穩(wěn)定土廠拌站自動(dòng)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(duì)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(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)目前穩(wěn)定土廠拌站自動(dòng)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(duì)象的實(shí)際工程需求， 本文展開了對(duì)穩(wěn)定土廠拌站自動(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)，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(hào)和速度信號(hào)，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(chǔ)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(hào)和給料機(jī)的速度信號(hào)，輸入至控制系統(tǒng)。

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

穩(wěn)定土廠拌站自動(dòng)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(gè)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(hào)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(hào)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(jī)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(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(hào)，該信號(hào)輸入到 PLC 的模擬量模塊，用于程序的計(jì)算處理。六臺(tái)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(tái)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(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(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)定與顯示，同時(shí)也可以對(duì) PLC 發(fā)送相關(guān)指令。上位機(jī)的數(shù)據(jù)報(bào)表功能可以實(shí)時(shí)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(bào)表，自動(dòng)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(shí)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(shí)間。同時(shí)，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(duì)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(dòng)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(duì)穩(wěn)定土廠拌設(shè)備的啟?？刂?、各種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(hào)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(dòng)控制和手動(dòng)控制。在手動(dòng)控制模式下，廠拌站操作手可以控制各個(gè)機(jī)電設(shè)備的啟停，可以手動(dòng)調(diào)整各個(gè)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(dòng)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(dòng)控制和自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)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(yùn)行， 防止當(dāng)啟動(dòng)物料配送時(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)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(gè)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(bào)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(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，操作者可以通過自動(dòng)或手動(dòng)的方式來啟動(dòng)后續(xù)流程設(shè)備。在生產(chǎn)流程中自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的主要區(qū)別在于： 自動(dòng)控制過程中五種骨料和粉料的配料變頻器由程序自動(dòng)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(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(diào)節(jié)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(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(dòng)。

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(duì)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(gè)時(shí)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(gè)時(shí)間期限，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行到所設(shè)置的時(shí)間之后，控制系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)鎖死，無法進(jìn)行正常操作。當(dāng)收回全部貨款之后，輸出時(shí)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(shí)時(shí)鐘。將所讀取的實(shí)時(shí)時(shí)鐘與設(shè)置的時(shí)間密碼進(jìn)行比較，即可得到設(shè)置時(shí)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(duì)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(gè)字符時(shí)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(tái)變頻器，在其參數(shù)設(shè)置中將其地址設(shè)為 1-6號(hào)。PLC 與變頻器之間的通訊是一個(gè)“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(gè)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(duì)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(gè) 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(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(biāo)記位）移出的數(shù)位是 1，則生成多項(xiàng)式 1010000000000001 和這個(gè)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(bào)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(gè) 16 位寄存器的內(nèi)容即 2 字節(jié) CRC 錯(cuò)誤校驗(yàn)，被加到報(bào)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(gè)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(shí)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(bào)警信息進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，可以進(jìn)行報(bào)警歷史記錄進(jìn)行查詢；具有報(bào)表功能，能夠?qū)⒂脩絷P(guān)心的生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成個(gè)性化報(bào)表，并且能夠自動(dòng)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(bào)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(tái)，對(duì)穩(wěn)定土廠拌站自動(dòng)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(bào)警指示等，并且行模式指示（“手動(dòng)運(yùn)行”與“自動(dòng)運(yùn)行”）。
生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要由幾個(gè)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(shí)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(duì)應(yīng)的子畫面。