PLC在混凝土搅拌站中的应用

无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） PLC 在混凝土搅拌站中的应用 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。班 级： 机械 94 c学 号： 0951295 c作者姓名： 2013 年 5 月 25 日I无 锡 太 湖 学 院信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业毕 业 设 计 论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目 PLC 在混凝土搅拌站中的应用 ,2、专题， , 二、课题来源及选题依据自从 60 年代 PLC 问世以来经过 50 多年的发展 PLC 技术已经成功的运用到了工业领域，经过实践证明使用 PLC 操作系统可以提高生产效率、减少操作误差还能确保生产产品的质量。本课题研究内容是利用 PLC 技术，使混凝土搅拌站实现全自动地配制各种强度的混凝土 。 。 混凝土的强度不同是由于配制混凝土的原料的比例不同而配制，而 PLC可以 PLC 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。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，控制混凝土生产过程。从而可以符合国家标准的混凝土。 ，三、本设计（论文或其他）应达到的要求：按混凝土标号的国家标准，在 PLC 预先输 入不同标号混凝土的水泥、砂、石子和水的比例。 ， PLC 根据预先在计算机中输入 1m3的混凝土需要用到的水泥、砂子、石子和水的用量，再乘以用户指定混凝土的数量从而计算出水泥、砂、石子用量。PLC 控制水泥料仓、配料站和 电磁流量计（电 磁阀）控制物料的重量。 ， PLC 向水泥料 仓中的螺旋输送机发出信号，螺旋输送机开始工作，输出指定量的水泥，同时配料站输出指定量的砂子、石子。材料通过皮带输送进混凝土搅拌机中。这时 PLC 开始控制水的注入，到达指定量后 电磁阀关闭。混凝土搅拌机开始工作。时间到后混凝土搅拌机倒出搅拌好的混凝土。 ， 四、接受任务学生：机械 94 班 姓名 孙天奇 五、开始及完成日期：自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名签名签名教 研 室 主 任学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名2012 年 11 月 12 日III摘 要混凝土搅拌站是随着水泥的诞生而产生和发展的。它是建筑、桥梁、道路、大坝等工程施工中的必备设备，它由贮料、配料、搅拌、放料等结构部件组成，是一个受多环节制约的复杂系统。而随着我国经济建设的高速发展，综合国力不断增强，国家对基础设施建设的投资力度加大，拉动了城市商品混凝土的高速发展，同时，使混凝土搅拌站有了较大的发展空间，最初搅拌站仅以单机的形式出现，混凝土自拌自用，随着基础设施建设大规模的开展，产生了很大的商品混凝土市场，搅拌站的需求越来越大，计量要求越来越高，于是出现了各种不同形式带有计量装置的搅拌站，从而产生了现代的混凝土搅拌站。常见的混凝土搅拌站控制方式有继电器直接控制、PLC 和计算机结合以及 PLC 和配料控制器结合 3 种控制方式。采用 PLC 和配料控制器结合控制的搅拌站性能可靠、性价比高，可以保证混凝土的质量，提高混凝土生产效率。作为混凝土搅拌站的核心，控制及监控程序在计量精确、控制可靠、管理方便等方面的要求也日益提高。本文针对 PLC 和配料控制器结合控制的搅拌站来设计其控制及监控程序设计中主要要完成的任务有系统构造、PLC 的 I/O 分配、工作流程图及 PLC 程序的编写。本程序通过控制发电机运转、皮带启动、螺旋输送机的运行等方面控制混凝土搅拌站的运行。