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摘要：本文主要介绍中交西安筑路机械有限公司的重点产品J5000型沥青搅拌站的控制系统的设计。重点对该设备控制系统总体方案、中央控制系统PLC硬件组成、计算机监控系统实现、无级调整二次称量及成品料仓小车变频系统做了初步介绍。该设备作为中交股份特大科技研发项目大型沥青混合料搅拌设备关键技术研究子课题已经于2011年通过中交股份的验收。
关键词：控制系统、硬件组成、监控系统、二次称量、成品料仓
中图分类号：TL503.6 文献标识码： A 文章编号：
0 引言
J5000型集装箱式沥青混合料搅拌设备是我公司为适应我国国民经济及公路建设的迅速发展，尤其是适应“十一五”期间国家大力投资基础建设的市场而开发出来的大型沥青混合料搅拌设备。其最大额定产量可达400T/h。
J5000沥青搅拌设备是我公司在成功引进德国BENNINGHOVEN公司和英国PAKER公司先进技术的基础上研制的。控制系统采用采用组态软件与PLC相结合，可靠性高，稳定性强。网络采用CANopen总线系统及Asi总线系统，技术领先。对骨料的称量采用我公司的专利技术“二次称量”，称量精度高。故障报警采用真人语音报警，实现对故障的精确定位，使得故障的排除更快捷。整个控制系统智能化程度高、操作简单方便，可靠性高。适合于中国目前现阶段大标段、工程工期紧、工期短等高等级公路的施工与大修项目。
1 控制系统总体方案
沥青搅拌设备控制系统是一个对沥青混凝土生产全过程进行监视、控制和管理的系统。该系统主要由计算机监控系统和中央控制系统等部分组成。
中交西筑J5000搅拌设备控制系统在开发初期定位就是要做行业风向标，所以整个系统的设计和元器件选型时，就特别注重系统的先进性。计算机监控系统分别由一台采用SCSI磁盘阵列的工业计算机以及一台施耐德15吋TFT真彩触摸屏组成。形成一个双系统，提高了整个控制系统的可靠性。中央控制系统是整个控制系统的核心，它选用法国施耐德PREMIUM系列高端自动化产品，支持CANopen总线、ASI网络，系统可靠性高、可扩展性好。电机拖动部分大功率电机我们不再选用星三角启动方式，而是改为软启动器或者变频器启动。设备的节能效果充分体现。
2 中央控制系统PLC硬件组成
中央控制系统是沥青搅拌设备控制系统的核心。其主要由PLC组成，下图为J5000型PLC硬件网络拓扑图：
该系统由四个机架组成，每一个机架背板均有地址分配器用来分配机架地址，各机架之间通过 BUS X 扩展电缆互相连接在一起。所有模块均安装在机架上，机架上的第一个模块为电源模块，用来给机架上处理器或模块供电。在该系统中，地址号为0的机架为主机架，我们的CPU就在该机架上。该系统硬件选用法国施奈德PREMIUM系列高端CPU，负责管理整个 PLC 工作站，包括离散量I/O 模块、模拟量 I/O 模块等。这些模块分布在连接在BUS X或现场总线上的一个或多个背板机架上。Premium 处理器还包括：一个工业以太网端口，用来实现与监控系统实时、高速通讯；一个Fipio总线管理器，通过 2 个终端端口(TER 和 AUX)进行通信；一个PCMCIA 卡插槽，用于连接CANopen总线通讯卡,冷配变频器、料仓变频器均通过CANopen总线连接。机架上离散量I/O 模块主要实现电机及电磁阀等的启动、故障状态指示等；模拟量 I/O 模块主要用来采集系统中的一些电机电流、温度、气压、称头值等。
