沥青混凝土搅拌站教学模拟设备控制系统软件设计.pdf

RM CM 憋 。 { 。 h 。 。 沥青混凝土搅拌站教学模拟设备控制系统软件设计 S o f t wa r e De s i g n o f Co nt r o l S y s t e m f o r Te a c hi ng Si m ul a t i o n Equ i pm e nt o f As — pha l t Conc r e t e M i x i ng Pl a nt 刘 波 L J U Bo 辽 宁 省 交 通 高 等 专 科 学 校机 电 系 ， 辽 宁 沈 阳 1 1 01 2 2 De p a r t m e n t o f M e c h a t r o n ic s ，L ia o n i n g P r o v in c ia l V o c a t io n a l S c h o o l o f Co m mu n ica t io n s ，S h e n y a n g 1 1 0 1 2 2，L ia o n i n g，C h i n a 【 摘要 】 本文针 对 对沥 青混 凝 土搅 拌站 教 学模 拟 设 备 中P L C的选 型与 设计 ， 结合 搅 拌 站 的生产 工 艺控 制 流程 ． 设计 了P L C 称 量精 度 的控 制算 法及 其流 程 ， 以提 高称 重 系统 的计 量精 度 和 扩 大其 量 程 范 围 ， 可 以为拌 和 站 的称 量 系统设 计 提 供参 考 【 Ab s t r a c t】 I n t e r ms o f t h e s e l e c t io n a n d d e s ig n o f P L C f o r t e a c h i n g s i mu la t io n e q u i p me n t o f a s p h a l t c o n c r e t e m ixi ng plan t ， t he c ont r ol al gor it hm and pr ocess of w ei ghi ng ar e des i gned i n c om bi n at ion w it h t he cont r ol f l o w of pr oduc t i on of m ixi ng pl an t s， f or t he pur pose of i m pr ovi ng t he w ei ghi ng sys t em 。 S a ccur ac y of w eighi ng and e x— pandi ng i t s s cal e，w hich c an pr ovide r ef er ence f or t he design of w eighi ng s yst em of m i xing plant ． 【关键词 l 沥 青混凝 土 搅拌 站 ； 教 学模 拟 设备 ； P L C； 控 制算 法 【 Ke y wo r d s】a s p h a lt c o n c r e t e mix i n g p l a n t ； t e a c h i n g s i mu l a t i o n e q u i p me n t ； P L C； c o n t r o l a l g o r i t h m 中 图 分 类 号 ： U4 1 5 ． 5 文 献 标 志 码 ： B 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 — 0 3 3 X( 2 0 1 0 ) 0 5 - 0 0 4 6 —0 3 0 引 言 沥 青混凝 土 搅拌 站教 学模 拟 设备体 积小 ( 长 宽X 高= 5 I l l X 1 0 rex 3 ．