基于PLC触摸屏和变频器的混凝土搅拌设计.docx
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基于PLC触摸屏和变频器的混凝土搅拌设计
摘要：
随着现代化城市建设的不断发展，基础建设，房地产业日益红火，对建设项目的质量要求也越来越高，而高质量的建材则是整个工程高质量的保障。
那种传统的以工地自行生产混凝土的方式由于其质量难以保证，噪声及粉尘污染大。
因而必将被自动控制的混凝土搅拌站取代。
自动控制的混凝土搅拌站具有产品质量优良、生产效率高、环保性能好等特点，正在成为混凝土生产的主流。
本控制系统稳定、可靠。
它可以按照设定的配方，自动、连续的控制各部分物料的计量、投料、搅拌和出料。
本文在阐述各种材料混合和工作原理的基础上针对混凝土的搅拌和生产，使用PLC可编程控制器和触摸屏，由触摸屏向PLC写入配方、发出启动生产信号。
触摸屏读取PLC运行状态、并监控系统运行状态,设计了混凝土的拌和生产线。
搅拌机上加入变频器控制搅拌电机，提高有效搅拌运行速度，节约电能。
关键词：
混凝土搅拌、可编程控制器、触摸屏、自动控制、变频器
目录
第一章绪论6
1.1选题背景以及意义6
1.2我国混凝土搅拌站的需求7
1.3本论文的主要工作7
1.3.1混凝土搅拌站系统简介7
1.3.2混凝土搅拌站控制系统设计7
1.3.3程序的调试8
第二章混凝土搅拌站系统控制概述8
2.1混凝土搅拌站的组成8
2.2电控系统的构成9
第三章搅拌站电控制设计方案10
3.1控制系统设计的基本原则及基本步骤10
3.1.1基本原则10
3.1.2设计步骤10
3.2电气元件的选择11
3.2.1PLC的工作原理及选择11
3.2.2称重传感器的选择12
3.2.3变频器的选择13
3.2.4上位机的选择13
3.3搅拌工艺流程14
3.4混凝土搅拌站PLC程序设计思想14
3.5PLC程序设计17
3.5.1PLCI/O表17
3.5.2PLC和变频器的接线图18
3.5.3PLC控制程序18
3.5.4触摸屏控制画面18
3.6变频器的简单设置19
3.7程序调试20
3.8小结20
结论与展望21
致谢22
参考文献23
附录124
附录231
第一章绪论
1.1选题背景以及意义
可编程控制器（PLC）已成为产业生产从动化三大技术支柱（机器人技术、CAD/CAM技巧和PC技术）之一，其有运算速度快、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用便利、编程方便、抗干扰能力强等特点，然而因为其自身不具备人机交互功能，在工艺参数较多，需要人机交互时，应用触摸操作功能的触摸屏是一种很好的选择，通过触摸屏和PLC联合使用，能够在触摸屏中直接设定目标值与理论值进行比拟。
并可实时监控到系统中实际值的大小，实现报警、诊断等功能。
结合触摸屏系统、电子称量仪表和变频器配套使用，使之性能增强，现在普遍运用于工业出产中。
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,而且随着人们环保意识的加强，为了减少城市噪音和污染,交通和建筑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，而且要求生产速度快,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。
由PLC控制变频器可根据负载情况控制电机的运行还可以有效的节约电能的消耗。
1.2我国混凝土搅拌站的需求
在新的五年计划中,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，这都需要大量合格的混凝土,新的混凝土搅拌站需满足：
1、智能化智能化是所有机械设备的最终发展方向，搅拌站也不例外。
2、环保化目前我国混凝土搅拌站的低环保性要从粉尘、噪声和污染三个方面加以改进和提高。
3、高精度化高精度化主要指骨料、水泥、水和外加剂的计量精度，目前精度还有较大的提升空间。
计量的高精度化是我国搅拌站的奋斗目标和发展方向，只有提高了计量精度才能生产出更高标号的高强混凝土来。
4、标准化符合国家的混凝土标准。
5、国产化国产化是其发展的必然方向。
