混凝土攪拌站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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【摘要】混凝土在各類基建項(xiàng)目中是最基本的材料，而它的各種指標(biāo)直接影響著工程的質(zhì)量和基建成本。主要利用組態(tài)王設(shè)計(jì)了一種混凝土攪拌站控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)混凝土生產(chǎn)中的配料、輸送、攪拌、卸料等過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，同時(shí)利用組態(tài)王的畫面顯示功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提升了混凝土生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

【關(guān)鍵詞】混凝土攪拌站；配料；組態(tài)王

在各類基建項(xiàng)目中，混凝土得到了普遍的應(yīng)用，產(chǎn)值規(guī)模迅速增長(zhǎng)，它的各種指標(biāo)影響著工程的質(zhì)量和成本［1］。最初，混凝土生產(chǎn)是基于人工的生產(chǎn)，即施工人員將制作混凝土的原材料依次在磅秤上稱量，接著將各種準(zhǔn)備好的原料放入攪拌機(jī)中攪拌，攪拌均勻后才能用于施工。其生產(chǎn)所需原材料的重量能否按照事先確定的比例在較大程度上取決于計(jì)量施工人員的技術(shù)水平及其責(zé)任感。效率低、計(jì)量準(zhǔn)確度方面存在誤差是這種生產(chǎn)方式的主要缺點(diǎn)，這對(duì)建筑物的質(zhì)量和成本會(huì)產(chǎn)生很大的影響。為了滿足施工所需混凝土的各種技術(shù)要求并進(jìn)一步提質(zhì)增效，集中式的混凝土攪拌站應(yīng)運(yùn)而生。攪拌站是對(duì)混凝土的原材料按照一定的比例進(jìn)行配比，再攪拌混合的場(chǎng)所。這種集中式混凝土生產(chǎn)方式，為混凝土攪拌進(jìn)行自動(dòng)化、大規(guī)模生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)條件。混凝土的自動(dòng)化生產(chǎn)需要一個(gè)完善的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)進(jìn)行支撐。過去混凝土攪拌站主要使用繼電器控制，其自動(dòng)化程度較低、工作效率不高［2］。隨著技術(shù)的發(fā)展，混凝土攪拌設(shè)備通過技術(shù)融合具備了可控性；通過對(duì)混凝土攪拌設(shè)備的控制可實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)的自動(dòng)化。如，通過可編程邏輯控制器（PLC，Program⁃mableLogicController）與組態(tài)軟件相結(jié)合，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)的自動(dòng)化控制，因此在技術(shù)上設(shè)計(jì)一個(gè)混凝土攪拌系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟。另外，隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)實(shí)施建設(shè)轉(zhuǎn)向以高速鐵路、軌道交通等新基建項(xiàng)目為主的現(xiàn)狀，也對(duì)混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量和效率提出了更高的要求，研發(fā)兼具精確度和高效率的攪拌站控制系統(tǒng)以提升混凝土生產(chǎn)的自動(dòng)化水平是迫切需要解決的問題。基于以上原因，本文利用組態(tài)王設(shè)計(jì)了一種混凝土攪拌站控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)混凝土生產(chǎn)中的配料、輸送、攪拌、卸料等各個(gè)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，并對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而提升混凝土生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述。系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件作為上位機(jī)，西門子S7-200PLC作為下位機(jī)［3］，模擬混凝土的生產(chǎn)過程。通過設(shè)計(jì)的組態(tài)界面，實(shí)現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)中每個(gè)步驟的協(xié)調(diào)控制，并能對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。PLC和組態(tài)王兩者的結(jié)合可以對(duì)混凝土生產(chǎn)的整個(gè)流程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析匯總，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中不合理的地方并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，從而提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。該控制系統(tǒng)將組態(tài)王作為人機(jī)接口，操作人員利用組態(tài)王發(fā)出控制信號(hào)，通過RS232串口將控制信息傳送到PLC中，PLC通過控制相應(yīng)的繼電器，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的命令。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。1.2混凝土攪拌站生產(chǎn)流程。混凝土是將沙料、石料、水以及添加劑按照比例混合而成的一種混合物，它廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁等各種工程當(dāng)中［4-5］。混凝土攪拌站就是隨著工程對(duì)混凝土質(zhì)量要求不斷升高的條件下而催生出的一種專業(yè)生產(chǎn)混凝土的場(chǎng)所，具體生產(chǎn)流程如圖2所示。

