基于西门子PLC控制的制砖机 - 图文

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1 绪论

在基础设施建设中，砖起着举足轻重的作用。城镇化发展迅速，对砖的需求量越来越大。品质好的砖不但坚硬不易碎，而且生产过程不会污染环境。基于PLC控制的制砖机不仅能生产出高品质的砖，而且具有产量大，工作稳定，效率高等优点。制砖机通过PLC控制[1]，抗干扰能力强，工作稳定。制砖机通过变频器控制振动频率，生产不同规格密度的砖。本设计是使用西门子S7-200系列PLC，利用西门子MM440变频器为基础而设计的自动控制的制砖机，PLC具有良好的操控性和稳定性，利用变频器的高效转速调节生产不同规格的砖，利用组态软件实现现场监控和油泵压力数据监视。

1.1 选题的目的和意义

随着人民生活水平的提高，住房条件得到显著改善，近年来城镇化步伐的加快,住宅建筑量日益增大，据统计我国每年基础建设建筑量庞大，近年来增长迅速。过去技术落后，使用柴火烧制粘土砖。砖窑烧砖时大量使用木炭和煤炭，高耸的烟囱排出滚滚浓烟，不仅会污染大气破坏环境，而且还破坏了大量农田。烧结粘土砖会排放大量的二氧化碳，据统计每年排放到大气中的二氧化碳超过1.7亿吨，造成了城市的酸雨和全球的温室效应。为了减少人类对环境的破坏， 2011年我国开始严格限制烧结砖的产量，并且禁止使用粘土砖。面对庞大的市场需求，而且又必须保护好环境，减少能源的损耗，免烧制砖机的出现解决了这一棘手问题。

1.2 国内外制砖机的生产发展趋势

每年用于基础建设产生和北方暖气供暖所产生的能耗至少占到了我国年能耗总量的15%。而且粘土砖在生产过程中会排放出大量的烟灰，污染严重，种种原因限制了烧结砖项目。因此面对巨大的市场需求，免烧制砖机得到了快速发展。免烧砖机市场中主要有：水泥砖机、液压压砖机、制砖机、砌砖机等。全自动制砖机在市场上应用广泛，其具有自动化程度高，产量大，品质好等特点，备受欢迎！

经过40多年的发展，国内外制砖机等机械设备发展迅速。世界上许多国家的制砖机公司不断研发出新型的制砖机。意大利有SACMI、SITI等四家公司主

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要生产墙地砖压制成形机械设备。德国制造自动控制制砖机设备的生产商有LADS BUCHER、DORST等公司，国内生产商也不甘落后，积极研发全自动控制的制砖机。国内外未来制砖机产品发展的趋势是：

(1) 推出宽台面的液压砖机

许多企业推出了宽台面的液压砖机，制砖机中还增加压制砖坯的模块数，从而提高了生产效率。

(2) 大吨位制砖机

数年前市场中出现3000，4000吨大吨位液压砖机。 (3) 过滤液压油并保持液压系统的清洁

液压系统液压油的不干净往往会导致液压系统发生故障，所以很多企业特别注重液压系统中的液压油，保持液压油的清洁，并且采取在油泵的进口和出口处设置液压油过滤系统，全面全方位保持液压油的清洁。

(4) 简化液压控制系统,减少液压系统的能耗

在国外液压制砖机系统动力系统用高效变量泵驱动取代定量泵，增加了许多回收系统，将能源的损耗将至最低。

1.3 本章小结

经过对课题的初步分析，浅析了制砖机的市场需求和发展方向，认真了解基于PLC控制的制砖机的发展趋势。认识了我国制砖机的发展的市场前景以及自动控制下的制砖机的优势及意义。

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2 基于PLC控制的制砖机设计简介

基于PLC控制系统由限位开关，压力传感器，PLC控制器，变频器等部件组成，由PLC控制部件执行，由组态软件对其进行监控。

2.1 基于PLC控制的制砖机的组成

该控制系统组成包括：10个光电开关作为限位开关检测各个动作是否归位，1个压力传感器检测压模压力大小调节压模压力，2台变频器分别调节震模频率和油泵电机的转速，1台西门子S7-200PLC控制各个器件协调运行。如图2.1所示。

油泵压力传感器压头限位开关

图2.1 制砖机的组成

2.2 基于PLC控制的制砖机的运行过程

(1) 基于PLC控制的制砖机控制系统的简易工作图

自动控制的制砖机系统是利用PLC把传感器采集的相关参数--模拟量转换成数字信号，然后将数字信号与给定值进行比较，通过程序中参数比较处理，输出相应的控制信号进行控制。制砖机中PLC通过压力传感器检测压模的压力并与设定值相比较，如果压模的压力比设定的压力值小，PLC通过控制变频器提高油泵转速来达到增加压头压力的目的。若压头的压力大于设定的压力，PLC控制

