（机械电子工程专业论文）基于plc和工控机的混凝土搅拌站测控系统设计.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 基于p l c 和工控机的混凝土搅拌站测控系统设计 专业：机械电子工程 研究生：王立明 指导老师：严洁副教授 摘要 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，拉动了城市预拌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。采用混凝土生产设备一自动控制的搅拌站就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，测控系统在计量精确、控制可靠、管 理方便等方面的要求日益提高。 本文针对搅拌站当前存在的影响混凝土生产质量的计量误差、计算机集中控制 潜在的可靠性风险以及管理功能方面的不足进行研究和设计。首先对混凝土搅拌站 的发展、生产工艺、测控系统的国内外现状等进行了全面论述，并进行基于p l c 和 工控机的混凝土搅拌站控制系统总体设计。然后对混凝土搅拌站的称重系统进行分 析、选型和设计研究。接着根据混凝土搅拌站的工艺流程，进行p l c 系统的设计， 并采用组态王6 5 软件，设计一组系统画面、报表、重量曲线和其它功能窗口等动静 态晁面。最后，研究了神经网络b p 算法，并采用上面阐述的神经网络算法对称重系 统测量结果中的静态非线性误差进行补偿研究。 本文介绍的混凝土搅拌站自动化控制系统，此系统以工控机为上位机，p l c 为 下位机，基于组态王操作平台，提供了一种实用的混凝土搅拌站自动化控制系统方 案。 关键词： 论文类型： 混凝土搅拌站 集散控制系统可编程逻辑控制器 b p 神经网络工控机 应用研究 西安建筑科技大学硕士论文 d e s i g no fc o n c r e t e - m i x i n g - s t a t i o nm e a s u r e - c o n t r o ls y s t e m b a s e d o n p l c a n d 口c m a j o em e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u t e ：w a n g l i m i n g i n s t r u c t o r ：v i c ep r o f y a r d i e w i t ht h eh i g hs p e e do fo u re c o n o m i cd e v e l o p m e n t s ，t h eg e n e r mn a t i o n a lp o w e ri s s t r e n g t h e n e d o u rg o v e m m e n ts t r e n g t h e n si n f r a s t r u c t u r ei n v e s t m e n t t h ei n c r e a s i n g r e q u i r e m e n to f t h ec o m m e r c i a lc o n c r e mh a sp u l l e dt h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h ep r e m i x e d c o m m e r c i a lc o n c r e t ea n dg i v e nt h ec o n c r e t e - m i x i n g s t a t i o nag o o dc h a n c ef o rf u r t h e r d e v e l o p m e n t u s i n gt h ec o n c r e t ep r o d u c t i o ne q u i p m e n t - a u t o m a t i o nc o n t r o la g i t a t i o n s t a t i o nc a ng u a r a n t e et h eq u a n t i t yo ft h ec o n c r e t ea n dr a i s et h ec o n c r e t ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c ym e a s u r e c o n t r o ls y s t e m ，a st h ec o r eo fc o n c r e t e m i x i n g s t a t i o n ，i sd e m a n d e d i n c r e a s i n g l y i n t h e a s p e c t s o fp r e c i s em e a s u r e m e n t ，r e l i a b l ec o n t r o l ，c o n v e n i e n t m a n a g e m