基于組態王的混凝土攪拌站控制系統設計

歐美英 蘇學祥 葛浩 谷勝偉 李玲純

【摘? ?要】? ?混凝土在各類基建項目中是最基本的需求，而它的各種指標直接影響著工程的質量和基建成本。主要利用組態王設計了一種混凝土攪拌站控制系統，該系統可以對混凝土生產中的配料、輸送、攪拌、卸料等各個過程實現自動化控制，同時利用組態王的畫面顯示功能，實現了系統運行狀態的實時監控，進而提升混凝土生產的質量和效率。

【關鍵詞】? ?混凝土攪拌站;配料;組態王

Design of Control System of Concrete Mixing Plant Based on KingView

Ou Meiying? Su xuexiang? Ge Hao? Gu Shengwei? Li Lingchun

（Chuzhou University， Anhui Chuzhou 239000）

【Abstract】 Concrete is the most basic demand in all kinds of infrastructure projects， and its various indicators directly affect the quality of the project and the cost of infrastructure construction. In this paper， a concrete batching plant control system is designed based on KingView. The system can realize the automatic control of batching， conveying， mixing， unloading and other processes in concrete production. At the same time， using the screen display function of Kingview， the real-time monitoring of system operation status is realized， and the quality and efficiency of concrete production are improved.

【Keyword】 Concrete mixing plant; Batching; KingView

〔中圖分類號〕? TP278 ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）01- 0000 - 00

0?   ?引言

在各類基建項目中，混凝土得到了普遍的應用，產值規模迅速膨脹，但它的各種指標影響著工程的質量和成本[1]。最初，混凝土生產是基于人工的，即施工人員將制作混凝土的原材料依次在磅秤上稱量，接著將各種準備好的原料放入攪拌機中攪拌，攪拌均勻后才能用于施工。其生產所需原材料的重量能否按照事先確定的比例在較大程度上取決于計量施工人員的技術水平以及其的責任感。效率不高以及計量準確度方面存在誤差是這種生產方式的主要缺點，這些缺點對建筑物的質量和成本產生了很大的影響。

為了在滿足施工所需混凝土的各種技術要求下進一步的提質增效，集中式的混凝土攪拌站應運而生。攪拌站是對混凝土的原材料按照一定的比例進行配比，再攪拌混合的場所。這種集中式的混凝土生產方式，為在混凝土攪拌進行自動化、大規模生產提供了基礎條件。混凝土的自動化生產需要一個完善的混凝土攪拌站控制系統進行支撐。

過去混凝土攪拌站主要使用繼電器控制，其自動化程度較低，工作效率不高[2]。隨著技術的發展，混凝土攪拌設備通過技術融合具備了可控性;通過對混凝土攪拌設備的控制可實現混凝土生產的自動化。如，通過可編程邏輯控制器（PLC， Programmable Logic Controller）與組態軟件相結合，對整個生產過程進行實時監控，實現了混凝土生產的自動化控制，因此在技術上設計一個混凝土攪拌系統已經較為成熟。另外，隨著國家對基礎實施建設轉向以高速鐵路、軌道交通等新基建項目為主的現狀，也對混凝土的生產質量和效率提出了更高的要求，研發出兼具精確度和高效率的攪拌站控制系統以提升混凝土生產的自動化水平是迫切需要解決的問題。基于以上原因，本文利用組態王設計了一種混凝土攪拌站控制系統，該系統可以對混凝土生產中的配料、輸送、攪拌、卸料等各個過程實現自動化控制，并對生產運行過程進行實時監控，進而提升混凝土生產的質量和效率。

1? ? ?系統結構

1.1? ?系統結構概述

系統采用組態王軟件作為上位機，西門子 S7- 200 PLC作為下位機[3]，模擬混凝土的生產過程。通過設計的組態界面，實現了混凝土生產中每個步驟的協調控制，并能對系統的運行狀態進行實時監控。PLC和組態王兩者的結合可以對混凝土生產的整個流程數據進行實時分析匯總，及時發現系統中不合理的地方并對其進行調整，從而提高生產效率，節約生產成本。

該控制系統將組態王作為人機接口，操作人員利用組態王發出控制信號，通過RS232串口將控制信息傳送到PLC中，PLC通過控制相應的繼電器，使執行機構執行相應的命令。系統的結構框圖如圖1所示。

1.2? ?混凝土攪拌站生產流程

混凝土是將沙料、石料、水以及添加劑按照比例混合而成的一種混合物，它廣泛應用于建筑、橋梁等各種工程當中[4-5]。混凝土攪拌站就是隨著工程對混凝土質量要求不斷升高的條件下而催生出的一種專業生產混凝土的場所，具體生產流程如圖2所示。