0 II 1 1 ， 是 实 际沥 青混 凝 土 搅拌 站 使 用面 积 的 1 ／ 1 5 ： 它造 价低 ， 仅 是 实 际沥 青 混 凝 土 搅拌 站 造 价 的 1 ／ 2 0 左右 。 该设 备借 鉴 实际 沥青 混凝 土 搅拌 站 ， 能直 观地 模 拟 显 示 沥 青 混 凝 土 搅 拌 站 的 整 个 工 艺 流 程 ，还 能 实 现 实 时 监 控 ， 自动记 录 存储 各类 数据 和报 表打 印 ， 有助 于进 一步 研 究 设计 ， 具 有 很好 的开 放性 。 为 了实 现沥 青混 凝土 搅拌 站教 学模 拟设 备运 行过 程 的 自动化 ．保 证沥 青 混凝 土 的 拌 和 质 量 ，满 足 沥 青 混 凝 土 拌 和 模 拟 仿 真 教 学 与 科 研 需 要 ．本文 阐述 了基于 P L C !~ B 工 控机 的沥 青 混凝 土 搅 拌 站 控 制 系统 的设计 方案 ， 其 结 构如 图 1 所示 1 可 编 程 控 制 器 的 选 用 1 ． 1 P Lc选 型 的 考 虑 因 素 进 行 P L C选 型 时 ， 应 该 从 以 下 几 个 方 面 进 行 考 虑 。 ( 1 ) I ／ O点 数 问 题 。当 控 制 对 象 I ／ O点 在 6 0 点 之 内 ， I ／ O点 图 1沥 青 搅 拌 站 控 制 系 统 结 构 数 比 为3 1 2 时选 用 整体 式( 小 型) P L C 较 为经济 ： 当控 制对 象 I ／ O点在 1 0 0 ～ 3 0 0 点左 右 ．选 用 中小 型模块 式 的较 为合理 ； 当 控 制 对 象I ／ O点 在 5 0 0 点 以 上 时 就 必 须 选 用 大 型 P L C。 ( 2 )I ／ 0类 型 问 题 。 I ／ O类 型 也 是 决 定 PL C选 型 的 重 要 因素 之一 。一 般而 言 ，多 数 小 型P L C 只 具有 开 关量 I ／ O； P I D、 A／ D、 D／ A、 位 控 功 能 一 般 只 有 大 、 中 型 PL C才 有 。 f 3 ) 联 网通 信 问题 。 联 网通讯 是影 响 P L C 选型 的重要 因 素之 ～ ．多 数小 型 机仅 提 供 较 简单 的R S 一 2 3 2 通讯 口 ， 少数 小 型P L C 没 有通 讯 功能 。 而 大型P L C ～般 都 有各种 标 准 的通信 模块 可 供 选择 。 f 4 1系统 响 应 时 间 问 题 。 系统 响 应 时 间 也 是 影 u ~ ] P LC 选 型 的重 要 因 素之 一 。 一般 而言 ，小 型P L C 扫 描 周 期 为 1 0 ～2 0 ms k b 一 ： 中 型 P LC扫 描 周 期 为 几 Il l S k b ； 大 型 P L C 扫 描 周 期 在 1 ms k b 一以 下 ， 而 系 统 响 应 时 间 约 为 2 倍 的 扫 描 周 期 。 f 5 1可靠 性 问题 。应 从 系统 的可 靠 性 角 度 ， 决 定 P L C 的 类 型 和 组 网 形 式 ， 比如 对 可 靠 性 要 求 极 高 的 系 统 ， 可 考 虑选 用 双C P U型P L C 或 冗余 控 制 系统 。 f 6 )程 序 存 贮 器 问 题 。在 P L C选 型 过 程 中 ， PL C内 存 容 量 、 型 式 也 是 必 须 考 虑 的 重 要 因 素 。 进 行 P L C选 型 时 ， 不 要盲 目地 追 求过 高 的性 能 指标 。 另 外 ， I ／ O点 数 ， 存 贮容 量 应 留有一 定 的余 量 以便 实 际 工作 中的调 整 。 确定 P L C 的 型号 以后 ， 就 必须 对 各 种 模块 进 行选 型 ， 开关 量模 块 的选 型 主 要涉 及 到如 下 几 个 问题 。① 外部 接 线 方式 问题 。I ／ O 模 块 一般 分为 独立 式 、 分组 式和 汇 点 式 。 