（计算机应用技术专业论文）混凝土搅拌站自动配料系统的研究与开发.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 混凝土搅拌站已成为混凝土生产的主要场所，其称重配料环节作为混凝土生产 过程中的关键环节，是影响混凝土质量的重要因素。同时，控制系统的性能，对 搅拌站的正常运行有着非常重要的影响。首先，控制方案的优劣决定了搅拌站能 否稳定可靠的运行；其次，控制策略的选取决定了搅拌站的生产效率与配料精度； 再次，上位机监控软件的设计决定了人机交互的易用性和方便性。因此，针对以 上问题，本文主要进行了以下工作： ( 1 ) 对课题背景及其研究的意义进行了介绍，对混凝土搅拌站的发展、分类及 其组成结构进行了概述，重点对控制系统的方案进行了对比分析。 。( 2 ) 确定控制系统方案，选用工控机和p l c 的组合方案，同时对工控机、p l c 、 称重传感器、模数转换模块、重量变送器进行了选型，实现了控制系统总体设计。 ( 3 ) 详细介绍了料斗秤的组成及工作原理，分析了动态称量过程的物理机理， 在此基础上推导出称重配料过程的数学模型，并进行了计算机仿真。 “) 针对系统断续、重复运动的特点，采用迭代学习控制算法对称量控制量进 行不断的修正，使配料精度不断提高。仿真结果表明，应用迭代学习控制算法可 以取得满意的控制效果。同时，针对实际应用过程中，设定值的改变对称量结果 造成的波动影响，对称量控制量采取分段设置的方法，减小了配料精度的波动。 ( 5 ) 利用面向对象的程序设计语言d e l p h i 设计上位机监控软件，可实时监控系 统的运行情况，同时具有生产数据的保存、查询，报表的生成、打印等功能。最 后对下位机的控制软件和上下位机之问的通讯功能进行了设计 关键词称重配料系统；混凝土搅拌站；迭代学习控制算法；监控软件 苎璺罂三查主苫主璺圭主堡堡兰 a b s t r a c t c o n c r e t eb a t e h i n gp l a n t sh a v eb e e nt h em a i np l a c ef o rc o n c r e t ep r o d u c t i o n w e i e , h i n ga n db u r d e n i n g 嬲t h ep i r o t a lp a f td u r i n gt h ep r o c e s so fc o n c r e t ep r o d u c t i o ni s t h ei m p o r m m tf a c t o rw l a i e ha f f e c tt h ec o n c r e t eq u a l i t y a n dt h ew e i g h i n ga n d b u r d e n i n gc o n t r o ls y s t e m h a v ea b i ge f f e c to nt h eh a t c h i n gp l a n t 眦i n g f i r s t , t h ef o r m o fe o n l r o ls y s t e md e c i d e si fb a t e l a i n gp l a n t nw o r ks t a b l eo rn o t s e c o n d , t h ec o n t r o l m e a n sd e c i d et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n db u t d e n i a ga c c u r a c yo ft l a eh a t c h i n gp l a n t t h i r d , t h em o n i t o ra n de o n l r o ls o t t w a r ed e c i d et h ec o n v e n i e n c eb c t w c c nh u m a na n d m a c h i n e i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m , s o m cw o r ka d o n eb e l o wi nt h i sp a p e r ； ( 1 ) i n l a o d u e et h eb a c k g r o u n da n ds i g n i t i e a t i o no ft h es u b j e c t s u m m a r i z et h e d e v e l o p m e n t , c l a s s i f i c a t i o na n dc o m p o s i t i o no f t l a ec o n c r e t eb a t e l a i a gp l a n t a n a l y s i st h e f o r mo f c o n l r o ls y s t e me m p h a s i s ( 2 ) c h o o s et h ef o r mo fc o n t z o ls y s t e mw h i e l au s i n gi p ca n gp l c t h e nc h o o s et l