混凝土搅拌站自动控制系统的设计与实现

    摘要：介绍了一种混凝土搅拌站自动控制系统，此系统以工控机为上位机，以单片机系统为下位机，提供了一种实用的混凝土搅拌站自动控制系统方案。

    关键词：搅拌站 称重配料系统 单片机 数据采集

随着城市现场化建设的不断发展，以往那种由工地自行生产混凝土的方式由于其质量难以保证、噪声及粉尘污染大，因而必将为自动控制的混凝土搅拌站所取代。自动控制的混凝土搅拌站具有产品质量优良稳定、生产成本低、环保性能良好等特点，正在成为混凝土生产的主流。

我们设计的混凝土搅拌站计算机控制系统是一套用于生产混凝土的自动化电子配料、控制装置，它由工控机、操作台及配电柜三部分组成，能够按照给定的配方，自动、连续地控制各部分组成，连续地控制各部分物料称量、投料、搅拌和出料。同时，本系统的软件还具有财务管理、生产统计、误差分析及原材料消耗统计等一系列管理功能。另外，在研制混凝土搅拌站自动控制系统的过程中，还着重考虑了如何提高系统的可靠性和精度的问题。

1 系统硬件结构

系统结构如图1所示。

1.1 工控机

为了保证整个控制系统的可靠性，选用研华工控机作为上位机，内装MOXA四端口串行扩展卡、64入/64出的光隔离开关量输入/输出卡和并行扩展卡。因为工控机和置于操作台中的四台称重配料仪距离很近，采用RS232C通讯协议。光隔离开关量输入/输出卡用于生产流程控制和生产过程输入。工控机另接两台EPSON300K 24针打印机，用于打印报表和票据。

1.2 称重配料仪

称重配料仪包括骨料磅表、水泥磅表、水磅表、药水磅表，由直流电源、A/D转换器、微处理器、键盘、显示器、串行接口、存储器和光电隔离控制接口几个部分组成（其中的药水磅无A/D转换，由微处理器直接计输入脉冲）。称重配料仪系统结构如图2所示。

1.3 控制执行单元和过程输入单元

置于操作台和配电柜内，工控机和称重配料仪的控制输出信号经晶体管放大后驱动24伏中间继电器，由中间继电器再驱动各种交流接触器来驱动几百瓦到60千瓦的各种负载。另外，各种生产过程信号及警信号经过电平转换后由工控机内的I/O板获取，再由软件进行分析处理。

1.4 操作台及配电柜

由空气开关、接触器、热继电器等组成的强电控制柜能实现各种设备电机运转的驱动和短路保护、电机过载保护。操作台上，有自动/手动转换开关、各种功能按钮和开关以及各种急停按钮。整个操作台上的各种按钮和开关组成了一个工艺流程模拟屏，自动操作时各种设备和生产流程由工控机软件控制，操作台上的工艺流程模拟屏具有显示设备的运行状态的功能。手动操作时操作台可用来调试设备或手动生产。

2 系统软件设计

2.1 上位机

上位机软件在Windows环境下，采用Delphi语言编写，实现全汉化用户界面，采用事件驱动技术。程序由生产模块、参数设定、配方管理、物料管理、客户管理、田螺车管理和工程项目管理及各种统计报表等模块组成，具有界面友好、操作简便、功能强大等特点。

·生产模块：操作者只需选择客户、工程、配方和国螺车号，输入此车生产量，程序即可自动安排生产槽数，根据砂含水量自动调整水和砂量，并计算出每槽需称的各种物料量。自动完成整 车混凝土的生产并打印和存储每槽生产数据和打印此车发票。整个生产流程和数据以及报警信息都用动态方式显示给操作者。

·配方管理：可预设和管理多达一百个配方，并设密码防止误修改和删除。

·物料管理：管理物料进料和进行物料用量统计，有效防止物料供应商少料。

·客户管理：可进行用户管理，记录客户信息、统计客户混凝土用量等，供搅拌站管理人员使用。

·工程项目管理：可按工程项目进行管理，统计客户的某一工程混凝土用量等，供搅拌站管理人员使用。

·田螺车管理：可统计每辆田螺车的出车次数、行驶里程、车辆状况等，用于考核司机。

·各种统计报表：可打印多达二十种统计报表，可按时间、票据号码等不同方式检索，供搅拌站管理人员使用。

2.2 下位机（称重配料仪）

系统软件主要由主程序、中断服务程序和其它子程序组成。软件采用模块化设计，包括通讯模块、显示模块、A/D转换模块、数据处理模块和控制模块等。各模块源程序用符合ANSI标准的C语言编写，然后由Franklin C51编译器生成一个可重新定位的目标文件，再将目标文件固化进89C51的ROM中即可。

称重配料仪不但具有一般电子称的所有功能，如显示重量值等，还可以设定一些参数。它的主要功能是通过串行口接收工控机发送的各种物料的称量值，等接收到工控机的开始称料命令后，称重配料仪根据程序进行称重配料，并且同时将程序进程和物料净重发送给工控机，实现称重配料功能。

3 其它技术措施

3.1 增强可靠性的措施

为了提高系统的可靠性，在设计中采用了如下措施：

·工控机和称重配料仪等弱电部分采用单独供电。

·弱电部分供电通过在线式1KW UPS，既净化了弱电供电电源，又可保证工控机不会因为突然掉电而丢失数据。

·要求整个系统接地电阻小于1Ω。

·工控机和称重配料仪中控制输出及报警输入全部采用光电隔离技术，有效防止外部干扰信号进入。

·交流接触器全部安装阻容吸收。

·中间继电器线包全部安装二极管吸收回路。

·各种弱电传输电缆全部采用屏蔽线，并且屏蔽层单端接地。

·称重配料仪硬件设计上有WatchDog，并在软件设计中采用容错技术。

·在称重配料仪的印刷线路板设计中，采用了布较粗的地线，模拟地与数字地一点接地，并合理布置芯片位置。

实践证明以上措施是行之有效的，对保证系统正常可靠地运行起很大的作用。

3.2 提高精度和生产速度的技术措施

主要是通过提高称重配料仪的称量精度和速度来实现。这是在保证生产速度的条件下节红水泥和确保混凝土质量的关键技术问题。

3.2.1 A/D转换器的选择

为了保证系统的数据采集精度，本系统中的称重配料仪采用了AD公司的AD7712转换芯片。AD7712是24位的A/D转换器，它采用了∑-Δ转换技术，具有高精度、低噪声、抗干扰能力强的特点。

3.2.2 自动配料控制方法的选择

影响配料误差的主要原因为：料斗门或螺旋给料器的动作滞后时间和空中余料（冲量）的随机变化。为此，对不同类型的物料，分别采用不同的办法。

·对水泥、粉煤灰采用变速给料来减少冲量影响。称量时，先高速给料，达到设定值的90%左右后自动变为低速配料，实现精称。

·对骨料（大石、小厂、砂）采用大小闸口和逐次逼近的精称方法。精称时大小闸口全开，快速达到关闸值（设定值-经验空中余量最大值）后关闭闸口，稳定后根据与目标值的差距量自动计算出脉冲补料时间，然后用小闸口补料，一般经过1～2次补料就能完成精称配料。

·对水采用粗、细管加水方案，实现流量精称。

通过以上技术措施，不但提高了称量精度，而且保证了生产速度。

本文介绍了混凝土搅拌站自动控制系统通过了技术鉴定，已应用于香港、深圳、顺德等多个混凝土搅拌站，并合部通过ISO9002认证，已累计正常生产几十万立方商品混凝土，符合有关要求。