混凝土搅拌机系统

摘要随着我国经济的快速发展，国家的建筑建设工程在逐步壮大。在建筑建设工程中，往往会伴随着对环境的破坏和污染，其中城市噪音污染更是影响着人们的日常起居生活。随着人们环保意识的增强，为了减少城市噪音污染，国家和建筑工程管理部门对施工时用的混凝土及混凝土搅拌机都有了相关管理与规定。因此，混凝土在搅拌过程中，其能否自动控制，能否有各种防护措施，成为了人们日益关注的焦点。 经过长时间的尝试与研究，的混凝土搅拌机控制方式有很多，其中常用的有继电器直接控制控制方式、PLC为主控单元控制方式两种。经过比较，采用PLC为主控单元的控制方式，其搅拌机性能可靠、性价比高，能够保证混凝土的质量，提高混凝土生产效率同时噪音小，可减少城市噪音，能够弥补继电器控制系统的缺陷。因此，本文研究了基于PLC的混凝土搅拌机系统。本系统采用三菱FX2N系列PLC作为主控单元，采用HL-F（1）型方悬臂梁压力传感器作为称重传感器，对原料舱内的原料进行称重，并与设定值比较，当满足设定时，全部投入搅拌机进行搅拌。当系统发生故障时，会有报警系统报警，提醒工作人员进行检查和修复。本系统实现了混凝土搅拌过程的自动化控制，运行安全可靠。在21世纪的今天，可编程逻辑控制器PLC的使用已十分成熟，它使用方便，易于操作，研究基于PLC混凝土搅拌机系统有着重大的现实意义。关键字：PLC；混凝土搅拌机；自动控制；压力传感器AbstractWith the rapid development of Chinas economy, the countrys construction projects in the gradually expanding. In construction projects, often accompanied by damage to the environment and pollution, including urban noise pollution is affecting peoples daily living life. As peoples awareness of environmental protection, in order to reduce urban noise pollution, the state and construction management of the construction of concrete and concrete mixers have the relevant management and regulations. Therefore, the concrete in the mixing process, whether it can automatically control, whether a variety of protective measures, has become a growing focus of attention.After a long time to try and research, there are many concrete mixer control, which commonly used relay direct control control, PLC control unit for the two main control unit. After comparison, using PLC as the control unit of the control mode, the mixer performance and reliable, cost-effective, to ensure the quality of concrete, improve the efficiency of concrete production at the same time noise, can reduce urban noise, can compensate for relay control system defects. Therefore, this paper studies the concrete mixer system based on PLC. This system uses the Mitsubishi FX2N series PLC as the main control unit, uses the HL-F (1) type square cantilever beam pressure sensor as the load cell, weighs the raw material in the raw material cabin, and compares with the hypothesis value, Timing, all put into the mixer for mixing. When the system fails, there will be alarm system alarm, to remind the staff to check and repair.The system