o m 3 h 一3 0 0 m 3 h ，搅拌混凝土的设备多种多样，大型工程中普遍采用搅拌楼或搅 拌站。 我国混凝土搅拌站的研制是从5 0 年代开始的，在其发展过程中，控制系统也 经历了继电器直接控制，继电器直接控制线路简单、触点多、故障率高，现已逐 渐被淘汰。随着微电子技术和计算机通信技术的飞速发展，目前混凝土搅拌站的 控制系统主要有两种方式盯1 ：一种是“工业控制计算机+ 显示仪表”方式，另一种 是“工业控制计算机+ p l c + 仪表 方式。 “工业控制计算机+ 显示仪表方式如图1 - 1 所示。该控制系统是基于 w i n d o w s 9 8 n t 2 0 0 0 x p 为控制平台，主要针对混凝土搅拌站的控制，分有：一 机一控、一机双控及双机单控，工业控制机内置输入输出卡和数据采集卡，每一 路称料斗对应一个显示仪表，显示仪表完成称料的显示，显示仪表为混凝土行业 专业配料仪表，由数据采集卡来采集显示仪表的显示秤值，由输入卡来采集外围 斗门开关状态和电机启停状态信号，工业控制计算机根据这两种信号来决定输出 卡的输出信号状态，以此控制外围各个斗门开关和电机启停，达到自动控制生产 的目的。 2 第一章绪论 图1 - 1 “工业控制计算机+ 显示仪表 方式 f i g l 一1o v e r a l ls o l u t i o no f t h ec o n c r e t em i x i n gs t a t i o n “工控机+ p l c + 仪表”方式如图1 - 2 所示。该控制系统由电子称量、可编程 控制器、外围执行器件、检测器件以及电视监视等组成，软件包括监控软件、数 据管理软件。可编程序控制器是一级控制单元，实现对生产过程的控制；工业控 制计算机作为二级控制单元，其作用是输入或修改各种基础数据和运行参数，显 示生产流程，存储统计各种数据、制表打印，实现对生产流程的监控和工厂的管 理。 图1 - 2 “工控机+ p l c + 仪表”方式 f i g l 一2o v e r a l ls o l u t i o no f t h ec o n c r e t em i x i n gs t a t i o n 随着p l c 技术的飞速发展，硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量 广东工业大学工学硕士学位论文 控制等方面均取得了长足的进步，从而为工业自动化控制注入了前所未有的生机 和活力，基于p l c 的混凝土搅拌站控制系统的设计与应用，己经成为现代生产过 程自动化的一个主要发展趋势。 1 3 本论文的主要工作 本文各章节内容安排如下： 第一章绪论。介绍选题的目的和意义，简要说明混凝土搅拌站的现状和发 展，列出本文的主要工作。 第二章混凝土搅拌站的控制系统总体方案设计。介绍了混凝土搅拌站的主 要结构组成和工艺过程。全面论述分析几种不同的控制方式，设计控制系统的总 体框架。 第三章混凝土搅拌站控制系统硬件设计。详细阐述以三种骨料、三种水泥、 两种添加剂和水作为标准配制，根据自动控制系统不同控制方法的比较，确定采 用“p l c + 触摸屏+ 显示仪表控制方案，并对该方案的具体硬件进行详细的分析和 设计。 第四章混凝土搅拌站控制系统软件设计。首先根据混凝土搅拌站的工艺要 求和硬件配置，将自动化任务分解为能够反映过程工艺、功能或可以反复使用的 任务块，设计程序流程图，通过调用块来完成整个自动化任务。其次设计人机界 面，主要包括欢迎画面、工作主画面、参数设置画面、落差设置画面、配方管理 画面、配方输入画面、运行监控显示参数画面、设定系统时钟画面、调整配方画 面、帮助画面、报警信息画面等。最后通过现场模拟控制，实现称量、卸料和搅 拌等混凝土生产全过程的全部自动控制，观察显示屏上混凝土搅拌站各料仓和秤 斗门的开闭状态、各秤的重量和卸料过程，实现对用户信息和生产配比的管理。 第五章系统抗干扰措施。详细介绍了p l c 的输入、输出和电源保护处理以及 系统的接地措施。 4 第二章混凝土搅拌站控制系统总体方案设计 第二章混凝土搅拌站控制系统总体方案设计 近年来，随着我国经济发展及科学技术的进步，混凝土的生产从传统的施工 体系中分离出来，是建筑工程生产管理的一项重大改革，也是现代混凝土技术成 熟的标志。