穩定土廠(chǎng)拌站自動(dòng)控制系統的設計

0 引言

隨著(zhù)我國高速公路和高速鐵路等基礎建設的迅猛發(fā)展，對路基材料的生產(chǎn)設備-穩定土廠(chǎng)拌站的需求日益增大。 穩定土廠(chǎng)拌站的自動(dòng)控制系統設計對于提高穩定土生產(chǎn)效率和提高物料配比精度具有重要意義。針對目前穩定土廠(chǎng)拌站自動(dòng)控制系統國內外發(fā)展現狀，又結合本系統設計對象的實(shí)際工程需求， 本文展開(kāi)了對穩定土廠(chǎng)拌站自動(dòng)控制系統的設計和研究工作。
1 穩定土廠(chǎng)拌站結構組成
穩定土廠(chǎng)拌設備主要由計算機自動(dòng)控制系統、粉料配送系統、骨料配送系統、集料皮帶、攪拌裝置和成品料輸送儲存系統等幾部分組成。其中有一套粉料配送系統，五套骨料配送系統。除此之外，還有供水系統、供氣設備和上料裝置等。如圖1所示

骨料配送系統：由裝載車(chē)將各種骨料裝入料斗，由出料口落下，經(jīng)骨料皮帶傳送至集料皮帶，由集料皮帶輸送至拌缸。料斗裝有震動(dòng)傳感器，用于防止骨料結塊而影響下料。骨料皮帶由皮帶電機傳動(dòng)，皮帶電機的轉速由相應的變頻器進(jìn)行控制。系統檢測皮帶稱(chēng)重信號和速度信號，輸入至控制系統。
粉料配送系統：轉運車(chē)轉運至料場(chǎng)的粉料首先存儲在粉料倉中。生產(chǎn)過(guò)程中，粉料倉中的粉料經(jīng)蝶閥落入減量秤稱(chēng)重料倉中，給料機將減量秤料倉中的粉料輸送至螺旋輸送機中，螺旋輸送機將粉料輸送至拌缸。給料機速度由變頻器控制，從而控制粉料配料比例。系統檢測減量秤重量信號和給料機的速度信號，輸入至控制系統。

2 穩定土廠(chǎng)拌設備自動(dòng)控制系統的結構組成

穩定土廠(chǎng)拌站自動(dòng)控制系統主要由 PLC、上位機、變頻器、傳感器及其他電控元器件構成，整個(gè)控制系統的硬件結構圖如圖 2 所示。

本控制系統采取PLC 與上位機配合控制的方式。其中PLC 作為控制核心，負責開(kāi)關(guān)量與模擬量信號的采集與輸出，以及程序的控制。選用西門(mén)子S7-200系列PLC中的CPU226作為PLC 系統的CPU，該型號的 CPU具有兩個(gè)通訊口PORT0和PORT1，一個(gè)通訊端口用于PLC 與上位機進(jìn)行通訊，另一個(gè)通訊端口用于PLC 與變頻器之間進(jìn)行通訊。五個(gè)小皮帶以及粉料的螺旋輸送機處安放稱(chēng)重傳感器，用于采集各種骨料和粉料的稱(chēng)重信號，該信號輸入到 PLC 的模擬量模塊，用于程序的計算處理。六臺變頻器用于控制五種骨料的皮帶電機和粉料的螺旋給料機的運轉速度。PLC與6 臺變頻器進(jìn)行以 MODBUS 方式進(jìn)行通訊，變頻器的啟動(dòng)與停止控制、運行頻率的采集與設定、變頻器的故障監控都通過(guò)通訊的方式完成。

上位機使用西門(mén)子公司的 WinCC 作為組態(tài)軟件。上位機主要完成對生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監控和相關(guān)數據的設定與顯示，同時(shí)也可以對 PLC 發(fā)送相關(guān)指令。上位機的數據報表功能可以實(shí)時(shí)記錄穩定土生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)關(guān)鍵數據，并能夠根據用戶(hù)需求生成自定義的數據報表，自動(dòng)保存在指定的位置，用于用戶(hù)打印和后續的查詢(xún)或統計分析。上位機的故障顯示與記錄功能可以便于生產(chǎn)維護人員在系統故障時(shí)根據提示信息迅速的查找和排除故障，盡量縮短故障維修時(shí)間。同時(shí)，上位機也具有配方管理功能，能夠缺省設定多組配方，可以供使用者選擇，系統管理員也可以對配方進(jìn)行修改、下載、上載或者新增配方。