a e t y p eo f i p c ，p l c ，w e i g h i n gs e n s o r s ，a dm o d u l ea n dw e i g h i n gt r a n s m i t t e r t h e n , f m i s l a t h eh l l l d w a l ed e s i g no f t h ec o n t r o ls y s t e m ( 3 ) i n t r o d l l c et h ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f t l a eh o p p e r - s c a l ei nd e t a i l e d a n a l y s i st h ep h y s i c sm e c h a n i s mo ft h ed y l a a m i ew e i g h i n gp r o e e s s a n de s t a b l i s h e d m a l h c m a d c $ m o d e lo f t l a ep r o c e s sb a s e do nt h er e s u l t1 1 b 朋t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s 鄱l l l l k k ：t o o ( 4 ) a i mt oc h 锄c t e ro fu n e o n t i n u ea n dr e p e t i t i v e i l c ( i t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r 0 1 ) a l g o r i t h mi su s e dt om o d i f yt h ee o n l z o lp a r a m e t e r s ，t h em a k eb u r d e n i n ga c c u r a c ym o l 它 a n dm o l eh i g h e r a n d , a i mt ot l a ee f f e c ta c c u r a c yw h e nt h ew e i g h i n gv a l u e s 瓣c h a n g e d , d i f f e r e n te o n l z o lp a r a m e t e r s 矾s na c c o r d i n gt od i f f e r e n tw e i g h i n gv a l u e s s o ，t h e e f f e c ti sr e d u c e ( 5 ) t h em o n i t o ra n dc o n t r o ls o t t ) l r d l t e 玳d e s i g n e du s i n gd e l p h ip r o g r a m m e r l a n g u a g e ，w h i c hc a l lm o n i t o ra n d c o n t r o ls y s e mr u n n i n gr e a l - t i m e ，锄s a v e , s e a r c ht h e p r o d u c t i o nd a t a , a n da l s oc a l lp r o d u c et a b l ea n dp r i n ti t a tl a s t , t h ee o n l r o ls o t t w i i i e r i m i n gi np i , ca n dt h ec o m m u n i c a t i o ns o l w a t tb e t w e e n 口ca n dp i , c 批d e s i g n e d 1 巧w o r d sw e i g h i n ga n db u r d e n i n gs y s t e m ：c o n c r e t eh a t c h i n gp l a n t ：i t e r a t i v el t 捌f n i n g c o n t r o la l g o r i t l a m ；m o n i t o ra n dc o n t r o ls o f t w a r e 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 混凝土是由骨料( 砂子、石子) 、水泥、水、掺合料以及外加剂等原料按一定 比例混合后搅拌而成，是建筑工程中应用最广泛的材料之一，其经济、技术指标 对于整个建筑工程的质量和成本有着举足轻重的关系。为了提高混凝土的强度， 节约水泥和满足某种技术要求，各种原料必须严格按预先试验好的比例配合在一 起 早期的混凝土主要由建筑工地自行生产，此种方式生产效率低、劳动强度大、 噪声及粉尘污染严重，且质量波动较大。随着我国经济建设的发展，一系列基础 性工程的开工建设以及城市化进程的加快，对混凝土的需求量越来越大、对其质 量的要求也越来越高。传统的生产方式己不能满足建设的需要，加上国家政策的 引导，近年来，专门生产混凝土的工厂商品混凝土搅拌站得到了快速的发展。 