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早期工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單 ,可靠性差 ,運(yùn)行極不穩(wěn)定,嚴(yán)格地說只能稱其為電路系統(tǒng), 而不具備真正意義上的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。20 世紀(jì) 70 年代末以來,隨著以電子計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的電子信息技術(shù)的發(fā)展,單片機(jī)、計(jì)算機(jī)和目前國(guó)際上先進(jìn)的可編程控制器( PLC) 廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。而在公路交通領(lǐng)域,廣泛應(yīng)用和最為重要的自動(dòng)化控制系統(tǒng)就是瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)。

以單片機(jī)為主體架構(gòu)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)在一般的工業(yè)和民用領(lǐng)域有著優(yōu)異的表現(xiàn)。但是對(duì)于大型機(jī)械設(shè)備的控制 ,其控制精度、可靠性、穩(wěn)定性都無法達(dá)到實(shí)際需求。例如瀝青攪拌設(shè)備 ,其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并有復(fù)雜的電氣電路系統(tǒng) , 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、干擾大; 其自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度高, 牽涉電氣電路控制、溫度控制、物料計(jì)量控制等 ; 對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量有著特殊的要求,瀝青混合料配比精度直接影響公路的使用壽命 、 路面性能等。這就要求系統(tǒng)必須具備控制精度高 、 性能穩(wěn)定、可靠性高等基本條件 。目前單片機(jī)無法滿足大型機(jī)械設(shè)備的控制要求, 其系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜 , 接插件較多,耦合性高,客觀上增大了故障率 ; 程序設(shè)計(jì)繁瑣 、 冗長(zhǎng),增加了系統(tǒng)開發(fā)周期, 降低了系統(tǒng)可擴(kuò)展性 ; 在物料計(jì)量精度的控制上很難達(dá)到國(guó)家相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求,無法勝任高等級(jí)路面的鋪設(shè)。

可編程控制器是目前國(guó)際上先進(jìn)的自動(dòng)化控制設(shè)備,其性能非?？煽?,抗干擾能力強(qiáng) ,運(yùn)行穩(wěn)定 ,控制精度高, 數(shù)據(jù)輸入輸出處理精確、可靠 。能夠完成 I/O 操作、 A/D 轉(zhuǎn)換 、 D/A 轉(zhuǎn)換、溫度控制等功能 。目前國(guó)際上廣泛采用可編程控制器作為大型機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主體架構(gòu)已是公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。目前瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)主要有 3 種。

1　 計(jì)算機(jī)為主控設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)

采用該體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)作為中央控制中心 ,信號(hào)采集使用內(nèi)置 ISA 總線 AD 卡來實(shí)現(xiàn) ,計(jì)算機(jī)對(duì) AD卡采樣信號(hào)進(jìn)行綜合識(shí)別處理后作出執(zhí)行動(dòng)作判斷并發(fā)出相應(yīng)的控制指令給自制開關(guān)量板( 帶CPU 由單片機(jī)構(gòu)成) , 自制開關(guān)量板輸出開關(guān)量用以驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作 。

該體系結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是系統(tǒng)編程復(fù)雜 , 既要對(duì) AD 卡采樣、信號(hào)濾波和計(jì)算機(jī)及 AD 卡間的相互通訊進(jìn)行編程 ,又要對(duì)計(jì)算機(jī)與自制開關(guān)量板間的相互通訊及指令協(xié)調(diào)進(jìn)行編程 ,大大增加了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度。自制的開關(guān)量板穩(wěn)定性很差 , 故障率高 ,極易損壞 ,且難維修,板卡損壞后用戶不得不重新更換。內(nèi)置 AD 卡故障不但影響信號(hào)采集和通訊, 還有可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)故障而使整個(gè)系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。計(jì)算機(jī)與自制開關(guān)量板和 AD卡間較高的耦合性造成了整個(gè)系統(tǒng)的高故障率和不穩(wěn)定性 ,若發(fā)生故障 ,其后果難以預(yù)料。

總體上,采用該體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)耦合性高 ,安裝調(diào)試復(fù)雜,可靠性差,性能不穩(wěn)定 ,故障率高 ,可擴(kuò)展性差 ,系統(tǒng)升級(jí)改造困難 ,通用性差 。由于該系統(tǒng)抗干擾能力差 ,誤動(dòng)作多 ,控制精度低, 死機(jī)現(xiàn)象嚴(yán)重, 因此不適合用于大型機(jī)械設(shè)備控制 。

2　 計(jì)算機(jī) + 儀表秤 +自制開關(guān)量板( 或 PLC) 的體系結(jié)構(gòu)

采用該體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)也是以計(jì)算機(jī)為核心進(jìn)行通訊和指令控制 ,以儀表秤作為信號(hào)通訊模塊 ; 以自制開關(guān)量板或 PLC 實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的輸入輸出 。