通 常 ， 独 立 式 的点 均价 格 较 高 ， 如 果 实际 系统 中开 关量 输 入信号 之间 不 需隔 离可 考 虑选 择 后两 种 。 ② 点数 问题 。 前 面 所说 ． 点数 是 影 响P L C 选 型 的重 要 因素 ， 同样 在 进 行I ／ O 模 块 的选 型 时 也 必 须根 据 具 体 点 数 的 多 少选 择 恰 当的 I ／ 0 模 块 。一般 而 言 ， 点 数 多 的点均 价 格 低 。③ 开 关量 输 入 模块 。通 常 的开 关量 输 入模 块 类型 有 有 源输 入 、无 源 输 入 、 光 电接 近 传感 器 等输 入 。 进 行开 关 量输 入模 块 的选 型 时 必须 根据 系统 实际 运 行 中 的要 求综 合考 虑 。④ 开 关量 输 出模 块 。 通 常的 开关 量 输 出模块 类型 有继 电器 输 出 、 可 控硅 输 出和 晶体 管输 出。在 开 关量 输 出模 块 的选 型 过 程 中 ．必须 根 据 系统 实 际 运行 要 求及 要 求输 出的 电压 等 级 进 行 相 应 的 选 型 。 1 ． 2 PLC准 确 控 制 的 依 据 本 系 统 中 主 要 为 称 重 系 统 的 电 子 秤 、 温 度 传 感 器 ， 它 们 所 提供 的模 拟量 和其 他 一 些 安全 监 测传 感器 所 提供 的 开 关 量 ． 作 为P L C 准 确 控 制 的依 据 。 模 拟输入 量包括砂 石料 、 沥青 、 矿粉 、 外加 剂等重量值 。 开 关输 入 量 包括 提 升 小斗 车位 置 、 料 门开 度 ； 搅 拌 缸 门 的开 、 关位 ； 搅 拌 缸 门 、 提 升 小 斗 车 位 置 联 锁 ； 热 骨 料 给 、 卸 门联 锁 ； 卸 粉 料 门联 锁 ； 沥 青称 量 门 限位 ； 搅 拌 机 、 振 动筛 、 热 提 、 烘 干筒 、 斜 皮带 、 平皮 带 、 给料 器 等 的运 行 ； 系统 允许称 量 、 卸 料 ： 手 动 回零 等 。 P L C 的开 关量输 出有 ： 各 骨 料 门 给料 、 矿 粉 螺 旋 机 的 开 关 、 沥 青排 放 阀 、 沥 青 抽取 泵 、 各秤 斗开 门 、 搅拌 机 门开 关 、 提 升 ／ J ＼ 车 、 提 升 ／ J 、 斗 车 门 的 开 启 运 行 等 这 些 信 号 经 功率 放 大后 驱 动相 应 的执 行 机 构 。 本 系统 需 要 配 置 的I ／ O点有 3 2 个模 拟量 输 入 ； 4 0 个 开 关量 输 入 ； 3 6 个开 关量 输 出。根 据 对 上 述控 制 任 务 的 分 析 ， 本 项 目选 择 了MI T S UB I S HI F x 2 n 的模 块 化 中型P L C系 统 ， 它 能满 足 中等 性 能 要求 的应 用 ． 应用 领 域相 当广 泛 。 co n s t r u c t i o nM 。 C 机 on械 s t r u c & t i o n 施 Te 工 c h n 技 o l o 术 g y RM C ： M C M ac h in erv & ■ ■ ■ ■ ● ● _ ■ ■ ■ 2 可 编 程 控 制 器 程 序 设 计 2 ． 1 可 编 程 控 制 器 程 序 设 计 思 想 为 了使 P L C 完成 沥 青 混凝 土 搅拌 站 模 拟 教 学 设 备整 个 生 产 过 程 的 现 场 控 制 功 能 ， P LC需 要 采 集 各 秤 的 重 量 信 号 及其 他传 感器 和 行程 开 关提 供 的 开 关量信 号 ，并 对 此 进 行 处理 后 ． 输 出对 电磁 阀 、 电动 机 等各执 行机 构 的控 制 信号 ． 其 具体 细 节 如下 。 ( 1 )骨 料 斗 秤 、 沥 青 斗 秤 、 矿 粉 斗 秤 等 由 称 重 传 感 器 感 应 的 信 号 和 各 温 度 传 感 器 感 应 的 信 号 分 别 经 称 重 变 送 器 进入 P L C。