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0引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，混凝土的需求量越來(lái)越大，質(zhì)量要求也越來(lái)越高，提高混凝土的質(zhì)量和產(chǎn)量已經(jīng)十分必要。自動(dòng)控制的混凝土攪拌站具有產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良、生產(chǎn)效率高、環(huán)保性能好等特點(diǎn)，正在成為混凝土生產(chǎn)的主流，這使得混凝土配料控制系統(tǒng)的重要性日益增強(qiáng)[1-7]。本文采用性能穩(wěn)定的PLC、組態(tài)軟件MCGS和高精度稱(chēng)重儀表設(shè)計(jì)混凝土自動(dòng)配料控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從配料計(jì)量，攪拌，到出料生產(chǎn)全過(guò)程的自動(dòng)化、智能化，同時(shí)還有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、打印等一系列管理功能。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

混凝土配料共有8個(gè)料斗，分別裝有4種石料、兩種水泥、添加劑和水。每個(gè)料斗各配有一臺(tái)稱(chēng)重儀表，分別對(duì)每種物料的下料量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將重量傳輸至T控機(jī)，根據(jù)與設(shè)定參數(shù)的比對(duì)，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、閥門(mén)的控制。上位機(jī)對(duì)各種工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括設(shè)定值的給定、提前量、累積量等。

系統(tǒng)上位機(jī)采用組態(tài)軟件MCGS，主要完成對(duì)重量數(shù)據(jù)的處理和PLC進(jìn)行通訊、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存[8-10]。完成對(duì)物料的控制、畫(huà)面的動(dòng)感效果，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是主要解決的技術(shù)問(wèn)題。

PLC作為下位機(jī)，采用Windows操作系統(tǒng)下的STEP7編程軟件進(jìn)行程序的在線(xiàn)或離線(xiàn)檢查、調(diào)試、監(jiān)控等操作，以方便可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。由于混凝土攪拌設(shè)備需要連續(xù)地生產(chǎn)，且各個(gè)動(dòng)作之間有著嚴(yán)格的順序限制，因此采用順序控制、經(jīng)驗(yàn)控制和步進(jìn)控制相結(jié)合，軟件設(shè)計(jì)包括初始化程序、主程序、子程序、中斷程序、故障應(yīng)急措施和輔助程序的設(shè)計(jì)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的混凝土配料控制系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，具體組成如下：

(1)上位機(jī)采用研華IPC，其機(jī)箱采用全鋼結(jié)構(gòu)具有抗沖擊、抗振動(dòng)、抗電磁干擾等作用，內(nèi)置專(zhuān)用電源具有較強(qiáng)的抗干擾能力，采用底板+CPU卡結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

(2)PLC選用西門(mén)子公司的S7-200，它指令豐富，執(zhí)行速度快，調(diào)試和故障診斷方便，具有靈活的終端及強(qiáng)大的通信功能，此外豐富的各種擴(kuò)展模塊能夠滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。同時(shí)提供了先進(jìn)的編程特性，易于組態(tài)，便于安裝，能方便地取代簡(jiǎn)便的繼電器及復(fù)雜的中型自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)。與上位機(jī)之間采用PPI通訊協(xié)議，可以方便有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(3)稱(chēng)重儀表采用科豐XK3201，該儀表具有密封好、體積小、功耗低、安裝方便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在高溫T作干擾大和高頻率開(kāi)關(guān)動(dòng)作等惡劣環(huán)境條件下，并且具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。與上位機(jī)之間采用MODBUS主從方式網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，通過(guò)稱(chēng)重傳感器實(shí)時(shí)采集物料重量并經(jīng)過(guò)處理后傳輸至上位機(jī)，具有稱(chēng)量精度高、可靠性好等特點(diǎn)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件主要由以下模塊組成：

(1)通訊模塊：上位機(jī)完成與稱(chēng)重儀表和PLC的通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

(2)配方管理模塊：任意添加或修改配方。通過(guò)預(yù)存大量生產(chǎn)配方，使得用戶(hù)不需要輸入操作只需要選中配方即可。

(3)報(bào)警管理模塊：對(duì)報(bào)警的情況進(jìn)行分類(lèi)并采用彈出框或警示燈閃爍提醒操作員及時(shí)處理。

(4)數(shù)據(jù)管理模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的輸入及查詢(xún)、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及報(bào)表的預(yù)覽和打印。

(5)動(dòng)畫(huà)顯示模塊：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)畫(huà)效果，提高生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的管理。

(6)系統(tǒng)管理模塊：管理用戶(hù)名、密碼、權(quán)限和用戶(hù)幫助等。用戶(hù)只有在登錄界面輸入正確的用戶(hù)名和密碼才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)會(huì)記錄操控人員信息，做到責(zé)任到人。

