摘 要： 通過對(duì)混凝土攪拌站系統(tǒng)的研究，采用以PLC為下位機(jī)、以工控機(jī)為上位機(jī)的混凝土攪拌站自動(dòng)控制方式。系統(tǒng)以PLC為控制核心，WinCC為上位機(jī)的監(jiān)控軟件。通過應(yīng)用PC Access軟件成功實(shí)現(xiàn)了WinCC 與PLC之間的通信，從而使得WinCC組態(tài)的流程畫面可以真實(shí)有效地反映出混凝土攪拌站的工作狀況。詳細(xì)闡述了PLC模塊選擇、系統(tǒng)控制方案和WinCC的畫面組態(tài)。該系統(tǒng)具有生產(chǎn)效率高、工作性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，在試驗(yàn)運(yùn)行過程中取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞： PLC； 攪拌站； WinCC； PC Access； 通信
混凝土攪拌站最初是以單機(jī)的形式出現(xiàn)，各工地自拌自用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，高可靠性、高自動(dòng)化的控制系統(tǒng)便成了混凝土攪拌站的發(fā)展方向[1]。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，攪拌站自動(dòng)控制系統(tǒng)的性價(jià)比也與企業(yè)的生存緊密地聯(lián)系在一起。因此，研究一種低成本、高可靠性的攪拌站自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有極為廣闊的市場(chǎng)前景。
1 系統(tǒng)控制方式選擇
混凝土攪拌站主要由攪拌主機(jī)、物料稱量系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、物料貯存系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，是一個(gè)受多環(huán)節(jié)制約的復(fù)雜系統(tǒng)。常見的混凝土攪拌站控制方式有3種，分別是繼電器直接控制方式、“工控機(jī)+智能板卡”方式以及“ 工控機(jī)+PLC”方式[2]。本文采用第3種控制方式，以PLC為下位機(jī)，以工控機(jī)為上位機(jī)。PLC負(fù)責(zé)控制配料及生產(chǎn)動(dòng)作全過程，工控機(jī)上強(qiáng)大的組態(tài)軟件可以下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)至PLC，顯示生產(chǎn)動(dòng)畫流程，記錄存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，打印報(bào)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2 PLC控制設(shè)計(jì)
2.1 PLC模塊的選擇
選擇PLC模塊時(shí)，應(yīng)對(duì)混泥土攪拌站的生產(chǎn)流程有所認(rèn)識(shí)，進(jìn)而確定所需I/O點(diǎn)數(shù)。系統(tǒng)以3種骨料、3種水泥、1種粉料、1種添加劑和水作為標(biāo)準(zhǔn)配制為例，其工藝流程如圖1所示[3]。
PLC選用西門子公司的S7-200 PLC, 它指令豐富,執(zhí)行速度快, 調(diào)試和故障診斷方便, 具有靈活的中斷和強(qiáng)大的通信功能[4]。
系統(tǒng)模擬輸入量包括砂石、水泥、粉煤灰、水、外加劑等重量。開關(guān)輸入量包括攪拌機(jī)開、半開和關(guān)、水稱量限位、斜皮帶和平皮帶運(yùn)行、手動(dòng)/自動(dòng)、PLC收到的計(jì)量開始和卸料的命令等數(shù)字開關(guān)量等。開關(guān)量輸出包括各骨料門給料、各螺旋機(jī)的開關(guān)、水計(jì)量泵、外加劑量泵、各秤斗開門、攪拌機(jī)門開關(guān)等[5]。
根據(jù)整個(gè)攪拌站的工藝流程及實(shí)際需要, 最終確定本系統(tǒng)需要配置的I/O點(diǎn)為34個(gè)數(shù)字量輸入和32個(gè)數(shù)字量輸出,9個(gè)模擬量輸入。 考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展, 留有少量冗余, 因此配置了如下的模塊：①3個(gè)模擬量輸入模塊EM 231 (4輸入)；②1個(gè)CPU224XP(14輸入/10繼電器輸出)；③2個(gè)EM223(16點(diǎn)24VDC輸入/16 V繼電器輸出)。