realizes the automatic control of concrete mixing process, safe and reliable operation. In the 21st century, the use of programmable logic controller PLC is very mature, it is easy to use, easy to operate, research based on PLC concrete mixer system has great practical significance.Key words: PLC; concrete mixer; automatic control; pressure sensor目录摘要1Abstract2目录3第一章 绪论51.1 系统设计的背景51.2 系统设计目的和意义51.3 本文的主要工作61.4 本章小结6第二章 系统总体方案设计72.1系统总体设计思路72.1.1混凝土搅拌机组成72.1.2系统控制方式的确定72.2系统需求分析72.3系统结构框图82.4本章小结9第三章 系统硬件方案设计93.1PLC选择93.1.1PLC概述93.1.2 PLC型号的选择93.2称重元件选择103.3系统硬件配置确定113.3.1系统I/O分配表113.3.2位存储区123.4本章小结12第四章 系统软件程序设计134.1 系统软件设计134.1.1编程方法134.1.2 系统程序流程分析134.1.3报警电路设计144.1.4断电保护程序设计144.2程序指令表154.3本章小结17第五章 程序仿真与调试175.1软件介绍175.2程序仿真与调试175.2.1测试系统主程序175.2.2故障报警程序调试205.3本章小结21结论21参考文献21致谢22第一章 绪论1.1 系统设计的背景随着经济的快速发展，城市建筑工程也日益发展壮大，也因而造成的环境污染和噪声污染日益严重。而随着工业速度的快速发展，人们越来越重视高严谨、高可靠、高效率以及少操作的运行方式来运行工业生产，而要达到这样的目的，我们一般采用一定的技术手段对生产设备进行改善。基于上述两个方面，对混凝土自动化生产提出了更高的要求1。传统意义上的混凝土搅拌设备都是基于继电器技术进行控制，这样的控制方式有着耗能多、效率低等缺点，且其最终的搅拌效果也基本不能达到要求，使用不仅浪费了人力、物力、财力，更是浪费时间，制造噪音污染。而随着计算机不断发展，出现了基于PLC与计算机结合的控制方式来控制混凝土搅拌机，其可根据设计要求和实际情况进行自动控制与操作，达到了高效、环保的要求，更是可以节能、减少噪音污染，因此，设计一个基于PLC的混凝土搅拌机系统，系统以PLC为主控元件，对其进行相应的模块扩展，使其可以完成各种材料放置、自动和手动控制调节、搅拌控制信号启停、故障报警信号启停等等动作，从而完成整个混凝土搅拌机动作过程的系统具有现实意义2。1.2 系统设计目的和意义近年来，随着我国的经济快速发展，工厂机器制造业不断加快，功能需求不断增加。而以往采用的传统的继电器控制混凝土搅拌系统，使用硬件连接电器多，自动化程度不高，且为了满足工厂机器功能， 需要连接更多的硬件，从而造成系统复杂，难以控制3。为了克服上述缺点，采用先进控制器对传统的继电器控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为生产提供了更可靠的保障。基于PLC的混凝土搅拌机控制系统具有混合精确高、效率高、控制可靠等特点，它不仅避免了人工在恶劣的工作现场操作，降低了危险系数。同时提高了企业生产和管理的自动化水平，减少了人员的使用，减轻了员工的劳动强度，提高了人员的使用效率，在某些工作环境恶劣的行业中得到了广泛的应用，具有良好的经济和社会效益4。本系统的设计就是将混凝土搅拌机更加工业化、自动的的进行控制，这样不但可以对液体搅拌过程的每个部分进行准确的自动控制，并且还能很大程度的降低生产成本，且可以直接的用在现场作业，对现场人员的要求也不是很高，对企业提高自动化管理水平具有很大的帮助，同时也提高了生产线的使用寿命和流水线的工作效率，减轻了企业生产过程中的质量波动性5。因此，基于PLC的混凝土搅拌机在未来的市场中具有广阔的发展前景。1.3 本文的主要工作本文是基于PLC的混凝土搅拌机控制系统的设计，主要设计步骤如下：（1）首先阐述设计背景、设计目的和设计意义，对系统的设计概念进行整体的了解，对整个文章进行工作安排。（2）对混凝土搅拌机的结构组成和工作原理进行了解和分析。（3）分析搅拌机控制系统的硬件结构，确定控制系统整体的设计思路。（4）确定好系统的整体控制，根据控制中要实现的要求进行I/O点数的设计，再根据要求选择PLC型号，编写I/O分布表或I/O端子的接线图。（5）根据控制要求画出流程图，学习使用编程软件，并且根据流程图编写梯形图，然后进行编译调试。（6）学习使用仿真软件，并进行系统调试。（7）对整个系统进行总结。1.4 本章小结本章首先对现在混凝土搅拌机控制系统的现状进行了分析，提出了基于PLC的混凝土搅拌机控制系统，并以此为背景，说明了本系统对于现代工业机器更加智能化、高效化和自动化的现实意义，同时对本文的工作进行了总结和分析。