歐美英 蘇學(xué)祥 葛浩 谷勝偉 李玲純

【摘? ?要】? ?混凝土在各類基建項目中是最基本的需求，而它的各種指標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)計了一種混凝土攪拌站控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對混凝土生產(chǎn)中的配料、輸送、攪拌、卸料等各個過程實現(xiàn)自動化控制，同時利用組態(tài)王的畫面顯示功能，實現(xiàn)了系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，進而提升混凝土生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

【關(guān)鍵詞】? ?混凝土攪拌站;配料;組態(tài)王

Design of Control System of Concrete Mixing Plant Based on KingView

Ou Meiying? Su xuexiang? Ge Hao? Gu Shengwei? Li Lingchun

（Chuzhou University， Anhui Chuzhou 239000）

【Abstract】 Concrete is the most basic demand in all kinds of infrastructure projects， and its various indicators directly affect the quality of the project and the cost of infrastructure construction. In this paper， a concrete batching plant control system is designed based on KingView. The system can realize the automatic control of batching， conveying， mixing， unloading and other processes in concrete production. At the same time， using the screen display function of Kingview， the real-time monitoring of system operation status is realized， and the quality and efficiency of concrete production are improved.

【Keyword】 Concrete mixing plant; Batching; KingView

〔中圖分類號〕? TP278 ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）01- 0000 - 00

0?   ?引言

在各類基建項目中，混凝土得到了普遍的應(yīng)用，產(chǎn)值規(guī)模迅速膨脹，但它的各種指標影響著工程的質(zhì)量和成本[1]。最初，混凝土生產(chǎn)是基于人工的，即施工人員將制作混凝土的原材料依次在磅秤上稱量，接著將各種準備好的原料放入攪拌機中攪拌，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量施工人員的技術(shù)水平以及其的責(zé)任感。效率不高以及計量準確度方面存在誤差是這種生產(chǎn)方式的主要缺點，這些缺點對建筑物的質(zhì)量和成本產(chǎn)生了很大的影響。

為了在滿足施工所需混凝土的各種技術(shù)要求下進一步的提質(zhì)增效，集中式的混凝土攪拌站應(yīng)運而生。攪拌站是對混凝土的原材料按照一定的比例進行配比，再攪拌混合的場所。這種集中式的混凝土生產(chǎn)方式，為在混凝土攪拌進行自動化、大規(guī)模生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)條件。混凝土的自動化生產(chǎn)需要一個完善的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)進行支撐。

過去混凝土攪拌站主要使用繼電器控制，其自動化程度較低，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;通過對混凝土攪拌設(shè)備的控制可實現(xiàn)混凝土生產(chǎn)的自動化。如，通過可編程邏輯控制器（PLC， Programmable Logic Controller）與組態(tài)軟件相結(jié)合，對整個生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)的自動化控制，因此在技術(shù)上設(shè)計一個混凝土攪拌系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟。另外，隨著國家對基礎(chǔ)實施建設(shè)轉(zhuǎn)向以高速鐵路、軌道交通等新基建項目為主的現(xiàn)狀，也對混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量和效率提出了更高的要求，研發(fā)出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)的自動化水平是迫切需要解決的問題?；谝陨显?，本文利用組態(tài)王設(shè)計了一種混凝土攪拌站控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對混凝土生產(chǎn)中的配料、輸送、攪拌、卸料等各個過程實現(xiàn)自動化控制，并對生產(chǎn)運行過程進行實時監(jiān)控，進而提升混凝土生產(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，西門子 S7- 200 PLC作為下位機[3]，模擬混凝土的生產(chǎn)過程。通過設(shè)計的組態(tài)界面，實現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)中每個步驟的協(xié)調(diào)控制，并能對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。PLC和組態(tài)王兩者的結(jié)合可以對混凝土生產(chǎn)的整個流程數(shù)據(jù)進行實時分析匯總，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中不合理的地方并對其進行調(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)王作為人機接口，操作人員利用組態(tài)王發(fā)出控制信號，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)行機構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的命令。系統(tǒng)的結(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、橋梁等各種工程當中[4-5]?；炷翑嚢枵揪褪请S著工程對混凝土質(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)混凝土的場所，具體生產(chǎn)流程如圖2所示。

2? ? ?系統(tǒng)控制

混凝土攪拌站大體上可以分為以下幾個部分：料斗設(shè)備、攪拌設(shè)備、稱量設(shè)備、傳送設(shè)備以及其它一些相關(guān)的輔助設(shè)備。結(jié)合實際工作情況將系統(tǒng)分為自動和手動兩種工作模式。

