0引言

隨著社會經濟的發展和技術的不斷進步，混凝土的需求量越來越大，質量要求也越來越高，提高混凝土的質量和產量已經十分必要。自動控製的混凝土攪拌站具有產品質量優良、生產效率高、環保性能好等特點，正在成為混凝土生產的主流，這使得混凝土配料控製係統的重要性日益增強[1-7]。本文采用性能穩定的PLC、組態軟件MCGS和高精度稱重儀表設計混凝土自動配料控製係統，該係統可以實現從配料計量，攪拌，到出料生產全過程的自動化、智能化，同時還有對數據進行瀏覽、查詢、統計、打印等一係列管理功能。

1係統設計

混凝土配料共有8個料鬥，分別裝有4種石料、兩種水泥、添加劑和水。每個料鬥各配有一台稱重儀表，分別對每種物料的下料量進行實時采集，將重量傳輸至T控機，根據與設定參數的比對，通過PLC實現對電機、閥門的控製。上位機對各種工藝參數進行實時監控，包括設定值的給定、提前量、累積量等。

係統上位機采用組態軟件MCGS，主要完成對重量數據的處理和PLC進行通訊、實時監控、數據的儲存[8-10]。完成對物料的控製、畫麵的動感效果，數據的存儲是主要解決的技術問題。

PLC作為下位機，采用Windows操作係統下的STEP7編程軟件進行程序的在線或離線檢查、調試、監控等操作，以方便可靠地實現對現場設備的控製。由於混凝土攪拌設備需要連續地生產，且各個動作之間有著嚴格的順序限製，因此采用順序控製、經驗控製和步進控製相結合，軟件設計包括初始化程序、主程序、子程序、中斷程序、故障應急措施和輔助程序的設計。

2係統硬件設計

本文設計的混凝土配料控製係統硬件組成如圖1所示，具體組成如下：

(1)上位機采用研華IPC，其機箱采用全鋼結構具有抗衝擊、抗振動、抗電磁幹擾等作用，內置專用電源具有較強的抗幹擾能力，采用底板+CPU卡結構，具有很強的可擴展性。

(2)PLC選用西門子公司的S7-200，它指令豐富，執行速度快，調試和故障診斷方便，具有靈活的終端及強大的通信功能，此外豐富的各種擴展模塊能夠滿足不同用戶的需求。同時提供了先進的編程特性，易於組態，便於安裝，能方便地取代簡便的繼電器及複雜的中型自動化應用係統。與上位機之間采用PPI通訊協議，可以方便有效地進行數據傳輸。

(3)稱重儀表采用科豐XK3201，該儀表具有密封好、體積小、功耗低、安裝方便、操作簡單等特點。在高溫T作幹擾大和高頻率開關動作等惡劣環境條件下，並且具有很強的適應性。與上位機之間采用MODBUS主從方式網絡通訊協議，通過稱重傳感器實時采集物料重量並經過處理後傳輸至上位機，具有稱量精度高、可靠性好等特點。

3係統軟件設計

3.1上位機監控軟件設計

監控軟件主要由以下模塊組成：

(1)通訊模塊：上位機完成與稱重儀表和PLC的通訊，實現數據交互。

(2)配方管理模塊：任意添加或修改配方。通過預存大量生產配方，使得用戶不需要輸入操作隻需要選中配方即可。

(3)報警管理模塊：對報警的情況進行分類並采用彈出框或警示燈閃爍提醒操作員及時處理。

(4)數據管理模塊：實現對數據的輸入及查詢、曆史數據的存儲以及報表的預覽和打印。

(5)動畫顯示模塊：實現生產過程的動畫效果，提高生產各環節的管理。

(6)係統管理模塊：管理用戶名、密碼、權限和用戶幫助等。用戶隻有在登錄界麵輸入正確的用戶名和密碼才能實現遠程監控，同時會記錄操控人員信息，做到責任到人。

3.2通信功能的實現

上位機與PLC之間采用PPI通信協議，采用主從式的通訊方式，上位機發出讀寫指令，PLC接收並作出正確的響應（返回應答數據E5H或F9H），上位機接到此響應則發出確認命令(10025CSE16)，PLC再返回給上位機相應的數據[11-12]。

其中，數據長度為白DA至DU的數據長度；開始符為68H；讀、寫的功能碼分別為6CH、7CH；結束符為16H。

上位機與稱重儀表之間采用MODBUS通信協議[13-14]，模式采用RTU方式，由8個字節組成。

其中，設備地址：本係統設備地址為1到8。功能碼：科豐儀表支持“03H”、“06H”、“1OH”3種功能，本係統采用03H隻讀功能。

3.3界麵的設計

采用麵向T作流程的設計方法，可以設計出可靠美觀的圖形界麵以滿足現場生產的需求，使現場設備在監控畫麵中真實生動地體現。本係統人機界麵如圖2所示。在上位機上不僅可以實現係統各項參數的顯示，還可以動態顯示各個設備的運行狀態。通過上位機上的軟按鈕可以遠程控製閥門、水泵、攪拌機等設備的開啟與關閉。

3.4功能的實現

加料控製是整個係統控製中最重要一個環節，由上位機和PLC共同完成。在整個加料過程中，采用初期的快加料和後期的慢加料兩步給料，從而減小由於大衝量而引起的落料誤差。在停止給料後，物料本身的屬性、閥門或電機轉速等因素將是影響最終稱量精度的直接原因[15]。通過對過去的落料誤差分析處理，預測未來的誤差並進行提前補償，使實際稱量值在設定值上下很小範圍內波動，且稱量次數越多時間越長，實際值越趨於設定值。

加料具體控製算法如圖3所示，當第n次稱量結束時：

(l)本次誤差Wn不大於上次Wn-1，則提前量μ不變；

(2)本次誤差Wn大於上次Wn-1，則要變更提前量μ。如果最近m次平均稱量值大於設定值，取差值平均後作為補償值△μn+l減小提前量。如果最近m次平均稱量值小於設定值，取差值平均後作為補償值△μn+l增大提前量。

3.5PLC控製功能軟件設計

PLC程序主要包括兩部分：主任務和中斷任務。主任務包括主程序081和子程序FBI、FB2等多個功能塊，在主程序中不斷地調用子程序完成控製任務。主程序決定整個程序從開始到結束的每個時刻的任務，子程序主要包括對各個電機、閥門的控製等。中斷主要是處理故障檢測點的應急情況，一旦發生故障立即中斷配料過程並發出警報。

整個過程中PLC采集行程開關和控製按鈕等提供的開關量信號以及接收來自工控機的控製命令，並對此進行處理後，輸出對電磁閥、電動機等各個執行機構的控製信號。

4結束語

該混凝土配料控製係統充分利用了PLC具有可靠性高、功能完善、產品標準化以及編程簡單直觀等優點，能夠有效彌補繼電器控製和單片機控製在可靠性方麵的缺陷，與T控機配合易於實現操作與管理。同時自動配料控製係統配料均勻，運行穩定可靠。變速給料結合高精度電子稱量，實現了高精度自動配料，達到全自動控製，大大提高了生產效率，降低了操作人員的勞動強度，節約了勞動成本，具有良好的經濟效益。

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