3.2通信功能的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)與PLC之間采用PPI通信協(xié)議，采用主從式的通訊方式，上位機(jī)發(fā)出讀寫(xiě)指令，PLC接收并作出正確的響應(yīng)（返回應(yīng)答數(shù)據(jù)E5H或F9H），上位機(jī)接到此響應(yīng)則發(fā)出確認(rèn)命令(10025CSE16)，PLC再返回給上位機(jī)相應(yīng)的數(shù)據(jù)[11-12]。

其中，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為白DA至DU的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；開(kāi)始符為68H；讀、寫(xiě)的功能碼分別為6CH、7CH；結(jié)束符為16H。

上位機(jī)與稱(chēng)重儀表之間采用MODBUS通信協(xié)議[13-14]，模式采用RTU方式，由8個(gè)字節(jié)組成。

其中，設(shè)備地址：本系統(tǒng)設(shè)備地址為1到8。功能碼：科豐儀表支持“03H”、“06H”、“1OH”3種功能，本系統(tǒng)采用03H只讀功能。

3.3界面的設(shè)計(jì)

采用面向T作流程的設(shè)計(jì)方法，可以設(shè)計(jì)出可靠美觀的圖形界面以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需求，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在監(jiān)控畫(huà)面中真實(shí)生動(dòng)地體現(xiàn)。本系統(tǒng)人機(jī)界面如圖2所示。在上位機(jī)上不僅可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的顯示，還可以動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)上位機(jī)上的軟按鈕可以遠(yuǎn)程控制閥門(mén)、水泵、攪拌機(jī)等設(shè)備的開(kāi)啟與關(guān)閉。

3.4功能的實(shí)現(xiàn)

加料控制是整個(gè)系統(tǒng)控制中最重要一個(gè)環(huán)節(jié)，由上位機(jī)和PLC共同完成。在整個(gè)加料過(guò)程中，采用初期的快加料和后期的慢加料兩步給料，從而減小由于大沖量而引起的落料誤差。在停止給料后，物料本身的屬性、閥門(mén)或電機(jī)轉(zhuǎn)速等因素將是影響最終稱(chēng)量精度的直接原因[15]。通過(guò)對(duì)過(guò)去的落料誤差分析處理，預(yù)測(cè)未來(lái)的誤差并進(jìn)行提前補(bǔ)償，使實(shí)際稱(chēng)量值在設(shè)定值上下很小范圍內(nèi)波動(dòng)，且稱(chēng)量次數(shù)越多時(shí)間越長(zhǎng)，實(shí)際值越趨于設(shè)定值。

加料具體控制算法如圖3所示，當(dāng)?shù)趎次稱(chēng)量結(jié)束時(shí)：

(l)本次誤差Wn不大于上次Wn-1，則提前量μ不變；

(2)本次誤差Wn大于上次Wn-1，則要變更提前量μ。如果最近m次平均稱(chēng)量值大于設(shè)定值，取差值平均后作為補(bǔ)償值△μn+l減小提前量。如果最近m次平均稱(chēng)量值小于設(shè)定值，取差值平均后作為補(bǔ)償值△μn+l增大提前量。

3.5PLC控制功能軟件設(shè)計(jì)

PLC程序主要包括兩部分：主任務(wù)和中斷任務(wù)。主任務(wù)包括主程序081和子程序FBI、FB2等多個(gè)功能塊，在主程序中不斷地調(diào)用子程序完成控制任務(wù)。主程序決定整個(gè)程序從開(kāi)始到結(jié)束的每個(gè)時(shí)刻的任務(wù)，子程序主要包括對(duì)各個(gè)電機(jī)、閥門(mén)的控制等。中斷主要是處理故障檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)急情況，一旦發(fā)生故障立即中斷配料過(guò)程并發(fā)出警報(bào)。

整個(gè)過(guò)程中PLC采集行程開(kāi)關(guān)和控制按鈕等提供的開(kāi)關(guān)量信號(hào)以及接收來(lái)自工控機(jī)的控制命令，并對(duì)此進(jìn)行處理后，輸出對(duì)電磁閥、電動(dòng)機(jī)等各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)。

4結(jié)束語(yǔ)

該混凝土配料控制系統(tǒng)充分利用了PLC具有可靠性高、功能完善、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化以及編程簡(jiǎn)單直觀等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效彌補(bǔ)繼電器控制和單片機(jī)控制在可靠性方面的缺陷，與T控機(jī)配合易于實(shí)現(xiàn)操作與管理。同時(shí)自動(dòng)配料控制系統(tǒng)配料均勻，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。變速給料結(jié)合高精度電子稱(chēng)量，實(shí)現(xiàn)了高精度自動(dòng)配料，達(dá)到全自動(dòng)控制，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了勞動(dòng)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

 

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