混凝土搅拌站监控系统

辽宁科技大学本科毕业设计 第 38 页混凝土搅拌站监控系统摘 要随着城市化建设的不断发展，国家对基础设施建设的投资力度加大，拉动了城市预拌商品混凝土的高速发展，以往那种由工地自行生产混凝土的方式由于其质量难以保证、噪音及粉尘污染大，因而必将被自动控制的混凝土搅拌站所取代。自动控制的混凝土搅拌站具有产品质量优良稳定、生产成本低、环保性能良好等特点，正在成为混凝土生产的主流。作为混凝土搅拌站的核心，监控系统在计量精确、控制可靠、管理方便等方面的要求日益提高。本文针对混凝土搅拌站当前存在的影响混凝土生产质量的计量误差、计算机集中控制以及管理功能等方面进行研究和设计。首先对混凝土搅拌站的发展、生产工艺、监控系统的国内外现状等进行了全面论述，并进行基于PLC和工控机的混凝土搅拌站控制系统总体设计。然后对混凝土搅拌站的称重系统进行分析、选型和设计研究。最后根据混凝土搅拌站的工艺流程，进行PLC系统的设计，并采用组态软件WinCC设计一系列的系统监控画面、配方和其它功能窗口等动静态界面。本文介绍的混凝土搅拌站自动化控制系统，此系统以工控机为上位机，PLC为下位机，基于组态软件WinCC操作平台，提供了一种实用的混凝土搅拌站自动化系统方案。关键词：混凝土搅拌站；集散控制系统；可编程控制器；工控机Concrete mixing station monitoring systemABSTRACTAs the continuous development of urbanization construction, and invest heavily in the infrastructure construction, which pull the development of the premixed concrete. The concrete produced by concrete construction plant itself, will certainly instead by the automatically controlled concrete mixing plant, because its low quality、noise and the high particulate pollution, the automatically controlled concrete mixing plant has the advantage of height quality, low cost, good environmental performance and so on. And it is becoming the main stream of the concrete production. As the core of the concrete mixing plant, the request to the monitoring system becomes higher and higher at the accuracy of gauge, quality control reliability and easy management. This paper aims to study and design the metering error to the concrete production and the computer DCS and so on of the concrete mixing plant. At first, this paper fully discusses the status of the development, production technology and the monitoring system of the concrete mixing plant, and overall design to the control system of the concrete mixing plant which based on the PLC and IPC. Finally, on the basis of the process flow of the concrete mixing plant, design the PLC system, the takes configuration software-WinCC designs a series of hardware monitor pictures, formula and some other function windows. The concrete mixing plant automatic controller in this paper takes IPC as upper compute, PLC as lower computer, on account of the configuration software-WinCC operating deck, it supports a kind of practical concrete mixing plant automation system.Key Words：concrete-mixing-station；DCS；PLC；IPC目 录1 综述11.1混凝土搅拌站的背景及意义11.2国内外现状11.3本文研究的主要内容22 混凝土搅拌站系统概述32.1混凝土搅拌站32.1.1混凝土搅拌站的分类32.1.2 混凝土搅拌站的组成62.1.3 混凝土搅拌装置的工艺流程72.2混凝土搅拌站监控系统82.2.1 配料称重系统92.2.2 控制系统103 