摘 要 混凝土攪拌站控制系統是將砂石、水泥、水以及外加劑等原料按一定比例混合、攪拌，自動生產出混凝土的控制系統。混凝土生產的關鍵步驟就是按照一定比例混合生產原料，投料精度對于生產出的混凝土質量有著重要影響。目前搭建混凝土攪拌站控制系統主要有兩種方式，一種是采用工控機搭配數據采集、控制等板卡作為系統硬件，用C++等編程軟件制作上位機操作界面。還有一種就是采用PLC作為系統控制器，用組態軟件編寫上位機操作系統。PLC以其靈活、可靠等特點越來越多的應用在混凝土攪拌站系統中，和利時公司的LK系列PLC也以其強大的數據采集以及處理能力，在混凝土攪拌行業中有著很好的應用。
關鍵詞 LK PLC；混凝土攪拌系統
1 引言
早期的混凝土主要由建筑工地自行生產，此種生產方式效率低、勞動強度大、生產環境惡劣，生產出的混凝土質量不容易控制，對生產工人的身體也有較大的危害。隨著我國對混凝土的需求量越來越大，對其質量要求也越來越高，傳統生產方式已經滿足不了需求。對此在90年代后我國的混凝土攪拌站技術有了快速的發展，目前搭建混凝土攪拌站控制系統主要有兩種方式，一種是采用工控機搭配數據采集、控制等板卡作為系統硬件，用C++等編程軟件制作上位機操作界面。采用這種方式在初期投入成本上有一些優勢，但是工控機以及采集卡在惡劣環境下長時間工作的可靠性較差，后期維護成本較高，C++編程、修改也比較復雜，系統的可擴展性與開放性也有很大的局限性。還有一種就是采用PLC作為系統控制器，用組態軟件編寫上位機操作系統。PLC以其靈活性、可靠性聞名，編程易于學習跟掌握，組態軟件使用簡單并有豐富的圖庫，可以方便的編制出功能強大的上位機操作系統。為了保證混凝土的生產質量，需要控制器有強大的模擬量處理能力以及快速的模擬量采集能力，和利時公司的LK PLC繼承了和利時DCS模擬量處理能力強的優點，同時還有全通道（6通道）采樣周期小于50ms的模擬量采集模塊，這些為生產出高質量的混凝土提供了保障。下面就詳細介紹一下采用和利時公司的LK系列PLC搭建的混凝土攪拌站控制系統。
2 混凝土攪拌站工藝
混凝土的原料一般包括砂石、水泥、礦粉、粉煤灰、膨脹劑、水、外加劑等。在攪拌站控制系統中各原料按照給定的配比進行稱重配料，然后卸料至攪拌機進行混合攪拌，攪拌設定時間后出砼，最后由運輸車運走。其生產工藝如圖2-1所示：
圖 2-1 混凝土攪拌站工藝流程
砂石等骨料的配料稱重裝置由給料閥門與計量斗組成，按照給定的配料比例，系統先將骨料投入到計量斗中，然后再將骨料卸放到傳輸皮帶上，提升料斗將傳輸皮帶上的骨料提升至骨料倉中等待卸料，卸料條件滿足后將骨料倉中的骨料卸放到攪拌主機中。
水泥、礦粉、粉煤灰以及膨脹劑等粉料，按給定配比通過螺旋輸送機加入到計量斗中，再通過計量斗把粉料卸放到攪拌機中。
外加劑與水都是通過水計量斗輸送到攪拌主機中的，首先按設定比例配好水跟外加劑，然后通過外加劑計量斗把外加劑輸送到水計量斗中，最后外加劑與水一起加入到攪拌主機中。攪拌站工藝示意圖如圖2-2所示。
圖 2-2 攪拌站工藝示意圖
為保證配料精度，系統會根據原料投入計量斗中的量去執行補料或扣料功能。當原料投入量在配料落差范圍內，并且配料誤差大于配料誤差允許值時，系統會執行補料功能，補料功能是以點動的方式開啟投料裝置，緩慢加入原料使其投入量滿足配料精度要求；當原料投入計量斗中的投入量大于配料設定值時，系統會在卸料的過程中執行扣料功能，扣料功能是以點動的方式開啟卸料閥門，扣除多余原料供下一批次生產使用。
3 混凝土攪拌站控制系統設計
ì 系統結構
此系統采用和利時公司的LK系列PLC作為控制器。控制系統結構如圖3-1所示，在控制層配置一個控制站，負責與現場的I/O信號進行通訊，同時負責整個批次處理過程的控制；在操作層采用了1個操作員站（兼工程師站），用于操作攪拌站控制系統，同時又采用了一個15寸觸摸屏作為系統備份，當操作員站出現故障時，可以使用觸摸屏對系統進行操作，從而不會影響正常生產。操作員站、觸摸屏與現場控制站通過工業以太網交換機進行數據交換，打印機負責打印日常報表。
圖 3-1 攪拌站控制系統結構圖
ì PLC硬件配置
為提高系統的可靠性，本系統采用支持冗余的CPU LK210組成冗余控制系統，以及高速模擬量采集模塊LK412，其全通道（6通道）采樣周期小于50ms，并且通道之間是隔離的。高速模擬量采集對于提高攪拌站控制系統的投料精度至關重要，也是提高混凝土質量的保障。PLC控制系統硬件清單如下：
表 3-1 PLC控制系統硬件清單
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硬件清單
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型號
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說明
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總數量
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單位
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生產商
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LK910
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電源
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2
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個
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和利時
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LK210
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CPU
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2
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個
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和利時
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LK121
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主背板
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1
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個
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和利時
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LK111
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擴展背板 11槽
