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| 混凝土控制系统设计 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。 关键词：混泥土 PLC I/O分配 目录 1 混凝土搅拌站控制系统设计 1 1.1控制系统设计的基本原则及步骤 1 1.2 PLC的工作原理 2 1.3可编程控制器的选用及组态软件选择 4 2 混凝土搅拌站PLC程序设计 8 2.1混凝土搅拌站PLC程序设计思想 8 2.2混凝土搅拌装置的工艺流程 8 2.3系统初始化程序及主程序设计 9 2.4报警电路的设计 9 2.5断电保护程序设计 9 2.6 I/O分配表和模拟量输入地址 10 3 程序调试 11 3.1仿真调试的准备工作 11 3.2仿真调试 13 3.2.1系统初始化程序及主程序调试 13 3.2.2报警程序的调试 14 致谢 16 主要参考文献 17 1 混凝土搅拌站控制系统设计 1.1控制系统设计的基本原则及步骤 任何一种控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。再设计控制系统时，应遵循以下基本原则： ① 最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，要深入现场进行调查研究，收集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合共同拟定电气方案，协同解决实际中出现的各种问题。 ② 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。监控界面友好，简洁明快。 ③ 保证控制系统的安全、可靠。 ④ 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量及MCGS监控点时，应该留有余量。 控制系统设计的一般步骤如图1-1所示： 图3-1 PLC控制系统设计流程图 1.2 PLC的工作原理 PLC采用循环扫描的工作方式，其扫描过程如图1-2所示。 图1-2 PLC循环扫描工作方式 这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信操作服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停(STOP)状态时，只进行内部处理和通信服务操作等内容。在PLC处于运行(RUN)状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。 ①输入处理 输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在此输入映像寄存器被刷新接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。 ②程序执行 根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中，对每个器件而言，器件映像寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。 ③程序处理 程序执行完以后，将输出映像寄存器，即器件映像寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。PLC的扫描既可按固定的顺序进行，也可按用户程序所指定的可变顺序进行。这不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行一次，而目也因为在一些大系统中需要处理的I/O点数多，通过安排不同的组织模块，采用分时分批扫描的执行方法，可缩短循环扫描的周期和提高控制的实时响应性。 循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，也可以说PLC是“串行”工作的，这和传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别。PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。 由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映像寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。暂存在输出映像寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。由此可以看出，全部输入输出状态的改变需要一个扫描周期。换言之，输入输出的状态保持一个扫描周期。扫描周期是PLC一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。PLC的扫描时间取决于扫描速度和用户程序长短。毫秒级的扫描时间对于一般工业设备通常是可以接受的，PLC的响应滞后是允许的。但是对某些I/O快速响应的设备，则应采取相应的措施。如选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。影响I/O滞后的主要原因有:输入滤波器的惯性;输出继电器接点的惯性;程序执行的时间;程序设计不当的附加影响等。 1.3可编程控制器的选用及组态软件选择 (1)可编程控制器的选用 进行PLC选型时，应该从以下几个方面进行考虑: ①I/O点数问题:当控制对象I/O点在60点之内，I/O点数比为3:2时选用整体式(小型)PLC较为经济;当控制对象I/O点在100-300点左右，选用中小型模块式的较为合理；当控制对象I/O点在500点以上时就必须选用大型PLC。 ②I/O类型问题:I/O类型也是决定PLC选型的重要因素之一，一般而言，多数小型PLC只具有开关量I/O，PID，A/D，D/A、位控功能一般只有大、中型PLC才有。 ③联网通信问题 联网通讯是影响PLC选型的重要因素之一，多数小型机提供较简单的RS-232通讯口，少数小型PLC没有通讯功能。而大型PLC一般都有各种标准的通信模块可供选择。 ④系统响应时间问题 系统响应时间也是影响PLC选型的重要因素之一。一般而言，小型PLC扫描时间为10-20ms/kb;中型PLC扫描时间在10ms/kb以下;大型PLC扫描时间在1 ms/kb以下，而系统响应时间约为2倍的扫描周期。 ⑤可靠性问题 应从系统的可靠性角度，决定PLC的类型和组网形式，比如对可靠性要求极高的系统，可考虑选用双CPU型PLC或冗余控制系统/热备用系统。 ⑥程序存贮器问题 在PLC选型过程中，PLC内存容量、型式也是必须考虑的重要因素。通常的计算方法是:I/O点数×8(开关量)+100×模拟量通道数(模拟量)+120×(1+采样点数×0.25)(多路采样控制)。进行PLC选型时，不要盲目地追求过高的性能指标。另外，I/O点数，存贮容量应留有一定的余量以便实际工作中的调整。确定PLC的型号以后，就必须对各种模块进行选型，开关量模块的选型主要涉及到如下几个问题: ①外部接线方式问题。I/O模块一般分为独立式、分组式和汇点式。通常，独立式的点均价格较高，如果实际系统中开关量输入信号之间不需隔离可考虑选择后两种。 ②点数问题。前面所说，点数是影响PLC选型的重要因素，同样在进行I/O模块的选型时也必须根据具体点数的多少选择恰当的I/O模块。一般而言，点数多的点均价就低。 ③开关量输入模块。通常的开关量输入模块类型有有源输入、无源输入、光电接近传感器等输入。进行开关量输入模块的选型时必须根据实际系统运行中的要求综合考虑。 ④开关量输出模块。通常的开关量输出模块类型有继电器输出、可控硅输出和晶体管输出。在开关量输出模块的选型过程中，必须根据实际系统运行要求及要求输出的电压等级进行相应的选型。本系统中的称重系统主要为电子秤，它们所提供的模拟量和其它一些安全监测传感器所提供的开关量，作为PLC准确控制的依据。模拟输入量包括砂料、石料等重量。 开关输入量有: 系统开关按钮；搅拌机（翻斗门）的上限位、下限位；沙料箱、石料箱闸门开关；各种机器故障；报警销铃；手动回零等。 PLC的开关量输出有: 搅拌机、石料输送机、沙料输送机、水泥螺旋输送机、水泵、添加剂螺旋输送机、翻斗机、传送带等。这些信号经功率放大后驱动相应的执行机构。 本系统需要配置的I/O点如下:2个模拟量输入；19个开关量输入；22个开关量输出。 根据对上述控制任务的分析，本项目选择了Siemens的模块化中小型PLC系统S7-200，它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。其模块化、无排风扇结构、和易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-200成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的方案。S7-200系列所具有的多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加的模块对PLC进行扩展。SIMATIC S7--200所具备的高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。此外，S7-200系列PLC还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。 (2)组态软件选择 所谓工控组态软件是利用系统软件提供的工具，通过简单形象的组态工作，构成系统所需的软件。组态软件正在代替各种计算机语言的软件开发，易学易用，深受工程开发人员的青睐。 近年来国内外的软件开发商和DCS生产厂商开发的组态软件品种繁多，如Intellution公司的Fix DMACS，西门子公司的WinCC，研华公司的Genie等等。组态软件大都由专业软件公司开发，提高了系统的成功率和可靠性，减轻了工程开发人员的工作量。 组态软件通常有以下几方面的功能: ①强大的画面显示组态功能。目前，工控组态软件大都运行于windows环境下，充分利用windows的图形功能完备，界面美观的特点，提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲的绘制出各种工业画面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的画面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使画面生动、直观。 ②良好的开放性。社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬件不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。 开放性是指组态软件能与多种通讯协议互联，支持多种硬件设备。开放性是商量一个组态软件好坏的重要指标。组态软件向下应能与低层的数据采集设备通讯，向上能与管理层通讯，实现上位机和下位机的双向通讯。 ③丰富的功能模块。提供丰富的控制功能库，满足用户的测控要求和现场要求。利用各种功能模块，完成实时监控、产生报表、显示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作。 