软件开发平台选用施奈德新一代软件开发平台UNITY PRO，它集硬件组态、编程、调试、监控、运行为一体。对变量定义支持中文、并支持中文搜索变量；支持自定义的无符号变量；支持在线修改、强制变量；集成软件仿真功能，便于程序调试；支持程序的读写保护，用以防止意外程序修改等等，其强大的功能大大提高了编程效率和开发周期，并为以后系统维护提供了诸多便利。
3 计算机监控系统实现
沥青搅拌设备计算机监控系统能实现设备开关机、运行状态监控，称量启动停止、数据报表生成及打印、故障语音报警等等一系列功能。是整个设备的发令台。J5000型计算机监控系统以组态软件为开发平台。通过上位计算机与PLC的数据通讯和交换来完成所有监控功能。该系统的可扩展性好，可以根据用户需求在监控系统里增加一些非标的设计，例如添加剂系统等。要完成该部分的工作，大概需要以下几步：
监控系统基本功能设置
组态软件功能强大，前期我们需要清楚所开发项目都要完成什么功能、例如：画面显示功能、报警功能、配方应用等等，在我的系统设置里的定制系統选项里选择功能项目。只有在定制项里选择了这些项目，在下一步开发时，所选项目功能才可启用。然后还需要在启动任务里完成项目启动选项以及系统启动任务。同时选择好项目所需的数据库类型。最后我们可设置项目的信息及运行期限、授权功能等。
与PLC通讯设置以及数据交换设置
上位计算机与PLC的通讯根据连接方式有串口、以太网、GPRS、总线；在进行通讯设置之前我们必须知晓上位机需要和PLC以什么方式连接,该种连接方式所支持的通讯协议是什么，对于该项目上位计算机与PLC通讯我们通过以太网完成，通讯协议为Modbus TCPIP 以太网通讯协议。所以我们在设备通讯项里的安装驱动项找到该协议，完成安装。同时在启动驱动项启动该协议。完成驱动的设置以后，我们必须在设备数据表里选择通讯协议，设置好远程PLC的地址、参数以及通讯数据类型、访问方式、数据格式、数据长度等等，同时还有上位计算机的地址等等。完成以上设置才能保证上位计算机与PLC通讯时能正确接收数据。
监控系统通过通讯驱动,把PLC里的成批的数据映象到设备数据表中,但成批数据无法直接使用,所以系统通过运行数据库提供各种变量,以各种方式来访问设备数据表；运行数据库是整个控制系统的中心枢纽,运行数据库不仅提供从PLC里取过来的各种离散量、模拟量,还提供一些内部变量用来提供给监控系统进行内部编程或者完成一些特定的功能。
画面制作与显示；
上图为监控系统总界面。在该部分主要掌握以下几个原则：
A、将沥青搅拌设备整个工艺流程过程绘制出来；
B、生动形象的的展示设备各部分的工作状态；
C、让操作人员，善心悦目的同时还要操作简单，易学易用。
通过画面制作，完成设备工艺流程的显示。在主界面上我们根据沥青拌合站的工艺流程逐个绘制，冷配料系统、燃烧器系统、除尘系统、主楼系统、搅拌系统等，还有电机启动、称量启动等，通过画面显示方式的设置，完成整个监控界面的表现方式。该部分工作量较大，要完成动态显示等功能必须通过画面内部编程，脚本运行等来实现。
数据库链接功能的实现
数据库链接是指监控系统与系统提供了强大数据库连接功能,也被称为数据库归档；在系统运行数据库与用户自定义ODBC 数据库之间建立联系,把实时数据经各种处理,通过时间或事件触发,把数据存入数据库,为企业服务器提供数据,或作为历史数据,进行数据分析和报表输出。
4 无级调整二次称量介绍
搅拌设备称量技术始终是一项关键性技术。目前沥青搅拌设备骨料和再生料称量多数采用放料门二次称量方式，即先大门粗称，后小门精称，但精称时小门开度均为固定大小，不可调控。当生产级配及骨料粒径变化时，固定式小门开度不能与骨料粒径形成最佳匹配，骨料粒径过大时会出现卡料现象，粒径过小时会造成飞料值过大和不稳定现象，使得称量精度难以保证。
