基于plc的压砖机控制系统设计毕业论文

毕 业 论 文

题 目：基于

PLC的压砖机控制系统设计

作 者：院 、系：专业班级：指导教师：

学 号： 机电工程学院 电气

2017年 5 月 20 日

基于PLC的压砖机控制系统设计

摘 要

在建筑物和其他结构的建筑中，砖是必不可少的原料，具有举足轻重的作用。高质量的砖不仅在硬度上较强，而且在整个制造过程中产生的污染物很少，对环境的影响较低。PLC可靠性高，控制能力强，系统程序能够随着功能参数变化灵活变化，利用PLC以上特点能够使砖制造行业地准确度和生产效率都大大提高，基于PLC的全自动压砖机具有生产质量高、生产规模大、生产效率高、系统稳定等诸多优点，另外，PLC控制系统的有着较强的抗干扰能力，工作性能稳定，波动很小。压砖机经过改变振动频率的大小来控制砖产生的密度，通过变频器对振动频率进行控制。本课题选用三菱系列FXPLC作为核心控制器，采用西门子MM440变频器，一套完整的全自动压机系统设计。

关键词：压砖机 控制系统 PLC 变频器

I

Design of press control system based on PLC

In buildings and other structures of the building, the brick is essential raw materials, with a pivotal role. High-quality brick is not only strong in hardness, but also in the entire manufacturing process generated little pollutants, the impact on the environment is low. PLC reliability, control ability, the system program can change with the flexible changes in functional parameters, the use of PLC features can make the brick manufacturing industry to improve the accuracy and production efficiency are greatly improved, based on PLC automatic brick machine with production quality High efficiency, high production efficiency, system stability and many other advantages, in addition, PLC control system has a strong anti-interference ability, stable performance, fluctuations are small. The boring machine controls the density of the brick by changing the vibration frequency to control the vibration frequency through the frequency converter. This topic chooses the Mitsubishi series FXPLC as the core controller, uses the Siemens MM440 frequency changer, a complete automatic press system design.

Key words: Press，control system，PLC，frequency converter；

II

目 录

摘 要 ............................................................................................................ I 第一章 绪论 ............................................................................................... 1

1.1 选题的目的和意义 .......................................................................................... 1 1.2 国内外制砖机的生产发展趋势 ...................................................................... 1 1.3 本章小结 .......................................................................................................... 2

第二章 基于PLC控制的制砖机设计简介 ............................................. 3

2.1 基于PLC控制的制砖机的组成 ........................................................................ 3 2.2 基于PLC控制的制砖机的运行过程 ................................................................ 3 2.3 基于PLC控制的制砖机中传感器的选型 ........................................................ 4 2.4 基于PLC控制的制砖机中变频器 .................................................................... 5

2.4.1变频器的发展 ......................................................................................... 5 2.4.2MM440变频器 ........................................................................................ 6 2.4.3变频器的选型和设置 ............................................................................. 6 2.5 本章小结 ............................................................................................................ 8

第三章 基于PLC控制的制砖机可编程控制系统的实现 ..................... 9

3.1 三菱系列PLC ................................................................................................... 9

3.1.1PLC的发展历程 ....................................................................................... 9 3.1.2FXPLC 系统的基本组成及其优点 .......................................................... 9 3.1.3FXPLC的接口模块 ................................................................................. 11 3.1.4PLC的特点 ............................................................................................. 13 3.1.5可编程控制器的控制过程 ................................................................... 14 3.1.6PLC系统设计的基本步骤 ..................................................................... 15 3.2 基于PLC控制的制砖机控制系统分析 .......................................................... 17

3.2.1基于PLC控制的制砖机的控制要求及其流程图 ............................... 17

第四章 设计基自动控制制砖机控制系统 ............................................. 20

4.1 设计制砖机自动控制的硬件电路和软件电路 .............................................. 20

III

4.1.1基于PLC控制的制砖机的硬件设计 ................................................... 20 4.1.2基于PLC控制的制砖机的软件设计 ................................................... 21 4.2 本章小结 .......................................................................................................... 23

