摘要: 混凝土攪拌站的控制系統直接關系到混凝土的生產質量和工作效率。為了提高混凝土攪拌站控制系統的可靠性、實時性和抗干擾性, 通過對混凝土攪拌站生產流程的分析, 設計了采用CAN 現場總線的混凝土攪拌站控制系統。CAN 總線技術的控制系統具有通信可靠、抗干擾性好和傳輸距離遠的特點, 提高了系統的可靠性和靈活性。CAN 總線的混凝土攪拌控制系統采用兩級分布式結構, 由工控機和各智能節點組成。工控機上運行的監控軟件采用力控組態軟件開發, 可完全實現系統的管理、監控等功能, 并且能夠進行故障的檢驗和診斷。為了保證系統運行的穩定, 設計中還采用了軟件抗干擾措施。該系統現場運行穩定可靠, 接線簡單、易于維護。
關鍵詞: 混凝土攪拌站CAN 總線控制系統組態軟件
混凝土攪拌站是生產混凝土混合料的大型設備, 其控制系統直接關系到混凝土的生產質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為工控機( IPC) 結合PLC 可編程控制器組成的分布式控制系統。工控機作為上位機完成監控管理功能, 下位機為PLC 控制開關量信號。各單元之間用RS232/RS485 串行通訊接口通訊。但RS485 只能構成主從式結構, 傳輸速率低, 系統的實時性、可靠性較差, 且PLC 編程不便。本文介紹了利用CAN 現場總線組建混凝土攪拌站控制系統的方案。
1 控制系統原理
1.1 系統總體結構
現場總線技術是將單個分散的現場智能化測控設備作為網絡節點, 用總線連接, 實現信息的交換。它為分布式控制系統各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。
采用CAN 現場總線技術的混凝土攪拌站控制系統為兩級分布式監控系統, 取消了PLC, 由工控機和各智能節點組成。配料控制器、智能開關量I/O 模塊作為現場總線系統的智能節點, 系統總體結構圖如圖1 所示。工控機作為上位機, 用于對整個生產過程進行監控管理, 接收現場采集數據、發出控制信號和報警提示, 完成配方管理以及生產數據的顯示、存儲、打印。各個智能節點負責現場輸入、輸出測控點的數據采集、控制及通信功能, 從而可以保證系統在某一個現場I/O 單元或某一現場測控點出現故障時不出現失控。智能節點采用智能化的測控模塊, 現場發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。
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。整個系統有模擬量輸入點10 個, 開關量輸入點32 個, 開關量輸出點36 個。
1.2 生產流程
混凝土攪拌站由貯料系統、配料系統、輸送系統、攪拌系統、卸料系統和控制系統組成。生產流程為:
( 1) 用戶從監控軟件界面中輸入本次攪拌作業的混凝土配合比以及其他工作參數, 工控機給各配料控制器發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,打開水、水劑外加劑配給閥, 進行水泥、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, 達到配料值的90%時慢速加料稱量。稱量完畢, 各配料控制器發送信號關閉砂倉振動器、骨料砂料倉門, 關閉或停止水泥倉、粉煤灰倉、粉料外加劑倉螺旋上料機以及水和水劑外加劑配給閥。對骨料和石料, 由工控機發信號開啟各計量斗門, 將骨料砂料投入皮帶輸送機, 啟動平、斜皮帶電機, 將骨料砂料運送至集料斗。
( 4) 配料完畢, 配料控制器發送信號給工控機,工控機發指令給開關量輸出模塊, 發送信號到中間繼電器驅動氣缸依次打開計量斗、集料斗門, 將物料送入攪拌機中。
( 5) 攪拌機根據事先設定的攪拌時間進行攪拌, 完成后工控機發指令給開關量輸出模塊, 打開卸料門卸料。
( 6) 為了提高生產效率, 攪拌的同時進行下一生產循環的稱量。
2 控制系統組成
2.1 CAN 總線技術
CAN 是應用最廣泛的現場總線之一。CAN 是一種多主方式的串行通訊總線, 網絡上任意一個節點均可以在任意時刻向網絡上其它節點發送信息, 通訊方式靈活。可提供高達1 Mbit/s 的數據傳輸速率。
網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據, 各節點之間的數據通信實時性強, 提高了系統的可靠性和靈活性。發送的數據遭破壞后可以自動重發。數據采用短幀結構, 傳輸時間短、受干擾的概率低、重新發送的時間短。總線節點若出現嚴重錯誤, 可自動切斷它與總線的聯系, 使總線上其它操作不受影響。
