毕设论文----z-双锥砼搅拌机的电气控制系统设计.doc

摘要
混凝土搅拌机是基本建筑的“常规武器”，需求量大，广泛应用于工业、民用建筑以及国防施工等工程建设。JZ型混凝土搅拌机，适用于一般建筑工地、桥梁工程及各种混凝土构件厂等，它采用继电接触器电路实现电气控制。PLC专为恶劣工作环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强，平均故障间隔时间长，故障修复时间短。将JZ型混凝土搅拌机电气控制线路改造为可编程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能，减少维护、维修的工作量。

ABSTRACT
Concrete mixer is the basic architecture of the "conventional weapons", demanding is big, widely used in industry, civil construction and national defense construction engineering construction. JZ type concrete mixer is suitable for general construction, bridge engineering and various kinds of concrete file, etc. It adopts electric control relay contactor circuit implementation. PLC is designed for application and bad work environment, its remarkable is one of the characteristics of high reliability, strong anti-jamming ability, average fault long time interval, the fault repair time is short. The JZ type concrete mixer electric control circuit for PLC control, can improve the performance of the whole electric control system, reduce the workload of maintenance。

目　录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 混凝土搅拌机概况 1
1.1 混凝土的功用原理 1
1.2 搅拌机的分类 1
1.2.1 按作业方式分类 1
1.2.2按搅拌方式分类 1
1.2.3按装置方式分类 2
1.2.4按出料方式分类 2
1.2.5按搅拌鼓形状分类 2
1.2.6按搅拌容量分类 2
1.3 JZ型搅拌机工作原理 2
第二章 JZ型搅拌机工作是对电气控制的要求 4
第三章 JZ型砼搅拌机继电器—接触器控制系统 5
3.1 正—停—反控制电路 5
3.2 水泵控制电路 7
3.3 元件名细表 7
第四章 PLC在搅拌机上的应用 8
4.1PLC的工作原理 8
4.2 PLC的工作特点 8
4.2.1PLC软硬件功能强 8
4.2.2使用维护方便 9
4.2.3运行稳定可靠，抗干扰能力强 9
4.3 PLC的选用..........................................................................................................................9
4.4 PLC控制电路......................................................................................................................9
4.4.1 I/O分配表 9
4.4.2 I/O接线图 10
4.4.3 程序 11
结束语.............................................................................................................................................14
致谢 15
主要参考文献 16