該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為控制中心進(jìn)行通訊和指令控制,這一點(diǎn)與體系結(jié)構(gòu) 1相同,一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓, 造成無法彌補(bǔ)的損失 。開關(guān)量輸出若采用自制開關(guān)量板亦將增加系統(tǒng)的故障率, 降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。儀表秤價(jià)格昂貴, 維護(hù)費(fèi)用高昂, 一旦損壞則必須更換新設(shè)備 ; 而且儀表秤作為儀表其性能已經(jīng)固化 ,無法根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行更改 ,標(biāo)定復(fù)雜; 可擴(kuò)展性差 ,目前最多只有 4 個(gè)輸出點(diǎn) 。

總之,該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心的架構(gòu)無法從根本上解決其高故障率、編程復(fù)雜、耦合性高、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn),即便使用 PLC 也只能提高其局部穩(wěn)定性, 整體性能不會(huì)有太大改善; 另外,該系統(tǒng)雖然采用了 PLC 和儀表秤,但系統(tǒng)整合性不強(qiáng),外部接插件較多, 系統(tǒng)連接復(fù)雜,整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作難; 某一部分的損壞都將不得不更換新的設(shè)備 ,維護(hù)性較差; 要從根本上提高其整體性能則必須徹底改變以計(jì)算機(jī)為核心的體系結(jié)構(gòu)。

3　 計(jì)算機(jī)+PLC 的體系結(jié)構(gòu)

該體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)采用國(guó)際上先進(jìn)的高性能PLC 為主控設(shè)備,PLC 與計(jì)算機(jī)之間連接松散, 耦合性低,且 PLC 可獨(dú)立于計(jì)算機(jī)運(yùn)行; 信號(hào)采集使用 PLC擴(kuò)展的AD模塊, 其性能非常穩(wěn)定, 當(dāng)通道損壞時(shí)不必更換新的 AD 模塊 , 因?yàn)槠溆袀溆玫耐ǖ揽晒┦褂?。PLC 輸入輸出點(diǎn)的損壞也不影響 PLC 和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,只需要更換輸入輸出點(diǎn)即可。

可編程控制器作為控制系統(tǒng)的主控設(shè)備, 用以實(shí)現(xiàn)模擬量輸入處理和開關(guān)量輸入輸出處理, 保證了數(shù)據(jù)輸入輸出處理精確、可靠。輸入輸出點(diǎn)從理論上講是可以無限擴(kuò)展的 ,如此增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性 。中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)與 GOT 作為整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備, 用以實(shí)時(shí)監(jiān)控 PLC 的工作狀態(tài),修改 PLC 工作參數(shù) 。要注意的是二者是兩套相互獨(dú)立的系統(tǒng),它們之間互不依賴。

中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用了 Windows 98 平臺(tái) ,監(jiān)控軟件用Microsoft Visual Basic 開發(fā) ,并以Microsoft Access為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù),監(jiān)控系統(tǒng)界面友好、 運(yùn)行穩(wěn)定、 操作簡(jiǎn)單。系統(tǒng)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示主要工作參數(shù), 操作人員可以直觀地監(jiān)視外部設(shè)備的工作狀況, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題, 實(shí)時(shí)修改工作參數(shù); 中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)還可以完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 、 報(bào)表打印任務(wù) ,充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力; 另外 , 運(yùn)用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形處理功能,監(jiān)控軟件可以生動(dòng)、 直觀地模擬設(shè)備工作狀況并及時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示 ,使得系統(tǒng)操作更為簡(jiǎn)便直觀 ,作為系統(tǒng)操作人員所需關(guān)注的就是整個(gè)系統(tǒng)及設(shè)備的管理。

觸摸屏的作用和計(jì)算機(jī)大體相同, 不同的是它的操作非常簡(jiǎn)便快捷。計(jì)算機(jī)需要專業(yè)人員操作而它無需具備計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí) , 所有操作只需用手指輕松點(diǎn)觸畫面就可完成 。作為與 PLC 相匹配的外部擴(kuò)展模塊,其優(yōu)越的可靠性和穩(wěn)定性大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的工作性能 。

以可編程控制器為主控設(shè)備的控制系統(tǒng) ,配料秤輸出點(diǎn)可任意擴(kuò)展, 實(shí)現(xiàn)二次補(bǔ)償 ,以確保配料精確可靠,計(jì)量精度高 ?？删幊炭刂破鞯牟捎帽ＷC了系統(tǒng)功能強(qiáng)大 、 可靠性高 、控制精度高。體系結(jié)構(gòu)采用模塊式,各控制單元由統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模塊組成 ,可編程控制器的采用,保證了數(shù)據(jù)輸入輸出處理精確 、 可靠 。

4　 瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)示例

以西安漢道交通科技有限責(zé)任公司與中國(guó)建筑第七工程局機(jī)械廠聯(lián)合開發(fā)的 LB 系列瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)為例詳述自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

4. 1　 系統(tǒng)組成

( 1)中央監(jiān)控計(jì)算機(jī) ;

( 2)可編程控制器( PLC) ;

( 3)A/D 模塊 ;

( 4)高性能變送器;

( 5)圖形操作終端( 觸摸屏/GOT) ;