5成品料仓小车变频系统
在当前沥青搅拌设备大型化的发展趋势下，成品料仓已成为必不可少的基本组成部分。成品料仓卷扬机系统的稳定、可靠运行是整个搅拌设备高效生产的保证。从系统设计上讲经过了从最初电磁调速、凸轮定位系统到液压卷扬机控制系统，随着变频技术的日渐成熟，并因其独有的优势。到目前沥青搅拌站成品料仓系统广泛采用变频调速定位系统。
J5000型沥青搅拌设备料仓小车系统采用总线控制的SEW变频器，变频器自带旋转编码器，用来精确定位。首先通过SEW软件对变频器做初始化，然后即可通过Table-Positioning软件进行定位，定位完成后变频器即可根据事先选择的目标位自动上下。
该系统具有以下优点：
具有多种保护措施，安全等级高，运行可靠。
能够检测电网、负载电压。当电压异常时有报警显示，系统能自动停止运行。
能够确定电机转矩提升、制动电压、原始电阻等参数，有效地拖动电机及对电机实行保护。
具有温度、电流等参数的检测功能；电机长时间低速运行时文升很快，系统可以提前对危险值发出预警并自动停止运行，当电机过流、相间短路、缺相或对地时系统自动停止运行。
当小车超载时变频器报警提示，并自动停止运行。
采用编码器定位，方便、快捷；可在监控系统界面上修改定位位置的码值，方便设置速度，电流随时监控。
定位精确；误差在2-3cm以内。
系统运行稳定、可靠，过载能力强，可达150%。
6结束语
J5000型搅拌设备控制系统具有国际先进水平，采用国际知名品牌的电气元件及可编程控制器、计算机等。大型电机均选用软启动器或变频器。整个控制系统智能化程度高、操作简单方便，可靠性高。适合于中国目前现阶段大标段、工程工期紧、工期短等高等级公路的施工与大修项目。该设备作为中交股份特大科技研发项目大型沥青混合料搅拌设备关键技术研究子课题已经于2011年通过中交股份的验收。
参考文献：
1．杨聚庆.基于组态软件的沥青搅拌站控制系统设计.武汉船舶职业技术院，2009年第02期
2. 李环宇，李梅，李有安.PLC在沥青拌和站控制系统中的应用.山东农业大学学报（自然科学版）.2004年
关键词：控制系统、硬件组成、监控系统、二次称量、成品料仓
中图分类号：TL503.6 文献标识码： A 文章编号：
0 引言
J5000型集装箱式沥青混合料搅拌设备是我公司为适应我国国民经济及公路建设的迅速发展，尤其是适应“十一五”期间国家大力投资基础建设的市场而开发出来的大型沥青混合料搅拌设备。其最大额定产量可达400T/h。
J5000沥青搅拌设备是我公司在成功引进德国BENNINGHOVEN公司和英国PAKER公司先进技术的基础上研制的。控制系统采用采用组态软件与PLC相结合，可靠性高，稳定性强。网络采用CANopen总线系统及Asi总线系统，技术领先。对骨料的称量采用我公司的专利技术“二次称量”，称量精度高。故障报警采用真人语音报警，实现对故障的精确定位，使得故障的排除更快捷。整个控制系统智能化程度高、操作简单方便，可靠性高。适合于中国目前现阶段大标段、工程工期紧、工期短等高等级公路的施工与大修项目。
1 控制系统总体方案
沥青搅拌设备控制系统是一个对沥青混凝土生产全过程进行监视、控制和管理的系统。该系统主要由计算机监控系统和中央控制系统等部分组成。
中交西筑J5000搅拌设备控制系统在开发初期定位就是要做行业风向标，所以整个系统的设计和元器件选型时，就特别注重系统的先进性。计算机监控系统分别由一台采用SCSI磁盘阵列的工业计算机以及一台施耐德15吋TFT真彩触摸屏组成。形成一个双系统，提高了整个控制系统的可靠性。中央控制系统是整个控制系统的核心，它选用法国施耐德PREMIUM系列高端自动化产品，支持CANopen总线、ASI网络，系统可靠性高、可扩展性好。电机拖动部分大功率电机我们不再选用星三角启动方式，而是改为软启动器或者变频器启动。设备的节能效果充分体现。