混凝土搅拌站监控系统软件设计133.1组态软件的发展趋势133.2组态软件WinCC的概述143.2.1 WinCC的体系结构143.2.2 WinCC的性能特点174 混凝土搅拌站系统的实时监控194.1功能设计194.2混凝土搅拌站系统实时监控功能的实现204.2.1 监控画面204.2.2 系统登陆244.2.3 配方调整244.2.4 信息输入264.2.5 记录查询284.2.6 参数设置294.2.7 校称314.3小结32结论33致谢34参考文献35附录361 综述1.1混凝土搅拌站的背景及意义随着城市现代化建设的高速发展，混凝土作为当代最主要的的土木工程材料之一，其需求量日益增大，最初的搅拌站仅以单机形式出现，混凝土自拌自用，随着搅拌站的需求量越来越大，计量要求越来越高，于是出现了各种不同形式带有计量装置的搅拌站，从而产生了现代化的混凝土搅拌站。随着计算机技术、自动检测和传感技术、自动控制技术以及通信技术的发展，测量的直观、准确、智能化和控制的可靠及其过程自动化与信息管理自动化无疑已成为混凝土搅拌站的发展方向。搅拌站混凝土具有专业化大生产的特点，不仅能提高劳动生产率、节约水泥、降低成本、减少施工面积，而且能减轻污染，有明显的经济效益和社会效益。混凝土搅拌站的设计与选型是最关键的一步，只有做好合同的谈判和实施，选择经济合理的设计方案、选购优质的成套设备，并做好安装调试、培养合格的操作和管理人员，才能成为设备正常运行建立可靠的保证，从而产生良好的经济效益。1.2国内外现状自从1903年世界上第一座混凝土搅拌站建造以来，混凝土作为独立的产业已有100多年的历史。随着各国经济的发展，混凝土搅拌站得到了快速发展。目前，德国、美国、意大利、日本等国家的搅拌站在技术水平和可靠性方面处于领先地位。国外生产的搅拌站一般生产率在50m/h-300m/h，对于商品混凝土生产，搅拌站形式应用比较普遍，尤其是在大型工程中被采用。我国混凝土搅拌站是从50年代开始的，在其发展过程中，形式的选取和主要技术参数基本上是根据用户要求和参考国外产品的自由状态。国标10171-88混凝土搅拌站分类和GB10172-88混凝土搅拌站技术条件的颁布实施，将混凝土搅拌站的研制和生产纳入了标准管理的轨道，为其发展奠定了基础。产品技术标准和预搅拌混凝土标准的要求中，对于混凝土搅拌站的技术指标已达到发达国家水平。当今国内生产的混凝土搅拌站质量迅速提高，逐步取代了进口搅拌站，在国内已经占主导地位，其控制系统也得到快速发展1,2。自八十年代以来，我国混凝土机械有两次战略性产品结构调整，对行业的发展起到了举足轻重的作用。一是八十年代初期混凝土搅拌机的升级换代，由双锥反转型、立轴和卧轴强制式混凝土搅拌机替代鼓筒型搅拌机，现在这三大系列产品的技术性能已达到国外同类机型的先进水平，从质量到数量上满足了国内需求；二是八十年代末到九十年代初“发展一站三车（即混凝土搅拌站、混凝土搅拌输送车、臂架式混凝土泵车和散装水泥车），把我国商品混凝土机械搞上去”的战略，全面发展的深层次要求。经过科研院所和生产企业的共同开发，实时引进国外先进的混凝土搅拌输送车技术，使我国在商品混凝土机械的设计、制造能力和水平都有了很大提高，一些产品已有批量生产，其技术水平与当今世界水平同步，减少了进口，节约了外汇，取得了较好的经济效益和社会效益。在“十五”乃至2010年期间，我国要建设一大批大型煤矿、油田、电站、机场、港口、高速铁路、高等公路等重点工程，同时也要进行大量的城市道路、城镇住宅的开发与建设，这都需要大量的混凝土。所以现在正是大力发展混凝土机械的大好时机，作为“一站三车”中的一站，混凝土搅拌站有举足轻重的地位。1.3本文研究的主要内容本课题主要研究混凝土搅拌站监控系统的整体设计方案，对混凝土搅拌站的发展、主要机构、生产工艺以及国内外主要产品进行了全面论述，同时对监控系统进行总体设计。同时根据混凝土搅拌站的工艺流程，利用WinCC实现了对现场的控制。2 混凝土搅拌站系统概述根据中华人民共和国国家质量监督检验疫总局2003年12月1日发布的中华人民共和国国家标准知：“预拌混凝土就是将水泥、集料、水以及根据需要掺入的外加剂、矿物掺合料等组合按一定比例，在搅拌站经计量、搅拌后出售并采用运输车，在规定时间内运至使用地点的混凝土搅合物。”目前，在发达国家，商品混凝土占全国混凝土产量的比重已达85%，我国上海、天津等大城市也已达到60%，但就全国而言还不足15%。随着中国经济和城市现代化建设的快速发展，以往那种由工地自行生混凝土的方式由于其质量难以保证、噪音及粉尘污染大、自动化程度及其生产效率低，因为必将为自动化控制的混凝土搅拌站所取代。自动控制的混凝土搅拌站具有产品质量优良、生产成本低、生产效率高、环保性能优良等优点，正在成为混凝土生产的主流3。混凝土搅拌站是一种在建筑、道路、桥梁、大坝等施工中行业中必备的施工机械，是比较复杂的机电一体化设备，有搅拌主机、骨料系统、粉料系统、供水系统、外加剂系统、气动系统和控制系统等组成。骨料系统、粉料系统、供水系统、外加剂系统主要作用是在控制系统的作用下来称重、输送混凝土生产所需的各种原材料，搅拌主机的作用是搅拌已按一定比例混合的各种原材料，气动系统的控制系统的部分执行单元，例如开关投料门、卸料门等。整个生产过程即称量、输送、投料、搅拌和卸料都是在控制系统控制下自动完成。显然，它是一个受多环节制约的复杂系统。混凝土搅拌站的搅拌性能、物料动态配比、物料动态称量精度、供水量等直接影响混凝土质量。2.1混凝土搅拌站2.1.1混凝土搅拌站的分类为了适应经济建设的需要，混凝土施工应向机械和自动化的方向发展。混凝土搅拌装置按照移动性大体可以分为三种类型4,5：1、固定式搅拌站这是一种大型的混凝土搅拌站装置，生产能力大，一般是一阶式上料或混凝土结构的搅拌站，它主要用在商品混凝土工厂、大型预制构件和水利工程工地。