混凝土搅拌站就是将构成混凝土的各种物料按照配比要求进行计量，然后经搅拌 机搅拌成合格混凝土的成套设备。它具有生产自动化程度高、生产效率高、对环 境的污染小的特点且生产的混凝土产品质量优良稳定、生产成本低，因而在全国 大中城市得到了迅速发展和推广应用，成为混凝土生产的主流。 1 2 混凝土搅拌站概述 混凝土搅拌站是将水泥、砂子、石子、水、掺合料以及外加剂等物料按照混 凝土配比要求进行计量，然后经搅拌机搅拌成合格混凝土的成套设备。搅拌站一 般由物料输送、贮存、计量、搅拌等部分和控制系统组成。 1 2 1 混凝土搅拌设备的发展 混凝土搅拌设备是随着水泥的诞生而产生和发展的，最初搅拌设备仅以单机 的形式出现，随着技术的发展以及对混凝土要求的提高，出现了各种不同型式带 有计量装置的搅拌设备，从而产生了混凝土搅拌站。德国于1 9 0 3 年建立了世界上 第一个混凝土搅拌站，随后，美国于1 9 1 3 年，法国于1 9 3 3 年，日本于1 9 4 9 年建 青岛理工大学工学硕士学位论文 立各国自己的混凝土搅拌站。国外6 0 年代到7 0 年代是商品混凝土发展速度最高“ 的阶段，也是混凝土搅拌设备发展最快的时期。目前，德国、美国、意大利、日 本等国家生产的搅拌设备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5 0 m 3 h 3 0 0 m 3 h 之间。 我国自5 0 年代开始研制大型混凝土搅拌站，主要用于水利工程。7 0 年代中 期开始生产小型混凝土搅拌站，用于工业与民用建筑工程，9 0 年代后我国的混凝 土搅拌站技术发展很快，目前我国搅拌站的生产率通常在2 0 m 3 h 1 5 0 m 3 h 之间。 1 2 2 混凝土搅拌站的分类 混凝土搅拌站的分类方式很多，这里主要介绍以移动性，工艺流程及其它常 用的分类方式“1 。 1 按移动性分类 通常分为三类：即移动式、拆迁式和固定式。 移动式搅拌站通常带有行走装置，以便于现场移动，主要适应于移动性较强 的工程，如道路、桥梁等建设项目。目前我国生产的移动式搅拌站的生产率一般 在2 0 m 3 h 9 0 m 3 h 之间。 拆迁式搅拌站是相对固定式而言，其特点是移动场地时必须将大部件拆开装 运。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。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。 固定式搅拌站是指拆迁比较困难的搅拌设备，一般是一阶式上料或混凝土结 构的搅拌设备，有时也把这种搅拌站称为搅拌楼。它生产能力大，适用于商品混 凝土工厂、预制厂及大型混凝土工程等场合使用。 2 按生产工艺分类 传统的划分方法为一阶式和二阶式。通常称一阶式为搅拌楼，二阶式为搅拌 站。有些场合下也称一阶式为垂直式或塔式搅拌设备，二阶式为水平式搅拌设备。 图1 1 为一阶式搅拌设备的工艺流程，即物料( 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。一阶式搅拌设备有时采用多个 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靠性较高，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，所以适应一切气 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 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 性好，因此可靠性高。缺点是占地面积大，一次性投资大。搅拌楼一般适用固定 场合，如商品混凝土厂及预制厂等，也适用于大型工程。 图1 2 为二阶式搅拌设备的工艺流程。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进行搅拌。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短。一般适用于 中小型商品混凝土厂及大中型混凝土施工工程。 图1 1 一阶搅拌设备工艺流程 图1 2 二阶搅拌设备工艺流程 一阶式和二阶式搅拌设备的另外一个区别是生产率有差别，即使使用同样的 搅拌主机，二阶式要比一阶式搅拌设备低。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设备，图l - 3 是 其工艺流程，其特点是骨料计量后提升到搅拌机上方的集科斗内，当程序要求投 图1 3 介于一阶和二阶之间式搅拌设备工艺流程 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 骨料时，将骨料投入搅拌机中，这样骨料在集料斗中等待时，骨料计量可以同时 进行，从而提高了生产率。这种方式其优点是既提高了生产率，又减少了占地面 积。 3 其它分类方法 除上述常用的两种分类方法外，还可按其它分类方法分类，如按搅拌站是否 配置搅拌机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在我国不经 常使用。本论文主要针对间歇式湿搅拌站进行研究。 1 2 3 混凝土搅拌站的组成 混凝土搅拌站主要由物料输送设备、储料设备、计量设备、搅拌设备和中心 控制系统几部分组成。 