6、普及化西方发达国家的混凝土搅拌站机械化要比我们早20年以上，目前其普及程度已相当高，从城市到乡村都已经实现了混凝土机械化。
根据我国目前现状来看商品混凝土的普及还需一个漫长的过程，现在只有沿海几个发达省份或者是较为发达的乡村开始普及商品混凝土，如居民建房已经开始使用商品混凝土。
想在不久的将来中国商品混凝土普及到广大农村已经不是梦想。
1.3本论文的主要工作
1.3.1混凝土搅拌站系统简介
凝土搅拌站混凝土搅拌站主要由搅拌主机、物料称量系统、物料输送系统、物料贮存系统和控制系统等5大系统和其他附属设施组成。
1.3.2混凝土搅拌站控制系统设计
根据混凝土搅拌站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，实现混凝土搅拌站控制系统对整个混凝土生产过程的可靠控制。
1.3.3程序的调试
通过仿真软件对初始化程序、报警程序、断电保护程序进行调试和修改，使得程序更加符合设计的要求。
第二章混凝土搅拌站系统控制概述
2.1混凝土搅拌站的组成
混凝土搅拌站混凝土搅拌站主要由搅拌主机、物料称量系统、物料输送系统、物料贮存系统和控制系统等5大系统和其他附属设施组成。
如图2-1。
图2-1
1）搅拌主机
即一般的混凝土搅拌机，没有提升装置和供水装置。
其设计技术很成熟，在搅拌站设计中，一般采用标准搅拌机。
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）物料称量系统
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、高效的称量设备不仅能提高生产率，而且是生产优质高强混凝土的可靠保证。
一套完整的称量设备包括储料斗、给料设备（闸门或给料机）和称量设备等。
3）物料输送系统物料输送由三个部分组成：
一、目前搅拌站输送有料斗输送和皮带输送两种方式。
料斗提升的优点是占地面积小、结构简单。
皮带输送的优点是输送距离大、效率高、故障率低。
皮带输送主要适用于有骨料暂存仓的搅拌站，从而提高搅拌站的生产率。
二、粉料输送：
混凝土可用的粉料主要是水泥、粉煤灰和矿粉。
本设计采用的粉料输送方式是螺旋输送机输送，优点是结构简单、成本低、使用可靠。
三、液体输送主要指水和液体外加剂，它们是分别由水泵输送的
4）物料贮存系统
料斗设备由贮料斗、卸料设备（闸门、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。
2.2电控系统的构成
控系统由PLC、触摸屏、传感器、中间继电器和执行机构等构成:
1、PLC采用三菱FX2N系列产品。
它具有兼容性强和可靠性高的特点，为搅拌站的整个电控系统带来了高质高品的性能，也有利于用户今后对搅拌站的更新与扩展，本设计的混凝土搅拌机由PLC作为控制核心。
2、触摸屏触摸屏监控器适于在恶劣的工业环境中应用，在触摸屏中直接设定目标值与理论值进行比拟。
并可实时监控到系统中实际值的大小，实现报警、诊断等功能。
3、传感器主要包括称重传感器和行程开关等。
4、执行机构包括骨料放料电磁法阀、水泵、添加剂螺旋运输机、送料电机、搅拌电机等。
5、变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。
第三章搅拌站电控制设计方案
3.1控制系统设计的基本原则及基本步骤
3.1.1基本原则
基本原则：
任何一种电气控制系统都是为了实现生产设备或生产过程的控制要求和工艺需要，从而提高产品质量和生产效率。
因此，在设计PLC应用系统时，应遵循以下基本原则：
1．充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。
2．在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。
3．保证控制系统安全可靠。
4．应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I／O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。
3.1.2设计步骤
1．分析被控对象，提出控制要求。
2.确定输入、输出设备。