（1）手動模式下，操作人員可以手動控制各個設(shè)備的啟動或者停止，實現(xiàn)配料、傳送、攪拌、卸料等相應(yīng)的功能。

（2）自動模式下，按照生產(chǎn)所需要的混凝土標號，設(shè)置好配方，按下開始按鈕，整個系統(tǒng)開始運行，直至完成整個生產(chǎn)流程。

2.1? ?傳送控制

在本次設(shè)計中輸送設(shè)備主要有水泵、螺旋輸送機以及傳送帶，在設(shè)計時，應(yīng)該合理選用輸送骨料所用的電動機，避免物料過多，電機啟動轉(zhuǎn)矩不足的情況發(fā)生。同時使用變頻器控制電機的運行速度，使電機的運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，物料在傳送帶堆積過多，要讓傳送帶在儲料斗下方閘門打開前一分鐘開始運行。在實際運行的過程中為了避免稱重好的物料遺漏在傳送帶上，應(yīng)讓傳送帶電機多運行一段時間，避免物料遺漏過多影響配料的精確度，進而影響混凝土的質(zhì)量。

2.2? ?儲料斗卸料控制

儲料斗卸料的控制過程為：骨料通過螺旋輸料機輸送到儲料斗內(nèi)，在儲料斗下方閘門處設(shè)置重量傳感器，骨料的卸料主要是通過儲料斗下方閘門實現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)置了兩個啟動卸料的條件：其一是通過測量儲料斗內(nèi)部物料的實時重量，將它和配方所需要的物料重量相減，計算的重量差等于零時，閘門打開，儲料斗開始卸料，其二是手動卸料，通過按下卸料按鈕，系統(tǒng)執(zhí)行卸料操作。

2.3? ?攪拌機升降控制

在實際生產(chǎn)中，攪拌機在高處攪拌物料，在準備卸料時，攪拌機需要先下降，卸料完成后上升。具體的操作是：在攪拌機上升以及下降的極限位設(shè)計限位開關(guān)，當觸發(fā)開關(guān)時，系統(tǒng)將信號傳遞給控制攪拌機升降的電機，進而控制電機的啟動或者停止。攪拌機的升降主要由電機的正反轉(zhuǎn)控制，為了避免電機的正反轉(zhuǎn)出現(xiàn)干擾，對電機采用互鎖的控制方式。

3? ? ?系統(tǒng)設(shè)計

3.1? ?通信和變量建立

3.1.1? ?通信建立

打開PLC編程軟件，在頁面左側(cè)找到“系統(tǒng)塊”，點擊“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，進行通信設(shè)定，設(shè)定數(shù)值時必須要與PLC中的設(shè)定保持一致[6]。具體設(shè)置的數(shù)值如圖3所示。

3.1.2? ?構(gòu)造數(shù)據(jù)庫

實時數(shù)據(jù)庫是組態(tài)王的重要組成部分，數(shù)據(jù)庫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，實現(xiàn)組態(tài)王用戶可將自己所構(gòu)建的組態(tài)模型進行仿真測試，也可以實現(xiàn)與PLC的通訊連接。在按照實際需求定義變量時，要注意變量的類型以及數(shù)據(jù)類型，避免因數(shù)據(jù)類型錯誤影響組態(tài)的正常運行。如圖4是攪拌機設(shè)定。

3.2? ?組態(tài)監(jiān)控畫面設(shè)計

3.2.1? ?構(gòu)建組態(tài)畫面

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、報警畫面、實時曲線畫面、歷史曲線畫面。當控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者緊急停止時，相應(yīng)的信號通過報警的形式顯示在組態(tài)的報警界面中，使工作人員能夠及時發(fā)現(xiàn)并對故障進行維修。在設(shè)計時，畫面右側(cè)設(shè)置了畫面標注，方便切換畫面。

（1）主畫面

根據(jù)設(shè)計思路，在利用組態(tài)王仿真畫面時，添加了運行指示燈，顯示各個電機的運行狀態(tài)，在主畫面中設(shè)置一組鈴，用于提醒操作人員。同時在構(gòu)建畫面時設(shè)立緊急停止按鈕，進而可以使整個系統(tǒng)在故障時能夠以最快的速度暫停運行，進而避免重大事故的發(fā)生，從而使系統(tǒng)有更好的人機交互功能。系統(tǒng)對應(yīng)的主畫面如圖5所示。

（2）配料監(jiān)控畫面

本次設(shè)計中，計量監(jiān)控系統(tǒng)采用獨立計量的方式，即為每一種物料配備單獨的計量單元。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，為了更好的實現(xiàn)人機交互，設(shè)計時在儲料斗右側(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料斗，同時為了監(jiān)測物料的實時重量，畫面中加入了如圖5所示的重量顯示屏，實時監(jiān)測物料重量。