以搅拌机为主机，以水泥、砂、石子和水以及添加剂等原料的贮存、计量、输送设备配套来组成的，它实现了混凝土生产的全机械化和自动化，生产能力强，生产质量好。但其结构较为高大笨重，不便拆装和迁移。2、装拆式搅拌站这种搅拌站是相对固定式而言，由几个大型组件拼装成。投资少，建设快，比较经济。适用于混凝土用量不大的工程。结构构成与固定式搅拌站类似，混凝土的生产过程采用电气程序控制，机械化、自动化程度高，且体积小、重量轻，拆装容易，移动方便；但其生产率通常比固定式搅拌站要小。装拆式搅拌站适用于中小型混凝土制品站及分散的中小型建筑施工现场。目前我国使用的拉铲式搅拌站、皮带机上料的二阶式搅拌站大部分属于这种类型。3、移动式搅拌站这种搅拌站是把搅拌装置安装在一台或几台拖车上，可以随时转移，机动性好，主要适应于移动性较强以及一些临时的工程项目中，如道路、桥梁等建设项目。另外混凝土搅拌站按生产工艺划分为一阶式（单阶式）搅拌站和二阶式（双图 2.1 一阶式搅拌站工艺流程阶式）搅拌站。图2.1为一阶式搅拌站工艺流程，物料（主要指骨料）经一次提升到最高点，然后垂直下落进行计量并进入搅拌机中搅拌。一阶式搅拌站有时采用多个搅拌主机，但由于分料、控制比较复杂，而且目前搅拌主机的可能性较高，因此这种方式很少采用。这种设备的优点是由于一般采用全封闭形式，所以能够适应很多恶劣的气候条件，并且整套设备的使用寿命长。同时，由于空间大，设备布置方便，维修性好，因此可靠性高。缺点是占地面积大，一次性投资大。搅拌站一般适用固定场合，如商品混凝土厂及预制厂等，也使用于大型工程。图2.2为二阶式搅拌站工艺流程，物料（主要指骨料）需经过二次提升，即计量完毕后，再经皮带机或提升斗提升到搅拌机中搅拌。这种结构的优点是结构紧凑，一次性投资小，但维修不方便，整套设备的使用寿命。一般适用于中小型混凝土厂及大中型混凝土施工工程。图2.2 二阶式搅拌站工艺流程一阶式和二阶式搅拌站的另一个区别是生产率有差别，即使使用同样的搅拌主机，二阶式的生产率要比一阶式搅拌站低。为了解决生产率及占用场地的问题，目前国际上较盛行的一种产品是介于一阶式和二阶式之间的搅拌站，其特点是骨料计量后提升到搅拌机上方的储料等内，当程序要求投骨料时，将骨料投入搅拌机中，这样骨料在储料斗中等待时，骨料计量可以同时进行，从而提高了生产率。这种方法其优点是既提高了生产率，又减少了占地面积。本文中所提到的搅拌站是指二阶式搅拌站。除上述常用的两种分类方法外，还可以按其它分类方法分类，如按搅拌站是否配置搅拌站并加水搅拌分为干料配料站和湿搅拌站，按配置搅拌机的进料连续性分为连续式搅拌站和间歇式搅拌站，不过干料配料站和连续式搅拌站一般在我国不经常使用，本文所提及的搅拌站均为间歇式湿搅拌站。2.1.2 混凝土搅拌站的组成一个全套的搅拌装置是由许多台主机和一些辅助设备组成，它最基本的组成部分有以下五个：运输设备、料斗设备、称量设备、搅拌设备和辅助设备6。1、运输设备运输设备包括骨料运输设备、水泥输送设备以及水泵等。骨料运输设备有皮带机、拉铲、抓斗和装载机等，其中皮带机时搅拌装置中最常用的骨料运输设备，而且是一阶式搅拌站唯一可采用的运输设备。水泥输送设备基本上有两种类型：机械输送系统和气力输送系统。机械输送系统由斗式提升机和螺旋输送机组成。气力输送系统是使水泥悬浮在空气中，将这种混合气体沿管输送，它由喂料机、输送管道和收尘器组成。2、料斗设备料斗设备由储料斗、卸料设备（闸门、给料机等）和一些其它附属装置组成。料斗设备在生产中起着中间仓库的作用，用来平衡生产。在混凝土搅拌装置中，用料斗设备配合自动秤进行配料。所以，它是工艺设备的组成部分，并不是大宗物料的贮存场所。根据制作贮料斗所用的材料不同，贮料斗分为钢贮斗、钢筋混凝土贮斗、木贮斗等；从外形上分，常用的有方形和圆形。圆形贮斗又叫筒仓。给料机和闸门都是贮料斗的卸料设备。闸门控制贮料斗卸料口的开启和关闭的，大多是气动的，其结构简单，卸料能力大，但是只有当物料是完全松散状态时，才能比较均匀地控制料流。而采用给料机卸料时，就比较容易控制均匀地卸料，给料机都是电动的。闸门的类型很多，但在混凝土搅拌装置中最常见的是扇形闸门，它由压缩空气缸来操纵，骨料（石子和砂）都是采用闸门给料。给料机常用的是螺旋给料机，粉料（水泥等）采用螺旋给料机给料。3、称重设备称重配料设备是混凝土生产过程中的一项重要工艺设备，它控制着各种混合料的配比。称量配料的精度对混凝土的强度有着很大的影响。因此，精确、高效的称量设备不仅能提高生产率，而且是生产优质高强混凝土的可靠保证。一套完整的称重设备包括贮料斗、给料设备（闸门或给料机）和称量设备等。对称量设备的要求，首先是准确，其次是快速。称量的不精确将对混凝土的强度产生很大影响，同时又要满足一定的生产率。称量设备从构造上可分为杠杆秤和电子秤等，其中，杠杆秤已经被淘汰。为了适应各种不同的物料，秤头在构造上略有不同。水泥秤都是圆形的，骨料秤斗是长方形的，而水等液体的秤斗是圆形的，斗门设有橡皮垫，以保证密封。传感器的装设，电子秤的秤斗采用三点悬挂，在每套悬挂装置的中部各有一个传感器。4、搅拌设备即一般的混凝土搅拌机，设有提升装置和供水装置。其设计技术很成熟，在搅拌站设计中，一般采用标准搅拌机。例如，目前国内厂家基本都使用双卧轴强制式搅拌机，此搅拌机搅拌能力强，搅拌均匀、迅速，生产率高，对于干硬性、塑性及各种配比的混凝土，均能达到良好的搅拌效果。2.1.3 混凝土搅拌装置的工艺流程一辆混凝土搅拌输送车到来后，根据合同编号输入相关信息：合同编号、车辆容积、车号、搅拌时间、每一次搅拌的方量、投料的顺序和砂石的含水率，剩余量、工程名称、配方号和搅拌次数由上位工控机自动读取和计算生成。生成生产任务后，计算机再将生产任务具体化成下位PLC的生产控制数据，发给PLC控制生产自动进行。