[摘要] 本文介紹VIPA公司300S、500S PLC及200V從站系統(tǒng)在瀝青攪拌站上的應(yīng)用，并將VIPA公司PLC與同類PLC做了相應(yīng)的比較，闡述了VIPA公司PLC的突出優(yōu)勢，對PLC、PC、HMI單元作了設(shè)計說明;該系統(tǒng)投入應(yīng)用后，不但降低了成本還提升了整套控制系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)的運行更加安全、可靠、性能更優(yōu)異，達(dá)到設(shè)計目的。

1.概述

      瀝青攪拌設(shè)備主要用于高速公路的建設(shè)和維護, 是一種復(fù)雜的綜合配套設(shè)備，獨立運轉(zhuǎn)部件多，工藝流程復(fù)雜。特別是用于高等級公路的設(shè)備，對瀝青、骨料、粉料的計量精度和溫度要求高，設(shè)備由于在野外作業(yè)，工作環(huán)境惡劣，因此對該設(shè)備控制系統(tǒng)性能相對要求也較高。綜合考慮上述因素，采取必要的設(shè)計措施，才能滿足高等級公路施工的要求。

      瀝青混合料攪拌設(shè)備主要包括供料控制，溫度控制，計量控制，除塵控制，成品倉控制等。其控制系統(tǒng)的任務(wù)是按照工藝流程順序控制各部設(shè)備,按生產(chǎn)配方自動進行計量拌料。目前控制系統(tǒng)基本采用PC+HMI+PLC的控制模式，上位機PC, HMI主要用于下發(fā)控制指令進行生產(chǎn)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理；下位機PLC負(fù)責(zé)全部的過程控制。

2.可編程序控制器（ PLC ）在攪拌樓控制中的應(yīng)用特點

2.1 通用特點

     PLC作為瀝青混凝土攪拌設(shè)備控制的核心元件，其性能直接影響整機的性能，因此PLC選型應(yīng)注意以下幾點：

• 動態(tài)計量要求PLC運算速度快，掃描周期應(yīng)在10ms以內(nèi)
• 設(shè)備控制點多，要求PLC內(nèi)存要大，要有一定余量
• 通訊速度要快，上位機畫面刷新速度應(yīng)大于5次/秒
• 選用模塊化PLC，便于系統(tǒng)擴展.
• 在整機性能滿足要求的前提下，盡量簡化系統(tǒng)，降低成本，提高整機的性能價格比。

2.2 特點比較

      目前控制系統(tǒng)大多采用的西門子PLC，其中S7-400（S7-412）是大型PLC，CPU速度快，內(nèi)存大，性能優(yōu)異，但價格較貴。S7-300（S7-314C，S7-315）成本較低，但是性能有差距。

      VIPA推出的300S系列PLC是完全兼容西門子S7-300/400  PLC的高性能PLC，其特點是：CPU運行速度快、內(nèi)存大（2MB）、通訊接口多（具有PROFIBUS-DP主站、MPI、內(nèi)置以太網(wǎng)接口等,并且集成了高速模擬量輸入,高速計數(shù)器等端口）、編程與STEP7完全兼容，程序無需修改可直接運行,其I/O模塊和附件與S7-300可直接互換使用。

      為了提高設(shè)備性能，降低成本，我們選用了VIPA的可編程控制器,先后設(shè)計了集中式控制系統(tǒng)與分布式總線控制系統(tǒng):

2.3集中式控制系統(tǒng)

      在2006年我們選用VIPA-300S PLC應(yīng)用在1300型瀝青攪拌站上,系統(tǒng)采用集中控制模式.