e n t a i m i n ga tt h em e a s u r i n ge r r o rw h i c hi n f l u e n c e st h eq u a l i t yo fc o n c r e t e ，t h er i s ko f r e l i a b i l i t yr e s u l t i n gf r o mc o m p u t e r - c e n t r a l i z e dc o n t r o la n dt h ed e f i c i e n c yo fm a n a g i n g f u n c t i o n sw h i c he x i s ti nc o n c r e t e m i x i n g s t a t i o np r e s e n t l y , t h i sp a p e rs t a r t st or e s e a r c ha n d d e s i g n a tf i r s t ，i tg i v e sac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o na b o u tt h ed e v e l o p m e n ta n dt h e p r o d u c i n gf l o wo fc o n c r e t e m i x i n g - s t a t i o n , t h eh o m ea n do v e r s e a s s t a t u s q u a o fi t s m e a s u r e c o n t r o l s y s t e me t c w h i l e g i v i n g ap l c a n d - i p c - b a s e dd e s i g no fi t s m e a s u r e c o n t r o ls y s t e ma saw h o l e t h e n ，t h i sp a p e rg i v e st h ea n a l y s i s ，c h o i c ea n dd e s i g n o ft h ew e i g h i n g s y s t e m t h e p l c s y s t e m i s d e s i g n e da c c o r d i n g t ot h e p r o d u c i n g f l o wo ft h ec o n c r e t e - - m i x i n g s t a t i o nw h i l ei n t e r f a c e so ft h ep r o d u c t i o n m a n a g e m e n t , w e i g h tc u r v e r e p o r tf o r ma n ds of o n ha l ed e s i g n e dt h r o u g hk i n g v i e w v e r s i o n6 5 ，ak i n do fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a tl a s t ，t h ep a p e ra n a l y s i st h eb pn e u r a l n e t w o r k s w j t l lt h a t t h ep a p e rg i v e st h er e s e a r c h e si n t oc o m p e n s a t i n gt h es t a t i cn o n l i n e a r e r r o ri nt h em e a s u r i n gr e s u l t so f t h ew e i g h i n gs y s t e m i i 西安建筑科技大学硕士论文 t h i sa r t i c l ei n t r o d u c eas y s t e mo f a u t o m a t i cc o n t r o lf o rc o n c r e t em i x i n gs t a t i o n ，i p c i su p p e rm a c h i n e r ya n dp l ci ss u b o r d i n a t em a c h i n e r yf o rt h i ss y s t e m o nt h eb a s eo f o p e r a t i o n ，w h i c hp r o v i d eau s e f u lp r o j e c tt h a tas y s t e mo fa u t o m a t i cc o n t r o lf o rs t i r r e ro f c o n c r e t e k e y w o r d s ：c o n c r e t e m i x i n g - s t a t i o n 、d c s 、p l c 、b pn e u r a ln e t w o r k s 、i p c t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o ns t u d y 1 1 1 声明 本人郑重声明我所呈交的论义怒我个人在导师指导卜进行的研究工作及取得 的职究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢躯地方夕 ，论文申 i 包含 其他人已经发表或撰写过的研究成粜，也不包含本人或其他人在其它单位已申请 学位或为其他用途镬用过蚋成果。