第一章 混凝土搅拌机概况
1.1 混凝土的功用原理
搅拌是混凝土施工过程中必不可少的一道工序，因为混凝土配合比的设计是按细骨料恰好填满骨料的间隙，而水泥胶质均匀地分布在粗细骨料的表面，只有将配合料搅拌得均匀才能得到最密实的高质量混凝土。同时，通过搅拌可塑化、强化混凝土，所以混凝土搅拌机是混凝土施工中的主要设备之一，用于完成混凝土的均匀拌和，保证其宏观均质性和微观均质性。同时，混凝土搅拌机的性能和参数都是根据混泥土施工的标准要求来设计的。一般混凝土搅拌机应用扩散、剪切及对流、挤压机理达到均化的目的。
1.2 搅拌机的分类
水泥混凝土搅拌机的用途就是机械化的拌制水泥混凝土，其种类较多，分类方法和特点如下。
1.2.1 按作业方式分类
　　 按作业方式分有循环作业式和连续作业式两种。
循环作业式的供料、搅拌、卸料三道工序是按一定的时间间隔周期进行的，即按份拌制。
由于拌制的各种物料都经过准确的称量，故搅拌质量好。目前大多采用此种类型的作业方式。
连续作业式的上述三道工序是在一个较长的筒体内连续进行的。虽然其生产率较循环作业式高，但由于各料的配合比、搅拌时间难以控制，故搅拌质量差。目前使用较少。
1.2.2按搅拌方式分类
按搅拌方式分有自落式搅拌、强制式搅拌两种。
自落式搅拌机就是把混合料放在一个旋转的搅拌鼓内，随着搅拌鼓的旋转，鼓内的叶片把混合料提升到一定的高度，然后靠自重自由撒落下来。这样周而复始地进行，直至拌匀为止。这种搅拌机一般拌制塑性和半塑性混凝土。
强制式搅拌机是搅拌鼓不动，而由鼓内旋转轴上均置的叶片强制搅拌。这种搅拌机拌制质量好，生产效率高；但动力消耗大，且叶片磨损快。一般适用于拌制干硬性混凝土。
1.2.3按装置方式分类
　　 按装置方式分有固定式和移动式两种。
固定式搅拌机是安装在预先准备好的基础上，整机不能移动。它的体积大，生产效率高。多用于搅拌楼或搅拌站。
移动式搅拌机本身有行驶车轮，且体积小，重量轻，故机动性能好。应用于中小型临时工程。
1.2.4按出料方式分类
　　 出料方式分有为倾翻式和非倾翻式两种。
倾翻式靠搅拌鼓倾翻卸料，而非倾翻式靠搅拌鼓反转卸料。
1.2.5按搅拌鼓形状分类
　　 按搅拌鼓的形状不同，有梨型、鼓筒型、双锥形、圆盘立轴式和圆槽卧轴式五种。前三种系自落式搅拌；后两种为强制式搅拌，国内较少使用。
1.2.6按搅拌容量分类
　　 按搅拌容量分有大型（出料容量1000~3000L）、中型（出料容量300~500L）和小型（出料容300L以下）
1.3 JZ型搅拌机工作原理
JZ搅拌机是由多个参数决定的，用任何一个单一参数来描述一台搅拌机是不可能的。轴功率(P)、 桨叶排液量(Q)、压头(H)、桨叶直径(D)及搅拌转速(N)是描述一台搅拌机的五个基本参数。桨叶的排液量与桨叶本身的流量准数，桨叶转速的一次方及桨叶直径的三次方成正比。而搅拌消耗的轴功率则与流体比重，桨叶本身的功率准数，转速的三次方及桨叶直径的五次方成正比。在一定功率及桨叶形式情况下，桨叶排液量(Q)以及压头(H)可以通过改变桨叶的直径(D)和转速(N)的匹配来调节，即大直径桨叶配以低转速(保证轴功率不变)的 搅拌机产生较高的流动作用和较低的压头，而小直径桨叶配以高转速则产生较高的压头和较低的流动作用。在搅拌槽中，要使微团相互碰撞，唯一的办法是提供足够的剪切速率。从搅拌机理看，正是由于流体速度差的存在，才使流体各层之间相互混合，因此，凡搅拌过程总是涉及到流体剪切速率。剪切应力是一种力，是搅拌应用中气泡分散和液滴破碎等的真正原因。必须指出的是，整个搅拌槽中流体各点剪切速率的大小并不是一致的。通过对剪切速率分布的研究表明，在一个搅拌槽中至少存在四种剪切速率数值，它们是：实验研究表明，就桨叶区而言，无论何种浆型，当桨叶直径一定时，最大剪切速率和平均剪切速率都随转速的提高而增加。但当转速一定时，最大剪切速率和平均剪切速率与桨叶直径的关系与浆型有关。当转速一定时，径向型桨叶最大剪切速率随桨叶直径的增加而增加，而平均剪切速率与桨叶直径大小无关。这些有关桨叶区剪切速率的概念，在搅拌机缩小及放大设计中需要特别当心。因小槽与大槽相比，小槽搅拌机往往具有高转速(N)、小桨叶直径(D)及低叶尖速度(ND)等特性，而大槽搅拌机往往具有低转速(N) 大桨叶直径(D)及高叶尖速度(ND)等特性。

