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1引言
能源與交通一直是制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要瓶頸。我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)的迅速發(fā)展，迫切需要配套的大型施工機(jī)械設(shè)備，瀝青混凝土攪拌站就是其中一個(gè)關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備。
國(guó)外公司對(duì)瀝青混凝土攪拌站的開發(fā)投入很大，特別是近10年來(lái)，該產(chǎn)品的技術(shù)更新速度幾乎超過(guò)了所有的工程機(jī)械。新技術(shù)、新方法的使用，使這一產(chǎn)品的性能不斷得到完善和改進(jìn)。與美國(guó)相比，兩國(guó)國(guó)土面積相近，但公路里程僅為美國(guó)的七分之一，且高等級(jí)公路更少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)的瀝青混凝土攪拌設(shè)備的社會(huì)保有量約為5000臺(tái)套，每年的配套能力為300臺(tái)套，且均為性能先進(jìn)的大型設(shè)備。而我國(guó)的社會(huì)保有量不足千臺(tái)，而能用于高等級(jí)公路建設(shè)的只有200余臺(tái)套，其中大型的只有20臺(tái)套左右。而國(guó)產(chǎn)大型設(shè)備的年配套能力僅為10臺(tái)套左右，其余則只能依賴進(jìn)口。從市場(chǎng)分析不難看出，瀝青混凝土攪拌站是一類長(zhǎng)期具有廣闊市場(chǎng)的產(chǎn)品。
結(jié)合國(guó)外控制系統(tǒng)特點(diǎn)和本國(guó)的實(shí)際情況，本系統(tǒng)以工控機(jī)、PLC、ET200M及現(xiàn)場(chǎng)儀表構(gòu)成全集成自動(dòng)化TIA(Totally Integrated Automation)系統(tǒng)兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)。選用S7-300系列PLC，根據(jù)LBQ4000瀝青混凝土攪拌站工藝流程及系統(tǒng)需求在廠長(zhǎng)辦公室設(shè)立遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)拌合站的運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行監(jiān)控,中央控制室設(shè)立工程師站、操作員站和央控制器構(gòu)成車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)單元，4個(gè)分布控制站構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)單元。上位機(jī)采用Wincc作人機(jī)接口，通過(guò)CP5611以Profibus協(xié)議與各站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，完成數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)督及控制功能。
2工藝流程及控制系統(tǒng)的功能需求
2．1工藝流程
LBQ4000瀝青混凝土攪拌站屬于間歇式瀝青混合料攪拌設(shè)備，主要由以下部分組成：冷骨料配料裝置、骨料烘干與加熱系統(tǒng)、熱料提升裝置、熱料篩分與稱量裝置、粉料供給系統(tǒng)、瀝青供給系統(tǒng)、攪拌器、成品料提升機(jī)、成品料儲(chǔ)倉(cāng)與除塵裝置。
該設(shè)備工藝流程如下：
(1)不同規(guī)格的冷石料及砂→定量配給并進(jìn)行粗配→冷骨料初次篩分→冷骨料輸送機(jī)→干燥筒進(jìn)行烘干、加熱→熱骨料提升機(jī)提升→熱骨料篩分機(jī)進(jìn)行篩分并按不同的規(guī)格分存至各熱料倉(cāng)→熱料分組及累計(jì)稱量→攪拌器攪拌；
(2)礦料→粉料倉(cāng)→輸送及稱量裝置→攪拌器攪拌；
(3)瀝青→瀝青罐→輸送及稱量裝置→攪拌器攪拌；
(4)攪拌器拌好的成品料→成品料卷?yè)P(yáng)機(jī)提升→成品料儲(chǔ)與保溫倉(cāng)→運(yùn)往工地。
2．2控制系統(tǒng)的功能需求
根據(jù)間歇式瀝青攪拌站工藝流程在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集點(diǎn)和電控設(shè)備較集中的地方設(shè)立分布式遠(yuǎn)程從站，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀表信號(hào)及控制、采集信號(hào)接入各遠(yuǎn)程子站。通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線將控制主站、遠(yuǎn)程子站與中央控制室的工程師站、操作員站相連，便于集中監(jiān)控。將中央控制器與廠長(zhǎng)室微機(jī)接入標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，由管理機(jī)完成各項(xiàng)管理和功能。整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成TIA的車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)兩級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，TIA即統(tǒng)一的組態(tài)和編程、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)管理和統(tǒng)一的通信,是集統(tǒng)一性和開放性于一體的自動(dòng)化系統(tǒng)。
下面詳細(xì)介紹各組成部分的功能與需求：
2．2．1中央控制級(jí)