系统既可适用于单机集中式控制，分布式控制，也可以是带远程通信能力的远程测控系统。 ④强大的数据库。配有实时数据库，可存储备种数据，如模拟型，离散型，字符型等，实现与外部设备的数据交换。 ⑤可编程的命令语言。有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编写程序，增强图形界面。 ⑥周密的系统安全防范。对不同的操作者，赋予不同的操作权限，保证整个系统的安全可靠运行。 ⑦仿真功能。提供强大的仿真功能，使系统并行设计，从而缩短开发周期。本文上位机组态软件采用北京亚控自动化软件科技有限公司开发的“组态王6.5 ",“组态王6.5”以Microsoft Windows95 / Windows98/Windows NT中文操作系统作为其操作乎台，充分利用了Windows图形功能完备，界面一致性好，易学易用的特点。它使采用PC机比以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，大大减少了工控软件开发者的重复性工作，并可运用PC机丰富的软件资源进行二次开发。 “组态王6.5”软件包由工程管理器TOUCHMAK和画面运行系统TOUCHVEW两部分组成。 工程管理器是“组态王6.5”软件的核心部分和管理开发系统，它将画面制作系统中已设计的图形画面，命令语言，设备驱动程序管理，配方管理，数据报告等工程资源进行集中管理，它内嵌画面开发系统。画面开发系统是应用程序的集成开发环境，程序员在这个环境中完成界面的设计、动画连接的定义等。画面开发系统具有先进完善的图形生成功能:数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性，对数据的报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能有简单的操作办法。利用组态王丰富的图库，用户可以大大减少设计界面的时间，从整体上提高工控软件的质量。 TOUCHVEW是“组态王6.5”软件的实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与I/O服务程序(数据采集组件)的数据交换。它通过实时效据库管理从一组工业控制对象采集到各种数据，并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件。工程管理器和TOUCHVEW是各自独立的Windows应用程序，均可单独使用；两者又相互依存，在工程管理器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在TOUCHVEW运行环境中才能运行。 2 混凝土搅拌站PLC程序设计 2.1混凝土搅拌站PLC程序设计思想 为了使PLC完成混凝土搅拌站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，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。 (2) 各秤斗称量时，达到设定值时停止给料。 (3) 由于秤斗上粘附的原料使称重产生偏差，所以需要进行去皮处理。去皮时，PLC记下此时的重量，此重量即为基准零点。在称量时用总重量减去基准零点值，得到的就是原料的准确重量。 (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。 (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。 2.2混凝土搅拌装置的工艺流程 搅拌站进行混凝土生产时，首先将骨料分别装入各自料仓，然后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投料，然后启动平皮带和斜皮带将骨料卸入集料斗。在骨料配料的同时,搅拌机也开始搅拌,因为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，控制集料斗和各秤斗开门，以把各种材料装入搅拌机进行搅拌。在搅拌机运行了规定的时间后，打开搅拌机的门进行卸料(搅拌站的门先半开，再全开)，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进行快速粗略和慢速精确的计量，以减少称量时间和称量精度。同理，对水的计量亦采用水粗称阀和水精称阀进行控制，而水泥、粉煤灰和防冻剂等添加剂则由计量螺旋机从各自料仓送入各自秤斗进行计量。 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。 2.3系统初始化程序及主程序设计 根据工作流程的要求，PLC控制程序执行输出动作时，计算机必须己经处于数据的采集与处理状态，因此，需要设定内部辅助继电器标志。只有当计算机复位该标志时，PLC才能确认计算机已处于所要求的状态，否则必须关断所有输出负载，进入等待。 同理，结束时，判断停止条件:所有门、所有阀均己关闭;集料斗和秤斗均为空；本批搅拌结束且PLC无输出动作等。 2.4报警电路的设计 由于条件有限，报警电路的设计较为简单，利用I2.1～I2.7作为各电动机故障信号。程序运行流程图如图2-1所示: 图2-1 报警程序运行流程图 2.5断电保护程序设计 由于整个设备的工作流程是连续循环进行的，因此断电之后再起动必须仍然恢复断电前的状态。程序设计选择具有断电保护的内部辅助保持继电器和数据，将气缸、电磁阀或电机的运行状态和参数进行保存，实现断电保护，如图2-2： 图2-2 断电保护程序流程图 2.6 I/O分配表和模拟量输入地址 表2-1 数字量输入/输出地址表 表2-2 模拟量输入地址 3 程序调试 3.1仿真调试的准备工作 第一步：程序编辑好之后，要进行编译。