第五章 用软件实现对系统的实时监控 ................................................. 24

5.1 车组态王6.53的简介 .................................................................................... 24 5.2 创建组态王工程 .............................................................................................. 25 5.3 组态软件与PLC的通信设置 .......................................................................... 27 5.4 变量和数据的定义 .......................................................................................... 27 5.5 基于PLC控制的制砖机的组态编程 .............................................................. 28 5.6 基于PLC控制的制砖机的监控画面 .............................................................. 29 5.7 本章小结 .......................................................................................................... 30

总 结 ......................................................................................................... 31 参考文献 ..................................................................................................... 32 致 谢 ......................................................................................................... 33 附录A 基于PLC控制的制砖机控制系统编程程序 ............................. 34

IV

第一章 绪论

在建筑物和其他结构的建筑中，砖是必不可少的原料，具有举足轻重的作用。随着现阶段城镇化趋势的显著增高，对城镇住房建设的需求也越来越大，高质量的砖不仅在硬度上较强，而且在整个制造过程中产生的污染物很少，对环境的影响较低。PLC可靠性高，控制能力强，系统程序能够随着功能参数变化灵活变化，利用PLC以上特点能够使砖制造行业地准确度和生产效率都大大提高，基于PLC的全自动压砖机具有生产质量高、生产规模大、生产效率高、系统稳定等诸多优点，另外，PLC控制系统的有着较强的抗干扰能力，工作性能稳定，波动很小。压砖机经过改变振动频率的大小来控制砖产生的密度，通过变频器对振动频率进行控制。本课题选用三菱系列FXPLC作为核心控制器，采用西门子MM440变频器，一套完整的全自动压机系统设计。

1.1 选题的目的和意义

随着社会的不断进步，生产力的提高，人们生活质量也在不断提升，由于城镇化的步伐加快，人们对城镇住房建设的需求也越来越大，对住房建设用砖的数量和质量都有更高的要求。在以前由于技术的低下，自动化水平不高，大多采用人工半自动化运作机器制砖，这种制造方法不仅效率低下，产品质量不高外，由于工作条件的艰苦致使很多人不愿意从事此工作，造成了工人流失严重的现象，所以提升压砖机的自动化水平和技术水平成为了该领域迫切的需要，也具有重大的意义。PLC可靠性高，控制能力强，系统程序能够随着功能参数变化灵活比变化。利用PLC以上特点能够使砖制造行业地准确度和生产效率都大大提高，并且了很多人力，降低了生产成本，改善了行业现状。本篇文章所研究的方向是利用PLC设计开发了一套实用性强的压砖机控制系统，该系统采用采用先进的FXPLC作为核心控制器，在多种软硬件的相互协作下最终要完成该系统的硬件设计、软件设计、控制流程设计，完成PLC功能表图、梯形图及指令表的设计，确定出该系统的工作方式，对系统做出仿真和调试等工作

1.2 国内外制砖机的生产发展趋势

压砖机作为当今建筑墙瓷生产领域的自动化产品，是行业生产中最重要的生产装置。型品加工工厂，压机一旦不能工作，会导致全生产线的停产，由此可知压砖

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机在生产中的重要性，是不可或缺的生产设备。压砖机能够控制各个生产工部的工作顺序，还能对工部的温度、压力和时间进行设定和显示。

老式压砖机一般利用继电器控制运作，这种方式不仅内部结构繁琐、占用空间大、设备可靠性不高、准确度不高，而且制砖的效率和产品质量也较为低下，故障维修难度大等缺点。由于PLC可靠性高，控制能力强，系统程序能够随着功能参数变化灵活比变化，利用PLC以上特点能够使砖制造行业地准确度和生产效率都大大提高，所以在现阶段的设备设计中，无论是国外制造的压砖机还是国内使用的设备都是利用PLC作为控制系统。PLC的广泛使用致使几乎所有的电器生产厂商都在生产PLC，在多年的研发和生产中，PLC的性能也在不断提高，产品综合水平也越来越完善。