1 输送设备 输送设备包括骨料输送设备、粉料( 水泥) 输送设备以及水泵等。骨料输送 设备有皮带机、拉铲、抓斗和装载机等，其中皮带机是搅拌装置中最常用的骨料 输送设备，而且是单阶式搅拌楼唯一可以采用的输送设备。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道输送， 它由喂料机、输送管道和收尘器组成。 2 储料设备 储料设备由储料斗、卸料设备( 闸门、给料机等) 和一些其它附属装置组成。 储料斗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 储料设备配合计量装置进行配料。所以，它是工艺设备的组成部分，并不是大宗 物料的储存场所。 根据制作储料斗所用的材料不同，储料斗分为钢料斗、钢筋混凝土料斗、木 料斗等；从外形上分，常用的有方形和圆形。圆形储料斗又叫筒仓。给料机和闸 门都是储料斗的卸料设备。闸门控制储料斗卸料口的开启和关闭的，大多是气动 的，其构造简单，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用的是扇形闸门，它由压 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 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 计量设备 计量设备是混凝土生产过程中的一项重要工艺设备，它控制着各种原料的配 比计量的精度对混凝土的强度有着很大的影响。对计量设备的要求，首先是准 确，其次是快速。计量的不精确将对混凝土的强度产生很大的影响，同时又要满 足一定的生产率。因此，精确、高效的计量设备不仅能提高生产效率，而且是生 产优质高强混凝土的可靠保证。 计量设备从构造上可分为杠杆秤和电子秤等。杠杆秤由于称重速度慢、效率 低、不能适应自动化生产的要求，己逐渐被淘汰。电子秤包括秤斗、传感器以及 卸料设备组成。秤斗采用三点悬挂，在每套悬挂装置的中部各装有一个传感器。 为了适应各种不同的物料，秤斗在构造上略有不同。水泥秤斗是圆形的，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，以保证密封良好。 4 搅拌设备 搅拌设备由搅拌主机及其附属部分构成，称量好的物料投入搅拌主机进行搅 拌后成为合格的混凝土。搅拌主机在工作时传动机构带动两搅拌轴同步反向转动， 每个搅拌轴上分布置4 8 个搅拌臂及两对侧搅拌臂，其上装有搅拌叶片和刮板， 物料投入搅拌机以后通过搅拌叶片、刮板对粗细骨料、外加剂等的搅动使混合料 在罐体中间作径向和轴向运动，在两搅拌轴中间的交叉区域形成对流，实现物料 的强烈搅拌，从而使搅拌质量更好更均匀。 5 控制系统1 控制系统是搅拌站的神经中枢，对于搅拌站的正常运行起着至关重要的作用。 它控制原料输送、称重配料、搅拌卸砼等各个环节，其中，称重配料环节又是整 个搅拌站的核心部分，其配料的精度直接影响着混凝土的质量。如果质量达不到 要求，轻则造成原料的浪费，重则影响建筑工程的质量，甚至酿成事故。因此， 采用计量精确、稳定可靠的控制系统是搅拌站正常运行的关键。 1 2 4 混凝土搅拌站的工艺流程 生产混凝土的原料一般有粗骨料( 石子) 、细骨料( 砂) 、水泥、掺合料( 粉煤 灰) 、水和外加剂等，各种原料按给定的配比( 配方) 进行称重配料，然后卸入搅拌 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 机进行混合搅拌。搅拌到给定的时间后，就形成湿态成品混凝土，可以交付旌工 现场使用。其生产工艺如图1 4 所示。 骨料( 石子和砂) 的称重配料装置由扇形给料门和秤斗组成。秤斗用传感器悬 挂装置吊在料仓底部的支架上。料仓给料门和秤斗卸料门的开闭由气缸推动，由 电磁阀( 2 4 v d c ) 来控制气缸的动作。电磁气阀接收电讯号，通过线圈产生电磁力 使气阀换向。从而达到操纵气缸的目的。 粉料( 水泥和粉煤灰) 的称重配料装置由螺旋机和秤斗组成。称重配料时，粉 料由料仓底部给科阀门经螺旋机进入秤斗。卸料气动阀门的开闭由气缸推动。 液料( 水和外加剂) 的配料装置由储液箱、秤斗等组成。箱体和秤斗都置有捧 液阀，箱体给料阀门和秤斗卸料阀门的开闭由气缸推动。 石子砂子水泥粉煤灰水外加剂 i集料斗放液管 ll 图1 4 混凝土搅拌站称重配科系统工艺流程图 1 3 国内外研究现状 国外对混凝土搅拌站的研究起步早，其技术一直处于领先地位，主要厂商有 德国的巴哈斯( b h s ) 、埃尔巴( e l b a ) 、利勃海尔( l b h e r r ) 、泰卡( a ) ， 日本的日工( n 】k k 0 ) 、石川岛( ) ，意大利的仕高玛( s i c 0 m a ) 、欧陆( o r u ) ， 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 韩国现代( h y l 7 n d a i ) 等。他们的产品总体上整机质量好，可靠性高，其微控 技术成熟可靠，物料的配比、容量变更控制十分准确，并对粗细骨料粒度分布进 行调整的粒度补偿、对骨料表面含水率的补偿、骨料精称量控制、废水回收控制 等方面进行了深入研究。