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变频器降速，减轻压槽的压力大小。制砖机通过震模震动制造出密度不同的砖型，通过变频器变频来控制震模震动频率的快慢，自动控制制砖机系统简易工作图如图2.2所示。

震动频率设定值压模压力设定值PLC控制系统震动装置震动频率压头压力控制

图2.2 自动控制制砖机系统简易工作图

2.3 基于PLC控制的制砖机中传感器的选型

现在代信息技术也被称为传感技术，包括信息的拾取、传输和处理技术。传感器[2]对于整个制砖机的控制系统有着很大的关系。本设计中BYP300型压力传感器。

(1) BYP300压力传感器工作原理

BYP300型压力传感器采用先进的扩散硅传感器，扩散硅传感器灵敏度非常高，有着高精度和载能力强的特点。传感器和放大电路高度集成，体积小，结构简单，安装简便，所以应用广泛。

BYP300压力传感器的特种压力敏感元件使用扩散等工艺技术，将其组成惠斯通电桥，通过精密的机械加工技术形成对压力变化很敏感的薄片。当压力作用在传感器上是，传感器上敏感薄片发生形变，薄片的电阻值的变化与压力成正比关系，电阻的变化对应着电压电流也随之变化。在电桥上通入直流电后会产生一个4～20mA的直流信号。BYP300压力传感器的性能参数如表2.1所示：

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表2.1 BYP300压力传感器的性能参数 测量范围 精度等级 输出信号 防暴等级 防护等级 电源电压 最大过载

0-100Mpa 0.1 4-20mA T5 IP65 24V 2-3倍

(2) 模拟量的输入设置 在本设计中，通过压力传感器把模拟量输入到PLC中，PLC通过比较指令做出相应动作，从而该变变频器的工作状态。全量程方为0-32000，在组态中全量程为0-50MPa，在制砖机运行时正常压力为45 MPa，当压力超过45 MPa时，油泵电机转速下降，组态中能实时监控压力的大小。在编程是，IN2的值为32000/50=640，AIW0的值为IN2×45=28800。程序中模拟量的输入如图2.2所示：

图2.2 程序中模拟量的输入

2.4 基于PLC控制的制砖机中变频器

在以前，工业中应用最为广泛的是直流电动机。由于技术的不成熟，在相当长的时间里，交流电动机一直应用不广泛，变频器的出现解决了这一问题。

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2.4.1 变频器的发展

在19世纪期间，直流电动机和交流电动机在工业中得到应用。当时已经成为动力机械的主要驱动装置。但由于技术的不成熟，在相当长的时间里，工业上对机械设备进行调速控制大多数仍然使用直流电动机。由于转换器的存在，直流电动机的维护费用非常大，且电机的最高转速和单机容量不能再提高。因此，人们希望用能够调节转速的交流电动机取代直流电动机。因此，人们开始大量研究交流调速系统。20世纪初期，能够调节转速的交流电动机在特种工业中得到迅速发展。变频器的小型化，多功能化，网络化和无公害化发展。变频器在交流调速系统中性能优异，在工业应用中发挥重要作用。变频器的缺点主要有变频器的输出电流和电压的谐波对电机的影响，对电网波动和对电网的谐波污染。在变频器使用中，变频器电能损耗也要考虑在内。 2.4.2 西门子MM440变频器

在制砖机控制系统中使用的变频器的型号为西门子MM440[7]，西门子MM440变频器是用来控制三相交流电动机调速的变频器。

西门子MM440变频器的主要特性特点： (1) 易于安装，调试 (2) 牢固的EMC设计 (3) 简便的电缆连接 (4) 响应速度

(5) 参数设置方便，数值设置广泛 (6) 具有矢量控制功能

(7) 变频加速/减速的斜坡特性能够调节，也能调节起开始和结束段的平滑圆弧。

2.4.3 变频器的选型和设置

本设计选用恒定转矩控制方式，MM440变频器的技术参数范围为：数字量输入6个，可编程，可切换高电平/低电平有效。模拟量输入2个，可编程。功率因数0.98固定频率：15个，可编程。跳转频率4个，可编程。

变频器要实现三段固定频率控制，需要3个数字输入端口。三段固定频率控制接线图如图2.3所示。

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+24Vs1s2s3s4s1s1s1s1s1MM440uvwM3～

图2.3 三段固定频率控制接线图

(1) 可由P0703控制数字输入端口“7”，作为控制电动机启动和停止。 (2) 实现3段固定频率控制功能要用到数字输入端口“5”和输入端口“6”端口“5”和端口“6”可由开关S1和S2组合成二位二进制控制码控制。