2 中央控制系统PLC硬件组成
中央控制系统是沥青搅拌设备控制系统的核心。其主要由PLC组成，下图为J5000型PLC硬件网络拓扑图：
该系统由四个机架组成，每一个机架背板均有地址分配器用来分配机架地址，各机架之间通过 BUS X 扩展电缆互相连接在一起。所有模块均安装在机架上，机架上的第一个模块为电源模块，用来给机架上处理器或模块供电。在该系统中，地址号为0的机架为主机架，我们的CPU就在该机架上。该系统硬件选用法国施奈德PREMIUM系列高端CPU，负责管理整个 PLC 工作站，包括离散量I/O 模块、模拟量 I/O 模块等。这些模块分布在连接在BUS X或现场总线上的一个或多个背板机架上。Premium 处理器还包括：一个工业以太网端口，用来实现与监控系统实时、高速通讯；一个Fipio总线管理器，通过 2 个终端端口(TER 和 AUX)进行通信；一个PCMCIA 卡插槽，用于连接CANopen总线通讯卡,冷配变频器、料仓变频器均通过CANopen总线连接。机架上离散量I/O 模块主要实现电机及电磁阀等的启动、故障状态指示等；模拟量 I/O 模块主要用来采集系统中的一些电机电流、温度、气压、称头值等。
软件开发平台选用施奈德新一代软件开发平台UNITY PRO，它集硬件组态、编程、调试、监控、运行为一体。对变量定义支持中文、并支持中文搜索变量；支持自定义的无符号变量；支持在线修改、强制变量；集成软件仿真功能，便于程序调试；支持程序的读写保护，用以防止意外程序修改等等，其强大的功能大大提高了编程效率和开发周期，并为以后系统维护提供了诸多便利。
3 计算机监控系统实现
沥青搅拌设备计算机监控系统能实现设备开关机、运行状态监控，称量启动停止、数据报表生成及打印、故障语音报警等等一系列功能。是整个设备的发令台。J5000型计算机监控系统以组态软件为开发平台。通过上位计算机与PLC的数据通讯和交换来完成所有监控功能。该系统的可扩展性好，可以根据用户需求在监控系统里增加一些非标的设计，例如添加剂系统等。要完成该部分的工作，大概需要以下几步：
监控系统基本功能设置
组态软件功能强大，前期我们需要清楚所开发项目都要完成什么功能、例如：画面显示功能、报警功能、配方应用等等，在我的系统设置里的定制系統选项里选择功能项目。只有在定制项里选择了这些项目，在下一步开发时，所选项目功能才可启用。然后还需要在启动任务里完成项目启动选项以及系统启动任务。同时选择好项目所需的数据库类型。最后我们可设置项目的信息及运行期限、授权功能等。
与PLC通讯设置以及数据交换设置
上位计算机与PLC的通讯根据连接方式有串口、以太网、GPRS、总线；在进行通讯设置之前我们必须知晓上位机需要和PLC以什么方式连接,该种连接方式所支持的通讯协议是什么，对于该项目上位计算机与PLC通讯我们通过以太网完成，通讯协议为Modbus TCPIP 以太网通讯协议。所以我们在设备通讯项里的安装驱动项找到该协议，完成安装。同时在启动驱动项启动该协议。完成驱动的设置以后，我们必须在设备数据表里选择通讯协议，设置好远程PLC的地址、参数以及通讯数据类型、访问方式、数据格式、数据长度等等，同时还有上位计算机的地址等等。完成以上设置才能保证上位计算机与PLC通讯时能正确接收数据。
