【《基于PLC的混凝土配料控制系统设计与实现》9400字（论文）】

PAGEPAGE31基于PLC的混凝土配料控制系统设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u7223目录 216557引言 5317881.1我国混凝土工业的发展现状 5155511.2我国混凝土工业的发展方向 663382自动配料系统简介 617142.1自动配料系统的特点 6259602.2自动配料系统的组成 711252.3配料技术的最新进展 761443混凝土厂自动配料设计 8260283.1混凝土的原料选择 852813.2控制系统体系结构分析 8275323.3控制方案设计 9308113.3.1整体结构控制设计 998363.3.2PID流量调节器的设计 11171973.3.3皮带电机控制方案 12191333.3.4I/O控制点数统计 13252254系统设计 14306874.1控制系统的硬件配置 14105244.1.1PLC型号的选择 14274824.1.2扩展模块的选型 17260354.1.3电子皮带秤的选型 17109074.1.4变频器的选型 1867764.2I/O点及数据储存地址分配 20163404.3控制程序的设计 2178955组态软件的介绍及设计 23191285.1组态软件简介 2325075.1.1软件说明 23285235.1.2图形系统主要特点 2430415.2组态软件设计 2450905.2.1力控组态软件的启动 24128995.2.2力控组态软件的开发过程 2618595.2.3力控组态软件运行 33152746结论 3530929参考文献 3717844附件 39

摘要在本文中将对该项设计的大环境背景进行阐述，以及我国该行业发展的整体历程进行较为详细的介绍；由于在该行业中，生产环节涉及到的过程不仅包括了普通的加工，还有其中的控制部分都是值得考虑的，譬如设计整个生产过程的控制流程以及最基础的关于产品的工艺等。这里面所使用的原料的量都是需要经过称重才能得到的，所以对于数据监控这一块就是非常重要的，只有将配料的量控制好了，才能得到合格的产品。在本设计中采用了组态软件为北京三维力控科技有限公司的工业监控组态软件Forcecontrol6.1进行一个监控作用，这里使用该软件内板块的功能实现对各项数据的收集统计，最后连接上位机与可编程逻辑控制器PLC，进行调试和运行。这种系统使用在该生产上不仅能够很大程度的节约人力，也能使得产品的质量在实时数据的监控下得到保障，对于公司是能够节约不少成本，并提高了生产的效率。关键词电子皮带称，组态，PLC，自动配料，控制系统引言对于一种需要使用控制设备的工艺而言，现如今使用最多且最广泛的是可编程序控制器，它主要的原理则是用微电脑技术，对生产中需要控制的设备进行一定节奏的调节与监控。因为这种系统需要将预期的方案通过数字信息的形式传达给相应的设备，然后这些设备在接收到信息之后再转化成需要的指令，这就是这个系统运作的一个整套流程，其中包含了不少复杂的与逻辑运算相关的控制，而只有经过这些运算转换，才能将我们需要的指令传递给设备。其中最为主要的板块就是数字模拟板块，它的主要结构包含有最核心的主模板，以及用于实现功能拓展的扩展模版，还有用于信息转化的编程器，在这之中因为他们自身并不占用太多空间，所以要将其组合也是十分简单的。我们所使用的这些模块不仅仅是最普通一种，有些甚至还具备其他的额外功能。因为需要的功能可能会随着生产的进展发生变化，而我们如果需要修改其中的一些控制指令，我们只需要将储存这类控制信息的储存器里进行相应的调整，就能实现功能的转换，这使得整个过程节约了不少成本，在不影响整个进度的前提下，转变其内容并不影响生产效率。