由于 变 送器 输 出的是 并 行B C D ；fi ~， 所 以需 经 过 程序 转 换成 二 进 制码 ． 存 储在 P L C的数 据寄 存器 中 。把 重 量数 据 送入 上 位 工控 机 ．经 补偿 模 块 处理 后 ．再 送 回 P L C， 更 新 其数 据 寄存 器 。 ( 2 )由操 作 人 员设 定 沥青 混 凝 土 配料 方案 ， 包 括 了各 种 原料 的给料 量 、 提 前 量 和 允许 误差 。当原 料 重量 + 提 前 量一 给 料 量 > 允 许 误 差 时 ， 秤 斗 加 料 ； 加 料 停 止 后 ， P I c 计 算原 料 重量 与 给 料量 之 间 的 实际 误差 ：为 了提高 计 量精 度 ， 仅 当原 料 重量 大 于 允许 误 差 时 ， 秤 斗卸 料 。 ( 3 )各秤 斗称 量 时 ． 当重 量达 到设 定 值 的9 0 ％以前 快 速 给 料 ，达 到 9 0 ％以后 慢 速 给 料 ，达 到 设 定 值 时停 止 给 料 。骨 料计 量开 始 时 ， 同 时打开 两 个 给料 门 ， 当重 量到 达 设定 值 的9 0 ％S ~． 慢 慢 关 闭 给料 门 ， 较 慢 速 地 进 行 加 料 ， 直到 重 量到 达 设定 值 ： 沥青 计量 与骨 料 类似 ， 区别 在于 沥 青 由沥 青泵 和三 通 阀供 给 ： 粉 料计 量 开始 时 ， 螺旋 输送 机 以最 高 速 运 转 ， 当计 量 达 到设 定值 的 9 0 ％时 ， 开 始 精 称 ， 即控 制螺 旋 输送 机 的转速 下 降 ， 直 到 重量 达 到设 定值 。 ( 4 )由于 秤 斗 上粘 附 的原 料 会 使 称 重产 生偏 差 ， 所 以 需 要 进行 去 皮 处理 。去 皮 时 ， P L C 记 下 此 时 的重 量 ， 此 重 量 即 为基 准零 点 。 在称 量 时 用 总重 量减 去 基准 零 点值 ． 得 到 的值 就 是原 料 的准 确 重 量 。 ( 5 )由于 加料 停 止 后 ． 从 料 仓 给 料 口到 秤 斗 之 间还 滞 留一部 分 原料 要 落 入秤 斗 中 ， 为 了使 配 料精 度 达 到要 求 。 在程 序 中需考 虑 这 一重 量 ，当原料 重 量达 到停止 加 料 条 件 时 ， 由滞 留在 空 中 的原 料补 充 提前 量 差值 ， 即成 为提 前 量 一部 分 ， 从 而达 到精度 要 求 ] 。 2 ． 2 控 制 算 法 及 其 流 程 2． 2 ． 1 控 制 算 法 本 系统 采 用 以相 对 比较 简 单且 收 敛较 快 的黄 金 分 割 算法 为理 论 基 础 的控 制 算法 ， 根据 配 料误 差 。 经过 多次调 整 控 制 重 量 最 终 达 到 系 统 的 控 制 要 求 。 矿粉 螺 旋输 送 机计 量 泵 的P L C 控 制算 法 如下 。 计 量 开 始 时 ， 螺 旋 输 送 机 ( 或 泵) 以 速 度 ⋯ 运 转 ， 当 计 量 到 设定 重 量 的9 0 ％n ,~ - ． P L C 控 制螺 旋 输送 机 的添 料 速 47 RM CM 。 技 术& C o n ⋯ ～ 度随 之 下降 。螺旋 输送 机 的 转速 与秤 斗计 量值 的关 系如 图2 所 示 ， 图 中G为 沥青 混凝 土 配 方所 需 粉 料 重量 的设 定 值 ， △为提 前量 。当粉 料秤 斗 测得 的重 量达 到G_ △ 时 ， P L C 控 制 信号 停止 螺旋 输送 机 ， 称 量 结 束。 由于计 量 快 要结 束 前 ，螺旋输 送机 的转速 很低 ，而 且越 接 近结 束 时转 速越 低 。 为 了避 免在称 重 将 要完成 时 螺旋 输送 机 的转 速 为零 ． 