2? ? ?系統控制

混凝土攪拌站大體上可以分為以下幾個部分：料斗設備、攪拌設備、稱量設備、傳送設備以及其它一些相關的輔助設備。結合實際工作情況將系統分為自動和手動兩種工作模式。

（1）手動模式下，操作人員可以手動控制各個設備的啟動或者停止，實現配料、傳送、攪拌、卸料等相應的功能。

（2）自動模式下，按照生產所需要的混凝土標號，設置好配方，按下開始按鈕，整個系統開始運行，直至完成整個生產流程。

2.1? ?傳送控制

在本次設計中輸送設備主要有水泵、螺旋輸送機以及傳送帶，在設計時，應該合理選用輸送骨料所用的電動機，避免物料過多，電機啟動轉矩不足的情況發生。同時使用變頻器控制電機的運行速度，使電機的運行速度可以在高速與低速之間反復切換，以提高配料的速度和精度。

此外傳送帶的動作設定還應注意以下問題：為了避免傳送帶在沙料和石料往傳送帶上卸料時，物料在傳送帶堆積過多，要讓傳送帶在儲料斗下方閘門打開前一分鐘開始運行。在實際運行的過程中為了避免稱重好的物料遺漏在傳送帶上，應讓傳送帶電機多運行一段時間，避免物料遺漏過多影響配料的精確度，進而影響混凝土的質量。

2.2? ?儲料斗卸料控制

儲料斗卸料的控制過程為：骨料通過螺旋輸料機輸送到儲料斗內，在儲料斗下方閘門處設置重量傳感器，骨料的卸料主要是通過儲料斗下方閘門實現。系統設置了兩個啟動卸料的條件：其一是通過測量儲料斗內部物料的實時重量，將它和配方所需要的物料重量相減，計算的重量差等于零時，閘門打開，儲料斗開始卸料，其二是手動卸料，通過按下卸料按鈕，系統執行卸料操作。

2.3? ?攪拌機升降控制

在實際生產中，攪拌機在高處攪拌物料，在準備卸料時，攪拌機需要先下降，卸料完成后上升。具體的操作是：在攪拌機上升以及下降的極限位設計限位開關，當觸發開關時，系統將信號傳遞給控制攪拌機升降的電機，進而控制電機的啟動或者停止。攪拌機的升降主要由電機的正反轉控制，為了避免電機的正反轉出現干擾，對電機采用互鎖的控制方式。

3? ? ?系統設計

3.1? ?通信和變量建立

3.1.1? ?通信建立

打開PLC編程軟件，在頁面左側找到“系統塊”，點擊“系統塊”找到“通訊端口”，設定端口的數值。

打開組態王工程瀏覽器，在頁面左側尋找“設備”，接著在設備目錄下找到“COM2”，雙擊COM2，進行通信設定，設定數值時必須要與PLC中的設定保持一致[6]。具體設置的數值如圖3所示。

3.1.2? ?構造數據庫

實時數據庫是組態王的重要組成部分，數據庫中變量的集合稱為數據詞典[7]。通過構建數據詞典，實現組態王用戶可將自己所構建的組態模型進行仿真測試，也可以實現與PLC的通訊連接。在按照實際需求定義變量時，要注意變量的類型以及數據類型，避免因數據類型錯誤影響組態的正常運行。如圖4是攪拌機設定。

3.2? ?組態監控畫面設計

3.2.1? ?構建組態畫面

組態畫面包括主畫面、配料監控畫面、卸料監控畫面、配方設定畫面、報警畫面、實時曲線畫面、歷史曲線畫面。當控制系統出現故障或者緊急停止時，相應的信號通過報警的形式顯示在組態的報警界面中，使工作人員能夠及時發現并對故障進行維修。在設計時，畫面右側設置了畫面標注，方便切換畫面。

（1）主畫面

根據設計思路，在利用組態王仿真畫面時，添加了運行指示燈，顯示各個電機的運行狀態，在主畫面中設置一組鈴，用于提醒操作人員。同時在構建畫面時設立緊急停止按鈕，進而可以使整個系統在故障時能夠以最快的速度暫停運行，進而避免重大事故的發生，從而使系統有更好的人機交互功能。系統對應的主畫面如圖5所示。

（2）配料監控畫面

本次設計中，計量監控系統采用獨立計量的方式，即為每一種物料配備單獨的計量單元。監控畫面包括：骨料稱重監控、粉料稱重監控和水量計量監控三部分。

① 骨料稱重監控

在構建組態畫面時，為了更好的實現人機交互，設計時在儲料斗右側添加了顯示條，便于觀察料斗內部物料的多少，避免骨料過多流出儲料斗，同時為了監測物料的實時重量，畫面中加入了如圖5所示的重量顯示屏，實時監測物料重量。