2.2系統(tǒng)控制方案
PLC 程序設(shè)計(jì)的總體思路是程序能使混凝土攪拌站的生產(chǎn)流程按照要求進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作。以下是整個(gè)控制系統(tǒng)的幾處關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)。
自動(dòng)/手動(dòng)程序設(shè)計(jì)：控制系統(tǒng)具備自動(dòng)、手動(dòng)兩種工作模式, 且兩者間的關(guān)系是彼此獨(dú)立又相互制約的。進(jìn)入自動(dòng)模式，PLC依據(jù)已經(jīng)編寫好的程序自動(dòng)控制混凝土的生產(chǎn)。進(jìn)入手動(dòng)模式則可對(duì)PLC程序進(jìn)行分段操作，便于設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試和日常維護(hù)。
(1)配料控制程序設(shè)計(jì)：配料過程控制是混凝土生產(chǎn)的核心部分，其配料精度的高低直接決定了混凝土品質(zhì)的好壞，這里以骨料的配料過程為例。在骨料的稱重計(jì)量剛開始時(shí)，大小門同時(shí)打開，進(jìn)行快速配料。當(dāng)稱重傳感器測(cè)得的重量為配方設(shè)定值的80%時(shí)，關(guān)閉大門，只開小門進(jìn)行慢速精確配料，從而實(shí)現(xiàn)稱量時(shí)間的減少和稱量精度的提高。為了提高攪拌站的生產(chǎn)效率，一般在攪拌機(jī)進(jìn)行混凝土攪拌時(shí)，下一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)的骨料、粉料等的稱重計(jì)量同時(shí)進(jìn)行。
(3)斷電保護(hù)程序設(shè)計(jì)：由于混凝土攪拌站的工作流程是連續(xù)循環(huán)進(jìn)行的，因此遇到斷電情況后再起動(dòng)必須仍然恢復(fù)斷電前的狀態(tài)。程序設(shè)計(jì)選擇具有斷電保護(hù)的內(nèi)部輔助保持繼電器和數(shù)據(jù)，將氣缸、電磁閥或電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行保存，實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)。
(4)故障自動(dòng)報(bào)警設(shè)計(jì)：為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行, 設(shè)計(jì)了故障自動(dòng)報(bào)警程序。利用PLC通過設(shè)備上安裝的限位開關(guān)和傳感器對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，產(chǎn)生故障碼輸出和聲光報(bào)警。通過PLC 與上位機(jī)通信，上位機(jī)的WinCC監(jiān)控畫面可以同時(shí)顯示出故障點(diǎn)和故障原因，利于迅速、及時(shí)地排除故障，恢復(fù)程序的運(yùn)行。
3上位機(jī)畫面組態(tài)
3.1上下位機(jī)通信
本文中采用的是S7-200系列PLC，因此選用最常見的PPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。但是由于WinCC不能直接監(jiān)控S7-200系列PLC組成的控制系統(tǒng)，因此必須應(yīng)用S7-200 OPC Server接口軟件來實(shí)現(xiàn)PLC與WinCC之間的通信。
PC Access軟件是專門用于S7-200 OPC Server軟件，其使用一般包括建立與PLC的連接、建立項(xiàng)目和將項(xiàng)目導(dǎo)入WinCC三大部分[6]。
首先，建立PC Access與PLC的連接。打開PC Access界面，鼠標(biāo)右擊MicroWin，對(duì)PG/PC接口進(jìn)行設(shè)置，選擇PPI。
然后，在PC Access界面建立項(xiàng)目。打開菜單欄中的“文件”，左鍵點(diǎn)擊“輸入符號(hào)”，將已經(jīng)編寫好的PLC程序?qū)?。在右?cè)的數(shù)據(jù)窗口中創(chuàng)建新項(xiàng)目，并依據(jù)PLC程序填寫其“地址”和“數(shù)據(jù)類型”，如1號(hào)骨料倉(cāng)小門地址為“Q0.0”，數(shù)據(jù)類型為“BOOL”。