关键词：混凝土搅拌站；I/O 分配；可编程控制器（PLC） ；自动控制ABSTRACTConcrete mixing stations were produced and developed with the birth of cement. It is the construction of the necessary equipment for buildings, bridges, roads, dams and other projects. Its constructed from storage materials, ingredients, stirring, discharge, and other structural components, and it is a subject to the constraints of the complex multi-link system. As Chinas economic construction and the rapid development, Comprehensive national strength constantly enhance the states infrastructure construction investment increased to boost the citys rapid development of ready-mixed concrete, so that the concrete mixing stations have larger space for development, the initial Mixing station only in the form of stand-alone, self-mix concrete-occupied, with the construction of infrastructure facilities for large-scale, a lot of ready-mixed concrete market was developed, the demand for mixing stations are larger and larger, and measures are increasingly demanded, so the mixing stations with various forms of measurement devices were developed, thereby the modern concrete mixing station was created. Common concrete mixing stations control ways may be the three kinds: Relay direct control, PLC and computer combination of ingredients and the PLC and controller combination. But PLC controller and a combination of ingredients control of the mixing station is reliable, cost-effective and can ensure the quality of concrete, increase the production efficiency. As the core of concrete mixing stations. The controlling and monitoring program in the measurement precise, reliable control, easy management and other aspects is increasingly demanded. This paper for PLC and the combination of ingredients controller to control the mixing station will design its controlling and monitoring program . In the main text I must complete a systematic structure, the I / O distribution of PLC and prepare the work flow chart and PLC program.Key words: concrete mixing station; the I / O distribution; programmable logic controller (PLC); automatic