图2中 的 螺旋 输 送 机 转 速 下 降 的 斜 率 为 一 I O V ⋯ 而 不 是 一 ⋯ 。 x／ G 1 0 V／ ( a- ,a) c 水 野 I 璺 I 2螺 旋 机 转 逯 与 童量 僵 关系 2 ． 2 ． 2 系 统 初 始 化 程 序 设 计 根 据 工 作 流 程 的 要 求 ， P L C控 制 程 序 执 行 输 出 动 作 时 ， 计 算机 必 须 己经 处 于数 据 的 采集 与处理 状 态 ， 因此 ， 需 要设 定 内部辅 助继 电器 标 志 。只 有 当计 算 机复 位该 标 志 时 ， P L C 才 能确 认 计算 机 已处于 所 要 求 的状 态 ， 否则 必 须 关断所 有 输 出负载 ， 进入 等待 。 同理 ， 结 束 时 的 判断 停止 条件 包 括 ： 所 有 门 、 所 有 阀 均 己关 闭 ； 集 料斗 和 秤 斗均 为 空 ； 本 批 搅拌 结 束 J ~ ]_ P L C 无 输 出动作 等 。 2 ． 2 ． 3 断 电 保 护 程 序 设 计 由于 整 个设 备 的工作 流程 是连 续循 环 进行 的 ，因此 断 电之后 再起 动 必须 仍然 恢 复断 电前 的状 态 程序 设计 选 择 具有 断 电保 护 的内部 辅助 保持 继 电器 和数 据 ．将 气 缸 、 电磁 阀 或 电 机 的 运 行 状 态 和 参 数 进 行 保 存 ， 实 现 断 电 保 护 c6 3 。 程 序 流 程 如 图 3 所 示 。 4 结 语 本 文 基于 控 制 系统 软件 P L C 的原 理 、特 点 和 应 用领 系统 初始 化 生 产量 初始 化 l N l Y 调 入 断 电时 的状态 各称斗初始化 ( 去皮校 称 ) 设定称量完成标志 骨科称重 沥青 称 重 矿粉称重 各称斗计量结束 、、、 一 搅拌机装骨料料 ( 延时 搅拌机搅拌 ( 延时 搅拌机装喷洒沥青科 ( 延时 搅拌机搅拌 ( 延时 搅拌机装矿粉 搅拌机搅拌 ( 延时 开启搅拌缸门 搅拌结束 图3程序 流 程 域 ，介 绍 了 沥 青 混 凝 土 混 凝 土 拌 和 站 模 拟 教 学 设 备 对 PL C的 选 型 过 程 ， 并 结 合 搅 拌 站 的 控 制 流 程 ， 设 计 了 P L C 控 制 算法 及其 流 程 参 考 文献 ： [ 1 ]董油海 P L C在沥青混凝土搅拌站计量 系统的应用 f -J ]自动化 与 仪表 ， 2 0 0 0 ， 1 5 ( 4 ) ： 5 6 — 5 7 ． [ 2 ]刘士 阳 基ff - P L C~组 态软件 的搅拌站控制 系统 口] 建 筑机械 ， 2 0 0 5 ( 5) ： 9 6 —9 7 ． [ 3 ]冯 忠绪， 李 彰 ， 王卫 中． 搅拌机搅拌 臂数 目与叶 片面积的确 定 方法 [ J ]长安大学学报 ： 自然科 学版 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 4 ) ： 1 0 6 — 1 0 9 ． [ 4 ]冯忠绪 ， 王卫 中， 赵利军 ， 等 搅拌机 参数优 化的试验 [ J ] ． 长安 大 学学报 ： 自然科 学版 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 6 ) ： 8 9 — 9 1 ． [ 5 ]李 刚 ， 李 国进． 以P L C为控制核心 的沥青混凝土生产 自动控制 及管理 系统 ]广西交通科技 ， 1 9 9 9 ( 2 1 ) ： 4 7 —4 9 [ 6 ]师俭英． 可编程控制 器在 沥青混凝 土搅 拌站控制 系统上的应用 [J ] ． 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 5 3 — 5 4 ． 收 稿 日期 ： 2 O O9 一 O8 — 3 O [ 责 任 编 辑 ： 杜 卫 华 ] N 一