第二章 JZ型搅拌机工作是对电气控制的要求
2.1 搅拌桶
对于搅拌机的搅拌桶，其正反转控制是通过三相异步电动机的正反转来实现的。由三相异步电动机的原理可知，若将电动机三相电源进线中的任意两个对调，产生相反方向的旋转磁场，便可实现电动机反向运转，因此，可通过两个接触器改变电动机定子绕组的电源相序来实现。在搅拌机中，我们采用KM1和KM2来控制搅拌机的正反转，其中KM1控制搅拌机的正转，KM2控制搅拌机反转，当KM1工作时，电动机正转，搅拌机搅拌混凝土，当KM2工作时，电动机反转，搅拌机自动出料。
2.2 料斗
对于搅拌机的料斗，其控制也是通过三相异步电动机的正反转来实现的，电气控制原理与搅拌桶的原理是一样。但是必要指出的是料斗要加上限位开关，用于控制搅拌机的行程及限位保护。在实际控制中，将限位开关安装在预先安排的位置，当装于搅拌机运动部件上的模块撞击行程开关时，限位开关的触点动作，实现电路的切换。因此，限位开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理和按钮类似。限位开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。
2.3 水泵
打开水泵叶轮在泵体内做高速旋转运动（打开水泵前要使泵体内充满液体），泵体内的液体随着叶轮一块转动，在离心力的作用下液体在出品处被叶轮甩出，甩出的液体在泵体扩散室内速度逐渐变慢，液体被甩出后，叶轮中心处形成真空低压区，液池中的液体在外界大气压的作用下，经吸入管流入水泵内。泵体扩散室的容积是一定的，随着被甩出液体的增加，压力也逐渐增加，最后从水泵的出口被排出。液体就这样连续不断地从液池中被吸上来然后又连续不断地从水泵出口被排出去.水泵水流量一定，其工作时间决定供水量，即供水量等于流量乘以时间，调整时间可调整供水量，当料干时，时间长，当料湿时，时间短。当工作完毕时，要将搅拌桶冲洗干净，这是由旋转开关控制水流直到搅拌桶冲洗干净。

第三章 JZ型砼搅拌机继电器—接触器控制系统
3.1 正—停—反控制电路
各种生产机械常常要求能作上下，左右，前后等相伴方向的运动，如工作台的前进，后退，电梯的上升，下降等，这就要求电动机能可逆运行。由三相异步电动机的原理可知，若将电动机三相电源进线中的任意的两条对调，产生相反的旋转磁场，便可实现电动机反向运转。因此可通过两个接触器改变电动机定子绕组的电源相序来实现。
可以将正反向接触器的动段辅助触点互串在对方支路当中，如图。此时，任一接触器线圈电路中的辅助动断触点立即打开，切断另一线圈得电条件。这种相互制约的连锁关系叫做互锁。
如图的工作原理：
正转：合刀开关QK→按下正向启动按钮SB2→正向接触器KM1通电 →KM1主触点闭合→电动机M正转
→KM1动合辅助触点闭合→形成自锁
→KM1动段触点打开→形成互锁
反转：合刀开关QK→按下反向启动按钮SB3→反向接触器KM2线圈通电 →KM2主触点闭合→电动机M反转
→KM2动合辅助触点闭合→形成自锁
→KM2动断触点打开→形成互锁
停机：按停止按钮SB1→KM1(或KM2)断电→M停转。
在上述工作原理中，若想实现正反转运行的切换，必须要先停止正转的运行，再按反转按钮才行，反之亦然。所以这个电路成为“正-停-反”电路

3.2水泵控制电路

供水控制：待上料完毕后，料斗停止下降，按下水泵启动按钮SB9，使接触器KM5得电吸合并自锁，其主触点接通水泵电动机M3的电源，M3启动，向搅拌机内供水，同时时间继电器KT也得电吸合，待供水时间到(按水与原料的比例，调整时间继电器的延迟时间，一般为2～3分钟)，肘间继电器的常闭延时断开的触点断开，使接触器KM5断电释放，水泵电动机停止。也可根据供水的情况，手动按下停止按钮KS，停止供水。搅拌和出料控制电路：待停止供水后，按下搅拌启动按钮SB2，搅拌控制接触器KM1得电吸合自锁，正相序接通搅拌机的M1的电源，搅拌机开始搅拌，待搅拌均匀后，按下停止按钮SB1搅拌机停止。这时如需出料可把送料的车斗放在锥形出料口处，按下出料按钮SB3，KM2得电吸合并自锁，其主触点反相序接通M1电源，M1反转把搅拌好的混凝土泥浆自动搅拌出来。待出料完或运料车装满后，按下停止按钮SB1，KM2断电释放，M1停止转动和出料