control V目 录摘 要 .IIIABSTRACT .IV1 绪论 .11.1 本课题研究的内容和意义 .11.2 国内研究以及混凝土搅拌机的现状和国内市场分析 .11.2.1 国外 PLC 发展状况 .11.2.2 国内 PLC 发展状况 .21.3 本课题应达的要求: .22 混凝土搅拌站设备 .32.1 水泥的运输、存储 .32.1.1 水泥罐车 .32.2 水泥料仓 .52.2.1 粉料罐 .52.2.2 仓顶收尘机 .62.2.3 压力安全阀 .62.2.4 吹灰管 .62.2.5 料位指示器 .62.2.6 手动蝶阀 .72.2.7 粉料罐 .72.2.8 破拱装置 .72.2.9 检修梯子 .72.2.10 仓体 .72.2.11 支腿 .72.3 水泥料仓的工作原理 .82.4 配料站 .82.4.1 粉料称量 .82.4.2 称重传感器 .92.5 物料输送系统 .102.5.1 骨料输送 .102.5.2 粉料输送 .102.5.3 液体输送 .102.6 混凝土搅拌机 .113 混凝土搅拌站 PLC 程序设计 .123.1 混凝土搅拌站接线图 .123.2 电器控制构成 .143.2.1 PLC 的工作原理 .153.2.2 可编程控制器的选用及组态软件的选择 .173.3.2 模拟输入量包括砂子、石子等重量 .173.2.4 I/O 分配表 .173.2.5 PLC 接线图 .183.2.6 智能元件 .193.2.7 传感器 .203.2.8 执行机构 .203.3 混凝土搅拌站工作流程 .203.4 系统初始化程序及主程序设计 .203.5 断电保护程序设计 .223.6 模拟量输入地址 .233.7 位存储区（M）的使用概况 .234 混凝土搅拌站控制系统设计 .245 混凝土配合比计算 .265.1 混凝土配制强度计算 .265.2 水灰比计算 .265.3 用水量计算 .265.3.1 干硬性和塑性混凝土用水量的确定 .275.3.2 流动性和大流动性混凝土的用水量宜按下列步骤计算 .275.4 水泥用量计算 .275.5 粗骨料和细骨料用量的计算 .276 结论与展望 .296.1 结论 .296.2 不足与展望 .29致 谢 .30参考文献 .31附 录 .32PLC 在混凝土搅拌站中的应用11 绪论1.1 本课题研究的内容和意义在建筑行业中使用最多的材料是各种强度的混凝土。不同强度的混凝土是由不同比例的水泥、砂子、石子和水混合搅拌而成。本课题研究内容是利用 PLC 技术，使混凝土搅拌站实现全自动地配制各种强度的混凝土。现在国内的混凝土的运算制作大部分是由人工完成的，理论上 PLC 可以代替人工运算混凝土的配合比以及对原材料的称重。使用 PLC技术不仅可以提高生产效率，而且还能减轻工人劳动强度，并确保生产的混凝土符合国家标准。1.2 国内研究以及混凝土搅拌机的现状和国内市场分析 56搅拌站生产在国外一般生产力 50 m3/h300 m3/h，对商品混凝土搅拌站的生产，是相对常见的应用，特别是在大的项目中采用。自 20 世纪 50 年代以来，混凝土搅拌站的生产开始独立的研究和开发过程中，选择的类型和主要技术参数主要是基于用户需求和借鉴外国产品自由州。GB gb10171 88“混凝土搅拌站 (F)类别”和 gb10172 88“混凝土搅拌站技术”，的颁布实施，混凝土搅拌站(F)在开发和生产的标准管理的轨道，为我们的混凝土搅拌站的职业发展奠定了基础。技术标准和要求的标准在预拌混凝土，混凝土搅拌站技术指标都已达到发达国家的水平。现在国内生产的混凝土搅拌站质量的迅速提高，并逐步取代原来的进口中国制造的混凝土搅拌站主导地位主导国内站，混合控制系统也得到了快速发展。国内制造商的大型混凝土搅拌站包括：三一重工、奇美珠海、上海华剑、南路机器。80 年代，中国混凝土机械有两个战略调整产品结构、行业的发展起着举足轻重的作用：第一是年代初期升级混凝土搅拌机由双锥逆向转换，垂直和水平轴强制类型混凝土搅拌机替代鼓式混合机，现在这三个系列产品，技术性能已达到国外同类先进水平模型，从质量数量基本满足国内需求；二是“发展一个站三车”阶段(即混凝土搅拌，混凝土搅拌车，混凝土泵车臂和散装水泥运输车)。所以，我们的国家充满了新的混凝土机械有前途的策略来促进混凝土机械行业产品结构调整的第二反映混凝土机械行业稳定的、可持续的、全面发展的深层次需求。及时引进外国先进的混凝土泵和混凝土搅拌卡车技术、科研机构和生产企业通过联合开发。