2系統(tǒng)主要部分設(shè)計(jì)

混凝土攪拌站大體上可以分為以下幾個(gè)部分：料斗設(shè)備、攪拌設(shè)備、稱量設(shè)備、傳送設(shè)備以及其他一些相關(guān)的輔助設(shè)備。結(jié)合實(shí)際工作情況將系統(tǒng)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式。（1）手動(dòng)模式。操作人員可以手動(dòng)控制各個(gè)設(shè)備的啟動(dòng)或者停止，實(shí)現(xiàn)配料、傳送、攪拌、卸料等相應(yīng)的功能。（2）自動(dòng)模式。按照生產(chǎn)所需要的混凝土標(biāo)號(hào)，設(shè)置好配方，按下開始按鈕，整個(gè)系統(tǒng)開始運(yùn)行，直至完成整個(gè)生產(chǎn)流程，如圖2所示。2.1傳送控制。在本設(shè)計(jì)中輸送設(shè)備主要有水泵、螺旋輸送機(jī)以及傳送帶，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該合理選用輸送骨料所用的電動(dòng)機(jī)，避免物料過多，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足的情況發(fā)生。同時(shí)使用變頻器控制電機(jī)的運(yùn)行速度，使電機(jī)的運(yùn)行速度可以在高速與低速之間反復(fù)切換，以提高配料的速度和精度。此外，傳送帶的動(dòng)作設(shè)定還應(yīng)注意以下問題：為了避免傳送帶在沙料和石料往傳送帶上卸料時(shí)，物料在傳送帶堆積過多，要讓傳送帶在儲(chǔ)料斗下方閘門打開前一分鐘開始運(yùn)行。在實(shí)際運(yùn)行的過程中為了避免稱重好的物料遺漏在傳送帶上，應(yīng)讓傳送帶電機(jī)多運(yùn)行一段時(shí)間，避免物料遺漏過多影響配料的精確度，進(jìn)而影響混凝土的質(zhì)量。2.2儲(chǔ)料斗卸料控制。儲(chǔ)料斗卸料的控制過程為：骨料通過螺旋輸料機(jī)輸送到儲(chǔ)料斗內(nèi)，在儲(chǔ)料斗下方閘門處設(shè)置重量傳感器，骨料的卸料主要是通過儲(chǔ)料斗下方閘門實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)啟動(dòng)卸料的條件：其一是通過測(cè)量?jī)?chǔ)料斗內(nèi)部物料的實(shí)時(shí)重量，將它和配方所需要的物料重量相減，計(jì)算的重量差等于零時(shí)，閘門打開，儲(chǔ)料斗開始卸料；其二是手動(dòng)卸料，通過按下卸料按鈕，系統(tǒng)執(zhí)行卸料操作。2.3攪拌機(jī)升降控制。在實(shí)際生產(chǎn)中，攪拌機(jī)在高處攪拌物料，在準(zhǔn)備卸料時(shí)，攪拌機(jī)需要先下降，卸料完成后上升。具體的操作是：在攪拌機(jī)上升以及下降的極限位設(shè)計(jì)限位開關(guān)，當(dāng)觸發(fā)開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)將信號(hào)傳遞給控制攪拌機(jī)升降的電機(jī)，進(jìn)而控制電機(jī)的啟動(dòng)或者停止。攪拌機(jī)的升降主要由電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，為了避免電機(jī)的正反轉(zhuǎn)出現(xiàn)干擾，對(duì)電機(jī)采用互鎖的控制方式。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1通信和變量建立。（1）通信建立打開PLC編程軟件，在頁(yè)面左側(cè)找到“系統(tǒng)塊”，點(diǎn)擊“系統(tǒng)塊”找到“通訊端口”，設(shè)定端口的數(shù)值。打開組態(tài)王工程瀏覽器，在頁(yè)面左側(cè)尋找“設(shè)備”，接著在設(shè)備目錄下找到“COM2”，雙擊COM2，進(jìn)行通信設(shè)定，設(shè)定數(shù)值時(shí)必須要與PLC中的設(shè)定保持一致［6］。（2）構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)王的重要組成部分，數(shù)據(jù)庫(kù)中變量的集合稱為數(shù)據(jù)詞典［7］。通過構(gòu)建數(shù)據(jù)詞典，實(shí)現(xiàn)組態(tài)王用戶可將自己所構(gòu)建的組態(tài)模型進(jìn)行仿真測(cè)試，也可以實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊連接。在按照實(shí)際需求定義變量時(shí)，要注意變量的類型以及數(shù)據(jù)類型，避免因數(shù)據(jù)類型錯(cuò)誤影響組態(tài)的正常運(yùn)行。3.2組態(tài)監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)。組態(tài)畫面包括主畫面、配料監(jiān)控畫面、卸料監(jiān)控畫面、配方設(shè)定畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)曲線畫面、歷史曲線畫面。當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者緊急停止時(shí)，相應(yīng)的信號(hào)通過報(bào)警的形式顯示在組態(tài)的報(bào)警界面中，使工作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并對(duì)故障進(jìn)行維修。