再者，因为在这些重工业生产的环境下，传统的电线控制很容易受到恶劣环境的约束，导致有些工步无法进行，而这种控制方式在很大程度上避免了这些不便，因为其自身材质问题，周围环境对于其影响不大，即使存在较大的温度变化或者受到非常强烈的外部冲击，它的控制功能依旧很难受损，可以持久稳定的继续实现它的功能。正是由于上文提到的种种长处，让该类控制方式在该行业里成为了最常用的方式之一。它己经该工业领域中占据这最主要的地位，其运用范围之广，使得其成为使用最为优先的选项。1.1国内混凝土工业的状况混凝土作为我国现代化建设中最基础的行业，它的发展是我国最能体现国民建设以及经济发展的一个指标。伴随科技的进步，我国该行业的规模在数年间扩大发展，早在十年前，我国的混凝土产量已经占据了全球产量的一半，并且该数据一直持续了数十年，是我国在建材行业中，销售额占据最多的一个行业。但是过快的发展速度导致了相关行业的企业忽略了很多的问题。在我国“十一五”期间，因为环保问题关闭了许多环保指标不达标的企业，并且在此之后对于环保这一块颁布了一系列的法律法规，这在很大程度上限制了一些规模较小的企业的发展，因为在这类企业中有很多的企业都无法满足这些标准。所以在此之后，许多企业因为该规定的存在而放弃了扩大规模的决策，也就是为何该行业发展速度减缓。在我国总产量中，有超过一半的企业都是一些中小型企业做出贡献，然而就是因为这些环保条令限制了这些小混凝土厂的发展，然而若要投资去做环保，那对于小型企业将是一个巨大的经济负担，所以才使得产量的降低。我们知道在生产混凝土的过程中需要消耗石灰石以及燃料，这两者除了产生的大量二氧化碳会带来温室效应，还有一些硫化物容易导致酸雨等环境问题的出现，可见这些对于环境的破坏是有多么的严重。我们在以自然环境为代价的条件下带来的经济收益是不持续的，且无法再生，所以这不符合我国的长期稳定发展的要求，加入依旧按照原来的方式继续生产，那么地球的自然环境破坏会直接加速。在相关的报告中我们可以知道这些材料的消耗会对地球环境造成多大的威胁，我们就知道其重要性，所以当前问题就是研究如何实现在环保要求达标的前提下进行发展。1.2我国混凝土工业的发展方向因为这些问题的出现，政府首先对行业中技术相对成熟且经济效益不错的企业作为带头的龙头企业，对其首先进行经济上的扶持，希望其先对于环保技术这一块进行改进提升，其次还对该行业中存在经济问题的企业进行扶持，让其在保证原生产力的情况下，在环保这一块进行强化。通过对优质企业的扶持，以及对其余企业的整合，让整个行业的氛围得到净化，有助于行业发展与整治。虽然我国城镇化在加速，但是在很多地区对于混凝土的需求依旧是居高不下的，在国家拨款提出的建设计划中，很多都是用于建设这一块的，所以从这里可以看出我国依旧是对于混凝土需求量巨大。所以我们可以知道这个行业的利润空间依旧是很大的，为了在保护环境的前提下获取这些利润，那么我们更加需要注重对于环境的保护技术。作为全球最大的消费与生产国，我国在全球该行业的地位不言而喻，为了让我国能够更多的掌握国际市场的主动权，我们可以通过对国内行业进行决策上的调整，使得其重心能够更多的向中国倾斜。2自动配料系统简介由于生产效率的要求，在许多要求产量的生产线上都可以看到全自动配料控制系统额身影，作为所有加工过程的第一环节，在该过程中如果对料的量有合理的控制，那么所生产的产品质量就会得到保证，一个企业效益高，不仅需要产量高，同时也需要产品质量高，这样顾客的满意度才会高，进而才能有更多客源。对于不同行业而言，使用的材料以及比例都是不同的，但是他们使用的这种系统都需要能够可以灵活改变数值，从而适用于各种产品，这就是该类生产行业所理想的一种系统。