3．确定PLC的I/O点数，选择PLC机型。
4．分配I/O点数，绘制PLC控制系统输入、输出端子接线图。
5．程序设计，绘制工作循环图或状态转移图。
1）初始化程序；2）控制程序；3）检测、故障诊断和显示等程序；4）保护和互锁程序。
6．程序调试。
先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。
7．调试过程结束，整理技术资料，投入使用
3.2电气元件的选择
3.2.1PLC的工作原理及选择[1]
PLC采用循环扫描的工作方式，其扫描过程如图3-2所示。
这个过程一般包括五个阶段：
内部处理、通信操作、输入扫描处理、执行用户程序、输出处理。
当PLC方式开关置于运行（SUN）时，执行所有阶段；当PLC方式开关置于（STOP）不执行后三个阶段，此时可进行通讯操作，对PLC编程等。
1内部处理CPU检查主机硬件和所有的输入、输出模块等在运行模式下，还要检查用户程序存储器。
发现异常，则停止并显示错误。
如自珍正常，则继续向下扫描。
2通信操作在扫描周期的通信操作阶段，CPU自检并处理各通信端口接收到的所有信息。
完成数据通信任务。
即检查是否有计算机、编程器的通讯要求，若有则进行相应的处理。
3输入扫描处理输入扫描又称输入采样。
在此阶段，顺序读入所有输入点的通断状态，并将读入的信息存入输入映像寄存器，输入寄存器将被刷新。
程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使外界信号变化，其内容也保持不变。
4执行用户程序用户程序在PLC中是顺序存放的。
在此阶段，CPU根据PLC用户程序从第一条指令开始顺序读取指令并执行，知道执行完最后一条指令结束。
执行指令时，从输入映像寄存器读取各输入端的状态，执行指令对各数据经行算术运算或逻辑运算，然后将运算结果送输出映像寄存器，输出映像寄存器的内容会随着程序的运行而改变。
5输出处理执行程序完毕，将输出映像寄存器的状态存到输出寄存器，集中对输出点经行刷新，通过输出隔离电路，驱动功率放大器，使输出点向外界输出控制信号，驱动外部负载。
本设计根据I/O点数，运行环境，程序大小，开关量的输入输出综合考虑选择三菱FX2N系列PLC，选用FX2N-48MR型号。
具有以下特点：
系统配置既稳定又灵活，编程简单，模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。
3.2.2称重传感器的选择[2]
混凝土搅拌站控制系统主要采集的是各种物料的重量信号，故本系统选用的是压力传感器。
压力传感器是称重系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测物重量信号转换成容易测量的电信号输出，给称重仪表显示重量值，控制或报警等使用。
影响称重传感器选型的因素：
①称重传感器选型应考虑过负荷因素
②可靠性
③传感器的防护等级
④搅拌站的规模和工作类型
⑤称重传感器的准确度
称重传感器的选型应充分考虑以上一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。
工程机械搅拌设备用称重传感器的选型既要考虑混凝土搅拌楼站称重系统的基本要求，又要兼顾称重传感器的运行环境，还要削弱那些对称重传感器有重要影响的因素，合理地选择使用传感器。
根据不同类型和规模的搅拌设备选用相应的传感器。
混凝土搅拌站要求的传感器额定载荷从1kg～4000kg不等，骨料传感器的称量范围最大，一般为50kg～4500kg;外加剂传感器的额定载荷最小，一般不超过50kg。
综合分析了传感器的量程和范围、线性度、灵敏度和分辨率后，并且根据搅拌站中称重传感器的运行环境，选用的是HL-F
（1）型方悬臂梁高精度压力传感器，如图3-2-2。
图3-2-2压力传感器F型
F型传感器，最大工作电压15V（DC，其额定载荷则为1～20T。
F型传感器采用剪切结构，抗偏载、抗侧向能力强，具有动态响应快、综合精度高、防尘、防潮、防水性能好的特点。
特别适合于恶劣环境，如建筑、水利、化工、电力、港口等行业的工程机械，如搅拌站、打桩机、配料秤、料斗秤等。
3.2.3变频器的选择[3]
根据混凝土搅拌机的电机负载较大，选择FR-A700型号的变频器。
