基于PLC和组态软件的搅拌站控制系统

摘 要：本文介绍一种全新的以组态软件开发的混凝土搅拌站自动化控制系统，此系统以工控机为上位机，PLC为下位机，基于Windows98/NT操作平台，提供一种实用的混凝土搅拌站自动化控制系统方案。
   关键词：搅拌站 组态软件 PLC 数据采集与统计
   1．引言
         随着现代化城市建设的不断发展，基础建设，房地产业日益红火，对建设项目的质量要求也越来越高，而高质量的建材则是整个工程高质量的保障。那种传统的以工地自行生产混凝土的方式由于其质量难以保证，噪声及粉尘污染大。因而必将被自动控制的混凝土搅拌站取代。自动控制的混凝土搅拌站具有产品质量优良、生产效率高、环保性能好等特点，正在成为混凝土生产的主流。
       本控制系统稳定、可靠。它可以按照设定的配方，自动、连续的控制各部分物料的计量、投料、搅拌和出料。同时本系统还有对数据进行浏览、查询、统计、打印等一系列管理功能。另外，通过除n取余震荡曲线法对落差进行自动修正，准确的控制了精度问题。
   2.系统结构
   2.1 硬件结构
   　　控制系统采用上位机和下位机组成，系统硬件结构如图a所示。
   

         由于系统对运行速度、灵敏度、稳定性及防尘抗震抗噪音等方面的要求，上位机选用研祥IPC-810P/FSC-1621VD工控机作为上位机，它具有比普通PC机更强的I/O扩展功能，内置8MB独立显存支持3D图形加速，这样能直观的监控现场，板上带有ISA总线高驱动，最大驱动能力高达64mA,具有串口15000V静电保护功能。在此工控机上可完成组态软件的设计和开发、PLC程序的开发以及将软件通过串口传送至PLC的CPU单元。
         下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器OMRON CQM1HPLC实现搅拌站参数的采集和控制。OMRON PLC是由电源、中央处理器和I/O元件组成的严密高速的程序控制器.由于机械控制不断需要更先进的的功能和处理速度，本系统采用CQM1H就是这样一种功能完善的紧凑型PLC，它提供附加值机器控制，具有通过各种高级内装板进行升级能力。大程序容量和存储单位。另CPU单元带RS-232C接口，可实现适时数据采集，数据再通过上位机程序处理。
   
   　　由于系统在满足全自动生产的同时，还必须有手动操作功能，所以应该配置重量仪表和动力柜。重量仪表采用天衡富中的WC——-2000C重量显示器，是由单片微机控制，集称重、定值、控制于一体的智能化仪表。由于采用了高集成度集成电路，使电路更为简洁，可靠性更高。并在线路中加进了独特的抗干扰措施。使仪器能在恶劣的现场环境中稳定、可靠地使用。其仪表操作简单、计量准确。除添加剂精确到0.01kg外，其它仪表精度是1kg。
       动力控制部分通常由断路器（空气开关）、交流接触器、控制变压器、中间继电器等组成。断路器与交流接触器构成的主回路如图b所示。断路器具有短路和过载保护功能，接触器只是大功率的开关，可直接驱动电机和其他电器。控制变压器提供二次回路（控制回路）所需的各种隔离电源,例如：220V、24V等。中间继电器是弱电系统（计算机系统）或主令电器的控制对象，其作用既起到弱电与强电之间的电气隔离作用，又扩大了控制功率和控制信号。示意图：
   
   2.2 软件结构

       工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包，组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。北京世纪长秋科技有限公司开发的CenturyStar5.0是运行在Window98/NT上的一种组态软件，由工程浏览器CSMaker和画面运行系统CSViewer两部分组成。CSMaker是世纪星软件的核心部分和管理开发系统,它的功能是建立动画显示窗口。
       通过它提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史趋势图和报警记录显示。CSViewer是显示CSMaker中建立的图形窗口的运行环境。在搅拌站控制系统中，控制软件的结构如图c,上位机采用Omronhj.dll驱动程序与PLC进行通信，通过串口访问相应的寄存器，以获取搅拌站现场各设备参数的实际值或对现场的开关量和模拟量如各控制阀门的开度进行控制。本系统中将PLC的DM0～DM100设置为可读写区，即上位机可对下位机该区域进行读写操作；将DM101～DM399设置为只读区，即上位机只能读出下位机该区域的值而不能改变
   