混凝土搅拌站的关键技术主要是搅拌系统和控制系统，搅拌系统国内 产品己趋于成熟，控制系统有待于我们不断的深入和研究，对搅拌站来说，稳定 性是最重要的，不能片面追求多功能及控制柔性而放弃稳定性，设计一种高可靠 性、抗干扰能力强的控制系统显得尤为重要。 2 1 混凝土搅拌站 2 1 1 混凝土搅拌站的组成 搅拌站外观如图2 - 1 所示，一个全套的搅拌装置是由许多台主机和一些辅助 设备组成，它最基本的组成部分有以下五个陋3 ：运输设备、料斗设备、称量设备、 搅拌设备和辅助设备。 广东工业大学工学硕士学位论文 运输设备包括骨料运输设备、水泥输送设备以及水泵等。骨料运输设备有皮 带机、拉铲、抓斗和装载机等，其中皮带机是搅拌装置中最常用的骨料运输设备， 而且是一阶式搅拌站唯一可以采用的运输设备。水泥输送设备基本上有两种类 型：机械输送系统和气力输送系统。机械输送系统由斗式提升机和螺旋输送机组 成。气力输送系统是使水泥悬浮在空气中，将这种混合气体沿管道输送，它由喂 料机、输送管道和收尘器组成。 2 料斗设备 料斗设备由贮料斗、卸料设备闸门及给料机等和一些其它附属装置组成。料 斗设备在生产中起着中间仓库的作用，用来平衡生产。在混凝土搅拌装置中， 用料斗设备配合自动秤进行配料。所以，它是工艺设备的组成部分，并不是大 众物料的贮存场所。根据制作贮料斗所用的材料不同，贮料斗分为钢贮斗、钢 筋混凝土贮斗、木贮斗等；从外形上分，常用的有方形和圆形。圆形贮斗又叫 筒仓。给料机和闸门都是贮料斗的卸料设备。闸门控制贮料斗卸料口的开启和 关闭的，大多是气动的，其构造简单，卸料能力大，但是只有当物料是完全松散 状态时，才能比较均匀地控制料流。而采用给料机卸料时，就比较容易控制均 匀地卸料，给料机都是电动的。闸门的类型很多，但在混凝土搅拌装置中最常 用的是扇形闸门，它由压缩空气缸来操纵，骨料石子和砂都是采用闸门给料。 给料机常用的是螺旋给料机，粉料水泥等采用螺旋给料机给料。 3 称量设备 称量配料设备是混凝土生产过程中的一项重要工艺设备，它控制着各种混 合料的配比。称量配料的精度对混凝土的强度有着很大的影响。因此，精确而 高效的称量设备不仅能提高生产率，而且是生产优质高强度混凝土的可靠保证。 一套完整的称量设备包括贮料斗、给料设备闸门或给料机和称量设备等。对称 量设备的要求，首先是准确，其次是快速。为了适应各种不同的物料，秤斗在构 造上略有不同。水泥秤斗是圆形的，骨料秤斗是长方形的，而水等液体的秤斗 是圆形的，斗门设有橡皮垫，以保证密封。传感器的装设，电子秤的秤斗采用 三点悬挂，在每套悬挂装置的中部各装有一个传感器。 4 搅拌设备 如双卧轴搅拌机外观图2 - 2 所示，一般的混凝土搅拌机，没有提升装置和 6 第二章混凝土搅拌站控制系统总体方案设计 供水装置。其设计技术很成熟，在搅拌站设计中，一般采用标准搅拌机。例如， 目前国内厂家基本都使用双卧轴强制式搅拌机，此搅拌机搅拌能力强，搅拌均 匀、迅速，生产率高，对于干硬性、塑性及各种配比的混凝土，均能达到良好 的搅拌效果。 謦 塑峨 7 it垂l噩鼍 第二章混凝土搅拌站控制系统总体方案设计 能，即进行系统分析，再决定需要什么样的硬件及软件支持及规模。 2 2 1 功能需求 控制系统应具有可靠性高、功能强大、扩展容易及连接方便；能够满足开 关量控制和数据通讯等功能；系统能够对模拟信号进行数据采集，并保证在传输 过程当中的可靠性；系统能够提供人机界面功能，对控制过程进行监控；系统 能够生成报表并打印等。 2 2 2 实时性需求 在混凝土搅拌站控制系统中，根据混凝土生产工艺流程，对实时性是有要求 的，特别是在称量各种物料时，要保证各种称重的动态精度，必须实时地对传感 器数据进行采集，并在适当的时候，系统能尽可能快的作出反映，关闭某个阀门 或电机，也就是说存在一个时限，系统必须在规定时限内动作，加上执行机构的 响应时间，系统必须反应灵敏。 2 3 系统总体方案设计 虽然现有的混凝土搅拌站控制系统基本能满足当今的需求，但是在可靠性 与性价比两方面存在着不足。根据对搅拌站现场的调研，现有的搅拌站控制系统 存在的不足之处： 1 工控机在长期使用过程中容易出现故障，如板卡接触不良，板卡与其插槽配 合出现松动，硬盘由于长期工作出现电气故障或盘面损伤，或与智能仪表通讯 出现故障等。 