FR-A700产品适用于各类对负载要求较高的设备，如起重、电梯、印包、印染、材料卷取及其它通用场合。
三菱FR-A700系列变频器具有高水准的驱动性能。
它具有独特的无传感器矢量控制模式，在不需要采用编码器的情况下可以使用各式各样的机械设备在超低速区域高精度的运转。
并且带转矩模式控制，并且在速度控制模式下可以使用转矩限制功能。
3.2.4上位机的选择
采用DCS投资太大，设备浪费比较严重，所以通常采用PLC控制系统，但由于搅拌设备比较庞大，PLC无法显示生产设备的运行情况，操作人员经常要到现场去观察生产设备的运行是否正常，操作起来很不方便，工作效率很低，而且不能及时观测生产设备的运行情况。
鉴于这种情况，提出基于MCGS的搅拌设备监控系统设计的构想。
MCGS（监视与控制通用系统）是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp/等操作系统。
有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。
通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。
用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。
简单灵活的可视化操作界面。
MCGS嵌入版采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求。
以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS嵌入版的组态工作既简单直观，又灵活多变。
3.3搅拌工艺流程
搅拌站开始进行混凝土生产时，首先将骨料已经分别装入各自料仓，打开石料和砂料的给料阀门分别将骨料投入到秤斗进行称量，秤斗中的骨料不断增加直到电子秤指示到所要求的重量才控制下料阀门停止放料，然后启动斜皮带将骨料卸入搅拌料斗。
在骨料配料的同时,皮带轮也开始运行,搅拌机低速运行，同时在利用定时器进行水泥、所需水及外加剂的计量。
在混凝土所需的各种材料计量完毕后，搅拌机进行高速搅拌。
在搅拌机运行了规定的时间后，打开搅拌机的门进行卸料，完成混凝土生产的一个循环。
在石料、砂料的称重计量时，系统用分别控制两个门快达到关门预定值（配方值-落差）后关闭卸料门，称量斗在下料的是时候启动振动器，将粘附在料斗壁上的材料震掉，加强称量精度。
水泥、添加剂和水等则由计量螺旋运输机和水泵从各自料仓直接送入搅拌机。
由于整台设备生产的连续性较强，控制系统中，每一个动作的前后时序性都有严格的要求，且到达某个状态时，必须保证与这一状态有关的动作全部完成，才可以进入下一个状态，因此必须通过设备上安装的限位开关和传感器对各执行机构的状态进行监控。
3.4混凝土搅拌站PLC程序设计思想
PLC要完成整个混凝土搅拌的过程控制，PLC就需要采集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，并对此进行处理后，输出对电磁阀、电动机等各执行机构的控制信号，其具体细节如下:
1）石料斗秤、沙料斗秤等由称重传感器感应的信号分别经称重变送器进入PLC。
由于变送器输出的是并行BCD码，所以需经过程序转换成二进制码，存储在PLC的数据寄存器中。
然后经过PLC程序处理。
本文使用计时器代替称重量。
2）秤斗称量时，快速达到关门值（配方值-落差）后关闭出料门停止给料。
3）由于秤斗上粘附的原料会使称重产生偏差，在秤量斗上加装振动器，使其完全下料。
4）考虑到有可能因突然停电造成配料停止，为了不使已经配好的原料浪费，己经配好的原料的重量需要具有停电保护功能，所以在程序中，把这些重量信号存在可断电保持的数据寄存器中。
选择断电保持寄存器D200~D511，只要不改写其中的数据，原有的数据就会保持不变，电源接通或断开，PLC运行与否都不会改变其中的数据。
5）由于搅拌站运行过程中,各送料机及搅拌机等难免不出故障,因此,应设计故障报警程序。
报警使用蜂鸣器。
6）物料搅拌完成，给予一个警铃，告诉控制人员和外面拉物料的车，物料已完成，准备放料了。
阀门未打开报警和完成铃声提示流程如图3-4-1：
提示和报警流程图3-4-1