系統(tǒng)的組成為：

• 300S-CPU：VIPA  314-6CF02
• 300V數(shù)字量輸出模板：VIPA  322-1BL00
• 300V數(shù)字量輸入模板：VIPA  321-1BL00
• 300V模擬量輸入模板：VIPA  331-1KF01
• 300V模擬量輸出模板：VIPA  332-5HD01

2.4分布式控制系統(tǒng)

      為了適應(yīng)出口產(chǎn)品的需要，滿足設(shè)備快速安裝，便于移動的要求，在2008年初我們開發(fā)設(shè)計了分布式總線控制系統(tǒng)。現(xiàn)系統(tǒng)以應(yīng)用在2000型瀝青攪拌站上,控制系統(tǒng)按設(shè)備結(jié)構(gòu)分解為八個獨立單元，安裝在現(xiàn)場相應(yīng)設(shè)備處，并在工廠內(nèi)完成單元局部配線，現(xiàn)場只鋪設(shè)電源線通訊線，實現(xiàn)現(xiàn)場快速安裝。每個單元控制柜均裝有外操作總電源開關(guān),急停按鈕.便于現(xiàn)場操作與維護. 以滿足出口及國內(nèi)高端客戶的需求。

      系統(tǒng)選用VIPA-515S 板卡式CPU為主站, 安裝在控制室的工控機內(nèi);采用200V I/O模塊，安裝在現(xiàn)場各控制箱中作為系統(tǒng)中的從站，對本單元設(shè)備進行采集與控制。系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊，實現(xiàn)瀝青攪拌站過程控制。

系統(tǒng)的組成為：

• 500S-CPU：                  VIPA  515-2AJ00
• 200V-DP模板：             VIPA  253-1DP01
• 200V數(shù)字量輸出模板: VIPA  221-1BF00
• 200V數(shù)字量輸入模板：VIPA  222-1HF00
• 200V模擬量輸入模板：VIPA  231-1BD53
• 200V模擬量輸出模板：VIPA  232-1BD51

3．PLC 的程序設(shè)計

      VIPA PLC采用西門子STEP7編程軟件進行編程，程序用梯形圖和語句表方式編寫。STEP 7編程軟件采用的是模塊式結(jié)構(gòu)編程，可以分為組織塊(OB) 、系統(tǒng)功能塊或系統(tǒng)功能(SFB或SFC) 、功能塊(FB) 、功能(FC) 、背景數(shù)據(jù)塊(背景DB)和數(shù)據(jù)塊(DB) 等。OB塊中的OB1是必須的，其他塊根據(jù)需要來增減。本系統(tǒng)PL C程序部分用到了主程序循環(huán)OB1、循環(huán)中斷OB32、暖啟動OB100等組織塊。另外還用到了自定義的功能FC、數(shù)據(jù)塊DB、系統(tǒng)功能塊SFB等。程序包括計量控制功能塊FB100, 供料控制FB20，溫度控制FC51,除塵控制FC60，成品倉控制FB300等。下面就采用VIPA 300S的集中式控制系統(tǒng)做簡單介紹.

3.1 計量控制

    計量控制是攪拌站控制最關(guān)鍵的部分，要求PLC  A/D采集精度高,響應(yīng)迅速,稱量控制準(zhǔn)確. VIPA CPU-314ST中集成的4路AD單元, 采集速度可達(dá)170次/秒,精度為12位,完全可以滿足工藝要求,我們利用其對石料、粉料、瀝青等稱量值進行動態(tài)采集,PLC根據(jù)生產(chǎn)配方對稱量信號運算處理后，由輸出模塊自動控制石料秤門、粉料螺旋輸送機、瀝青泵等開啟停止,進行計量控制以及攪拌過程控制等。

      功能塊FB100采用梯形圖編制，包括模擬采集變換，生產(chǎn)配方處理， 6種石料累計計量、3種粉料累計計量、1種瀝青計量、１種添加劑計量;攪拌控制，報表數(shù)局上傳處理等

      石料計量采用雙料門氣缸控制，計量程序要按照拌和工藝根據(jù)不同情況及時調(diào)整拌和參數(shù)。例如，在熱料倉滿料和缺料兩種情況下拌和參數(shù)是不大一樣的，此時的空中落料質(zhì)量有很大的差別，滿倉時百十公斤而空倉時只有幾公斤，這要在程序中及時自動修正調(diào)整。在計量程序中編制了落差自動修正功能,計量中即有靜態(tài)修正又有動態(tài)修正控制，使計量級配更加準(zhǔn)確。