在STEP7-Micro/WIN3.2编程软件（因为我所下载的仿真软件只支持3.2版本的）中选择菜单“PLC（P）”，并选择“全部编译”即可。 第二步：执行菜单命令“文件” “导出”，在弹出的对话框中输入导出的ASCLL文本文件的文件名，默认的文件扩展名为“awl”。 第三步：仿真软件的设置。打开仿真软件后，执行菜单命令“配置”“CPU型号”，在“CPU型号”对话框的下拉列表中选择CPU的型号为CPU226（与编程软件选择的CPU一致），使用CPU的默认网络地址(2)。CPU模块右边空的方框是扩展模块的位置，双击紧靠已配置的模块右侧的方框，在出现的“配置扩展模块”对话框中选择需要添加的模块，此处我选择两个扩展模块：数字量扩展模块EM222和模拟量扩展模块EM231。 第四步：下载程序。点击仿真软件工具条中左边第2个按钮，一般选择下载全部块，按[确定]按钮后，在“打开”对话框中选择要下载的“*.awl”文件。下载成功后，CPU模块中间会显示下载的程序的名称，同时会出现下载的程序代码文本框，可关闭该文本框。 第五步：模拟调试程序。用鼠标点击CPU模块下面的开关板上的灰色小开关，可使小开关的手柄向上，触点闭合，PLC对应 的LED（发光二极管）变为绿色。再点击一次可使其手柄向下，触点断开。带输入的数字量扩展模块下面也有小开关。与用“真正”的PLC做实验相同，对于数字量控制，在RUN模式下用开关切换各小开关的通断状态，改变PLC的输入变量的状态，通过LED观察PLC输出点的状态变化，可以了解程序执行的结果是否正确。另外还通过仿真软件中命令“查看”,“内存监视”来了解程序的执行情况如图4-4，图中“2#1”表示二进制值1。使用内存监视的方法适用于位存储器(M)\特殊位存储器(SM)\定时器\计数器等。 3.2仿真调试 3.2.1系统初始化程序及主程序调试 第一步：测试程序的起停是否符合要求。在仿真软件中下载程序后，点击工具栏的绿色三角形按钮，可切换到运行模式。在运行模式下，点击I0.0(启动按钮)，则Q0.0（循环开始指示灯）的LED亮；点击I0.1（手动开始），各电机启动信号灯(Q0.1\Q0.2\Q0.3\Q0.4\Q0.5\Q0.6)没有亮，这是因为不具备开始条件：搅拌机在上限位且石料箱和沙料箱放料闸门关，点击I0.5（搅拌机上限位）\I0.6（石料箱闸门）\I0.7（沙料箱放料闸门），使其闭合，则各电机启动信号灯亮。程序继续运行，点击I0.2（运行完本次循环后停止），程序继续运行，不受干扰；点击I0.3（紧急停止），则所有输出信号灯灭。从而可以看出起停符合要求。 第二步：测试各电机的起停是否符合要求。点击手动开始按钮，并适时点击各行程开关及闸门状态开关，测试各个电机是否能够正常起停。 第三步：产生“所有配料都放入搅拌机”信号的程序调试。该信号的产生对搅拌站的正常运行有着极其关键的作用，该信号的调试可使用内存监视来实现。 3.2.2报警程序的调试 第一步：按下I1.7（试灯、试铃按钮），则Q2.0（报警玲声）、Q2.1（搅拌机故障指示灯）,Q2.7（翻斗机故障指示灯）全部变亮，否则为错误，须进行修改。 第二步：第一步调试正确的情况下，按下相应的模拟故障按钮，看对应的指示灯是否闪烁、Q2.0（报警玲声）是否亮，否则为错误，须进一步修改。 第三步：第二步调试正确的情况下，按下I2.0（消铃按钮），则Q2.0（报警玲声）灭，相应的故障指示灯转为常亮，否则为错误。 第四步：第三步调试正确的情况下，使产生故障的触点断开，则相应指示灯灭，否则为错误。 致谢 该论文在老师的指导下才得以完成，一开始拿到这篇论文的时候，我根本不知道从哪里下手，这是第一次，也有很多不懂的地方，多亏老师的耐心指导，论文才有了现在的模样。一开始论文的框架构造到后面的写作撰写，论文的设计是否合理，还有一些注意事项都是老师在后面给我指导，一遍一遍的犯错误，一遍又一遍的修改，才可以把论文完成。同学在撰写过程中，给我提出的意见，大家之间互帮互助，内心真的很感谢他们！这次论文的撰写，也是大学第一次自己独立认真去完成的一件事，可谓是花了很多的心思，用了很多的功夫，在这个过程中，也明白了自己独立完成一件事的不容易。感谢论文指导老师，耐心的教导，不断的指出我的错误，不断的修改，跟着老师的这段时间，老师的科学的态度，给我很大的震撼，我要向他学习，做事认真，做人踏实。论文的撰写将很多的专业知识在这里得到了应用，使得我对于专业知识又多了一个层次的理解，平时，只是觉得专业课不过是一些理论的东西而已，很少从专业的角度去看待它，从不去分析，遇到问题找同学，找老师，现在这次论文撰写，个人觉得自己有了很大的提高，在处理问题，解决问题方面，知识需要不断的去学习，不断的去积累。 真诚的去聆听同学以及老师的意见，感谢老师的帮助，同时提高了自己的多方面能力，也在这个过程中，发现了自己的不足，培养了自己独立解决问题的能力，对待事情，对待科学需要有一个严谨的态度，不可随便了事，论文难免有不足的地方，希望老师批评改正。 主要参考文献 1董油海.PLC在混凝土搅拌站计量系统的应用[J].自动化与仪表,2000 ,(4). 2刘士阳.基于PLC和组态软件的搅拌站控制系统[[J].建筑机械,2005, (5). 3李丹,许少云.用于工业过程控制的一种新工具一组态软件[J].计算技术与自动化,1995(3) . 4王立明. 基于PLC和工控机的混凝土搅拌站测控系统设计[J]. 西安建筑科技大学,2006 (3). 5廖常初.PLC编程及应用[M].—2版.北京：机械工业出版社,2005.5 6吴作明.工控组态软件与PLC应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.1 |