最后，將PC Access界面中建立的項(xiàng)目變量導(dǎo)入WinCC中，如圖2所示。
3.2流程畫面組態(tài)
組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA的軟件平臺(tái)工具，是工業(yè)應(yīng)用軟件的一個(gè)組成部分。它具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目，使用靈活，功能強(qiáng)大[7]。
WinCC項(xiàng)目一般包含流程畫面、報(bào)警畫面、配方畫面、參數(shù)畫面及報(bào)表畫面，其流程畫面組態(tài)最為主要[8]。WinCC中的“全局庫(kù)”具有非常豐富的圖形模塊，依據(jù)混凝土的實(shí)際生產(chǎn)流程從中選擇所需的料倉(cāng)、料斗、螺旋機(jī)等圖形進(jìn)行生產(chǎn)流程畫面的組態(tài)仿真，如圖3所示。
流程畫面中有兩排“輸入/輸出域”，上排的“輸入/輸出域”顯示配方管理中所設(shè)定骨料、水泥等物料的重量；下排的“輸入/輸出域”顯示經(jīng)水泥稱、水稱、骨料稱等稱量后的物料重量，是物料實(shí)時(shí)重量的顯示。
狀態(tài)顯示對(duì)象可以定義某一變量為不同值時(shí)顯示不同的圖形對(duì)象，這里以1號(hào)骨料倉(cāng)大門為例加以說明。在PLC中已經(jīng)定義1號(hào)骨料倉(cāng)大門的地址位是Q0.3，當(dāng)Q0.3值為“0”時(shí)，1號(hào)骨料倉(cāng)大門的狀態(tài)為關(guān)閉，倉(cāng)門的圖形顏色為紅色；當(dāng)Q0.3值為“1”時(shí)，1號(hào)骨料倉(cāng)大門的狀態(tài)為打開，其所對(duì)應(yīng)的倉(cāng)門圖形顏色由紅色變?yōu)榫G色，并且其位置大小發(fā)生變化。
為了實(shí)現(xiàn)攪拌機(jī)扇葉的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，這里首先用CAD繪畫出3張不同位置的扇葉畫面。然后在WinCC智能對(duì)象欄選擇“圖形對(duì)象”，對(duì)其進(jìn)行組態(tài)，將3張CAD圖片分別導(dǎo)入其中。打開“狀態(tài)顯示”進(jìn)行組態(tài)，0、1、2這3種狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)扇葉的3種位置的基本畫面，連接變量如“開始攪拌”并定義變量更新時(shí)間周期。在“狀態(tài)顯示”的事件狀態(tài)中對(duì)其當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行c動(dòng)作編寫，實(shí)現(xiàn)攪拌機(jī)扇葉在變量“開始攪拌”數(shù)值為0、1、2時(shí)的畫面切換，腳本如下：
#include "apdefap.h"
voidOnPropertyChanged(char*lpszPictureName,char*lpsz-
ObjectName,char*lpszPropertyName,long value)
{
static int a=0;
if (GetTagBit("開始攪拌"))
a=GetTagWord("開始攪拌");
{if(a<2)
{
a=a+1;
SetTagWord("開始攪拌",a);
}
else
{
SetTagWord("開始攪拌",0);
}
}
if (!GetTagBit("開始攪拌"))
{
a=0;
SetTagWord("開始攪拌",0);
}
}
本文以PLC為下位機(jī)控制系統(tǒng)配料過程,應(yīng)用 WinCC 組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土攪拌站生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、故障報(bào)警、配方管理等功能。通過上位機(jī)良好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程操作,操作人員可實(shí)時(shí)處理現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問題，為混凝土的品質(zhì)提供了保證,并提高了混凝土的生產(chǎn)效率。
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