与我同王作的同志对本研究所傲豹所有贡献 均已在论文中做r 明确的说明并表示了致谢。 礴 请学位论文与资料若有不实之趁，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：互缸明 目期：泐f石 ，3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保鼹、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容和部分内容，可以采捌影印、缭印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：互立朗导师签名：萝弓荔日期：伊6 厶1 、 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 混凝土搅拌站是随着水泥的诞生而产生和发展的。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。随着计算机技术、自动检 测和传感技术、自动控制技术以及通信技术的发展，测量的直观、准确、智能化和 控制的可靠及其过程自动化与信息管理自动化无疑己成为混凝土搅拌站的发展方 向。 在混凝土搅拌站的测量系统中，传感器的性能直接决定测量系统的精度，影响 到混凝土料种的混合比例，因而对混凝土的生产质量至关重要，而目前，传感器的 输入、输出特性许多为非线性，而且由于其弹性体的阻尼比过小，传感器达到稳态 的时间较长，使得这些以传感器为核心的称重称量系统存在着较大的静态非线性误 差。对此通过硬件或普通的软件补偿有一定的难度，而人工神经网络算法是一种通 过模拟人脑处理信息的功能的智能计算方法，它以并行处理、自学习能力强以及可 以逼近任意连续有界非线性函数的优势在传感器系统的非线性自校正具有得天独厚 的优势。 通过对混凝土搅拌站生产管理控制系统进行系统研究，对搅拌站生产管理控制 系统研制有着重要的意义，同时对类似配料控制系统，如饲料配料系统、稳定土配 料控制系统及沥青拌和站配料控制系统的研制提供了借鉴。 1 2 国内外现状 l 、混凝土搅拌机械的现状及国内市场分析【1 】【2 l 从1 9 0 3 年德国建造世界上第一座预拌混凝土搅拌站以来，商品混凝土作为独立 的产业已有1 0 0 多年的历史。随后，美国于1 9 1 3 年，法国于1 9 3 3 年建立了自己的 搅拌站。二次大战后，尤其是6 0 年代到7 0 年代，由于各国抓紧发展经济，医治战 争创伤，混凝土搅拌站得到了快速发展。目前，德国、美国、意大利、日本等国家 的搅拌站在技术水平和可靠性方面处于领先地位。国外生产的搅拌站一般生产率在 5 0 m 3 h - 3 0 0 m ，对于商品混凝土生产，搅拌站形式应用比较普遍，尤其在大型工程 中被采用。我国混凝土搅拌站( 楼) 的研制是从5 0 年代开始的，在其发展过程中， 型式的选取和主要技术参数基本上是根据用户要求和参考国外产品的自由状态。国 西安建筑科技大学硕士论文 标g b l 0 1 7 1 8 8 混凝土搅拌站( 楼) 分类和g b l 0 1 7 2 8 8 混凝土搅拌站( 楼) 技术条件的颁布实施，将混凝土搅拌站( 楼) 的研制和生产纳入了标准管理的轨 道，为其发展奠定了基础。产品技术标准和预拌混凝土标准的要求中，对于混凝土 搅拌站( 楼) 的技术指标已达到发达国家水平。当今国内生产的混凝土搅拌站质量 迅速提高，逐步取代了进口搅拌站，在国内已经占主导地位，其控制系统也得到快 速发展。国内大型混凝土搅拌站生产厂商包括：三一重工、珠海志美、上海华建、 南方路机等。 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。经过科研院所和生产企业的共同开发，适时引进国外先进 的混凝土泵和混凝土搅拌输送车技术，使我国在商品混凝土机械的设计、制造能力 和水平都有了很大提高，一些产品已有批量生产，其技术水平与当今世界水平同步， 减少了进口，节约了外汇，取得了较好的经济效益和社会效益。 在“十五”乃至2 0 1 0 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，作为“一站三车”中的一站，混凝土搅拌楼( 站) 占有举足轻重的地位。 2 、集散型控制系统与集中式控制系统比较1 3 j 集中式控制系统是第三代过程控制系统，它是一种单机系统，使用一台计算机 对多个设备和对象进行集中管理和控制。