在生产的过程中，PLC将采集到的秤斗称量值和搅拌站的状态信息发给上位工程机，形成混凝土搅拌站图形仿真。每完成一次搅拌，形成生产数据以用于管理和控制目的。一车的生产完以后，打印发料单。这就是混凝土搅拌站的一个工作循环。在生产的过程中，如果有新车到来，就将新的生产任务加入生产任务队列中。如果是自动生产模式而且生产任务队列中还有生产任务，就自动进行下一个生产任务的生产7。搅拌站进行混凝土生产时，首先将骨料（包括三种石料和一种砂料）分别装入各自料仓，然后打开石料和砂料的给料阀门分别将骨料投入到秤斗进行称量，秤斗中的骨料不断增加知道电子秤指示到所要求的重量才控制下料阀门停止投料，然后启动平皮带和斜皮带将骨料卸入集料斗。和上述方法相似，在骨料配料的同时在各自的秤斗中进行水泥、粉煤灰及防冻剂的称重和所需水及外加剂的计量。在混凝土所需的各种材料计量完毕后，控制集料斗和各秤斗开门，以及各种材料装入搅拌机进行搅拌。在搅拌机运行了规定的时间后，打开搅拌机的门进行卸料（搅拌站的门先半开，再全开），完成混凝土生产的一个循环。在石料、砂料的称重计量时，系统用分别控制两个门进行快速粗略和慢速精确的计量，以减少称量时间和称量精度。同理，对水的计量亦采用水粗称阀和水精称阀进行控制，而水泥、粉煤灰和防冻剂等添加剂则由计量螺旋机从各自料仓送入各自秤斗进行计量。为了提高搅拌站的生产效率，一般在搅拌机进行混凝土搅拌时，下一个生产循环的骨料粉料等的称重计量同时进行。由于整台设备生产的连续性较强，控制系统中，每一个动作的前后时序性都有严格的要求，而且达到某个状态时，必须保证与这一状态有关的动作全部完成，才可以进入下一状态，因此必须通过设备上安装的限位开关和传感器对各执行机构的状态进行监控。考虑到传感器精度、骨料冲击力、秤斗皮重变化以及秤斗未卸空量变化等原因，各材料秤斗需要留一定时间进行补秤或扣秤，即把本次称量的设定值减去本次称量中秤斗中实际重量作为补偿，对下一次称重的预先设定值进行补偿。2.2混凝土搅拌站监控系统混凝土搅拌站监控系统是混凝土生产现代化的核心，而其配料的称重控制系统又是监控系统的关键。五十年代，我国从苏联及东欧国家引进了一些搅拌站，主要应用在水电等大工程上，这些搅拌站均是采用机械杠杆进行称量控制。这种杠杆秤机构简单，工人易掌握，但其制作工艺水平较低，称量误差较大，自动化控制困难，使搅拌站的生产受到限制。进入六十年代中后期，从国外引进的搅拌站称量开始使用电子秤。国内开始进入电子秤的研制和试用阶段。这种电子秤采用电子电位差计原理，秤面采用圆盘式双指针或其它形式，比较直观，与楼站控制要求结合较好，但常常因加工工艺水平比较低，使称的控制精度不高，故障较多，稳定性较差，与杠杆秤相比，虽有较大提高，但仍然不很理解。随着工程实践的日益增多以及国外电子秤的启发，我国电子秤的结构形式得以改进，秤的稳定性有较大好转，故障率下降了，调试技术逐步成熟和专业化，基本满足工程生产可靠性的需要8。就在国内电子秤水平逐步走向稳定和大量推广应用的同时，国内较先进的楼站已安装上微机控制系统。八十年代初，我国部分重点工程从国外引进的大批混凝土站均是采用微机控制。与常规控制相比较，它的先进性主要表现在：（1）实现了配料、卸料、搅拌、出混凝土全过程的微机自动控制，有的控制系统还把配料和卸料过程实现动态模拟显示。（2）称量实现提前量动态修正，欠秤补秤，超秤扣秤，不但提高了动态称量精度，而且它的稳定性得到了保证，既提高了混凝土质量，还节约了水泥。（3）称量结审随机打印，为工程或商品混凝土生产质量控制和结秤提供了可靠便捷的手段。（4）为搅拌站提供了较强的现代化管理能力。在肯定引进楼站微机控制系统的优点同时，人们也认识到了很多潜在的问题：首先是价格贵，一般用户难以承担；其次是国外对其控制技术严格保密，因为它是楼站的核心技术；再次是微机系统如果出故障，排除较困难，特别是过了保修期，如请制造厂维修，维修费用高，等待周期长，给工程施工带来很大威胁，因此开发自己的监控系统显得非常必要。2.2.1 配料称重系统（1）称量系统的要求称量系统包括骨料、水泥、掺合剂、水、外加剂等，称量装置是搅拌站中关键的部分之一，目前我国在GB14902-94预拌混凝土中对于搅拌站各种物料的称量精度要求很严格。骨料动态计量精度为2%，其余物料的动态称量精度均为1%。但对于静态计量精度目前要求还不明确，基本上采用企业标准。（2）称量方式的分类搅拌站的计量方式一般采用重力称量，也有采取体积称量的，但目前我国除水和外加剂可以采用体积法外，其它物料一般不允许采用体积法。按秤的具体传力方式可以分为杠杆秤、电子秤和杠杆电子秤三种称量形式。（3）骨料秤斗骨料秤斗一般分为电子秤和杠杆电子秤两种形式。计量完成后，由气缸拉动扇形门将料卸出到搅拌机或上料装置上。杠杆电子秤秤斗既计量斗，又是提升斗，当物料计量完毕后，料斗开始提升，提升到卸料位置时，料门由挡轨打开，将料卸到搅拌机中。（4）粉料秤斗粉料秤斗用于称量水泥、粉煤灰、粉状外加剂等。有时粉料斗上需要加振动器，以保持下料畅通。（5）水及液态外加剂秤斗液态物料的计量一般有重力计量、容积计量、流量计量。一般来说，容积计量的精度要比重量计量差，根据GB14902-94预拌搅拌站规定，商品混凝土搅拌站外加剂计量要求为重量计量。流量计量经常应用于移动式搅拌站9,10。2.2.2 控制系统控制系统是搅拌站的核心，主要完成按照预定的混凝土配比控制搅拌站的全部工作过程。早期由于混凝土搅拌站的称量系统一般采用杠杆秤，所以控制系统采用继电器加接触器的控制方式；随着传感器技术及电子技术的发展，目前搅拌站的控制系统一般为计算机控制，主要有以下优点：能实现生产过程的自动化，提高生产率；能贮存大量配合比供用户选用，调用、修改配合比都十分方便；能实现骨料含水率检测和配比值的自动修正，即自动减水加砂，保证混凝土稠度值的一致性；能直观的模拟显示混凝土搅拌站的整个工艺流程状态，实现实时监控；能自动记录存储各类数据和制表打印；实现最优化控制；可实现先进的科学管理功能。