      油石比精度及自動跟蹤油石比是瀝青混合料質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。瀝青含量過少、過多都會降低瀝青混凝土強度，影響壓實度和穩(wěn)定度，含量過多還會在礦料顆粒間形成自由瀝青而最終導(dǎo)致路面“泛油”。因此必須嚴(yán)格控制油石比使其誤差達(dá)到±0.3%以內(nèi)。為了提高油石比精度,瀝青計量采用二次計量方式,先按設(shè)定重量的120%稱量,待石料、粉料稱量完成后，經(jīng)過二次運算，再按配方進行噴灑，提高了出料質(zhì)量。

      粉料計量是采用計量螺旋控制。根據(jù)拌和工藝不同，粉料設(shè)定變化范圍大，當(dāng)設(shè)定重量較小時,會產(chǎn)生誤差較大, 當(dāng)設(shè)定重量較大時,計量時間較長,影響生產(chǎn)速度,為了提高計量精度,提高生產(chǎn)效率,采用變頻器控制螺旋速度，根據(jù)粉料設(shè)定重量,自動調(diào)節(jié)PLC模擬量輸出大小,調(diào)節(jié)變頻器速度,控制粉料計量.

3.2 溫度控制

      瀝青混合料的出料溫度是影響施工質(zhì)量的一個重要因素。溫度過低會影響混合料質(zhì)量，產(chǎn)生拌和不均勻的“花料”現(xiàn)象，而且不利于攤鋪碾壓；而過高的溫度又會造成燃料等很大的浪費，嚴(yán)重時還會引起瀝青老化、結(jié)焦。因此必須嚴(yán)格控制混合料溫度瀝青混合料溫度控制是關(guān)鍵生產(chǎn)工藝。

      溫度控制程序由功能FC51（燃燒器控制）, FC60（除塵控制）組成，石料采用燃油燃燒器烘焙加熱, 溫度高低由風(fēng)門大小調(diào)節(jié)，采用快速響應(yīng)的非接觸式紅外線測溫儀測溫，此信號反饋給PLC，程序調(diào)用PLC內(nèi)置的溫度調(diào)節(jié)功能塊FB59進行控溫，自動調(diào)節(jié)風(fēng)油比跟蹤設(shè)定的熱骨料溫度。

      除塵器負(fù)壓是燃燒器燃燒效率的關(guān)鍵因素之一，測量滾筒負(fù)壓并及時調(diào)節(jié)引風(fēng)風(fēng)門使其穩(wěn)定，為充分燃燒提供條件；程序調(diào)用PLC內(nèi)置 PID功能塊FB42對負(fù)壓進行自動控制。

3.3成品倉控制

      成品倉是瀝青攪拌站的重要組成部分，運料小車根據(jù)指令在規(guī)定的時間范圍內(nèi)將計量攪拌好的成品料運送至不同的倉位。小車采用施耐德ATV71變頻器驅(qū)動，利用 CPU-314ST中集成的4路高速計數(shù)單元對安裝在電動機上的編碼器進行計數(shù)，實現(xiàn)小車的精確定位。

      程序由功能塊FB300,FC310組成，包擴高速計數(shù)設(shè)置，選倉控制，倉位測量定位，變頻器控制。

3.4功能擴展與兼容

      攪拌站控制系統(tǒng)中還包括：供料控制功能塊FB20，電動機控制功能FC150等，隨著道路施工工藝的不斷改進更新，瀝青攪拌站外圍設(shè)備會不斷增加，一體化控制要求PLC具有較強的可擴展性。 CPU-314ST單機架32模塊的可擴容量為攪拌站外圍設(shè)備的加入提供了便利的操作和可靠的保證。

      瀝青攪拌設(shè)備控制的智能化和人性化要求日益突出，過去生產(chǎn)的攪拌站就面臨著一個控制系統(tǒng)改造的問題，對于舊的采用西門子PLC的控制系統(tǒng)應(yīng)用VIPA  PLC改造快捷方便，減少了硬件改動和軟件改動。

4．上位機軟件設(shè)計

上位機采用工業(yè)電腦+人機界面組合成雙操作系統(tǒng)

4.1電腦組態(tài)軟件

      隨著客戶對攪拌站工藝要求的提高,上位機組態(tài)系統(tǒng)一般要求具有復(fù)雜的畫面功能，強大的數(shù)據(jù)處理功能和實時交互的配方報表，報警功能。上位機組態(tài)系統(tǒng)的功能實現(xiàn)依賴于與PLC的無障礙快速通訊。VIPA PLC的以太網(wǎng)通訊模式對實現(xiàn)上述功能提供了完美解決方案。