分布式控制系统是一种多机系统，使用多 台计算机分别控制不同的对象和设备，从而形成多个子系统，各子系统之间通过通 讯或网络相互关联，从而对各子系统进行协调。从整个系统来讲，分布式控制系统 的各子系统在功能上、逻辑上、物理上以及地理位置上都是分散的。它的特点是各 系统之间有密切的联系和信息交换，系统可以对其总目标和任务进行综合协调和分 配。与集中式控制相比，分布式控制被称为第四代控制体系，通过近几十年的发展， 在过程控制领域已经占据了主导地位。在工业控制领域中，无论是集中式控制系统 还是分布式控制系统都得到了广泛应用。表1 1 为集中式控制和集散型控制的比较。 西安建筑科技大学硕士论文 表1 1 集中式控制和集散型控制的比较 集中式控制系统集散型控制系统 管理集中管理和控制 集中管理，分散控制 资源所有资源为主机所有 各子系统资源共享 通信 数据通信量小数据通信量大，需联网设备 大中型系统对主机要求高小 开放系统，可从多个层面与第三方产品互相连 性价比 系统要求低 接，实现高性价比【注1 】 高，需解决系统软硬件特殊问题和系统的调度 技术要求 低 和优化 系统布线多，无效开销大， 松耦合的多处理机系统，可实现硬件积木化 灵活性 缺乏扩展性 【注2 1 ，软件模块化设计 注3 1 ，扩展性好 系统结构、冗余技术、自诊断功能和高性能元 可靠性可靠性低，故障集中于主机 器件保证高可靠性 注： 开放性体现在d c s 可以从三个不同层面与第三方产品相互连接：在企业管理 层支持各种管理软件平台连接；在工厂车间层支持第三方先进控制产品s c a d a 平 台、m e s 产品、b a t c h 处理软件，同时支持多种网络协议；在装置控制层可以支持 多种d c s 单元( 系统) 、p l c 、r t u ( 采集发送器) 、各种智能控制单元等，以及各 种标准的现场总线仪表与执行机构。 ) d c s 在结构上是一个松耦合的多处理机系统，分散的子系统自治性强，各个 微处理机都可以有自己的局部操作系统，所以系统的配置十分灵活。如果要扩大或 缩小系统的规模，只须按需要在系统中增加新的单元，或者拆去某个单元，系统完 整性不会受到多少影响。这样的拼装方式，有利于试验现场分批投资，逐步形成一 个在功能和结构上由简单到复杂，从低级到高级的现代化管理和控制系统。 d c s 被广泛应用于一系列的工业领域，尽管他们的生产工艺和产品各异，但 从过程控制的要求来说，有相当大的共性。这就为d c s 的软件设计提供了方便。d c s 为用户提供有相当丰富的功能软件，用户只需按要求选用这些软件模块，即可大大 减少用户的开发工作量。功能软件主要包括控制软件包、操作显示软件包和报表打 印软件包等，并提供至少一种过程控制语言，供用户开发高级的应用软件，例如优 化管理和控制软件。 总之，集散控制系统不同于集中控制系统，它由多个微处理器组成的分布式控 制系统，由分散的控制站来控制分散的生产部分，实现了功能、负荷和危险的分散， 从而克服了集中型计算机控制系统的致命弱点；它也不同于分散的仪表控制系统， 它的集中在于各操作员站可以进行生产监控，从而克服了二者的缺陷而集中了二者 的优势，利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制。 西安建筑科技大学硕士论文 3 、d c s 技术与p l c 技术的结合1 4 d c s 的发展推动了相关技术的应用和发展，如可编程序控制器( p l c ) 技术、 现场总线( f i e l db u s ) 技术、智能控制技术与过程控制软件等。同时这些技术也为 d c s 的发展提供了有力的支持和保障。而与p l c 技术的相融合已成为当今d c s 技 术的重要发展方向。 传统的d c s 是由回路仪表控制系统发展而来，在回路调节与模拟量控制等方面 具有一定优势。可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r - p l c ) 则是专为在 工业环境下应用而设计，集微处理技术、自动化技术和通讯技术为一体的实时工业 控制装置，是从继电器逻辑控制系统发展而来，在开关量控制和顺序控制等方面占 优。随着微电子技术和计算机通信技术的飞速发展，p l c 在硬件配置、软件编程、 通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，从而为工业自动化控制 注入了前所未有的生机和活力；基于p l c 和网络通讯技术的新型分布式控制系统的 设计与应用，己经成为现代生产过程自动化的一个主要发展趋势。用p l c 来构建或 改造d c s ，一方面可以保证控制的实时性、稳定性以及准确性；另一方面则可大幅 度地降低成本，满足用户对控制系统的经济性要求。 当今一些d c s 厂家的产品( 如h o n e y w e l l 公司的p k s ) 还直接采用成熟的p l c 作为控制站。多数d c s 产品可以集成中小型p l c 作为底层控制单元。目前，小型和 微型p l c 不仅具备了过去大型p l c 的所有基本逻辑运算功能，而且能实现高级运算、 通信以及运动控制功能。 