电气工程与自动化毕业论文：混凝土搅拌机的PLC控制设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计混凝土搅拌机的 PLC 控制设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 2摘要混凝土搅拌机伴随建筑行业的发展而发展的。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，它由物料称量、投料、搅拌、出料等结构部件组成，是一个受多环节制约的复杂系统。常见的混凝土搅拌机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。PLC 和配料控制器结合控制的搅拌机性能可靠、功能完善编程简单等特点，可以保证混凝土的质量，提高混凝土生产效率。PLC 控制作为混凝土搅拌机的核

2、心，控制及监控程序在控制可靠、计量精确、管理方便等方面的要求也日益提高。本文介绍的是基于 PLC 与配料控制器相结合控制的混凝土搅拌机，主要设计如何控制工作程序。另外文中还对混凝土搅拌机的硬件结构、可编程控制器的基本结构和 PLC 的工作过程做了详细的分析。本次的任务是用 PLC 完成混凝土搅拌机整个生产过程的现场控制功能，PLC 需要采集各秤的重量信号及其它传感器和行程开关提供的开关量信号，对其进行处理后，输出对电磁阀、电动机等各执行机构的控制信号。本文任务还有熟悉混凝土搅拌机的工作原理，熟悉 PLC 的工作原理以及编程方法，确定混凝土搅拌机的 PLC 控制方案，选择 PLC 及相关器件，设

3、计硬件接线图，编写 PLC 的梯形图，实现混凝土搅拌机的 PLC 控制。关键词:混凝土搅拌机；PLC；梯形图3AbstractThe concrete mixer is developing along with the development of the construction industry and the birth of cement. It is the essential and necessary equipment in building, bridge, road, dam, etc. engineering constructions, and it is made

4、up by materials weighing, feeding, mixing, and discharging, which make it a complex multi restricted system. Three common ways of controlling of concrete mixer are relay directly control, PLC and computer combined, and PLC and batching controller combined. The concrete mixer with the third way of co

5、ntrolling has reliable performance, perfect functions and easy programming, which can guarantee the quality of the concrete and Improve production efficiency. PLC control, as the core of concrete mixer, the requirement for its reliable control, accurate measurement, and convenient management is also

6、 increasing day by day.What this paper introduces is based on PLC and batching controller combined concrete mixer, mainly design how to control working procedures. In addition, the paper also makes a detailed analysis about the hardware structure, the basic structure of programmable controller, and

7、the working process of PLC. The task is to complete the on-site control function the whole production process of a complete concrete mixer with PLC. PLC need to gather weight signals and travel switch quantity signals provided by other sensors, and output control signals for electromagnetic valves,

8、motor and so on various actuators after treatment. This paper task and familiar with the working principle of concrete mixer, familiar with PLC working principle and programming method, and determine the PLC control scheme concrete mixer, choose PLC and related components, hardware design, write PLC

9、 hookup ladder diagram, achieve concrete mixer PLC controlKeywords: concrete mixer; PLC; ladder diagram4目 录第 1 章 绪 论 .51.1 选题背景及意义 .51.2 传统 PLC 的发展历史和趋势 .51.3 混凝土搅拌机的现状及国内市场分析 .61.4 本课题的研究内容简述 .7第 2 章 混凝土搅拌机的硬件结构 .82.1 混凝土搅拌机的组成 .82.2 混凝土搅拌机设备的种类 .92.3 混凝土搅拌机工作过程分析 .9第 3 章 PLC 可编程控制器 .103.1 控制系统设计的基

10、本原则及步骤 .103.2 可编程控制器的基本结构 .113.2.1 中央处理器 .113.2.2 存储器 .123.2.3 输入单元 .123.2.4 输出单元 .123.2.5 通讯接口 .133.2.6 编程设备 .133.3 可编程控制器的特点 .133.4 PLC 的工作原理 .15第 4 章 混凝土搅拌机 PLC 控制设计 .174.1 PLC 机型的选择 .174.2 混凝土搅拌机 PLC 程序设计思想 .174.3 混凝土搅拌装置的工艺流程 .174.4 通道分配 .1854.3.1. I/O 通道分配 .184.32 定时器和计数器分配 .194.5 辅助继电器分配 .204

11、.6 I/O 接线图 .204.7 系统初始化程序及主程序设计 .214.8 主程序梯形图 .234.9 小结 .27总结 .28致谢 .29参考文献 .30附录 1 主程序指令表 .316第 1 章 绪 论1.1 选题背景及意义本论文的设计课题是混凝土搅拌机的 PLC 控制设计，熟悉混凝土搅拌机的工作原理，熟悉 PLC 的工作原理以及编程方法，确定混凝土搅拌机的 PLC 控制方案，选择 PLC 及相关器件，设计硬件接线图，编写 PLC 的梯形图，实现混凝土搅拌机的 PLC 控制。随着我国经济建设的高速发展，许多大型的基础工程及建筑工程相继开工。建设优质的工程需要高品质的混凝土，而且随着人们环