目前计算机控制方式有多重形式，而且随着计算机技术的发展控制的方式越来越多，下面针对搅拌站常见的控制方式进行简要说明。（1）物料仪和工控机组合11每个计量秤对应一个物料仪，各物料仪与工控机连接。外置I/O功能板和物料仪、工控机连接，该I/O功能板接外部中间继电器与外部限位。这种方式中工控机负责自动运行的协调工作，并且通过I/O功能板来控制外部继电器和处理外部限位输入信号。物料仪实现秤的显示和配料控制。如果工控机损坏，无法实现整个搅拌站工作流程的自动控制，但可以使用物料仪实现手动或半自动控制。因该说这种控制形式环节多，故障率高。（2）工控机控制工控机自带模数板（A/D）、数字输入输出板（I/O），传感器输入信号直接接到A/D板上，I/O板控制中间继电器、外部限位。操作盘上的按钮和指示灯均为DC24V，并且可以通过中间继电器接入工控机I/O板。由于该方式中整个控制核心为工控机，控制软件设计时对抗干扰等因素要求高，对搅拌站操作人员的素质要求高；工控机本身出现问题，如硬盘、内存、电源等，整个系统就会瘫痪，同时外部接线和检修比较复杂，因此混凝土搅拌站的控制使用这种形式的情况不多。（3）物料仪、可编程控制器和工控机组合每台物料控制一套计量装置，同时与PLC连接实现自动控制，并且每台物料仪同工控机连接实现管理功能。该方式中，各个物料仪独立控制每个计量装置，PLC控制各种执行机构，在工控机损坏的情况下，可以实现自动计量，自动循环控制。（4）单片机和工控机组合将多个秤集成到一台由单片机组成的控制微机中，同时提供中间继电器输出和外部限位输出接口，该机器可以独立协调各秤的计量和实现搅拌站工作流程的自动控制。 通过串行通讯口和工控机连接，实现控制及管理功能。在此形式中即使工控机发生故障，单片机仍然能够实现搅拌站的控制。从上诉的四种形式看，单片机结构与PLC结构控制方式最适合工业现成的恶劣环境。工控机的抗震、抗粉尘及耐电压波动性较好，但由于工控机是集中控制，其损坏会造成整个系统瘫痪，所以一般情况下工控机作为管理使用比较合适。单片机结构简答、紧凑合理，成本低，适合传感器优化等现场的信号处理，但是由于整个系统生产批量不大，元器件采购质量、线路板小批量定做质量和手工焊接质量难以保证，加上没有老化实验，硬件设计不一定为最优秀方案等方面的原因使得其控制系统稳定性差，时常会出现原因不明的故障，而且在控制和显示方面的编程量比较大，与其它的系统的兼容性也比较差；而PLC控制具有可靠性高、功能完善、产品标准化、开发性日益增强以及编程简答直观等优点，能够有效弥补继电器控制和单片机控制在可靠性方面的缺陷，与工控机配合易于实现操作与管理结合，也克服了工控机集中控制方面的缺点。目前，我国混凝土搅拌站得到快速发展，但是其计量精度低、控制可靠性差已严重影响了混凝土生产的质量和效率，尤其是水泥和水的计量精度，因为混凝土的强度与灰水比指标呈线性关系，而当前称量系统中误差对混凝土强度影响很大。由于在称重称量系统中传感器的特性是非常理想的，存在着较大的静态非线性误差；而在控制系统中，由于混凝土搅拌站的工作环境十分恶劣，传统混凝土搅拌站的继电器控制和单片机控制在实际生产过程中容易出现故障，所以，在设计和研制新型混凝土搅拌站的实际工作中有两个方面的问题应该引起重视，一个是应做好称量系统的合理选用和优化设计；另一个是应做好电气控制系统的可靠性和功能完善化设计。对这两个问题的深入研究并在具体设计实践时注意采用先进技术方法将更加促进我国预拌混凝土的发展。为了达到计量准确快速和控制可靠的目的，本文的混凝土搅拌站控制过程采用下位机PLC和上位工控机来实现，以保证其可靠性和功能可扩充性。3 混凝土搅拌站监控系统软件设计组态软件体系结构是针对系统硬件体系来划分的，因此必须对系统的硬件结构和功能实现有比较透彻的了解和分析，再根据实际情况具体实现方案。混凝土搅拌站控制系统在硬件结构上大致分为工程师站、操作员站和现场控制站。其中工程师站、操作员站位于上位机上，而现场控制站由智能仪表组成，属于下位机部分。本章主要介绍混凝土搅拌站控制系统上位机组态软件的设计和实现。上位机子系统软件模块采用WinCC作为组态语言，根据控制要求按一定的控制算法将PLC下位机子系统传送上来的各种信息进行处理，显示各项生产过程数据及报警信息，并产生各种控制信息传回PLC下位机子系统完成对现场过程的直接控制。3.1组态软件的发展趋势组态软件的发展趋势是开放性、可扩展性、网络性、管理日益集中、控制日益分散。多种技术的发展为控制软件向高通用性、高层管理控一体化和高可靠性提供了更为有效地手段12。（1）开放性：开放性是未来软件的发展趋势，采用OLE、ODBC、SQL、OPC、ActiveX、VBA、COM/DCOM等统一的接口标准，实现系统的开放性。开放性有利于提高软件的互换性、可移植性和通用性。（2）集成化：新型的集散控制系统将实现控制室集成化，仪表-电气-计算机集成化（即IEC一体化），过程自动化，工厂自动化集成化，采用FDDI和ISDN更广范围内系统集成化，采用国际标准现场总线达到现场集成化，信息系统和控制系统集成化。（3）网络化：Internet的到来，正在逐渐地改变着我们的生活和商业规则，基于Internet/Intranet的企业解决方案将成为工控软件的主流，Internet以TCP/IP为基础，以Web为核心的网络。由于简单易用的客户浏览器、客户端操作界面的一致性，克服了两层结构C/S模式客户端多种程序带来的不一致性；服务器端的开放和基于标准的连接方案大大加强了企业和外部的联系，数据库不直接服务于每个客户机，而与Web服务器沟通，有利于实现对客户信息服务的动态性、实时性和互交性。