所以，我们的商品混凝土机械的设计、制造能力和水平有了很大提高，一些产品已批量生产，其技术水平与世界水平同步，减少进口的今天，节约外汇，取得了良好的经济效益和社会效益。在“第十二五” 甚至2010 年期间，中国建造大量的关键项目，但是也有很多城市道路、城市住宅开发建设，无锡太湖学院学士学位论文需要大量的混凝土。所以现在是一个有利时机发展混凝土机械作为一个“一站式三车”在一个工厂，混凝土搅拌站占据着举足轻重的地位。1.2.1 国外 PLC 发展状况PLC 从 1969 年问世以来，虽然至今还不到 50 年，以其具有通用灵活的控制性能，简单方便的使用性能，及可以适应各种工业环境的高可靠性，在各工业领域得到广泛应用，且市场份额每年都在增加。19701980 年：PLC 的结构定型阶段。在这一阶段，由于 PLC 刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现，但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有 PLC 结构形成，取得了市场的认可。19801990:年：PLC 的普及阶段。在这一阶段，PLC 的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC 被迅速普及，并且形成了固定 I/O 点型、基本单元加扩展块行、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。19002000 年：PLC 的高性能与小型化阶段，PLC 的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。34根据 ARC 的调查和估计，1997 年全球的软 PLC 市场有 3 千 6 百万美元，到2000 年 PLC 的市场达 到了 1 亿 4 千 5 百万美元，2001 年差不多又增长了一倍。 目前，欧美等西方国家都把软 PLC 作为一个重点投资对象进行研究开发。工业领域已经开始使用软 PLC 产品，而且软 PLC 的市场需求量也在不断的增长。1.2.2 国内 PLC 发展状况PLC 的应用在 1990 年左右就已经传到中国了，但是制作 PLC 技术大约在 1996 年以后才被介绍到国内来。目前国内的一些工控方面的公司及研究机构在这方面也开展了部分基础技术研究工作，但起步较晚， 现在还没有一家公司或机构 可以推出比较完整的产品。 国内有一些著名的自动化软件公司 （如北京亚控自动化软件科技有限公司）正在研究开发具有自主版权的中文软 PLC 产品，另外也有一些自动化工程公司 开始代理销售这些商用化的软 PLC 产品。我国自行开发的 DCS 系统，如上海自仪公司的 SUPMAX- 800，选用法国 CJ International 公司的符合 IEC61131-3 的 IsaGraf 和美国的强实时操作系统 Vxworks。从总的研究情况来看，目前国内软 PLC 的技术与国外相比，技术水平相差很大。 1.3 本课题应达的要求:因为 PLC 可以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。所以可以将预先算好的数值输入进机器中，当操作现场需要进行混凝土的制作是 PLC 可以按照预先的输入的数值控制混凝土搅PLC 在混凝土搅拌站中的应用3拌站的工作。1、按混凝土标号的国家标准，在 PLC 预先输入不同标号混凝土的水泥、砂、石子和水的比例2、在触摸屏上输入混凝土的强度和数量；PLC 根据预先在计算机中输入的 1m3 的混凝土需要用到的水泥、砂子、石子和水的用量，再乘以用户指定的混凝土的数量从而计算出水泥、砂、石子用量。 3、PLC 控制水泥料仓、配料站和电磁流量计（电磁阀）控制物料的重量。4、用户从触摸屏输入信息，PLC 向水泥料仓中的螺旋输送机发出信号，螺旋输送机开始工作，输出指定量的水泥，同时配料站输出指定量的砂子、石子。材料通过皮带输送进 10m3 的混凝土搅拌机中。这时 PLC 开始控制水的注入，到达指定量后电磁阀关闭。混凝土搅拌机开始工作。时间到后混凝土搅拌机倒出搅拌好的混凝土。2混凝土搅拌站设备 78混凝土搅拌站是由最基本的组成部分是由五个部分组成的：运输设备（传送带）、料斗设备（石子仓、砂仓）、称量设备（水泥秤、水秤、添加剂秤）和辅助设备。如图 2.1所示。