1 3 本论文的主要工作 1 混凝土搅拌站控制系统的整体方案设计 对混凝土搅拌站的发展、主要结构、生产工艺、测控系统发展趋势以及国内外 主要产品进行了全面论述，同时对测控系统进行总体设计。 2 混凝土搅拌站系统硬件设计 根据测控系统的总体设计思路对上位机、下位机、称重传感器、变送器等硬件 的进行详细的分析、选型和设计，以构成一个完整的硬件系统。 3 混凝土搅拌站系统软件设计 根据混凝土搅拌站的工艺流程，实现混凝土搅拌站测控系统对整个混凝土生产 过程的可靠控制 4 基于神经网络对混凝土搅拌站称量系统进行误差补偿 称量系统的传感器以及变送器等硬件中的静态非线性误差进行神经网络补偿研 究，以实现精确计量。 西安建筑科技大学硕士论文 5 分析了系统的抗干扰设计 包括电路的抗干扰设计、电源部分的抗干扰设计、接地方式、投料方式等等。 西安建筑科技大学硕士论文 第二章混凝土搅拌站概述及其总体设计方案 根据中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局2 0 0 3 年1 2 月1 日发布的中华 人民共和国国家标准知：“预拌混凝土就是将水泥、集料、水以及根据需要掺入的外 加剂、矿物掺合料等组合按一定比例，在搅拌站经计量、搅制后出售的并采用运输 车，在规定的时间内运至使用地点的混凝土拌合物”。目前，在发达的国家，商品混 凝土占全部混凝土产量的比重已达8 5 ，我国上海、天津等大城市也已达到6 0 ， 但就全国而言还不足1 5 。随着中国经济和城市现代化建设的快速发展，以往那种 由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、自动化程 度及生产效率低，因而必将为自动控制的混凝土搅拌站所取代。自动控制的混凝土 搅拌站具有产品质量优良稳定、生产成本低、生产效率高、环保性能优良等优点， 正在成为商用混凝土生产的主流。 混凝土搅拌站是一种在建筑、道路、桥梁、大坝等施工中行业中必备的施工机 械，是比较复杂的机电一体化设备，由搅拌主机、骨料系统一、粉料系统、供水系 统、外加剂系统、气动系统和控制系统等组成。骨料系统，粉料系统、供水系统、 外加剂系统主要的作用是在控制系统的作用下来称量、输送混凝土生产所需要的各 种原材料，搅拌主机的作用是搅拌已按一定比例混合的各种原材料，气动系统是控 制系统的部分执行单元，例如开关投料门、卸料门等。整个生产过程即称量、输送、 投料、搅拌和卸料都是在控制系统控制下自动完成。显然，它是一个受多环节制约 的复杂系统。混凝土搅拌站的搅拌性能、物料动态配比、物料动态称量精度、供水 量等直接影响混凝土质量。 2 1 混凝土搅拌站概述 2 1 1 混凝土搅拌站的分类 为了适应经济建设的需要，混凝土施工应向机械化和自动化的方向发展。混凝 土搅拌装置按照移动性大体可以分为三种类型【5 l 【6 】： l 、固定式搅拌站 这是一种大型的混凝土搅拌装置，生产能力大，一般是一阶式上料或混凝土结 构的搅拌站，它主要用在商品混凝土工厂、大型预制构件厂和水利工程工地。以搅 拌机为主机，以水泥、砂、石子和水以及添加剂等原料的贮存、计量、输送设备配 套来组成的，它实现了混凝土生产的全机械化和自动化，生产能力强，生产质量好。 西安建筑科技大学硕士论文 但其结构较为高大笨重，不便拆装和迁移。 2 、装拆式搅拌站 这种搅拌站是相对固定式而言，由几个大型组件拼装成。投资少，建设快，比 较经济。适用于混凝土用量不大的工地。结构构成与固定式搅拌站类似，混凝土的 生产过程采用电气程序控制，机械化、自动化程度高，且体积小、重量轻，拆装容 易，移动方便；但其生产率通常比固定式搅拌站要小。装拆式搅拌站适用于中小型 混凝土制品站及分散的中小型建筑施工现场。目前我国使用的拉铲式搅拌站、皮带 机上料的二阶式搅拌站大部分属于这种类型。 3 、移动式搅拌站 这种搅拌站是把搅拌装置安装在一台或几台拖车上，可以随时转移，机动性好， 主要适应于移动性较强以及一些临时的工程项目中，如道路、桥梁等建设项目。 另外混凝土搅拌站按生产工艺划分为一阶式( 单阶式) 搅拌站和二阶式( 双阶 式) 搅拌站。 图2 1 为一阶式搅拌站工艺流程，物料( 主要指骨料) 经一次提升到最高点，然 后垂直下落进行计量并进入搅拌机中搅拌。一阶式搅拌站有时采用多个搅拌主机， 但由于分料、控制比较复杂，而且目前搅拌主机的可靠性较高，因此这种方式很少 采用。这种设备的优点是由于一般采用全封闭形式，所以能够适应很多恶劣的气候 条件，并且整套设备的使用寿命长。同时，由于空间大，设备布置方便，维修性好， 因此可靠性高。缺点是占地面积大，一次性投资大。搅拌站一般适用固定场合，如 商品混凝土厂及预制厂等，也适用于大型工程。 图2 1 一阶式搅拌站工艺流程 图2 2 为二阶式搅拌站工艺流程，物料( 主要指骨料) 需经过二次提升，即计量 完毕后，再经皮带机或提升斗提升到搅拌机中搅拌。这种结构的优点是结构紧凑， 一次性投资小，但维修不方便，整套设备的使用寿命短。一般适用于中小型商品混 西安建筑科技大学硕士论文 凝土厂及大中型混凝土施工工程。 一阶式和二阶式搅拌站的另外一个区别是生产率有差别，即使使用同样的搅拌 主机，二阶式的生产率要比一阶式搅拌站低。