有些搅拌站还增加了搅拌机动态负荷监测、混凝土物料 稠度控制、除尘、消声、废水处理等装置。 我国对混凝土搅拌站的研制起步较晚，走的是引进学习一消化吸收一创新的 道路。国内的混凝土搅拌站在近十年来有了较快的发展，主要厂家有华建、方圆 集团、山东建机、韶关新宇、四川现代等企业，其产品占据了国内市场的相当份 额。但与国外产品相比仍有一定差距，主要表现在整体技术含量不高，在降低能 耗、提高搅拌质量、提高称量精度等方面与国外相比明显滞后。 。 智能化、环保化、高精度化将是混凝土搅拌站未来的发展方向。智能化是所 有机械设备的最终发展方向，搅拌站也不例外。当前我国的混凝土搅拌站只能说 是处于一种比较低的智能化状态，在这方面，要以一种更高的完全意义的智能化 为出发点来进行研究。环保化要从粉尘、噪声和污水三个方面加以改进和提高。 高精度化主要指骨料、水泥、水和外外加剂的计量精度，目前计量精度还有较大 的提升空间。计量的高精度化是我国搅拌站的奋斗目标和发展方向，只有提高了 计量精度才能生产出更高标号的高强混凝土来，如何提高计量装置的精确度是值 得研究的一个问题。 1 4 本论文的主要工作 本论文结合实际应用，主要进行了以下几个方面的工作： 1 对混凝土搅拌站控制系统的发展进行了介绍，对控制系统的方案进行了对 比分析；确定本设计采用的方案，同时对 c 、p l c 、a d 模块、称重传感器、 重量变送器等主要器件进行了选型，并进行了硬件电路连接，实现了控制系统总 体设计。 2 介绍料斗秤的组成及工作原理，提出了动态称重配料过程中的关键问题， 针对料斗秤的配料过程进行分析研究，建立数学模型，推导出配料过程的数学表 示算式，并用m a t l a b 对该数学模型进行了计算机仿真。 3 阐述了迭代学习控制算法的原理与方法，在前面计算机仿真曲线的基础上， 对配料过程做进一步的分析，将迭代学习控制算法用于配料关门提前量的修正， 7 青岛埋工大学工学硕士学位论文 仿真结果表明，应用迭代学习控制算法取得满意的控制效果。同时，从实际应用 的角度出发，对关门提前量采取分段设置，对累积误差进行补偿处理，保证了配 料精度要求。 4 利用d e l p h i 高级编程语言开发上位机监控软件。该监控软件可实现整个 称重配料过程的动态显示，配方的添加、修改、删除的操作，历史数据的查询与 维护，生产报表的生成与打印等功能。同时对下位机的控制软件和上下位机之间 的通讯功能进行了设计。 8 第2 章控制系统总体设计 控制系统作为搅拌站的重要组成部分，控制着从原料输送、称重配料到搅拌 卸砼等各个环节，贯穿于搅拌站工作的全过程。其中，又以称重配料环节最为重 要，其称量精度尤其是水泥和水的精度， 率影响着整个搅拌站的生产效率。因此， 站正常运行的关键。 2 1 控制系统的发展 决定了所生产混凝土的强度；其称量效 稳定、精确、高效的控制系统，是搅拌 随着计算机技术和微电子技术的发展，混凝土搅拌站控制系统的发展大致经 历了以下四个阶段： 1 手动控制阶段： 早期的搅拌站采用手动控制，按所需配方由手动控制操作开关完成各种物料 的称量、上料、卸料等一系列工序，劳动强度大，生产效率低，混凝土质量不易 保证，现在已经淘汰。 2 继电器控制阶段 用一系列的继电器触点代替手动操作的开关，根据工艺要求，使继电器依次 动作从而控制开关通断。这种控制系统体积大、可靠性低且控制不够灵活，除了 时间继电器的时间设置可调整外，其他工艺不易变更，适应性差，现己基本淘汰。 3 可编程控制器( p l c ) 、单片机控制阶段 这种控制系统比继电器控制系统的柔性好，只需修改程序而不需调整系统的 硬件设置就可采用新工艺生产，有简单的管理功能，如配方的管理和选择、生产 状态的显示等和一定的数学运算功能，使称量精度更高。但是其柔性有限，不能 实现生产数据的记录、统计、分析等管理功能。 4 工业控制计算机( i p c ) 控制阶段” 随着计算机应用的普及其性能的不断完善，计算机已应用到工业生产的各个 方面。工业控制计算机不但可实现复杂的控制功能，还具有完善的管理功能。采 用工业控制计算机来组成混凝土搅拌站的控制系统，可以弥补单独p l c 控制系统 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 在数据管理方面的不足，将是未来的发展趋势。 2 2 控制系统的方案 由工业控制计算机( i p c ) 组成的混凝土搅拌站控制系统主要采用以下三种 方案： 1 工业控制计算机+ 扩展板方案 这种方案直接利用工业控制计算机安装模数板( h d ) 、输入输出板( i o ) 。利用 a d 扩展卡对配料系统中的传感器的输出信号进行数据采样、a d 转换，再通过 i o 卡控制配料系统中的各个继电器旧1 。如图2 1 所示。 。 工 控 机 图2 1 工控机控制方案 该方案特点是结构简单，控制原理简单明了。但由于该控制方式中整个控制 核心为工业控制计算机，控制软件设计时对抗干扰等因素要求较高，一旦计算机 本身出现问题，如硬盘、内存、电源等，整个系统就会瘫痪。这种风险相对集中 的控制方式，用的较少。 2 工业控制计算机+ 单片机方案。 本方案把多路信号放大器、i o 模块、电源模块和单片机系统做在一起，构 成一个称重配料控制器嗍。如图2 - 2 所示。 