基于PLC和組態軟件的攪拌站控制系統

摘 要：本文介紹一種全新的以組態軟件開發的混凝土攪拌站自動化控制系統，此系統以工控機為上位機，PLC為下位機，基于Windows98/NT操作平臺，提供一種實用的混凝土攪拌站自動化控制系統方案。

關鍵詞：攪拌站 組態軟件 PLC 數據采集與統計

1．引言

隨著現代化城市建設的不斷發展，基礎建設，房地產業日益紅火，對建設項目的質量要求也越來越高，而高質量的建材則是整個工程高質量的保障。那種傳統的以工地自行生產混凝土的方式由于其質量難以保證，噪聲及粉塵污染大。因而必將被自動控制的混凝土攪拌站取代。自動控制的混凝土攪拌站具有產品質量優良、生產效率高、環保性能好等特點，正在成為混凝土生產的主流。
本控制系統穩定、可靠。它可以按照設定的配方，自動、連續的控制各部分物料的計量、投料、攪拌和出料。同時本系統還有對數據進行瀏覽、查詢、統計、打印等一系列管理功能。另外，通過除n取余震蕩曲線法對落差進行自動修正，準確的控制了精度問題。

2.系統結構

2.1 硬件結構

　　控制系統采用上位機和下位機組成，系統硬件結構如圖a所示。

由于系統對運行速度、靈敏度、穩定性及防塵抗震抗噪音等方面的要求，上位機選用研祥IPC-810P/FSC-1621VD工控機作為上位機，它具有比普通PC機更強的I/O擴展功能，內置8MB獨立顯存支持3D圖形加速，這樣能直觀的監控現場，板上帶有ISA總線高驅動，最大驅動能力高達64mA,具有串口15000V靜電保護功能。在此工控機上可完成組態軟件的設計和開發、PLC程序的開發以及將軟件通過串口傳送至PLC的CPU單元。

下位機采用功能強大、可靠性高、維護方便且抗干擾能力強的可編程控制器OMRON CQM1HPLC實現攪拌站參數的采集和控制。OMRON PLC是由電源、中央處理器和I/O元件組成的嚴密高速的程序控制器.由于機械控制不斷需要更先進的的功能和處理速度，本系統采用CQM1H就是這樣一種功能完善的緊湊型PLC，它提供附加值機器控制，具有通過各種高級內裝板進行升級能力。大程序容量和存儲單位。另CPU單元帶RS-232C接口，可實現適時數據采集，數據再通過上位機程序處理。

　　由于系統在滿足全自動生產的同時，還必須有手動操作功能，所以應該配置重量儀表和動力柜。重量儀表采用天衡富中的WC——-2000C重量顯示器，是由單片微機控制，集稱重、定值、控制于一體的智能化儀表。由于采用了高集成度集成電路，使電路更為簡潔，可靠性更高。并在線路中加進了獨特的抗干擾措施。使儀器能在惡劣的現場環境中穩定、可靠地使用。其儀表操作簡單、計量準確。除添加劑精確到0.01kg外，其它儀表精度是1kg。
動力控制部分通常由斷路器（空氣開關）、交流接觸器、控制變壓器、中間繼電器等組成。斷路器與交流接觸器構成的主回路如圖b所示。斷路器具有短路和過載保護功能，接觸器只是大功率的開關，可直接驅動電機和其他電器。控制變壓器提供二次回路（控制回路）所需的各種隔離電源,例如：220V、24V等。中間繼電器是弱電系統（計算機系統）或主令電器的控制對象，其作用既起到弱電與強電之間的電氣隔離作用，又擴大了控制功率和控制信號。示意圖：

2.2 軟件結構

工業控制組態軟件是可以從可編程控制器、各種數據采集卡等設備中實時采集數據，發出控制命令并監控系統運行是否正常的一種軟件包，組態軟件能充分利用Windows強大的圖形編輯功能，以動畫方式顯示監控設備的運行狀態，方便地構成監控畫面和實現控制功能，并可以生成報表、歷史數據庫等，為工業監控軟件開發提供了便利的軟件開發平臺，從整體上提高了工控軟件的質量。北京世紀長秋科技有限公司開發的CenturyStar5.0是運行在Window98/NT上的一種組態軟件，由工程瀏覽器CSMaker和畫面運行系統CSViewer兩部分組成。CSMaker是世紀星軟件的核心部分和管理開發系統,它的功能是建立動畫顯示窗口。
通過它提供的工具箱可方便建立實時曲線圖、歷史趨勢圖和報警記錄顯示。CSViewer是顯示CSMaker中建立的圖形窗口的運行環境。在攪拌站控制系統中，控制軟件的結構如圖c,上位機采用Omronhj.dll驅動程序與PLC進行通信，通過串口訪問相應的寄存器，以獲取攪拌站現場各設備參數的實際值或對現場的開關量和模擬量如各控制閥門的開度進行控制。本系統中將PLC的DM0～DM100設置為可讀寫區，即上位機可對下位機該區域進行讀寫操作；將DM101～DM399設置為只讀區，即上位機只能讀出下位機該區域的值而不能改變

