混凝土搅拌站的电气控制

混凝土搅拌站的电气控制

摘 要:介绍一种混凝土搅拌站自动化控制系统, 此系统以工控机为上位机,PLC 为下位机, 基于操作平台, 提供一种实用的混凝土搅拌站自动化控制系统方案。，论文分析了混凝土搅拌站当前各种控制方案，通过分析给出了搅拌站的总体设计方案。论文对控制系统特征进行分析，结合搅拌站的控制要求，设计出系统的硬件原理框图，并对其中的控制电路进行了较为详细的介绍。论文对PLC 、单片机程序流程做了详细介绍以及上位机统一控制。 关键词:搅拌站; PLC;工控机

Abstract: A concrete mixing plant automation and control systems, industrial control computer as the system host computer, PLC for the next bit plane, based platforms, providing a practical automatic control system of concrete mixing station program. , The paper analyzes the various current control of concrete mixing station program, the analysis gives the overall design of the mixing station program. Paper analyzes the characteristics of the control system, combined with mixing control requirements, design the hardware block diagram, and the control circuit in which a more detailed description. Thesis on the PLC, MCU program flow made a detailed and unified control PC.

Keywords : mixing; PLC;IPC

第1章 引 言

随着城市现代化建设及其大型水利等工程的不断发展, 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, 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、环保性能良好等特点, 正在成为混凝土生产的主流。混凝土搅拌站控制系统是一套用于生产混凝土的自动化电子配料、控制装置, 它由工控机、操作台及基于PLC 的现场控制站三部分组成, 能够按照给定的配方, 自动地控制各部分物料称量、投料、搅拌和出料。PLC 具有可靠性高，功能完善，编程简单等特点，可以有效地弥补混凝土搅拌站常规继电器控制系统的缺陷，与工控机相结合，混凝土搅拌站的控制系统采用上位机进行管理，下位机PLC 进行控制与监视，实现从配料计量、搅拌、到出料生产全过程的自动化、智能化。以提高配料精度，提高产品质量和产量，降低成本。

第2章 系统方案及确定

第2.1节 方案 1

本方案中的混凝土搅拌站测控系统主要由上位工控机监控管理部分、下位机PLC 现场控制部分及单片机称重系统计量部分组成。通过PLC 通讯单元实现与计算机的通讯, 计算机可以完成数据的采集和处理, 并可以传送至PLC 的数据区, 计算机还可以直接读写PLC 内部数据区的数据, 也可以监控程序执行状态。可见, 通过PLC 与计算机通讯, 可以方便完成混凝土配比参数的选择, 也使PLC 控制系统的调试抛开了程器的不直观不方便的缺馅, 调试、参数修改和故障处理等都实现人机操作对话, 控制系统更完善, 这是目前自动控制领域最理想的控制方式, 即采用工控机为数据管理级,PLC 为数据控制级, PLC 与计算机通讯形成控制网络管理现场的集散控制系统。

第2.2节 方案2

本方案通过传感器、硬件电路、IO 接口电路、显示面板等对水泥搅拌站作业参数进行实时测量和显示，控制执行元件，实现对水泥搅拌站整机控制，它是由供料、贮料、配料，搅拌、出料，控制等系统控制等系统及结构部件组成，显然，它是一个受多环节控制的复杂系统。本方案主控器由单片机来实现，模数转换由ADC0809来实现，用 LED 数码管，通过一种译码器和一方向器与单片机相连，设置几种键来控制电机。本方案的核心就是电机的启动，由于电机启动需220 V 以上的电压，而单片机提供的电压不能做到使电机启动，所以需要使驱动器来驱动电机，使其启动。本方案中，采用了继电器来驱动。

第2.3节 方案的确定

基于PLC 和工控机的混凝土搅拌站控制系统充分利用了PLC 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。具有强大的数据处理和图像表现能力的组态软件的应用, 融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术和软件技术, 具有可靠性高、操作简单、维护容易等特点。所以决定采取第一种方案。 搅拌站电气系统硬件结构图如图2-1所示。

搅拌站电气系统硬件结构图2-1

硬件由可编程控制器(含数字量输入输出模块、模拟量输入模块) 、工控机、电子称量系统打印机、若干电器元件组成。根据搅拌站的工艺流程和控制要求，选用PLC 作为电气系统的主控制器并扩展模

