穩(wěn)定土廠拌站自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0   引言 

    隨著我國高速公路和高速鐵路等基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā)展，對路基材料的生產(chǎn)設(shè)備-穩(wěn)定土廠拌站的需求日益增大。 穩(wěn)定土廠拌站的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對于提高穩(wěn)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(wěn)定土廠拌站自動控制系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，又結(jié)合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)對象的實(shí)際工程需求， 本文展開了對穩(wěn)定土廠拌站自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究工作。
1   穩(wěn)定土廠拌站結(jié)構(gòu)組成
    穩(wěn)定土廠拌設(shè)備主要由計(jì)算機(jī)自動控制系統(tǒng)、粉料配送系統(tǒng)、骨料配送系統(tǒng)、集料皮帶、攪拌裝置和成品料輸送儲存系統(tǒng)等幾部分組成。其中有一套粉料配送系統(tǒng)，五套骨料配送系統(tǒng)。除此之外，還有供水系統(tǒng)、供氣設(shè)備和上料裝置等。 如圖1所示

    骨料配送系統(tǒng)：由裝載車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。料斗裝有震動傳感器，用于防止骨料結(jié)塊而影響下料。骨料皮帶由皮帶電機(jī)傳動，皮帶電機(jī)的轉(zhuǎn)速由相應(yīng)的變頻器進(jìn)行控制。系統(tǒng)檢測皮帶稱重信號和速度信號，輸入至控制系統(tǒng)。
    粉料配送系統(tǒng)：轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)至料場的粉料首先存儲在粉料倉中。生產(chǎn)過程中，粉料倉中的粉料經(jīng)蝶閥落入減量秤稱重料倉中，給料機(jī)將減量秤料倉中的粉料輸送至螺旋輸送機(jī)中，螺旋輸送機(jī)將粉料輸送至拌缸。給料機(jī)速度由變頻器控制，從而控制粉料配料比例。系統(tǒng)檢測減量秤重量信號和給料機(jī)的速度信號，輸入至控制系統(tǒng)。

2   穩(wěn)定土廠拌設(shè)備自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 

    穩(wěn)定土廠拌站自動控制系統(tǒng)主要由 PLC、上位機(jī)、變頻器、傳感器及其他電控元器件構(gòu)成，整個控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。

    本控制系統(tǒng)采取PLC 與上位機(jī)配合控制的方式。其中PLC 作為控制核心，負(fù)責(zé)開關(guān)量與模擬量信號的采集與輸出，以及程序的控制。選用西門子S7-200系列PLC中的CPU226作為PLC 系統(tǒng)的CPU，該型號的 CPU具有兩個通訊口PORT0和PORT1，一個通訊端口用于PLC 與上位機(jī)進(jìn)行通訊，另一個通訊端口用于PLC 與變頻器之間進(jìn)行通訊。五個小皮帶以及粉料的螺旋輸送機(jī)處安放稱重傳感器，用于采集各種骨料和粉料的稱重信號，該信號輸入到 PLC 的模擬量模塊，用于程序的計(jì)算處理。六臺變頻器用于控制五種骨料的皮帶電機(jī)和粉料的螺旋給料機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。PLC與6 臺變頻器進(jìn)行以 MODBUS 方式進(jìn)行通訊，變頻器的啟動與停止控制、運(yùn)行頻率的采集與設(shè)定、變頻器的故障監(jiān)控都通過通訊的方式完成。