( 6)稱重傳感器 ;

( 7)打印機(jī) ;

( 8)不間斷穩(wěn)壓電源( UPS) 。

4. 2　 系統(tǒng)功能

( 1)全自動(dòng)與手動(dòng)工作模式;

( 2)計(jì)算機(jī)全程監(jiān)控 ;

( 3)圖形操作終端( 觸摸屏) 監(jiān)控;

( 4)石料稱重、配料動(dòng)作;

( 5)瀝青稱量、配料動(dòng)作;

( 6)粉料稱量、配料動(dòng)作;

( 7)配料自動(dòng)補(bǔ)償;

( 8)成品料提升機(jī)動(dòng)作及保護(hù) ;

( 9)主要生產(chǎn)過程參數(shù)顯示;

( 10)熱骨料溫度監(jiān)控 ;

( 11)各主要電機(jī)電流監(jiān)控 ;

( 12)故障報(bào)警提示;

( 13)存儲(chǔ)生產(chǎn)過程參數(shù);

( 14)打印生產(chǎn)過程報(bào)告。

4. 3　 系統(tǒng)特性

( 1)基于Windows98 操作系統(tǒng) , 界面友好 ,易于操作,運(yùn)行穩(wěn)定;

( 2)以 Visual Basic 為開發(fā)工具,Microsoft Access為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù);

( 3)雙獨(dú)立監(jiān)控系統(tǒng)( 計(jì)算機(jī)監(jiān)控、觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)) ;

( 4)連接線簡(jiǎn)單 ;

( 5) 易于維護(hù)和調(diào)試;

( 6) 高可靠性 ;

( 7) 高精度控制;

( 8) 標(biāo)定方便( 采用軟件標(biāo)定) ;

( 9) 操作簡(jiǎn)單 。

4. 4　 微機(jī)控制界面設(shè)計(jì)內(nèi)容

系統(tǒng)微機(jī)控制軟件以 Windows 為平臺(tái) , 使用 Mi-crosoft Visual Basic 開發(fā)工具設(shè)計(jì), 并以Microsoft Access為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù), 界面友好 ,操作簡(jiǎn)便 ,運(yùn)行穩(wěn)定 。

界面設(shè)計(jì)風(fēng)格遵循 Windows 標(biāo)準(zhǔn) , 您可以看到類似Windows98 界面的菜單、命令按鈕 、狀態(tài)條、工具條等。界面頂端為菜單 ,有配方表、 報(bào)表打印、 沖量設(shè)置、標(biāo)定等菜單項(xiàng)。底部為狀態(tài)條 ,顯示配方設(shè)定值、實(shí)際值、 系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)及幫助信息。中間是模擬動(dòng)畫監(jiān)控區(qū)域 ,畫有機(jī)械設(shè)備示意圖形 ,可以生動(dòng)形象地看到運(yùn)行部件的工作狀況, 物料計(jì)量過程和生產(chǎn)流程 、 故障報(bào)警提示等 。

微機(jī)控制軟件是 PLC 的前臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng) , 用以監(jiān)控PLC 工作狀態(tài),修改 PLC 工作參數(shù)。其主要功能為 :

( 1)設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù), 主要是配方的設(shè)置 ,包括石料、瀝青、粉料含量設(shè)定以及拌和的時(shí)間 、放料時(shí)間的設(shè)定;

( 2)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作參數(shù) ,包括各物料秤的動(dòng)態(tài)稱值、 配方設(shè)定值 、 實(shí)際稱量值、溫度曲線圖 、 電流曲線圖 、 熱料倉(cāng)和粉料倉(cāng)料位指示等 ;

( 3)存儲(chǔ)和處理生產(chǎn)數(shù)據(jù) ,報(bào)表打印 ;

( 4)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置,如沖量設(shè)置和物料秤標(biāo)定 ,它們直接影響系統(tǒng)控制精度和穩(wěn)定性 。

4. 5　 系統(tǒng)的標(biāo)定

基于單片機(jī)架構(gòu)的系統(tǒng)之標(biāo)定非常繁瑣 ,往往標(biāo)定時(shí)間都在數(shù)小時(shí)以上, 既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力, 而且精度較差?；趦x表秤的系統(tǒng)標(biāo)定較為復(fù)雜, 須系統(tǒng)工程師才可完成 ,精度也較差,不能實(shí)現(xiàn)智能控制。標(biāo)定精度將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的控制精度, 最終影響瀝青混合料配合比 ,標(biāo)定精度是系統(tǒng)之關(guān)鍵所在 。

基于 PLC 外加計(jì)算機(jī)架構(gòu)的系統(tǒng)標(biāo)定一改以往之繁瑣,不需要專業(yè)技術(shù)人員就可完成 ,操作簡(jiǎn)便 。其不需要通過調(diào)節(jié)硬件模塊來調(diào)整物料秤稱值 ,可以通過界面控制軟件填入初始化數(shù)值, 計(jì)算機(jī)將自動(dòng)調(diào)整采樣值。下面以 LB2000 瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)為例對(duì)其進(jìn)行說明。