称重配料控制器 工 a ，d 叫信号放大i + 一1 传感器 控 h i c u 机 i 船 一继电器l 一执行部件 图2 - 2 工控机和单片机组合控制方案 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 传感器的模拟信号经多路信号放大器放大后进入单片机系统，再经过a d 转 换、数据采集后，利用存储在e e p r o m 中的配方数据进行数据处理，并经过i o 模块输出信号对配料系统进行控制，同时将信号传给计算机，显示控制和数据的 情况。 3 工业控制计算机+ p l c 方案。 利用可编程控制器进行模拟数据采集、a d 转换，控制配料系统与计算机通 讯以实现配方修改、数据显示等。如图2 3 所示。 p 比 r s 2 3 2 电潭 工 c p u 控 机 加 i ，o 图2 - 3 - r 控机和p l c 组合控制方案 综合比较上述三种方案阻哪： 方案一构成直接数字控制系统。该方案采用计算机集中控制方式，系统整体 结构简单，所有的控制回路都由一台计算机控制，计算机不但完成系统控制工作， 还要完成数据采集、处理、存储等一系列工作。但是由于配料生产现场往往距控 制室较远，强、弱模拟信号混杂，必须采取较完善的屏蔽抗干扰措施才能保证系 统的稳定运行。集中控制对主机及其测控电路要求较高，系统整体风险大，一旦 计算机出现故障，将造成整个系统瘫痪，影响生产正常进行。 方案二和方案三采用两级控制方案，构成监督控制系统。单片机或可编程控 制器作为下位机主要完成系统的控制功能，工控机作为上位机主要实现管理功能。 上位机不参与被控对象的直接控制，而是将控制任务交给各个下位机完成。这不 仅大大简化线路结构，便于系统制造与安装维护，显著提高系统的性能价格比和 组成灵活性，同时使配料系统整体故障风险分散，数据管理与过程控制分离，人 机接口更加完善，满足了企业管理人员远离控制现场实时监视整个配料系统工作 情况的需求，进一步提高了配料系统的可靠性。 工业控制计算机是为工业应用而设计的计算机系统，具有较好的抗震、抗粉 1 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 尘、耐电压波动性能。由于工业计算机的损坏而造成整个系统瘫痪，所以一般情 况下工业计算机作为管理使用比较合适。p l c 是专为工业现场应用环境而设计的， 结构上采取整体密封或插件组合型，并采取了一系列的抗干扰措施，使其具有很 高的可靠性和很强的抗干扰能力，平均无故障时间可达几万几十万小时。p l c 本身具有很强的自诊断功能，故障修复时间短。综合比较，采用工业控制计算机 和p l c 的组合方案作为本系统的控制方案。 2 3 主要器件选型 2 3 1 工控机选型 本设计采用台湾研华工业控制计算机i p c 6 1 0 作为上位机。研华工业控制计 算机的模块化结构，使其在维修和升级换代方面具有极大的优势。由于有灵活的 i o 扩展功能，用户可根据需要对系统进行方便地组合和扩充。 工业级c p u 卡是专门为工业控制的恶劣环境而设计制作的，能确保系统稳定 可靠地连续运行。一般商用的大底板很难承受恶劣环境中的高低温冲击、振动、 电磁干扰、潮湿和粉尘等。因此，工控机在底板上保留电源和数量较多的i o 插 槽，将c p u 和外围芯片、存储器以及各种接口如串行口、并行口、硬盘和软驱接 口等独立出来，专门做在c p u 卡上，以确保高可靠性。据统计，工控机可工作于 o 5 0 1 2 的温度环境，机箱全封闭，有效地防止电磁干扰。可在各种恶劣的环境 下正常工作。 2 3 2p i 疋选型 可编程控制器是集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制 装置。它以工作可靠、编程容易、扩展方便、安装灵活、性能价格比高等特点， 在工业控制的各个领域里得到了广泛的应用，成为现代工业自动化三大支柱 ( p l c 、机器人、c a d c a m ) 之一。 o m r o n 公司是世界上著名的几大p i _ , c 开发与生产厂家之一，不但新产品开 发在世界上一直遥遥领先，而且更为突出的一个特点是o m r o n 公司生产的p l c ， 其网络通信功能较强，通用性好。o m r o n 公司的大、中、小、微型机各具特色、 各有所长，目前在中国市场的占有率位居前列。从小型规模的c p m 系列、c q m 系列、c p 系列，中型规模的c 2 0 0 h a ，c s l 系列到大型的c v 系列，基本可以满 青岛理工大学工学硕士学位论文 足不同层次控制系统的需求；还有丰富的特殊f o 模块、模拟量输入输出单元、 温度传感器控制单元、p i d 控制单元、位置控制单元、运动控制单元、语音单元 等等，可以满足不同工业现场的特殊需求。 另外，o m r o n 公司的f a ( t 厂自动化) 网络种类多，技术完善，性能稳定， 处于领先地位。主要有：h o s tl i n k , c o m p o b u s s ，c o m p o b u q d ，c o n t r o l l e rl i n k 等，其中h o s tl i n k 网特别适用于集中管理、分散控制的工业自动化网络。通过 联网，可以把计算机信息处理能力强显示界面好的特点和p l c 实时控制性能好、 可靠性高的特点有机地结合起来，在工业现场必将提高生产效率，增加经济效益。 c p l h 是欧姆龙公司新近推出的具有高度扩展性的小型一体化可编程控制 器。