基于PLC的混凝土搅拌机设计

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前 言

可编程序逻辑控制器（PLC）自它诞生以来至今，以其极高的性能价格比以及一系列人所共识的优点，受到越来越多的工程技术人员的重视。它现在被广泛用于汽车生产、石油生产、IT制造、家电制造厂等工业控制系统场所，是现代制造业发展的重要技术之一。它对工业的生产提供了良好的控制系统，它的广泛使用才使得人民不断增长的物质需求得到有利保障。

1969年美国DEC公司研制的第一台PDP-14型PLC。随后，在二十世纪七十至八十年代一直简称为PC。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；可编程序范围很大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称为PLC。PLC在控制领域的应用是保持了广泛的增长趋势。

随着我国经济建设的高速发展，许多大型的基础工程及建筑工程相继开工。建设优质的工程需要高品质的混凝土，而且随着人们环保意识的加强，为了减少城市噪音和污染，交通和建筑处理部门要求施工用的混凝土集中生产和管理。这样不仅要求,混凝土的配料精度高，而目要求生产速度快，因此，混凝土生产过程中搅拌设备自动控制系统日益受到人们的重视。可编程控制器(PLC)具有可靠性高、功能完善、编程简单且直观，能够有效地弥补继电器控制系统的缺陷。

从1903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己有100多年的历史。随后，美国于1913年，法国于1933年建立了自己的搅拌站。二次大战后，尤其是60年代到70年代，由于各国抓紧发展经济，医治战争的创伤，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50m3/ h～300m3/h，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50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。国标GB10171-88((混凝土搅拌站(楼)分类》和GB 10172-88((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)的技术指标己达到发达国家水平。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

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好的经济效益和社会效益。至今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。

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第一章 混凝土搅拌站介绍

1.1混凝土搅拌站系统概述

1.1.1 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，如图1-1：

沙料输送机 石料输送机 沙料重量传感器 石料重量传感器 添加剂螺旋输料机 水泥螺旋输料机 水泵电机 沙料箱 石料箱 放料闸门 传送带 搅拌机 上料时上限位 翻斗倒成品时下限位

图1-1 混凝土搅拌站示意图

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，。水泥输送设备和添加剂输送设备由斗式提升机和螺旋输送机组成。

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。

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。

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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。

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。 1.1.2 电控系统的构成

电控系统由PLC、智能元件、传感器、中间继电器和执行机构等构成，如图1-2：

智能元件 传感器 混凝土搅拌站 执行机构 中间继电器 PLC RS-232 打印机 PC

图1-2 电控系统构成

1、PLC采用三菱FX2n系列产品。它具有兼容性好和可靠性高的特点，为搅拌站的整个电控系统带来了高质高品的性能，也有利于用户今后对搅拌站的更新与扩展，我设计的混凝土搅拌机的PLC外部接线图2.7中2-4。

2、智能元件主要是指集显示、变送和控制于一体的配料控制器。它有一个0～5V的模拟输出接口板，其模拟部分精度适合于0.2% , 0.1 %、0.05%包装秤使用。 3、传感器主要包括称重传感器和行程开关等。

4、执行机构包括骨料放料电磁法阀、水泥放料电磁法阀、水泵阀门、添加剂放料电磁阀、

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送料电机、搅拌电机等。 1.1.3 称重传感器的选择

混凝土搅拌站控制系统主要采集的是各种物料的重量信号，故本系统选用的是压力传感器。压力传感器是称重系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测物重量信号转换成容易测量的电信号输出，给称重仪表显示重量值，供控制或报警等使用。

影响称重传感器选型的因素： ①称重传感器选型应考虑过负荷因素 ②可靠性

③传感器的防护等级 ④搅拌站的规模和工作类型 ⑤称重传感器的准确度

称重传感器的选型应充分考虑以上一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。

工程机械搅拌设备用称重传感器的选型既要考虑混凝土搅拌楼站称重系统的基本要求，又要兼顾称重传感器的运行环境，还要削弱那些对称重传感器有重要影响的因素，合理地选择使用传感器。根据不同类型和规模的搅拌设备选用相应的传感器。

混凝土搅拌站要求的传感器额定载荷从1kg～4000kg不等，骨料传感器的称量范围最大，一般为50kg～4500kg;外加剂传感器的额定载荷最小，一般不超过50kg。综合分析了传感器的量程和范围、线性度、灵敏度和分辨率后，并且根据搅拌站中称重传感器的运行环境，选用的是HL-F(1)型方悬臂梁高精度压力传感器，如图1-3：

