摘要: 混凝土攪拌站的控制系統(tǒng)直接關(guān)系到混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量和工作效率。為了提高混凝土攪拌站控制系統(tǒng)的可靠性、實時性和抗干擾性, 通過對混凝土攪拌站生產(chǎn)流程的分析, 設(shè)計了采用CAN 現(xiàn)場總線的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)。CAN 總線技術(shù)的控制系統(tǒng)具有通信可靠、抗干擾性好和傳輸距離遠(yuǎn)的特點, 提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。CAN 總線的混凝土攪拌控制系統(tǒng)采用兩級分布式結(jié)構(gòu), 由工控機(jī)和各智能節(jié)點組成。工控機(jī)上運行的監(jiān)控軟件采用力控組態(tài)軟件開發(fā), 可完全實現(xiàn)系統(tǒng)的管理、監(jiān)控等功能, 并且能夠進(jìn)行故障的檢驗和診斷。為了保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定, 設(shè)計中還采用了軟件抗干擾措施。該系統(tǒng)現(xiàn)場運行穩(wěn)定可靠, 接線簡單、易于維護(hù)。
關(guān)鍵詞: 混凝土攪拌站CAN 總線控制系統(tǒng)組態(tài)軟件
混凝土攪拌站是生產(chǎn)混凝土混合料的大型設(shè)備, 其控制系統(tǒng)直接關(guān)系到混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量和攪拌站的工作效率。目前常見的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)為工控機(jī)( IPC) 結(jié)合PLC 可編程控制器組成的分布式控制系統(tǒng)。工控機(jī)作為上位機(jī)完成監(jiān)控管理功能, 下位機(jī)為PLC 控制開關(guān)量信號。各單元之間用RS232/RS485 串行通訊接口通訊。但RS485 只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu), 傳輸速率低, 系統(tǒng)的實時性、可靠性較差, 且PLC 編程不便。本文介紹了利用CAN 現(xiàn)場總線組建混凝土攪拌站控制系統(tǒng)的方案。
1 控制系統(tǒng)原理
1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
現(xiàn)場總線技術(shù)是將單個分散的現(xiàn)場智能化測控設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點, 用總線連接, 實現(xiàn)信息的交換。它為分布式控制系統(tǒng)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
采用CAN 現(xiàn)場總線技術(shù)的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)為兩級分布式監(jiān)控系統(tǒng), 取消了PLC, 由工控機(jī)和各智能節(jié)點組成。配料控制器、智能開關(guān)量I/O 模塊作為現(xiàn)場總線系統(tǒng)的智能節(jié)點, 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。工控機(jī)作為上位機(jī), 用于對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控管理, 接收現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、發(fā)出控制信號和報警提示, 完成配方管理以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲、打印。各個智能節(jié)點負(fù)責(zé)現(xiàn)場輸入、輸出測控點的數(shù)據(jù)采集、控制及通信功能, 從而可以保證系統(tǒng)在某一個現(xiàn)場I/O 單元或某一現(xiàn)場測控點出現(xiàn)故障時不出現(xiàn)失控。智能節(jié)點采用智能化的測控模塊, 現(xiàn)場發(fā)生故障時維修人員可以方便、快速地更換零件, 而不影響正常的生產(chǎn)。
所用的3 種粗骨料共用一臺配料控制器, 兩種水泥共用一臺配料控制器。整個系統(tǒng)有模擬量輸入點10 個, 開關(guān)量輸入點32 個, 開關(guān)量輸出點36 個。
1.2 生產(chǎn)流程
混凝土攪拌站由貯料系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。生產(chǎn)流程為:
( 1) 用戶從監(jiān)控軟件界面中輸入本次攪拌作業(yè)的混凝土配合比以及其他工作參數(shù), 工控機(jī)給各配料控制器發(fā)送物料的配料值和配料指令。
( 2) 物料采用獨立稱量、重量計量方式。由各自配料控制器發(fā)送信號打開骨料、砂料倉門, 啟動砂倉振動器, 將骨料、砂料投入計量斗稱量; 開啟水泥倉、粉煤灰倉和粉料外加劑倉的螺旋上料機(jī),打開水、水劑外加劑配給閥, 進(jìn)行水泥、粉煤灰、粉料外加劑和水、水劑外加劑的稱量。