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1
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個
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和利時
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LK231
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通訊模塊
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2
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個
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和利時
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LK610
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16通道數字量輸入模塊，
12/24V DC，漏型
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4
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個
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和利時
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LK710
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16通道數字量輸出模塊，
晶體管輸出
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5
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個
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和利時
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LK412
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6通道隔離模擬量輸入模塊0-20mA 4-20mA 0-5V 0-10V
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3
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個
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和利時
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LKX002
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LKX002，擴展電纜，3M
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2
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根
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和利時
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ì 上位機操作系統
上位機操作系統采用和利時公司的FacView進行開發，實現對PLC控制站的監視與控制。通過連接SQL2000數據庫進行配方數據設置、讀取；生產任務、生產數據記錄等工作。整個混凝土的生產流程如圖3-2所示，從圖中可以看出從下生產訂單到混凝土生產，直至最后的生成生產報表都可以自動完成，系統的自動化程度非常高，操作很方便。
圖 3-2 混凝土生產流程圖
系統的監控畫面如圖3-3所示，在這里可以對整個系統進行手動或自動控制并監視系統的運行狀態，在畫面的左下角可以進行生產訂單下載、配方選擇等操作，右邊可以對系統誤差值以及時間等參數進行設置。本系統還具有任務管理、配方管理、生產數據瀏覽和生產數據報表打印等功能。
圖 3-3 上位機監控畫面
ì 觸摸屏操作系統
觸摸屏也可以完成對系統的監視與控制，并擁有配方管理、生產數據記錄功能等，觸摸屏操作界面如圖3-4所示：
圖 3-4 觸摸屏監控畫面
4 應用特點
基于LK PLC的混凝土攪拌站系統具有如下特點：
ì 可靠性
可靠性是攪拌站系統的關鍵，本系統采用LK冗余控制系統進一步保證了系統的可靠性，當主CPU出現故障時，從CPU會在一個掃描周期（50ms）之內完成切換，從而保證系統不間斷運行。不僅如此系統還支持以太網冗余，DP總線冗余，以太網冗余保證了LK與上位機通訊的可靠性，DP總線冗余保證了本地背板與擴展背板通訊的可靠性。上位機系統采用PC與觸摸屏互備，觸摸屏作為PC機的備用，當PC機出現問題的時候可以使用觸摸屏控制攪拌站系統，從而不會耽誤生產，可以看出本系統在控制層與管理層都有相當高的可靠性。
ì 系統功能強
LK系列PLC可靠性高，運算速度快，邏輯控制容量大，還可進行在線調試、支持增量下載，支持多種語言混合編程，特別適合混凝土攪拌站這樣邏輯比較復雜，要求數據運算速度快的系統。增量下載功能能夠在完成程序的修改同時不會影響系統的現有狀態，為系統調試帶來很大方便。混凝土攪拌站系統屬于比較典型的順序控制系統，并且邏輯比較復雜，本系統采用順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）以及結構化文本語言（ST）混合編程的方式實現了系統邏輯，骨料、粉料以及液體料劑投料的過程采用SFC編程實現，手動控制等邏輯采用LD實現，一些比較復雜的控制算法采用ST實現，整個程序可讀性強易于修改。
ì 投料精度高
系統模擬量采集速度對于混凝土攪拌站控制系統的投料精度以及產出的混凝土品質有著至關重要的影響，本系統采用高速模擬量采集模塊（6通道采樣周期小于50ms），為保證系統的投料精度以及混凝土品質提供了保障。
ì 數據庫記錄完善
上位機操作系統采用Facview組態軟件以及SQL2000數據庫搭建，可以實現系統監控以及生產數據記錄等功能，觸摸屏作為上位機的備用同樣有系統監控以及數據記錄等功能，在上位機出現故障的時候可以單獨使用進行生產。
參考文獻
王曉初，基于PLC的混凝土攪拌站控制系統設計[J]，廣東工業大學.
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田奇，《混凝土攪拌樓及瀝青混凝土攪拌站》，中國建材工業出版社.
顧戰松，《可編程控制器原理與應用》，國防工業出版社.
和利時公司，LK大型可編程控制器硬件手冊，2008.
作者簡介
劉雍，東北大學碩士研究生，研究方向自動控制，現任北京和利時自動化驅動技術有限公司行業技術支持