变频器中开始使用前要恢复变频器工厂默认值。设置参数P0010=30;P0970=1后，按下P键，屏幕上显示“busy”字样,此时变频器开始复位，需要30s，恢复变频器的参数返回到工厂默认值。固定的三段频率控制状态表如2.2所示，固定的三段频率控制参数表如表2.3所示。

表2.2 固定的三段频率控制状态表

电动机

固定频率

1 2 3 OFF

6端口（S2） 5端口（S1）

0 1 1 0

1 0 1 0

参数号 P1001 P1002 P1003 /

频率/Hz

（r/min）

10 25 50 0

280 700 1400 0

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表2.3 固定的三段频率控制参数表

参数号 P0003 P0004 P0700 P0701 P0702 P0703 P0004 P1000 P1001 P1002 P1003 P1120 P1121

出厂值 1 0 2 1 1 1 0 2 0 5 10 10 10

设置值 2 7 2 15 15 1 10 3 10 25 50 3 3

说明

设用户访问级为拓展级

命令和数字I/O 命令源选择 选择固定频率 选择固定频率 ON接通正传,OFF停止 设定值通道和斜坡函数发生器

选择固定频率设定值 设置固定频率1(Hz) 设置固定频率2(Hz) 设置固定频率3(Hz) 斜坡上升时间（S） 斜坡下降时间（S）

2.5 本章小结

本章阐述制砖机自动控制系统中传感器和变频器方面的选择，能够清楚明了地了解设计步骤，控制要求和方法，主要设计难点在于传感器和变频器连接控制这一环节。要区别电压型和电流型传感器的优缺点，变频器输出功率的大小要与制砖机需求相匹配。各个器件参数的大小，传感器型号的选取对制砖机设计的难度和制砖机自动控制系统的可靠性有很大的关系。

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3 基于PLC控制的制砖机可编程控制系统的实现

PLC技术运用范围越来越广泛，PLC因为稳定，搞笑，在工业中运用无所不能。在制砖机中使用PLC可实现制砖机的自动化运行。

3.1 西门子S7-200PLC

德国西门子S7-200系列的PLC是西门子PLC的主流产品，其功能强大，性价比高，应用范围广泛，深受国内外用户的欢迎，在国内外具有较高的市场占有率。

3.1.1 PLC的发展历程

在20世纪60年代，工业上生产线的自动控制系统绝大多数都是继电控制装置。当生产每一样产品更换时都必须对继电器控制装置进行重新设计。但是随着生产技术的发展，产品更新换代越来越快，这样继电控制装置就需要经常更换，花费巨大，成本高，甚至阻碍了产品的更新周期的缩短。为了改变这一现状，人们开始研发新型工业控制装置—可编程控制装置[3]。编程逻辑控制器早期简称PC，后来改称为PLC。

3.1.2 S7-200 PLC 系统的基本组成

S7-200CPU22X系列PLC，是S7-200CPU21X系统的替代产品，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，因此很容易组成PLC网络。S7-200 PLC[3]硬件系统的组成采用整体式加积木式，即主机中包括I/O设备端口，各种的功能扩展模块。S7-200 PLC[4~6]由基本单元，存储器，通信口，电池，LED指示灯，I/O端子组成。

(1) 基本单元

基本单元为S7-200 CPUXP模块，也称为主机。 (a) 中央处理器单元

可编程控制器实质上就是一台专用的工业控制计算机，通常每一个主机模块上都安装有一个或多个中央处理器（CPU）。若是多个CPU，那其中必定有一个主CPU，其他的为辅助CPU，他们协同工作，从而提高了整个控制系统的运算速度和功能，缩短了程序的执行时间。西门子公司的S7-200CPU22X系列系列产品有5种基本的型号：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226模块。

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CPU224模块的参数为：I/O总数为24点，输入点有14点，输出点有10点；具有比例积分微分（PID）控制器的功能；具有1个RS-485通信口和2个高速脉冲输出端；运行快，功能强，可带7个扩展模块；CPU装置有高速计数器，还支持三种通信协议，分别为PPI通信协议，MIP通信协议，自由口协议通信协议（户可以自己规定协议），适用于功能较强的中型或小型的控制系统。

(b) 存储器

PLC的存储模块主要用来存储用户程序，也能作为系统的辅助内存，在结构上内存模块都附加于CPU模块之中。存储器的种类很多，按存储类型可以划分为四种，分别为：ROM，EPROM，EEPROM，RAM。有多种安装形式，IC卡、直接插入的集成块、存储器板等。