图1-3 HL-F(1)型方悬臂梁压力传感器

F型传感器具有0.05%F.S的精度等级、2mv/v的灵敏度、0.05%F.S的非线性、士0.05%F.S/30min的蠕变和蠕变恢复、0.05%F. S的滞后和重复性、0.02%F. S/100℃的零点输出温度影响和额定输出温度影响、15V (DC)的最大工作电压，其额定载荷则为1～20T。F型传感器采用剪切结构，抗偏载、抗侧向能力强，具有动态响应快、综合精度高、防尘、防潮、防水性能好的特点。特别适合于恶劣环境，如建筑、水利、化工、电力、港口等行业的工程机械，如搅拌站、打桩机、配料秤、料斗秤等。

1.2 混凝土搅拌站控制系统设计

1.2.1 控制系统设计的基本原则及步骤

任何一种控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高

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电机输送粉煤灰、水泥到计量斗;开启水仓和外加剂池的控制阀使水和外加剂流入计量斗.计量满足设定要求后开启计量斗斗门,配料进入已启动的搅拌机内搅拌混合,到设定的时间打开搅拌机门,混凝土进入己接料的搅拌车内.

2.4 混凝土搅拌站控制要求

1.先按启动按钮，循环开始指示灯亮。再按手动开始按钮，搅拌机处于上限位且石料箱和沙料箱闸门开。

2. 搅拌机开、添加剂螺旋输料机开、水泥螺旋输料机开、水泵电机开、沙料输送机开、石料输送机开。

3. 其中添加剂螺旋输料机开计时30S、水泥螺旋输料机开计时1800S、水泵电机开计时3000S，这些时间一到所有的配料都放入搅拌机搅拌3000S，配料指示灯亮，10S后自动灭，搅拌时间到搅拌机停止，翻斗机下翻卸混凝土，下翻到下翻限位，翻斗机停止，开始计时1200S，时间一到搅拌机上升，上升到上限位，从而一次循环结束指示灯亮，亮10S后自动灭。

2.5 位存储区（M）的使用概况

位存储区 M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M10 M11 M12 M13 M14 M15 表2-1 位存储区（M）的使用概况 控制信号 位存储区 循环开始完毕信号 石料箱放料完信号 沙料箱放料完信号 关闭传送带信号 沙料和石料都放搅拌机信号 水泥输送完毕信号 水泵停止送水信号 添加剂输送完毕信号 所有物料配制完毕信号 配料完毕指示灯自动灭信号 完成一次循环指示灯信号 石料输送完信号 沙料输送完信号 M16 M17 M20 M21 M30 M31 M32 M33 M34 M35 M36 M37 控制信号 沙料和石料都放搅拌机搅拌完毕信号 翻斗机停止信号 石料传感器完毕信号 石料传感器完毕信号 闪烁信号 搅拌机故障消铃信号 石料输送机故障消铃信号 沙料输送机故障消铃信号 水泥螺旋输送机故障消铃信号 水泵故障消铃信号 添加剂螺旋输送机故障消铃信号 翻斗机故障消铃信号 以上表格中列出了程序编写过程中使用到的主要位存储区及其控制的信号。 第 11 页 共 30 页

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2.6 混凝土搅拌站 I/O分配表

表2-2 混凝土搅拌站输入/输出地址表 输入值 输出值 名称 代号 输入点 名称 代号 SB1 LD1 启动开始 X000 循环开始信号灯 SB2 KM1 手动开始 X001 搅拌机 SB3 KM2 执行完本次循环后停止 X002 石料输送机 紧急停止 搅拌机下限位 搅拌机上限位 石料箱闸门状态 沙料箱闸门状态 石料重量（石料重量传赶器输入 沙料重量（沙料重量传感器输入） 报警电路试灯、试铃 消铃按钮 搅拌机故障 石料输送机故障 沙料输送机故障 水泥螺旋输送机故障 水泵故障 添加剂螺旋输送机故障 翻斗机故障

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输出点 Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y007 Y010 Y011 Y012 Y013 Y014 Y015 Y020 Y021 Y022 Y023 Y024 Y025 Y026 Y027 SB4 SQ5 SQ6 SQ7 SQ8 SQ9 SQ10 SB11 SB12 SB13 SB14 SB15 SB16 SB17 SB18 SB19 X003 X004 X005 X006 X007 X010 X011 X017 X020 X021 X022 X023 X024 X025 X026 X027 沙料输送机 水泥螺旋输送机 水泵 添加剂螺旋输送机 翻斗机下翻 翻斗机上翻 传送带 石料箱放料闸门线圈 沙料箱放料闸门线圈 所有配料都放入搅拌机指示灯 一次循环结束指示灯 报警玲声指示灯 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 水泥螺旋输送机故障指示灯 水泵故障指示灯 添加剂螺旋输送机故障指示灯 翻斗机故障指示灯 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 KM8 KM9 KM10 KM11 LD2 LD3 LD4 LD5 LD6 LD7 LD8 LD9 LD10 LD11 基于PLC的混凝土搅拌机设计