2 传感器数据采集系统位于中央控制柜中，其测量电路将传感器信号处理后未 立即转换为数字信号，而是直接以模拟量长距离传输到中央控制柜中的a o 模 块，这样在传输过程中会使模拟信号衰减，毕竟模拟量传输没有数值量传输可 靠。 3 成本较高，因为工业控制计算机价格昂贵，且并非为搅拌站控制量身定做。 基于以上原因和系统需求分析，本文提出了一种基于p l c 的搅拌站控制系 9 广东工业大学工学硕士学位论文 统，方案如2 - 4 图所示，采用“p l c + 触摸屏+ 显示仪表”方式，p l c 作为整个控 制系统的核心，通过接收输入接口的开关量、称重仪表输入的模拟量和触摸屏的 实时数据，经过自由通讯口协议和中断协议的初始化、数字量与模拟量的相互 转换、自动计算流体或液体物料加料时的落差、数据计算和字符转换、配方选 择、配料率的调整、称量的零位范围和量程范围的标定等处理后，发送字符和 数字等信息至打印机进行打印、交互信息至触摸屏进行显示监控、输出开关量 信号至继电器动作、判错报警信息至称重仪表进行判断，控制混凝土搅拌站的 全部工作过程。 上土 l上 i 显示仪表1 显示仪表2 显示仪表3 物料称信号 上，上 输 强 物料位 li p l c= 入 电 上 。 廿 输 控 le 旨士叶l l 触摸屏l 打印机 出 _ 制 廿 接 柜 电磁阀 生产资料输出 口 图2 - 4 “p l c + 触摸屏+ 显示仪表 方式 f i 9 2 - 4o v e r a l ls o l u t i o no f t h ec o n c r e t em i x i n gs t a t i o n 2 4 本章小结 本章介绍了混凝土搅拌站的组成、原理及工艺流程，根据需求分析，论述了 目前的两种方案存在许多不足之处，本文提出“p l c + 触摸屏+ 显示仪表方式作 为搅拌站控制系统的总体方案设计。 1 0 第三章混凝土搅拌站控制系统硬件结构设计 第三章混凝土搅拌站控制系统硬件结构设计 不管是在机器制造领域还是过程工程领域，想要经济并且柔性地实现工厂 自动化，对于任何一种应用都必须有一个最适宜的方案。如何选择才是优化的、 合适的和高效的，依据系统控制需要，综合考虑其先进性、成本、组态和安装 等因素。 3 1 搅拌站控制系统的硬件需求分析 混凝土搅拌站工作环境恶劣，而且是一个受多环节制约的复杂系统，有多 台大功率电机及不平衡重量冲击，电网电压波动很大，为达到足够的计量精度， 对数字量输入输出端采取光电隔离及继电器隔离技术，将计算机系统和电气系 统隔离开来，同时采用实时控制系统进行计量控制和时序控制。大量的现场数 据通过i o 接口直接输入，输出控制信号也直接输出至各通道上，完成这些周 期性运行的输入和输出任务，硬件应具有以下功能： 1 。周期性的采集输入通道，周期性的将输出控制信号输至通道上。 2 实时监控显示。 3 周期性的采集仪表数据。 4 生成数据报表并打印。 以三种骨料、三种水泥、两种添加剂和水作为标准配制，根据整个搅拌站 的工艺流程及实际需求，硬件由p l c 、触摸屏、智能仪表、打印机、传感器及 电器元件组成，硬件结构框图如图3 1 所示。 图3 - 1 硬件结构框图 f i g 3 1t h eh a r d w a r eb l o c kd i a g r a m 广东工业大学工学硕士学位论文 3 2 硬件原理和选择 3 2 1 可编程序控制器 可编程控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的进行数字运算操作 的电子装置“由文献 1 0 ，1 1 可知。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、定时、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。有以 下几个特点。 1 编程方法简单易学 梯形图是可编程序控制器使用最多的编程语言，其电路符号和表达方式与 继电器电路原理图相似。梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图 的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。 梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，可编程序控制器在执行梯形图 程序时，应先用解释程序将它“翻译 成汇编语言后再去执行。 2 功能强，性能价格比高 一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以 实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，它具有很高的性能 价格比。可编程序控制器还可以通过通信联网，实现分散控制与集中管理。 3 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 可编程序控制器产品已经标准化、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。可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外 部接线。可编程序控制器有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀、 接触器等。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条 件的变化。 4 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。由于继 电器控制系统触点接触不良，容易出现故障。可编程序控制器用软件代替大量 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 1 2 第三章混凝士搅拌站控制系统硬件结构设计 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。 可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力 ( 输入输出是通过光电藕合器进行隔离) ，平均无故障时间达到数万小时以上， 可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。可编程序控制器已被广大用户公认 为是最可靠的工业控制设备之一。 5 系统的设计、安装、调试工作量少 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。 可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来 模拟，通过可编程序控制器上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系 统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题般通过修改程序就可以 解决，系统的调试时间比继电器系统要少得多。 6 维修工作量小，维修方便 可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。可编程序 控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上 的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明产生故障的原因，用更换模块的 方法迅速地排除故障。 7 体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用可编程序控制器后，可以减少大量的中间继电 器和时间继电器，小型可编程序控制器的体积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 。因为p l c 的配线比继电器控制 系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时， 加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。 