( 3) 稱量過程分粗稱和精稱兩個階段, 由配料控制器控制, 達(dá)到配料值的90%時慢速加料稱量。稱量完畢, 各配料控制器發(fā)送信號關(guān)閉砂倉振動器、骨料砂料倉門, 關(guān)閉或停止水泥倉、粉煤灰倉、粉料外加劑倉螺旋上料機(jī)以及水和水劑外加劑配給閥。對骨料和石料, 由工控機(jī)發(fā)信號開啟各計量斗門, 將骨料砂料投入皮帶輸送機(jī), 啟動平、斜皮帶電機(jī), 將骨料砂料運送至集料斗。
( 4) 配料完畢, 配料控制器發(fā)送信號給工控機(jī),工控機(jī)發(fā)指令給開關(guān)量輸出模塊, 發(fā)送信號到中間繼電器驅(qū)動氣缸依次打開計量斗、集料斗門, 將物料送入攪拌機(jī)中。
( 5) 攪拌機(jī)根據(jù)事先設(shè)定的攪拌時間進(jìn)行攪拌, 完成后工控機(jī)發(fā)指令給開關(guān)量輸出模塊, 打開卸料門卸料。
( 6) 為了提高生產(chǎn)效率, 攪拌的同時進(jìn)行下一生產(chǎn)循環(huán)的稱量。
2 控制系統(tǒng)組成
2.1 CAN 總線技術(shù)
CAN 是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN 是一種多主方式的串行通訊總線, 網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息, 通訊方式靈活?？商峁└哌_(dá)1 Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。
網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù), 各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強(qiáng), 提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。發(fā)送的數(shù)據(jù)遭破壞后可以自動重發(fā)。數(shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu), 傳輸時間短、受干擾的概率低、重新發(fā)送的時間短?？偩€節(jié)點若出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤, 可自動切斷它與總線的聯(lián)系, 使總線上其它操作不受影響。
本系統(tǒng)采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 如圖2 所示。節(jié)點間通過屏蔽雙絞線連接成總線網(wǎng)絡(luò), 總線兩端需要兩個120 Ω 的終端電阻, 以匹配總線阻抗, 提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性。
2.2 智能配料控制器
選用帶有CAN 總線接口的智能配料控制器, 由信號調(diào)理電路、24 位A/D 轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲器、CAN 控制器、CAN 收發(fā)器、開關(guān)量輸出接口等組成, 如圖3 所示。
配料控制器通過CAN 總線接受來自工控機(jī)的配料指令后, 輸出控制信號開啟物料倉門或振動器、上料機(jī)、配給閥; 將來自稱重傳感器的模擬信號進(jìn)行信號調(diào)理后經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量, 再由微處理器計算出具體稱重值; 通過CAN 總線傳送稱重值到工控機(jī)以動態(tài)顯示配料過程; 比較當(dāng)前稱重值與配料值, 達(dá)到配料值后, 輸出控制信號關(guān)閉物料倉門或振動器、上料機(jī)、配給閥。
配料控制器能自動完成秤的清零去皮操作, 具有落差自動補(bǔ)償、過沖量自動測定和修正、故障報警等多種功能, 可手動設(shè)置各項功能。
2.3 CAN 總線智能開關(guān)量I/O
模塊選用研華ADAM5000 系列, 包括ADAM- 5000/CAN 基座、兩個ADAM- 5051 開關(guān)量輸入模塊和兩個ADAM- 5068 繼電器輸出模塊。模塊由CAN 控制器、CAN 收發(fā)器、微處理器、存儲器、開關(guān)量輸入或輸出接口和信號調(diào)理電路組成, 且?guī)к浻布詸z和看門狗。
攪拌站的生產(chǎn)流程有嚴(yán)格的時序性要求, 為了保證動作執(zhí)行的正確性, 需要監(jiān)控相關(guān)限位開關(guān)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。開關(guān)量輸入模塊將現(xiàn)場物料計量、物料倉門、計量斗門、集料斗門、卸料門限位開關(guān)狀態(tài)和攪拌機(jī)運行情況經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息, 通過CAN 總線傳送到工控機(jī), 便于監(jiān)控?？刂茀?shù)由開關(guān)量輸出模塊輸出到中間繼電器, 驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制物料倉門、各計量斗門、集料斗門、卸料斗門開啟和延時關(guān)閉, 并控制攪拌機(jī)運行。
2.4 工控機(jī)