第二章 系统总体方案设计2.1系统总体设计思路2.1.1混凝土搅拌机组成系统主要包括了运输装置（包括骨料运输装置、水泥运输装置以及水泵等）、称量装置（包括沙料称量和石料称量等）、搅拌装置（即混凝土搅拌机）、储存装置以及辅助设备组成6。如图2.2所示：图2.2 混凝土搅拌机组成示意图2.1.2系统控制方式的确定就目前的现状有以下几种控制方式可以满足系统的要求：继电器控制、单片机控制、可编程序控制器控制。可编程序控制器控制（PLC）指配备各种硬件装置供用户选择，采用梯形图语言编程，可以用软件取代继电器系统中的触点和接线7。通过不断的发展，PLC现在的功能更强大、性价比更高且安全可靠，因此，本次设计采用PLC作为主控元件。2.2系统需求分析在本次设计中，考虑PLC特性，成本等问题，实现了大部分功能，对各功能进行分析如下：（1）骨料进料和称重本系统中,当混凝土搅拌机进行混凝土生产时，要将骨料（石料和沙料）分别装入料仓，当按下“开始”按钮时，系统开始运行，料仓的给料阀门开启，料仓里的骨料下放，投入至重量称上进行称量，当电子称上的重量达到需求重量时，系统控制给料阀门关闭，停止放料。（2）运输和搅拌当系统检测到称重完成后，启动传送带将骨料下放至搅拌机中，同时，利用定时器将水泥、水以及其他物质下放至搅拌机中，在下放的过程中，搅拌机开始搅拌。在搅拌机搅拌了设定时间后，搅拌机的机门打开，进行卸料，完成混凝土生产的一个循环过程。（3）断电保护考虑到系统可能因断电而造成配料停止、配料不精确以及搅拌不均匀等现象，为了不影响混凝土的质量，对系统的原料配料、搅拌都设置了断电保护功能，因此，当系统发生断电时，系统会自动将数据存储在寄存其中，防止数据重复与覆盖。（4）故障报警因在工业生产中，系统大且复杂，难免会出现故障，因此，系统在各送料机、称量过程以及搅拌机等均设置故障报警。（5）控制管理在一个控制系统里可以有多台控制器，包括主控器和分控器，且主控器可以有多台，由于本次设计规模较小，只用了一台PLC充当主控器。2.3系统结构框图在设计混凝土搅拌机系统时，要充分考虑PLC的特性，系统功能等因素。本着操作方便，结构简单，运行可靠，易于维护等原则，并结合设计实际和成本控制等问题，设计的混凝土系统结构图如图2.3。水泥、水等混凝土搅拌机骨料放料称重骨料进料图2.3 混凝土系统结构图一般的PLC控制系统都是由输入系统（按钮、开关、继电器等）、PLC控制系统（控制核心）和输出系统（电机，显示等）组成的，本设计也不例外。（1）输入系统：启停按钮用户按下开始或停止按钮，启动或停止系统；自动按钮本系统分为手动和自动两种模式，按下自动选择按钮，则系统设置为自动模式。手动启动设备按钮当选择手动模式时，系统中的设备需要手动启停；限位开关按钮搅拌机上限位、搅拌机下限位。故障按钮搅拌机故障、石料运输机故障、沙料运输机故障、水泥运输机故障、添加剂运输机故障。闸门状态石料箱闸门状态、沙料箱闸门状态。（2）输出系统：本系统中的输出系统主要为设备控制，控制设备的启停以及报警指示灯。2.4本章小结本章首先对混凝土搅拌机的组成机控制方式进行了确定，从而确定了系统的主干部分，然后，对系统从各个部分的需求进行了分析，最后给出了系统运行的整体结构图，并对输入输出系统进行了分析。 第三章 系统硬件方案设计3.1PLC选择3.1.1PLC概述PLC是一种专用的工业控制计算器，它以微处理器为核心，它的硬件结构的组成部分也与一般微机的结构十分相似。它结构简单且面向工业控制的鲜明特点使得自从PLC产品出现以来，受到电气控制领域的普遍欢迎。在选择PLC时，要从品牌、型号、输入输出容量、存储空间等几个方面着手8。3.1.2 PLC型号的选择随着科学技术的发展，PLC应用已推广普及，越来越多的种类和数量，以及越来越完善的功能都是PLC普及的最好证明。本次设计选择的是三菱FX2N系列PLC，因其有灵活的配置、高速运算指令、突出的寄存器容量和丰富的元件资源9。在本系统中，输入点数包括：系统启动按钮、手动切换按钮、搅拌机上限位、搅拌机下限位、石料机闸门状态、沙料机闸门状态、石料重量传感器输入、沙料重量传感器输入、石料输送机故障报警、沙料输送机故障报警、水泥输送机故障报警、水泵故障报警、添加剂故障报警、搅拌机故障报警、翻斗机故障报警、执行本次循环停止按钮、紧急停止按钮。输入点数共18个。输出点数包括：系统运作灯、搅拌机、石料运输机、沙料运输机、水泥运输机、水泵、添加剂运输机、翻斗机上翻、翻斗机下翻、传送带、石料箱放料闸门开关、沙料机闸门开关、所有配料放入搅拌机完成指示灯、搅拌完成指示灯、搅拌机故障指示灯、石料输送机故障指示灯、沙料输送机故障指示灯、水泥输送机故障指示灯、水泵故障指示灯、添加剂故障指示灯、翻斗机故障指示灯等。输出点数共22个因此，本系统的输入输出点数共40个，根据PLC选择原则，系统最终选择FX2N-48MRPLC。3.2称重元件选择在本系统中，在进行混凝土搅拌前，需要对骨料和各种配料进行称量，只有精确的配料，才能搅拌出好的混凝土。因此，系统中称量元件就显得尤为重要。混凝土搅拌机控制系统的骨料称量主要是采集骨料的重量信号，反馈到主控元件中，所以，系统选用压力传感器作为称重元件。