3.3 元件名细表
代号 名称 数量
KM 接触器 5
FU 熔断器 4
KT 时间继电器 1
M 电动机 3
KR 热继电器 3
SB 控制按钮 9
QK 刀开关 3
KS 旋转按钮 1

第四章 PLC在搅拌机上的应用
4.1PLC的工作原理
PLC也叫可编程逻辑控制器，PLC作为 种特殊形式的计算机控制系统，是利用计算机技术对传统的硬件逻辑控制系统“继电器控制”进行 硬件软化 的结果。但在运行方式上，PLC的软件逻辑也与继电器控制系统的硬件逻辑存在根本性的区别。 继电器控制系统的硬件逻辑采用的是并行运行的方式，如果一个继电器的线圈通电或者放电，该继电器的所有触点(不论是常开还足常闭、也不论其处于继电器线路的哪个位置上)都会立即同时动作：而PLC的软件逻辑是通过CPU逐行扫描执行用户程序来实现的，即如果一个逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点并不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式，每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行F一次扫描时，新状态才被读入。一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。扫描周期的长短由三条决定，即CPU执行指令的速度、指令本身占有的时间和指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入／输出滞后的现象，即输入／输出响应。
4.2 PLC的工作特点
4.2.1PLC软硬件功能强
PLC的功能非常强大，其内部具备很多功能，如时序、计算器、主控继电器、移位寄存器及中间寄存器等，能够方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制I／0等功能。PLC不仅可进行逻辑运算、算术运算、数据转换以及顺序控制，而且还可以实现模拟运算、显示、监控、打印以及报表生成等功能。PLC的编程语言丰富，而且直观方便。
4.2.2使用维护方便
PLC输入输出接口是已经按不同需求做好的，可直接与控制现场的设备相连接的接口。如输入接口可以与各种开关、传感器连接：输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等连接。不论是输入接口还是输出接口，使用都很简单。PLC控制系统的维护也非常简单，只要利用其自诊断功能和监控功能，就町以迅速查找到故障并给予排除。
4.2.3运行稳定可靠，抗干扰能力强
PLC是为工业控制而设计‘的，除了对器件的严格筛选外，在硬件和软件两个方面还采用町屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间达到(3～5)×104h以上。

4.3 PLC的选用
本课题采用的是西门子S7-200系列PLC，它具有极高的可靠性,极丰富的指令集,易于掌握,便捷的操作,丰富的内置集成功能,实时特性,强劲的通讯能力,丰富的扩展模块，所以十分适合本课题的研究。

4.4 PLC控制电路
4.4.1 I/O分配表
输入
I0.0：SB1
I0.1：SB2
I0.2：SB3
I0.3：SB4
I0.4：SB5
I0.5：SB6
I0.6：SB7
I0.7：SB8
I0.8：SB9
输出
Q0.0: 电动机（接触器）
Q0.1：电动机（接触器）
Q0.2：电动机（接触器）
Q0.3：电动机（接触器）
Q0.4：电动机（接触器）

4.4.2 I/O接线图

4.4.3 程序

LD I0.0
O Q0.0
AN I0.1
AN I0.2
AN Q0.1
= Q0.0
LD I0.1
O Q0.1
AN I0.0
AN I0.2
AN Q0.0
= Q0.1
LD I0.4
O Q0.2
AN I0.5
AN I0.6
AN Q0.3
AN I0.3
= Q0.2
LD I0.5
O Q0.3
AN I0.4
AN I0.6
AN Q0.2
AN I0.3
= Q0.3
LD I0.7
O Q0.4
AN TO
AN I0.8
= Q0.4
TON TO,+4