国内从上个世纪末开始在制砖行业采取装备化的生产模式，经过摸索研究和国内技术的进步，我国开始自主研发自动压砖机，自主研发加参照国外先进技术，我国在压砖机制造领域得到了巨大的进步。19年，山东陶机厂和华南理工大学合作开发的600型压砖机通过测试，短短几年之后，就开始了大规模机械化生产。力泰公司在600型压机的基础上开展了系列化的制造，压机吨位也得到很大提高，直至现在，很多产品仍在市场上占据主要地位。国内压机虽然取得了很大的进步，已经实现了计算机化设计，然而压机的吨位不大，个别大吨位设备的生产仍然不足。和国外压砖机制造相比仍然落后很多，在结构、技术、系统、控制等诸多方面差距很大。国内压砖机在线上能够安全可靠地生产运行，能够代替国外的相同等级的压砖机生产使用，现阶段国内压砖机已经具有设计、制造、生产任何结构任何吨位的能力和技术。当代我国在压砖机的使用量上居世界首位，压砖机使用的规格型号也是最多的国家，是生产压和使用砖机地大国，同时我国也预期五年之内达到压砖机的生产强国行列。

压砖机的未来发展趋势是小的，大容量，智能化和高速度，因为PLC的各种性能上的优势，将成为设计界关注的焦点。

1.3 本章小结

通过以上的分析，大致了解了压砖机地发展现状和未来的发展趋势，了解了PLC在制砖领域的重要作用和地位，把握了国内压砖机的应用现状和发展趋势，并且明确了在全自动化条件下压砖机所具有的优势。

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第二章 基于PLC控制的制砖机设计简介

PLC控制系统通过一个限位开关，压力传感器，PLC控制器，变频器等部分组成，由PLC组件执行控制，通过组态软件监控。

2.1 基于PLC控制的制砖机的组成

该控制系统包括：10个光电开关作为每个动作的开关是自导检测限，2转换器分别调节冲击频率与泵电机的速度，1压力传感器检测压模压力调整模具压力的大小，西门子协调各装置控制操作。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的制砖机控制系统的简易原理图

自动控制的制砖机系统是利用PLC把传感器采集的模拟量转换成数字信号，然后将数字信号与给定的值进行对比，通过程序中参数集中处理，输出对应的控制信号进行控制。制砖机中的PLC通过里面压力传感器来计算压膜值并且与给定值进行比较，若果压膜的压力比设定的值大，那么降低变频器的频率，这样就减轻了压槽的压力大小，

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由砖式冲击模振动的不同密度产生砖，变频器控制震动模振动频率的速度，如果模具压力值小于设定压力，PLC通过变频器提高油泵转速来达到增加压头压力的目的。制砖机系统的简易工作原理如图所示。

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

传感技术在现代信息技术中的发挥着越来越重要的作用，它包括信息的收集、传输和处理技术。在整个制砖机的控制系统中传感器[2]发挥着至关重要的作用。本设计中采用进口的高精度、高稳定性的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。由于传感器和集成度高，体积小，安装方便，结构简单的放大器电路，所以应用广泛。

BYP300压力传感器使用特殊的压力敏感元件技术的扩散，将惠斯登电桥的组成，对压力的变化非常敏感，通过形成片的精密加工技术。当压力作用于传感器，传感器感光片发生变形，改变和压力表电阻成正比关系，电阻的变化对应的电压和电流的变化。直流电送入桥会产生4 ~ 20mA直流信号。BYP300压力传感器的参数如表2.1所示：

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

4

0-100Mpa 0.1 4-20mA

防暴等级 防护等级 电源电压 最大过载

(2) 模拟量的输入设置 T5 IP65 24V 2-3倍

在本设计中，通过压力传感器把采集到的模拟量输入到PLC中，在PLC中通过比较做出相应动作，从而使变频器处于工作状态。0-32000为工作的全过程，在全方位配置0-50mpa，在正常压砖机系统运行时间为45 MPa，当压力超过45 MPa，泵电机转速下降，组态中能实时监控压力的大小。在编程时，AIW0的值为in2×45=28800，in2的值为32000/50=0。模拟量输入如图2.2所示的程序：

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

在之前的很长一段时间，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。 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已经在工业中得到应用，已经成为动力机械的主要驱动装置。但由于当时技术部成熟，在很长的一段时间里，工业上对各种机械设备所使用的调速系统仍然是直流调速系统。由于变频器的直流电机的存在，使维修费用十分有吸引力，和电机的最大速度和单位能力无法提高。因此，人们对交流电机的速度控制系统取代直流电机。之后，人们开始大量研究交流调速系统，交流调速系统得

