一站多机式混凝土搅拌系统设计
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本文作者：汤嘉立 左健民 张溯烈 单位：江苏大学 机械工程学院 江苏技术师范学院 计算机工程学院 常州市德明自控系统工程有限公司
混凝土搅拌站是一种用于连续生产大方量混凝土的大型成套设备，通过控制各种混合料的配比，将各种骨料、沙、水泥和外加剂等搅拌成混凝土［1］。作为核心的生产控制系统直接关系到混凝土的生产质量、工作效率和整套搅拌站设备的管理水平。因此，精确、高效、智能的自动化生产程序不仅能提高生产率，而且是生产优质高强混凝土的可靠保证。随着计算机控制技术的不断发展和集成电路芯片的更新换代，搅拌站生产控制系统经历了从继电器控制模式，单片机控制模式，可编程控制器(PLC)控制模式，工控机集中控制模式，发展到现在正趋于完善的现场总线型控制系统［2］。基于现场总线的控制系统己成为目前混凝土搅拌站的主要控制模式，具有自动化程度高、计量精度高、运行速度快、运行稳定可靠及数据管理能力强大等特点［3］。为满足同一搅拌站多生产线(一站多机［4］)的联网生产要求，以PLC、工控机、ET200M、现场仪表和PROFIBUS总线连接构成集中式的控制网络。选用研祥EVOC工业级计算机、西门子S7－300系列PLC［5］和ET200M分布式I/O等设备，根据一站多机式混凝土搅拌站工艺流程及系统需求，在站长室通过远程监控计算机监控整个搅拌站的生产运营情况，中控室设立操作员站、工程师站和中央控制器组成管理网络单元，多个分布式控制站组成现场网络单元。系统上位机采用WinCC6．0作为人机接口，并嵌入GKHNT生产自控软件，通过CP5611通讯卡和PROFIBUS协议与各级站进行数据通讯，从而完成数据的采集处理及控制功能［6］。
1工艺流程及主要功能需求
混凝土搅拌站由骨料配料、骨料送料、粉料贮料、粉料给料、水及外加剂管路、配料及卸料系统、搅拌及出料系统、气路系统、控制系统及结构部件组成，根据工艺方式可分为单阶式、双阶斜皮带式、双阶提升斗式(平皮带提升斗、提升斗带电子秤)3种。其中，单阶式搅拌站的砂、石、水泥等材料一次就提升到搅拌站最高层的中间斗，然后从配料称量到搅拌成混凝土均借助物料自重下落，常适用于大型永久性搅拌站;双阶式搅拌站的砂、石、水泥等材料分两次提升，第一次将物料提升至中间斗，经称重配料后，第二次再将材料提升并卸入搅拌机，常适用于中小型搅拌站。某建材公司搅拌站采用两套单独运行的双阶提升斗式搅拌楼生产系统，配置如图1所示。两套系统单机运行，实际生产总能力为190m3/h左右。为提高自动化生产效率和管理水平，快速满足施工现场的大量混凝土需要，该公司提出对两套控制系统和相关生产配套设备进行技术改造。根据“一站多机”的控制思想和高产量、低成本、安全可靠的原则，应用先进控制方法进行控制系统改造。系统通过建立高速局域网和PROFIBUS总线，将原有两套搅拌楼控制系统集群，组成整体生产数据网络，并通过嵌入式的GKHNT自控软件，实现整套系统的集中控制和统一调度。这样，同一合同或任务单的生产任务可分配给两条生产线同时联网生产，由管理端进行实时控制。两套控制系统既可以同时运行，也可一机单独运行。另外，为了最大限度地满足生产需求，系统支持8个骨料仓、6个水泥仓、2个粉料仓、4个外加剂仓和2个水仓;支持最多4个骨料秤、1个水泥秤、1个粉料秤、1个外加剂秤和1个水秤;支持流量计方式计量水和外加剂，支持3种外加剂的清洗方式设置;支持所有骨料仓的含水率自动检测和混凝土坍落度的自动检测;支持所有骨料秤、水泥秤、粉料秤投料超时振动控制;支持所有配合比物料的点动高精度称量控制。
2总体设计方案及硬件配置
2．1网络通信设计在多生产线联网的“一站多机”生产状态下，系统网络通信主要包含以下3个方面:(1)称重仪表、远程设备与PLC从站间的通信。称重仪表称重时将电压电流等模拟量转变为数字量，通过控制器收集并向PLC从站发送请求，控制相应传感器的启动、停止等动作;远程设备通过分布式I/O与PLC从站相连。(2)底层PLC与上位机间的通信。底层控制级PLC根据上层控制命令直接完成对搅拌站设备的控制，并把实时采集数据传送给上位机。PLC组成的现场网络是所有生产数据进行采集，处理，控制和传输的具体实现者，而上位机则是控制系统与操作者进行人机交互的枢纽。(3)上位机间的网络通信。系统中可有多台上位机，按照客户机/服务器(Client/Server)的工作模式进行控制和管理。作为服务器的上位机负责多台上位机系统之间的数据处理及与底层PLC网络的数据通信;作为客户机的上位机一般不与PLC直接通讯，通过访问服务器的方式将数据处理结果存储到服务器数据库中。其中，工程师站或站长监控机可以对系统进行实际控制。例如设置配合比参数、任务单、开机、停机等;而有的上位机只能进行信息查询、报表打印、实时监视等操作，并不能对实际生产产生影响。