为了解决生产率及占用场地的问题， 目前国际上较盛行的一种产品是介于一阶式和二阶式之间的搅拌站，其特点是骨料 计量后提升到搅拌机上方的储料斗内，当程序要求投骨料时，将骨料投人搅拌机中， 这样骨料在储料斗中等待时，骨料计量可以同时进行，从而提高了生产率。这种方 式其优点是既提高了生产率，又减少了占地面积。本文中所提到的搅拌站是指二阶 式搅拌站。 图2 2二阶式搅拌站工艺流程 除上述常用的两种分类方法外，还可按其它分类方法分类，如按搅拌站是否配 置搅拌机并加水搅拌分为干料配料站和湿搅拌站，按配置搅拌机的进料连续性分为 连续式搅拌站和间歇式搅拌站，不过干料配料站和连续式搅拌站一般在我国不经常 使用，本文所提及的搅拌站均为间歇式湿搅拌站。 2 1 2 混凝土搅拌站的组成 一个全套的搅拌装置是由许多台主机和一些辅助设备组成，它最基本的组成部 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”1 。 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，而 且是一阶式搅拌站唯一可以采用的运输设备。水泥输送设备基本上有两种类型：机械 输送系统和气力输送系统。机械输送系统由斗式提升机和螺旋输送机组成。气力输 送系统是使水泥悬浮在空气中，将这种混合气体沿管道输送，它由喂料机、输送管 道和收尘器组成。 2 、料斗设备 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。在混凝土搅拌装置中，用料 斗设备配合自动秤进行配料。所以，它是工艺设备的组成部分，并不是大宗物料的 贮存场所。 西安建筑科技大学硕士论文 根据制作贮料斗所用的材料不同，贮料斗分为钢贮斗、钢筋混凝土贮斗、木贮 斗等；从外形上分，常用的有方形和圆形。圆形贮斗又叫筒仓。 给料机和闸门都是贮料斗的卸料设备。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。而采用给料机卸料时，就比较容易控制均匀地卸料，给料 机都是电动的。闸门的类型很多，但在混凝土搅拌装置中最常用的是扇形闸门，它 由压缩空气缸来操纵，骨料( 石子和砂) 都是采用闸门给料。给料机常用的是螺旋 给料机，粉料( 水泥等) 采用螺旋给料机给料。 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。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贮料斗、给料设备( 闸门或给料机) 和称量设备等。 对称量设备的要求，首先是准确，其次是快速。称量的不精确将对混凝土的强度产 生很大的影响，同时又要满足一定的生产率。称量设备从构造上可分为杠杆秤和电 子秤等，其中，杠杆秤已经被淘汰。 为了适应各种不同的物料，秤斗在构造上略有不同。水泥秤斗是圆形的，骨料 秤斗是长方形的，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。其设计技术很成熟，在搅 拌站设计中，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 1 3 混凝土搅拌装置的工艺流程 一辆混凝土搅拌输送车到来后，根据合同编号输入相关的信息：合同编号、车 的容积、车号、搅拌时间、每一次搅拌的方量、投料的顺序和砂石的含水率，剩余 量、工程名称、配方号和搅拌次数由上位工控机自动读取和计算生成。生成生产任 务后，计算机再将生产任务具体化成下位p l c 的生产控制数据，发给p l c 控制生产 自动进行。在生产的过程中，p l c 将采集到的秤斗称量值和搅拌站的状态信息发给 上位工控机，形成混凝土搅拌站图形仿真。每完成一次搅拌，形成生产数据以用于 管理和控制目的。一车的生产完了以后，打印发料单。这就是混凝土搅拌站的一个 西安建筑科技大学硕士论文 工作循环。在生产的过程中，如果有新车到来，就将新的生产任务加入生产任务队 列中。如果是自动生产模式而且生产任务队列中还有生产任务，就自动进行下一个 生产任务的生产。 搅拌站进行混凝土生产时，首先将骨料( 包括三种石料和一种砂料) 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。和上述方法类似，在骨料配料的同时在各 自的秤斗中进行水泥、粉煤灰及防冻剂的称重和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。为了提高搅拌站的生产效率，一般在搅拌机进行混凝土搅拌时， 下一个生产循环的骨料粉料等的称重计量同时进行。 、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。 考虑到传感器精度、骨料冲击力、秤斗皮重变化以及秤斗未卸空量变化等原因， 各材料秤斗需要留一定时间进行补秤或扣秤，即把本次称量的设定值减去本次称量 中秤斗中实际重量作为补偿量，对下一次称重的预先设定值进行补偿。 