主要包括c p i h - x ( 标准型) ，c p l h - x a ( 模拟量内置型) ，c p i h - y ( 高速定 位型) 3 种型号。c p i h 虽定位于小型机，但它却是基于c s c j ( 特别是a ，c j 是中型p l c 平台) ，因此运算速度和处理功能较一般小型机具有明显的性能优势， 其处理一条基本指令所需要的时间为o 1 u s ，仅是一般小型p l c 的1 6 。同时扩展 了很多中型机的功能，如高速脉冲输出功能、计数器功能、模拟量输入输出功能 等。配备了标准的u s b i 1 端口和两个串行通信接口( r s 一2 3 2 c 和r s 一4 8 5 ) ， 便于与其他设备的连接。 本设计选用c p lh - x a 4 0 d r a 型号的p l c 。该型号的p l c 具有以下特点： 程序容量2 0 k 步； c p u 单元单体，内置输入2 4 点输出1 6 点； c p u 单元单体，可实现高速计数器4 轴、脉冲输出4 轴； 通过扩展c p m i a 系列的扩展i o 单元，可以达到最大3 2 0 点的输入输出； 内置模拟电压电流输入4 点、模拟电压，电流输出2 点的模拟输入输出功能； 通过扩展c p m l a 系列的扩展单元，进行功能扩展( 模拟量输入输出单元等) ； 通过安装选件板，可进行r s 2 3 2 c 通信或r s - 4 2 2 a 4 8 5 通信； 2 位7 段l e d 显示p l c 的状态，提高设备运行中故障状态的掌握，方便维 护 2 3 3 传感器选型 1 称重传感器的工作原理睁1 ” 常用的称重传感器为电阻应变片式传感器，它通过粘贴在弹性体敏感材料表 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 面的电阻应变片来实现力的转换。在拉力的作用下，弹性体伸长变细，电阻应变 片也随之变形，即长度伸长，直径变细； 变粗。由于应变片的电阻值变化很微小， 补偿片的电阻丝受压，长度缩短，直径 为了提高传感器的灵敏度和抗电源变化 的影响，故测量电路接成电桥形式，获得电桥的和差特性。称重传感器在物料拉 力作用下，电桥就有电压输出。输出一个与重量值成正比的模拟电压信号u o 。由 于此信号比较微弱，要先经过放大后才能进行a d 转换，然后送微机进行处理， 实现控制。 常用称重传感器，依其敏感材料的不同，有s 形、板环式、悬臂梁式，以及 中心十字筋板环式等。虽然，从理论上讲，任何称重系统可以配用任何结构形式 的传感器。但是，从可靠性、准确性以及经济合理性等方面考虑，不同的选择则 会产生不同的效果。中心十字筋板环式传感器精度高、抗偏载性能优异，但是价 格较高，通常只在高精度测量场合使用。混凝土搅拌站上常用的是s 形传感器、 悬臂梁式和板环式传感器。因其具有精度高、抗偏载能力强、同时可以带过载保 护、量程范围宽等优点用的最多。综合考虑精度、量程范围、安装方式、价格等 因素，绝大多数搅拌站生产厂选用s 形传感器。 2 传感器数量的选择 传感器数量的选择是根据秤体需要支撑的点数( 支撑点数应根据使秤体几何 重心和实际中心重合的原则而确定) 而定。一般来说，秤体有几个支撑点就选用 几只传感器，搅拌站上使用的料斗秤通常采用3 点悬挂，故需3 只传感器。但对 一些特殊的秤体，如电子吊钩秤就只能采用一个传感器。 3 传感器量程的选择”1 传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、 可能产生的最大偏载及动态等因素综合评价来确定。理论上说，传感器的量程越 接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于 加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、偏载及振动冲击等载荷， 因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。 在称重系统中，传感器的量程范围应根据以下原则合理选择，才能获得满意 的准确度并具有足够的灵敏度和过载保护可靠性。 传感器额定量程= 鼍蔷篆雩譬罢；奏i ；i 雾 q m 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 称重传感器的灵敏度 国内外常见的应变式称重传感器灵敏度多数为2 m v n ，但也有l m v n 的， 如柱式传感器；也有3 m v n 的，如部分悬臂梁式传感器和板环式传感器；扭环式 传感器则通常是2 8 5 m v v 。目前搅拌站上使用的传感器基本上都是2 m v v 的。 传感器准确度的选择以满足称量系统的准确度要求为准，不必片面追求过高 的传感器灵敏度。在多只传感器组合使用时，其综合误差t 按下式计算。 i t ：掣(22) = 净二 心2 ) v n 式( 2 2 ) 中，s ( 功为单只传感器的准确度，玎为称重系统使用的传感器只数。 5 根据实际条件合理选型 目前搅拌站上常用的s 形传感器、悬臂梁式传感器、板环式传感器，其线性、 滞后、重复性、灵敏度温度影响、蠕变等主要指标绝大多数厂家均优于0 0 5 ， 大多数厂家优于o 0 3 ，部分厂家优于0 0 2 。其单只传感器的综合误差都接近 或优于o 1 。多只传感器组合后其综合误差就更小了。