系統(tǒng)的標(biāo)定是指物料的標(biāo)定, 一般情況下 ,在系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)電子秤計(jì)算機(jī)顯示值和實(shí)際稱量值是不一致的 ,標(biāo)定的目的是為了使顯示值和實(shí)際稱量值一致。

LB系列瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)的標(biāo)定是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的 ,在軟件標(biāo)定窗口只需填寫初始參數(shù),計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)調(diào)整顯示值使之與實(shí)際值一致。標(biāo)定所需初始參數(shù)有“額定配重”、“當(dāng)前采樣值”和“調(diào)整值” 。

標(biāo)定初始參數(shù)的含義為:

( 1)“額定配重”為當(dāng)前物料秤所掛砝碼重量額定值。

( 2)“當(dāng)前采樣值”為當(dāng)前物料秤額定配重下之計(jì)算機(jī)采樣值。

( 3)“調(diào)整值”為當(dāng)前額定配重下需經(jīng)計(jì)算機(jī)調(diào)整的采樣值 。

標(biāo)定時(shí)先確定標(biāo)定砝碼重量, 填入額定配重欄 ,將砝碼放置在物料秤上,“當(dāng)前采樣值”顯示當(dāng)前計(jì)算機(jī)采樣值,將之填入調(diào)整值一欄 ,確認(rèn)即可 。

4. 6　 觸摸屏監(jiān)控的操作

觸摸屏作為 PLC 的圖形操作終端( GOT) 與計(jì)算機(jī)處于同等地位, 通過 RS-422端口與 PLC 進(jìn)行通信用以監(jiān)控 PLC 的工作狀態(tài),修改 PLC 工作參數(shù)。觸摸屏內(nèi)置多個(gè)畫面 ,用以實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)控功能 ,其操作簡(jiǎn)單 ,無須任何外部操作設(shè)備 ,用手指點(diǎn)觸畫面激活區(qū)域就可完成相應(yīng)操作 。

GOT 作為 PLC 的擴(kuò)展模塊, 與 PLC 有著較強(qiáng)的整合性 ,加之自身性能可靠、穩(wěn)定, 在穩(wěn)定性方面優(yōu)于計(jì)算機(jī) ; 因此即便不使用計(jì)算機(jī) ,也絲毫不影響系統(tǒng)的工作性能。

觸摸屏主要功能: 過程參數(shù)顯示、 稱值、 系統(tǒng)設(shè)定 、配料設(shè)定 、 時(shí)間設(shè)定、 沖量設(shè)定等,觸摸屏與計(jì)算機(jī)之間是相互獨(dú)立,互不依賴的關(guān)系,并且它們與 PLC 之間也是相互獨(dú)立,互不依賴的。觸摸屏除不能存儲(chǔ)生產(chǎn)記錄、 打印報(bào)表外能完成計(jì)算機(jī)所能完成的所有工作 。

5　 結(jié)語

通過對(duì)常見三種瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)體系架構(gòu)的介紹,以及系統(tǒng)可靠性 、 穩(wěn)定性、控制精度、耦合性和可擴(kuò)展性的分析比較 ,我們得出以下結(jié)論 :

以PLC 作為系統(tǒng)控制核心的體系結(jié)構(gòu)徹底擺脫了以往以計(jì)算機(jī)為核心的架構(gòu)束縛, 從根本上解決了可靠性差 、 穩(wěn)定性低 、 控制精度不高和可擴(kuò)展性差的弊端,提高了系統(tǒng)的整體性能。

現(xiàn)將 LB 系列瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)的性能概括如下 :

( 1)基于 PLC 為主控設(shè)備的控制系統(tǒng), 其系統(tǒng)整合性較強(qiáng) ,其它系統(tǒng)需要較多外部接插件來完成的工作PLC 自身都可以完成, 既降低了系統(tǒng)的連接復(fù)雜性,又提高了系統(tǒng)可靠性 。

( 2)PLC 與計(jì)算機(jī) 、 AD 模塊和GOT 間的耦合性較低,計(jì)算機(jī)僅作為 PLC 外部設(shè)備承擔(dān)管理和監(jiān)控工作,也就是說, 除 AD 模塊外 ,PLC 可獨(dú)立于其它外部設(shè)備( 如計(jì)算機(jī)) 運(yùn)行 ,確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 大大降低了故障率 。

( 3)采用高性能的AD 模塊,保證了數(shù)據(jù)輸入輸出的可靠性及通訊的穩(wěn)定和信號(hào)采樣的精確可靠 ,從而確保了系統(tǒng)的可靠性 。