2.1自动配料系统的特点（1）通产没有一个规范的设备，且进行的环境没做要求，导致现场条件极差；（2）因为在分配各种组分的多少的时候，可能因为量的不同导致最后得到的实际比例差距巨大；（3）配料效率要求高，并且必须达到规定的数额；（4）因为产品的多样性，所以比例时刻可能变化；配方可能经常变换、调整；（5）要分析所加的物料会不会受到周围环境影响而发生变化；我们的传统生产中，如果在更换产品种类的时候，需要再次进行计算各个组分的数量，然后才能加入到设备中进行生产，这样的一系列操作下来，虽然算出来的结果是正确的，但是人工添加避免不了出现数值差异，这也就会导致质量起伏不定。在花费更多的时间精力的条件下，得到了低于预期的收益，这是每个企业都不愿意看到的。现在我们将每种产品需要的多少写入程序中，然后在需要生产某个产品的时候将该项的数据调出来，通过机械控制就能够得到非常准确的配比，质量也就得到保障，而且还不大可能出现失误的情况。在重工业生产的环境下，传统的电线控制很容易受到恶劣环境的约束，导致有些工步无法进行，而这种控制方式在很大程度上避免了这些不便，因为其自身材质问题，周围环境对于其影响不大，即使存在较大的温度变化或者受到非常强烈的外部冲击，它的控制功能依旧很难受损，可以持久稳定的继续实现它的功能。作为现代化建设中最基础的行业，混凝土工业的发展是我国最能体现国民建设以及经济发展的一个指标。对于一种需要使用控制设备的工艺而言，现如今使用最多且最广泛的是可编程序控制器，它主要的原理则是用微电脑技术，对生产中需要控制的设备进行一定节奏的调节与监控。PLC控制方式不仅仅是让整个流程顺畅进行，还能记录其中的数据变化，让所有物料在添加的时候都能够将其中的数据记录在数据库中备用。这种系统就能够让很多需要重新核对的地方直接跳过了，所以说这种可以很大程度上节省了世间，并且还降低了出错几率。2.2自动配料系统的组成由于我们的配料中不仅仅是只有一种状态的原料，还有其他的很多种以及之间的混合状态物质，所以如果能够实时的掌握其中组分的变化，那么也就能及时调整选择是否需要继续对原料进行增减，通常有以下的一些部分组成。（1）给料部分：该部分是从最原始的储藏原料的地方取出需要的原料，在这一步并不需要做其他的操作，只是将原料进行一个输送过程。（2）称量部分：这个部分主要就由核心的质量传感器组成，其他的都是为了实现其功能的配件，然后在经过传感器之后需要将其信号传递给一个数字仪表来反应。（3）配料控制系统：该系统中除了把握添加原料数量的仪表外，还有控制其运作的控制器以及相关的组件。（4）校称系统：类似于很多测量系统的一种校正手段，目的就是让其误差被控制在一定区间内。2.3配料技术的最新进展据现在的技术手段来看，对于物料的数量控制还是通过PLC实现的，原因很简单，这种技术既能够让配料几乎完全准确按照设定来进行，并且在需要调整的时候会直接从数据库中调出数据进行重新配料，不需要额外花费时间来进行计算。这种控制器就像是一个又一个的微型计算机相互连接作用，最终实现自动控制的功能。随着现在一些理念的进步以及技术的发展，使用现场总控制的手段成为了主要方式之一，因为这种方式对于很多需要现场调控的产业来说是非常适合的，所以这一技术逐渐成熟是必然的事情。3混凝土厂自动配料设计3.1混凝土的原料选择在本文中所需要配置的混凝土的原材料是石灰质和黏土，在其中根据实际需要的混凝土类型也可以添加其他的成分进行混合生产，在该设计中将会选择石灰石以及铁矿石作为研究的主要原料。3.2控制系统体系结构分析按照实际生产现场的布置看，需要储存的原料主要有石灰石以及铁矿石等几种主要原料，在其对应的位置安装储存仓，为了方便物料的运输，在其附近安装上传送装置等设备，现场设备如图3-1所示。图3-1现场设备3.3控制方案设计3.3.1整体结构控制设计 电气控制系统和上位机监控系统软硬件构成了控制系统的主要部分，通过相互协调的作用实现对整体结构的。