混凝土搅拌整体流程如图3-4-2：
搅拌整体流程图3-4-2
3.5PLC程序设计
3.5.1PLCI/O表如图3-5-1：
I/0表
X0
SB1
启动
Y0
KA1
传送带
X1
SB2
手动
Y1
KA2
石料仓门
X2
SB3
自动
Y2
KA3
砂料仓门
X3
SB4
急停
Y3
KA4
石砂秤仓门
X4
SB5
消铃按钮
Y4
KA5
水泥螺旋运输机
X5
KH
热保护
Y5
KA6
添加剂螺旋运输机
X6
SQ1
称重料斗放料检测
Y6
KA7
水泵
X7
SQ2
搅拌机上限
Y7
KA8
搅拌机放料
X10
SQ3
搅拌机下限
Y10
KA9
振动器
X11
SQ4
搅拌机放料检测
Y11
KA10
故障报警
X12
SQ5
搅拌放料
Y12
KA11
完成铃声
Y13
KA12
变频器
Y20
STF
搅拌机正转
Y21
STR
搅拌机反转
Y22
RH
高速
Y23
RM
中速
Y24
RL
低速
Y25
Y26
PLCI/O表图3-5-1
3.5.2PLC和变频器的接线图3-5-2。
PLC接线图3-5-2
3.5.3PLC控制程序
按照控制要求编写PLC程序，见附录1。
3.5.4触摸屏控制画面
触摸屏画面按照实际生产流程布置，有利于操作人员更好的掌握生产过程。
如图3-5-4。
触摸屏布局图3-5-4
触摸屏控制主程序流程画面，自动控制量由触摸屏输入
3.6变频器的简单设置
如图3-6：
名称
表示
设定范围
最小设定单位
设定值
上限频率
Pr1
0～120Hz
0.1Hz
120Hz
下限频率
Pr2
0～120Hz
0.1Hz
50Hz
3速设定（高速）
Pr4
0～120Hz
0.1Hz
80Hz
3速设定（中速）
Pr5
0～120Hz
0.1Hz
70Hz
3速设定（低速）
Pr6
0～120Hz
0.1Hz
60Hz
加速时间
Pr7
0～999s
0.1s
5S
减速时间
Pr8
0～999s
0.1s
5S
操作模式选择
Pr79
0～4,7,8
1
2
变频器简单设置图3-6
3.7程序调试
按照程序调试步骤。
先进行了模拟调试，再和预先接好的模拟控制板进行现场联机调试；先进行了手动、自动分段调试，再进行整体的系统的调试。
3.8小结
本章按照电路设计流程，进行了主要元器件的选择，并按照混凝土搅拌的控制流程设计了PLC电控程序和MCGS控制画面。
结论与展望
本文从混凝土搅拌站的产生、发展、结构及工艺流程和软件设计过程介绍分析开始进行了搅拌设备的整体研究设计，第二章接着分析了混凝土搅拌站测控系统的具体计量机构、控制方式，对混凝土搅拌站的组成、电控系统的构成以及传感器和变频器的选型作了简要的论述。
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进行选型;结合搅拌站的控制流程，利用三菱GX软件进行编程，进行PLC程序的设计、并以MCGS平台，进行工控机监控的设计。
由于作者的水平有限，设计的控制系统跟实际使用还有很大的差距需要进一步深入研究与设计:
1.报警系统需要进一步设计，具体到每一个检测点。
2.混凝土搅拌站生产过程中配料更加准确。
3.控制画面布局需要优化。
采用FX2N-PLC和配料控制器控制混凝土搅拌站的整个配料过程简化了线路,提高了工作的可靠性,降低了系统的故障率。
加入变频器增加了搅拌有效率，节约了电能。
MCGS的优秀的触摸控制画面简化了生产操作，使其控制效率更高。
满足了我国经济建设的高速发展的需要。
致谢
论文的写作过程中遇到了很多的困难和障碍，都在季海群老师的帮助下度过了。
他对我无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。
感谢南京技师学院电气工程系提供的实验器材。
论文的完成过程是以后我以后人生生活的重大财富，在此特向恩师表示由衷的感谢和崇高的敬意
参考文献
[1]常文平.电气控制与PLC原理及应用，中国劳动社会保障出版社2007.
[2]严全生.动检测与传感器应用，北京：
中国劳动社会保障出版社，2006
[3]王仁祥、王小曼.通用变频器选型、应用与维护.人民邮电出版社，2005年9月
附录1
附录2
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