3 下位機設計
下位機的PLC 控制程序是穩定土廠(chǎng)拌站自動(dòng)控制系統的核心。本系統PLC 控制程序主要是按照穩定土生產(chǎn)工藝的要求，實(shí)現對穩定土廠(chǎng)拌設備的啟?？刂?、各種物料的配料比例控制、機械設備之間的邏輯互鎖、相關(guān)信號的采集與處理等功能。
系統設計穩定土的生產(chǎn)過(guò)程分為兩種控制方式：自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。在手動(dòng)控制模式下，廠(chǎng)拌站操作手可以控制各個(gè)機電設備的啟停，可以手動(dòng)調整各個(gè)配料電機的轉速從而改變各種骨料和粉料的配比。在自動(dòng)控制模式下，系統的配料過(guò)程完全由 PLC 程序控制，人工不能調節配料變頻器的轉速。手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的實(shí)現都有一個(gè)前提條件：集料皮帶、拌缸和上料皮帶都已經(jīng)運行， 防止當啟動(dòng)物料配送時(shí)由于前方設備沒(méi)有運轉而導致骨料在集料皮帶上的堆積造成浪費和清理問(wèn)題。
為實(shí)現自動(dòng)控制系統對穩定土廠(chǎng)拌站的控制任務(wù)， 本系統在程序設計上主要分為以下幾個(gè)部分：主程序、系統初始化、流程控制、數據采集與處理、自鎖控制、PID 配料運算、標定與調零、故障報警、變頻器通訊等。簡(jiǎn)單介紹其中的幾部分。
3.1 流程控制
流程控制部分分為手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種方式。在按順序啟動(dòng)上料皮帶、拌缸、集料皮帶之后，操作者可以通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)的方式來(lái)啟動(dòng)后續流程設備。在生產(chǎn)流程中自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的主要區別在于： 自動(dòng)控制過(guò)程中五種骨料和粉料的配料變頻器由程序自動(dòng)來(lái)控制啟停和調節其輸出頻率， 不需要人工干預； 而手動(dòng)控制模式下人工可隨意啟停各個(gè)配料變頻器，并且可以手動(dòng)調節各個(gè)變頻器的輸出頻率。配料變頻器的啟動(dòng)與停止是有固定的順序的，各個(gè)變頻器的啟停之間有一定的時(shí)間間隔， 該時(shí)間間隔可以在上位機監控畫(huà)面的參數設定部分進(jìn)行設定和調整。另外，還有一些相關(guān)的設備如空壓機、電鈴、成品料倉倉門(mén)等設備需要人工來(lái)啟動(dòng)。

3.2 自鎖控制
根據機械生產(chǎn)廠(chǎng)家的要求，在程序部分設置自鎖控制功能。廠(chǎng)家出于貨款回收方面的考慮，對控制系統提出設置自鎖功能的要求，基本思想就是設置兩個(gè)時(shí)間密碼，在設備運至生產(chǎn)現場(chǎng)之后與貨款全部收回之前，輸入第一個(gè)時(shí)間期限，當設備運行到所設置的時(shí)間之后，控制系統將會(huì )自動(dòng)鎖死，無(wú)法進(jìn)行正常操作。當收回全部貨款之后，輸出時(shí)間密碼，控制系統可以一直運行?？梢酝ㄟ^(guò) TODR 指令讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘。將所讀取的實(shí)時(shí)時(shí)鐘與設置的時(shí)間密碼進(jìn)行比較，即可得到設置時(shí)間是否用完。
3.3 PLC與變頻器的通訊
本系統采用PLC與變頻器進(jìn)行通訊的方式來(lái)實(shí)現PLC對變頻器的啟?？刂坪皖l率設定以及讀取變頻的一系列運行數據。PLC 與變頻器之間采用 Modbus RTU 方式通訊，波特率設為 9.6K，采用CRC 校驗。在 RTU 模式下，消息發(fā)送至少要以 3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始，程序中以 10ms為間隔進(jìn)行數據的發(fā)送與接收。PLC 和變頻器采用主從的方式進(jìn)行通訊，PLC 是主機，變頻器是從機。一共有六臺變頻器，在其參數設置中將其地址設為 1-6號。PLC 與變頻器之間的通訊是一個(gè)“查詢(xún)-回應”的過(guò)程，如圖 4 所示。
PLC 中的通訊部分程序大體分為以下幾塊：通訊初始化、發(fā)送完成中斷程序、接受完成中斷程序、發(fā)送組碼程序、生成校驗碼、數據發(fā)送與接收。
通訊初始化部分程序在 PLC 的第一個(gè)掃描周期運行，其主要功能是設置 CPU226 的自由端口的通訊格式、數據接收格式及復位各寄存區、連接中斷。