前者主要包含有可编辑系统的集成柜以及相关的控制设备，核心是PLC，其余都是用于对输出信号实施的设备以及信号发生器。整体控制结构图如图3-2所示。图3-2控制结构本设计主要使用控制器的型号为西门子S7—200。图3-3是控制结构图进行西门子224I/O口的分配情况图3-3西门子224I/O口分配图3.3.2PID流量调节器的设计如果在计算原料的时候在皮带秤上进行测量，那么会因为其上限问题受到局限，所能测量的数值较小，此时可以将测量设备放置于上一步骤中出料的时候进行计算。在该环节中需要控制出料速度以及量，否则会引起异常情况的出现，导致最后所测数据不准确，计算结果无意义。控制量规律为：（3-1）式子中K，Ti，，Td分别为为比例系数，积分时间，微分时间。其控制流程图如图3-4所示，图3-4PID控制流程图控制结构如下图所示，我们抄录各给料机显示盘的数值，在进行配料方案的编写，把各配料机的数值输送至各仪表盘。图3-5系统控制结构图3.3.3皮带电机控制方案准备阶段：经过系统测试得知电机是否正常的情况，在通过相关的信号传输器发送信号并启动；驱动阶段：在初期启动前通过接收信号判断是否启动，在运行过程中则是判断是否有需要中断电机的异常情况出现；应答阶段:电机中的信号接收器将其实时状态发送到上位监控计算机，然后判断信号性质正常与否；故障：当电机出现问题，通过相关设备将其信号传输至监控系统，从而通知相关人员到场进行故障维修。电机的主接线图如图3-6示。图3-6主接线图3.3.4I/O控制点数统计根据上述分析，统计出I/O点，如表3-1所示。4系统设计4.1控制系统的硬件配置4.1.1PLC型号的选择可编程控制器属于计算机中的一个部分，将其分离出来单独研究，是因为该部分同样是可以适用于工业生产中的，在以前的控制器它们也是从计算机中来的。早期控制器的功能主要是起到一个逻辑控制的效果。伴随时代进步与技术提升，工业上对于过程的管理控制需求增多，所以现在这种控制器的功能也得到了扩展，主要由以下几种特色：1.可靠性高，抗干扰能力强；相比以前传统的设备，它能够很好地保证运行不出现意外，既具备以前的功能，在此基础上还能避免接线带来的故障。此外，其制造的原料本身具备较强的抗干扰性，所以很大程度避免了外界的不良因素带来的可能的影响，具有很高的可靠性。因为使用的外接线很少，所以在连接处的故障相比传统接线式的控制器少了很多，这也就进一步的为企业生产节约了成本。这种PLC控制器在设计的时候就已经自带了本体报警设备，如果其自身发生故障，会直接显示该处出现故障，极大地减少了寻找故障点的时间。2.硬件配套全面，各项功能齐全，适用方面广；该控制器经过几十年的发展后根据需求已经出现了各种规模的规格，能够很好地匹配顾客的需求，可以按照自身需要组装不同类型的模块。因为外接线少，所以在安装这类设备的时候非常方便。另外考虑到传统的控制器对于负载有要求，现在这种新式的PLC能够运用于各种复杂的环境，承载负载能力极强，在各种规模的工业控制场合中得以运用。现代的PLC不仅仅能能够处理逻辑功能，还具有强大的数据计算能力，大部分具有完善的数据运算能力，能很方便的运用于各种数字控制领域。3.简单易懂，深受使用人员欢迎；在工业中用于控制计算机是PLC目前主要的使用领域，同样也是适用于本设计中的是矿企业的工控设备。因为其结构设计的非常简单易懂，所以对于工程人员而言是很容易理解的，其中使用的关于逻辑的语言并不多，所以对一些在电子领域方面不熟悉的工业从事人员就很容易适应。4.系统各方面的工作量不大、安装、调试工作量小，方便维护，改造容易；整个系统简单不复杂，对于使用人员而言能够快速根据使用需求进行编辑，这种方式可以很好的适用于少量的生产中。