拟模块以读入现场标准模拟量信号和输出模拟量至变频器，控制有调速要求的电机运行。PLC 通过串行通信口与上位工控机相连。其中PLC 是整个控制系统的核心, 所有的开关量控制以及顺序控制都需经过PL C处理。现场的称重传感器将重量信号反馈给PLC ，通过逻辑处理去驱动现场的放料门或电动机; 其余的动作机构则是通过按钮给PLC 输入信号来实现控制。 第3章 搅拌站控制系统的硬件设计

第3.1节 下位机的硬件设计 3.1.1 PLC 机型的选择

根据控制要求和控制功能的分析，选用三菱的FX2N 系列PLC ，FX2N 系列可编程控制器输入继电器采用八进制编码，基本单元输入继电器最大范围为X0~X7共64点，扩展后可达X0~X267共184点。FX2N 系列可编程控制器输出继电器也采用八进制编码，基本单元输出继电器最大范围为Y0~Y77共64点，扩展后系统可达Y0~Y267共184点。FX2N 系列每条基本指令执行时间为0.08us; 具有27条基本指令、2条步进指令和128种功能指令；有3072点辅助继电器、1000点辅状态继电器、256定时器、235点计数器、8000多点16为数据寄存器、128点跳步指针和15点中断指针；内附8K 步RAM(RUN过程中可更改程序) ，最大可达16K, 最大可扩展到256个I/O点。FX2N 系列拥有大量适用于特殊用途的条件，与FX2系列相比，面积，体积要小50%，FX2N 是FX 系列功能最强、速度最快的微型可编程控制器。

3.1.2 搅拌站PLC 控制系统外部接线图

搅拌站PLC 控制系统的外部接线图如图3-1

PLC 控制系统的外部接线图3-1

3.1.3 系统的控制方式

系统应具有手动控制和自动控制两种工作方式，手动工作方式主要是在系统维护或软件调试时使用，而在正常生产过程中一般采用自动工作方式。因此应设置手动、自动选择和相应按钮并为各按钮设置指示灯，以便系统运作不正常时方便查错。

系统的逻辑控制主要由PLC 负责, 可以接收各种开关、按钮及接触器状态等输入信号和上位机的命令, 实现各种动作的控制, 其

骨

骨料1进料阀门开/关

骨料1排料阀门开/关

料1传送带启动/停止

骨料2进料阀门开/关

骨料2排料阀门开/关

骨料2传送带启动/停止

骨料3进料阀门开/关

骨料3排料阀门开/关

骨料3传送带启动/停止

集料仓阀门开/关

集料仓传送带启动/停止

粉料1进料阀门开/关

粉料1排料阀门开/关

粉料1传送带启动/停止

粉料2进料阀门开/关

粉料2排料阀门开/关

粉料2传送带启动/停止

水箱进料阀门开/关

水箱开料阀门开/关

搅拌机电动机正转

搅拌机电动机反转

搅拌机卸料电动机正转

搅拌机卸料电动机反转

手动启动

自动启动

停止

骨料1称重

骨料2称重

骨料3称重

粉料1称重

粉料2称重

水计量

行程开关1

行程开关2

中包括配料仪表的启停、电机的顺序启停控制、连锁控制和保护控制等。输出通过中间继电器(24VDC)控制电磁阀或接触器等执行设备。PLC 与上位机可通过RS2485接口来实现。现场传感器与变送器和仪表实时采集流量、压力、重量等检测信号，根据称重信号和生产配方产生螺旋送料机、电子秤、阀门等的控制信，可以动态检测和处理配料过程中可能出现的问题，称重显示仪表可与PLC 实时、高速通信。可以通过单片机的开关量输出1/0作为PLC 的输入量，以控制输出。

首先, 电控柜向配料器发出一个启动信号, 开始配料。先打开各骨料仓阀门, 将物料放入其下的各骨料秤中, 通过传感器采集到称重信号, 待达到配方设定值,PLC 发出信号, 关闭各骨料仓进料阀门, 同时相应的传送皮带开始启动运行，当皮带运行30秒，骨料的排料阀门开启，物料落入其下的传送皮带上, 送入集料斗中。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水的计量，在混凝土所需的各种骨料粉料称量完毕、水计量完毕后，控制集料斗阀门和粉料排料阀门开门，并通过其相应的传送带把各种材料装入搅拌机、同时水箱阀门开启水进入到搅拌机，然后搅拌机进行搅拌。搅拌机运行指定的时间后，打开搅拌机的卸料门进行卸料，完成混凝土生产的一个循环。为了提高搅拌站的搅拌效率，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.

