自動(dòng)化生產(chǎn)線混合攪拌控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

張玲

(青海省重工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校 機(jī)電教學(xué)部， 西寧 810100)

0 引言

近年來(lái)，預(yù)拌混凝土行業(yè)發(fā)展迅速，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力也日漸增加，如何加強(qiáng)管理，降低成本，成為預(yù)拌混凝土企業(yè)發(fā)展關(guān)鍵。預(yù)拌混凝土[1]是確保工程建設(shè)質(zhì)量和工程進(jìn)度前提的關(guān)鍵材料，需要水泥、水、砂、石等原材料嚴(yán)格按照預(yù)先設(shè)置的比例進(jìn)行混合。預(yù)拌混凝土生產(chǎn)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，質(zhì)量要求高，必須做到“準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)”。生產(chǎn)線混合攪拌控制系統(tǒng)[2]作為混凝土生產(chǎn)線的核心控制設(shè)備，既要能夠接收工廠ERP系統(tǒng)的實(shí)時(shí)任務(wù)，還要滿足對(duì)全過(guò)程--計(jì)量、投料、攪拌和排料等進(jìn)行高精度自動(dòng)化控制。

傳統(tǒng)生產(chǎn)線混合攪拌系統(tǒng)[3]主要依賴人工操作，混合物比例以及攪拌啟動(dòng)也需要人為設(shè)定，混合物比例精度差，攪拌出來(lái)的混合物質(zhì)量較差。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，配料控制器+PLC(可編程控制器)+PC(生產(chǎn)管理機(jī))機(jī)成為目前常用的生產(chǎn)線混合攪拌控制系統(tǒng)模式[4]。但還存在一定局限性，包括配料計(jì)量中過(guò)沖量控制手段單一，且三部分?jǐn)?shù)據(jù)通信難以滿足數(shù)據(jù)的有效共享和無(wú)縫銜接，無(wú)法確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性[5-6]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)以一種自動(dòng)化生產(chǎn)線混合攪拌控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PAC控制器為核心，采用MiniHMI-1000[7]作為人機(jī)交互平臺(tái)。PAC[8](可編程自動(dòng)化控制器)具有PLC和PC的雙重特性，且具有良好開(kāi)放性和網(wǎng)絡(luò)連接功能，能很好的彌補(bǔ)基于PLC控制器的控制系統(tǒng)缺點(diǎn)。

1 自動(dòng)化生產(chǎn)線混合攪拌控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 PAC控制器

PAC控制器是自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)，其既滿足PC處理器、RAM嵌入式等軟件的優(yōu)勢(shì)，還具有PLC的堅(jiān)固性、可靠性以及分布特性。PAC控制器集成具有多種功能的開(kāi)發(fā)平臺(tái)、開(kāi)放式接口以及分布式架構(gòu)，可以滿足單一用戶單一平臺(tái)多種功能的需求。同時(shí)，PAC控制器使用軟邏輯技術(shù)手段，可以同多種應(yīng)用程序如HMI軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件等同時(shí)并存，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)集成，方便快速、低成本等。本文采用的是研華PAC系統(tǒng)--ADAM-5550KW系統(tǒng)。

1.2 總體框架

生產(chǎn)線混合攪拌控制系統(tǒng)采用自動(dòng)化控制方式，首先通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行PAC編程，并對(duì)人機(jī)交換平臺(tái)進(jìn)行組態(tài)界面的制作和下載。通過(guò)人機(jī)交換平臺(tái)將配置比例傳送到PAC，并可以監(jiān)控配置原材料的重量顯示。通過(guò)拉力傳感器采集重量信息，并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳送到PAC，PAC據(jù)此控制變頻器，對(duì)下料進(jìn)行攪拌速度調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)組成包括人機(jī)交互平臺(tái)、變頻器、PAC控制器等部分組成，如圖1所示。PAC控制器采用研華的ADAM-5550KW系統(tǒng)；人機(jī)交互平臺(tái)選用的是MiniHMI-1000人機(jī)界面，通過(guò)雙以太網(wǎng)與PAC控制器連接。

圖1 攪拌控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)攪拌速度高精度控制，采用反饋、控制算法進(jìn)行，具體來(lái)講計(jì)算機(jī)端口進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)采集，PID算法處理采集的電機(jī)轉(zhuǎn)速，并輸出相關(guān)參數(shù)，通過(guò)變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算機(jī)端口繼續(xù)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。具體如圖2所示。

圖2 電機(jī)PID調(diào)節(jié)圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 稱重模塊

稱重模塊采用計(jì)量秤形式進(jìn)行。設(shè)計(jì)過(guò)程中，計(jì)量秤既要滿足模擬信號(hào)處理、配合比設(shè)定功能，還要滿足粗細(xì)添加功能，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)的修正能力和過(guò)沖量控制功能。另外，計(jì)量秤還要具有在線的補(bǔ)秤、扣秤、標(biāo)稱等功能，滿足多種參數(shù)設(shè)定能力。

重量采集組成包括秤體與拉力傳感器，主要功能是依據(jù)稱重模塊的配合比設(shè)定，對(duì)經(jīng)過(guò)下料閥門的原材料進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的重量測(cè)量，并快速關(guān)閉或開(kāi)啟下料閥門。啟動(dòng)計(jì)量，將獲得的重量信息設(shè)置為零，開(kāi)啟下料閥門，比較增加的重量，通過(guò)粗細(xì)添加功能和上次加料的過(guò)沖量，關(guān)閉下料閥門；延時(shí)目的是進(jìn)行誤差判斷，如果誤差過(guò)大，執(zhí)行點(diǎn)動(dòng)布料功能，否則自動(dòng)進(jìn)行過(guò)沖量修正與更新。所謂過(guò)沖量是指已經(jīng)通過(guò)下料閥門但尚未達(dá)到秤體上的原材料。