在梯形图中，用两个起保停电路来分别控制电动机的正转和反转。按下正转启动按钮SB1，I0.0变ON，其常开触点接通，Q0.0的线圈“得电”并自保。使KM1的线圈通电，电机开始正转运行。按下停止按钮SB1，I0.2变ON，其常闭触点断开，使Q0.0线圈“失电”，电动机停止运行。
在梯形图中，将Q0.0与Q0.1的常闭触电分别与对方的线圈串联，可以保证他们不会同时为ON，因此KM1和KM2的线圈不会同时通电，这种安全措施在继电器电路中称为“互锁”。除此之外，为了方便操作和保证Q0.0和Q0.1不会同时为ON，在梯形图中还设置了“按钮互锁”，即将反转启动按钮I0.1的常闭点与控制正转的Q0.0的线圈串联，将正转启动按钮I0.0的常闭触点与控制反转的Q0.1的线圈串联。设Q0.0为ON，电动机正转，这是如果想改为反转运行，可以不安停止按钮SB1，直接按反转启动按钮SB2，I0.1变为ON，它的常闭触点断开，使Q0.0线圈“失电”，同时Q0.1的敞开触点接通，使Q0.1的线圈“得电”，点击正转变为反转。
在梯形图中的互锁和按钮联锁电路只能保证输出模块中的与Q0.0和Q0.1对应的硬件继电器的常开触点心不会同时接通。由于切换过程中电感的延时作用，可能会出现一个触点还未断弧，另一个却已合上的现象，从而造成瞬间短路故障。
可以用正反转切换时的延时来解决这一问题，但是这一方案会增大编程的工作量，也不能解决不述的接触触点故障引起的电源短路事故。如果因主电路电流过大或者接触器质量不好，某一接触器的主触点被断电时产生的电弧熔焊而被粘结，其线圈断电后主触点仍然是接通的，这时如果另一个接触器的线圈通电，仍将造成三相电源短路事故。为了防止出现这种情况，应在PLC外部设置KM1和KM2的辅助常闭触点组成的硬件互锁电路，假设KM1的主触点被电弧熔焊，这时它与KM2线圈串联的辅助常闭触点处于断开状态，因此KM2的线圈不可能得电。
I0.7外接启动按钮SB8，I0.8外接停止按钮SB9，Q0.4外接控制电机的接触器KM。按一下启动按钮，I0.7常开触点闭合，使Q0.4线圈得电，其常开触点闭合，维持Q0.4线圈继续得电，接触器KM通电，电机运转。可以看出，这种电路具有自锁或自保持作用。按一下停止按钮，I0.8常闭触点断开，使Q0.4线圈断电，电机停转。

结束语
本次毕业论文的设计，以JZ型搅拌机的电气控制系统的设计为入手点，将本科阶段对专业所学的知识融会到实际的设计中来，提高了自身的学习能力和设计水平。通过本次毕业论文设计，我感觉收获很多：
1.通过实践，加深了对PLC及本专业知识的系统认识。这个设计课题虽然不是非常复杂和先进，但是已经体现了一个小的设计开发的流程。同时，我认为，如果能从小处着眼，一丝不苟的去完成设计中各个阶段的任务、掌握各个知识点，同样也能让我受益匪浅。
2.通过本次课程设计，不仅让我复习了本科阶段所学的理论知识，同时让我进一步熟悉和掌握了本专业需要的最基本的动手实践能力。
3.本次课程设计让我进一步提高了自己的动手能力。在设计的过程中，我遇到了各种各样以前从来没有想到也从来没有遇到过的问题。这些问题有专业知识上的不足，也有没有细致认真提前考虑所带来的后果。所以，通过本次毕业设计，使我更清楚的认识到，做任何事情，必须踏踏实实，仔细考虑，实践才是检验一切的唯一标准。
最后我想说，在今后的学习和工作中，我们仍然需要不断继续努力对设计进行改进和提升。

主要参考文献
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