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1引言
能源與交通一直是制約我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要瓶頸。我國高等級公路建設(shè)的迅速發(fā)展，迫切需要配套的大型施工機械設(shè)備，瀝青混凝土攪拌站就是其中一個關(guān)鍵的機械設(shè)備。
國外公司對瀝青混凝土攪拌站的開發(fā)投入很大，特別是近10年來，該產(chǎn)品的技術(shù)更新速度幾乎超過了所有的工程機械。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。與美國相比，兩國國土面積相近，但公路里程僅為美國的七分之一，且高等級公路更少。據(jù)統(tǒng)計，美國的瀝青混凝土攪拌設(shè)備的社會保有量約為5000臺套，每年的配套能力為300臺套，且均為性能先進的大型設(shè)備。而我國的社會保有量不足千臺，而能用于高等級公路建設(shè)的只有200余臺套，其中大型的只有20臺套左右。而國產(chǎn)大型設(shè)備的年配套能力僅為10臺套左右，其余則只能依賴進口。從市場分析不難看出，瀝青混凝土攪拌站是一類長期具有廣闊市場的產(chǎn)品。
結(jié)合國外控制系統(tǒng)特點和本國的實際情況，本系統(tǒng)以工控機、PLC、ET200M及現(xiàn)場儀表構(gòu)成全集成自動化TIA(Totally Integrated Automation)系統(tǒng)兩級網(wǎng)絡(luò)車間級和現(xiàn)場級網(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)需求在廠長辦公室設(shè)立遠程遠程監(jiān)控計算機對整個拌合站的運營情況進行監(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)成車間級網(wǎng)絡(luò)單元，4個分布控制站構(gòu)成現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)單元。上位機采用Wincc作人機接口，通過CP5611以Profibus協(xié)議與各站進行數(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、成品料儲倉與除塵裝置。
該設(shè)備工藝流程如下：
(1)不同規(guī)格的冷石料及砂→定量配給并進行粗配→冷骨料初次篩分→冷骨料輸送機→干燥筒進行烘干、加熱→熱骨料提升機提升→熱骨料篩分機進行篩分并按不同的規(guī)格分存至各熱料倉→熱料分組及累計稱量→攪拌器攪拌；
(2)礦料→粉料倉→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→成品料卷揚機提升→成品料儲與保溫倉→運往工地。
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)場信號采集點和電控設(shè)備較集中的地方設(shè)立分布式遠程從站，將現(xiàn)場監(jiān)測儀表信號及控制、采集信號接入各遠程子站。通過PROFIBUS現(xiàn)場總線將控制主站、遠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室微機接入標準以太網(wǎng)，由管理機完成各項管理和功能。整個自動化監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成TIA的車間級和現(xiàn)場級兩級監(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化系統(tǒng)。
下面詳細介紹各組成部分的功能與需求：
2．2．1中央控制級
中央控制級分為中央控制室及廠長室遠程管理監(jiān)控計算機。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，又能完成對整個LBQ4000瀝青混凝土攪拌站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，報表及打印等功能；操作員站主要完成對整個LBQ4000瀝青混凝土攪拌站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、報表及打印等功能；在不需組態(tài)式修改參數(shù)時，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，并對總線通信進行控制和管理。廠長室遠程管理監(jiān)控計算機以工業(yè)以太網(wǎng)形式與主控制器相連，以便于廠長對整個系統(tǒng)進行管理和監(jiān)控，并針對實際情況準確發(fā)出操作命令。
中央控制級主要功能如下：
（1）對分布控制站PLC送來的數(shù)據(jù)進行分析處理、儲存、建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；
（2）向PLC發(fā)布指令，實時控制和調(diào)節(jié)設(shè)備運行；
（3）顯示多幅工藝流程畫面，并實時顯示巡檢參數(shù)；
（4）在線故障診斷、報警；
（5）歷史趨勢顯示，模擬量資料顯示；
（6）打印報表
2．2．2分布式控制站
共設(shè)四個分布控制站，各站主要負責(zé)采集現(xiàn)場各個傳感器的信號、電機的運行，除了把信號轉(zhuǎn)換后傳給上位機和中央控制器，由上位機進行顯示和控制外還要根據(jù)控制要求對現(xiàn)場控制柜和執(zhí)行機構(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。在自動狀態(tài)下，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對某些信號進行PID控制如石料溫度控制、石料重量、瀝青重量、礦粉重量等，以達到最優(yōu)狀態(tài)；各站實現(xiàn)功能如下：
（1）從站1
1）對6個冷級配變頻器的監(jiān)控；
2）對6個冷骨料料倉缺料進行報警，缺料信號與倉壁振動器聯(lián)鎖運行，定時停止。