在系統(tǒng)運行的過程中，漏天存放的砂料以及石料經(jīng)螺旋輸料機輸送到各自的儲料斗內(nèi)稱量物料重量，待稱重結(jié)束之后，儲料斗下方閘門打開，儲料斗卸料，物料經(jīng)儲料斗下方傳送至攪拌機內(nèi)。

② 粉料稱重監(jiān)控

在稱量粉料重量的時候，粉料由鋼結(jié)構(gòu)筒倉經(jīng)螺旋輸料機輸送到臨時稱量的儲料斗內(nèi)，開始計量物料的重量，計量完成，系統(tǒng)給出反饋信號，經(jīng)CPU處理后給出啟動氣動蝶閥信號，儲料斗下方氣動閥門打開，儲料斗內(nèi)的粉料流入攪拌機。

③ 水量計量監(jiān)控

水泵在控制系統(tǒng)的控制下，將水從水池中泵出，經(jīng)過流量計計量水量后經(jīng)水管流入攪拌機內(nèi)，當傳感器計量到預(yù)設(shè)值時，水泵停止，電磁閥關(guān)閉，避免計量好的水回流，影響混凝土的塌落度。

（3）卸料監(jiān)控

攪拌機攪拌到達預(yù)定的時間后，物料攪拌完成，系統(tǒng)給出控制信號，攪拌機開始下降，攪拌機下降到最低位置時，觸碰到下方的限位開關(guān)，此時反饋信號傳遞到CPU，CPU給出控制信號，控制攪拌升降電機停止，此時攪拌機開始卸料，卸料完成后系統(tǒng)給出反饋信號，攪拌機上升，當達到上限位時停止，準備下一次生產(chǎn)。

（4）報警畫面

在報警畫面里記錄著報警具體時間以及報警的變量，制作該畫面能讓運行人員及時收集到系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當某個變量的運行數(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，系統(tǒng)給出報警信號，方便運行人員及時發(fā)現(xiàn)問題，準確快速的找到故障原因，方便維修。歷史報警畫面如圖6所示：

（5）曲線畫面

曲線畫面主要包括實時曲線畫面和歷史曲線畫面。實時計量曲線畫面，主要顯示混凝土各種原料重量的實時變化趨勢;歷史計量曲線畫面，主要顯示混凝土的各種原材料重量在整個生產(chǎn)過程中的變化趨勢。為了區(qū)分曲線的類型，在構(gòu)建曲線畫面時，在曲線右側(cè)標注曲線所對應(yīng)的變量，同時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，對各個模塊設(shè)置動畫連接并編寫命令語言，進而實現(xiàn)畫面運行。編寫的部分命令語言如圖7所示。

4? ? ?系統(tǒng)運行與調(diào)試

將PLC與組態(tài)王通過RS232通訊串口連接起來，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，具體實現(xiàn)功能運行如下：

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中，攪拌機開始攪拌，使生產(chǎn)混凝土的原材料均勻混合在一起，在攪拌機的另外一邊，黃沙和石子由運輸設(shè)備運送到對應(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，控制系統(tǒng)用分別控制兩個輸送機構(gòu)輸送物料，并利用變頻器控制傳送物料速度的快慢，從而減低計量時間和提高稱重的準確度。待其達到規(guī)定好的重量后，對應(yīng)料斗的閥門開啟，石子和黃沙將會一起卸到傳送帶上，通過傳送帶將種原材料輸送到攪拌機里，從一開始，攪拌機就處于正常運轉(zhuǎn)的狀態(tài)。攪拌到達規(guī)定的時間后，將混凝土卸到事先準備好的運輸設(shè)備中，適當增加卸料的時間，確保盡可能的卸完攪拌好的混凝土，卸料完成后，一次循環(huán)結(jié)束，準備開始下一次生產(chǎn)。

5? ? ?結(jié)語

本文基于組態(tài)王設(shè)計了一個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行展現(xiàn)和實時控制。系統(tǒng)通過組態(tài)王的人機接口，代替了過去復(fù)雜的儀表以及操作按鈕，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。系統(tǒng)通過主監(jiān)控畫面可以清楚了解各部件的運行狀態(tài)，準確觀察現(xiàn)場生產(chǎn)工作流程。另外，曲線畫面以數(shù)形結(jié)合的方式進行展現(xiàn)，可直觀的監(jiān)控各種物料的變化趨勢。當控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以通過報警界面查看故障原因，并及時進行維修處理。同時該系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求，彈性修改配方，進行配方參數(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，同時還提高了生產(chǎn)過程的可靠性和高效性。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，經(jīng)實踐證明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故障率低，人機界面友好，具有較高的實用價值。

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