(c) 通信口

PLC产品一般都带有通信口。S7-200主机模块上都至少有一个或两个通信口。其中若PLC有两个通信口，那么一个可用于与编程器相连，另一个用于与上位机相连。

(d) 电池

在主机模块中有锂电池，主要用于防止在掉电时用户程序和数据丢失。 (e) LED指示灯

LED指示灯安装在PLC主机模块上是用于显示PLC运行的工作状态。 (f) I/O端子

PLC有很多I/O模块，其中输入端子是PLC与外部输入信号连接。输出端子是PLC与负载连接。输入/输出扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的模块。

(2) 个人计算机

在个人计算机可以通过安装上了STEP 7-Micro/WIN32软件来为用户提供编写和调试功能，在调试完成后能够为使用者提供监视和控制等功能。

(3) STEP 7-Micro/WIN32编程软件

STEP 7-Micro/WIN32软件是基于Windows系统编程的应用软件，功能丰富，应用广泛，可以和组态使用。STEP-Micro/WIN32编程软件开发环境如图3.1所示：

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图3.1 PLC编程界面

(4) 通信电缆

PLC通信与个人计算机进行通信可用PC/PPI电缆，当使用处理器(CP)，可以使用多点接口(MPI)电缆，当使用多点接口MPI卡时，可以用多点接口MPI卡作为专用通信电缆。

(5) 人机界面

人机界面，简称HMI，有时又可称作用户界面。是用来作为人与计算机之间传递和交换信息的媒介，人们可以很容易操控计算机达到人们所需要的目的，而计算机能够更形象生动地将处理结果传递出来。简化操作，减少以前枯燥的界面。

3.1.3 S7-200 PLC的接口模块 数字量输入输出模块

S7-200PLC添加输出扩展模块。制砖机控制系统需要18个输出端点，而目前只有10个输出端口，为了解决输出端口不够的情况，选用EM223输入输出扩展模块。EM223扩展模块上有16个输入端口，16个输出端口，满足制砖机自动控制的要求。EM223扩展模块性能参数如表3.1所示。EM223 数字量混合输入/输出模块连接器端子图如图3.2所示。

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表3.1 EM223扩展模块性能

物理特性 功耗 输入特性 输入点数 输入类型 输入电压 最大连续电压 额定值 输入同时接通点数

40℃ 55℃ 输出特性 本机集成输出点数

输出类型 输出电压 允许范围

6W 16输入

漏型/源型 (IEC 类型1)

30V DC

24V DC，4mA，(通常) 输入同时接通点数

16 16 16 输出 固态－MOSFET

20.4－28.8V DC

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N(-)L(+)继电器公共端和继电器输出端 1L .0 .0.1 .2 .3 2 L .4 .5 .6 .7 470Ω5.6KΩM L+1M .0 .0.1 .2 .3 2 L .4 .5 .6 .7 24 V DC 公共端和24 V DC 输入端④线圈电源③②②③ 图3.2 EM 223 数字量混合输入/输出模块端子图

3.1.4 PLC的特点

(1) PLC控制功能多样，具有多种指令系统和多种存储数据的存储模块。 (2) PLC的指令数量多，不但能够处理逻辑类型问题，也能处理数据类型的问题。

(3) PLC内存大，功能完善，存储元件在断电后可以清空数据也可以保留数据，能够通过设置满足用户的不同需求。

(4) PLC有着丰富的外部设备，可以建立起有好的人机交互系统，进行信息交换。

(5) PLC有自我检查的功能，可以进行自检。 3.1.5 可编程控制器的控制过程

可编程控制器执行程序的过程有三个阶段。

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(1) 输入采样阶段

PLC通过扫描把输入端口的输入状态按顺序保存在输入映像寄存器中，然后控制器对采集的信息进行处理，因为输入信号存在输入映像寄存器中，即使程序在执行过程中输入状态发生了变化，对程序的执行和处理也无任何影响。当一次扫描结束，映像寄存器被刷新，输入端信号才再次被采集进入输入映像寄存器中，进行程序执行。再次扫面刷新，再次执行处理。

(2) 程序执行阶段

PLC梯形图程序扫描遵循从左到右，从上到下的步骤顺序执行。所谓用户程序的执行，并非是系统将CPU的工作交由用户程序管理，CPU仍执行系统程序中的指令。输入端每次采集数据都会寄存在输入端映像数据存储区内，CPU执行时将存储区内的信号数据进行处理。当用户程序管理程序后，程序执行一次扫描周期后进行刷新，所有的输出映像都被依次刷新，系统进入下一输出刷新阶段。

(3) 输出刷新阶段

当所有的指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段存到输出锁存器中，通过输出端子和外部电源，驱动外部设备。其中输出锁存器一直将状态保持到下一个循环扫描周期的开始，所以输出映像寄存器的状态在程序执行阶段是动态的。 3.1.6 PLC系统设计的基本步骤