在系統運行的過程中，漏天存放的砂料以及石料經螺旋輸料機輸送到各自的儲料斗內稱量物料重量，待稱重結束之后，儲料斗下方閘門打開，儲料斗卸料，物料經儲料斗下方傳送至攪拌機內。

② 粉料稱重監控

在稱量粉料重量的時候，粉料由鋼結構筒倉經螺旋輸料機輸送到臨時稱量的儲料斗內，開始計量物料的重量，計量完成，系統給出反饋信號，經CPU處理后給出啟動氣動蝶閥信號，儲料斗下方氣動閥門打開，儲料斗內的粉料流入攪拌機。

③ 水量計量監控

水泵在控制系統的控制下，將水從水池中泵出，經過流量計計量水量后經水管流入攪拌機內，當傳感器計量到預設值時，水泵停止，電磁閥關閉，避免計量好的水回流，影響混凝土的塌落度。

（3）卸料監控

攪拌機攪拌到達預定的時間后，物料攪拌完成，系統給出控制信號，攪拌機開始下降，攪拌機下降到最低位置時，觸碰到下方的限位開關，此時反饋信號傳遞到CPU，CPU給出控制信號，控制攪拌升降電機停止，此時攪拌機開始卸料，卸料完成后系統給出反饋信號，攪拌機上升，當達到上限位時停止，準備下一次生產。

（4）報警畫面

在報警畫面里記錄著報警具體時間以及報警的變量，制作該畫面能讓運行人員及時收集到系統的運行狀態，當某個變量的運行數據與預先設定的值偏差較大，超出預先設定的范圍時，系統給出報警信號，方便運行人員及時發現問題，準確快速的找到故障原因，方便維修。歷史報警畫面如圖6所示：

（5）曲線畫面

曲線畫面主要包括實時曲線畫面和歷史曲線畫面。實時計量曲線畫面，主要顯示混凝土各種原料重量的實時變化趨勢;歷史計量曲線畫面，主要顯示混凝土的各種原材料重量在整個生產過程中的變化趨勢。為了區分曲線的類型，在構建曲線畫面時，在曲線右側標注曲線所對應的變量，同時不同的曲線使用不同的顏色，方便操作人員區分。

構建好組態畫面之后，對各個模塊設置動畫連接并編寫命令語言，進而實現畫面運行。編寫的部分命令語言如圖7所示。

4? ? ?系統運行與調試

將PLC與組態王通過RS232通訊串口連接起來，將梯形圖程序下載到PLC中，打開“混凝土攪拌站控制系統”主畫面，具體實現功能運行如下：

攪拌站按照事先定好的配方開始生產混凝土時，將生產所需要的水、水泥、添加劑輸送到攪拌機中，攪拌機開始攪拌，使生產混凝土的原材料均勻混合在一起，在攪拌機的另外一邊，黃沙和石子由運輸設備運送到對應的料斗內，由料斗下部的稱重傳感器監視物料的重量，稱重沙石重量時，控制系統用分別控制兩個輸送機構輸送物料，并利用變頻器控制傳送物料速度的快慢，從而減低計量時間和提高稱重的準確度。待其達到規定好的重量后，對應料斗的閥門開啟，石子和黃沙將會一起卸到傳送帶上，通過傳送帶將種原材料輸送到攪拌機里，從一開始，攪拌機就處于正常運轉的狀態。攪拌到達規定的時間后，將混凝土卸到事先準備好的運輸設備中，適當增加卸料的時間，確保盡可能的卸完攪拌好的混凝土，卸料完成后，一次循環結束，準備開始下一次生產。

5? ? ?結語

本文基于組態王設計了一個混凝土攪拌站控制系統，并且利用組態王建立了仿真工程，將混凝土的生產過程以圖形化的界面進行展現和實時控制。系統通過組態王的人機接口，代替了過去復雜的儀表以及操作按鈕，提升了產品質量和生產效率。系統通過主監控畫面可以清楚了解各部件的運行狀態，準確觀察現場生產工作流程。另外，曲線畫面以數形結合的方式進行展現，可直觀的監控各種物料的變化趨勢。當控制系統出現故障時，可以通過報警界面查看故障原因，并及時進行維修處理。同時該系統可根據用戶需求，彈性修改配方，進行配方參數設置，有效地解決了人工操作效率低，配料精度低等問題，同時還提高了生產過程的可靠性和高效性。通過該控制系統，操作人員還可以利用組態王提供的數據信息做到邊生產、邊調整，提高了生產效率，經實踐證明，該控制系統穩定可靠，故障率低，人機界面友好，具有較高的實用價值。

[參考文獻]

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