基于组态王的混凝土搅拌站控制系统设计

欧美英 苏学祥 葛浩 谷胜伟 李玲纯

【摘   要】   混凝土在各类基建项目中是最基本的需求，而它的各种指标直接影响着工程的质量和基建成本。主要利用组态王设计了一种混凝土搅拌站控制系统，该系统可以对混凝土生产中的配料、输送、搅拌、卸料等各个过程实现自动化控制，同时利用组态王的画面显示功能，实现了系统运行状态的实时监控，进而提升混凝土生产的质量和效率。

【关键词】   混凝土搅拌站;配料;组态王

Design of Control System of Concrete Mixing Plant Based on KingView

Ou Meiying  Su xuexiang  Ge Hao  Gu Shengwei  Li Lingchun

（Chuzhou University， Anhui Chuzhou 239000）

【Abstract】 Concrete is the most basic demand in all kinds of infrastructure projects， and its various indicators directly affect the quality of the project and the cost of infrastructure construction. In this paper， a concrete batching plant control system is designed based on KingView. The system can realize the automatic control of batching， conveying， mixing， unloading and other processes in concrete production. At the same time， using the screen display function of Kingview， the real-time monitoring of system operation status is realized， and the quality and efficiency of concrete production are improved.

【Keyword】 Concrete mixing plant; Batching; KingView

〔中图分类号〕  TP278              〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2021）01- 0000 - 00

0     引言

在各类基建项目中，混凝土得到了普遍的应用，产值规模迅速膨胀，但它的各种指标影响着工程的质量和成本[1]。最初，混凝土生产是基于人工的，即施工人员将制作混凝土的原材料依次在磅秤上称量，接着将各种准备好的原料放入搅拌机中搅拌，搅拌均匀后才能用于施工。其生产所需原材料的重量能否按照事先确定的比例在较大程度上取决于计量施工人员的技术水平以及其的责任感。效率不高以及计量准确度方面存在误差是这种生产方式的主要缺点，这些缺点对建筑物的质量和成本产生了很大的影响。

为了在满足施工所需混凝土的各种技术要求下进一步的提质增效，集中式的混凝土搅拌站应运而生。搅拌站是对混凝土的原材料按照一定的比例进行配比，再搅拌混合的场所。这种集中式的混凝土生产方式，为在混凝土搅拌进行自动化、大规模生产提供了基础条件。混凝土的自动化生产需要一个完善的混凝土搅拌站控制系统进行支撑。

过去混凝土搅拌站主要使用继电器控制，其自动化程度较低，工作效率不高[2]。随着技术的发展，混凝土搅拌设备通过技术融合具备了可控性;通过对混凝土搅拌设备的控制可实现混凝土生产的自动化。如，通过可编程逻辑控制器（PLC， Programmable Logic Controller）与组态软件相结合，对整个生产过程进行实时监控，实现了混凝土生产的自动化控制，因此在技术上设计一个混凝土搅拌系统已经较为成熟。另外，随着国家对基础实施建设转向以高速铁路、轨道交通等新基建项目为主的现状，也对混凝土的生产质量和效率提出了更高的要求，研发出兼具精确度和高效率的搅拌站控制系统以提升混凝土生产的自动化水平是迫切需要解决的问题。基于以上原因，本文利用组态王设计了一种混凝土搅拌站控制系统，该系统可以对混凝土生产中的配料、输送、搅拌、卸料等各个过程实现自动化控制，并对生产运行过程进行实时监控，进而提升混凝土生产的质量和效率。

1     系统结构

1.1   系統结构概述

系统采用组态王软件作为上位机，西门子 S7- 200 PLC作为下位机[3]，模拟混凝土的生产过程。通过设计的组态界面，实现了混凝土生产中每个步骤的协调控制，并能对系统的运行状态进行实时监控。PLC和组态王两者的结合可以对混凝土生产的整个流程数据进行实时分析汇总，及时发现系统中不合理的地方并对其进行调整，从而提高生产效率，节约生产成本。

该控制系统将组态王作为人机接口，操作人员利用组态王发出控制信号，通过RS232串口将控制信息传送到PLC中，PLC通过控制相应的继电器，使执行机构执行相应的命令。系统的结构框图如图1所示。

1.2   混凝土搅拌站生产流程

混凝土是将沙料、石料、水以及添加剂按照比例混合而成的一种混合物，它广泛应用于建筑、桥梁等各种工程当中[4-5]。混凝土搅拌站就是随着工程对混凝土质量要求不断升高的条件下而催生出的一种专业生产混凝土的场所，具体生产流程如图2所示。