　　攪拌站控制系統上位機的組態軟件基本實現了攪拌站測控的要求。簡潔且形象的模擬了攪拌站的現場工藝流程，操作人員能在控制室的計算機屏幕上了解攪拌站的全部運行狀況，包括各種報警。取得權限的操作人員能在控制室實現對配方參數和含水率的修改，所有的自動與半自動之間的切換都是無擾切換。每個控制按鈕和每個自動與半自動切換按鈕都有進一步的確認或取消，防止誤操作。

攪拌站控制系統下位機是PLC控制器，系統采用模塊化設計，由A/D數據處理、控制參數處理、輸入輸出控制配料過程控制、投料過程控制、攪拌運行控制、上位機點動控制等程序模塊組成，程序是用梯形圖直接編寫。在程序框架允許的范圍內，可以任意增加配料品種或設置投料順序。比如：骨料先投到中間斗后，再與粉料、水先后順序投到攪拌機內開始攪拌。本系統同時把投料時序做成窗口，讓用戶可以適時修改。

3. 數據庫結構

由于上位機軟件基于Windows98/NT平臺,全中文瀏覽界面，采用事件驅動技術.所以數據庫程序設計可利用組態開放的程序接口，通過API（動態連接庫）記錄數據，也可存放到Acess中,記錄有客戶信息、工程名稱、合同編號等，備瀏覽查詢用，利用VB編一訪問程序來對及時記錄的數據進行處理，這樣可實現數據的統計管理。具體功能如下：

.配方管理:可設定和管理多達一千種以上個配方,并設密碼防止誤修改和刪除.

.工程管理:可按配比編號、合同編號、工程名稱、施工單位分別管理,亦可按車號、工號進行統計.

.打印報表:打印報表根據實際需要可隨意選擇打印、不打印，也可選擇何種打印方法。

4.控制系統實現的主要功能

1）顯示功能：工藝流程、測量值、設備運行狀態、操作模式、報警等顯示、畫面調用等功能；
2）報警處理和報表生成功能：故障發生時有適時報警功能，系統輸出的報表可按時間、配比號、工程名稱、施工單位等可選擇的輸出報表。
3）數據庫存儲與訪問：實現Access歷史數據庫在每次系統運行時的自動創建并按秒級記錄，現場數據的存儲，；
4）畫面系統對控制參數、系統標定進行修改與儲存，能實現監控系統自動/半自動/手動操作模式間的無擾切換；
5）管理權限：實現不同級別的系統管理權限，系統操作員可以對配方進行輸入和修改，具有權限的工程師可以根據實際情況對控制軟件和下位機軟件進行修改。

5.其它技術措施

5.1 增強可靠性的措施

為了提高系統的可靠性,在設計中采取了如下措施:
.PLC采用單獨供電且接地線單獨接地.
.工控機和弱電部分供電通過在線式500W UPS,既凈化了弱電供電電源,又可保證工控機不會因為突然掉電而丟失數據.
.要求整個系統接地電阻小于1Ω.
.工控機和重量儀表中控制輸出及報警輸入全部采用光電隔離技術,有效防止外部干擾信號進入.
.交流接觸器全部安裝阻容吸收.
.中間繼電器線包全部安裝二極管吸收回路.
.各種弱電傳輸電纜全部采用屏蔽線,并且屏蔽層單端接地.

5.2提高精度與生產效率的措施

　　采用除n取余震蕩曲線法對落差跟蹤式調整,在生產過程中可以自動修正,亦可設固定落差.這樣能保證骨料誤差在±2%以內,而其它粉料在±1%內.通過對數據的預先處理,在連續生產中可提前稱料來提高效率.
另采取一些其它的方法:
.對水泥、粉煤灰采用變速給料來減少沖量影響.稱量時,先高速給料,達到設定值的90%左右后自動變為低速配料,實現精稱.
.對骨料（石、砂）采用雙料倉和逐次逼近的精稱方法.粗稱時兩倉全開,快速達到關門值（配方值-落差）后關閉出料門,穩定后根據與配方值的差距量自動計算出脈沖補料時 間,然后僅開精出料門,一般經過1-2次補料就能完成精稱配料.
.對水采用粗、細管加水方案,實現流量精稱.

通過以上技術措施,不但提高了稱量精度,而且保證了生產效率.

6.結束語

　　本文研究的基于PLC和組態軟件的攪拌站控制系統利用了ＰＬＣ抗干擾能力強，適用于工業現場的特點,又利用了組態軟件強大數據處理和圖形表現的能力，融合了較先進的自動化技術、計算機技術、通訊技術、故障診斷技術和軟件技術，具有可靠性高、操作簡單、維護容易等特點。目前該系統已經成功的在已裝機30多套，在北京、上海、杭州、重慶、海南三亞、新疆哈密等各大城市攪拌站使用，到目前已累計生產200多萬立方商品混凝土，效果良好，對攪拌站的運行效率乃至整個建筑行業混凝土開展具有重要意義，同時極大得提高了自動化水平，降低了工人的勞動強度。