摘要: 混凝土搅拌站的控制系统直接关系到混凝土的生产质量和工作效率。为了提高混凝土搅拌站控制系统的可靠性、实时性和抗干扰性, 通过对混凝土搅拌站生产流程的分析, 设计了采用CAN 现场总线的混凝土搅拌站控制系统。CAN 总线技术的控制系统具有通信可靠、抗干扰性好和传输距离远的特点, 提高了系统的可靠性和灵活性。CAN 总线的混凝土搅拌控制系统采用两级分布式结构, 由工控机和各智能节点组成。工控机上运行的监控软件采用力控组态软件开发, 可完全实现系统的管理、监控等功能, 并且能够进行故障的检验和诊断。为了保证系统运行的稳定, 设计中还采用了软件抗干扰措施。该系统现场运行稳定可靠, 接线简单、易于维护。
关键词: 混凝土搅拌站CAN 总线控制系统组态软件
混凝土搅拌站是生产混凝土混合料的大型设备, 其控制系统直接关系到混凝土的生产质量和搅拌站的工作效率。目前常见的混凝土搅拌站控制系统为工控机( IPC) 结合PLC 可编程控制器组成的分布式控制系统。工控机作为上位机完成监控管理功能, 下位机为PLC 控制开关量信号。各单元之间用RS232/RS485 串行通讯接口通讯。但RS485 只能构成主从式结构, 传输速率低, 系统的实时性、可靠性较差, 且PLC 编程不便。本文介绍了利用CAN 现场总线组建混凝土搅拌站控制系统的方案。
1 控制系统原理
1.1 系统总体结构
现场总线技术是将单个分散的现场智能化测控设备作为网络节点, 用总线连接, 实现信息的交换。它为分布式控制系统各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。
采用CAN 现场总线技术的混凝土搅拌站控制系统为两级分布式监控系统, 取消了PLC, 由工控机和各智能节点组成。配料控制器、智能开关量I/O 模块作为现场总线系统的智能节点, 系统总体结构图如图1 所示。工控机作为上位机, 用于对整个生产过程进行监控管理, 接收现场采集数据、发出控制信号和报警提示, 完成配方管理以及生产数据的显示、存储、打印。各个智能节点负责现场输入、输出测控点的数据采集、控制及通信功能, 从而可以保证系统在某一个现场I/O 单元或某一现场测控点出现故障时不出现失控。智能节点采用智能化的测控模块, 现场发生故障时维修人员可以方便、快速地更换零件, 而不影响正常的生产。
所用的3 种粗骨料共用一台配料控制器, 两种水泥共用一台配料控制器。整个系统有模拟量输入点10 个, 开关量输入点32 个, 开关量输出点36 个。
1.2 生产流程
混凝土搅拌站由贮料系统、配料系统、输送系统、搅拌系统、卸料系统和控制系统组成。生产流程为:
( 1) 用户从监控软件界面中输入本次搅拌作业的混凝土配合比以及其他工作参数, 工控机给各配料控制器发送物料的配料值和配料指令。
( 2) 物料采用独立称量、重量计量方式。由各自配料控制器发送信号打开骨料、砂料仓门, 启动砂仓振动器, 将骨料、砂料投入计量斗称量; 开启水泥仓、粉煤灰仓和粉料外加剂仓的螺旋上料机,打开水、水剂外加剂配给阀, 进行水泥、粉煤灰、粉料外加剂和水、水剂外加剂的称量。
( 3) 称量过程分粗称和精称两个阶段, 由配料控制器控制, 达到配料值的90%时慢速加料称量。称量完毕, 各配料控制器发送信号关闭砂仓振动器、骨料砂料仓门, 关闭或停止水泥仓、粉煤灰仓、粉料外加剂仓螺旋上料机以及水和水剂外加剂配给阀。对骨料和石料, 由工控机发信号开启各计量斗门, 将骨料砂料投入皮带输送机, 启动平、斜皮带电机, 将骨料砂料运送至集料斗。
( 4) 配料完毕, 配料控制器发送信号给工控机,工控机发指令给开关量输出模块, 发送信号到中间继电器驱动气缸依次打开计量斗、集料斗门, 将物料送入搅拌机中。
( 5) 搅拌机根据事先设定的搅拌时间进行搅拌, 完成后工控机发指令给开关量输出模块, 打开卸料门卸料。
( 6) 为了提高生产效率, 搅拌的同时进行下一生产循环的称量。
2 控制系统组成
2.1 CAN 总线技术
CAN 是应用最广泛的现场总线之一。CAN 是一种多主方式的串行通讯总线, 网络上任意一个节点均可以在任意时刻向网络上其它节点发送信息, 通讯方式灵活。可提供高达1 Mbit/s 的数据传输速率。
网络中的各节点都可根据总线访问优先权采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据, 各节点之间的数据通信实时性强, 提高了系统的可靠性和灵活性。发送的数据遭破坏后可以自动重发。数据采用短帧结构, 传输时间短、受干扰的概率低、重新发送的时间短。总线节点若出现严重错误, 可自动切断它与总线的联系, 使总线上其它操作不受影响。
本系统采用总线式拓扑结构, 如图2 所示。节点间通过屏蔽双绞线连接成总线网络, 总线两端需要两个120 Ω 的终端电阻, 以匹配总线阻抗, 提高数据通信的抗干扰性及可靠性。
2.2 智能配料控制器
选用带有CAN 总线接口的智能配料控制器, 由信号调理电路、24 位A/D 转换器、微处理器、存储器、CAN 控制器、CAN 收发器、开关量输出接口等组成, 如图3 所示。