在設(shè)計(jì)時(shí)，畫面右側(cè)設(shè)置了畫面標(biāo)注，方便切換畫面。（1）主畫面根據(jù)設(shè)計(jì)思路，在利用組態(tài)王仿真畫面時(shí)，添加了運(yùn)行指示燈，顯示各個(gè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在主畫面中設(shè)置一組鈴，用于提醒操作人員。同時(shí)在構(gòu)建畫面時(shí)設(shè)置緊急停止按鈕，可以使整個(gè)系統(tǒng)在故障時(shí)能夠以最快的速度暫停運(yùn)行，進(jìn)而避免重大事故的發(fā)生，從而使系統(tǒng)有更好的人機(jī)交互功能。系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的主畫面如圖3所示。（2）配料監(jiān)控畫面本設(shè)計(jì)中，計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)采用獨(dú)立計(jì)量的方式，即為每一種物料配備單獨(dú)的計(jì)量單元。監(jiān)控畫面包括：骨料稱重監(jiān)控、粉料稱重監(jiān)控和水量計(jì)量監(jiān)控三部分。①骨料稱重監(jiān)控在構(gòu)建組態(tài)畫面時(shí)，為了更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，設(shè)計(jì)時(shí)在儲(chǔ)料斗右側(cè)添加了顯示條，便于觀察料斗內(nèi)部物料的多少，避免骨料過多流出儲(chǔ)料斗，同時(shí)為了監(jiān)測(cè)物料的實(shí)時(shí)重量，畫面中加入了重量顯示屏，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料重量。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，露天存放的砂料以及石料經(jīng)螺旋輸料機(jī)輸送到各自的儲(chǔ)料斗內(nèi)稱量物料重量，待稱重結(jié)束之后，儲(chǔ)料斗下方閘門打開，儲(chǔ)料斗卸料，物料經(jīng)儲(chǔ)料斗下方傳送至攪拌機(jī)內(nèi)。②粉料稱重監(jiān)控在稱量粉料重量的時(shí)候，粉料由鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)經(jīng)螺旋輸料機(jī)輸送到臨時(shí)稱量的儲(chǔ)料斗內(nèi)，開始計(jì)量物料的重量，計(jì)量完成，系統(tǒng)給出反饋信號(hào)，經(jīng)CPU處理后給出啟動(dòng)氣動(dòng)蝶閥信號(hào)，儲(chǔ)料斗下方氣動(dòng)閥門打開，儲(chǔ)料斗內(nèi)的粉料流入攪拌機(jī)。③水量計(jì)量監(jiān)控水泵在控制系統(tǒng)的控制下，將水從水池中泵出，經(jīng)過流量計(jì)計(jì)量水量后經(jīng)水管流入攪拌機(jī)內(nèi)，當(dāng)傳感器計(jì)量到預(yù)設(shè)值時(shí)，水泵停止，電磁閥關(guān)閉，避免計(jì)量好的水回流，影響混凝土的塌落度。（3）卸料監(jiān)控?cái)嚢铏C(jī)攪拌達(dá)到預(yù)定的時(shí)間后，物料攪拌完成，系統(tǒng)給出控制信號(hào)，攪拌機(jī)開始下降，攪拌機(jī)下降到最低位置時(shí)，觸碰到下方的限位開關(guān)，此時(shí)反饋信號(hào)傳遞到CPU，CPU給出控制信號(hào)，控制攪拌升降電機(jī)停止，此時(shí)攪拌機(jī)開始卸料，卸料完成后系統(tǒng)給出反饋信號(hào)，攪拌機(jī)上升，當(dāng)達(dá)到上限位時(shí)停止，準(zhǔn)備下一次生產(chǎn)。（4）報(bào)警畫面在報(bào)警畫面里記錄著報(bào)警具體時(shí)間以及報(bào)警的變量，制作該畫面能讓運(yùn)行人員及時(shí)收集到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)某個(gè)變量的運(yùn)行數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的值偏差較大，超出預(yù)先設(shè)定的范圍時(shí)，系統(tǒng)給出報(bào)警信號(hào)，方便運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，準(zhǔn)確快速地找到故障原因、方便維修。（5）曲線畫面曲線畫面主要包括實(shí)時(shí)曲線畫面和歷史曲線畫面。實(shí)時(shí)計(jì)量曲線畫面，主要顯示混凝土各種原料重量的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)；歷史計(jì)量曲線畫面，主要顯示混凝土的各種原材料重量在整個(gè)生產(chǎn)過程中的變化趨勢(shì)。為了區(qū)分曲線的類型，在構(gòu)建曲線畫面時(shí)，在曲線右側(cè)標(biāo)注曲線所對(duì)應(yīng)的變量，同時(shí)不同的曲線使用不同的顏色，方便操作人員區(qū)分。構(gòu)建好組態(tài)畫面之后，對(duì)各個(gè)模塊設(shè)置動(dòng)畫連接并編寫命令語(yǔ)言，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)畫面運(yùn)行。