目前生产p l c 的厂家较多，如日本的三菱、日本的欧姆龙、日本的松下、 日本的发那科、德国的西门子、美国通用电气集团公司和法国施耐德等，而西 门子的p l c 具有系统配置即固定又灵活、编程简单、备有可自由选择、丰富的 广东工业大学工学硕士学位论文 品种、令人放心的高性能、高速运算、使用于多种特殊用途、外部机器通讯简 单化和共同的外部设备等特点，满足搅拌站控制系统的需要。因此，选用西门 子产品，同时考虑输入、输出点的数量，具体如下： ( 1 ) $ 7 - 2 2 6c p u 模块1 块：2 4 路数字量输入、1 6 路数字量输出。 ( 2 ) e m 2 2 1 扩展模块1 块：8 路数字量输入模块，功耗2 w 。 ( 3 ) e m 2 2 2 扩展模块1 块：8 路数字量输出模块，功耗2 w 。 ( 4 ) e m 2 3 1 扩展模块1 块：4 模拟量输入点，输入电压有o i o v 、o 一5 v 、 5 v 和2 5 v ，输入电流0 2 0 m a 。 3 2 2 称重仪表 本系统需要骨料秤、水泥秤、水秤和添加剂秤四种，我国在“g b l 4 9 0 2 9 4 预拌混凝土”中有严格的精度要求，骨料配料动态精度= 2 ，其余物料配料动 态精度= 1 。静态精度骨料配料动态精度= 1 ，其余物料配料动态精度= o 5 。计量采取重力计量，随着我国传感器的质量的提高，普遍采取电子秤。为 保证秤斗物料偏载的影响，增加调理接线盒以保证均衡性。 珠海志美公司生产的p t 6 5 0 c 称重显示器u 引是一种多用途称重显示器，适用 于一般工业及商业用途的台秤、地秤、容器秤及汽车秤，也可用于吊秤。该仪 表采用1 3 m m6 位l e d 数码管显示，采样速度大约为1 0 0 次秒，可选择显示毛 重及净重，有自动零位跟踪和轻触式按键自动去皮功能，有标准r s 2 3 2 r s 4 8 5 资料输出接口和模拟输出接口，适用于所有电阻应变式测力与称重传感器。 如传感器与称重仪表的连接图3 - 2 所示，采用六芯屏蔽电线，第一脚连接 第二脚，第四脚连接第五脚。传感器的模拟输出及r s 2 3 2 板之输入或输出信号 对电子噪音十分敏感。不要将这些电线结扎在一起，因为这样可导致干扰，请 将这些电线远离交流电线。 1 4 第三章混凝土搅拌站控制系统硬件结构设计 稽重傅戆器的遵接法 引嬲端乎糯虢飘犹会莪 e ) k +激黼熬输出_ e x c 激鼢趱继输出- s i g +矾虢翰入+ s l g 戮虢翰入 s h d 瓣蘸 图3 - 2 传感器与称重仪表的连接 f i g 3 2t h e c o n n e c tb e t w e e ns e n s o ra n dm e t e r e x c + 和e x c 一是传感器的工作信号，由称重仪表输出提供，s i g + 和s i g 一是传感 器的输出信号，输入到称重仪表，称重仪表将传感器输入的模拟量进行转换， 变成标准的模拟量信号，送至p l c 的输入端。 3 3 2 1 称量仪表显示 称重仪表显示器面板如图3 3 所示。 图3 3 称重仪表显示器面板 f i g 3 - 3t h ed i s p l a yf a c e p l a t eo fm e t e r 进入功能参数设定状态：同时按下匹固和圆键2 秒后，显示“f u n c 进入调校状态：同时按下i 坚q 坌曼i 和瞧垒銎基i 键2 秒后，显示“t a r e ， - _ - _ _ 。_ ，o _ - _ - o _ 广东工业大学工学硕士学位论文 进入高低限设定状态：同时按下l 丛q 坌量i 和窿墅蜊键2 秒后，显示 s e t - - - - _ _ 。_ r o o _ - 叶 注：当“f u n c ”端子接至“c o m ，以上三种功能都有效，当“f u n c 端子开路 时，只有比较设定有效。 注：为了实现双功能，要先按下l 丛q 窒量l 键，否则输入无效。当未输入完时输 入错误数据，按i 丛q 望到键重新输入。 3 3 2 2 称量仪表前面板 1 1 丛垡鋈i 键，输入数据可跳过称量间距调校。 2 l 鱼f - i 键，选择数据设定状态，选择毛重净重显示值。可跳过零点调校。 3 弛缝星i 键，在数据设置时转换数据位数。选择净重显示值。 4 圆键，在数据设置时转换数据位数。选择净重显示值。如果零点漂移 不超过量程的1 至1 0 ，按此键可回零。 