采用研華工控機(jī), 基本配置為IPC610 機(jī)箱、PIV2.8GCPU、512M內(nèi)存、40G 硬盤、14 槽底板。搭配CAN 通信卡, 通過CAN 總線和各節(jié)點通信。
2.5 CAN 總線通信卡
選用研華PCI- 1680U 雙通道CAN 卡。PCI- 1680U 有通用的PCI 接口, 是用于CAN 總線與PC 之間連接的通信卡。通過內(nèi)置的CAN 控制器, 以自動重發(fā)功能實現(xiàn)總線仲裁和差錯檢測功能, 極大地降低了數(shù)據(jù)丟失幾率, 保證了系統(tǒng)可靠性。
3 控制系統(tǒng)軟件
3.1 監(jiān)控軟件
工控機(jī)上運行的監(jiān)控軟件采用力控組態(tài)軟件開發(fā)。監(jiān)控軟件啟動后,自動完成對CAN 通信卡和各節(jié)點的初始化工作。初始化完成后,進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng),在主菜單中進(jìn)入監(jiān)控畫面并對作業(yè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)運行時, 配料控制器將物料當(dāng)前稱重值傳送到工控機(jī)顯示, 開關(guān)量輸入模塊向工控機(jī)發(fā)送各種狀態(tài)信息, 工控機(jī)向各節(jié)點發(fā)送相應(yīng)控制命令。通過顯示器輸出實時信息, 包括生產(chǎn)流程動態(tài)畫面顯示, 分組控制顯示、趨勢顯示、操作指示顯示和報警信息顯示等。系統(tǒng)具有管理功能, 包括配方管理、生產(chǎn)過程管理, 并完成生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的存儲、查詢、打印。能進(jìn)行檢測和故障診斷, 對異常信號發(fā)出報警。系統(tǒng)運行界面如圖4 所示。
3.2 智能節(jié)點軟件設(shè)計
CAN 總線節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括CAN 總線通信模塊、模擬量采樣處理模塊、開關(guān)量處理模塊、狀態(tài)控制模塊的設(shè)計。其中CAN 總線通信模塊包括3 大部分: CAN 節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接收。
力控組態(tài)軟件沒有該配料控制器的驅(qū)動程序,只能通過力控I/O 驅(qū)動程序接口開發(fā)工具FIOS SDK 和Visual C++ 6.0 自己開發(fā)。依次建立設(shè)備描述文件IODESC.TXT、設(shè)備組態(tài)接口IODEVCFG.DLL和點組態(tài)接口IOITEMUI.DLL, 最后創(chuàng)建I/O 通訊接口IOAPI.DLL。根據(jù)配料控制器提供的與上位機(jī)通信的指令和通信協(xié)議, 編寫IOAPI.DLL 庫中的設(shè)備初始化以及報文數(shù)據(jù)讀、寫等導(dǎo)出函數(shù), 以供組態(tài)軟件調(diào)用。
組態(tài)軟件已提供研華ADAM5000 系列的驅(qū)動程序, 只需要對開關(guān)量輸入輸出處理過程編程。力控組態(tài)軟件的控制策略生成器提供了各種控制功能模塊, 根據(jù)生產(chǎn)流程, 選擇合適的功能塊組態(tài), 經(jīng)編譯、調(diào)試后下裝到ADAM5000/CAN 主單元。
3.3 軟件抗干擾措施
為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行, 系統(tǒng)采取了如下幾項重要的措施:( 1) 采用非破壞性的總線仲裁, 避免了各通信設(shè)備爭用總線而導(dǎo)致通信失敗和數(shù)據(jù)丟失。( 2)采用CRC 校驗方式, 使通信系統(tǒng)具有強(qiáng)有力的錯誤偵測和糾正功能。( 3) 采用“Watchdog( 看門狗) ”技術(shù), 保證系統(tǒng)運行中出現(xiàn)如死機(jī)等異常情況后, 能自動復(fù)位。( 4) 軟件中使用了數(shù)字濾波技術(shù)。
4 結(jié)論
由于CAN 現(xiàn)場總線以多主方式工作, 在數(shù)據(jù)通信方面具有較強(qiáng)的糾錯能力和較遠(yuǎn)的傳輸距離, 采用現(xiàn)場總線技術(shù)的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)具有較高的可靠性、實時性。系統(tǒng)由工控機(jī)和智能節(jié)點組成,接線簡單, 為安裝調(diào)試和設(shè)備維護(hù)帶來了方便。監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件開發(fā)完成, 功能強(qiáng)大、界面友好、操作方便和運行穩(wěn)定。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在市政攪拌站運行使用, 已累計生產(chǎn)商品混凝土12 萬m3, 運行效果良好, 保證了混凝土質(zhì)量, 并提高了生產(chǎn)效率。
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通信地址: 陜西省西安市雁塔路13 號西安建筑科技大學(xué)機(jī)
電工程學(xué)院機(jī)制教研室( 710055) ( 收稿日期: 2007- 06- 19)