12、保意识的加强，为了减少城市噪音和污染，交通和建筑竹理部门要求施工用的混凝土集中生产和管理。这样，不仅要求混凝土的配料精度高，而目要求生产速度快，因此，混凝土生产过程中搅拌设备自动控制系统日益受到人们的重视。可编程控制器(PLC)具有可靠性高、功能完善、编程简单且直观，能够有效地弥补继电器控制系统的缺陷。混凝土搅拌机的 PLC 控制发展更能带动经济建设的高速发展。1.2 传统 PLC 的发展历史和趋势随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分下面几个阶段。1.早期的PLC(20世纪60年代末一70年代中期)早期的PLC

13、一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。在硬件上以准计算机的形式出现，在IO接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求：在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式一梯形图。2.中期的PLC(20世纪70年代中期一80年代中、后期)在20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理、传

14、送、通讯、自诊断等功能。3.近期的PLC(20世纪80年代中、后期10年代)进入20世纪80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。现代PLC己经不仅仅具有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通讯的功能。随着PLC应用领域的不断扩大和微处理器的技术的发展，可编程控制器也得到迅速的发展，其发展趋势表现在下列几个方面。（1）向小型化发展在提高系统可靠性的基础上，PLC产品的体积越来越小，速度加快、功能越来越强而价

15、7格降低。从整体结构向小型模块化方向发展，增加了配置的灵活性，更加广泛的取代常规的继电器控制。(2)向大型化方向发展目前大中型PLC的CPU已经从早期的1位、8位、16位朝32位、64位发展，时钟频率已经达到几百兆赫兹，在硬件上，PLC的CPU模块采用32位的RISC芯片，使PLC的运算速度大为提高，一条基本指令的运算速度达到数十个纳秒(ns)。三菱公司的CCLINK、两门子公司的PROFIBUS和AB公司DeviceNet总线等，可以将PLC系统的控制功能和信息管理功能融为一体，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。同时PLC开始向过程控制和计算机数控(CNC)渗透和发展，使得PLC

16、和DCS，CNC己经没有明显的界限。(3)编程语言和编程工具的多样化、高级化和标准化发展PLC系统结构不断向前发展的同时，编程工具和编程语言也随着硬件和软件的发展而不断发展。目前三种PLC编程语言占主导地位：标准的继电器梯形图语言、顺序功能图语言和模仿过程流程的功能块语言。另外新的编程语言不断出现，现在有部分PLC己经采用高级语言如BASIC，C等。为统一PLC的编程，国际电工委员会(IEC)1993年发布了IEC61 131标准，它是有关可编程控制器的硬件、安装、实验、编程、通讯等方面的国际标准。其中IEC611313是可编程控制器标准编程语言，共规定了5种编程语言。其中3种是图形化语言，2

17、种是文本化语言。图形化语言有梯形图(Ladder DigramLD)、顺序功能图(Sequential Char-SFC)、功能块图(Function Block DiagramFBD)：文本化语言有指令表(Instruction ListIL)和结构文本(Structured TextST)，IEC并不要求每个产品都运行上述的全部5种语言，可以只运行其中一种或者几种，但是这几种必须符合标准。(4)发展智能模块智能输入输出模块具有CPU，RAM等可以和PLC的CPU并行工作，提高了PLC的速度和效率。各种智能模块在不断的推出，如高速计数模块、PID回路控制、远程I0模块、通信和人机接口模块、专

18、用数控模块等，使PLC的过程控制功能大大加强，在可靠性、适应性、扫描速度和控制精度等方面对PLC做了补充。(5)向网络化方向发展加强PLC的联网能力成为PLC的主要发展趋势。PLC的联网包括PLC之间和PLC和计算机之间的联网。PLC的生产厂家都在使自己的产品与制造自动化通信协议标准(MAP)兼容，从而使不同的PLC之间可以相互通讯，PLC与计算机之间的联网能进一步实现计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助设计(CAD)。PLC的新发展近几年来，计算机软件和硬件技术的迅速发展，推动了自动控制技术的一系列的新的发展。目前有许多工业控制产品、机电一体化产品，开始转向以PC机为平台的控制方式，近期推出

19、的PLC产品已采用Windows XP作为编程和操作的平台，PLC结构从整机和模块式发展到直接使用高性能工业控制机实现软逻辑PLC，或者在PLC系统中使用实时嵌入式操作系统(Real-time Embed Operation System)如Window CE，RTLinux等。1.3 混凝土搅拌机的现状及国内市场分析进入二十一世纪以来，随着我国国民经济的高速发展，我国混凝土搅拌机械行业保持8了多年高速增长，随着我国加入 WTO, 近年来，混凝土搅拌机械行业的出口也形势喜人，2008 年，全球金融危机爆发，我国混凝土搅拌机械行业发展也遇到了一些困难，如国内需求下降，出口减少等，混凝土搅拌机械行