总之，以Web技术为核心的Internet是管控一体化系统更接近客户，更接近应用，更有利于网络的进一步扩展，是当今信息系统发展趋势的主流。（4）小型化：根据各领域不同用户的需要，除了进一步完善大型化分散控制系统以外，大多数制造厂集中精力，增加投入改进小型化集散控制系统，以满足日趋发展的中、小型连续或间歇式操作控制的要求。（5）组件化：组件化的软件设计思想有利于系统集成，各组件对象时刻单独运行的应用程序。组件化可以让用户自由选择所需的组件对象，无需购买整个软件系统，降低了成本，同时允许用户将第三方应用程序加入到系统中，极大地提高了软件的灵活性。（6）通讯接口OPC化：实现上位机软件与下位机的通信，硬件开发商通过提供带有OPC接口的服务器软件，使得任何客户程序（带OPC接口）访问服务器软件。3.2组态软件WinCC的概述3.2.1 WinCC的体系结构本系统所采用的工控组态软件WinCC是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理系统，它是西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司强大软件功能的产物，WinCC是视窗控制中心（Windows Control Center）的简称。该组态软件是一个功能强大的全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单的过程监控应用，也可以用来完成复杂的应用。在任何情况下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人机对话接口，使操作员能够清晰地管理和优化生产过程13。WinCC是基于Windows NT的开放标准，系统采用ODBC/SQL数据库访问接口，其它应用程序可以使用该接口访问WinCC数据库，如果必要也可使用API应用程序接口将WinCC数据库连接到其它的关系数据库中。这意味着所有Windows的应用程序，不管是运行在同一台计算机上还是有一个网络终端上，都可以直接访问WinCC数据库；通过OLE接口，其它应用程序可集成到过程画面上，并与WinCC交换相关的数据；采用面向工业的ActiveX控制，用户过程控制任务可使用第三方控件来实现；WinCC系统集成了OPC接口，用于连接其它符合OPC规范的控制器和软件。WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模块，WinCC还提供了开放的界面用于用户解决方案。这使得将WinCC集成到复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能，可以集成通过ODBC和SQL方式的归档数据访问，以及通过OLE2.0和ActiveX控件的对象和文档的链接。这些机制使WinCC成为Windows世界中性能卓越、善于沟通的伙伴。WinCC是基于Windows NT 32位操作系统的，Windows NT具有的抢先多重任务的特性确保了对过程事件的快速反映并提供了多种防止数据丢失的保护，还提供了安全方面的功能。WinCC软件本身是32位的应用程序，开发使用调制解调器、面向对象的软件编程技术。WinCC资源管理器中，可以访问各种编辑器，从中执行操作和监控系统的制定任务，编辑器包括图形编辑器、报警记录、变量记录、报表编辑器、全局S脚本、文本库、用户管理器、交叉索引。WinCC图形编辑器是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。也可以用包含在对象和样式选项板中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。带有工具和图形选项板，使用用户界面简单方便。可以通过动作编程将动态添加到单个图像对象上，通过功能强大的脚本组态可以链接附加的函数，向导提供了自动生成的动态支持并将他们链接到对象。具有集成对象和图库新型组态，可以与创建的图形对象链接，也可以在库中存储自己的图形对象。这些友好的界面，使工程技术人员在设计图形画面时尚简捷方便，避免了烦琐的工作，缩短了设计周期，大大的提高了工作效率。报警记录提供了显示和操作选项来获取归档结果。可任意选择消息块、消息级别、消息类型、消息显示以及报表。系统向导和组态对话框在组态期间提供支持。为了在运行中显示消息，可使用包含在图形编辑器的对象中的报警控件。变量记录被用来从运行过程中采集数据并将它们显示和归档。可以自由地选择归档、采集和归档定时器的数据格式。可以通过WinCC在线趋势和表格控件显示过程值，并分别在趋势和表格形式下显示。变量记录包含从过程中接管数据的功能，该过程为显示和归档执行和准备数据。这些数据提供关于系统操作状态的重要生产信息。在变量记录编辑器中定义归档、将要归档的过程值和归档周期通过这些功能，在生产过程中有如下保证：（1）简化危险和错误状态的早期检测；（2）有助于提高生产力；（3）有助于提高产品质量；（4）有利于优化维护周期；（5）归档过程值过程的文件。报表编辑器是为信息、操作、归档内容和当前或已归档的数据的定时器或事件控制文档的集成的报表系统，可以自由选择用户报表或项目文档的形式。提供了舒适的附带工具和图形选项板的用户界面，同时支持各种报表类型，具有多种标准的系统布局和打印作业。全局脚本是C语言函数和动作的通称，根据其不同的类型，可用于一个给定的项目或众多项目中，脚本被用于给对象组态动作并通过系统内部C语言编译器来处理，全局脚本动作用于过程执行的运行中，一个触发可以开始这些动作的执行。文本库可以编辑多种模块在使用的文本，在文本库中为组态的文字定义了外语输出文本，随后输出在选择的运行语言中。