第3.2节 称重仪表的硬件设计 3.2.1 称重仪表的硬件结构

称重仪表的硬件图3-2

利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。此外，还可通过键盘输入设定值。通过开关量输出电路与PLC 通信。 3.2.2 称重系统中单片机的选择

单片机采用MCS-51系列单片机。由ATMEL 公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash ，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。 3.2.3 传感器和其外围以及放大电路设计

传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，由于惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，

可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，又因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以在本设计中选用最终方案我们选择的是上海开沐自动化有限公司生产的NS-TH1系列称重传感器，额定载荷20Kg ，该称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

由于传感器输出的电压信号很小，是mV 级的电压信号，因此为了提高系统的抗干扰能力，在传感器外围电路的设计过程中，增加

了由普通运放设计的差动放大器增益调节电阻Rg 选用10K 电阻，是为了满足系统抗干扰的要求而设计。其电路图如3-3所示。

传感器和其外围以及放大电路图3-3

3.2.4 A/D转换芯片与AT89S52单片机接口电路设计

AD574是美国Analog Device公司生产的12位单片A/D转换器。它采用逐次逼近型的A/D转换器，最大转换时间为25us ，转换精度为0.05%，所以适合于高精度的快速转换采样系统。

电路接线图如下图3-4所示:

A/D转换芯片与AT89S52单片机接口电路图3-4

根据芯片管脚的原理，无论启动、转换还是结果输出，都要保证CE 端为高电平，所以可以将单片机的/RD引脚和/WR端通过与非门与AD574的CE 端连接起来。转换结果分高8位、低4位与P0口相连，分两次读入，所以12/-8端接地。同时，为了使CS 、A0、R/-C在读取转换结果时保持相应的电平，可以将来自单片机的控制信号经74LS373锁存后再接入。CPU 可采用中断、查询或者程序延时等方式读取AD574的转换结果，本设计采用中断方式，则将转换结束状态STS 端接到P3.2。

受状态，因为单片机复位时管脚是高电平状态，所以在单片机和485芯片之间用与非门转换电平。P2.2是逻辑电平“1”时，485芯片的RE 低电平有效，使其处于接受状态；反之，逻辑电平“0”时就是

发送状态。在总线出口处接有120Ω的线路匹配电阻，防止线路信号的反射对接受的影响。

3.2.7 显示电路

该电路只使用89C51的2个端口，配接4片串入并出移位寄存器74LS164可调稳压器。其中74LS164的引脚Q0～Q7为8位并行输出端; 引脚A 、B 为串行输入端; 引脚CLK 为时钟脉冲输入端，在CLK 脉冲的上升沿作用下实现移位，在CLK=0、清除端MR=1时，74LS164保持原来数据状态;MR=0时，74LS164输出清零，其显示电路如图3-7。

显示电路3-7

3.2.8 开关量输出

利用键盘将设定值置入内存, 仪表随时比较采样值和设定值, 并把比较结果以开关量方式输出, 达到控制外设的目的。开关量电路图如图3-8

第3.3节 上位机的选择

上位机可根据用户要求选择工控机(IPC)或普通计算机(PC),它只需标准串口而不需进行其它扩展, 用户维护方便上位机主要完成各种状态参数的显示, 发布控制命令和调整控制参数等功能。混凝土搅拌站上位机控制负责所有设备的供电及保护、电机的启停控制、制动控制和正反转控制等, 它接受来自PLC 和手动按钮操作命令, 实现对电机的控制。当系统出现异常情况时, 可以通过设置在控制室或现场的紧急停止按钮迅速停止设备的运行。上位机采用组态王6.51开发，可靠性强, 开发周期短, 具有完善的图形界面生成功能。组态开关量电路图3-8 王6.51工控组态软件是北京亚控公司生产的标准PC 平台上的一种组态软件，它是以 MFC(微软基础类库) 、COM(组件对象模型) 技术为基础的运行于 Microsoft Windows 环境下的HMI(人机接口) 软件包，组态王6.51 主要由工程管理器、工程浏览器和画面运行系统3部分组成。