發(fā)送完成中斷程序主要完成的任務(wù)是：定義開(kāi)始接收數據，并且置位接收標志，復位發(fā)送標志。
接收完成中斷程序主要完成的任務(wù)是：根據接收到的數據重新計算校驗碼，并與接收到的 CRC 域中的值進(jìn)行比較。如果兩者一致，則說(shuō)明數據傳輸正確，將接收到的數據存入對應的寄存器中。
生成校驗碼：根據 CRC檢測方法生成校驗碼，具體生成方法是：①裝入一個(gè) 16位的寄存器，所有數位均為 1；②該 16 位寄存器的高位字節與開(kāi)始 8 位字節進(jìn)行異或運算。運算結果放入這個(gè) 16 位寄存器；③把這個(gè) 16 寄存器向右移一位；④若向右（標記位）移出的數位是 1，則生成多項式 1010000000000001 和這個(gè)寄存器進(jìn)行異或運算；若向右移出的數位是 0，則返回③；⑤重復③和④，直至移出 8 位；⑥另外 8 位與該十六位寄存器進(jìn)行異或運算；⑦重復 ~ ③⑥，直至該報文所有字節均與 16 位寄存器進(jìn)行異或運算，并移位 8 次；⑧這個(gè) 16 位寄存器的內容即 2 字節 CRC 錯誤校驗，被加到報文的最高有效位。

4 上位機WinCC監控畫(huà)面設計
根據用戶(hù)需求以及工程實(shí)際應用的考慮， 本系統在上位機監控畫(huà)面的組態(tài)上主要考慮到以下幾個(gè)原則：監控畫(huà)面能夠清晰直觀(guān)地顯示設備的運行狀態(tài)；能夠對生產(chǎn)關(guān)鍵數據進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；能夠對生產(chǎn)過(guò)程中物料配比數據進(jìn)行修改；能夠對設備運行過(guò)程中產(chǎn)生的故障報警信息進(jìn)行顯示和存儲，可以進(jìn)行報警歷史記錄進(jìn)行查詢(xún)；具有報表功能，能夠將用戶(hù)關(guān)心的生產(chǎn)數據自動(dòng)生成個(gè)性化報表，并且能夠自動(dòng)在每班生產(chǎn)結束之后保存在指定位置，用戶(hù)能夠按照指定條件查詢(xún)報表數據。
基于以上基本原則和要求，本課題以 WinCC 為開(kāi)發(fā)平臺，對穩定土廠(chǎng)拌站自動(dòng)控制系統的上位機監控組態(tài)程序進(jìn)行了設計開(kāi)發(fā)。本系統設計的上位機監控界面的主畫(huà)面如圖 5所示。

有系統當前的運主畫(huà)面主要用來(lái)顯示設備的整體生產(chǎn)流程， 監控生產(chǎn)過(guò)程中的設備啟停狀態(tài)、顯示生產(chǎn)數據、報警指示等，并且行模式指示（“手動(dòng)運行”與“自動(dòng)運行”）。
生產(chǎn)數據主要由幾個(gè)部分組成：骨料和粉料的設定比例、設定流量；骨料和粉料的實(shí)際比例、實(shí)際流量；設備的設定產(chǎn)量、瞬時(shí)產(chǎn)量和累計產(chǎn)量等。
在主畫(huà)面的底部有一系列按鈕，如“參數設定”、“配料設定”等。點(diǎn)擊按鈕，即可進(jìn)入對應的子畫(huà)面。