配料控制器通过CAN 总线接受来自工控机的配料指令后, 输出控制信号开启物料仓门或振动器、上料机、配给阀; 将来自称重传感器的模拟信号进行信号调理后经A/D 转换器转换为数字量, 再由微处理器计算出具体称重值; 通过CAN 总线传送称重值到工控机以动态显示配料过程; 比较当前称重值与配料值, 达到配料值后, 输出控制信号关闭物料仓门或振动器、上料机、配给阀。
配料控制器能自动完成秤的清零去皮操作, 具有落差自动补偿、过冲量自动测定和修正、故障报警等多种功能, 可手动设置各项功能。
2.3 CAN 总线智能开关量I/O
模块选用研华ADAM5000 系列, 包括ADAM- 5000/CAN 基座、两个ADAM- 5051 开关量输入模块和两个ADAM- 5068 继电器输出模块。模块由CAN 控制器、CAN 收发器、微处理器、存储器、开关量输入或输出接口和信号调理电路组成, 且带软硬件自检和看门狗。
搅拌站的生产流程有严格的时序性要求, 为了保证动作执行的正确性, 需要监控相关限位开关和执行机构的状态。开关量输入模块将现场物料计量、物料仓门、计量斗门、集料斗门、卸料门限位开关状态和搅拌机运行情况经信号调理电路转换为数字信息, 通过CAN 总线传送到工控机, 便于监控。控制参数由开关量输出模块输出到中间继电器, 驱动执行机构控制物料仓门、各计量斗门、集料斗门、卸料斗门开启和延时关闭, 并控制搅拌机运行。
2.4 工控机
采用研华工控机, 基本配置为IPC610 机箱、PIV2.8GCPU、512M内存、40G 硬盘、14 槽底板。搭配CAN 通信卡, 通过CAN 总线和各节点通信。
2.5 CAN 总线通信卡
选用研华PCI- 1680U 双通道CAN 卡。PCI- 1680U 有通用的PCI 接口, 是用于CAN 总线与PC 之间连接的通信卡。通过内置的CAN 控制器, 以自动重发功能实现总线仲裁和差错检测功能, 极大地降低了数据丢失几率, 保证了系统可靠性。
3 控制系统软件
3.1 监控软件
工控机上运行的监控软件采用力控组态软件开发。监控软件启动后,自动完成对CAN 通信卡和各节点的初始化工作。初始化完成后,进入监控系统,在主菜单中进入监控画面并对作业参数进行设置。系统运行时, 配料控制器将物料当前称重值传送到工控机显示, 开关量输入模块向工控机发送各种状态信息, 工控机向各节点发送相应控制命令。通过显示器输出实时信息, 包括生产流程动态画面显示, 分组控制显示、趋势显示、操作指示显示和报警信息显示等。系统具有管理功能, 包括配方管理、生产过程管理, 并完成生产过程数据的存储、查询、打印。能进行检测和故障诊断, 对异常信号发出报警。系统运行界面如图4 所示。
3.2 智能节点软件设计
CAN 总线节点的软件设计主要包括CAN 总线通信模块、模拟量采样处理模块、开关量处理模块、状态控制模块的设计。其中CAN 总线通信模块包括3 大部分: CAN 节点初始化、报文发送和报文接收。
力控组态软件没有该配料控制器的驱动程序,只能通过力控I/O 驱动程序接口开发工具FIOS SDK 和Visual C++ 6.0 自己开发。依次建立设备描述文件IODESC.TXT、设备组态接口IODEVCFG.DLL和点组态接口IOITEMUI.DLL, 最后创建I/O 通讯接口IOAPI.DLL。根据配料控制器提供的与上位机通信的指令和通信协议, 编写IOAPI.DLL 库中的设备初始化以及报文数据读、写等导出函数, 以供组态软件调用。
组态软件已提供研华ADAM5000 系列的驱动程序, 只需要对开关量输入输出处理过程编程。力控组态软件的控制策略生成器提供了各种控制功能模块, 根据生产流程, 选择合适的功能块组态, 经编译、调试后下装到ADAM5000/CAN 主单元。
3.3 软件抗干扰措施
为保证系统稳定运行, 系统采取了如下几项重要的措施:( 1) 采用非破坏性的总线仲裁, 避免了各通信设备争用总线而导致通信失败和数据丢失。( 2)采用CRC 校验方式, 使通信系统具有强有力的错误侦测和纠正功能。( 3) 采用“Watchdog( 看门狗) ”技术, 保证系统运行中出现如死机等异常情况后, 能自动复位。( 4) 软件中使用了数字滤波技术。
4 结论
由于CAN 现场总线以多主方式工作, 在数据通信方面具有较强的纠错能力和较远的传输距离, 采用现场总线技术的混凝土搅拌站控制系统具有较高的可靠性、实时性。系统由工控机和智能节点组成,接线简单, 为安装调试和设备维护带来了方便。监控软件采用组态软件开发完成, 功能强大、界面友好、操作方便和运行稳定。目前该系统已经在市政搅拌站运行使用, 已累计生产商品混凝土12 万m3, 运行效果良好, 保证了混凝土质量, 并提高了生产效率。
参考文献
[1] 饶运涛. 现场总线CAN 原理与应用技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2003.
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[3] 焦生杰. 现代筑路机械电液控制技术[M]. 北京: 人民交通出版社, 2001.
[4] 杨庆柏. 现场总线仪表[M]. 北京: 国防工业出版社,2005.
通信地址: 陕西省西安市雁塔路13 号西安建筑科技大学机
电工程学院机制教研室( 710055) ( 收稿日期: 2007- 06- 19)