(1) 设计系统的主要内容 (a) 列写系统设计的技术指标。 (b) 选择电气设备等执行机构。 (c) 选定PLC型号。 (d) 制定PLC的I/O分配表。

(e) 根据系统设计要求编写常用梯形图。 (f) 注重人机界面设计。 (g) 系统设计的基本操作

PLC应用系统设计与调试的主要步骤，如图3.3所示。

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开始分析控制要求确定用户I/O设备PLC硬件系统配置分配I/O点绘制流程图设计安装控制柜设计梯形图修改程序程序输入PLC现场施工连线软件测试N测试正常？Y整体测试NN满足要求？Y编制技术文件交付使用

图3.3 PLC应用系统设计与调试

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(1) 深入分析被控对象的控制要求和工艺条件 (a) 被控对象是控制的机械装置，各种电气设备。

(b) 按控制的要求设计，分析机械装置完成每个动作需要的条件和结构条件，以及相对应的自锁和保护功能。

(2) 拟定I/O设备

列出拟定控制系统所需要的输入、输出设备清单。 (3) PLC型号的选择

由已经确定的I/O设备，按需要的输入和输出的端点数来选择所需的PLC的型号，要考虑型号，输出容量，电源，I/O模块等硬件参数。

(4) I/O分配表

先分配输入输出点，编写输入/输出分配表和接线图，然后编写PLC程序。 (5) 设计应用系统梯形图程序

根据系统控制流程图和具体要求编写梯形图。程序的编写是整个应用系统设计中最为核心的工作。

(6) 输入PLC程序

在计算机上编写程序(一般为梯形图)通过连接电缆下载到PLC中，也可以将编好的程序先转换成指令助记符，用来方便输入到PLC中去。

(7) 进行软件调试

输入程序后，应先进行检测。在编写程序过程中不可避免会有疏忽遗漏的地方，所以必须先进行软件测试，寻找错误，发现错误，改正错误，缩短整体调试周期。

3.2 基于PLC控制的制砖机控制系统分析

要严格按照控制要求，逐步分析执行步骤。运用保护环节使制砖机自动运行中安全，可靠。

3.2.1 基于PLC控制的制砖机的控制要求及其流程图

(1) 本设计关键在于送料,布料和压模的控制

(a) 送料：先判断储料中是否有料，若有料物搅拌，若无料物先配料，把搭配好且搅拌好的的物料装入料车，料车经导轨运行到模框上方，开始布料；

(b) 布料：料车在导轨上运行至砖模上方开始筛料，使物料撒入砖模内，填

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充好后料车原路返回；

(c) 压模：料车回位后震动装置启动，震动装置先慢,然后快速震动,震动结束后压头下降启动，压模压砖，将砖坯压紧压实。压砖完毕,压头上升完毕后，推砖机推出砖坯，传送带启动,送砖机启动,砖出炉养护,开始下一次送料。

(2) 制砖机自动控制系统的流程及其流程图

(a) 按下启动按钮，定时器开始定时，配料系统和搅拌电机启动。运行5s后停止。

(b) 上料电机启动，上料门打开，料物经料斗装入小车，2s后料门关闭，料车启动。料车经轨道运行至模框上方后，料车料门打开，开始布料。不了结束，料车料门关闭，料车经轨道退回至起始位置。

(c) 震动电机启动，震动频率先以10Hz慢震动10s后，再以35Hz快震动10s，震动时间可以根据需求调节。震动结束后压模下降，开始压砖，压砖压力设定为40Mpa。油泵频率设为35Hz，当压力传感起检测到压头压力大于40Mpa时，油泵电机频率变为10Hz。

(d) 压模压砖20s后，压模上升，推砖机电机启动将转推至传送带上，传送带电机启动，将压好的砖送至装板机，出炉养护，接着循环。制砖机自动控制系统的流程图如图3.4所示：

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启动N是否有料Y配料系统搅拌储料料车上料料车送料送料到位？Y布料N震动机震动上模压砖压力足够？Y送料机复位N震动机停止压模上升推砖机启动装板机出炉养护Y是否继续？N结束

图3.4 基于PLC控制的制砖机系统流程图

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4 设计基自动控制制砖机控制系统

制砖机自动控制系统在设计中包括硬件电路和软件电路，在软件设计过程中可以通过学过的知识编写程序，在硬件电路设计过程中要查阅相关知识，选择合适设备类型，在指导老师的帮助下，对制砖机自动控制运行有了深刻理解。

4.1 设计制砖机自动控制的硬件电路和软件电路

按照自动控制制砖机的设计要求，选择合适的硬件设备部件。压力传感器，变频器的选型，限位开关的使用个数等硬件，再利用学校实验室的现有条件选择一台S7-200 PLC，节约成本，简化硬件结构，从而提高可靠性[9][10], 增加灵活性的控制效果。