( 4)PLC 強(qiáng)大的功能可以實(shí)現(xiàn)配料的二次計(jì)量,二次補(bǔ)償使得物料秤動(dòng)態(tài)計(jì)量精度和配比精度有著顯著的提高 ,在眾多瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)中處于領(lǐng)先地位 。早期工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單 ,可靠性差 ,運(yùn)行極不穩(wěn)定,嚴(yán)格地說只能稱其為電路系統(tǒng), 而不具備真正意義上的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。20 世紀(jì) 70 年代末以來,隨著以電子計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的電子信息技術(shù)的發(fā)展,單片機(jī)、計(jì)算機(jī)和目前國(guó)際上先進(jìn)的可編程控制器( PLC) 廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。而在公路交通領(lǐng)域,廣泛應(yīng)用和最為重要的自動(dòng)化控制系統(tǒng)就是瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)。

以單片機(jī)為主體架構(gòu)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)在一般的工業(yè)和民用領(lǐng)域有著優(yōu)異的表現(xiàn)。但是對(duì)于大型機(jī)械設(shè)備的控制 ,其控制精度、可靠性、穩(wěn)定性都無法達(dá)到實(shí)際需求。例如瀝青攪拌設(shè)備 ,其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并有復(fù)雜的電氣電路系統(tǒng) , 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、干擾大; 其自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度高, 牽涉電氣電路控制、溫度控制、物料計(jì)量控制等 ; 對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量有著特殊的要求,瀝青混合料配比精度直接影響公路的使用壽命 、 路面性能等。這就要求系統(tǒng)必須具備控制精度高 、 性能穩(wěn)定、可靠性高等基本條件 。目前單片機(jī)無法滿足大型機(jī)械設(shè)備的控制要求, 其系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜 , 接插件較多,耦合性高,客觀上增大了故障率 ; 程序設(shè)計(jì)繁瑣 、 冗長(zhǎng),增加了系統(tǒng)開發(fā)周期, 降低了系統(tǒng)可擴(kuò)展性 ; 在物料計(jì)量精度的控制上很難達(dá)到國(guó)家相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求,無法勝任高等級(jí)路面的鋪設(shè)。

可編程控制器是目前國(guó)際上先進(jìn)的自動(dòng)化控制設(shè)備,其性能非?？煽?,抗干擾能力強(qiáng) ,運(yùn)行穩(wěn)定 ,控制精度高, 數(shù)據(jù)輸入輸出處理精確、可靠 。能夠完成 I/O 操作、 A/D 轉(zhuǎn)換 、 D/A 轉(zhuǎn)換、溫度控制等功能 。目前國(guó)際上廣泛采用可編程控制器作為大型機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主體架構(gòu)已是公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。目前瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)主要有 3 種。

1　 計(jì)算機(jī)為主控設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)

采用該體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)作為中央控制中心 ,信號(hào)采集使用內(nèi)置 ISA 總線 AD 卡來實(shí)現(xiàn) ,計(jì)算機(jī)對(duì) AD卡采樣信號(hào)進(jìn)行綜合識(shí)別處理后作出執(zhí)行動(dòng)作判斷并發(fā)出相應(yīng)的控制指令給自制開關(guān)量板( 帶CPU 由單片機(jī)構(gòu)成) , 自制開關(guān)量板輸出開關(guān)量用以驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作 。
瀝青攪拌站控制系統(tǒng)

該體系結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是系統(tǒng)編程復(fù)雜 , 既要對(duì) AD 卡采樣、信號(hào)濾波和計(jì)算機(jī)及 AD 卡間的相互通訊進(jìn)行編程 ,又要對(duì)計(jì)算機(jī)與自制開關(guān)量板間的相互通訊及指令協(xié)調(diào)進(jìn)行編程 ,大大增加了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度。自制的開關(guān)量板穩(wěn)定性很差 , 故障率高 ,極易損壞 ,且難維修,板卡損壞后用戶不得不重新更換。內(nèi)置 AD 卡故障不但影響信號(hào)采集和通訊, 還有可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)故障而使整個(gè)系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。計(jì)算機(jī)與自制開關(guān)量板和 AD卡間較高的耦合性造成了整個(gè)系統(tǒng)的高故障率和不穩(wěn)定性 ,若發(fā)生故障 ,其后果難以預(yù)料。

總體上,采用該體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)耦合性高 ,安裝調(diào)試復(fù)雜,可靠性差,性能不穩(wěn)定 ,故障率高 ,可擴(kuò)展性差 ,系統(tǒng)升級(jí)改造困難 ,通用性差 。由于該系統(tǒng)抗干擾能力差 ,誤動(dòng)作多 ,控制精度低, 死機(jī)現(xiàn)象嚴(yán)重, 因此不適合用于大型機(jī)械設(shè)備控制 。

2　 計(jì)算機(jī) + 儀表秤 +自制開關(guān)量板( 或 PLC) 的體系結(jié)構(gòu)

采用該體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)也是以計(jì)算機(jī)為核心進(jìn)行通訊和指令控制 ,以儀表秤作為信號(hào)通訊模塊 ; 以自制開關(guān)量板或 PLC 實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的輸入輸出 。
瀝青攪拌站控制系統(tǒng) 

