基于PLC與HMI的瀝青貫入度儀控制系統的設計

岳曉文 趙 云

(重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 401336)

1 概述

瀝青混凝土作為公路建設中必要的材料，具有優良的抗老化性能、抗疲勞性能等。但是溫度的變化會導致瀝青混合料性能有較大的差異，不同溫度條件下路面會產生不同的損壞形式，其疲勞壽命也受溫度影響。當路面積水后，積水滲入瀝青內部，對瀝青路面也會產生很大的影響。高溫下對瀝青路面會產生不利影響，所以是否能保證瀝青混合料在高溫以及有水條件下的質量，是保證瀝青路面質量的關鍵。瀝青混合料是一種典型的流變性材料，它的強度和勁度模量隨著溫度的升高而降低，因此高溫穩定性是夏炎地區瀝青路面須有的重要性質。瀝青混凝土貫入度測試是將瀝青混凝土置入有水及高溫的條件下，測量其在一定載荷量下的變形量。因此瀝青混凝土貫入度是瀝青混凝土高溫性能的重要指標?，F有的瀝青混凝土貫入度的測試設備采用單電機單測試功能，人工獲取記錄數據，人工控制水溫等方式來進行測量，具有測試效率低、精度差、更換測試砝碼困難等問題。

新型的瀝青混凝土貫入整個系統包括自動升降裝置、下壓裝置、測試裝置、溫水循環裝置和自動控制系統等，如圖1所示，并且可同時測試3組試件，其基本的工藝為將試模和試件一起放入預先設定溫度的水浴中保溫60 min，試驗溫度可設置為50 ℃，55 ℃，60 ℃將貫入桿垂直下伸到試件表面的中央，并使其與試件表面接觸；放下貫入桿的同時開始計時，初加荷載為2.5 kgf(24.5 N)，讀取10 min時位移傳感器的讀數，精確到0.01 mm；在沒有沖擊力的情況下，將50 kgf(490.5 N)的荷重砝碼放在承重臺上，記錄1 min，2 min，3 min，5 min，10 min，20 min，30 min和60 min時位移傳感器的讀數，精確到0.01 mm，30 min時的讀數為該試件的貫入度，60 min時的讀數與30 min時的讀數之差為貫入度增量。

2 系統硬件設計

系統在測試運行過程中不僅要控制系統的運行測試，并且要求顯示實時數據曲線并保存數據，根據系統功能要求，本系統采用的硬件配置如圖2所示,即PLC通過以太網與人機界面(HMI)相連,人機界面作為上位機完成系統操作及實驗數據的顯示。

系統的開關量信號直接進到PLC的輸入端口,而系統的溫度、位移等模擬量信號由模擬量擴展模塊采集進入PLC。對于PLC輸出的控制信號通過中間繼電接到執行器。HMI監控PLC的內部狀態以及實時的溫度、位移參數,并以曲線形式顯示，以實現對工藝流程進度的監控,同時把系統工藝要求的參數設置值下傳到PLC,并在測試結束時保存實驗數據。

系統采用西門子200PLC作為控制器，其結構緊湊、功能強大、成本低[1]，并且可以方便地擴展模塊來實現對模擬量的采集和控制，另外，編程軟件使用簡便，極易實現該系統的啟停、PID的算法和自整定等。采用Smart1000作為人機交互界面[2]，實現人與PLC的動態交互，可以通過設置PID的參數、設定控制溫度和顯示當前溫度，PT100溫度傳感器作為測量反饋環節，測得過程變量當前值并送入控制器；調壓板、可控硅功率器件和電加熱套接受控制器的電流輸出而做出相應調整，進而影響被控溫度變量。位移傳感器將事件的實時位移反饋給PLC和Smart1000觸摸屏進行交互顯示測試事件的當前位移和歷史曲線趨勢等。

3 系統軟件設計

系統的軟件部分包括PLC的控制程序設計和觸摸屏的組態程序設計。在Step7-Micro/Win中編制PLC的控制程序?？刂瞥绦蛑饕撬〉暮銣乜刂坪拖到y開關量、模擬量處理，而水浴的恒溫控制是系統難點。