选择合适的软件设备必须考虑到系统的稳定性和可靠性，在系统中要有初试化和计时等功能要求，在软件设计中使用S7-200系列的PLC[11~14]编写编写控制程序，实现制砖机系统的自动控制。 4.1.1 基于PLC控制的制砖机的硬件设计

(1) 限位开关的简介

限位开关有时又被称为行程开关。当运动的物体接近限位开关的时候，限位开关的触角装置触动限位开关的开合装置，从而引起限位开关开合装置闭合状态发生改变。正是通过限位开关闭合状态的改变去控制电路的通断来引起电机的起停。

(2) 限位开关的组成及其工作原理

限位开关有两种。一种是接触式的，另一种是非接触式的。

接触式限位开关和行程开关一样，指的是运动的物体接近限位开关的时候，限位开关的触角装置触动限位开关的开合装置，从而引起限位开关开合装置闭合状态发生改变。正是通过限位开关闭合状态的改变去控制电路的通断来引起电机的起停。开关动作需要接触

非接触式的限位开关与接触式限位开关相对，知识限位开关的动作不需要接触。

(3) 限位开关的选型

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选择限位开关时除需考虑其本身的性能，如限位开关的耐压值，使用寿命，精确度，还必须同时考虑诸如工作环境的考虑。制砖机工作时粉尘较大，噪音，污水对限位开关的影响都要考虑。在工作时，电机启动电流较大，引起电流的波动，变频器的使用更会污染电网。所以限位开关的选择稳定性必须考虑在内。另外，在制砖机中最好选用一种型号或性能相似的限位开关，以便于制砖机系统的有效控制和高效管理。

(4) 系统硬件设计

按照制砖机控制系统要求，制砖机系统开关输入点有11点，开关量输出点18个，在PLC实验室中使用的是CPU224XP模块，该模块有输出点有10个，输入点14个，虽然输出只有10个，但可以采用扩展模块EM223，增加输出点；采用BYP300型压力变送器监测压力大小，限位开关选用WTB 27 Multi Pac光电传感器，两台西门子MM440变频器。

基于PLC自动控制系统的机械图，拨下开关SA1，自动控制制砖机开始运行，制砖机各部件按照设定步骤完成任务，在自动执行时按下停止按钮SA2，制砖机的各个部件紧急停止并且复位。按下开始按钮，制砖机再次从新开始运行。系统接线现场接线图如图4.1所示。

图4.1 系统控制现场接线

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4.1.2 基于PLC控制的制砖机的软件设计

(1) 制砖机自动控制系统程序的I/O分配表：

制砖机制动控制系统的输入点11个，输出点18个，I/O分配表(如表4.1，4.2)：

表4.1 输入信号分配

编号 SA1 SA2 SA3 SA4 SA5 SA6 SA7 SA8 SA9 SA10 SA11

输入定义号

I0.0 I0.1 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.1 I1.2 I1.3 AIW0

输入信号 启动按钮 停止按钮 压头上限位开关 压头下限位开关 料车前进限位开关 料车后退限位开关 料门开限位开关 料门关限位开关 推砖机前进限位开关 推砖机后退限位开关 压头压力值

表4.2 输出信号分配

编号 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 KM8 KM9

输入定义号

Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.1

输入信号 进料电机 搅拌电机 上料电机(门)开 上料电机(门)关 料车前进 料车后退 料车（门）开 料车（门）关 推砖机前进

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续表4.2

KM10 KM11 KM12 KM13 KM14 KM15 KM16 KM17 KM18

Q2.2 Q2.6 Q2.7 Q0.0 Q0.1 Q0.6 Q0.3 Q0.4 Q0.5

推砖机后退 传送带电机 装板电机

变频器(振动电机)5端口 变频器(振动电机)6端口 变频器(振动电机)7端口 变频器(油泵电机)5端口 变频器(油泵电机)6端口 变频器(油泵电机)7端口

(2) 系统的PLC控制程序梯形图见(附录A)：

4.2 本章小结

本节重主要介绍了制砖机控制系统的传感器，变频器，PLC等电气设备。在设计中限位开关的选择也同样重要。制砖机控制系统中限位开关使用非常多，限位系统性能的好坏对系统稳定起到关键的作用。本章节也介绍了PLC控制系统的I/O分配表，简要介绍了控制系统的接线图。

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5 用软件实现对系统的实时监控

对于制砖机运行状态的监控，利用组态软件实现实时监控，把现场的动态信息实时反馈到监控软件上。在设计中选用组态王软件，在连接PLC器件后能实现对系统的实时监控。

5.1 组态王6.53的简介

(1) 组态软件定义：

组态是一种能够对计算机和软件进行资源配置，用应用软件中的工具完成所需任务的过程，通过计算机和软件按照预先设置自动执行特定任务来满足用户的目的需求。

(2) 组态的特点及其作用：

(a) PC技术保持了较快的发展速度,各种技术成熟。 (b) 工业控制系统相对成本比较低。 (c) PC有数量众多的软件和硬件资源丰富。 (d) 能按要求设计访问权限保密性强。 (3) 组态王概述：