中央控制級(jí)分為中央控制室及廠長(zhǎng)室遠(yuǎn)程管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)。中央控制室設(shè)有工程師站和操作員站作為2類DP主站(DPM2),PLC主控制器作為1類主站(DPM1)。工程師站即能完成系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試及控制參數(shù)的在線修改和設(shè)置等，又能完成對(duì)整個(gè)LBQ4000瀝青混凝土攪拌站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，報(bào)表及打印等功能；操作員站主要完成對(duì)整個(gè)LBQ4000瀝青混凝土攪拌站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、報(bào)表及打印等功能；在不需組態(tài)式修改參數(shù)時(shí)，工程師站與操作員站互為備用，提高了系統(tǒng)的可靠性；DPM1在預(yù)定的周期內(nèi)與分布式的站（如DP從站）循環(huán)的交換信息，并對(duì)總線通信進(jìn)行控制和管理。廠長(zhǎng)室遠(yuǎn)程管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)以工業(yè)以太網(wǎng)形式與主控制器相連，以便于廠長(zhǎng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理和監(jiān)控，并針對(duì)實(shí)際情況準(zhǔn)確發(fā)出操作命令。
中央控制級(jí)主要功能如下：
（1）對(duì)分布控制站PLC送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、儲(chǔ)存、建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)；
（2）向PLC發(fā)布指令，實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行；
（3）顯示多幅工藝流程畫面，并實(shí)時(shí)顯示巡檢參數(shù)；
（4）在線故障診斷、報(bào)警；
（5）歷史趨勢(shì)顯示，模擬量資料顯示；
（6）打印報(bào)表
2．2．2分布式控制站
共設(shè)四個(gè)分布控制站，各站主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)傳感器的信號(hào)、電機(jī)的運(yùn)行，除了把信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳給上位機(jī)和中央控制器，由上位機(jī)進(jìn)行顯示和控制外還要根據(jù)控制要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制柜和執(zhí)行機(jī)構(gòu)作出相應(yīng)的控制，所以各分站PLC不但具有中心控制的作用，還具有數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的作用。在自動(dòng)狀態(tài)下，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)某些信號(hào)進(jìn)行PID控制如石料溫度控制、石料重量、瀝青重量、礦粉重量等，以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)；各站實(shí)現(xiàn)功能如下：
（1）從站1
1）對(duì)6個(gè)冷級(jí)配變頻器的監(jiān)控；
2）對(duì)6個(gè)冷骨料料倉(cāng)缺料進(jìn)行報(bào)警，缺料信號(hào)與倉(cāng)壁振動(dòng)器聯(lián)鎖運(yùn)行，定時(shí)停止。
（2）從站2
1）完成LBQ4000瀝青混凝土攪拌站所有電機(jī)的順序啟/停操作以及卷?yè)P(yáng)機(jī)的監(jiān)控；
2）引風(fēng)機(jī)、烘干筒電機(jī)、攪拌器等大功率電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控包括運(yùn)行電流、風(fēng)機(jī)傳動(dòng)部位溫度、攪拌器傳動(dòng)部位溫度等；
3）與PLC從站4建立直接數(shù)據(jù)交換（Direct Data Exchange簡(jiǎn)稱為DX），由烘干筒引火口負(fù)壓信號(hào)確定風(fēng)門大小。
（3）從站3
1）除塵器脈沖反吹，全自動(dòng)工作；
2）氣動(dòng)電磁閥動(dòng)作、電動(dòng)蝶閥、料位計(jì)監(jiān)控，攪拌缸缸門開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及批次計(jì)量；
3）成品料倉(cāng)倉(cāng)門開關(guān)控制、倉(cāng)門加熱及倉(cāng)滿報(bào)警；
4）卷?yè)P(yáng)機(jī)上、下限位，上、下超限位，上、下減速位監(jiān)控。
（4）從站4
1）石料、瀝青、礦粉計(jì)量；
2）石料、瀝青、除塵器進(jìn)口溫度監(jiān)控以及烘干筒引火口負(fù)壓監(jiān)控；
3系統(tǒng)硬件選型及連接
3.1中央監(jiān)控室
（1）兩臺(tái)中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)均為研華工控機(jī)P4處理器1.6G主頻，2G內(nèi)存，160G硬盤，Windows2000 Sever/Professional操作系統(tǒng)，并配有STEP7和Wincc軟件；
（2）兩塊CP5611卡，實(shí)現(xiàn)與Profibus總線的通訊；
（3）兩塊CP1613卡，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊；
（4）以太網(wǎng)交換機(jī)OSM ITP62，帶有兩對(duì)光纖接口以備遠(yuǎn)距離傳輸需要；
（5）一臺(tái)S7-300包含電源模塊：PS307-10A，CPU 315-2DP；