      上位機選用FameView工業(yè)組態(tài)軟件，采用太網(wǎng)方式與VIPA-PLC通訊（100MHz），運行在WINDOWS  2000 / XP環(huán)境下。具有全中文友好界面，新穎，簡單而強大的組態(tài)功能，可快速簡捷完成生產(chǎn)任務(wù)。組態(tài)軟件支持3000點變量系統(tǒng)，能準(zhǔn)確控制每個生產(chǎn)工藝細(xì)節(jié)，3000個圖素的畫面能在1秒之內(nèi)更新，高速的畫面更新使畫面更流暢，更美觀。利用組態(tài)軟件強大的多屏功能,電腦系統(tǒng)配置雙顯示器，一臺用來顯示設(shè)備監(jiān)控畫面，一臺用來顯示數(shù)據(jù)和進行生產(chǎn)操作。組態(tài)操作界面采用菜單，子菜單，按鈕超級鏈接等方式切換畫面。畫面有:

a)       主畫面：生產(chǎn)流程監(jiān)控和計量監(jiān)控；

      通過下拉菜單和點擊按鈕，完成多種操作任務(wù)；在生產(chǎn)過程可中切換到其他控制畫面。為防止誤操作，相關(guān)按鈕增加了連鎖條件和操作權(quán)限；

b)      控制子畫面：

      供料控制，設(shè)備控制，加熱控制等。

c)       生產(chǎn)設(shè)定：

      生產(chǎn)攪拌參數(shù)設(shè)定, 存儲配方和調(diào)用配方，在此系統(tǒng)中設(shè)計了200個配方；可隨意地以文件形式另存在硬盤或軟盤中，并能方便地轉(zhuǎn)存為EXCEL文件。

d)      PLC狀態(tài)監(jiān)控：

      真實反映現(xiàn)場的I/O狀態(tài)，利于故障的檢查和排除；

e)       數(shù)據(jù)管理：

      隨時記錄每一循環(huán)的稱量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保存SQL Server 2000大型數(shù)據(jù)庫，便于匯總查詢和打印打印：根據(jù)數(shù)據(jù)報表的內(nèi)容，可控制打印機進行實時逐行或逐頁打印；并能方便地轉(zhuǎn)存為EXCEL文件

f)       資料管理：

      主要是各種報警提示和維修保養(yǎng)相關(guān)的信息。

g)      組態(tài)支持GRPS/CDMA/電話撥號通訊，可遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)情

況和PLC工作狀況。遠(yuǎn)程計算機可以訪問工地生產(chǎn)數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備運行情況。

h)      組態(tài)支持短信功能，可以通過手機接受來自工地現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況。另外還可提供視頻采集設(shè)備，支持CDMA和局域網(wǎng)傳輸，通過視頻服務(wù)器和監(jiān)控站更直觀的監(jiān)控現(xiàn)場工況。

4.2人機界面系統(tǒng)

      人機界面系統(tǒng)采用SIMATIC TP 270型觸摸式操作面板，采用MPI/DP方式與VIPA-300S通訊，可實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制和監(jiān)視?；赪INDOWS CE操作系統(tǒng)，TP270提供有創(chuàng)新性的操作員控制和監(jiān)視功能以及固有的操作員面板的優(yōu)點：堅固耐用，穩(wěn)定可靠，簡便易用。

     人機界面配套組態(tài)軟件為Simatic Protool CS,Protool用于Win98/nt/xp，基于完整的圖形用戶界面不需要特殊的編程知識就可以輕松創(chuàng)建面向?qū)ο蟮?，基于符號的項目?strong>