5 1 9 殴墨薹瞻示灯，亮时显示毛重。 6 l 拦鳗l 指示灯，亮时显示净重。 7 1 坚篮1 2 型| 指示灯，亮时显示被称重量处于动态。 8 圆指示灯，亮时显示毛重为零。 9 1 堕i 指示灯，亮时显示单位为公斤。 f - 。一 1 0 i 羔 i 指示灯，亮时显示单位为公吨。 3 3 2 3 称量仪表后面板 称重仪表后面板如图3 - 4 所示。 1 6 第三章混凝土搅拌站控制系统硬件结构设计 s l c a + i 毋 s m - l o e x c + l 国 e x c i o s h i e l i o f u n 归 c ol o e a r t a a o e 0 翻( o p ) h l ( p l ) l o 呼) l l 四) e l 订豫c o m t x d r x d c o m 专 c o m ? 。二 图3 - 4 称重仪表后面板 f i g 3 4t h eb a c kf a c e p l a t eo f m e t e r 1 电源输入端：a c ，a c ，e a r t h 2 传感器输入端：s i g + ，s i g 一，e x + ，e x 一，s h i e l d 3 设定调校开关输入端tf u n c ，c o m 4 高低限位输出端：唧，h i ， l o ，l l ，e m t r c o m 单一物料配料选件输出端：o p ，p l ，f f ，z b 5 串行通信端：t x d ，r x d ，c o m 6 模拟信号输出端：+ ，c o m 3 2 3 触摸屏 触摸屏监控器是9 0 年代出现的，是显示器和触摸开关一体型的可编程终端， 简称p t ，是新一代高科技人机界面产品，由触摸检测部件和触摸屏控制器组成， 专为f l c 应用而设计；触摸屏集主机和输人输出设备于一体，适合在恶劣的工业 环境中使用( 防护等级达i p 6 5 ) ：用它作为人机界面，具有交互性好、可靠性高、 编程简单以及与连接简便等优点。主要有如下功能： 1 主要用于实时显示设备或系统在操作状态方面的实时信息。 2 触摸屏上的触摸按钮可产生相应的开关信号，或输入数值、字符给p l c 进行 数据交换，从而产生相应的动作控制系统或设备的运行。 1 7 eeeeeeeeeeeeee 广东工业大学工学硕士学位论文 3 可多幅画面重叠或切换显示，显示图形、字符串、报警信息、历史记录、趋 势图等。 在搅拌站控制系统中，选择触摸屏为系统的人机交互设备，主要完成控制信 息的输入和输出显示。系统运行时需要用户设定的控制参数主要包括配方重量、 搅拌时间、卸料时间等。触摸屏需要将这些控制信息并通过串口将它们传送给 p l c ，p l c 按照用户设定的参数，根据接近开关检测的位置信号，对电机发出合适 的控制信号，使搅拌站各部分协调运动，完成搅拌任务。同时在搅拌过程中要监 控工作运行中的状态参数。 如图3 5 所示的t p 7 具有足够的画面数据存储器、分辨率和显示亮度，适 于在恶劣的工业环境中应用，并且能代替工控计算机作为人机界面。 图3 5t p 7 触摸面板启动画面 f i g 3 5t h es t a r t u pd r a f t i n go f m a n m a c h i n e 与p l c 连接如图3 6 所示。 触模屏p l c t x d + 1 4 3t x d + l r x d +i j c 】| 【d + t x d 1 5 t x d _ r x d 8 r x d 一 s - g n d7 5f g 图3 6 触摸屏与p l c 连接， f i g 3 6 t h ec o n n e c tb e t w e e np l ca n dm a n - m a c h i n e 连线前，请先调整t p 7 与p l c 的系统通信参数设定或指拨设定。触摸屏与p l c 连接参数设置如表3 一l 所示。 