一种混凝土搅拌站控制系统设计方案

一种混凝土搅拌站控制系统设计方案 摘要：介绍了一种适合水泥制品行业使用的混凝土搅拌站自动控制系统的设计方案。本搅拌站采用工控电脑+PLC+数字化智能仪表的集散控制方式，工控电脑负责自动逻辑控制、生产过程动画显示、数据采集、数据存储和数据管理，PLC负责IO数据输入输出转换，数字化仪表负责称重传感器数据的采集、转换和传输。所有的控制逻辑用工控软件实现，系统功能模块分区清晰，外围无复杂的逻辑电路，故障少且故障点查找十分简单。工控机程序采用VC+编程，配比数据和生产过程实时采集的称量数据存储在ACCESS数据库中，供查询、分析和管理用。 关键词：工控机，PLC，VC+，多线程，串口通信，数据库中图分类号：G250文献标识码： A 在水泥制品行业中，混凝土搅拌站是关键设备，性能好坏关系到产品生产效率和产品质量，这里介绍一种适合水泥制品行业使用的搅拌站控制系统的设计实现方法。水泥制品行业对搅拌站要求是多方面的，用在商品混凝土搅拌控制方面，要求搅拌站要以很高的效率连续进行搅拌控制，不一定每斗料都控制得很精确，只要在一个可接受的误差范围内就可以，但是一车料总的配比量必须很精确，这样经过搅拌运输车一路的搅拌，还可以使不同次搅拌出来的混凝土料继续搅拌均匀，因此每一车不同盘次搅拌的料可以通过根据前盘的误差，在一定范围内调整后盘的配比的方式，使前面各盘误差为零，达到控制整车误差的目的。在水泥管道、建筑管桩、地铁管片等的工厂预制生产方面，则要求每一盘搅拌好的混凝土料都要很精确，因为这些搅拌好的混凝土料会被立即输送到设备或模具里生产成产品。在生产过程中，对混凝土配比的调用和管理，对实际搅拌数据的存储和利用，对实际砂、石、水泥等物料的实时用量和库存量掌握和管理，都需要功能强大和易于使用的管理控制系统。因为需要工控电脑直接进行实时配料控制，本系统电脑控制软件采用VC+6.0进行编程,保证控制程序运行快速、稳定,满足现场实时控制的需要。控制软件运行在win2000操作系统下,采用标准windows窗口操作方式,采用图形界面和动画控件技术,使得运行状态显示直观,操作和掌握非常容易，通过不同的菜单，可以打开不同的设置和管理窗口，很方便的实现自动控制模式的切换、各种控制参数的设置、配方的编辑和调用、生产数据的查询和管理等工作。一、系统结构描述系统以工控电脑为中心，自动控制软件是系统的核心。所有的秤重传感器输出电压通过数字化秤重仪表进行采集和处理，然后通过串口连续高速的传给工控电脑，工控电脑通过多串口卡连接不同的秤重仪表，通过连续高速读串口数据的方式实时获得各秤的重量数据用于按一定的控制方式进行秤量控制。工控机的控制指令经过编码，连续发送给PLC，PLC接收到工控机发来的数据帧后进行解码，然后根据指令打开和关闭相应的输出点进行控制。同时PLC每接收到一帧工控机的数据，即刻将PLC输入端子的状态信号进行编码回传给工控机，让工控机获得PLC输入端子的状态。这些端子状态根据接入点的不同，分别反映了斗门的开关状态和电机的运行状态等。通过和秤重仪表、PLC的通信，工控机获得了进行自动控制需要的各种数据，经过各种运算和逻辑判断，又以通信的方式通过PLC进行各种控制，并将控制状态以动画的方式在电脑控制界面里显示出来。系统软件设计涉及到VC+界面编程、通信编程、数据库编程、多线程编程和PLC软件编程等，电脑程序编制采用了模块化技术，利用C+特性，将各种功能模块编制成不同的类，通过实例化类进行调用和重复使用。二、工控机程序开发2.1界面编程 系统显示主界面是一个FormView类窗口，窗口背景是搅拌控制系统模拟图做成的位图，在窗口相应位置叠加上数码显示控件、输入控件、按钮控件、动画控件。系统菜单分三级，主菜单为系统管理，控制参数，生产管理和系统帮助，系统管理二级子菜单包含人员管理、运行管理、配方管理、计划管理、数据库管理等。