2.2 PAC控制器

PAC控制器采用的是研華的ADAM-5550KW系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定ProCon OS內(nèi)核引擎和強(qiáng)大的Multiprog KW，含有8個(gè)槽底板，具有16位高精度模擬量輸入模塊，16通道數(shù)字量輸入模塊和16通道繼電器輸出模塊。接收生產(chǎn)指令，完成計(jì)量、投料、攪拌和排料過(guò)程。具體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 ADAM-5550KW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

此外，ADAM-5550KW控制器中的WINCE操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和系統(tǒng)配置軟件，因此可與人機(jī)交互平臺(tái)連接，并將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在擴(kuò)展的大容量CF卡上，脫離人機(jī)交互平臺(tái)組成一套簡(jiǎn)易、可靠的監(jiān)控平臺(tái)。

在具體設(shè)計(jì)上，控制器ADAM-5550KW的1路RS-485總線做主機(jī)控制變頻器，一路通過(guò)雙以太網(wǎng)做從機(jī)，和人機(jī)交互界面進(jìn)行通信，接收人機(jī)交互界面設(shè)定的配置與程序，并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳遞給人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示。另外12位ADC，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)定時(shí)器進(jìn)行點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速捕獲，通過(guò)反饋方式進(jìn)行PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

2.3 電源模塊

電源模塊要實(shí)現(xiàn)安全可靠運(yùn)行，要依照功能進(jìn)行分類處理，該系統(tǒng)采用的具體分類模式為：供應(yīng)秤變送器采用12V的線性激勵(lì)電壓信號(hào)；ADAM-5550KW控制器部分采用的是24V線性電源；現(xiàn)場(chǎng)的24V電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源采用開(kāi)關(guān)電源。這種模式的供電方式，可以有效避免多種干擾，譬如電網(wǎng)干擾、電源干擾、電機(jī)啟停干擾等，確保了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 系統(tǒng)通信

系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)、PAC和變頻器三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。控制器采用雙以太網(wǎng)端口組成可靠的冗余以太網(wǎng)連接，與人機(jī)交互平臺(tái)連接，使控制系統(tǒng)更加安全更加可靠。變頻器和PLC通過(guò)RS-485總線通信。RS-485總線作為一種設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)，具有傳輸速度高、傳輸價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)控制器和分散I/O信號(hào)間，采用RS-48總線通信，可以實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速系統(tǒng)的高速響應(yīng)要求。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序流程

ADAM-5550KW控制器采用模塊化編程方式，包括初始化程序、配合比傳送程序、計(jì)量秤程序、配料、攪拌邏輯控制程序以及上位機(jī)通信程序等模塊，如圖4所示為系統(tǒng)控制攪拌部分流程圖。

圖4 系統(tǒng)控制攪拌部分流程圖

3.2 MiniHMI-1000人機(jī)界面

MiniHMI-1000是一款性能高的管控一體化人機(jī)界面，有廣州省致遠(yuǎn)電子有限公司生產(chǎn)，滿足以下特點(diǎn)：

(1) 微處理采用工業(yè)級(jí)32bit的嵌入式RSIC，具有高達(dá)400MHz的主頻頻率；

(2) 輸入接口采用4路CVBS視頻接口，可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)工程作業(yè)區(qū)畫(huà)面；

(3) 顯示屏采用工業(yè)級(jí)液晶顯示器，具有高亮度、高對(duì)比度，大小為10.4英寸，具有26萬(wàn)色；

(4) 可支持ICAN、DeviceNet等多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議和VGA擴(kuò)展顯示接口；

(5) 可與大容量存儲(chǔ)設(shè)備連接，對(duì)關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品配方進(jìn)行有效保存。

如圖5所示，為MiniHMI-1000人機(jī)界面實(shí)物圖。包括運(yùn)行監(jiān)控和設(shè)置頁(yè)面兩部分。其中工作人員可以通過(guò)運(yùn)行監(jiān)控實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，攪拌情況等；高級(jí)工作人員可

圖5 MiniHMI-1000人機(jī)界面實(shí)物圖

以通過(guò)驗(yàn)證身份進(jìn)行設(shè)置頁(yè)面進(jìn)行相關(guān)參數(shù)修改。

4 總結(jié)

本文采用PAC控制器為核心，采用MiniHMI-1000作為人機(jī)交互平臺(tái)，通過(guò)反饋、控制算法設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化生產(chǎn)線混合攪拌控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1) 控制器采用PAC控制器，邏輯控制功能強(qiáng)大，可靈活進(jìn)行計(jì)量控制，網(wǎng)絡(luò)連接方便快捷，可以充分實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性、自動(dòng)性、高精度控制，控制分辨率可高達(dá)1ms；稱重誤差可控制在0.5%。

(2) 采用MiniHMI-1000作為人機(jī)交互平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)安全可靠、高精度的自動(dòng)化攪拌控制，降低人工控制成分，通過(guò)反饋閉環(huán)控制方式進(jìn)行電機(jī)控制，可以提高電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)精度。