沥青混凝土拌和生产线自动控制系统设计.docx
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1、 本科毕业设计(论文)题目:沥青混凝土拌和生产线自动控制系统设计 院 系:工学院电子与电气工程系 专 业:电气工程及其自动化 班 级:电气工程1505 姓 名:胡方帅 学 号:201502015021 指导教师:郭东旭 烟台南山学院教务处二年月烟台南山学院毕业设计(论文)原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名: 年 月 日烟台南山学院关于毕业设计
2、(论文)使用授权的说明本人完全了解烟台南山学院有关保留、使用学士学位论文的规定,即:学校有权保留、送交论文的复印件,允许论文被查阅,学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印或其他复制手段保存论文。指导教师签名: 论文作者签名: 年 月 日 年 月 沥青混凝土拌和生产线自动控制系统设计摘 要沥青混凝土拌和生产线是道路、桥梁、建筑等大型工程的重要设备之一。在电力电子和控制工程的飞速发展背景之下,PLC作为新一代控制装置,由于它优良的性能,逐渐取代传统继电器控制设备。凭着优秀的抗干扰能力,可靠性方面还是从外观体积小灵活自如功能强大后期维护快捷方便。因此在工业控制工程中和变频器配合使用受到大量设
3、计者的青睐。沥青混凝土拌和生产线自动控制系统设计用PLC作控制器,其中主要完成的任务包括构造系统主要工作流程、I/O地址分配以及扩展单元选型和设计、绘制工作流程图和PLC控制编写,本系统选用西门子S7-300做控制器,采用东芝VFS15-2075PM变频器完成对信息的采集处理和电机的控制任务。博途V15作为本设计的编程软件。系统监控采用触摸屏人机界面。将石料粉料各两种和沥青,三种材料按工程配比,称量,筛分,高温加热烘干等操作放入拌和缸内充分搅拌,成品料经运送车运送至储料罐或者直接运送至施工现场。系统周而复始运行。关键词:PLC 沥青混凝土拌和生产线 自动控制 变频器目录第1章 绪论11.1 研
4、究目的和意义11.2 国内外研究现状11.3 研究内容与设计要求2第2章 系统总体设计32.1 沥青混凝土拌和生产线系统的工艺流程32.2PLC控制系统构成32.2.1 PLC的工作原理4第3章 系统硬件设计63.1 可编程控制器的选用63.1.1 可编程控制器的优点63.2 系统输入/输出信号73.2.1 输入信号分析73.2.2 输出信号分析73.3 PLC不同等级CPU功能介绍83.3.1 PLC选择及扩展模块的选择93.4 系统I/O分配103.5 变频器选型123.5.1变频器控制方式123.6 称量系统133.6.1 皮带秤133.6.2 称重传感器选型133.7 电机控制14第4
5、章 系统软件设计144.2 系统配料控制144.2.1 称量流程154.2.2 程序控制16第5章 结论18参考文献19致 谢20第1章 绪论1.1 研究目的和意义我国拥有庞大的国土面积,那么道路的修建与养护道路成为了一项特别重要的任务。作为一种特殊的面层料沥青混凝土,沥青混凝土成为公路面层料主流。那么沥青混凝土拌和这项重任就落在了拌和生产线的肩上。无论是公路新建还是道路重建,一般情况下沥青路面寿命在8年到13年之间,每年都有15%的道路进入养护或重修阶段。可想而知,对沥青混凝土的需求量也是一笔大数字。那么同理对生产线的要求也越来越高。按照专业人员的统计,每年拌和生产线都要有1500台到200
6、0台中小型生产线投入运营。由此可看出此产业十分可观的发展空间。国内沥青混凝土拌和设备生产线至今才不过二十余年的时间,但发展速度还是较快的。沥青混合料是有一定等级的矿物材料,由碎石,扎碎的砾石,矿粉和粗集料等材料构成。80年代中期开始高等级公路的修建。传统的沥青混凝土性能大大超越水泥混凝土,随着发展速度与日俱增,沥青混凝土的粘接性,防滑性,抗压能力,耐高温能力,耐老化性和耐久度都需要全面提高。那么对生产设备的硬件设施以及系统控制稳定性,生产效率提出了更高标准的要求。1.2 国内外研究现状我国的沥青混凝土拌和生产线至今发展不到三十年的时间。早在初期国外企业纷纷在我国投资建厂。与知名企业合作,这也促