组态王[15]软件是我国国内比较有名的组态软件公司开发的。组态王拥有功能强大的主界面，开发语言可以使用汉字。组态王还具有多种硬件驱动，因此组态王软件成为一种在工业上应用较为广泛的监控软件，它包括了过程控制设计、实时现场操作及工厂资源分配管理于一体，实现实时监控和最优化管理。

(4) 组态王的通讯接口：

S7-200 PLC可以通过USB接口方式、总线、以太网、GPRS、串口方式来进行基于字符的异步通讯。不同的协议，而波特率相同，也可在网络中同时运行。

(5) 新建工程的一般步骤： (a) 定义画面； (b) 定义设备； (c) 定义变量， (d) 建立动画连接 (e) 运行和调试，保存工程

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5.2 创建组态王工程

(1) 新建工程

打开组态王软件，选择“文件” 菜单下“新建工程”命令，弹出“新建工程向导”界面。如图5.1：

图5.1 新建工程

单击“下一步”命令，弹出对话框，可以在目录中输入一个工程路径，也可以点击浏览，浏览选择工程的所在的目录，然后点击“下一步”，如图5.2

图5.2 新建工程所在目录

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在工程名称一栏中输入“我的工程”，在工程描述一栏中输入“基于PLC控制的制砖机控制系统”，单击“完成”，如图5.3。

图5.3 创建工程名称

新建工程后添加设计的工程，如图5.4。

图5.4 工程管理器

(2) 设计组态画面

在工程名称中选中工程项目后双击，弹出的新界面，双击“新建”选项，在对话框中输入“画面名称”，单击“确定”按钮进入开发系统。在具体的操作工程中 “工具箱”、“图库”中很多工具来能够用来设计组态画面，图库中有管

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道、传感器、电动机、阀门、锅炉等等。设计结束后单击“文件”下的“全部存”命令，保存设计的监控画面。

5.3 组态软件与PLC的通信设置

组态王的常使用的外部设备有下位机等等。组态王软件对外部设备先定义后就能够与其进行数据交换。

打开设备配置向导，根据安装向导安装S7-200 CPU224 PLC，安装时设定的参数如表5.1所示。

表5.1 组态王中PLC安装的参数

生产厂家 设备名称 逻辑名称 连接的串口 通信方式 使用动态优化

西门子 S7-200系列 CPU224 COM1 PPI 是

5.4 变量和数据的定义

(1) 变量的类型

变量的基本类型共有两类：I/O变量，内存变量。

I/O变量是指能够和输入模块端口的输入数据进行交换。因为外部数据采集交换是双向的，动态的，所以当组态王软件运行时，远程控制PLC的值发生变化时，组态王软件中的变量值也会随之变化。

内存变量是指不需要和外部数据进行交换，仅仅是组态软件内部的变量。 (2) 数据的类型

I/O类型的变量主要有实型变量、离散变量、字符串型变量、整数变量、结构变量。

(3) 如图5.5所示是制砖机自动控制系统组态画面的变量和数据定义。

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图5.5 变量和数据定义

5.5 基于PLC控制的制砖机的组态编程

制砖机自动控制组态画面实现控制要求，画面命令语言如图5.6：

图5.6 画面命令语言

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5.6 基于PLC控制的制砖机的监控画面

当按下“启动”按钮，自动控制程序运行，配料系统和搅拌电机同时启动，5s后配料系统和搅拌电机停止，上料电机启动，料门打开，料物经料斗装入料车，2s后上料料门关闭。料车启动，沿料车轨道前行，小车料门打开开始布料。布料结束，小车料门关闭，小车回到其实位置。震动电机启动，根据程序设定，震动电机先以25Hz慢速震动10s，然后以35Hz快速震动10s。震动完毕，压头下降压砖，油泵电机以35Hz频率工作，若压头压力大于35Mpa，油泵电机将变速为10Hz。压砖20s后，压头上升。推砖机启动将砖推至传送带上，由传送带送到装板机上出炉养护。图5.7 制砖机自动控制监控界面，图5.8 制砖机自动控制运行时监控画面。

图5.7 制砖机自动控制监控界面

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图5.8 制砖机组态运行控制界面

5.7 本章小结

通过本节，我更加了解组态王软件的原理和操作过程，组态王与PLC的链接操作能够形象演示出监控画面，可以了制砖机自动控制的整个流程，实时在线监控。制砖机自动运行时每一个控制步骤，运行时间都可以在组态中演示，充分的实现了课题的设计要求。实现了组态软件对制砖机实时监控的要求。

