大型混凝土攪拌站控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望

劉一耀，譚竹林

(方圓集團(tuán)海陽成套設(shè)備有限公司，山東 海陽 265100)

隨著材料和施工工藝的快速發(fā)展，混凝土作為一種建筑材料在工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。混凝土攪拌站作為混凝土的生產(chǎn)設(shè)備，也得到了迅猛發(fā)展。我國特殊的施工特點(diǎn)及國情，促使攪拌站行業(yè)迅速向著大型化、規(guī)模化、專業(yè)化、集成化方向發(fā)展。

大型混凝土攪拌站控制系統(tǒng)是伴隨著混凝土攪拌站大型化需求而不斷發(fā)展起來的。其顯著特點(diǎn)是需要控制的設(shè)備類型多、功率大、計(jì)量精度要求高、工藝流程復(fù)雜、專用性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保。特殊的控制定位要求系統(tǒng)必須自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、數(shù)據(jù)豐富、靈活、高效。

1 大型混凝土攪拌站控制系統(tǒng)組成及其作用

一套典型的大型混凝土攪拌站控制系統(tǒng)由上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和其它輔助系統(tǒng)組成。

上位機(jī)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)（PC或IPC）及預(yù)裝開發(fā)的控制軟件組成，主要作用：①實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)、信號，以動(dòng)畫等直觀的手段模擬顯示；②通過人機(jī)交互將控制參數(shù)和指令發(fā)送給執(zhí)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)控制和優(yōu)化管理；③記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)、客戶資料等信息，按要求生成數(shù)據(jù)報(bào)表、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息管理。

下位機(jī)系統(tǒng)由控制面板（按鈕、指示燈）、可編程控制器（PLC）、專用配料控制器、輸入輸出板卡、中間繼電器及其根據(jù)要求搭建的弱電控制電路組成，主要作用：①采集來自現(xiàn)場的各種信號和操作人員通過控制面板發(fā)出的指令；②根據(jù)程序自主進(jìn)行邏輯運(yùn)算并輸出運(yùn)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件如接觸器、電磁閥等線圈工作。

配電系統(tǒng)由斷路器、馬達(dá)保護(hù)開關(guān)、接觸器及根據(jù)需要搭建的配電保護(hù)電路組成，主要作用是對接下位機(jī)系統(tǒng)，將弱電信號轉(zhuǎn)換成能滿足用電設(shè)備安全運(yùn)行的強(qiáng)電電路，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、變頻器、氣缸等工作。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻攝像頭、硬盤錄像機(jī)、監(jiān)視器及其組成的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成，主要作用是通過現(xiàn)場視頻，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)嚢枵娟P(guān)鍵部位的運(yùn)行和周圍安全情況。

其它輔助系統(tǒng)由照明、濕度測試儀、坍落度測試儀、料位儀、骨料自動(dòng)上料系統(tǒng)、分料小車控制及ERP管理等滿足生產(chǎn)檢測、指示等輔助生產(chǎn)設(shè)備組成。主要作用是滿足輔助生產(chǎn)需要，提升管理效率，保證整個(gè)系統(tǒng)智能、安全、環(huán)保、高效運(yùn)行。

目前，現(xiàn)有的大型混凝土攪拌站控制系統(tǒng)按控制中心主體的不同主要有2類，分別是以下位機(jī)為控制中心的控制系統(tǒng)和以上位機(jī)為控制中心的控制系統(tǒng)。

2 以下位機(jī)為控制中心的控制系統(tǒng)

以下位機(jī)為控制中心的控制系統(tǒng)按執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同分為以下3種。

2.1 計(jì)算機(jī)+可編程控制器+配料控制儀表

2.1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

可編程控制器（PLC）為系統(tǒng)的控制中心。采集生產(chǎn)現(xiàn)場各種狀態(tài)信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算，完成生產(chǎn)流程的控制。配料控制儀表按PLC指令自主精確完成配料，并按需反饋信息。上位機(jī)系統(tǒng)只與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，下達(dá)生產(chǎn)指令、優(yōu)化參數(shù)管理，模擬顯示實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 配料儀表式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1）在上位機(jī)發(fā)生故障時(shí)，攪拌站依然可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確配料，結(jié)合儀表與操作臺按鈕完成生產(chǎn)。