7、进了我们在产品先进性上得到了很好的学习。虽然国外企业的介入对我国市场在成了一定的冲击,但是也促进了其行业发展速度。市场占有率虽然国内品牌已经占据绝对地位,原因是国内品牌价格相对低廉,在生产效率上也较好的表现。这是在小型拌和生产线以及中型生产线方面。但是在大型与特大型生产线方面我们与国外品牌间的差距还是非常明显的,无论是在设备制造技术上还是在控制系统设计上都有差距。大型生产线对设计要求更加高,以及设备的安全性方面。在大型设备的安装调试后期保养维护上还无法独立完成。在加热温控设备监控还是依赖国外技术人员。相比而言国外沥青搅拌生产线的外型结构紧凑,做工精良,人体工程学运用合理。尤其是在带有尖端智能化
8、控制系统的设备上面。现在对生产线在生产线率上面除了有高要求,在节能环保上符合国家环保要求。在除尘系统方面还存在一定技术的差距。我国公路建设对沥青产品的要求不断增加。对生产线的数量也越来越多。在大型项目上面需要产能很高的设备。那么需要我们自主研发的能力不断提高。设计技术革新,缩小与发达国家的差距。在大型设备这一领域找到属于自己的创新产品。1.3 研究内容与目的本次设计针对大型拌和生产线。与十年以前相比产量在40t/h以下的小型拌和生产线已无法满足需求。被340t/h及其以上的中型及大型拌和生产线所替代。当然大型生产线在产能上能满足要求。但是在系统设计,调试,安装以及后期维护方面。还有污染物排放方
9、面都要考虑。设计要求:本系统采用PLC做控制器。硬件系统和软件系统的设计。人机界面(HMI)监控的设计。完成物料称量筛分,烘干,拌和。按照系统流程采用模块化设计。设计思路清晰。程序简洁易懂,设备选型明确。主要任务完成主系统流程图设计,控制器模块选择包括数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块 。让系统自动化运行。第2章 系统总体设计2.1 沥青混凝土拌和生产线系统主要工艺流程第一。开始启动系统。 所有称量设备均处在关闭状态。启动系统后石料和石粉的称量过程同时进行。通过电子皮带秤秤称取第一种石料,当称量值达到设定值关闭石料1料门,然后电子秤称取第二种石料,直到达到石料2设定的称量值,关闭石料2料门
10、。同时,在石料和石粉称量后。沥青秤斗也同样开始称料。石粉秤斗称量同石料称量过程一样,都用电子秤称量,不同的是沥青秤斗是通过控制阀门流量开度控制沥青流量的大小。所有的物料称量完毕之后,分别开启三个物料秤斗阀门注入拌缸内充分拌和,最后通过料车运载到储料罐或者直接通过混凝土运输车运送到施工现场。沥青混凝土拌和生产线采用PLC做中央控制器。模拟量输入输出模块完成对信息的采集从而传递给控制器进行信息处理。PLC收到的信号处理数据控制物料的配比。在模拟信号与数字信号之间传递命令。从而控制石料,石粉,以及沥青的称量电路。皮带秤以及传送带和搅拌缸动力输出有由电动机提供。并且将所有称量设备传送带电动机都配有变频
11、器来控制启停。加变频的原因也是因为考虑到现场情况复杂,让称重更加准确让电机启动更加平稳降低抖动。另一方面也是降低对设备的损害。第3章 系统硬件设计3.1控制系统组成部分模拟量采集的信息要求准确的传递该PLC。那么就要求输入输出点位必须准确。假设控制设备距离工作设备较远时应考虑到系统是否收到干扰。还有该系统设计,在选择西门子S7-300系列PLC。系统控制结构首先系统采集到的数值通过A/D转换转化为电信号把信号传递给PLC。经过数据处理,精确物料称量,操作人员通过触摸屏来控制整个系统的物料配比以及监控系统运作情况。石料1称量电路石料2称量电路石粉1称量电路石粉2称量电路沥青称量电路A/D转换A/