根据I/O分配表设计的控制面板简图如图2-3所示：

图2-3 控制面板简图

该控制面板的上一排为各输出显示,下边一排为各输入

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2.7 混凝土搅拌站的外部接线图

2-4 混凝土搅拌站的外部接线图

2.8 系统初始化程序及主程序设计

根据工作流程的要求，PLC控制程序执行输出动作时，计算机必须己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标志。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PLC无输出动作等，系统初始化程序及主程序流程图见图2-5：

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启动 4 循环开始指示灯亮？ Y 手动开始 N 5 搅拌机在上限位且石料箱和沙料箱放料闸门关？ N Y 搅添搅加拌剂机螺开 旋输料机开 开始计时0.5分钟 水泥螺旋输料机开 水泵电机开 沙料输送机开 石料输送机开 沙料称量完毕？ 石料称量完毕？ 开始计时3分钟 开始计时5分钟 闸门打开，传送带启动 闸门打开，传送带启动 0.5分钟到？ 3分钟到？ 5分钟到？ 沙料箱放料毕？ 石料箱放料毕？ 1 所有配料都放入搅拌机？ 闸门关闭 闸门关闭 开始记录搅拌时间5分钟，配料完毕指示灯亮，10秒后自动灭 传送带上没有物料？ 传送带关闭 搅拌时间到？ 搅拌机停止，翻斗机下翻卸混凝土 2 1

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图2-5 主程序流程图

2.9 报警电路的设计

由于条件有限，报警电路的设计较为简单，利用I2.1～I2.7作为各电动机故障信号。程序运行流程图如图2-6所示:

故障产生 故障指示灯亮，报警电铃响 按消铃按钮关闭电铃，报警指示灯变为常亮 消除故障 报警灯熄灭 按下试灯、试铃按钮

图2-6 报警程序运行流程图

2.10 断电保护程序设计

由于整个设备的工作流程是连续循环进行的，因此断电之后再起动必须仍然恢复断电前的状态。程序设计选择具有断电保护的内部辅助保持继电器和数据，将气缸、电磁阀或电机的运行状态和参数进行保存，实现断电保护，如图2-7：

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系统初始化 原始配方及控制参数初始化 是否执行断电恢复？ N 5 Y 调入断电时的状态 接上次断电时状态运行 一次 循 环 结 束 4

图2-7 断电保护程序流程图

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第三章 程序调试

3.1 系统初始化程序及主程序调试

第一步：测试程序的起停是否符合要求。在仿真软件中写入程序后，点击PLC中遥控运行/停止，可切换到运行模式。在运行模式下，点击X000(启动按钮)，则Y000（循环开始指示灯）的LED亮,如图3-1：

图3-1 主程序部分调试

点击X001（手动开始），各电机启动信号灯没有亮，这是因为不具备开始条件：搅拌机在上限位且石料箱和沙料箱放料闸门关，点击X005（搅拌机上限位）\\X006（石料箱闸门）\\X007（沙料箱放料闸门），使其闭合，则各电机启动信号灯亮。如图3-2：

图3-2 主程序部分调试

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程序继续运行，点击X002（运行完本次循环后停止），程序继续运行，不受干扰；点击X003（紧急停止），则所有输出信号灯灭。如图3-3：

图3-3 主程序部分调试

从而可以看出起停符合要求。

第二步：测试各电机的起停是否符合要求。点击手动开始按钮，并适时点击各行程开关及闸门状态开关，测试各个电机是否能够正常起停。

第三步：产生“所有配料都放入搅拌机”信号的程序调试。该信号的产生对搅拌站的正常运行有着极其关键的作用，该信号的调试可使用内存监视来实现。3.1图中为使用仿真软件中的内存监视功能实现调试：

图中M4、M5、M6、M0都是用相应电机信号的下降沿实现置位，用M11信号实现复位。

3.2 报警程序的调试

第一步：按下X017（试灯、试铃按钮），则Y020（报警玲声）、Y021（搅拌机故障指示灯）……Y027（翻斗机故障指示灯）全部变亮，否则为错误，须进行修改。测试结果如图3-4：

图3-4 报警程序的部分调试

第二步：第一步调试正确的情况下，按下相应的模拟故障按钮，看对应的指示灯是否闪

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烁、Y020（报警玲声）是否亮，否则为错误，须进一步修改。

第三步：第二步调试正确的情况下，按下X020（消铃按钮），则Y020（报警玲声）灭，相应的故障指示灯转为常亮，否则为错误。

第四步：第三步调试正确的情况下，使产生故障的触点断开，则相应指示灯灭，否则为错误。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qtph.html