监控系统通过通讯驱动,把PLC里的成批的数据映象到设备数据表中,但成批数据无法直接使用,所以系统通过运行数据库提供各种变量,以各种方式来访问设备数据表；运行数据库是整个控制系统的中心枢纽,运行数据库不仅提供从PLC里取过来的各种离散量、模拟量,还提供一些内部变量用来提供给监控系统进行内部编程或者完成一些特定的功能。
画面制作与显示；
上图为监控系统总界面。在该部分主要掌握以下几个原则：
A、将沥青搅拌设备整个工艺流程过程绘制出来；
B、生动形象的的展示设备各部分的工作状态；
C、让操作人员，善心悦目的同时还要操作简单，易学易用。
通过画面制作，完成设备工艺流程的显示。在主界面上我们根据沥青拌合站的工艺流程逐个绘制，冷配料系统、燃烧器系统、除尘系统、主楼系统、搅拌系统等，还有电机启动、称量启动等，通过画面显示方式的设置，完成整个监控界面的表现方式。该部分工作量较大，要完成动态显示等功能必须通过画面内部编程，脚本运行等来实现。
数据库链接功能的实现
数据库链接是指监控系统与系统提供了强大数据库连接功能,也被称为数据库归档；在系统运行数据库与用户自定义ODBC 数据库之间建立联系,把实时数据经各种处理,通过时间或事件触发,把数据存入数据库,为企业服务器提供数据,或作为历史数据,进行数据分析和报表输出。
4 无级调整二次称量介绍
搅拌设备称量技术始终是一项关键性技术。目前沥青搅拌设备骨料和再生料称量多数采用放料门二次称量方式，即先大门粗称，后小门精称，但精称时小门开度均为固定大小，不可调控。当生产级配及骨料粒径变化时，固定式小门开度不能与骨料粒径形成最佳匹配，骨料粒径过大时会出现卡料现象，粒径过小时会造成飞料值过大和不稳定现象，使得称量精度难以保证。
5成品料仓小车变频系统
在当前沥青搅拌设备大型化的发展趋势下，成品料仓已成为必不可少的基本组成部分。成品料仓卷扬机系统的稳定、可靠运行是整个搅拌设备高效生产的保证。从系统设计上讲经过了从最初电磁调速、凸轮定位系统到液压卷扬机控制系统，随着变频技术的日渐成熟，并因其独有的优势。到目前沥青搅拌站成品料仓系统广泛采用变频调速定位系统。
J5000型沥青搅拌设备料仓小车系统采用总线控制的SEW变频器，变频器自带旋转编码器，用来精确定位。首先通过SEW软件对变频器做初始化，然后即可通过Table-Positioning软件进行定位，定位完成后变频器即可根据事先选择的目标位自动上下。
该系统具有以下优点：
具有多种保护措施，安全等级高，运行可靠。
能够检测电网、负载电压。当电压异常时有报警显示，系统能自动停止运行。
能够确定电机转矩提升、制动电压、原始电阻等参数，有效地拖动电机及对电机实行保护。
具有温度、电流等参数的检测功能；电机长时间低速运行时文升很快，系统可以提前对危险值发出预警并自动停止运行，当电机过流、相间短路、缺相或对地时系统自动停止运行。
当小车超载时变频器报警提示，并自动停止运行。
采用编码器定位，方便、快捷；可在监控系统界面上修改定位位置的码值，方便设置速度，电流随时监控。
定位精确；误差在2-3cm以内。
系统运行稳定、可靠，过载能力强，可达150%。
6结束语
J5000型搅拌设备控制系统具有国际先进水平，采用国际知名品牌的电气元件及可编程控制器、计算机等。大型电机均选用软启动器或变频器。整个控制系统智能化程度高、操作简单方便，可靠性高。适合于中国目前现阶段大标段、工程工期紧、工期短等高等级公路的施工与大修项目。该设备作为中交股份特大科技研发项目大型沥青混合料搅拌设备关键技术研究子课题已经于2011年通过中交股份的验收。
参考文献：
1．杨聚庆.基于组态软件的沥青搅拌站控制系统设计.武汉船舶职业技术院，2009年第02期
2. 李环宇，李梅，李有安.PLC在沥青拌和站控制系统中的应用.山东农业大学学报（自然科学版）.2004年