   　　搅拌站控制系统上位机的组态软件基本实现了搅拌站测控的要求。简洁且形象的模拟了搅拌站的现场工艺流程，操作人员能在控制室的计算机屏幕上了解搅拌站的全部运行状况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在控制室实现对配方参数和含水率的修改，所有的自动与半自动之间的切换都是无扰切换。每个控制按钮和每个自动与半自动切换按钮都有进一步的确认或取消，防止误操作。
         搅拌站控制系统下位机是PLC控制器，系统采用模块化设计，由A/D数据处理、控制参数处理、输入输出控制配料过程控制、投料过程控制、搅拌运行控制、上位机点动控制等程序模块组成，程序是用梯形图直接编写。在程序框架允许的范围内，可以任意增加配料品种或设置投料顺序。比如：骨料先投到中间斗后，再与粉料、水先后顺序投到搅拌机内开始搅拌。本系统同时把投料时序做成窗口，让用户可以适时修改。
   
   3. 数据库结构

       由于上位机软件基于Windows98/NT平台,全中文浏览界面，采用事件驱动技术.所以数据库程序设计可利用组态开放的程序接口，通过API（动态连接库）记录数据，也可存放到Acess中,记录有客户信息、工程名称、合同编号等，备浏览查询用，利用VB编一访问程序来对及时记录的数据进行处理，这样可实现数据的统计管理。具体功能如下：
   .配方管理:可设定和管理多达一千种以上个配方,并设密码防止误修改和删除.
   .工程管理:可按配比编号、合同编号、工程名称、施工单位分别管理,亦可按车号、工号进行统计.
   .打印报表:打印报表根据实际需要可随意选择打印、不打印，也可选择何种打印方法。
   
4.控制系统实现的主要功能
       1）显示功能：工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等显示、画面调用等功能；
     2）报警处理和报表生成功能：故障发生时有适时报警功能，系统输出的报表可按时间、配比号、工程名称、施工单位等可选择的输出报表。
     3）数据库存储与访问：实现Access历史数据库在每次系统运行时的自动创建并按秒级记录，现场数据的存储，；
     4）画面系统对控制参数、系统标定进行修改与储存，能实现监控系统自动/半自动/手动操作模式间的无扰切换；
     5）管理权限：实现不同级别的系统管理权限，系统操作员可以对配方进行输入和修改，具有权限的工程师可以根据实际情况对控制软件和下位机软件进行修改。
   5.其它技术措施
   5.1 增强可靠性的措施
   为了提高系统的可靠性,在设计中采取了如下措施:
.PLC采用单独供电且接地线单独接地.
.工控机和弱电部分供电通过在线式500W UPS,既净化了弱电供电电源,又可保证工控机不会因为突然掉电而丢失数据.
.要求整个系统接地电阻小于1Ω.
.工控机和重量仪表中控制输出及报警输入全部采用光电隔离技术,有效防止外部干扰信号进入.
.交流接触器全部安装阻容吸收.
.中间继电器线包全部安装二极管吸收回路.
.各种弱电传输电缆全部采用屏蔽线,并且屏蔽层单端接地.
   5.2提高精度与生产效率的措施
   　　采用除n取余震荡曲线法对落差跟踪式调整,在生产过程中可以自动修正,亦可设固定落差.这样能保证骨料误差在±2%以内,而其它粉料在±1%内.通过对数据的预先处理,在连续生产中可提前称料来提高效率.
另采取一些其它的方法:
.对水泥、粉煤灰采用变速给料来减少冲量影响.称量时,先高速给料,达到设定值的90%左右后自动变为低速配料,实现精称.
.对骨料（石、砂）采用双料仓和逐次逼近的精称方法.粗称时两仓全开,快速达到关门值（配方值-落差）后关闭出料门,稳定后根据与配方值的差距量自动计算出脉冲补料时 间,然后仅开精出料门,一般经过1-2次补料就能完成精称配料.
.对水采用粗、细管加水方案,实现流量精称.
         通过以上技术措施,不但提高了称量精度,而且保证了生产效率.
   6.结束语
   　　本文研究的基于PLC和组态软件的搅拌站控制系统利用了ＰＬＣ抗干扰能力强，适用于工业现场的特点,又利用了组态软件强大数据处理和图形表现的能力，融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术，具有可靠性高、操作简单、维护容易等特点。目前该系统已经成功的在已装机30多套，在北京、上海、杭州、重庆、海南三亚、新疆哈密等各大城市搅拌站使用，到目前已累计生产200多万立方商品混凝土，效果良好，对搅拌站的运行效率乃至整个建筑行业混凝土开展具有重要意义，同时极大得提高了自动化水平，降低了工人的劳动强度。