表3 - 1 触摸屏与p l c 连接参数表 t a b l e3 - 1p a r a m e t e r s o ft h ec o n n e c tb e t w e e np l ca n dm a n m a c h i n e a p l c 设定部分b t p 7 设定部分 c o m 2 = r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 a 通信规格方式：r s 4 8 5 1 r s 4 8 5 背板指拨请设定s w l o = o n 1 由t p 7 软件系统通信设定 b 站号( s t a t i o nn o ) 0 2 ( 0 1 3 2 ) p l c 站号0 2 ( 视p l c 实际设定) c 通信传输速度：选择 1 由t p 7 软件系统通信设定 9 6 0 0 1 9 2 0 0 0 3 8 4 0 0 0 b p s 背板指拨请设定s w 5 = o f f d 传输数据格式：8 - b i t ，e v e n ，卜b i t e c o m m a n dd e l a y t p 7c o m m a n d d e l a y 设定 如图3 - 7 所示，采用t p 7 触摸面板编程界面，可新建、打开和更改画面， 设定工作参数等。 芈雾霎嚣暑斟剧蚴e 门= 耋型b c 关闭画面屯)l 贽是目前回由。z 富存甜1 手印e 量接6 雩霹匡 图3 - 7t p 7 触摸面板编程界面 f i g 3 - 7t h ep r o g r a m m ed r a f t i n go f m a n - m a c h i n e 3 2 4 其它人机接口 单台p l c 的小型开关量控制系统一般使用指示灯、报警器、按钮和操作开 关等用来做人机接口。对于要求较高的大中型控制系统，可选用较高档的操作 1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 员接口，本系统继电器选用日本欧姆龙产品，操作按钮、接触器及断路器选用 法国施耐德产品。 控制电源回路如图3 - 8 所示，电柜电源和p l c 电源通过二级隔离变压器完 全隔离，仪表经二级隔离供电，并加以滤波，电源波动超过1 0 时，则必须使 用电源稳压器稳定电源。按下启动按钮s e ，k e l 继电器线圈得电，k e l 常开触 点1 3 - 1 4 闭合自锁，k e l 常开触点4 3 4 4 闭合，p l c 控制回路和仪表电源回路得 电，同时k e l 常开触点2 3 - 2 4 闭合，继电器控制回路得电。 a 1 b 1 c a c 2 2 0 va c 2 2 0 v( 2 “( 2 州七 螨薜髫 控制电源接触器 辅 导 筑一 l | | l 铒若 l嘉 萨珥 m 般 r 3k 地 撇斟2 一渊l 。 图3 - 8 控制电源回路 f i g 3 8t h ee l e c t r o n i cl o o po fc o r t r o l l e r 3 3 控制回路的设计 如图3 - 9 控制回路所示，分配输入、输出元件号。输入元件有；自动启动、 自动位、料斗的底部限位、料斗的等待限位、料斗的顶部限位、骨料配料、骨 料卸料、水泥配料、水泥卸料、添加剂配料和添加剂卸料等。输出信号见下图 所示： 爿寸一扑利5 = i ：叫l it 嘲州 1 l o 1啦0 32 lo o 占d - 6盯酣l + m 驴惦 c f u2 12 s l 柏a t i c 可嫡翟控制器c 主横辘)0 s 7 2 0 。s e s 72 12 1 飘1 0 o x 8 0 昭w 1 l 如乱壮 2 li 蚺氇4 eln l i馐打纠愿 一鼍毫0 1 5 苫蚓苫“s 囊誉岱誉 5 闩，jp jj 。护j 。，：| j - j i i 。啪 i 。鼍i 嗣 d a 1 鞋d ，工j l 。土 j l 7 l 黼f 茌 e m 2 2 3 可编程控制器( 扩晨蕞鞋1 6 至s 72 2 3 - p l - o x a o r f l 灯 _ l lm 1 1 i 工 j2 l4 l 5 1 6l 嗤n _ 口l 悲 ：。：z 5 笆卣翟毒2 l 肖当咿二 整 1 毫i l寻崤 广东工业大学工学硕士学位论文 倒升： 捐刽：刮：辆： 罩“ 2 hx f ox d如“ i 巧 l “ d l粕纠瓶 e m 2 2 3 可瓣程控帮纂( 扩翩i 辘1 ) 8 s 72 2 3 - p l o o - 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