0引言

随着社会经济的发展和技术的不断进步，混凝土的需求量越来越大，质量要求也越来越高，提高混凝土的质量和产量已经十分必要。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，这使得混凝土配料控制系统的重要性日益增强[1-7]。本文采用性能稳定的PLC、组态软件MCGS和高精度称重仪表设计混凝土自动配料控制系统，该系统可以实现从配料计量，搅拌，到出料生产全过程的自动化、智能化，同时还有对数据进行浏览、查询、统计、打印等一系列管理功能。

1系统设计

混凝土配料共有8个料斗，分别装有4种石料、两种水泥、添加剂和水。每个料斗各配有一台称重仪表，分别对每种物料的下料量进行实时采集，将重量传输至T控机，根据与设定参数的比对，通过PLC实现对电机、阀门的控制。上位机对各种工艺参数进行实时监控，包括设定值的给定、提前量、累积量等。

系统上位机采用组态软件MCGS，主要完成对重量数据的处理和PLC进行通讯、实时监控、数据的储存[8-10]。完成对物料的控制、画面的动感效果，数据的存储是主要解决的技术问题。

PLC作为下位机，采用Windows操作系统下的STEP7编程软件进行程序的在线或离线检查、调试、监控等操作，以方便可靠地实现对现场设备的控制。由于混凝土搅拌设备需要连续地生产，且各个动作之间有着严格的顺序限制，因此采用顺序控制、经验控制和步进控制相结合，软件设计包括初始化程序、主程序、子程序、中断程序、故障应急措施和辅助程序的设计。

2系统硬件设计

本文设计的混凝土配料控制系统硬件组成如图1所示，具体组成如下：

(1)上位机采用研华IPC，其机箱采用全钢结构具有抗冲击、抗振动、抗电磁干扰等作用，内置专用电源具有较强的抗干扰能力，采用底板+CPU卡结构，具有很强的可扩展性。

(2)PLC选用西门子公司的S7-200，它指令丰富，执行速度快，调试和故障诊断方便，具有灵活的终端及强大的通信功能，此外丰富的各种扩展模块能够满足不同用户的需求。同时提供了先进的编程特性，易于组态，便于安装，能方便地取代简便的继电器及复杂的中型自动化应用系统。与上位机之间采用PPI通讯协议，可以方便有效地进行数据传输。

(3)称重仪表采用科丰XK3201，该仪表具有密封好、体积小、功耗低、安装方便、操作简单等特点。在高温T作干扰大和高频率开关动作等恶劣环境条件下，并且具有很强的适应性。与上位机之间采用MODBUS主从方式网络通讯协议，通过称重传感器实时采集物料重量并经过处理后传输至上位机，具有称量精度高、可靠性好等特点。

3系统软件设计

3.1上位机监控软件设计

监控软件主要由以下模块组成：

(1)通讯模块：上位机完成与称重仪表和PLC的通讯，实现数据交互。

(2)配方管理模块：任意添加或修改配方。通过预存大量生产配方，使得用户不需要输入操作只需要选中配方即可。

(3)报警管理模块：对报警的情况进行分类并采用弹出框或警示灯闪烁提醒操作员及时处理。

(4)数据管理模块：实现对数据的输入及查询、历史数据的存储以及报表的预览和打印。

(5)动画显示模块：实现生产过程的动画效果，提高生产各环节的管理。

(6)系统管理模块：管理用户名、密码、权限和用户帮助等。用户只有在登录界面输入正确的用户名和密码才能实现远程监控，同时会记录操控人员信息，做到责任到人。

3.2通信功能的实现

上位机与PLC之间采用PPI通信协议，采用主从式的通讯方式，上位机发出读写指令，PLC接收并作出正确的响应（返回应答数据E5H或F9H），上位机接到此响应则发出确认命令(10025CSE16)，PLC再返回给上位机相应的数据[11-12]。

其中，数据长度为白DA至DU的数据长度；开始符为68H；读、写的功能码分别为6CH、7CH；结束符为16H。

上位机与称重仪表之间采用MODBUS通信协议[13-14]，模式采用RTU方式，由8个字节组成。

其中，设备地址：本系统设备地址为1到8。功能码：科丰仪表支持“03H”、“06H”、“1OH”3种功能，本系统采用03H只读功能。

3.3界面的设计

采用面向T作流程的设计方法，可以设计出可靠美观的图形界面以满足现场生产的需求，使现场设备在监控画面中真实生动地体现。本系统人机界面如图2所示。在上位机上不仅可以实现系统各项参数的显示，还可以动态显示各个设备的运行状态。通过上位机上的软按钮可以远程控制阀门、水泵、搅拌机等设备的开启与关闭。

3.4功能的实现

加料控制是整个系统控制中最重要一个环节，由上位机和PLC共同完成。在整个加料过程中，采用初期的快加料和后期的慢加料两步给料，从而减小由于大冲量而引起的落料误差。在停止给料后，物料本身的属性、阀门或电机转速等因素将是影响最终称量精度的直接原因[15]。通过对过去的落料误差分析处理，预测未来的误差并进行提前补偿，使实际称量值在设定值上下很小范围内波动，且称量次数越多时间越长，实际值越趋于设定值。

加料具体控制算法如图3所示，当第n次称量结束时：

(l)本次误差Wn不大于上次Wn-1，则提前量μ不变；

(2)本次误差Wn大于上次Wn-1，则要变更提前量μ。如果最近m次平均称量值大于设定值，取差值平均后作为补偿值△μn+l减小提前量。如果最近m次平均称量值小于设定值，取差值平均后作为补偿值△μn+l增大提前量。

3.5PLC控制功能软件设计

PLC程序主要包括两部分：主任务和中断任务。主任务包括主程序081和子程序FBI、FB2等多个功能块，在主程序中不断地调用子程序完成控制任务。主程序决定整个程序从开始到结束的每个时刻的任务，子程序主要包括对各个电机、阀门的控制等。中断主要是处理故障检测点的应急情况，一旦发生故障立即中断配料过程并发出警报。

整个过程中PLC采集行程开关和控制按钮等提供的开关量信号以及接收来自工控机的控制命令，并对此进行处理后，输出对电磁阀、电动机等各个执行机构的控制信号。

4结束语

该混凝土配料控制系统充分利用了PLC具有可靠性高、功能完善、产品标准化以及编程简单直观等优点，能够有效弥补继电器控制和单片机控制在可靠性方面的缺陷，与T控机配合易于实现操作与管理。同时自动配料控制系统配料均匀，运行稳定可靠。变速给料结合高精度电子称量，实现了高精度自动配料，达到全自动控制，大大提高了生产效率，降低了操作人员的劳动强度，节约了劳动成本，具有良好的经济效益。

 

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