3.1 PLC的控制程序設計

PID作為一種自動控制方法[3]，是比例、積分、微分的縮寫，在控制領域應用廣泛。PID根據系統的給定值和反饋值之間的相對差值，按照PID的運算規律計算出結果，執行元件按照運算結果自動調節，達到被控制量跟隨給定值的變化的目的[4]。本系統的水浴恒溫控制部分采用PID控制算法。西門子S7-200PLC集成了PID指令向導，根據向導自動生成一個閉環控制過程的PID算法，在向導的指引下填寫相應的參數，就可便捷的完成PID算法的編程。在向導過程中已經完成了物理量的標定，在應用程序中無需再對物理量編程轉換，直接調用向導生成的PID子程序，就可完成PID的控制任務，且只能SM0.0作為引用子程序的唯一條件。

1)PID的參數配置。

在Step7-Micro/Win中新建項目，利用PID指令向導引導創建PID中斷子程序。單擊Micro/Win導航欄工具菜單中的功能向導，然后在指令向導窗口中選擇PID向導，進行PID配置。其中給定值的高低限的范圍，給定值的范圍與過程變量的范圍必須相對應，設置低限為0.0，高限為100.0,表示給定值占過程反饋量程的百分比。輸入輸出極性選擇單極性和20%的偏移量。完成PID向導配置后，在符號表中設置比例、積分、微分等參數的地址，如表1所示，利用這些參數地址可與HIM進行交互，方便參數的修改和編程調試。利用這些參數地址可與HIM進行交互，方便參數的修改和編程調試。

表1 PID符號表

2)PID的自整定。

在Step7-Micro/Win的PID調節面板里可以啟動、停止自整定功能使PID調節器工作在自動模式下，單擊“Start Auto Tune”啟動自整定功能，自整定控制器會自動在輸出中加入階躍擾動，使得控制過程中產生振蕩，通過階躍響應曲線，控制器自動計算出優化的PID參數。

3)控制程序調試。

將程序下載至PLC、按照系統要求設定控制溫度為60 ℃，比例增益為6，積分時間為30 min，微分時間為0，當過反饋值接近給定值且基本穩定時，啟動自整定程序，自動整定推薦比例增益為9，積分時間為41 min，微分時間為0。系統使用自整定出的推薦參數進行溫度控制，控制穩態精度可達0.5 ℃左右，效果較好，可以滿足系統要求。

3.2 觸摸屏的組態程序設計

Smart1000的人機界面組態軟件WinCC Flexible，具有良好的開放性和靈活性，功能強大，集成了圖形界面管理、歸檔系統、報警系統、報表系統、配方管理系統等組態功能[5]。對觸摸屏作組態連接時，首先在WinCC Flexible中創建新項目，設備類型選擇“Smart1000”，在“通信—連接”中選擇S7-200PLC，建立HMI與 S7-200PLC的連接[6]。在“通信—變量”中定義要與PLC交互的變量[7]，如作為人工控制的PID自整定啟動或取消變量，這些變量參數的數據類型和地址必須與PLC中對應的元素一致。組態主畫面時，設計為系統狀態監測區域、系統參數設定區域和實時曲線區域三個部分。系統狀態監測區域使用棒圖顯示恒溫水浴的當前溫度，使用I/O域顯示測試事件的位移；可通過控制PID的微分與積分時間等變量參數來設置水浴溫度，系統的啟停與自動運行等。組態的實時變化曲線，顯示出測試事件的位移曲線和實時觀測時間的變化趨勢，最終以生成報表的形式導出。

4 結語

將PLC與觸摸屏 HMI相結合，設計了一套瀝青混凝土貫入度測試裝置的控制系統，實時顯示實驗數據曲線，比傳統人工測試的方法更加簡便、實驗數據更加精準、系統更加穩定。此外，此系統已在某公司應用，大幅提升了其測試效率。