图 2.1 混凝土搅拌站示意图2.1 水泥的运输、存储2.1.1 水泥罐车水泥罐车混凝土是由水泥、砂子、石子和水经过搅拌而成常用建筑材料，砂子、石子不怕潮湿暴晒因此可以露天存放。水泥为粉状水硬性无机胶凝材料。能够在空气中或者无锡太湖学院学士学位论文在水中更好的硬化，未加工的水泥为粉状，易受潮。因此水泥运输储藏需要特殊的设备，水泥罐车便是运输水泥的特殊机械设备。水泥罐车由专用汽车底盘、散装水泥车罐体、气管路系统、传动装置等四部分组成，工作动力从汽车变速箱中引出，通过取力器传动装置驱动空压机，产生的压缩空气经控制管路进入气室内，使管内粉粒物料产生流态化现象。当压力达到 0.196Mpa 时，打开料蝶阀，实现卸料。2.1.1.1 罐体 罐体总成主要由筒体、加料口、流态化床、出料管总成、进气管及其他附件组成。如图 2-2 罐体为直筒圆柱式结构，其制作工艺良好，能实现埋弧焊接，筒体采用 5mm 优质钢板卷制而成，两端采用 6mm 厚标准椭圆封头，焊接牢固，具有整体强度高、刚性好、承压好、使用性能好等特点。罐体为单仓两气室结构，罐内流化床宽度适中，布置合理，能有效的缩短卸料时间、提高罐体的容积利用率，降低了剩灰率；在罐体顶部揩油两个进料口，打开进料口入孔盖一方面可以向罐内加料，另一方面在罐内需要检修时方便人员进出。图 2.2 罐体1、筒体；2、加料口；3、出料管总成；4、流态化床；5、进气管2.1.1.2 散装水泥车系统工作原理和过程充气式踏下离合器踏板，切断动力，拨动电开关，接通电磁气阀，在气压的推动下使取力器和齿轮进入啮合位置，慢慢放松离合器踏板，接通动力，由取力箱经传动轴带动空压机 11 开始运转。打开球阀，压缩空气经止回阀、安全阀及以上两只球阀充入罐内。当压力表显示罐内压力达到 0.196Mpa 时，打开蝶阀卸料。在输送管被粉料堵塞时，可打开球阀，使压缩空气进入二次吹气总成，排除堵塞。这样可保证顺利卸料。止回阀可防止粉料倒流管道。PLC 在混凝土搅拌站中的应用5当罐内压力达到 0.22Mpa 时，安全阀将自动打开向外排气。卸料完毕后，罐体内还残余部分剩余气体，这是可以打开卸压管路，实现卸压的功能。水泥罐车的卸料包括设在水泥罐出口的料斗和控制闸阀。控制闸阀是一个气动电磁式的控制阀，上接料斗下通阀口，阀口下设有导流管 ，引入装车头，控制阀的进气嘴与低压气源气管相接，接入水泥库底内的防堵气管与高压气源相接。像水泥罐车这样的设计在极大程度上减少了工人接触水泥的机会。这样可以近最大可能的减少的矽肺病的几率。我们都知道矽肺病是由于长期过量吸入含结晶型有利二氧化硅的岩尘所引起的尖肺病，而一般土木建筑工程通常采用的水泥是指：GB175-2007 规定的六大类水泥，即硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和符合硅酸盐水泥。所以不管用六大类通用水泥的哪一种都是硅酸盐型的水泥，水泥罐车能尽量保证工人的生产作业安全。水泥罐车的卸料过程是从一个密闭的罐体向另一个密闭的罐体输送的过程，这样可以减少由于运输而造成的不必要的浪费节约了成本也节约了材料提高了水泥的利用率。由于是单仓两气室结构，再加上有两个进料口和水泥粉末通过空气压力的流动有效的减少了水泥在水泥罐中的堆积，而且采用标准椭圆封头，能够有效的提高罐体的容积率，在单次运输中可以运输更多的物料，减少运输费用和成本。2.2 水泥料仓水泥料仓的示意图如图 2.3：图 2.3 水泥料仓1、仓顶收尘器；2、压力安全阀 3、阻旋式料位指示器；4、仓体；无锡太湖学院学士学位论文5、检修梯子；6、吹灰管；7、助流气垫；8、手动蝶阀；9、支腿2.2.1 粉料罐粉料罐是储存粉状物料的筒仓，储存如水泥、掺合料（粉煤灰、矿粉、沸石粉和硅灰）、干式粉状添加剂等。按容积的不同分别有不同规格的粉料罐，如50t、100t、200t、250t、300t 等，以满足不同的使用需要。可运输的粉料罐一般容积为50t、100t。在此水泥料仓的设计中该粉料罐的容量为 50t。粉料罐的基本结构是由仓顶收尘机、压力安全阀、阻旋式料位指示器、仓体、检修梯子、吹灰管、助流气垫、手动蝶阀和支腿构成。粉料罐是在水泥料仓中最重要的一个部件。首先它的设计需要合理，粉料罐是需要垂直竖立在地面上的，因此它的底部受力最大，顶部受力最小。圆柱型的结构则是要求了再同一平面内罐体的受力均匀。这里就需要用淬火工艺，钢进行淬火加热的目的是为了获得狭小而均匀的奥氏体，使淬火后得到细小而均匀的马氏体。