基于PLC与HMI的沥青贯入度仪控制系统的设计

岳晓文 赵 云

(重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336)

1 概述

沥青混凝土作为公路建设中必要的材料，具有优良的抗老化性能、抗疲劳性能等。但是温度的变化会导致沥青混合料性能有较大的差异，不同温度条件下路面会产生不同的损坏形式，其疲劳寿命也受温度影响。当路面积水后，积水渗入沥青内部，对沥青路面也会产生很大的影响。高温下对沥青路面会产生不利影响，所以是否能保证沥青混合料在高温以及有水条件下的质量，是保证沥青路面质量的关键。沥青混合料是一种典型的流变性材料，它的强度和劲度模量随着温度的升高而降低，因此高温稳定性是夏炎地区沥青路面须有的重要性质。沥青混凝土贯入度测试是将沥青混凝土置入有水及高温的条件下，测量其在一定载荷量下的变形量。因此沥青混凝土贯入度是沥青混凝土高温性能的重要指标。现有的沥青混凝土贯入度的测试设备采用单电机单测试功能，人工获取记录数据，人工控制水温等方式来进行测量，具有测试效率低、精度差、更换测试砝码困难等问题。

新型的沥青混凝土贯入整个系统包括自动升降装置、下压装置、测试装置、温水循环装置和自动控制系统等，如图1所示，并且可同时测试3组试件，其基本的工艺为将试模和试件一起放入预先设定温度的水浴中保温60 min，试验温度可设置为50 ℃，55 ℃，60 ℃将贯入杆垂直下伸到试件表面的中央，并使其与试件表面接触；放下贯入杆的同时开始计时，初加荷载为2.5 kgf(24.5 N)，读取10 min时位移传感器的读数，精确到0.01 mm；在没有冲击力的情况下，将50 kgf(490.5 N)的荷重砝码放在承重台上，记录1 min，2 min，3 min，5 min，10 min，20 min，30 min和60 min时位移传感器的读数，精确到0.01 mm，30 min时的读数为该试件的贯入度，60 min时的读数与30 min时的读数之差为贯入度增量。

2 系统硬件设计

系统在测试运行过程中不仅要控制系统的运行测试，并且要求显示实时数据曲线并保存数据，根据系统功能要求，本系统采用的硬件配置如图2所示,即PLC通过以太网与人机界面(HMI)相连,人机界面作为上位机完成系统操作及实验数据的显示。

系统的开关量信号直接进到PLC的输入端口,而系统的温度、位移等模拟量信号由模拟量扩展模块采集进入PLC。对于PLC输出的控制信号通过中间继电接到执行器。HMI监控PLC的内部状态以及实时的温度、位移参数,并以曲线形式显示，以实现对工艺流程进度的监控,同时把系统工艺要求的参数设置值下传到PLC,并在测试结束时保存实验数据。

系统采用西门子200PLC作为控制器，其结构紧凑、功能强大、成本低[1]，并且可以方便地扩展模块来实现对模拟量的采集和控制，另外，编程软件使用简便，极易实现该系统的启停、PID的算法和自整定等。采用Smart1000作为人机交互界面[2]，实现人与PLC的动态交互，可以通过设置PID的参数、设定控制温度和显示当前温度，PT100温度传感器作为测量反馈环节，测得过程变量当前值并送入控制器；调压板、可控硅功率器件和电加热套接受控制器的电流输出而做出相应调整，进而影响被控温度变量。位移传感器将事件的实时位移反馈给PLC和Smart1000触摸屏进行交互显示测试事件的当前位移和历史曲线趋势等。

3 系统软件设计

系统的软件部分包括PLC的控制程序设计和触摸屏的组态程序设计。在Step7-Micro/Win中编制PLC的控制程序。控制程序主要是水浴的恒温控制和系统开关量、模拟量处理，而水浴的恒温控制是系统难点。

3.1 PLC的控制程序设计

PID作为一种自动控制方法[3]，是比例、积分、微分的缩写，在控制领域应用广泛。PID根据系统的给定值和反馈值之间的相对差值，按照PID的运算规律计算出结果，执行元件按照运算结果自动调节，达到被控制量跟随给定值的变化的目的[4]。本系统的水浴恒温控制部分采用PID控制算法。西门子S7-200PLC集成了PID指令向导，根据向导自动生成一个闭环控制过程的PID算法，在向导的指引下填写相应的参数，就可便捷的完成PID算法的编程。在向导过程中已经完成了物理量的标定，在应用程序中无需再对物理量编程转换，直接调用向导生成的PID子程序，就可完成PID的控制任务，且只能SM0.0作为引用子程序的唯一条件。

1)PID的参数配置。

在Step7-Micro/Win中新建项目，利用PID指令向导引导创建PID中断子程序。单击Micro/Win导航栏工具菜单中的功能向导，然后在指令向导窗口中选择PID向导，进行PID配置。其中给定值的高低限的范围，给定值的范围与过程变量的范围必须相对应，设置低限为0.0，高限为100.0,表示给定值占过程反馈量程的百分比。输入输出极性选择单极性和20%的偏移量。完成PID向导配置后，在符号表中设置比例、积分、微分等参数的地址，如表1所示，利用这些参数地址可与HIM进行交互，方便参数的修改和编程调试。利用这些参数地址可与HIM进行交互，方便参数的修改和编程调试。

表1 PID符号表

2)PID的自整定。

在Step7-Micro/Win的PID调节面板里可以启动、停止自整定功能使PID调节器工作在自动模式下，单击“Start Auto Tune”启动自整定功能，自整定控制器会自动在输出中加入阶跃扰动，使得控制过程中产生振荡，通过阶跃响应曲线，控制器自动计算出优化的PID参数。

3)控制程序调试。

将程序下载至PLC、按照系统要求设定控制温度为60 ℃，比例增益为6，积分时间为30 min，微分时间为0，当过反馈值接近给定值且基本稳定时，启动自整定程序，自动整定推荐比例增益为9，积分时间为41 min，微分时间为0。系统使用自整定出的推荐参数进行温度控制，控制稳态精度可达0.5 ℃左右，效果较好，可以满足系统要求。

3.2 触摸屏的组态程序设计

Smart1000的人机界面组态软件WinCC Flexible，具有良好的开放性和灵活性，功能强大，集成了图形界面管理、归档系统、报警系统、报表系统、配方管理系统等组态功能[5]。对触摸屏作组态连接时，首先在WinCC Flexible中创建新项目，设备类型选择“Smart1000”，在“通信—连接”中选择S7-200PLC，建立HMI与 S7-200PLC的连接[6]。在“通信—变量”中定义要与PLC交互的变量[7]，如作为人工控制的PID自整定启动或取消变量，这些变量参数的数据类型和地址必须与PLC中对应的元素一致。组态主画面时，设计为系统状态监测区域、系统参数设定区域和实时曲线区域三个部分。系统状态监测区域使用棒图显示恒温水浴的当前温度，使用I/O域显示测试事件的位移；可通过控制PID的微分与积分时间等变量参数来设置水浴温度，系统的启停与自动运行等。组态的实时变化曲线，显示出测试事件的位移曲线和实时观测时间的变化趋势，最终以生成报表的形式导出。

4 结语

将PLC与触摸屏 HMI相结合，设计了一套沥青混凝土贯入度测试装置的控制系统，实时显示实验数据曲线，比传统人工测试的方法更加简便、实验数据更加精准、系统更加稳定。此外，此系统已在某公司应用，大幅提升了其测试效率。