控制参数二级子菜单，包含时序设置、抖动时间设置、称量提前量设置、扣秤提前量设置、自动/手动切换等。生产管理二级子菜单包含生产调度、送货单打印、当天生产数据、生产数据管理等。系统帮助二级子菜单包含系统使用说明，系统注册等。为方便菜单调用，设计了右键下拉菜单，常用功能菜单放在下拉菜单中，每一个菜单键对应打开一个对话框，完成配方管理和调用、生产计划制定、生产控制参数的设置等工作。主界面如图1 图12.2主控模块编程程序主执行循环放在CFrameWnd类中进行，程序的称量控制、时序逻辑控制和各种对话框的调用等均放在类中进行。在该类的 OnCreate中初始化了一个基本定时器SetTimer(TIME_SEQUENCE,50,AutoCycle);时间设定为50ms，每50ms都会调用一次循环控制模块，所有需要循环反复触发的事件都放在这个函数内进行，如和PLC之间的串口通信、刷新显示LED控件、称量控制和其它的逻辑时序控制等。各事件不同的触发间隔时间可以通过计数的方法在该函数内实现，如：需要一秒钟刷新显示一次LED控件，就可以通过设置一个计数变量，每循环一次计数值加50，当计数值等于1000时，执行一次刷新显示操作，然后将计数变量值清零重新进行计数累加。读秤重仪表串口的操作放在一个单独创建的辅助线程内进行，线程函数为DWORD WINAPI ThreadProc(HWND hSendWnd),线程函数里面是一个do。while（）无限循环结构，每次循环读各仪表串口一次，然后休眠15ms以后重复循环（休眠是为了避免辅助线程独占了CPU时间）。图2是建立辅助线程和主循环函数定时设置的部分代码。 图2 主循环定时和建立辅助线程部分代码 2.3 秤量控制逻辑编程称量控制功能代码放在专门的类中，并在CFrameWnd的循环控制函数中进行实例化调用。该类包含了全部的配料控制函数，有上料提前量控制、卸料提前量控制、抖动上料控制、抖动卸料控制、提前量参数自动修正等功能函数模块。本控制系统对秤量控制分为上料控制过程和卸料控制过程，秤量重量以实际卸料量为准。上料配料时，打开配料门，物流开始进入秤量斗，当秤斗实时重量 + 提前量 = 配方重量时，关闭配料门，当门完全关闭后延时一定时间，仪表传回的稳定的称量重量值就是落入秤斗的实际物料量，每次上料、卸料配料结束，调用提前量参数自动修正模块，根据实际物料量和配方要求量之间的误差对配料提前量参数运用逐次逼近的方式进行加减修正，以备下次控制使用（提前量每次的修正量可在界面中设置）。卸料配料时，根据秤斗里的物料重量和配方要求量的比较结果选择控制方式，秤斗物料重量 配方重量时,不能将秤斗的物料全部卸出放入搅拌机，此时就要考虑将多出的物料留着秤斗内，控制过程是：打开卸料门卸料，当秤斗实时重量 - 卸料提前量 = 留料量时，关闭秤斗门。此时实际进入搅拌机的物料量就是此次完整的配料过程实际秤量量，这个实际秤量量是计算得到的值，作为实际称量量存入数据库。控制系统还设有抖动补料和抖动卸料功能供用户选用，当被选中使用时，如果上料配料时落入秤斗的物料量小于配方量或卸料配料时秤斗内留料量偏多时，系统会控制上料或卸料斗门进行脉动式的开关门操作，模仿人工点动控制，让秤量斗内的物料一点一点的添加或减少（每次点动执行上料或卸料的时间的长短可以控制每次进入或卸出秤量斗的物料量，抖动时间可以在界面中设置），直到达到误差允许范围，保证实际配料的精准。 2.4 串口编程本系统工作的时候通过多串口卡上Com3到Com15的13个串口同时读13个称重仪表传来的重量数据，并通过工控电脑上的Com1口对PLC进行高速读写操作。在这个工程中，选择了利用windows 通信API进行串口通信编程。该方式是windows2000下效率较高的一种方式。