      人機界面組態(tài)畫面功能組成分為電機控制頁,冷料控制頁,燃燒系統(tǒng)頁,參數(shù)設(shè)定頁,運行狀態(tài)頁,報警信息頁.組態(tài)畫面布局清晰合理,畫面切換和刷新速度快.對人機界面的操作為觸摸式,簡單直接.人機界面系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的手動和自動操作,是一種全新的操控概念,他保持了傳統(tǒng)控制方式所特有的操作特點,將按鈕開關(guān)控制集成,使操控系統(tǒng)變的簡約化.電機控制頁集中了所有現(xiàn)場設(shè)備電機,觸模式啟停按鈕,動態(tài)的電機狀態(tài)文字標(biāo)識.冷料控制頁主要是冷倉電機啟停和速度調(diào)節(jié),其中速度調(diào)節(jié)實現(xiàn)數(shù)字化,對速度的控制更加精確.燃燒系統(tǒng)頁主要是對引風(fēng)門,鼓風(fēng)門的控制和燃燒器點火控制, 引風(fēng)門,鼓風(fēng)門和燃燒器工作狀態(tài)一目了然.參數(shù)設(shè)定頁是生產(chǎn)過程中必要的所有參數(shù),包括每鍋骨料,粉料,瀝青的設(shè)定,生產(chǎn)任務(wù)的制定,攪拌時間,小車卸料時間,拌鍋門開時間,加粉延時和加瀝青延時的設(shè)定,數(shù)值設(shè)定均采用彈出式數(shù)字小鍵盤來完成,方便快捷.運行狀態(tài)頁顯示了設(shè)備正常運轉(zhuǎn)情況下的重要信息，主要包括稱量情況，成品倉，瀝青，砂倉，除塵器出入口溫度，砂震，粉倉硫化狀況，小車運行情況，數(shù)字顯示加高亮反色顯示讓操作人員對設(shè)備運行狀況一幕了然。報警信息頁面顯示了工程技術(shù)人員多年工程經(jīng)驗總結(jié)出的檢測點和故障點信息。主要有電機運行狀況報警，稱量超重，缺料報警，溫度超溫報警和成品倉系統(tǒng)中倉位，小車位置，液壓油狀況報警等信息。報警提示以紅色高亮閃爍表現(xiàn)，非常醒目。在其它畫面顯示狀態(tài)時遇有報警畫面上彈出一小驚嘆號，并伴有高亮閃。

      人機界面可以作為一套獨立的系統(tǒng),他能完成日常生產(chǎn)任務(wù).電控系統(tǒng)中人機界面主要是和電腦系統(tǒng)配合互為冗余,提高上位機的可靠性。電腦生產(chǎn)過程中人機界面也可以同時干預(yù)，提高了操作的靈活性，拓寬了操作界面，在應(yīng)急處理過程中表現(xiàn)出非凡的優(yōu)越性。

5．結(jié)束語

      北京德基機械有限公司是生產(chǎn)瀝青攪拌站的專業(yè)廠家，原控制系統(tǒng)采用西門子S7-400系列PLC。自2006年以來我們采用VIPA-300S PLC用于瀝青攪拌站控制,現(xiàn)以有數(shù)十套VIPA PLC投入運行,產(chǎn)品遠(yuǎn)銷到澳大利亞,印度,餓羅斯,中東等國家地區(qū);系統(tǒng)自投入使用以來，故障率較低，設(shè)備性能穩(wěn)定；兩個系統(tǒng)的運行速度我們也進行了對比，原S7-400系統(tǒng)運行時的掃描周期為7毫秒，采用VIPA-314ST CPU系統(tǒng)運行時的掃描周期為2毫秒，再者通訊方式由原來的MPI通訊（187.5KHz）改為以太網(wǎng)通訊（100MHz），既提高了通訊速度又降低了成本，上位機的動態(tài)監(jiān)控畫面也因此顯得更加流暢。

      由于本系統(tǒng)完全兼容S7-300系列產(chǎn)品，其I/O模塊國內(nèi)市場占有量較高，技術(shù)成熟，既使生產(chǎn)過程中PLC控制系統(tǒng)硬件發(fā)生故障，也可以立即查明原因更換相應(yīng)器件，最大限度的縮小在線維修時間，采用VIPA-300S PLC不但降低了成本還提升了整套控制系統(tǒng)的性能，使全系統(tǒng)的運行更加安全、可靠、性能更優(yōu)異。

作者簡介

魏建強    1963 男 漢族，籍貫  北京市，學(xué)士，工程師，電控部

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