用户管理器用于分配和控制用户的单个组态和运行系统编辑器的访问权限。每当建立了一个用户，就设置WinCC功能的访问权利并单独地分配给此用户，至多可分配999个不同的授权。用户授权可以在系统运行时分配，当一个用户登录到系统时，用户管理器检查该用户是否已注册，如果用户未注册，则无权使用该系统，用户既不能调用查看数据，也不能控制任何过程，保证系统的安全性，保证现场生产的安全。交叉索引用于为对象寻找和显示所使用处，例如变量、画面和函数等。使用“链接”功能可以改变变量名称而不会导致组态不一致。WinCC基本选项包括客户机服务器、冗余、用户归档。使用客户机服务器功能，WinCC可以用来在一般与连网的自动控制系统的互连中操作几个并列的操作和监控站，理论上，至多64个客户机可以集成在单一项目中，满足了现场集中管理和分散管理的需要。WinCC冗余提供了并行操作一对服务器的可能，因此两台机器间可以互相监控，如果一台失败，另一台接管整个系统的控制，在服务恢复工作后，全部消息和过程归档就复制到先前不能服务的服务器上，这样满足了现场操作的持续性和可靠性，保证生产的正常运行。WinCC用户归档是一个数据库系统，用户自己可以对其组态，这样用来技术处理的数据可持续存储在服务器上并在运行时在线显示，而且被连接控制的配方和设定值的赋值也可以存储在用户归档中并且在需要时传递控制。WinCC过程控制选项包括存储、画面树管理器、时间同步、设备状态监控、基本数据、拆分画面向导、报警记录向导等。存储功能支持硬盘与长期数据介质自动地进行数据交换，同样也可以在硬盘上将数据删除。画面树管理器用来系统、子系统、函数名称和图形编辑器画面体系。时间同步是用于总线系统的一种系统功能，为此一台WinCC操作员站承担作为主时钟的任务，并控制所有其它操作员站以及与当前时间的系统总线连接的自动系统，这使整个系统可以按时间顺序来排列消息。设备状态监控用来不断地监控单个系统（操作员站和自动控制系统）并且将运行系统的结果可视化作为画面显示，自动触发蜂鸣器组件，以及自动生成系统消息。基本数据用来通过向导组态基本的WinCC数据。拆分画面向导是拆分画面管理的组件。用来组态，初始化当前WinCC项目的监控器和画面设置，在创建一个项目后由于其它的应用程序（运行、组态显示等）要访问这些数据，应用即执行此初始化。报警记录向导用来组态和初始化消息窗口、消息、消息级别、自动系统消息的系统和当前WinCC项目的蜂鸣器信号设备。3.2.2 WinCC的性能特点（1）创新软件技术的使用。WinCC是基于最新发展的软件技术，与Microsoft的密切合作保证了用户获得不断创新的技术。（2）包括所有SCADA功能在内的客户机/服务器系统。即使是最基本的WinCC系统仍能提供生成复杂可视化任务的组件和函数，生成画面、脚本、报警、趋势和报表的编辑器由最基本的WinCC系统组件建立。（3）众多的选件和附件扩展了基本功能。已开发的、应用范围广泛的、不同的WinCC选件和附件，均基于开放式编程接口，覆盖了不同的工业分支的需求。（4）使用方便的脚本语言。WinCC可编写ANSI-C和VBS程序。（5）提供所有主要PLC系统的通信通道。（6）全集成自动化TAL（Totally Integrated Automation）的部件。WinCC是工程控制的窗口，是TAL的核心部件。TAL确保了组态、编程、数据存储和通信方面的一致性。4 混凝土搅拌站系统的实时监控 混凝土搅拌站监控软件采用WinCC平台开发实现，海诺集团混凝土搅拌站控制系统的组态软件WinCC运行后首先进入启示画面，点击鼠标左键屏幕显示系统总工艺流程画面。操作都有上位机实现，系统总共包括九个功能模块：监控画面，配方调整，信息输入，记录查询，参数设置，校称，系统登录，注销登录和退出系统。4.1功能设计本系统上位机程序为搅拌站控制系统的监控和管理提供了可靠稳定的控制手段，其主要功能包括：（1）具有自动、手动两种控制方式，适用与不同的工作要求。当PLC从上位机接收到所需的数据后，可以独自完成控制工作。（2）可以自动测试和修正落差。（3）搅拌机投料顺序可以选择，用户可以根据需要，决定哪种料先投入搅拌机内搅拌。（4）系统各主要时间，重量常数可以由用户根据实际修改，使其更适合生产要求。（5）配方数不受控制，并可以保存汉字，以利以后查询。（6）每一盘的实际计量数据，包括误差都可以保存，并可以随时查询。（7）据有完善的实际数据，可以打印用料表，参数表，配比表，每车统计数据表，派车单等表格，并可以根据用户不同要求，修改打印报表的格式。（8）根据车容量，主机搅拌容量，设置每盘容量及搅拌罐数。（9）根据外部设备状态，自动监视计量状态，对超差计量与传感器的不正常状态等警报。（10）计算的通讯端口，可以根据实际接法更改。4.2混凝土搅拌站系统实时监控功能的实现软件运行后首先进入启始画面，当WinCC项目完全激活后进入系统总画面：图4.1 混凝土搅拌站监控系统软件组态的启动画面4.2.1 监控画面点击启动画面右下角进入监控画面：搅拌站系统软件组态从界面上分为三个部分，最上方区域为工程软件标题和系统时间显示；左边为系统功能按钮切换区域；其余部分随着操作人员在按钮切换区的操作显示不同的画面。在系统功能按钮切换区域，主要有九个功能切换按钮：监控画面、配方调整、信息输入、记录查询、参数设置、校称、系统登录、注销系统和退出系统。点击这九个按钮，则会进入不同的操作画面。其操作界面分别介绍如下：【出料】：在选中了首盘禁止后，第一盘生产的混凝土不是在搅拌时间到，就开出料门卸料，而是在等待操作员按下【出料】按钮后，在打开出料门。