2）配料過程全部由配料控制儀表完成，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，計(jì)量精度高。

3）檢修方便，可維護(hù)性好，易擴(kuò)展。

2.1.3 系統(tǒng)不足

1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接線較多，需擴(kuò)展串行端口維護(hù)工作量較大，對用戶水平要求較高。

2）配料儀表參數(shù)較多，對維護(hù)維修人員專業(yè)技能要求較高。

3）生產(chǎn)過程中，不能再對儀表進(jìn)行任何操作，程序靈活性較差，換配方連續(xù)生產(chǎn)時(shí)影響生產(chǎn)效率。

4）一秤一表結(jié)構(gòu)形式使控制系統(tǒng)價(jià)格高。

2.2 計(jì)算機(jī)+可編程控制器+現(xiàn)場智能化測控設(shè)備

2.2.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

可編程控制器（PLC）為系統(tǒng)的控制中心。PLC具有總線端口并通過現(xiàn)場總線將分散的現(xiàn)場智能化測控設(shè)備連接起來，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、可靠的大數(shù)據(jù)通信。PLC負(fù)責(zé)整個(gè)配料過程及各設(shè)備的輸入輸出。上位機(jī)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)口與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，下達(dá)生產(chǎn)指令，將相關(guān)目標(biāo)量及控制參數(shù)寫進(jìn)PLC對應(yīng)存儲區(qū)中。生產(chǎn)時(shí)讀取PLC相關(guān)狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)狀態(tài)并按要求存儲、管理、查詢生產(chǎn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 下位機(jī)總線式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1）布線簡單，組網(wǎng)方便、靈活，可擴(kuò)展性好。

2）數(shù)字信號傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，通訊速率高，非常適合遠(yuǎn)程控制。

3）可實(shí)現(xiàn)智能故障檢驗(yàn)和診斷，提示維修人員檢修更換零件。

4）適合大數(shù)據(jù)數(shù)字化設(shè)備發(fā)展要求。

2.2.3 系統(tǒng)不足

1）采用工業(yè)總線，硬件模塊價(jià)格高。

2）各智能設(shè)備廠家種類較少，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，器件通用性差，推廣難度較大。

2.3 計(jì)算機(jī)+專用配料控制器

2.3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

專用配料控制器為系統(tǒng)的運(yùn)行控制中心。專用配料控制器采集傳感器信號及各輸入、輸出信號，根據(jù)生產(chǎn)控制要求自主運(yùn)算并輸出運(yùn)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)中間繼電器控制強(qiáng)電系統(tǒng)，完成生產(chǎn)控制。上位機(jī)系統(tǒng)與專用配料控制器之間通過以太網(wǎng)口建立通訊，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，通過動(dòng)畫模擬實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

2.3.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1）整體封裝防潮、防塵、耐沖擊、抗干擾、故障少。

2）控制方式靈活，功能豐富，程序協(xié)調(diào)性較好。

圖3 專用配料控制器式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3）系統(tǒng)高度集成，接線簡單，性價(jià)高。

2.3.3 系統(tǒng)不足

1）無單獨(dú)顯示單元，無上位機(jī)人機(jī)交互的支持時(shí)，整套控制系統(tǒng)將無法生產(chǎn)。

2）控制器高度集成，器件專用性強(qiáng)，通用性差，非專業(yè)人員難以維護(hù)，后期維護(hù)成本高。

3）控制器受硬件數(shù)量制約，超出規(guī)定稱數(shù)，擴(kuò)展難度大，可擴(kuò)展性差。

3 以上位機(jī)為控制中心的控制系統(tǒng)