    上位機(jī)使用西門子公司的 WinCC 作為組態(tài)軟件。上位機(jī)主要完成對生產(chǎn)過程的實(shí)時監(jiān)控和相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)定與顯示，同時也可以對 PLC 發(fā)送相關(guān)指令。上位機(jī)的數(shù)據(jù)報表功能可以實(shí)時記錄穩(wěn)定土生產(chǎn)過程中的相關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并能夠根據(jù)用戶需求生成自定義的數(shù)據(jù)報表，自動保存在指定的位置，用于用戶打印和后續(xù)的查詢或統(tǒng)計(jì)分析。上位機(jī)的故障顯示與記錄功能可以便于生產(chǎn)維護(hù)人員在系統(tǒng)故障時根據(jù)提示信息迅速的查找和排除故障，盡量縮短故障維修時間。同時，上位機(jī)也具有配方管理功能，能夠缺省設(shè)定多組配方，可以供使用者選擇，系統(tǒng)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(jī)設(shè)計(jì) 
    下位機(jī)的PLC 控制程序是穩(wěn)定土廠拌站自動控制系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)PLC 控制程序主要是按照穩(wěn)定土生產(chǎn)工藝的要求，實(shí)現(xiàn)對穩(wěn)定土廠拌設(shè)備的啟?？刂啤⒏鞣N物料的配料比例控制、機(jī)械設(shè)備之間的邏輯互鎖、相關(guān)信號的采集與處理等功能。
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)定土的生產(chǎn)過程分為兩種控制方式：自動控制和手動控制。在手動控制模式下，廠拌站操作手可以控制各個機(jī)電設(shè)備的啟停，可以手動調(diào)整各個配料電機(jī)的轉(zhuǎn)速從而改變各種骨料和粉料的配比。在自動控制模式下，系統(tǒng)的配料過程完全由 PLC 程序控制，人工不能調(diào)節(jié)配料變頻器的轉(zhuǎn)速。手動控制和自動控制的實(shí)現(xiàn)都有一個前提條件：集料皮帶、拌缸和上料皮帶都已經(jīng)運(yùn)行， 防止當(dāng)啟動物料配送時由于前方設(shè)備沒有運(yùn)轉(zhuǎn)而導(dǎo)致骨料在集料皮帶上的堆積造成浪費(fèi)和清理問題。
    為實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)對穩(wěn)定土廠拌站的控制任務(wù)， 本系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)上主要分為以下幾個部分：主程序、系統(tǒng)初始化、流程控制、數(shù)據(jù)采集與處理、自鎖控制、PID 配料運(yùn)算、標(biāo)定與調(diào)零、故障報警、變頻器通訊等。簡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和自動控制兩種方式。在按順序啟動上料皮帶、拌缸、集料皮帶之后，操作者可以通過自動或手動的方式來啟動后續(xù)流程設(shè)備。在生產(chǎn)流程中自動控制和手動控制的主要區(qū)別在于： 自動控制過程中五種骨料和粉料的配料變頻器由程序自動來控制啟停和調(diào)節(jié)其輸出頻率， 不需要人工干預(yù)； 而手動控制模式下人工可隨意啟停各個配料變頻器，并且可以手動調(diào)節(jié)各個變頻器的輸出頻率。配料變頻器的啟動與停止是有固定的順序的，各個變頻器的啟停之間有一定的時間間隔， 該時間間隔可以在上位機(jī)監(jiān)控畫面的參數(shù)設(shè)定部分進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整。另外，還有一些相關(guān)的設(shè)備如空壓機(jī)、電鈴、成品料倉倉門等設(shè)備需要人工來啟動。

3.2 自鎖控制
    根據(jù)機(jī)械生產(chǎn)廠家的要求，在程序部分設(shè)置自鎖控制功能。廠家出于貨款回收方面的考慮，對控制系統(tǒng)提出設(shè)置自鎖功能的要求，基本思想就是設(shè)置兩個時間密碼，在設(shè)備運(yùn)至生產(chǎn)現(xiàn)場之后與貨款全部收回之前，輸入第一個時間期限，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行到所設(shè)置的時間之后，控制系統(tǒng)將會自動鎖死，無法進(jìn)行正常操作。當(dāng)收回全部貨款之后，輸出時間密碼，控制系統(tǒng)可以一直運(yùn)行?？梢酝ㄟ^ TODR 指令讀取實(shí)時時鐘。將所讀取的實(shí)時時鐘與設(shè)置的時間密碼進(jìn)行比較，即可得到設(shè)置時間是否用完。
3.3 PLC與變頻器的通訊
    本系統(tǒng)采用PLC與變頻器進(jìn)行通訊的方式來實(shí)現(xiàn)PLC對變頻器的啟?？刂坪皖l率設(shè)定以及讀取變頻的一系列運(yùn)行數(shù)據(jù)。PLC 與變頻器之間采用 Modbus RTU 方式通訊，波特率設(shè)為 9.6K，采用CRC 校驗(yàn)。在 RTU 模式下，消息發(fā)送至少要以 3.5個字符時間的停頓間隔開始，程序中以 10ms為間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jī)，變頻器是從機(jī)。一共有六臺變頻器，在其參數(shù)設(shè)置中將其地址設(shè)為 1-6號。PLC 與變頻器之間的通訊是一個“查詢-回應(yīng)”的過程，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(yàn)碼、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。
    通訊初始化部分程序在 PLC 的第一個掃描周期運(yùn)行，其主要功能是設(shè)置 CPU226 的自由端口的通訊格式、數(shù)據(jù)接收格式及復(fù)位各寄存區(qū)、連接中斷。 