本系統采用總線式拓撲結構, 如圖2 所示。節點間通過屏蔽雙絞線連接成總線網絡, 總線兩端需要兩個120 Ω 的終端電阻, 以匹配總線阻抗, 提高數據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, 由信號調理電路、24 位A/D 轉換器、微處理器、存儲器、CAN 控制器、CAN 收發器、開關量輸出接口等組成, 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、配給閥; 將來自稱重傳感器的模擬信號進行信號調理后經A/D 轉換器轉換為數字量, 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以動態顯示配料過程; 比較當前稱重值與配料值, 達到配料值后, 輸出控制信號關閉物料倉門或振動器、上料機、配給閥。
配料控制器能自動完成秤的清零去皮操作, 具有落差自動補償、過沖量自動測定和修正、故障報警等多種功能, 可手動設置各項功能。
2.3 CAN 總線智能開關量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 收發器、微處理器、存儲器、開關量輸入或輸出接口和信號調理電路組成, 且帶軟硬件自檢和看門狗。
攪拌站的生產流程有嚴格的時序性要求, 為了保證動作執行的正確性, 需要監控相關限位開關和執行機構的狀態。開關量輸入模塊將現場物料計量、物料倉門、計量斗門、集料斗門、卸料門限位開關狀態和攪拌機運行情況經信號調理電路轉換為數字信息, 通過CAN 總線傳送到工控機, 便于監控。控制參數由開關量輸出模塊輸出到中間繼電器, 驅動執行機構控制物料倉門、各計量斗門、集料斗門、卸料斗門開啟和延時關閉, 并控制攪拌機運行。
2.4 工控機
采用研華工控機, 基本配置為IPC610 機箱、PIV2.8GCPU、512M內存、40G 硬盤、14 槽底板。搭配CAN 通信卡, 通過CAN 總線和各節點通信。
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。通過內置的CAN 控制器, 以自動重發功能實現總線仲裁和差錯檢測功能, 極大地降低了數據丟失幾率, 保證了系統可靠性。
3 控制系統軟件
3.1 監控軟件
工控機上運行的監控軟件采用力控組態軟件開發。監控軟件啟動后,自動完成對CAN 通信卡和各節點的初始化工作。初始化完成后,進入監控系統,在主菜單中進入監控畫面并對作業參數進行設置。系統運行時, 配料控制器將物料當前稱重值傳送到工控機顯示, 開關量輸入模塊向工控機發送各種狀態信息, 工控機向各節點發送相應控制命令。通過顯示器輸出實時信息, 包括生產流程動態畫面顯示, 分組控制顯示、趨勢顯示、操作指示顯示和報警信息顯示等。系統具有管理功能, 包括配方管理、生產過程管理, 并完成生產過程數據的存儲、查詢、打印。能進行檢測和故障診斷, 對異常信號發出報警。系統運行界面如圖4 所示。
3.2 智能節點軟件設計
CAN 總線節點的軟件設計主要包括CAN 總線通信模塊、模擬量采樣處理模塊、開關量處理模塊、狀態控制模塊的設計。其中CAN 總線通信模塊包括3 大部分: CAN 節點初始化、報文發送和報文接收。
力控組態軟件沒有該配料控制器的驅動程序,只能通過力控I/O 驅動程序接口開發工具FIOS SDK 和Visual C++ 6.0 自己開發。依次建立設備描述文件IODESC.TXT、設備組態接口IODEVCFG.DLL和點組態接口IOITEMUI.DLL, 最后創建I/O 通訊接口IOAPI.DLL。根據配料控制器提供的與上位機通信的指令和通信協議, 編寫IOAPI.DLL 庫中的設備初始化以及報文數據讀、寫等導出函數, 以供組態軟件調用。
組態軟件已提供研華ADAM5000 系列的驅動程序, 只需要對開關量輸入輸出處理過程編程。力控組態軟件的控制策略生成器提供了各種控制功能模塊, 根據生產流程, 選擇合適的功能塊組態, 經編譯、調試后下裝到ADAM5000/CAN 主單元。
3.3 軟件抗干擾措施
為保證系統穩定運行, 系統采取了如下幾項重要的措施:( 1) 采用非破壞性的總線仲裁, 避免了各通信設備爭用總線而導致通信失敗和數據丟失。( 2)采用CRC 校驗方式, 使通信系統具有強有力的錯誤偵測和糾正功能。( 3) 采用“Watchdog( 看門狗) ”技術, 保證系統運行中出現如死機等異常情況后, 能自動復位。( 4) 軟件中使用了數字濾波技術。
4 結論
由于CAN 現場總線以多主方式工作, 在數據通信方面具有較強的糾錯能力和較遠的傳輸距離, 采用現場總線技術的混凝土攪拌站控制系統具有較高的可靠性、實時性。系統由工控機和智能節點組成,接線簡單, 為安裝調試和設備維護帶來了方便。監控軟件采用組態軟件開發完成, 功能強大、界面友好、操作方便和運行穩定。目前該系統已經在市政攪拌站運行使用, 已累計生產商品混凝土12 萬m3, 運行效果良好, 保證了混凝土質量, 并提高了生產效率。
參考文獻
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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機
電工程學院機制教研室( 710055) ( 收稿日期: 2007- 06- 19)