2     系统控制

混凝土搅拌站大体上可以分为以下几个部分：料斗设备、搅拌设备、称量设备、传送设备以及其它一些相关的辅助设备。结合实际工作情况将系统分为自动和手动两种工作模式。

（1）手动模式下，操作人员可以手动控制各个设备的启动或者停止，实现配料、传送、搅拌、卸料等相应的功能。

（2）自动模式下，按照生产所需要的混凝土标号，设置好配方，按下开始按钮，整个系统开始运行，直至完成整个生产流程。

2.1   传送控制

在本次设计中输送设备主要有水泵、螺旋输送机以及传送带，在设计时，应该合理选用输送骨料所用的电动机，避免物料过多，电机启动转矩不足的情况发生。同时使用变频器控制电机的运行速度，使电机的运行速度可以在高速与低速之间反复切换，以提高配料的速度和精度。

此外传送带的动作设定还应注意以下问题：为了避免传送带在沙料和石料往传送带上卸料时，物料在传送带堆积过多，要让传送带在储料斗下方闸门打开前一分钟开始运行。在实际运行的过程中为了避免称重好的物料遗漏在传送带上，应让传送带电机多运行一段时间，避免物料遗漏过多影响配料的精确度，进而影响混凝土的质量。

2.2   储料斗卸料控制

储料斗卸料的控制过程为：骨料通过螺旋输料机输送到储料斗内，在储料斗下方闸门处设置重量传感器，骨料的卸料主要是通过储料斗下方闸门实现。系统设置了两个启动卸料的条件：其一是通过测量储料斗内部物料的实时重量，将它和配方所需要的物料重量相减，计算的重量差等于零时，闸门打开，储料斗开始卸料，其二是手动卸料，通过按下卸料按钮，系统执行卸料操作。

2.3   搅拌机升降控制

在实际生产中，搅拌机在高处搅拌物料，在准备卸料时，搅拌机需要先下降，卸料完成后上升。具体的操作是：在搅拌机上升以及下降的极限位设计限位开关，当触发开关时，系统将信号传递给控制搅拌机升降的电机，进而控制电机的启动或者停止。搅拌机的升降主要由电机的正反转控制，为了避免电机的正反转出现干扰，对电机采用互锁的控制方式。

3     系统设计

3.1   通信和变量建立

3.1.1   通信建立

打开PLC编程软件，在页面左侧找到“系统块”，点击“系统块”找到“通讯端口”，设定端口的数值。

打开组态王工程浏览器，在页面左侧寻找“设备”，接着在设备目录下找到“COM2”，双击COM2，进行通信设定，设定数值时必须要与PLC中的设定保持一致[6]。具体设置的数值如图3所示。

3.1.2   构造数据库

实时数据库是组态王的重要组成部分，数据库中变量的集合称为数据词典[7]。通过构建数据词典，实现组态王用户可将自己所构建的组态模型进行仿真测试，也可以实现与PLC的通讯连接。在按照实际需求定义变量时，要注意变量的类型以及数据类型，避免因数据类型错误影响组态的正常运行。如图4是搅拌机设定。

3.2   組态监控画面设计

3.2.1   构建组态画面

组态画面包括主画面、配料监控画面、卸料监控画面、配方设定画面、报警画面、实时曲线画面、历史曲线画面。当控制系统出现故障或者紧急停止时，相应的信号通过报警的形式显示在组态的报警界面中，使工作人员能够及时发现并对故障进行维修。在设计时，画面右侧设置了画面标注，方便切换画面。

（1）主画面

根据设计思路，在利用组态王仿真画面时，添加了运行指示灯，显示各个电机的运行状态，在主画面中设置一组铃，用于提醒操作人员。同时在构建画面时设立紧急停止按钮，进而可以使整个系统在故障时能够以最快的速度暂停运行，进而避免重大事故的发生，从而使系统有更好的人机交互功能。系统对应的主画面如图5所示。

（2）配料监控画面

本次设计中，计量监控系统采用独立计量的方式，即为每一种物料配备单独的计量单元。监控画面包括：骨料称重监控、粉料称重监控和水量计量监控三部分。

① 骨料称重监控

在构建组态画面时，为了更好的实现人机交互，设计时在储料斗右侧添加了显示条，便于观察料斗内部物料的多少，避免骨料过多流出储料斗，同时为了监测物料的实时重量，画面中加入了如图5所示的重量显示屏，实时监测物料重量。

在系统运行的过程中，漏天存放的砂料以及石料经螺旋输料机输送到各自的储料斗内称量物料重量，待称重结束之后，储料斗下方闸门打开，储料斗卸料，物料经储料斗下方传送至搅拌机内。

② 粉料称重监控

在称量粉料重量的时候，粉料由钢结构筒仓经螺旋输料机输送到临时称量的储料斗内，开始计量物料的重量，计量完成，系统给出反馈信号，经CPU处理后给出启动气动蝶阀信号，储料斗下方气动阀门打开，储料斗内的粉料流入搅拌机。