該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為控制中心進(jìn)行通訊和指令控制,這一點(diǎn)與體系結(jié)構(gòu) 1相同,一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓, 造成無法彌補(bǔ)的損失 。開關(guān)量輸出若采用自制開關(guān)量板亦將增加系統(tǒng)的故障率, 降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。儀表秤價(jià)格昂貴, 維護(hù)費(fèi)用高昂, 一旦損壞則必須更換新設(shè)備 ; 而且儀表秤作為儀表其性能已經(jīng)固化 ,無法根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行更改 ,標(biāo)定復(fù)雜; 可擴(kuò)展性差 ,目前最多只有 4 個(gè)輸出點(diǎn) 。

總之,該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心的架構(gòu)無法從根本上解決其高故障率、編程復(fù)雜、耦合性高、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn),即便使用 PLC 也只能提高其局部穩(wěn)定性, 整體性能不會(huì)有太大改善; 另外,該系統(tǒng)雖然采用了 PLC 和儀表秤,但系統(tǒng)整合性不強(qiáng),外部接插件較多, 系統(tǒng)連接復(fù)雜,整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作難; 某一部分的損壞都將不得不更換新的設(shè)備 ,維護(hù)性較差; 要從根本上提高其整體性能則必須徹底改變以計(jì)算機(jī)為核心的體系結(jié)構(gòu)。

3　 計(jì)算機(jī)+PLC 的體系結(jié)構(gòu)

該體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)采用國(guó)際上先進(jìn)的高性能PLC 為主控設(shè)備,PLC 與計(jì)算機(jī)之間連接松散, 耦合性低,且 PLC 可獨(dú)立于計(jì)算機(jī)運(yùn)行; 信號(hào)采集使用 PLC擴(kuò)展的AD模塊, 其性能非常穩(wěn)定, 當(dāng)通道損壞時(shí)不必更換新的 AD 模塊 , 因?yàn)槠溆袀溆玫耐ǖ揽晒┦褂?。PLC 輸入輸出點(diǎn)的損壞也不影響 PLC 和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,只需要更換輸入輸出點(diǎn)即可。
瀝青攪拌站控制系統(tǒng) 

可編程控制器作為控制系統(tǒng)的主控設(shè)備, 用以實(shí)現(xiàn)模擬量輸入處理和開關(guān)量輸入輸出處理, 保證了數(shù)據(jù)輸入輸出處理精確、可靠。輸入輸出點(diǎn)從理論上講是可以無限擴(kuò)展的 ,如此增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性 。中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)與 GOT 作為整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備, 用以實(shí)時(shí)監(jiān)控 PLC 的工作狀態(tài),修改 PLC 工作參數(shù) 。要注意的是二者是兩套相互獨(dú)立的系統(tǒng),它們之間互不依賴。

中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用了 Windows 98 平臺(tái) ,監(jiān)控軟件用Microsoft Visual Basic 開發(fā) ,并以Microsoft Access為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù),監(jiān)控系統(tǒng)界面友好、 運(yùn)行穩(wěn)定、 操作簡(jiǎn)單。系統(tǒng)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示主要工作參數(shù), 操作人員可以直觀地監(jiān)視外部設(shè)備的工作狀況, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題, 實(shí)時(shí)修改工作參數(shù); 中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)還可以完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 、 報(bào)表打印任務(wù) ,充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力; 另外 , 運(yùn)用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形處理功能,監(jiān)控軟件可以生動(dòng)、 直觀地模擬設(shè)備工作狀況并及時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示 ,使得系統(tǒng)操作更為簡(jiǎn)便直觀 ,作為系統(tǒng)操作人員所需關(guān)注的就是整個(gè)系統(tǒng)及設(shè)備的管理。

觸摸屏的作用和計(jì)算機(jī)大體相同, 不同的是它的操作非常簡(jiǎn)便快捷。計(jì)算機(jī)需要專業(yè)人員操作而它無需具備計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí) , 所有操作只需用手指輕松點(diǎn)觸畫面就可完成 。作為與 PLC 相匹配的外部擴(kuò)展模塊,其優(yōu)越的可靠性和穩(wěn)定性大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的工作性能 。

以可編程控制器為主控設(shè)備的控制系統(tǒng) ,配料秤輸出點(diǎn)可任意擴(kuò)展, 實(shí)現(xiàn)二次補(bǔ)償 ,以確保配料精確可靠,計(jì)量精度高 ?？删幊炭刂破鞯牟捎帽ＷC了系統(tǒng)功能強(qiáng)大 、 可靠性高 、控制精度高。體系結(jié)構(gòu)采用模塊式,各控制單元由統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模塊組成 ,可編程控制器的采用,保證了數(shù)據(jù)輸入輸出處理精確 、 可靠 。

4　 瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)示例

以西安漢道交通科技有限責(zé)任公司與中國(guó)建筑第七工程局機(jī)械廠聯(lián)合開發(fā)的 LB 系列瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)為例詳述自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

4. 1　 系統(tǒng)組成

( 1)中央監(jiān)控計(jì)算機(jī) ;

( 2)可編程控制器( PLC) ;

( 3)A/D 模塊 ;

( 4)高性能變送器;

( 5)圖形操作終端( 觸摸屏/GOT) ;