按上位機(jī)硬件組成不同分為以下3種。

3.1 計(jì)算機(jī)+可編程控制器+稱重顯示儀表

3.1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

上位機(jī)作為控制、管理中心，與每個(gè)稱重顯示儀表和PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向通訊，綜合采集并實(shí)時(shí)處理各種數(shù)據(jù)及信號，根據(jù)預(yù)設(shè)生產(chǎn)流程完成生產(chǎn)控制。稱重顯示儀表只負(fù)責(zé)重量信號采集、處理、轉(zhuǎn)換和顯示。PLC無邏輯流程只負(fù)責(zé)現(xiàn)場各種狀態(tài)信號的采集和輸入，根據(jù)上位機(jī)指令對應(yīng)實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 稱重儀表式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1）上位機(jī)負(fù)責(zé)整套配料過程及工作流程，程序高度協(xié)調(diào)，可靈活實(shí)現(xiàn)扣稱、留料、當(dāng)盤水調(diào)整等功能。

2）有稱重顯示儀表，工作穩(wěn)定，抗干擾性能強(qiáng)，在計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)可通過顯示儀表與操作臺按鈕手動(dòng)完成生產(chǎn)。

3）PLC程序編寫簡單，硬件要求較低，可擴(kuò)展性好。

3.1.3 系統(tǒng)不足

1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接線較多，用戶在維護(hù)維修時(shí)對專業(yè)技能要求較高。

2）采用串口通訊，需要擴(kuò)展串行口，對計(jì)算機(jī)硬件要求較高。

3）一秤一表結(jié)構(gòu)形式使控制系統(tǒng)價(jià)格高，性價(jià)比低。

3.2 計(jì)算機(jī)+輸入輸出板卡+稱重終端

3.2.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

上位機(jī)作為控制、管理中心，通過計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽安裝各種專用板卡，實(shí)現(xiàn)重量、開關(guān)量輸入信號數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并根據(jù)預(yù)設(shè)程序完成輸出控制，直接驅(qū)動(dòng)24V中間繼電器，驅(qū)動(dòng)整套系統(tǒng)完成生產(chǎn)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 板卡式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1）程序協(xié)調(diào)性較好、控制方式靈活。

2）控制流相對簡單且都為單方向，板卡輸出，配線簡單。

3）在生產(chǎn)過程中可以調(diào)整影響稱量控制精度的有關(guān)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同配合比連續(xù)生產(chǎn)。

4）性價(jià)比高。

3.2.3 系統(tǒng)不足

1）對計(jì)算機(jī)主板專用插槽要求較高，受影響硬件配置影響，系統(tǒng)周期參差不齊，易出現(xiàn)死機(jī)情況。

2）抗干擾能力較差，生產(chǎn)中會出現(xiàn)因干擾使某個(gè)控制點(diǎn)失控的現(xiàn)象。

3）防潮、抗振等性能較差，板卡和計(jì)算機(jī)插槽易接觸不良。

4）需專業(yè)人士維護(hù)，后期維護(hù)成本較高。

3.3 計(jì)算機(jī)+現(xiàn)場智能化測控設(shè)備

3.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上位機(jī)作為控制、管理中心。計(jì)算機(jī)通過專用總線控制硬件與總線智能稱重模塊、總線開關(guān)量I/O模塊、總線檢測設(shè)備、總線智能配電設(shè)備單元等組成基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)。上位機(jī)系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線實(shí)時(shí)采集各智能節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)生產(chǎn)流程運(yùn)算處理并將結(jié)果以指令形式下達(dá)到各智能節(jié)點(diǎn)，各智能節(jié)點(diǎn)按指令執(zhí)行并實(shí)時(shí)反饋執(zhí)行結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 全總線式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1）集中采集處理管理各種信息，程序協(xié)調(diào)性好，控制功能豐富、控制方式靈活。

2） 布線簡單，組網(wǎng)方便、靈活，可擴(kuò)展性好。

3）數(shù)字信號傳輸，通訊速率高，具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)。

4）可實(shí)現(xiàn)所有智能節(jié)點(diǎn)狀態(tài)故障檢驗(yàn)和自診斷，實(shí)現(xiàn)自主維修提示。

5）適合大數(shù)據(jù)發(fā)展方向，是控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

3.3.3 系統(tǒng)不足

1）系統(tǒng)高度依賴計(jì)算機(jī)及其建立的現(xiàn)場總線通訊，對計(jì)算機(jī)硬件及系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求高。