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结束语

随着人们对环境保护意识的不断提高,发展符合节能环保理念的免烧砖回变得越来越受欢迎。我国人口庞大，大量的基础设施的建设符合中国的国情，住房，修路，消耗大量的资源也产生大量难以在短时间分解的建筑垃圾，这些垃圾（建筑废料）不仅会污染环境，污染水资源，也在慢慢吞噬着我们的家园。过去技术落后，砖窑的滚滚浓烟将天空染黑。免烧制作专辑的出现大大解决了这些问题。免烧制砖机就是利用工业中产生的炉渣、矿渣、粉煤灰、石粉等还有生活中的沙子、石子、水泥等为原料，按一定比例配料，加入适量水搅拌后，通过机械高压压制出水泥砖。通常这些水泥砖有很多种类，如空心块，路面砖等。这种高压机械设备也被称作免烧制砖机，免烧制砖机生产出来的砖块不需要浪费木柴或木炭烧结，不需要排放大量的二氧化碳，只需经过短时间的晾晒就可以使用。免烧制砖机的成型机理是“火山灰反应”的化学反应。水泥砖的质量不比原来砖窑烧出的红砖差，而且在硬度上和强度上远远超过了红砖,所以制砖机有很大的发展前景。

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致 谢

在整个系统设计过程中，我在图书馆和网上查阅了许多关于制砖机方面的资料，了解自动控制砖机的在市场的应用情况和发展趋势。在制砖机如何运行，达成什么效果上一直搞不清，经过马老师和同学的热心帮助和耐心指导，我很快明白制砖机的运行步骤，在查阅了一些资料后，我很快掌握了这部分知识。

通过这次毕业设计的锻炼，不仅仅提高了我查找资料的能力，而且增强了分析处理问题的能力。在实验室规划自己的时间，制定计划目标。在整个大学生活中，我学到了很多专业技能和专业知识，但同时仍有许多欠缺的地方。我要感谢我的导师马老师，他细心且有耐心，严谨细致、一丝不苟的作风。在一开始我的进度就落了下来，是马老师一直在督促着我，认真教诲我，让我懂得怎样查找资料，怎样安排实验进度。马老师是我学习中的榜样，在将来的工作中他也一直是我的好榜样。马老师要求严格，精益求精。每次做完任务马老师总能发现我的不足，给我提出问题出现的原因和解决问题的方法。我要感谢我的学校，在学校时间虽然短暂，但热情友善平易近人的老师，人与助人的同学给我的大学留下浓重的一笔。对于生活了四年的校园，我充满了不舍之情。我会用心聆听马老师的教诲，认真学习老师提出的每点意见和就建议。耐心，细心地做好每一件事情，积极乐观的态度去面对生活的每一天。马老师认真的细心严谨的态度和同学们的热情斯沃记忆中最珍贵的财富。并向审阅本文的老师们表示由衷的感谢。

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参 考 文 献

[1] 陈建明．电气控制与PLC运用(第2版) [M] ．电子工业出版社,2012． 06 [2] 松井邦彦．传感器应用技巧[M] ．北京:科学出版社, 2006.

[3] 汤以范．电气与可编程序控制器技术 [M] ．机械工业出版社,2004 [4] 李若谷． 西门子S7-200系列PLC编程指令与梯形图快速入门[M] ．北京:电子工业出版社,2011.8

[5] 廖常初． PLC编程及应用 [M] ．北京：机械工业出版社，2007

[6] 王永华．现代电气控制及PLC应用技术[M] ．北京：北京航天航空大学出版社，2007

[7] 马玲．继电保护与测控技术[M] ．北京:中国铁道出版社,2011.08

[8] 满永奎．通用变频器及其应用(第3版) [M] ．北京:机械工业出版

社,2012.01

[9] 马玲．继电保护与测控技术[M] ．北京:中国铁道出版社,2011.08 [10] 孙鹤旭．电气传动与变频技术[M] ．北京:化学工业出版社,2011.01 [11] 宋伯生．PLC编程实用指南[M] ．北京:机械工业出版社, 2006. [12] 姚福来．变频器、PLC及组态软件实用技术速成教程[M] ．北京:机械工

业出版社,2010.06

[13] 李宁．电气控制与PLC应用技术 [M] ．北京:北京理工大学出版

社,2011.07

[14] 李若谷．西门子S7-200系列PLC编程指令与梯形图快速入门[M] ．北京

电子工业出版社,2011.8

[15] 王善斌．组态软件应用指南 组态王Kingview和西门子Wince [M] ．北

京:化学工业出版社,2011.05

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附录A 基于PLC控制的制砖机控制系统编程程序

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