20、业普遍出现了经营不景气和利润下降的局面，2009 年，随着我国经济刺激计划出台和全球经济走出低谷，我国混凝土搅拌机械行业也逐渐从金融危机的打击中恢复，重新进入良性发展轨道。2011 年以来全球经济复苏的前景面临波折，自八十年代以来，我国混凝土机械有两次战略性产品结构调整，对行业的发展起到了举足轻重的作用：一是八十年代初期混凝土搅拌机的升级换代，由双锥反转型、立轴和卧轴强制式混凝土搅拌机替代鼓筒型搅拌机，现在这三大系列产品的技术性能己达到国外同类机型的先进水平，从质量到数量上基本满足了国内需求；二是八十年代末到九十年代初“发展一站三车(即混凝土搅拌楼(站)、混凝土搅拌输送车、臂架式混凝土泵车和散

21、装水泥车)，把我国商品混凝土机械搞上去”的战略，推动了混凝土机械行业的第二次产品结构调整，反映了混凝土机械行业稳定、持续、全面发展的深层次要求。在“十五”乃至 2010 年期间，我国要建设一大批大型煤矿、油田、电站、机场、港口、高速铁路、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，国内经济结构调整的呼声逐渐升温，贸易保护主义的抬头，混凝土搅拌机械行业中技术含量低的人力密集型企业，缺乏品牌的出口导向型企业面临发展危机，而注重培养品牌和技术创新能力较强的企业将占得先机，混凝土搅拌机械行业企业如何面对新的经济

22、环境和政策环境，制定适合当前形势和自身特点的发展策略与竞争策略，是混凝土搅拌机械行业企业在未来两年我国经济结构调整大潮中立于不败之地的关键。1.4 本课题的研究内容简述根据控制系统的总体设计思路对混凝土搅拌机的组成、电控系统的构成、称重传感器等硬件进行详细的分析、选型和设计，以便对混凝土搅拌站的硬件系统有一个大概的了解。根据混凝土搅拌机的工艺流程画出程序流程图、进行 PLC 型号的选择、I/O 端口的分配及写出梯形图程序，实现混凝土搅拌机控制系统对整个混凝土生产过程的可靠控制。9第 2 章 混凝土搅拌机的硬件结构2.1 混凝土搅拌机的组成混凝土搅拌机主要由多台主机和一些辅助设备组成，它最基本的

23、组成部分有以下五个:运输设备、料斗设备、称量设备、搅拌设备和辅助设备，混凝土搅拌机生产线图如下图：混凝土储料罐闸门 称沥青斗称石粉斗石粉输送机 沥青输送机放料闸门传送带沥青混凝土运输石料输送机沥青混凝土石料搅拌缸称石料斗1 2 1 2 闸门 上料时上限位图2.1混凝土搅拌机生产线图配料部分装置是有储料的料仓和称料的料斗所构成。储料的料仓有石料、石粉、沥青3大类原料，石料、石粉又分别各有两个料仓，故料仓有5个不同料仓。各原料配比由工程要求给定，由料仓放入称料斗中称料，称料完毕后，按一定顺序放入搅拌缸搅拌（1）运输设备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

24、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， 。水泥输送设备和添加剂输送设备由斗式提升机和螺旋输送机组成。（2）料斗设备料斗设备由贮料斗、卸料设备和一些其它附属装置组成。料斗设备在生产中起着中间10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。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。（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。为了适应各种不同的物料，水泥秤斗是圆形的，骨料秤

25、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）搅拌设备即一般的混凝土搅拌机，没有提升装置和供水装置。搅拌机设计中，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。2.2 混凝土搅拌机设备的种类混凝土搅拌机按其工作原理，分为自落式和强制式两大类。 自落式混凝土搅拌机适用于搅拌塑性混凝土。 强制式搅拌机的搅拌作用比自落式搅拌机强烈，宜搅拌干硬性混凝土和轻骨料混凝土。混凝

26、土搅拌机是把具有一定配合比的砂、石、水泥和水等物料搅拌成符合质量要求的混凝土的机械。混凝土搅拌机按搅拌原理的不同分为自落式与强制式两大类。（1）自落式搅拌机自落式搅拌机的搅拌筒内壁焊有弧形叶片。当搅拌筒绕水平轴旋转时，叶片不断将物料提升到一定高度，然后自由落下，互相掺合。（2）强制式搅拌机强制式搅拌机主要是根据剪切机理进行混合料搅拌。搅拌机中有随搅拌轴转动的叶片。2.3 混凝土搅拌机工作过程分析系统称料分为 3 部分：石料、石粉、沥青。当系统启动后，3 个称料装置根据工程配方开始设定质量比例进行称料。1. 石料料斗称重打开石料 1 的阀，称石料的料斗称重，当石料 1 的重量达到设定值时，关闭石料 1 的阀；再打开石料 2 的阀，由称石料的料斗称重，当石料 2 重量达到设定值时，关闭称料 2的阀。2. 石粉料斗称重打开石粉1的阀，由称石粉的料斗称重，当石粉1重量达到设定值时，关闭石粉1的阀；