2）目前各智能設(shè)備廠家，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，器件通用性差，價(jià)格高。

4 大型混凝土攪拌站控制系統(tǒng)發(fā)展展望

綜合目前大型攪拌站控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前控制技術(shù)發(fā)展及市場的需求反饋，筆者對未來大型攪拌站控制系統(tǒng)發(fā)展有以下展望。

4.1 人機(jī)交互介質(zhì)將智能化、多態(tài)化、虛擬化

伴隨著大數(shù)據(jù)的建立和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，如何給使用者帶來更現(xiàn)實(shí)、智能、安全、高效、便捷的操控體驗(yàn)，把操作者從枯燥繁瑣的勞動(dòng)中解放出來是各設(shè)備生產(chǎn)商一直追尋的目標(biāo)。我們有理由相信在新技術(shù)的引領(lǐng)下，無線多媒體終端、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）等新型智能多功能通用終端將給我們提供更多更成熟的選項(xiàng)，在人機(jī)交互中得到大規(guī)模的應(yīng)用。

4.2 工業(yè)現(xiàn)場總線將廣泛應(yīng)用

工業(yè)現(xiàn)場總線作為控制系統(tǒng)大數(shù)據(jù)理想載體已成為各設(shè)備生產(chǎn)商的共識。隨著工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，標(biāo)準(zhǔn)總線智能設(shè)備的種類和數(shù)量逐漸增多，為總線設(shè)備的推廣提供了廣泛的基礎(chǔ)。其特有的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，將在未來數(shù)字化生產(chǎn)中發(fā)揮出重要的作用。智能化、遠(yuǎn)程控制、無人值守、故障自診斷、壽命預(yù)診斷、性能自優(yōu)化等將伴隨著總線數(shù)據(jù)處理能力的提升而不斷進(jìn)步。現(xiàn)場輸入輸出、模塊化設(shè)計(jì)、分布式控制將在控制系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。

4.3 針對不同行業(yè)的專用化應(yīng)用將受用戶青睞

隨著市場的不斷細(xì)化，生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，各行業(yè)差異化生產(chǎn)的特性需求逐漸顯現(xiàn)，引領(lǐng)著大型攪拌站控制系統(tǒng)向著專用性方向發(fā)展。高鐵、商混、管樁、PC項(xiàng)目、制梁、海工、水利、核電等行業(yè)必將得到細(xì)分，如何適應(yīng)不同的生產(chǎn)工藝要求已經(jīng)成為攪拌站控制系統(tǒng)發(fā)展的必然要求。

4.4 ERP等生產(chǎn)管理輔助功能將得到更廣泛應(yīng)用

混凝土行業(yè)規(guī)模化發(fā)展已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，更是環(huán)保的必然要求。如何將技術(shù)、倉儲、生產(chǎn)、監(jiān)管、采購、財(cái)務(wù)、銷售、車輛等多信息高效交互共享管理已經(jīng)成為制約行業(yè)發(fā)展的重要課題。ERP系統(tǒng)在工廠管理上的成功經(jīng)驗(yàn)為我們提供了可借鑒的解決方法。作為廣義大型攪拌站控制系統(tǒng)的一部分，ERP系統(tǒng)在整合信息資源分配上具有獨(dú)特優(yōu)勢，受到越來越多用戶的關(guān)注和認(rèn)可，相信在未來必將得到更廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié) 語

通過分析對比不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前大型混凝土攪拌站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多樣，性能各有側(cè)重，代表了目前我國攪拌站控制系統(tǒng)的發(fā)展水平，展示了我國在此領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步，是市場長期選擇的結(jié)果。

我們有充分的理由相信，隨著工業(yè)總線應(yīng)用的不斷推廣，大數(shù)據(jù)的深度融合，人工智能領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，我國大型攪拌站控制系統(tǒng)必將緊跟時(shí)代的步伐，擁有更加美好的發(fā)展前景。