图4.2系统监控画面图 4.3 库存界面【库存】：为了能保证生产的连续进行，对于了解水泥，粉煤灰仓物料的剩余是很必要的，这套系统的仓储管理就是为这设计的，用户在每次向仓内加料时，应报告操作员，让操作员把添加物料的重量输入到【库存】中，系统在生产时会把各仓在每次计量中计量的物料重量减去，使库存量随着生产计量的变化而发生变化，从而使用户能方便、直观的了解到各仓的情况，方便用户能在仓要空前向仓内储料；当仓满时不再向仓内储料。为了保证仓储的准确性，应及时准确的输入物料的输入量；并定期对仓进行清空来校正误差，因为在暂停时的手动干预，故障时漏料，都可能造成【库存】的误差，应该定期对其进行校正。【显示落差】：在按下【显示落差】后，系统会自动读取PLC中正在进行生产的落差值，并在监控窗口上显示。以骨料为例：图4.4显示落差值【显示误差】：在按下【显示误差】后，系统会自动读取PLC中正在进行生产的误差值，并在监控窗口上显示。以骨料为例：图4.5 显示误差值【配比下载】：当输入任务号，需要方量后，需要按【配比下载】按比例传送到PLC中。【派车单】：当按下【派车单】时，显示打印派车单画面，用户可以打印当前配比的派车单。图4.6 派车单【补派车单】：当用户按下【补派车单】时，显示派车单窗口，用户可以再重新打印一张以前（或进行更改）的派车单。【显示状态】：控制状态，是指自动，手动。【每盘容量】：按照需要方量和搅拌机容量计算出的每盘生产方量。【搅拌机容量】：是指混凝土搅拌机每盘最多能生产的混凝土方量。【剩余罐数】：在自动生产过程中，每盘混凝土投料结束后，自动减1，显示还剩余未生产完的混凝土盘数。【搅拌时间】：当物料投入到搅拌机后显示搅拌时间，而且启动时，显示搅拌机内混凝搅拌了多长时间；在出料门打开后，显示卸料时间。【车次标记】：是指按需要方量（车方量），每次生产完【需要方量】设定的方量后，【车次标记】自动累计加1。如果剩余罐数不归0，【车次标记】不累加。【首盘出料禁止】：是指系统在自动生产时，第一盘物料投入到搅拌机后开始搅拌，搅拌时间到后，不进行自动卸料，否则一直等待，它应用于运输车司机倒车不到位情况，防止料被卸到地上。【报警窗口】：系统会对各种故障进行警报，例如，传感器零点，出料门的开关/关，紧急制动，暂停等进行提示。4.2.2 系统登陆输入用户名和密码，点击登录。未登录时系统将不允许进入【参数设置】和【校称】画面。图4.7 系统登录窗口4.2.3 配方调整图4.8 配方调整画面进入配方调整界面，输入一个新的任务单号，然后把相应的数据输入到相应的数据框中如：1方配比、搅拌时间、需要的方量、施工单位、施工部位、工程名称、工程地址、砼标号、配比注释、坍落度、入模方式、运距等。输入完成后，若要立刻生产则按【配比转换】。【打印任务】：当按下【打印任务】按钮时出现下面画，用户可以对其打印，存档。图4.9 混凝土配比通知单打印图示【配比转换】：为了使用方便，用户不必要每次对各任务号进行重新输入，可以事先输入一些常用的标准配比，例如C10、C25。在输入新的任务号后，可以按要求在【配比编号】中输入标准配比，例C10，按【配比转换】，则出现已存储的标准配比，用户可以根据新的任务单对现有配比进行更改，减少了一些重复的输入工作。【配比设计值】：为了方便用户，减少一些不必要的重复工作，用户可以把一些最基本的混凝土配比按砼标号输入到计算机内保存，利于在修改配比时调用。按【修改配比设计值】进入配比修改画面。填入标准配比，按【配比修改】，该配比即储存在配比设计值中。图4.10 配比设计值修改4.2.4 信息输入信息输入画面有四个按钮【车辆信息】、【工程信息】、【其它】和【品种规格】。点击进入不同界面。【车辆信息】：为了方便管理，用户可以对本单位的运输车辆进行编号，用户可以在生产前进行输入，在生产时可以不再输入，在下拉菜单中选择即可。图 4.11 车辆信息【工程信息】：对于一些常用的工程名称、施工单位、施工部位、工程地址，用户可以在生产前进行输入，在生产时可以不再输入，在下拉菜单中选择即可。图 4.12 工程信息【其它】：为了方便管理，用户可以对一些常用的入模、站号、外加剂、操作员、班组、坍落度等参数在生产前进行输入，在生产时可以不再输入，在下拉菜单中选择即可。图 4.13 其它信息【品种规格】：对于一些常用的骨料的品种，水泥、粉煤灰、粉剂、液剂、矿粉的规格，用户可以在生产前进行输入，在生产时可以不再输入，在下拉菜单中选择即可。图 4.14 品种规格信息4.2.5 记录查询对于用户在打开监控界面后生产的数据，系统存储在下图的数据库中，这个数据库为物料生产计量统计数据、误差及其它数据。图 4.15 记录查询数据【记录查询】：点击右下【查询】按钮，进入查询界面。这样可以提高当前系统的运行速度，方便用户对数据的监控、查询。这个查询窗口可以按日期时间、工程名称、施工单位、操作员、输送车号、砼标号、任务号、车次标记进行查询。图 4.16 记录查询界面输入信息点击【查询】，查询结果如下图。用户可点击【打印】将查询记录打印输出。图 4.17 查询结果界面4.2.6 参数设置为了更好的发挥机械的生产性能，我们对一些常用的可能更改的参数进行整理，允许用户根据现场的实际生产情况进行适当的调整，以满足不同的要求。油泵启动、停止时间：设置系统自动工作时注油泵的启动时间和停止时间。 电铃延时相应、电铃相应时间：分别设置系统自动工作时最后一盘料放出后，电铃自动相应。斜皮带、平皮带、搅拌电机延时启动：在自动启动后，若这三个电机没有启动，系统按设定的时间间隔自动启动，防止皮带未启动不能进行自动生产。皮带上料时间：骨料和后台粉剂卸料完毕后，为了保证将水平皮带和斜皮带上的物料全部输送到集料斗中，延时时间到才允许集料斗卸料。集料斗卸料时间：打开集料斗门箱搅拌机内卸骨料的时间。出料门全开时间：搅拌机搅拌完毕，打开卸料门碰到半开或全开限位，保持半开或全开状态的时间，时间到后自动关闭卸料门。出料门半开时间：搅拌机搅拌完毕后，打开卸料门碰到半开限位，保持半开状态的时间，时