可以说一般称重传感器生 产厂家的产品都能满足要求。 一般搅拌站生产厂家规定其称重系统的静态精度分别为0 1 和o 3 。这样， 对于使用单只传感器的计量秤而言，单项指标为0 0 5 的传感器就可以满足o 3 精度的要求。对于使用3 只以上传感器的计量秤而言，单项指标0 0 5 的传感器 也能满足o 1 精度的要求。 需要指出的是，上述精度是称重系统的静态精度，而混凝土国家标准要求的 是动态精度，这是由于原材料不断地向称量机构供料，在重力的冲击下称量误差 明显增加。上述o 1 和o 3 的静态精度能否保证分别达到l 和2 的动态精度 还与供料系统的设计有关。 6 称重传感器选型应考虑过负荷因烈“埘 混凝土生产主要使用砂、石子、水泥以及水、外加剂、掺合料。几种材料中 石予称重传感器的冲击最大，称重传感器称重过程中过载情况最容易发生。从调 查的情况来看，传感器因过载而损坏的情况时有发生。有控制系统故障的原因， 也有使用过程中人为因素造成的过载。因此传感器的过载能力、过载保护系统对 称重系统的可靠运行有一定的影响。 1 5 青岛理工大学工学硕土学位论文 传感器的性能指标中有两项于此有关，一是允许过负荷，一是极限过负荷。 允许过负荷是指卸去这一负荷后，传感器的线性性能保持不变。极限过负荷是指 在这一负荷下传感器不会产生有害的永久性机械变形。 一般传感器的允许过负荷为1 5 0 ，极限过负荷在2 0 0 3 0 0 之间。有些带 过载保护的传感器则可能超过某一范围。根据特殊需要，有些传感器因其特殊设 计，允许过负荷高达5 0 0 。此类传感器在频繁过载的情况下也能可靠地工作。 7 称重传感器的选用 本设计采用单科单秤的方案，即每种物科单独一套称量系统，共需八套秤， 分别为租骨料l 秤、粗骨料2 秤、细骨料1 秤、细骨料2 秤、水泥秤、掺合料秤、 水秤、外加剂秤。除外加剂秤采用单只传感器悬挂外，其他的秤均采用三只传感 器悬挂在支架上。根据配料过程中需要的每种物料的不同，结合上面的选型公式。 确定各秤的传感器量程，这里选用的是济南金钟衡器公司生产的t - b x t - b x b 系 列的s 型称重传感器。 表2 1 传感器型号和数量 物料秤名称传感器型号传感器数量 租骨料秤 t - b x 良2 6 只 细骨料秤 t b x 良1 6 只 水泥秤t b x 良5 0 03 只 掺合科秤t _ b x l 3 - 3 0 03 只 水秤t - b x 臣2 0 03 只 外加剂秤t - b x - 5 0 1 只 2 3 4 模数转换模块选型 由于选用的c p l h 型p l c 本身只带有4 路模拟量输入，满足不了系统的需要， 需进行扩展。选用c p m l a - a d 0 4 1 是模拟量输入单元，该扩展单元包含4 路模拟 量输入，并且具有平均值功能和断线检测功能： 1 平均值功能 当在输入范围内设定了平均值功能时此功能开启。平均值功能取最近的八个 输入数据的平均值作为转换数据。使用此功能可以消除短时间内输入波动的影响。 2 。断线检测功能 当输入范围被设定在l 5 v 并且输入电压跌落到0 s v 以下( 或输入范围设 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 定在4 2 0 m a 并且电流跌落到3 2 m a 以下) 时，断线检测功能被开启。当断线 检测功能被激活后，转换的数据将被设定为8 0 0 0 。在数据转换过程中断线检测功 能是可以清除的。如果模拟量输入重新回到转换范围内，断线检测功能将自动清 除。 3 规格参数 c p m l a - a d 0 4 1 模拟量输入单元详细的规格参数如表2 2 所示： 表2 2c p m i a - a d 0 4 1 规格参数 输入点数 4 点( 分配4 个通道) 1 0 1 0 v0 5 v 输入信号范围 0 1 0 v0 2 0 m a 1 5 v4 2 0 m a 分辨率 1 6 0 0 0 ( 满量程) 1 6 位二进制( 4 - 位十六进制) a d 转换数据1 0 t 0 1 0 v ( 满量程) ：f 4 4 8 t 0 0 b 酏h e x 其他输入范围( 满量程) ：0 0 0 0t o1 7 7 0h e x 电压输入：1 m 0m i n 输入阻抗 电流输入：2 5 0 q 电压输入：1 5 v 最大输入信号范围 电流输入：3 0 m a 电压输入电流输入 精度 2 5 0 3 满量程 1 0 4 满量程 0 t o5 5 0 6 满量程0 8 满量程 平均值功能支持 断线检测功能支持 输入端子与内部电路采用光耦隔离，输入端子 隔离方式 之问无隔离。 转换时间2 m s 点 功率3 m 2 3 5 重量变送器选型 由于称重传感器输出信号非常微弱，一般为0 - - 2 0 m v ；而a d 模块的输入信 号通常有以下几种方式：1 0 - 1 0 v 、0 1 0 v 、0 - 一s v 、l v 、o - - 2 0 m a 、4 - - 2 0 m a 。 为了使传感器的输出信号满足a d 模块的输入要求，需将传感器的输出信号进行 变换。采用p t 3 5 0 c 重量变送器，将传感器的m v 级输出信号变换成a d 模块所 需的信号，同时为传感器提供桥电压信号。p t 3 5 0 c 本身的工作电源为直流2 4 v ， 有多种输出形式可供选择，可独立执行零点和满量程的调校。 1 7