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到了很快的发展。20世纪初期，调节转速的交流电动机在特种工业中得到迅速发展。多功能，变频器的小型化，网络化和无污染的发展，变频器在交流调速系统性能优越，已广泛应用于各行业。变频器的缺点主要有变频器在输出电流和电压时产生的谐波对电机及电网产生了一定的影响。在变频器使用中，变频器电能损耗也要考虑在内。 2.4.2MM440变频器

在此制砖机控制系统中使用的变频器的型号为MM440， MM440变频器是用来控制三相交流电动机调速的变频器。

MM440变频器的主要特点： (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) 参数及其数值设置方便 (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：可切换高电平/低电平有效，数字量输入和模拟量输入分别为6个和2个，可编程。功率因数为0.98的固定频率和跳转频率分别为15个和8个。

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) 可以由p0703数字输入端口“7”控制，当电机启动和停止控制。

(2) 实现3段固定频率功能要用到数字输入端口5和6，端口5和端口6由S1和S2开关组合成二进制控制码控制。

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

固定频率

1 2 3 OFF

6端口（S2）

0 1 1 0

5端口（S1）

1 0 1 0

参数号 P1001 P1002 P1003 /

频率/Hz 10 25 50 0

转速 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 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

本章介绍了传感器在选择砖机的变频器控制系统的设计步骤，可以清楚地了解，设计控制的要求和方法，主要困难是压力传感器和传感器之间的连接。要区别电压型和电流型传感器的优缺点，在这里，要使变频器的输出功率与制砖机系统的需求相适应，要设置好变频器和传感器的各种参数，满足制砖机的。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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第三章 基于PLC控制的制砖机可编程控制系统的实现

在PLC问世之前，工业上普遍采用的是继电器-接触器控制。继电器接触器控制系统虽然结构简单且易检修，但也有明显的缺点：体积大，通用性和灵活性差，短的可靠性，使用寿命短，运行速度不高，没有数据通信与网络控制系统的功能，特别是对变化的适应性较差，生产过程中，功能的局限性。若生产工艺发生了变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这不仅影响了产品更新换代的周期，而且对于比较复杂的控制系统来说，不但设计制造困难，而且其可靠性不高。随着科学技术的不断发展，生产工艺的不断发生改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。在控制方法上，从手动控制发展到由PLC控制；在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微型计算机为中心的网络化自动控制系统。

3.1 西门子系列PLC

S7-200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。 3.1.1PLC的发展历程

在20世纪60年代，在工业上的生产系统中大部分采用的是继电器控制的系统，。当生产每一样产品更换时都需要重新对参数进行设置。但是随着生产技术的发展，产品的更新越来越快，这样更换继电器的频率就很高，花费巨大，成本过高，并且阻碍了产品的生产周期。为了改变这种状况，人们开始对工业控制设备的新类型的研究和发展，可编程控制器[3]。可编程逻辑控制器早期简称PC，后来改名为PLC。 3.1.2FXPLC 系统的基本组成及其优点

FX系列PLC，是三菱F各系统的替代产品，由于它具备的各种功能模块和人机界面可供选择多，因此很容易组成PLC网络。FX系列PLC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。FXPLC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

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基本单元为FX系列CPUXP模块，这是PLC的主机。 (a) 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处理器（CPU）。如果有一个以上的CPU，那么你必须有一个主CPU，其他作为辅助CPU，他们一起工作，可以提高计算速度和整个控制系统的功能，缩短程序的执行时间。

(b) 存储器

PLC的内存模块主要用于存储用户程序，也可以作为一种辅助记忆系统，在存储器模块的结构连接到CPU模块。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。各种安装，IC卡，直接进入集成块，内存板等。

(c) 通信口

PLC通常配有通信端口。主机模块具有至少一个或两个通信端口。PLC有两个通信端口，然后可以用编程器连接，一个用于上位机连接。

(d) 电池

在主机模块的锂电池，主要用于防止用户程序和数据在断电情况下的损失。 (e) LED指示灯

安装在PLC主机模块上的LED指示灯是为了显示PLC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。而扩展接口是为了增加PLC的输入输出模块。