5.体积小，重量轻，能耗低；最近的新型控制器大小相比传统的元器件而言，它所占用的空间是非常小的，一来节约了空间，可以放置其他的元件，二来功率低产热少，出现故障的几率大大降低，是现在机电一体化中最为理想的控制设备。4.1.2扩展模块的选型S7-200系列的PLC上虽然已经提供了一定数量的输入/输出/触点，但是因为实际运用中需要的点数很多，原有的数量是不够的，以前的解决方案是添加扩展模块进行编辑，这样的工作量相当巨大，而且还会因为其CPU功能受到限制。4.1.3电子皮带秤的选型因为需要的原料状态不定，有多种方式存在，所以在选择称的种类就需要结合实际使用面来进行。因为电子称的精度相对于传统的设备而言更加精确，所以在现在工业生产中更加倾向使用这种称重方法。（1）MSI型电子皮带秤构成一般由六大部件组成皮带秤:MSI型电子皮带秤结构图（2）MSI型电子皮带秤工作原理：输送物料的时候，我们可以在传送带上添加传感器，从而可以得到在传送带上的物料的状态。其原理是通过传送的电信号进行转化，最后就可以得到具体的数据。4.1.4变频器的选型变频器的功能则是通过该设备将电压调整至实际需求的数值水平。其中当前使用最广泛的变频器的基本结构如图4-2所示。图4-2变频器的基本结构1、设计整流电路的目的是将输入的各种信号的电流通过一定的电路编辑之后，最终能将所输入的电流全部转化为直流电。2、为了更好地对整流电路的输出进行滤波，我们设计了直流中间电路，具体所选硬件统计见表4-1。选择变频器在我国现在用于控制三相交流电动机速度的变频器有很多，我们就本次设计选用西门子MICROMASTER420型变频器。这款变频器的型号有很种，用户可以根据自己的不同需求选择使用。本次是有微处理器来控制变频器，它采用相对来说比较前沿的绝缘栅双极型晶体管用来作为功率输出工具。他们的安全性是极高的，还有一个选择的原因是它们开关频率可以自己选择，相对来说电动机在运行时的声音也是能够调整的。MICROMASTER420具有完整的工厂设置参数，我们想要的是能够最为简单的为控制系统供电的变频驱动装置，而这一款完全可以满足。它具有完美的控制功能，在不同的参数设置下，它还能够为跟高级的电动机控制系统服务。4.2I/O点及数据储存地址分配在控制开关的过程中，为了便于信号传输过程效率的提升，I/O分配将每个分支下的元器件自行编号，在此之后在为其分配地址，最后就可以在输出信号的时候直接按照后面的规则进行，I/O点分配见表4-2，人工控制的相关参数变量地址见表4-3。4.3控制程序的设计因为PLC是按照程序控制来进行控制的，所以没有程序的话,PLC就没法用来正常的工作。具体要画出程序控制的流程图，并且还要编写程序具体的梯形图。图4-3所示为程序控制流程图。图4-3程序控制流程图根据其I/O的分配及该系统的流程图编写程序如附件：5组态软件的介绍及设计5.1组态软件简介5.1.1软件说明

这个软件有两个版本，除了最基本的以外还有一个是关于电力控制的一个版本，除了最基础的功能外，还可以将模拟配电功能加入其中，就可以看是否在组建完成的条件下实现成功运行。两个版本相互独立且他们的控制文件不能兼容，如果单纯是为了设计组态控制方案的话就不需要配电，像该项目就需要电力系统来控制，所以在该研究中用的是通电的版本。5.1.2图形系统主要特点因为该平台的兼容性十分强大，所以将工程中需要的一些图片可以随意插入进去，这样就可以节约很多核对的时间，为编辑过程提供了极大的便利。此外，该平台可以支持多个图层同时存在并随意切换编辑，每一个图层的显示与否我们都可以通过脚本来控制。5.2组态软件设计5.2.1力控组态软件的启动安装完毕组态软件后再启动它，界面如图5-1所示。