压力传感器是以各种压力敏感元件将被测物的重量信号转换为电信号输出，并给称重仪表显示重量值，供人们参考使用。在选择压力传感器时，应考虑到过负荷因素、可靠性以及准确性，并且应考虑结构简单、体积小、重量轻等，经过比较，最终，系统选择HL-F(1)型方悬臂梁高精度压力传感器10。如图3.2所示：图3.2 HL-F(1)型方悬臂梁高精度压力传感器3.3系统硬件配置确定3.3.1系统I/O分配表图3.3 I/O分配表3.3.2位存储区表3.4 位存储区3.4本章小结本章首先对PLC进行了简单的概述，然后对PLC主控元件进行了选择，将系统的输入输出列出，按照PLCI/O选择原则选出了适合于本系统的三菱FX2N-48MR型号PLC，接着对PLC的存储器容量进行了选择，然后对系统中用到的压力传感器进行了选择，选出了HL-F(1)型方悬臂梁高精度压力传感器作为本系统的称重元件，最后对系统的PLC外部接线图进行了绘制以及I/O输入输出点数进行了分配。第四章 系统软件程序设计4.1 系统软件设计4.1.1 编程方法采用梯形图语言编程是PLC的一大优势，它易于学习，操作简单，虽然不同的PLC指令系统和助记符有所不同，但编程原则是相同的。4.1.2 系统程序流程分析基于PLC的混凝土搅拌机系统是以PLC为主控元件定量称量骨料、水泥、水、添加剂等物质，能够自动控制混凝土搅拌机均匀搅拌混合物，得到混凝土达到国家标准的系统且整个操作高效、可靠、安全、无噪音污染。本论文研究主要了基于PLC的混凝土搅拌机系统。本系统主要完成了骨料进料、骨料称量、传送带传送、其他物质定量添加以及混合物搅拌的过程，并设置了自动与手动两种模式。一般情况下，均使用自动模式，按下系统启动按钮，系统开始运行，骨料仓上料直至装满骨料仓。按下手动按钮，骨料仓闸门开启，骨料下放至称重设备，称重设备有显示。系统将称重重量与设置重量比较，当系统检测到称重重量到达设置重量时，骨料仓闸门关闭，停止下料。传送带启动，将称重好的骨料输送至搅拌机，同时，水泥输送机（开启180s）、水泵（开启300s）、添加剂输送机（开启30s）均启动，将系统定量好的物品输送至搅拌机，搅拌机开启，配料指示灯亮，10s后自动灭。当系统检测搅拌机已经搅拌完成（搅拌3000s），系统自动停止，搅拌结束，搅拌机翻斗机自动下翻卸混凝土，下翻到下翻限位，停止翻动，开始计时，时间到了预定时间，搅拌机翻斗机上翻至上限位，结束循环。整个系统的软件采用模块化结构设计，即软件程序主要是由许多实现不同功能的软件程序构成，使得软件程序结构更简单，实用性更高。系统程序流程图如图4.1所示。图4.1 主程序流程图4.1.3报警电路设计本系统的报警信号利用PLC输入信号作为系统的各电动机的故障信号，程序运行流程图如图4.2所示：图4.2 故障报警程序流程图4.1.4断电保护程序设计基于整个设备的工作需要连续循环进行，因此，断电保护是必不可少的。程序设计选择具有断电保护的辅助继电器，将各参数数据存储与寄存器中，当断电后再启动，数据可以得以恢复，从而实现断电保护。如图4.3为断电保护流程图： 图4.3 断电保护流程图4.2程序指令表序号指令序号指令序号指令序号指令1LD X00059MPP117LD Y012191OUT Y0252OR Y00060OUT T38 K1800118AND Y013192LD M303ANI X00261LD M0119AND M5193OR M364ANI X00362OR Y005120AND M6194AND X0265OUT Y00063MPS121AND M10195OUT Y0266LD X00164ANI T39122OUT M11196LD M307OR M065ANI X003123LD M11197OR M378AND X00566ANI M17124OR M12198AND X0279AND X00667MPP125ANI X003199OUT Y02710AND X00768OUT T39 K3000126ANI T40200LD X02011AND Y00069LD M0127OUT M12201OR M3112OUT M070OR Y006128LD M12202AND X02113LD Y01471MPS129ANI X003203OUT M3114OR M1672ANI T37130ANI T40204LD X02015ANI T4373ANI X003131OUT T40 K3000205OR M3216OUT M1674ANI M17132LD M11206AND X02217LD M075OUT Y006133OR Y014207OUT M3218OR Y00176MPP 134ANI X003208LD X02019ANI M1677OUT T37 K300135OR Y010209OR M3320ANI X00378LD M1136ANI X003210AND X02321OUT Y00179OR Y012137ANI X005211OUT M3322LD M800080ANI X003138OUT Y010212LD X02023AND X01081ANI X005139LD Y010213OR M3424OUT