(2) 个人计算机

在个人计算机可以通过安装上了GX Work2编程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) GX Work2编程软件

此软件是基于Windows系统编程的应用软件，功能和应用十分广泛，可以和组态王软件一起使用。GX Work2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

个人计算机通信与PLC通信是可用PC/PPI电缆，使用处理器(CP)，可以使用多点接口电缆，当有多点接口MPI卡时，可以使用多点接口卡作为一种特殊的通信电缆。

(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。 3.1.3FXPLC的接口模块

数字量输入输出模块

FXPLC添加输出扩展模块。制砖机控制系统需要18个输出端，而目前只有10个输出端口，以解决输出端口是不够的，选择32mt-ds输入和输出扩展模块。32MT-DS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。32MT-DS扩展模块性能参数如表3.1所示。32MT-DS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 32MT-DS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 额定电流 输入同时接通点数

40℃ 55℃ 输出特性 该机集成输出点

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 直流，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 32MT-DS 数字量混合输入/输出模块端子图

3.1.4PLC的特点

如今PLC控制的出现，电气控制基本都被遭到淘汰。PLC与传统的电气控制系统相比较，PLC的控制系统有以下优点：

（1）控制方法

传统的电气控制用继电器触电的并联和串联来组成控制电路，主要逻辑采用硬件接线，它连线多、体积大、功耗大、复杂，在系统构成后，想改变或者增加功能都较为的困难。继电器的触点数量是有限的，所以电气控制系统的可扩展性和灵活性是很有限的。PLC控制逻辑采用程式的方式，并与计算机之间通讯，并存放在存储器中，要改变其控制逻辑的话只需改变其程式即可，十分方便[6]。

（2）工作方式

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继电器控制系统的电路，在电源接通时，继电器电路是由国家，，不将继电器由某种条件不能拉，继电器的吸引力是吸引状态，这种工作方式称为并行工作模式。但是PLC通过程序执行一定的循环，因此各种继电器触电都应处在相应的循环之中，这种工作方式称之为串行通讯的工作方式。

（3）控制速度

PLC通过程序指令去控制半导体电路来实现控制，其速度快，程序指令执行时间在微秒级，不会出现触点抖动问题。但是继电器控制系统无法做到这点。

（4）定时和计数控制

电气控制系统的定时和技术特点是采用时间继电器的延时动作实现时间控制，其定时精度低。而PLC的定时和技术特点是采用半导体集成电路做的定时器，定时范围宽，精度极高，用户可以按照需要在程序中设定所需要的时值，不受环境的影响，修改方便。但是电气控制则不具备如此的计数功能。

（5）可靠性和可维护性

PLC凭借其强大的功能，通用性强，并且体积小，可靠性大等特点在各种工业上得到了广泛的应用。在工厂自动化系统中，PLC作为核心的控制期间而存在，它既可组成功能齐全的自控系统控制整个工厂的运行，亦可单独使用作单机自动控制。它还是继电器控制柜的理想替代物。PLC占有举足轻重的地位。特别是在数控机床及大量的机床改造和老设备改造中，PC应用极广。 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。 (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。

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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。

3.1.6PLC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

(1) 深入分析被控对象的控制要求和工艺条件

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(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

在电脑上写一个程序（通常是一个阶梯）通过连接电缆下载到PLC中，也可以被编程为首先将指令助记符，用来促进PLC输入。

(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，填充好后料车原路返回；

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(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，计时器开始计时，配料系统和搅拌电机的启动。5S工作停止后。

(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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第四章 设计基自动控制制砖机控制系统

4.1 设计制砖机自动控制的硬件电路和软件电路

根据对砖机自动控制系统的设计要求，选择合适的硬件设备配件。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FX 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FX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

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。此外，一个模型或类似的性能限位开关最好使用制砖机，为了有效控制和有效的管理系统以方便制砖机。

(4) 系统硬件设计

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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，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