( 6)稱重傳感器 ;

( 7)打印機(jī) ;

( 8)不間斷穩(wěn)壓電源( UPS) 。

4. 2　 系統(tǒng)功能

( 1)全自動(dòng)與手動(dòng)工作模式;

( 2)計(jì)算機(jī)全程監(jiān)控 ;

( 3)圖形操作終端( 觸摸屏) 監(jiān)控;

( 4)石料稱重、配料動(dòng)作;

( 5)瀝青稱量、配料動(dòng)作;

( 6)粉料稱量、配料動(dòng)作;

( 7)配料自動(dòng)補(bǔ)償;

( 8)成品料提升機(jī)動(dòng)作及保護(hù) ;

( 9)主要生產(chǎn)過程參數(shù)顯示;

( 10)熱骨料溫度監(jiān)控 ;

( 11)各主要電機(jī)電流監(jiān)控 ;

( 12)故障報(bào)警提示;

( 13)存儲(chǔ)生產(chǎn)過程參數(shù);

( 14)打印生產(chǎn)過程報(bào)告。

4. 3　 系統(tǒng)特性

( 1)基于Windows98 操作系統(tǒng) , 界面友好 ,易于操作,運(yùn)行穩(wěn)定;

( 2)以 Visual Basic 為開發(fā)工具,Microsoft Access為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù);

( 3)雙獨(dú)立監(jiān)控系統(tǒng)( 計(jì)算機(jī)監(jiān)控、觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)) ;

( 4)連接線簡(jiǎn)單 ;

( 5) 易于維護(hù)和調(diào)試;

( 6) 高可靠性 ;

( 7) 高精度控制;

( 8) 標(biāo)定方便( 采用軟件標(biāo)定) ;

( 9) 操作簡(jiǎn)單 。

4. 4　 微機(jī)控制界面設(shè)計(jì)內(nèi)容

系統(tǒng)微機(jī)控制軟件以 Windows 為平臺(tái) , 使用 Mi-crosoft Visual Basic 開發(fā)工具設(shè)計(jì), 并以Microsoft Access為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù), 界面友好 ,操作簡(jiǎn)便 ,運(yùn)行穩(wěn)定 。

界面設(shè)計(jì)風(fēng)格遵循 Windows 標(biāo)準(zhǔn) , 您可以看到類似Windows98 界面的菜單、命令按鈕 、狀態(tài)條、工具條等。界面頂端為菜單 ,有配方表、 報(bào)表打印、 沖量設(shè)置、標(biāo)定等菜單項(xiàng)。底部為狀態(tài)條 ,顯示配方設(shè)定值、實(shí)際值、 系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)及幫助信息。中間是模擬動(dòng)畫監(jiān)控區(qū)域 ,畫有機(jī)械設(shè)備示意圖形 ,可以生動(dòng)形象地看到運(yùn)行部件的工作狀況, 物料計(jì)量過程和生產(chǎn)流程 、 故障報(bào)警提示等 。

微機(jī)控制軟件是 PLC 的前臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng) , 用以監(jiān)控PLC 工作狀態(tài),修改 PLC 工作參數(shù)。其主要功能為 :

( 1)設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù), 主要是配方的設(shè)置 ,包括石料、瀝青、粉料含量設(shè)定以及拌和的時(shí)間 、放料時(shí)間的設(shè)定;

( 2)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作參數(shù) ,包括各物料秤的動(dòng)態(tài)稱值、 配方設(shè)定值 、 實(shí)際稱量值、溫度曲線圖 、 電流曲線圖 、 熱料倉(cāng)和粉料倉(cāng)料位指示等 ;

( 3)存儲(chǔ)和處理生產(chǎn)數(shù)據(jù) ,報(bào)表打印 ;

( 4)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置,如沖量設(shè)置和物料秤標(biāo)定 ,它們直接影響系統(tǒng)控制精度和穩(wěn)定性 。

4. 5　 系統(tǒng)的標(biāo)定

基于單片機(jī)架構(gòu)的系統(tǒng)之標(biāo)定非常繁瑣 ,往往標(biāo)定時(shí)間都在數(shù)小時(shí)以上, 既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力, 而且精度較差?；趦x表秤的系統(tǒng)標(biāo)定較為復(fù)雜, 須系統(tǒng)工程師才可完成 ,精度也較差,不能實(shí)現(xiàn)智能控制。標(biāo)定精度將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的控制精度, 最終影響瀝青混合料配合比 ,標(biāo)定精度是系統(tǒng)之關(guān)鍵所在 。

基于 PLC 外加計(jì)算機(jī)架構(gòu)的系統(tǒng)標(biāo)定一改以往之繁瑣,不需要專業(yè)技術(shù)人員就可完成 ,操作簡(jiǎn)便 。其不需要通過調(diào)節(jié)硬件模塊來調(diào)整物料秤稱值 ,可以通過界面控制軟件填入初始化數(shù)值, 計(jì)算機(jī)將自動(dòng)調(diào)整采樣值。下面以 LB2000 瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)為例對(duì)其進(jìn)行說明。