M2082OUT Y013140OR M13214AND X02425LD M2083LD M14157ANI Y43215OUT M3426OR M1484OR M1158OUT M13216LD X02027ANI T4385ANI X003159LD M13217OR M3528ANI X00386ANI T43160MPS218AND X02529OUT M1487OUT M1161ANI T43219OUT M3530LD M088LD M15162ANI X003220LD X02031OR Y00289OR M2163OUT Y015221OR M3632ANI X00390ANI X003164MPP222AND X02633ANI X01091ANI T43165OUT T43 K100223OUT M3634OUT Y00292OUT M2166LDI T36224LD X02035LD M800093LD M1167OUT T35 K60225OR M3736AND X01194AND M2168LD T35226AND X02737OUT M2195OUT M3169OUT T36 K60227OUT M3738LD M2196LD M1170LD T35228LD X02139OR M1597OR M2171OUT M30229ANI M3140ANI T4398OR Y011172LD M30230LD M02241ANI X00399ANI X003173OR M31231ANI M3242OUT M15100ANI M3174AND X021232ORB43LD M0101OUT Y011175OUT Y021233LD M02344OR Y003102LD Y011176LD M30234ANI M3345ANI X003103OR M4177OR M32235ORB46ANI M15104ANI M11178AND X022236LD M02447OUT Y003105OUT M4179OUT Y022237ANI M3448LD T42106OR M5180LD M30238ORB49OR M17107ANI M11181OR M33239LD M02550ANI T43108OUT M5182AND X023240ANI M3551OUT M17109LD Y005183OUT Y023241ORB52LD M0110OR M6184LD M30242LD M02653OR Y004111ANI M11185OR M34243ANI M3654MPS112OUT M6186AND X024244ORB55ANI T38113LD Y006187OUT Y024245LD M02756ANI X003114OR M10188LD M30246ANI M3757ANI M17115ANI M11189OR M35247ORB58OUT Y004116OUT M10190AND X025248OUT Y020249END4.3本章小结本章主要对系统的工作流程进行了分析，随后对系统的主程序、故障报警和断电保护程序进行了分析和流程图的绘制，明确了系统的程序流程，然后对系统的程序进行了设计且列出了程序指令表，为下一步的程序仿真与调试奠定了基础。第五章 程序仿真与调试5.1软件介绍由于条件有限，本系统利用GX Developer软件对系统进行仿真与调试，GX Developer是三菱PLC的编程软件，其能够支持梯形图、指令表等语言程序设计，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能，而GX-simulator是GX Developer的仿真必不可少的插件11。如图5.1为GX Developer和GX-simulator的打开界面：5.2程序仿真与调试5.2.1测试系统主程序如图5.2所示为系统启停梯形图图5.2 系统启停梯形图此时，按下X000，即按下启动按钮，Y000点亮，即循环开始指示灯点亮，证明系统开始运行。运行梯形图如图5.3所示：图5.3 系统循环开始梯形图上图中，黄色为按下按钮。 点击X001，即按下手动按钮，此时，各电机启动信号灯是没有亮的，因为此时系统不能检测到搅拌机是否在上限位且骨料放料闸门关闭，因此，需要点击X006（使搅拌机在上限位、X006（石料箱闸门关闭）、X007（沙料箱闸门关闭），此时，各电机启动，开始倒计时配料。如图5.4所示:图5.4 系统启动梯形图当发生紧急事件时，按下X003，系统停止工作，如图5.5所示:图5.5 紧急停止梯形图当所有配料根据设定时间完成配料时，配料完成指示灯亮，此时，搅拌机开始进行搅拌，搅拌时间为5分钟，如图5.6所示：图5.6 配料完成指示灯梯形图搅拌时间到后，翻斗机下翻，将搅拌好的混凝土倒入存储箱中，如图5.7为翻斗机下翻梯形图，下翻时间为2分钟。图5.7 翻斗机下翻梯形图当2分钟到了后，翻斗机上翻，停止卸混凝土，此时，完成一次循环指示灯亮，系统完成一次混凝土循环，如图5.8所示。图5.8 系统完成一次循环梯形图5.2.2故障报警程序调试分别按下X021至X027，分别代表搅拌机故障、石料运输机故