4系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)試

將PLC與組態(tài)王通過RS232通訊串口連接起來(lái)，將梯形圖程序下載到PLC中，打開“混凝土攪拌站控制系統(tǒng)”主畫面，具體實(shí)現(xiàn)功能運(yùn)行如下。攪拌站按照事先定好的配方開始生產(chǎn)混凝土?xí)r，將生產(chǎn)所需要的水、水泥、添加劑輸送到攪拌機(jī)中，攪拌機(jī)開始攪拌，使生產(chǎn)混凝土的原材料均勻混合在一起，在攪拌機(jī)的另外一邊，黃沙和石子由運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)送到對(duì)應(yīng)的料斗內(nèi)，由料斗下部的稱重傳感器監(jiān)視物料的重量，稱重沙石重量時(shí)，控制系統(tǒng)分別控制兩個(gè)輸送機(jī)構(gòu)輸送物料，并利用變頻器控制傳送物料速度的快慢，從而降低計(jì)量時(shí)間和提高稱重的準(zhǔn)確度。待其達(dá)到規(guī)定好的重量后，對(duì)應(yīng)料斗的閥門開啟，石子和黃沙將會(huì)一起卸到傳送帶上，通過傳送帶將種原材料輸送到攪拌機(jī)里，從一開始，攪拌機(jī)就處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。攪拌到達(dá)規(guī)定的時(shí)間后，將混凝土卸到事先準(zhǔn)備好的運(yùn)輸設(shè)備中，適當(dāng)增加卸料的時(shí)間，確保卸完攪拌好的混凝土，卸料完成后，一次循環(huán)結(jié)束，準(zhǔn)備開始下一次生產(chǎn)。

5結(jié)語(yǔ)

本文基于組態(tài)王設(shè)計(jì)了一個(gè)混凝土攪拌站控制系統(tǒng)，并且利用組態(tài)王建立了仿真工程，將混凝土的生產(chǎn)過程以圖形化的界面進(jìn)行展現(xiàn)和實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)通過組態(tài)王的人機(jī)接口，代替了過去復(fù)雜的儀表及操作按鈕，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。同時(shí)該系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求，彈性修改配方，進(jìn)行配方參數(shù)設(shè)置，有效地解決了人工操作效率低、配料精度低等問題。通過該控制系統(tǒng)，操作人員還可以利用組態(tài)王提供的數(shù)據(jù)信息做到邊生產(chǎn)、邊調(diào)整，提高了生產(chǎn)效率。實(shí)踐證明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、故障率低、人機(jī)界面友好，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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作者:歐美英 蘇學(xué)祥 葛浩 谷勝偉 李玲純 單位:滁州學(xué)院