系統(tǒng)的標(biāo)定是指物料的標(biāo)定, 一般情況下 ,在系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)電子秤計(jì)算機(jī)顯示值和實(shí)際稱量值是不一致的 ,標(biāo)定的目的是為了使顯示值和實(shí)際稱量值一致。

LB系列瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)的標(biāo)定是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的 ,在軟件標(biāo)定窗口只需填寫初始參數(shù),計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)調(diào)整顯示值使之與實(shí)際值一致。標(biāo)定所需初始參數(shù)有“額定配重”、“當(dāng)前采樣值”和“調(diào)整值” 。

標(biāo)定初始參數(shù)的含義為:

( 1)“額定配重”為當(dāng)前物料秤所掛砝碼重量額定值。

( 2)“當(dāng)前采樣值”為當(dāng)前物料秤額定配重下之計(jì)算機(jī)采樣值。

( 3)“調(diào)整值”為當(dāng)前額定配重下需經(jīng)計(jì)算機(jī)調(diào)整的采樣值 。

標(biāo)定時(shí)先確定標(biāo)定砝碼重量, 填入額定配重欄 ,將砝碼放置在物料秤上,“當(dāng)前采樣值”顯示當(dāng)前計(jì)算機(jī)采樣值,將之填入調(diào)整值一欄 ,確認(rèn)即可 。

4. 6　 觸摸屏監(jiān)控的操作

觸摸屏作為 PLC 的圖形操作終端( GOT) 與計(jì)算機(jī)處于同等地位, 通過 RS-422端口與 PLC 進(jìn)行通信用以監(jiān)控 PLC 的工作狀態(tài),修改 PLC 工作參數(shù)。觸摸屏內(nèi)置多個(gè)畫面 ,用以實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)控功能 ,其操作簡(jiǎn)單 ,無須任何外部操作設(shè)備 ,用手指點(diǎn)觸畫面激活區(qū)域就可完成相應(yīng)操作 。

GOT 作為 PLC 的擴(kuò)展模塊, 與 PLC 有著較強(qiáng)的整合性 ,加之自身性能可靠、穩(wěn)定, 在穩(wěn)定性方面優(yōu)于計(jì)算機(jī) ; 因此即便不使用計(jì)算機(jī) ,也絲毫不影響系統(tǒng)的工作性能。

觸摸屏主要功能: 過程參數(shù)顯示、 稱值、 系統(tǒng)設(shè)定 、配料設(shè)定 、 時(shí)間設(shè)定、 沖量設(shè)定等,觸摸屏與計(jì)算機(jī)之間是相互獨(dú)立,互不依賴的關(guān)系,并且它們與 PLC 之間也是相互獨(dú)立,互不依賴的。觸摸屏除不能存儲(chǔ)生產(chǎn)記錄、 打印報(bào)表外能完成計(jì)算機(jī)所能完成的所有工作 。

5　 結(jié)語

通過對(duì)常見三種瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)體系架構(gòu)的介紹,以及系統(tǒng)可靠性 、 穩(wěn)定性、控制精度、耦合性和可擴(kuò)展性的分析比較 ,我們得出以下結(jié)論 :

以PLC 作為系統(tǒng)控制核心的體系結(jié)構(gòu)徹底擺脫了以往以計(jì)算機(jī)為核心的架構(gòu)束縛, 從根本上解決了可靠性差 、 穩(wěn)定性低 、 控制精度不高和可擴(kuò)展性差的弊端,提高了系統(tǒng)的整體性能。

現(xiàn)將 LB 系列瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)的性能概括如下 :

( 1)基于 PLC 為主控設(shè)備的控制系統(tǒng), 其系統(tǒng)整合性較強(qiáng) ,其它系統(tǒng)需要較多外部接插件來完成的工作PLC 自身都可以完成, 既降低了系統(tǒng)的連接復(fù)雜性,又提高了系統(tǒng)可靠性 。

( 2)PLC 與計(jì)算機(jī) 、 AD 模塊和GOT 間的耦合性較低,計(jì)算機(jī)僅作為 PLC 外部設(shè)備承擔(dān)管理和監(jiān)控工作,也就是說, 除 AD 模塊外 ,PLC 可獨(dú)立于其它外部設(shè)備( 如計(jì)算機(jī)) 運(yùn)行 ,確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 大大降低了故障率 。

( 3)采用高性能的AD 模塊,保證了數(shù)據(jù)輸入輸出的可靠性及通訊的穩(wěn)定和信號(hào)采樣的精確可靠 ,從而確保了系統(tǒng)的可靠性 。

( 4)PLC 強(qiáng)大的功能可以實(shí)現(xiàn)配料的二次計(jì)量,二次補(bǔ)償使得物料秤動(dòng)態(tài)計(jì)量精度和配比精度有著顯著的提高 ,在眾多瀝青攪拌設(shè)備微機(jī)控制系統(tǒng)中處于領(lǐng)先地位 。

 

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