12、D转换A/D转换A/D转换A/D转换S7-300PLC控制器触摸屏控制电路图2.2PLC控制系统结构图3.1.1 PLC的工作原理PLC是适用于工控行业的可编程控制器。虽然源于继电器控制但是和继电器控制有很大的区别。控制的要点是输入输出信息变换,物理实现。PLC采用循环周期扫描方式进行工作。当设备电源启动,第一步系统经过他自己的初始化的过程。让系统达到初始化状态,确保内部各个继电器归零状态,检查输入和输出点的连接是否是正常的状态。接着系统检测所执行的程序过程,看程序是否有异常情况出现。若出现异常点,那么系统默认关闭状态。若没有出现异常点,接着系统内部监控定时器是否复位。若是正常状态,接着系统检
13、查硬件设备以及用户自己的程序存储是否是正常状态,若不合格,系统故障灯点亮,存在错误的位置系统标出提示。若是一般情况异常系统给警告标识,若是比较严重的重大错误,系统会给出标红警告,无法进行下一步操作。在下一步是系统的通信和外设服务简而言之是外部监控。以上步骤完成以后,CPU开始运行模式,输入信号进入系统,监控定时器的复位情况,然后系统一步步执行用户所编写的程序指令。若程序没有执行完毕继续扫描执行阶段,当程序执行完毕后,检测定时器是否复位,定时器复位以后,系统进行数据输出,以及数据刷新过程。这就是系统工作的循环扫描方式。当系统采集到的信号是模拟量信号时,经过端子进行输入处理以后,然后经过程序处理后
14、再经过输出映像存储器以后。经输出端子后输出转化为电信号。其过程和扫描过程大同小异。本次设计的系统的控制系统步骤设计过程可以按照下流程图过程PLC控制系统设计步骤示意图 PLC循环扫描工作方式3.3 系统输入/输出信号3.3.1 输入信号 本系统除了启动和停止外,称重信号需要接入。转化为模拟量传入PLC输入端子。输入信号名称电气符号启动按钮SF1停止按钮SF21#皮带秤称重传感器BP12#皮带秤称重传感器BP23#皮带秤称重传感器BP34#皮带秤称重传感器BP4沥青斗称重传感器BP51#皮带秤测速传感器BS12#皮带秤测速传感器BS23#皮带秤测速传感器BS34#皮带秤测速传感器BS4沥青斗流量
15、传感器BL表3.1 输入设备及其电气符号3.3.2 输出信号分析石料和石粉阀门继电器控制石料石粉供给的开合。皮带秤用来物料的称重以及传送物料的功能。输出设备名称电气符号1#石料阀门继电器KF12#石料阀门继电器KF21#石粉阀门继电器KF32#石粉阀门继电器KF4沥青料仓继电器KF51#皮带秤电机接触器QA12#皮带秤电机接触器QA23#皮带秤电机接触器QA34#皮带秤电机接触器QA4石料斗阀门继电器KF6石粉斗阀门继电器KF7沥青斗阀门继电器KF8拌缸继电器KF9搅拌器电机接触器QA51#传送带电机接触器QA62#传送带电机接触器QA7表3.2输出设备及其电气符号3.4 PLC不同等级CPU
16、简介S7-300提供多种性能等级的CPU。它重要针对中小型系统。除了性能多种多样以外。按照结构还可以分为多种结构类型,为了满足不同需求,不同工作系统的情况要求。除了标准型CPU外,还有紧凑型CPU。与此同时还提供技术功能型CPU和故障安全型CPU。各式各样的处理器,满足客户的选择。物尽其用,让客户选择适合自己的CPU,无论是从性价比,产品功能方面都能满足。3.4.1 PLC选择及扩展模块的选择本次系统设计选用西门子300PLC中的CPU312。它属于小型PLC,带MPI的处理器。完全可满足小型系统的设计。且内部集成通讯,数据管理以及诊断等多种优势。其系统内部安装有微处理器和存储器扩展等。还有灵
17、活的扩展能力。满足各种需求,可轻松搭载扩展模块。单排组态其最高搭载达到8个模块。经过系统输入信号和输出信号的分析。本系统要求2点开关量输入,16点开关量输出。10点模拟量输入,5点模拟量输出。因此选择一个8位数字量输入和8位数字量输出模块,一个16位数字量输出模块。2个8路12分辨率的模拟量输入模块和1个8位模拟量输出模块。3.4.2系统设备组态3.5 系统I/O分配(1)模拟量输入称重和信号的输入信号。输入地址分配功能IW2881#称重传感器检测信号IW2902#称重传感器检测信号IW2923#称重传感器检测信号IW2944#称重传感器检测信号IW296沥青斗称重传感器检测信号IW2981#
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