采用多线程和消息机制，使用异步（重叠）I/O操作，在创建端口时，CreatFile（）函数的dwFlagesAndAttributes参数必须设为FILE_FLAG_OVERLAPPED标示，读写串口函数必需制定OVERLAPPEN结构。异步读串口函数部分代码如图3 图3 异步读串口函数代码2.5 数据库编程本系统配料数据存储采用ACCESS数据库，ACCESS是小型数据库，在数据量逐渐增多的情况下，其处理速度会越来越慢，但数据库有不需要建服务器、使用维护简单、对使用人员要求低等优点，数据库设计过程中可以扬长避短，本系统ACCESS数据库每月自动生成新的数据库文件，使用过程中不需要定期清里数据库，并通过生成合并数据库的方式满足跨月跨年查询的要求。这种设计对搅拌配料数据查询会比较慢，但是综合使用性能很好，完全满足水泥制品行业搅拌站生产使用。每月生成新数据库的方法是：建立一个只有数据库结构的空数据库文件作为自动生成数据库的模版文件，如：MixData.mdb。使用数据库前，先取得当前时间，然后以当前时间的年和月组合为新数据库的文件名，比如：201403.mdb，如果同名的数据库已经存在就什么都不做，否则就用标准数据库为模板建一个以年月为名称的新数据库文件，然后再打开数据库进行各项操作。建库代码如图4图4生成数据库代码对数据库的操作采用ADO方法，ADO是最新的数据库访问技术，它使用更加简单、更加灵活的对象模型，使用ADO作为数据访问接口是目前比较推崇的方法。使用ADO对象前，需要使用 图5 的语句 图5导入ADO库代码将ADO库文件导入到工程中。然后使用ADO库里的三个基本接口_ConnectionPtr接口、_RecordsetPtr接口和_CommandPtr接口指针对数据库进行读、写和查询等操作。三、PLC程序开发 PLC使用的是S7-200的CPU，程序在西门子的编程软件上进行编制，采用梯形图方式，程序功能主要是和工控电脑通信，接收工控电脑传来的指令信息，解码后控制相应的输出端子打开或关闭实现操作控制功能。每接收到一帧工控机的指令码，就将输入端子的状态信号进行编码打包后回传给工控电脑。程序采用自由口模式进行串口通信编程，使用自由口通信时首先要把通信口定义为自由口模式，通过设置特殊标志字节smb130，对端口1的通信协议、波特率、字符位数、校验选择等参数进行设置，通过SMB186、SMB187、SMB188、SMB189、SMW190、SMW192、SMW194等特殊标志字或字节可以设置接收控制信息，如：设置信息开始符、结束符、空闲时间、要接收的字符数等，然后利用指定的中断服务程序调用RCV指令将数据接收存放到指定的接收缓冲区内，通过XMT指令将含有编码打包好的输入端口状态字符的缓冲区的内容发送出去。四、实际运行经过多年的使用和不断改进，该系统操作简单、功能完善、生产效率高,符合水泥制品行业的特殊要求。实现了从配料、计量、误差修正、投料、数据记录、搅拌计时直到出砼的全过程的自动控制,具有可靠的安全连锁和人工干预功能。软件的秤量控制部分是特别设计的,除了具有普通控制系统的配料提前量控制功能外,还有超秤自动扣秤功能和模拟手工操作的抖动补料和抖动卸料功能,更采用了独特的扣秤提前量双参数自动选择功能，做到了小扣秤量和大扣秤量时都能确保秤量精度。控制系统的配料控制功能保证无论秤斗内有无余料都可进行配料操作，可以在配料过程中随时停止配料操作，可中途修改配比后重新启动自动配料操作，使得绝大多数情况下无需手动操作，保证配料数据的完整准确。配料数据的存储采用微软ACCESS数据库,便于在广泛使用的OFFICE软件中进行数据处理和管理。具有完备的数据查询、统计和导出功能 ，能方便的进行配料记录的管理应用，数据库不需要专人定期维护，系统运行稳定可靠。参考文献Visual C+ 串口通信技术与工程实践 李现勇Visual C+6.0 数据库开发技术与工程实践 求是科技 编著 责任编辑 张力科可编程控制器入门教程 编著钟肇新 王灏