    發(fā)送完成中斷程序主要完成的任務(wù)是：定義開始接收數(shù)據(jù)，并且置位接收標(biāo)志，復(fù)位發(fā)送標(biāo)志。
    接收完成中斷程序主要完成的任務(wù)是：根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)重新計(jì)算校驗(yàn)碼，并與接收到的 CRC 域中的值進(jìn)行比較。如果兩者一致，則說明數(shù)據(jù)傳輸正確，將接收到的數(shù)據(jù)存入對應(yīng)的寄存器中。
    生成校驗(yàn)碼：根據(jù) CRC檢測方法生成校驗(yàn)碼，具體生成方法是：①裝入一個 16位的寄存器，所有數(shù)位均為 1；②該 16 位寄存器的高位字節(jié)與開始 8  位字節(jié)進(jìn)行"異或"運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果放入這個 16  位寄存器；③把這個 16 寄存器向右移一位；④若向右（標(biāo)記位）移出的數(shù)位是 1，則生成多項(xiàng)式 1010000000000001 和這個寄存器進(jìn)行"異或"運(yùn)算；若向右移出的數(shù)位是 0，則返回③；⑤重復(fù)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(yùn)算；⑦重復(fù) ~ ③⑥，直至該報文所有字節(jié)均與 16 位寄存器進(jìn)行"異或"運(yùn)算，并移位 8 次；⑧這個 16 位寄存器的內(nèi)容即 2  字節(jié) CRC 錯誤校驗(yàn)，被加到報文的最高有效位。

4   上位機(jī)WinCC監(jiān)控畫面設(shè)計(jì) 
    根據(jù)用戶需求以及工程實(shí)際應(yīng)用的考慮， 本系統(tǒng)在上位機(jī)監(jiān)控畫面的組態(tài)上主要考慮到以下幾個原則：監(jiān)控畫面能夠清晰直觀地顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；能夠?qū)ιa(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示；能夠?qū)ιa(chǎn)過程中物料配比數(shù)據(jù)進(jìn)行修改；能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行過程中產(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；具有報表功能，能夠?qū)⒂脩絷P(guān)心的生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動生成個性化報表，并且能夠自動在每班生產(chǎn)結(jié)束之后保存在指定位置，用戶能夠按照指定條件查詢報表數(shù)據(jù)。
    基于以上基本原則和要求，本課題以 WinCC 為開發(fā)平臺，對穩(wěn)定土廠拌站自動控制系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控界面的主畫面如圖 5所示。

     有系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)主畫面主要用來顯示設(shè)備的整體生產(chǎn)流程， 監(jiān)控生產(chǎn)過程中的設(shè)備啟停狀態(tài)、顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報警指示等，并且行模式指示（“手動運(yùn)行”與“自動運(yùn)行”）。
    生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要由幾個部分組成：骨料和粉料的設(shè)定比例、設(shè)定流量；骨料和粉料的實(shí)際比例、實(shí)際流量；設(shè)備的設(shè)定產(chǎn)量、瞬時產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量等。
    在主畫面的底部有一系列按鈕，如“參數(shù)設(shè)定”、“配料設(shè)定”等。點(diǎn)擊按鈕，即可進(jìn)入對應(yīng)的子畫面。