第4章 混凝土搅拌站控制系统的软件设计

第4.1节 PLC 程序设计

P 可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中

间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比继电器系统电路图的设计时间要少得多。

根据对搅拌站系统的硬件组成和控制原理的分析，按照模块化的程序设计思想，搅拌站PLC 控制系统的程序主要包括初始化程序、配方传送程序、仪表称重程序，以及骨料粉料等进料、配料、搅拌逻辑控制程序和PLC 与上位机通信程序等子程序。PLC 需要采集各秤的重量信号及其他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。根据工作流程的要求,PLC 控制程序执行输出动作时, 计算机必须已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PL C 无输出动作等。

下为PLC 现场控制部分现场功能图4-1

PLC 现场功能图4-1

第4.2节 单片机程序设计

软件程序设计采用模块式结构, 其优点是结构清晰、调试方便、易维护、易扩充。整个系统由采样、称重、键盘扫描、液晶显示、程序设定、打印通信、开关量输出等模块组成。总流程设计如图4-2所示。

单片机总流程图4-2

系统上电启动后, 首先进行初始化, 对寄存器和各I/O端口进行设置; 然后执行自检程序, 自检无误后开始扫描键盘。当有按键触发

时, 经判断分别进行程序设定和功能键处理。若无键触发则对AD 模块进行采样, 并自动校零。若程序设定的F1为Enable, 则直接显示AD 采样的电压值后返回循环起点。反之, 进入称重模块计算, 将采样模块得到的数据进行零点修正和满度修正后, 可作皮重处理, 也可减去皮重作净重处理; 得到的数再与开关量的设定值比较, 输出设定的相应电平, 达到控制的目的; 然后显示称重值及相应状态; 最后如有打印或通信要求, 执行该段子程序后回到循环起点。

4.2.1 称重模块

称重过程中, 即使经过足够时间的延迟, 由于机械振动和电磁干扰等原因, 采样得到的数也总会在真值附近抖动, 使采样精度有一定的偶然性。为了克服这个弊病, 通常不在误差带中, 因而都会引起较大读数误差。本控制器的采样模块软件设计采用多点采样剔除可采用多点采样取其平均值或多点采样取其中值等方法。但这两种方法都有其不足之处:平均值法会引入干扰点误差; 取中值法可能坏点的办法, 从而得到了满意的效果。

4.2.2按键设定模块

在按键设定模块中, 可自由选择进入每个设定的内容, 也可随时保存设置内容并退出, 无需一兜到底经历每一项设定。程序设定的内容有: F1 原始值显示，F2 自动零点跟踪功能设置；F3 波特率选择；F4 打印功能；F5 输出模式设定；F6 称重值精度设置； F7单位显示设置，F8 仪表精度标定模式。

4.2.3 其余

另外, 功能键设计有调零、皮重设定、毛重/净重切换、开关量高低值及电平设定、打印设定、无零检验设定等功能。按键程序采用一键多用及组合键的设计, 使得仪表面板简洁明快, 操作也极为方便。

第4.3节 上位机的设计

为了保证通信的正确性, 上、下位机必须遵从相同的通信协议，设定通信参数( 包括数据位, 停止位, 波特率、校验方式) 。通信方式多为主从式，通信过程为应答式。即由主机向从机发送一个命令, 从机收到命令后给出一个应答信号便完成一次通信。在组态王中, 工控机对网络终端各协调器节点采用定时轮询方式进行读、写操作。

第5章 结语

由PLC 和计算机共同组成的控制系统是目前控制领域最广泛应用的控制模式, 该类控制系统实现混凝土搅拌的工作流程, 具有工作稳定、搅拌的混凝土质量好, 故障率低, 生产量, 能耗低以及操作简便等优点, 可广泛应用大于商用混凝土的生产。它扩展并与计算机通讯构成网络还可以实现多套搅拌系统的群控。

第6章 论文（设计）主要参考文献

主要参考目录：

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致 谢

论文终于脱稿付印了，此刻的我思绪万千，心情久久不能平静。这段时间无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、

开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。我愿借此机会向导师表示衷心的感谢！同时也向这四年来帮助过、关心过我的老师、同学表示由衷感谢。

回顾四年学习期间的一千余个日日夜夜，自己为有机会摆脱工作的烦恼与浮躁，静心钻研，潜心研究，并取得初步研究成果而感到欣慰。欣慰之余，我要向关心和支持我学习的所有领导、同事和朋友们表示真挚的谢意！感谢他们对我的关心、关注和支持！同窗之谊和手足之情，我将终生难忘！师生之情，血浓于水的感情将陪伴我度过一生，这将是我进步的阶梯。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。我愿在未来的学习和研究过程中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学、同事和朋友。