2 2 混凝土搅拌站测控系统 混凝土搅拌站测控系统是混凝土生产现代化的核心，而其配料的称量控制系统 又是测控系统的关键。五十年代，我国从苏联及东欧国家引进了一些搅拌站，主要 应用在水电等大工程上，这些搅拌站均是采用机械杠杆秤进行称量控制。这种杠杆 秤机构简单，工人易掌握，但其制作工艺水平较低，称量误差较大，自动化控制困 难，使搅拌站的生产率受到限制。进入六十年代中后期，从国外引进的搅拌站称量 开始使用电子秤。国内开始进入电子秤的研制和试用阶段。这种电子秤采用电子电 位差计原理，秤面采用圆盘式双指针或其它形式，比较直观，与楼站控制要求结合 较好，但常常因加工工艺水平比较低，使秤的控制精度不高，故障较多，稳定性较 0 西安建筑科技大学硕士论文 差，与杠杆秤相比，虽有较大提高，但仍然不很理想。随着工程实践的日益增多以 及国外电子秤的启发，我国电子秤的结构形式得到改进，秤的稳定性有较大好转， 故障率下降了，调试技术逐步成熟和专业化，基本满足工程生产可靠性的需要。 就在国内电子秤水平逐步走向稳定和大量推广应用的同时，国外较先进的楼站 己安装上微机控制系统。八十年代初我国部分重点工程从国外引进的大批混凝土站 均是采用微机控制。与常规控制相比较，它的先进性主要表现在： ( 1 ) 实现了配料、卸料、搅拌、出混凝土全过程的微机自动控制，有的控制系 统还把配料和卸料过程实现动态模拟显示。 ( 2 ) 称量实现提前量动态修正，欠秤补秤，超秤扣秤，不但提高了动态称量精 度、而且它的稳定性得到了保证，既提高了混凝土质量，还节约了水泥。 ( 3 ) 称量结审随机打印，为工程或商品混凝生产质量控制和结秤提供了可靠便 捷的手段。 ( 4 ) 为搅拌站提供了较强的现代化管理能力。 在肯定引进楼站微机控制系统优点同时，人们也认识到很多潜在的问题：首先 是价格贵，一般用户难以承担；其次是国外对其测控技术严格保密，因为它是楼站 的核心技术；再次是微机系统如果出故障，排除较困难，特别是过了保修期，如请 制造厂维修，维修费用高，等待周期长，给工程施工带来很大威胁，因此开发自己 的测控系统显得非常必要。 2 2 1配料称重系统( 称量系统) ( 1 ) 称量精度的要求 称量系统包括骨料、水泥、掺合剂、水、外加剂等，称量装置是搅拌站中关键 的部分之一，目前我国在，g b l 4 9 0 2 9 4 预拌混凝土中对于搅拌站各种物料的称 量精度要求很严格。骨料动态计量精度为- i - 2 ，其余物料的动态称量精度均为l 。 但对于静态计量精度目前要求还不明确，基本上采用企业标准。 ( 2 ) 称量方式的分类 搅拌站的计量方式一般采用重力称量，也有采取体积称量的，但目前我国除水 和外加剂可以采用体积法外，其它物料一般不允许采用体积法。 根据一个秤斗中所称量物料的种类可分为单独称量和累计称量，单独计量是把 每一种材料放在各自的料斗内进行称量，累计称量是把各种材料逐一加入到同一个 料斗内进行叠加称量，即称完一种后，在同一斗中再称另一种物料。通常二阶式搅 拌站多采用累计计量，一阶式搅拌站采用单独计量。单独称量法称量精度高，易于 扣称，可以实现不同的混凝土搅拌工艺，o n - - 次投料搅拌等，累计计量就不能满足 类似的混凝土搅拌工艺，但在设计过程中单独计量的秤斗多而难于布置。所以在一 西安建筑科技大学硕士论文 般搅拌站的设计中既有叠加秤又有单独秤。 按秤的具体传力方式可以分为杠杆秤、电子秤和杠杆电子秤三种称量形式。 杠杆秤一般由多级杠杆及圆盘表头组成，电信号是由表头内部的高精度电位器 发出；杠杆电子秤一般由一级杠杆及一个传感器组成；电子秤是由多个传感器直接 悬挂秤斗。上述三种形式各有优缺点，杠杆秤可靠性好，但占空间较大，由于表头 弹簧、摆锤等工艺复杂，因此成本相对较高。杠杆电子秤和电子秤结构简单，可靠 性较高，其中电子秤占空间最小。随着传感器技术和微机技术的发展，大部分搅拌 站采用电子秤或杠杆电子秤计量形式。 ( 3 ) 骨料秤斗 骨料秤斗一般分为电子秤和杠杆电子秤二种形式。电子秤秤斗由斗体、传感器、 扇形门、气缸组成。计量完毕后，由气缸拉动扇形门将料卸出到搅拌机或上料装置 上。杠杆电子秤秤斗既作计量斗，又是提升斗，由传感器、杠杆、斗体、斗门等组 成，当物料计量完毕后，料斗开始提升，提升到卸料位置时，料门由挡轨打开，将 料卸到搅拌机中。 皮带卸料的秤斗，可采用电子秤或杠杆电子秤，由斗体、传感器( 或杠杆及传 感器、皮带机组成，斗体与皮带机联为一体，当物料称量完后，皮带机启动，将骨 料卸到上料装置中。 ( 4 ) 粉料秤斗 粉料秤斗用于称量水泥、粉煤灰、粉状外加剂等。一般由斗体、传感器( 杠杆 及传感器) 、气缸、蝶阀等组成，其中斗体有水泥进口及出气口，水泥进口与水泥螺 旋输送机相接，出气口与除尘装置相接。有时粉料斗上需增加振动器，以保持下料 畅通。 ( 5 ) 水及液态外加剂秤斗 液态物料的计量一般有重力计量、容积计量、流量计量。重力计量的秤斗由斗 体、传感器( 或杠杆及传感器) 、卸料门组成。水秤斗与外加剂秤斗的形式基本相同， 但一般采用多个传感器悬挂。 外加剂计量的容积计量式秤斗由透明玻璃筒、刻度尺及排出泵、定量装置组成。 