③ 水量计量监控

水泵在控制系统的控制下，将水从水池中泵出，经过流量计计量水量后经水管流入搅拌机内，当传感器计量到预设值时，水泵停止，电磁阀关闭，避免计量好的水回流，影响混凝土的塌落度。

（3）卸料监控

搅拌机搅拌到达预定的时间后，物料搅拌完成，系统给出控制信号，搅拌机开始下降，搅拌机下降到最低位置时，触碰到下方的限位开关，此时反馈信号传递到CPU，CPU给出控制信号，控制搅拌升降电机停止，此时搅拌机开始卸料，卸料完成后系统给出反馈信号，搅拌机上升，当达到上限位时停止，准备下一次生产。

（4）报警画面

在报警画面里记录着报警具体时间以及报警的变量，制作该画面能让运行人员及时收集到系统的运行状态，当某个变量的运行数据与预先设定的值偏差较大，超出预先设定的范围时，系统给出报警信号，方便运行人员及时发现问题，准确快速的找到故障原因，方便维修。历史报警画面如图6所示：

（5）曲线画面

曲线画面主要包括实时曲线画面和历史曲线画面。实时计量曲线画面，主要显示混凝土各种原料重量的实时变化趋势;历史计量曲线画面，主要显示混凝土的各种原材料重量在整个生产过程中的变化趋势。为了区分曲线的类型，在构建曲线画面时，在曲线右侧标注曲线所对应的变量，同时不同的曲线使用不同的颜色，方便操作人员区分。

构建好组态画面之后，对各个模块设置动画连接并编写命令语言，进而实现画面运行。编写的部分命令语言如图7所示。

4     系统运行与调试

将PLC与组态王通过RS232通讯串口连接起来，将梯形图程序下载到PLC中，打开“混凝土搅拌站控制系统”主画面，具体实现功能运行如下：

搅拌站按照事先定好的配方开始生产混凝土时，将生产所需要的水、水泥、添加剂输送到搅拌机中，搅拌机开始搅拌，使生产混凝土的原材料均匀混合在一起，在搅拌机的另外一边，黄沙和石子由运输设备运送到对应的料斗内，由料斗下部的称重传感器监视物料的重量，称重沙石重量时，控制系统用分别控制两个输送机构输送物料，并利用变频器控制传送物料速度的快慢，从而减低计量时间和提高称重的准确度。待其达到规定好的重量后，对应料斗的阀门开启，石子和黄沙将会一起卸到传送带上，通过传送带將种原材料输送到搅拌机里，从一开始，搅拌机就处于正常运转的状态。搅拌到达规定的时间后，将混凝土卸到事先准备好的运输设备中，适当增加卸料的时间，确保尽可能的卸完搅拌好的混凝土，卸料完成后，一次循环结束，准备开始下一次生产。

5     结语

本文基于组态王设计了一个混凝土搅拌站控制系统，并且利用组态王建立了仿真工程，将混凝土的生产过程以图形化的界面进行展现和实时控制。系统通过组态王的人机接口，代替了过去复杂的仪表以及操作按钮，提升了产品质量和生产效率。系统通过主监控画面可以清楚了解各部件的运行状态，准确观察现场生产工作流程。另外，曲线画面以数形结合的方式进行展现，可直观的监控各种物料的变化趋势。当控制系统出现故障时，可以通过报警界面查看故障原因，并及时进行维修处理。同时该系统可根据用户需求，弹性修改配方，进行配方参数设置，有效地解决了人工操作效率低，配料精度低等问题，同时还提高了生产过程的可靠性和高效性。通过该控制系统，操作人员还可以利用组态王提供的数据信息做到边生产、边调整，提高了生产效率，经实践证明，该控制系统稳定可靠，故障率低，人机界面友好，具有较高的实用价值。

[参考文献]

[1]  乔艳红.基于BIM的高层建筑混凝土用量精细控制研究[J].廊坊师范学院学报（自然科学版），2015，15（6）：71-74.

[2]  刘一耀，谭竹林.大型混凝土搅拌站控制系统的发展与展望[J].建筑机械化，2018（7）：15-18.

[3] 谷成银.基于PLC技术的混凝土搅拌站控制系统设计[J].中国设备工程，2020（2）：227-228.

[4] 李德英，陈刚.基于PLC与触摸屏的混凝土搅拌站控制系统设计[J].自动化与仪表，2018，33（11）：39-42.

[5] 吴珊，肖琪聃，徐俊珂. 透水混凝土的制备研究[J]. 廊坊师范学院学报（自然科学版），2018，18（1）：83-84.

[6] 姜重然，霍艳忠，白金泉.工控软件组态王简明教程[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.

[7] 陈海建.基于软PLC的混凝土搅拌站控制系统设计方案[J].建筑机械化，2018（12）： 28-30.