图5-1工程管理器新创建一个项目，在其管理窗口可以进行该操作，我们这里将其命名为混凝土配料，界面如图5-2所示。图5-2新建工程然后在选中该项目之后就会弹出以下的编辑界面，如图5-3所示，就是力控6.1的开发界面。图5-3开发界面5.2.2力控组态软件的开发过程1.选择I/O设备组态首先先对其设备组态进行编辑，在编辑界面的左侧选中“IO设备组态”，然后我们找到需要的控制器的类型为PLC，如图5-4所示。图5-4I/O设备选择首先要先将其命名，然后设置它的地址与信息的通信方式，其余选项不变动。第二步则是先将第一步中操作保存，然后就确认完成，界面如图5-5所示。图5-5设备配置第二步2.建立数据库组态返回编辑的主界面后找到左侧菜单中的数据库选项，我们将在此编辑我们需要控制的项目。选择之后需要编辑的位置之后将需要添加的项目一项一项的加入进去，如图5-6所示，建立数据库，然后保存再关闭数据库组态窗口。图5-6数据库组态3.监控界面组态本文设计的监控画面有混凝土配料主界面、主菜单、控制画面、参数设置、实施曲线以及报表等。之后再工具栏中将需要的各种元件添加进去，最后绘制的图如图5-7所示。图5-7监控系统主界面图5-8是主菜单的界面。图5-8主菜单界面为了知道各项设备是否处于正常状态运行，所以在其附近就配置相应的指示灯进行提示。这里的设备都有启动和停止按钮，比如用于控制添加处理原料的设备等等，如图5-9所示。图5-9控制界面参数监控画面是监控各个原料投入及运行状况的界面，如图5-10所示。图5-10参数监控而在其中检测的实时数据则是需要先设置好相关的参数之后，选择界面中的趋势曲线，就可以知道实时数据的变化轨迹，变量的变化曲线如图5-11所示。图5-11实时曲线设置另外在该平台中有一项对于数据的统计记录功能，该功能名为报表功能，同样的需要先设置好参数之后，在主页中找到该功能，显示的报表如图5-12所示。图5-12报表4.动画连接在将全部步骤操作完毕之后，为了试验该系统的编辑是否合理，以及是否会出现问题，我们需要进行动画模拟，将所有组分连接然后通过其动画功能进行编辑，如图5-13所示，根据动画的不同，选择不同的连接，并写入相关的程序。图5-13动画连接例如主菜单界面中的连接标志，双击连接标志，在出现的动画连接窗口中选择“显示窗口”，如图7-14所示。图5-14窗口显示5.2.3力控组态软件运行编辑完动画之后，就需要运行试验，在编译界面中设置完参数就可以点击开始运行的选项进行最终检验。图5-15参数设置“修改”可以设置有关混凝土配料的参数，如图5-15所示。要启动的话需要将所有分部的设备开关提前打开，这样才能保证总开关开启的时候，现场能够运作，而运作结果可以在推出上述操作界面之后，在主界面中可以看到实时运行的情况。当发生故障时，主界面的故障指示灯会发出报警，这时可以点击“急停”按钮。这样会立即停止所有电机的运行，从而减小损失。单击主菜单中的“退出”按钮可以退出整个监控界面。图5-16运行时的主界面流量的实时曲线可以由图5-17看到，报表则是图5-18所示。图5-17实时曲线图5-18报表6结论本文设计的自动配料系统的关键部分是其监控系统，而在该系统中则是利用PLC与组态软件相互作用的协调下实现功能。在保证系统正常运作的前提下对整个过程以及每个细节都进行全面的监督控制，保证在工艺中每个环节不出现意外，且能够让物料按照预期比例进行混合加工，从而既保证了质量又提高了效率。此外利用力控组态软件可以实现对自动配料系统的实时监控。在该研究中设计部分有以下几个部分，硬件电路设计、软件程序设计、监控界面的设计，除此之外还有让其整体化得一种通讯方式，即力控组态软件与PLC之间的通讯。而我们的主要研究重点则是要保证所有的料是按照预期进行配比混合，这样才能满足当时的设计目的。硬件部分