（6）CP343-1卡以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊；
（7）EPSON針式打印機(jī)一臺(tái)；
（8）附件包括總線連接器與聯(lián)接電纜等。
3.2分布式控制站
由于對(duì)稱量精度的需求我們選用了位處理時(shí)間小于100ns的CPU 315-2DP，S7-300是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)分布，易于用戶掌握。
（1）從站1
主要配備CPU模塊CPU315-2DP、PS307-2A電源模塊各1塊，1塊16點(diǎn)DI模塊SM321，1塊16點(diǎn)DO模塊SM322和1塊8路AO模塊SM332；6臺(tái)MM440變頻器以及PROFIBUS-DP接口模塊。
（2）從站2
主要配備為:CPU模塊CPU315-2DP、電源模塊PS307-2A各1塊、16點(diǎn)DI模塊SM3211塊、32點(diǎn)DO模塊SM3222塊，死循環(huán)控制模塊FM355 1塊，8點(diǎn)AI模塊SM331 2塊。
（3）從站3
主要配備CPU模塊CPU315-2DP、PS307-2A電源模塊各1塊，5臺(tái)ET200M分布于除塵器現(xiàn)場(chǎng)、拌合樓二層、三層、四層和卷?yè)P(yáng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)以Profibus-DP協(xié)議與從站3通訊。
（4）從站4
主要配備CPU模塊CPU315-2DP、PS307-2A電源模塊各1塊，3塊8點(diǎn)AI模塊SM331，3塊Panther稱重儀表.
由于各站點(diǎn)之間通信距離均不超過(guò)300M且對(duì)EMC的要求,我們選用了ITP電纜連接各個(gè)Profibus站點(diǎn)。PLC的CPU315-2DP帶有兩個(gè)Profibus總線接口，這樣各從站與主站之間可方便的通過(guò)ITP電纜組成Profibus網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)可以通過(guò)CP5611模塊接入Profibus網(wǎng)絡(luò)；中控室的兩臺(tái)工控機(jī)、一臺(tái)中央控制器及廠長(zhǎng)辦公室的管理機(jī)組成標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)用ITP電纜與交換機(jī)建立物理連接；各個(gè)計(jì)算機(jī)之間可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)并打印報(bào)表等。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)監(jiān)控軟件和PLC現(xiàn)場(chǎng)控制軟件。
4.1上位監(jiān)控軟件
本系統(tǒng)采用1024點(diǎn)的西門子Wincc組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。主畫面顯示整個(gè)瀝青混凝土攪拌站的工藝流程，通過(guò)主畫面的各按鍵進(jìn)入不同的分畫面，主要包括：工作方式選擇屏、參數(shù)設(shè)定屏、手動(dòng)工作屏、半自動(dòng)工作屏、全自動(dòng)工作屏、打印報(bào)表屏一和打印報(bào)表屏二，分畫面還包括報(bào)警表格和各模擬量趨勢(shì)圖。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的所有開關(guān)量和模擬量都在各個(gè)畫面中體現(xiàn)出來(lái)。監(jiān)控系統(tǒng)還具備了實(shí)時(shí)故障報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)歸檔的功能。
4.2 PLC編程軟件
本系統(tǒng)PLC的編程使用STEP7編寫，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)的初步處理。在STEP7中，有3種編程語(yǔ)言可用來(lái)編程，分別是梯形圖（LAD）、語(yǔ)句表（STL）、功能塊（FBD）。
首先建立新項(xiàng)目，插入PLC站，插入各模塊的順序完成硬件組態(tài)，然后開始編制PLC程序。
5系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和經(jīng)濟(jì)效益
本系統(tǒng)已投入實(shí)際運(yùn)行，自投入運(yùn)行以來(lái)，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，設(shè)備工作狀況良好，使用及維護(hù)簡(jiǎn)捷方便，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求：溫控精度達(dá)到了±5℃，油石比達(dá)到了±0.3，石料與礦粉計(jì)量精度達(dá)到了±0.5，瀝青計(jì)量更是達(dá)到了±0.3，均是達(dá)到或者超過(guò)了國(guó)際優(yōu)等品指標(biāo)；操作人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，能源和設(shè)備的利用率得到提高，解決了間歇式瀝青混凝土攪拌站控制設(shè)備分散、復(fù)雜、難以集中控制的難題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源、降低能耗，受到了廠方的好評(píng)，經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)1000萬(wàn)元以上。
本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)在于：將Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于瀝青拌合設(shè)備控制系統(tǒng)，減量法放瀝青的控制油石比算法。

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