32MT-DS，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。

基于机械制图PLC自动控制系统，拨码开关SA1，砖机开始运行时，自动控制，机砖组件根据预先设定的步骤来完成任务，在自动执行按停止按钮SA2，制砖机的各个部件紧急停止并且复位。按下启动按钮，机砖再次从新开始。励磁系统的接线图如图4.1所示。

图4.1 系统控制现场接线

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

输入定义号

I0.0 I0.1 I0.3 I0.4 I0.5

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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

SA6 SA7 SA8 SA9 SA10 SA11

I0.6 I0.7 I1.1 I1.2 I1.3 AIW0

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

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)：

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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。在设计中选择限位开关也同样重要。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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第五章 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 车组态王6.53的简介

(1) 组态软件定义：

配置是一种资源的配置和软件的计算机上，随着应用软件工具完成任务的过程是需要的，通过计算机和软件根据预先设定的自动执行特定的任务，以满足用户的客观需求。

(2) 组态的特点及其作用：

(a) 计算机技术的飞速发展，各种成熟的技术。 (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：

组态王软件是中国国内著名的组态软件开发公司。组态王拥有功能强大的主界面，开发语言可以使用汉字，组态王也有各种硬件的驱动，所以组态王软件成为一种在工业过程控制中应用广泛的监控软件，包括设计，在一个实时的现场操作和植物资源分配管理，实现实时监控和最优化管理。

(4) 组态王的通讯接口：

FXPLC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，和相同的波特率，它也可以运行在同一时间在网络。

(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

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(e) 运行和调试，保存工程

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”菜单下的“新建”命令，弹出“新建项目向导”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

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图5.2 新建工程所在目录

进入“我的项目”中的项目名称，项目描述输入栏中的“基于PLC控制砖机控制系统，点击“完成”，如图5.3所示。

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

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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，图库中有管道、传感器、电动机、阀门、锅炉等等。设计点击“文件”下的“全部”命令后，屏幕上保存设计。

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FXPLC，安装时设定的参数如表5.1所示。

在组态王安装PLC 5.1参数表

生产厂家 设备名称 连接的串口 通信方式 使用动态优化

三菱 FX系列 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

式I／O变量主要是实际变量，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，自动控制监测图5.7机砖砖机自动控制操作界面，在图5.8中，当显示器屏幕。

图5.7 制砖机自动控制监控界面

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图5.8砖的机器配置操作控制界面

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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总 结

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。免烧砖机是工业生产矿渣，炉渣的利用，粉煤灰，石灰石粉等有生命的砂，石，水泥和其他原材料，配料按一定比例混合后，加入适量的水，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。这种高压力的机械设备也被称为免烧砖机，免烧砖机生产的砖不需要浪费木材或木炭烧，不需要太多的二氧化碳，只有很短的时间，干燥后可使用。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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参考文献

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[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

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[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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致 谢

在指导老师的帮助下，毕业设计得以顺利完成，让我学到了很多课本上没有学到的东西。非常感谢我的指导老师，整个设计中，老师都给予了我很大帮助。在论文选题时，我就遇到了很多问题，都是在老师的耐心指导下顺利开题的，并不断对论文进行修改完善。老师的悉心指导和关怀，在此对老师说声真诚的感谢。从论文开始，老师都对我们要求严格，老师在百忙之中还要定期对我们论文做出指导，每周都询问我们的论文进度，在论文中遇到的难题，老师都教我们查阅文献资料，直到论文的完成为止。在老师的指导下，我养成了疑难问题随手记的好习惯。在重重困难面前，老师都一次次的鼓励我，让我有了更大的信心来完成毕业论文，克服了重重困难，把毕业设计进行下去。课堂上，老师对知识认真与严谨也是以后学习工作中的榜样。

毕业论文不仅是对大学学习知识的一个汇总，更是对实际动手设计能力的一个考验，谢谢陪我一起度过大学生活的舍友兄弟，你们在生活包容我的每一个缺点和不足，让我在宿舍这个小家庭里度过大学生活。此外，大学毕业意味着我们的学校生活即将结束，感谢父母对我对我近二十年读书生涯的支持和养育之恩，毕业后我定会努力工作，不会辜负您辛苦的培养，给您们最好的生活。

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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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