（2）從站2
1）完成LBQ4000瀝青混凝土攪拌站所有電機的順序啟/停操作以及卷揚機的監(jiān)控；
2）引風(fēng)機、烘干筒電機、攪拌器等大功率電機運行狀態(tài)監(jiān)控包括運行電流、風(fēng)機傳動部位溫度、攪拌器傳動部位溫度等；
3）與PLC從站4建立直接數(shù)據(jù)交換（Direct Data Exchange簡稱為DX），由烘干筒引火口負壓信號確定風(fēng)門大小。
（3）從站3
1）除塵器脈沖反吹，全自動工作；
2）氣動電磁閥動作、電動蝶閥、料位計監(jiān)控，攪拌缸缸門開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及批次計量；
3）成品料倉倉門開關(guān)控制、倉門加熱及倉滿報警；
4）卷揚機上、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、礦粉計量；
2）石料、瀝青、除塵器進口溫度監(jiān)控以及烘干筒引火口負壓監(jiān)控；
3系統(tǒng)硬件選型及連接
3.1中央監(jiān)控室
（1）兩臺中央監(jiān)控計算機均為研華工控機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，實現(xiàn)與Profibus總線的通訊；
（3）兩塊CP1613卡，實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊；
（4）以太網(wǎng)交換機OSM ITP62，帶有兩對光纖接口以備遠距離傳輸需要；
（5）一臺S7-300包含電源模塊：PS307-10A，CPU 315-2DP；
（6）CP343-1卡以實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊；
（7）EPSON針式打印機一臺；
（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
由于對稱量精度的需求我們選用了位處理時間小于100ns的CPU 315-2DP，S7-300是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實現(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DI模塊SM321，1塊16點DO模塊SM322和1塊8路AO模塊SM332；6臺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DI模塊SM3211塊、32點DO模塊SM3222塊，死循環(huán)控制模塊FM355 1塊，8點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ET200M分布于除塵器現(xiàn)場、拌合樓二層、三層、四層和卷揚機現(xiàn)場以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AI模塊SM331，3塊Panther稱重儀表.
由于各站點之間通信距離均不超過300M且對EMC的要求,我們選用了ITP電纜連接各個Profibus站點。PLC的CPU315-2DP帶有兩個Profibus總線接口，這樣各從站與主站之間可方便的通過ITP電纜組成Profibus網(wǎng)絡(luò)，上位機可以通過CP5611模塊接入Profibus網(wǎng)絡(luò)；中控室的兩臺工控機、一臺中央控制器及廠長辦公室的管理機組成標準工業(yè)以太網(wǎng)用ITP電纜與交換機建立物理連接；各個計算機之間可以通過網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)并打印報表等。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計
整個系統(tǒng)軟件分為上位機監(jiān)控軟件和PLC現(xiàn)場控制軟件。
4.1上位監(jiān)控軟件
本系統(tǒng)采用1024點的西門子Wincc組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行監(jiān)控。主畫面顯示整個瀝青混凝土攪拌站的工藝流程，通過主畫面的各按鍵進入不同的分畫面，主要包括：工作方式選擇屏、參數(shù)設(shè)定屏、手動工作屏、半自動工作屏、全自動工作屏、打印報表屏一和打印報表屏二，分畫面還包括報警表格和各模擬量趨勢圖。整個監(jiān)控系統(tǒng)的所有開關(guān)量和模擬量都在各個畫面中體現(xiàn)出來。監(jiān)控系統(tǒng)還具備了實時故障報警和歷史數(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，實現(xiàn)PLC對過程數(shù)據(jù)的初步處理。在STEP7中，有3種編程語言可用來編程，分別是梯形圖（LAD）、語句表（STL）、功能塊（FBD）。
首先建立新項目，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)的運行狀況和經(jīng)濟效益
本系統(tǒng)已投入實際運行，自投入運行以來，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，設(shè)備工作狀況良好，使用及維護簡捷方便，各項指標均達到了設(shè)計要求：溫控精度達到了±5℃，油石比達到了±0.3，石料與礦粉計量精度達到了±0.5，瀝青計量更是達到了±0.3，均是達到或者超過了國際優(yōu)等品指標；操作人員的工作量和勞動強度大大降低，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，同時實現(xiàn)了節(jié)約能源、降低能耗，受到了廠方的好評，經(jīng)濟效益可達1000萬元以上。
本文作者的創(chuàng)新點在于：將Profibus現(xiàn)場總線應(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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