不同钢号的钢获得马氏体的能力是有区别的（钢的淬透性：淬透性表明了钢在淬火时获得马氏体的能力，在规定条件下，它决定了钢材淬硬升读和硬度分布的特性）。常用淬透性的评定方法是临界直径测定法。钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体或 50%马氏体组织时的最大直径称为临界直径。临界直径越大，表明钢的淬透性越高。表 2-1 为常用钢的临界直径。表 2-1 常用钢的临界直径临界直径/mm钢号 水冷 油冷45 1316.5 69.560 1117 612T10 1015 C354 L 20mHE 4.0 5.0 6.05.2 水灰比计算混凝土水灰比按下式计算：（5.2）其中：，回归系数按下表 5-2 选取。表 5-2 回归系数和选用表石子品种碎石 0.46 0.07卵石 0.48 0.33无锡太湖学院学士学位论文5.3 用水量计算每立方米混凝土用水量的确定，应符合下列规定：5.3.1 干硬性和塑性混凝土用水量的确定根据所用骨料的种类、最大粒径及施工要求的粒径及施工要求的混凝土拌合物稠度，其用水量按下两表选取：表 5-3 干硬性混凝土的用水量拌合物稠度 卵石最大粒径 mm 碎石最大粒径 mm项目 指标 10 20 40 16 20 401620 175 160 145 180 170 1551115 180 165 150 185 175 160维勃稠度（s ）510 185 170 155 190 180 165表 5-4 塑性混凝土的用水量拌合物稠度 卵石最大粒径 mm 碎石最大粒径 mm项目 指标 10 20 31.5 40 16 20 31.5 401030 190 170 160 150 200 185 175 1653550 200 180 170 160 210 195 185 1755570 210 190 180 170 220 205 195 185坍落度（mm）7590 215 195 185 175 230 215 205 1955.3.2 流动性和大流动性混凝土的用水量宜按下列步骤计算1）按上表中坍落度 90mm 的用水量为基础，按坍落度每增大 20mm 用水量增加 5kg，计算出未掺外加剂时的混凝土的用水量；2）掺外加剂时的混凝土用水量可计算：（5.3）其中：掺外加剂时，每 1m3 混凝土的用水量(kg/m 3 )；掺外加剂时，每 1m3 混凝土的用水量(kg/m 3 )；外加剂的减水率（%），应经试验确定。5.4 水泥用量计算（5.4）未保证混凝土的耐久性，由上式计算求得的还应满足相关规定的最小水泥用量，如计算所得的水泥用量小于规定的最小水泥用量时，应取规定的最小水泥用量值。5.5 粗骨料和细骨料用量的计算查表法根据骨料的种类、最大粒径、水灰比按表 5-5 选用PLC 在混凝土搅拌站中的应用29表 5-5 水灰比水灰比（w/c）卵石最大粒径（mm） 碎石最大粒径（mm）10 20 40 16 20 400.40 2632 2531 2430 3035 2034 27320.50 3035 2934 2833 3338 3237 30350.60 3338 3237 3136 3641 3540 33380.70 3641 3540 3439 3944 3843 3641粗骨料和细骨料用量的确定，采用体积法计算. （5.5）（5.6）其中：每立方米混凝土的基准粗骨料用量（kg）；每立方米混凝土的基准细骨料用量（kg）；水泥密度（kg/m 3），取 3100.00（kg/m 3）；粗骨料的表观密度（kg/m3），取 2700.00（kg/m 3）；细骨料的表观密度（kg/m3），取 2700.00（kg/m 3）；水密度（kg/m3），取 1000（kg/m 3）；混凝土的含气量百分数，取 =1.00；根据公式计算得各配料重量比：C20：水：水泥：砂：石子 0.51:1:1.81:3.68C25：水：水泥：砂：石子 0.44:1:1.43:3.17C30:：水：水泥：砂：石子 0.38:1:1.11:2.72无锡太湖学院学士学位论文6 结论与展望6.1 结论本文从混凝土搅拌站的产生、发展、结构以及工艺流程和软件设计的介绍分析开始进行了大方针的研究设计，第二章接着介绍分析了混凝土搅拌站系统的具体设备、计量机构、输送系统、控制方式的具体的介绍，也举出具体的混凝土搅拌机型号做出具体说明。第三章对现场控制站 PLC 的原理、特点、应用领域进行了介绍，并针对搅拌站的电气输入输出的点，对 PLC