一般说来，容积计量的精度要比重量计量差，根据( ( g b l 4 9 0 2 9 4 预拌混凝土规定， 外加剂计量要求为重量计量，所以商品混凝土搅拌站一般不采用这种计量方式。 除上述两种计量方式外，对于液体物料的计量有时也可采用流量计量，一般采 用定量水表或流量计形式，水的计量采用上述方式精度较高，但由于外加剂通常情 况下有一定的粘度，其计量精度有时不稳定，不过这种方式计量，结构简单，体积 小，因此目前这种方法经常应用于移动式搅拌站陋儿。 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 2 控制系统 控制系统是搅拌站的核心，主要完成按照预定的混凝土配比控制搅拌站的全部 工作过程。早期由于混凝土搅拌站的称量系统一般采用杠杆秤，所以控制系统采用 继电器加接触器的控制方式；后来由于称量系统采用了高精度电位器，出现了穿孔 卡形式的控制系统；随着传感器技术及电子技术的发展，目前搅拌站的控制系统一 般为计算机控制，主要有以下优点：能实现生产过程的自动化，提高生产率：能贮存 大量配合比供用户选用，调用、修改配合比都十分方便；能进行落差自动跟踪修正， 欠秤补料，超秤扣料，可显著提高称量精度；能实现骨料含水率检测和配比值的自 动修正，即自动减水加砂，保证混凝土稠度值的一致性；能直观的模拟显示混凝土 搅拌站的整个工艺流程状态，实现实时监控；能自动记录存储各类数据和制表打印； 实现最优化控制；可实现先进的科学管理功能。 目前计算机控制的方式有多种形式，而且随着计算机技术的发展控制的方式越 来越多，下面针对搅拌站常见的控制方式进行简要说明。 ( 1 ) 物料仪和工控机组合。 每个计量秤对应一个物料仪，各物料仪与工控机连接。外置i o 功能板和物料仪、 工控机连接，该f o 功能板接外部中问继电器与外部限位。 这种方式中工控机负责自动运行的协调工作，并且通过v o 功能板来控制外部继 电器和处理外部限位输入信号。物料仪实现秤的显示和配料控制。如果工控机损坏， 无法实现整个搅拌站工作流程的自动控制，但可以使用物料仪实现手动或半自动控 制。应该说这种控制形式环节多，故障率高。 ( 2 ) 工控机控制 工控机自带模数板( a d ) 、数字输入输出板( i ，o ) ，传感器输入信号直接接到 d 板上，f o 板控制中间继电器、外部限位。操作盘上的按钮和指示灯均为d c 2 4 v ， 并且可以通过中间继电器接入工控机的f o 板。 由于该方式中整个控制核心为工控机，控制软件设计时对抗干扰等因素要求高， 对搅拌站操作人员的素质要求较高：工控机本身出现问题，如硬盘、内存、电源等， 整个系统就会瘫痪，同时外部接线和检修比较复杂，因此混凝土搅拌站的控制使用 这种形式的情况不多。 ( 3 ) 物料仪、可编程控制器和工控机组合 每台物料仪控制一套计量装置，同时与p l c 连接实现自动控制，并且每台物料 仪同工控机连接实现管理功能。 西安建筑科技大学硕士论文 该方式中，各个物料仪独立控制每个计量装置，p l c 控制各执行机构，在工控 机损坏的情况下，可以实现自动计量，自动循环控制。 ( 4 ) 单片机和工控机组合 将多个秤集成到一台由单片机组成的控制微机中，同时提供中间继电器输出和 外部限位输入接口，该机器可以独立协调各秤的计量和实现搅拌站工作流程的自动 控制。 通过串行通讯口和工控机连接，实现控制及管理功能。在此形式中即使工控机 发生故障，单片机仍然能够实现搅拌站的控制。 从上述的四种形式看，单片机结构与p l c 结构控制方式最适合工业现场的恶劣 环境。工控机的抗振、抗粉尘及耐电压波动性较好，但由于工控机是集中控制，其 损坏而会造成整个系统瘫痪，所以一般情况下工控机作为管理使用比较合适。单片 机结构简单、紧凑合理，成本低，适合传感器优化等现场的信号处理，但是由于整 个系统生产批量不大，元器件采购质量、线路板小批量定做质量和手工焊接质量难 以保证，加上没有老化实验，硬件设计不一定为最优方案等方面的原因使得其控制 系统稳定性差，时常会出现原因不明的故障，而且在控制和显示方面的编程量比较 大，与其它的系统的兼容性也比较差；而p l c 控制具有可靠性高、功能完善、产品 标准化、开发性日益增强以及编程简单直观等优点，能够有效弥补继电器控制和单 片机控制在可靠性方面的缺陷，与工控机配合易于实现操作与管理的结合，也克服 了工控机集中控制的缺点。 目前，我国混凝土搅拌站得到快速发展，但是其计量精度低、控制可靠性差已 严重影响了混凝土生产的质量和效率，尤其是水泥和水的计量精度，因为混凝土的 强度与灰水比指标呈线性关系，而当前称量系统中误差对混凝土强度影响很大。由 于在称重称量系统中传感器的特性是非理想的，存在着较大的静态非线性误差：而 在控制系统中，由于混凝土搅拌站的工作环境十分恶劣，传统混凝土搅拌站的继电 器控制和单片机控制在实际生产过程中容易出现故障，所以，在设计和研制新型混 凝土搅拌站的实际工作中有两个方面的问题应该引起重视，一个是应做好称重称量 系统的合理选用和优化设计：另一个是应做好电气控制系统的可靠性和功能完善化 设计。对这两个问题的深入研究并在具体设计实践时注意采用先进技术方法将更加 促进我国预拌混凝土的发展。 为了达到计量准确快