2．2系统架构根据一站多机式工艺流程在两个搅拌楼分别设立分布式远程从站，连接现场仪表和远程设备的采集和监测信号。通过PROFIBUS现场总线将PLC从站、远程设备与中控室的操作员站、工程师站及PLC主站相连，通过工业以太网将中控器与站长监控机相连，由上位管理机完成各项管理操作。整个系统架构分为中央控制级与分布式现场级两级控制网络，实现两条生产线的联网生产、数据共享和统一调度。系统总体架构如图2所示。中央控制级以上位机组为核心，主要为管理者提供人机交互界面，帮助操作者准确及时地实现对整个生产流程的控制和管理，分为中控室及站长室两个部分。中控室设有操作员站、工程师站和PLC主站。其中操作员站和工程师站作为2类DP主站(DPM2)，PLC主站作为1类主站(DPM1)。操作员站主要负责对两条生产线的数据实时监控和管理;工程师站既拥有操作员站的全部功能权限(二者互为备用，以提高系统的可靠性)，也可对系统组态、控制参数等信息进行在线设置和修改;PLC主站在设定周期内与分布式PLC从站不间断地交互信息，并对PROFIBUS现场总线进行管控。站长监控机以工业以太网模式与中控室连接，便于搅拌站站长对整个生产流水线进行监控和管理，并根据实际情况实时发出操作指令。(2)分布式现场级。分布式现场级分为两个下位控制区，分别采集处理对应生产线的现场参数，执行生产逻辑算法，向执行单元发出控制指令，完成相应的工艺任务。各PLC从站主要采集各传感器信息，控制远程设备的运行，并将信号处理后传给中央控制器和上位机。
2．3主要硬件配置(1)中央控制室。工程师站和操作员站分别配置研祥EVOC(P43．2G、内存1GB)工控机和UPS不间断电源，选用CP5611卡实现PROFIBUS现场总线通讯，CP1613卡实现工业以太网通讯。PLC主站选用西门子S7－300:处理器模块CPU315－2DP，电源模块PS307－10A，以太网通讯模块CP343－1，32点DI模块SM321四块，32点DO模块SM322四块。票据打印机选用爱普生LQ－630K针式打印机。(2)分布式现场站。PLC从站也采用西门子S7－300，配置如下:处理器模块CPU315－2DP，32点DO模块SM322两块，32点DI模块SM321两块，电源模块PS307－10A，6台MM440变频器及PROFIBUS－DP接口模块。为节省控制电缆和电柜成本，对离搅拌楼中心机房距离较远的除尘器、鼓风机等设备配置2台远程分布式I/O设备ET200M，通过接口模块IM153和PRO-FIBUS－DP总线连接，每个ET200M从站可扩展8个S7－300I/O模块。骨料秤、水泥秤、水秤和外加剂秤等称量仪表采用志美PT650D称重显示器。
3系统软件设计控制系统软件分为PLC现场控制软件和上位机监控软件。
3．1PLC现场控制软件采用西门子STEP7软件对PLC进行编程。STEP7是用于SIMATICS7－300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。按照模块化的程序设计思想，搅拌站PLC现场控制程序主要包括初始化程序、配合比传送程序、仪表称重程序、骨料粉料等进料配料、搅拌逻辑控制程序，以及与上位机通信程序等模块。逻辑控制部分的程序流程如图3所示。
3．2上位机监控软件上位机监控采用西门子WinCC6．0组态软件作为人机接口，并嵌入GKHNT生产自控软件，可对整个生产流程进行实时监控、故障报警、数据查询和报表打印等操作。实时生产界面如图4所示。
4结束语
根据“一站多机”的设计思想，对混凝土搅拌站生产控制系统进行技术创新和改造。通过PROFIBUS－DP总线和工业以太网络，将两套搅拌楼控制系统集群，组成一个生产数据网络，并通过嵌入式GKHNT生产软件，实现了整体系统的集中式控制和统一调度。系统正式投产后半年以来运行稳定可靠，用户反映良好，各项指标均达到设计要求:实际生产总能力稳定在220m3/h左右，生产效率比以前提高约16%;另外，车辆调度效率提高12%，差错故障率降低约10%。