搅拌机控制系统设计

    随着政府对高速公路、铁路、县乡公路和城市建设投资力度的加大，势必会刺激各种混凝土或沥青搅拌机的需求。然而，市场上现有的搅拌机大多为人工操作，物料的混合比例和搅拌机的转动必须依靠人为设定和控制，使得混合比例差，搅拌出来的混合物质量不稳定。

　 一、解决方案描述

　　为了提高搅拌机的控制程度，需要对系统进行自动化改造。

　　在本方案中，使用交流异步电机控制混合物两种物料的管道流量，将流量传感器采集到的数据反馈回控制器，并采用PID算法调节电机转速，实现物料流量的控制。图1是使用了PID调节的自动比例控制的搅拌机系统框图。

　　图1是传统搅拌机的结构框图。可以发现，传统的搅拌机依赖人工操作较多，混合物的比例和搅拌机的转动必须依靠人为设定和控制，使得混合物的比例差，搅拌出来的混合物料质量不均匀，导致生产的效率较低。图1比传统的搅拌机系统增加了2个可控的电机（电机A、电机B），控制物料A和物料B的管道流量，代替繁琐的人工填料；电机C控制搅拌机的转向和转速。3个电机均使用了PID算法实现转速和方向的控制，提高了配料比例的度，搅拌的过程完全可控。

 

　　二、改进方案的提出

　　为了解决搅拌机的混合物比例不的问题，可以通过反馈控制来调节配料的流量和比例；为了提高自动化程度，可以使用电机来控制物料管道的流量。图2是使用了PID调节的自动比例控制的搅拌机系统框图。

 

　　与传统的搅拌机系统相比，图2增加了2个可控的电机（电机1、电机2），控制物料A和物料B的管道流量，替代原来繁琐的人工填料；电机3控制搅拌机的转向和转速。3个电机均使用了PID来实现转速和方向的控制，使得配料的比例非常，搅拌的速度完全可控。

　　图3是其中1路电机转速的PID系统框图，其中Mn是给定的转速（Ma、Mb或Mc），e是给定转速和采样的转速（即实际的转速）之差，通过PID调节使e接近0时，电机的转速即与给定的转速Mn趋于一致。

 

　　三、改进方案的具体实现

　 系统设计

　　通过上述方案的理论分析，改进后的搅拌机控制系统完全可以达到提高配料的比例度、降低人为操作成分和提高生产效率的目的。下面将提出一个具体的实现方案。

　　为了能够对搅拌机运行状况进行稳定的控制与实时的监控，本方案采用广州致远电子有限公司的MiniHMI-1000人机界面作为人机交互平台，通过RS-485总线连接EPCM-2640控制器。使用控制器的板载模拟量输入端口对各种传感器数据进行采集，并通过计数端口实时采集电机转速。采用PID算法计算输出参数后通过控制变频器调节电机转速，实现对电机的闭环控制。人机界面的监控画面采用与MiniHMI-1000配套的组态软件HMI Developer Suite（简称HDS）进行编辑。

　　在操作现场，工作人员通过人机界面的[运行监控]画面实时了解系统运行状态、电压/电流过载、各种物料的流量、当前工作配方等信息。高权限等级的工作人员（例如工厂管理员）通过验证身份（用户名/密码）进入[设置页面],修改运行状况和当前工作配方。

　　为保证系统安全运行，使用HDS报警组件中实现预设报警的功能。当系统运行出现异常情况时，人机界面将滚动显示报警信息，并通过触发器脚本自动完成报警决策与错误处理。

　　运行过程中，工作人员可能需要通过改变物料的流量搭配比例实现对混合物属性的改变。本方案使用HDS的配方管理功能预设3种配方，只需轻触屏幕上的相关按钮即可改变物料配方。系统实现框图如图4所示。

   MiniHMI-1000

　　型号：MiniHMI-1000T   MiniHMI-1000T-CA  MiniHMI-1000T-CB

　　显示规格

　　显示器：真彩TFT（工业级）

　　色彩：26万色

　　背光灯：可替换式CCFL（使用寿命：25℃，24小时使用，至少可维持50,000小时）

　　分辨率：640×480像素

　　显示区域：211.2mm（H）×158.4mm（V）（10.4英寸）

　　对比度：  300:1

　　亮度：350 cd/m2

　　触摸面板：电阻式

　　触摸屏：点单250克点击1000万次

　　性能规格

　　处理器：32-bit 400MHz RISC

　　存储器：内部NAND Flash 256MByte（可外扩U盘）

　　串口（COM1）：RS-485, 数据传输速度：2400bps至115.2kbps，接口：D-Sub 9针转3pin接线端子

　　串口（COM2）：RS-232C, 数据传输速度：2400bps至115.2kbps，接口：D-Sub 9针1个

　　CAN总线：

　　1.CAN总线接口1个，支持iCAN主站协议

　　2.CAN总线接口1个，支持iCAN和CANopen主站协议

　　以太网：10/100M工业以太网接口1个

　　USB接口：USB1.1主接口1个

　　视频输入：4路CVBS信号输入接口

　　输入电压：DC24V

　　额定电压：DC19.2 至 28.8V

　　机械

　　抗震性能：5Hz至9Hz单调幅：3.5mm； 9至150Hz常量加速度：9.8m/s2； X、Y、Z方向10次（100分钟）

　　电气

　　抗干扰性能： 干扰电压：4000VP-P 脉冲周期：1μs 持续时间：1ns

　　抗静电性能：接触放电8kV，空气放电15kV（工业四级标准）

　 下位机控制板EPCM-2640

　　EPCM2000系列工控主板是广州致远电子有限公司开发的基于LPC2300系列ARM的可扩展的远程数据采集嵌入式工控主板，EPCM-2640作为EPCM2000系列的一员，产品机械尺寸为EPIC标准尺寸（165 mm×115 mm），扩展总线为MiniISA总线。具有资源丰富、接口齐全、稳定可靠等特点。预装正版μC/OS-II实时操作系统并提供板载外设驱动库，固化了FAT32文件系统、TCP/IP协议、Modbus协议等，真正做到了“只要会C语言，就会开发产品”，用户无需了解TCP/IP、Modbus、CAN-bus等协议，也无需了解ARM内部寄存器，只需要简单地调用API函数，即可实现这些复杂功能，从而极大缩短了产品的研发周期并降低了成本。

　　在具体设计上，下位机控制器EPCM-2640的2路RS-485总线采用Modbus-RTU通信协议，一路做主机控制3个变频器；另一路RS-485做从机，和人机界面MiniHMI-1000进行通信，接受人机界面设定的配置和控制程序，并将现场数据发送给人机界面。自带8路12 bit ADC，能够对现场模拟数据进行采集，通过定时器捕获端口对电机的转速进行测速，反馈回来对电机进行PID调速。

　　人机界面设计

　　广州致远电子有限公司生产的MiniHMI-1000人机界面是一款高性能的管控一体化人机界面。该人机界面主要特点如下：

　　（1）工业级32 bit嵌入式RSIC微处理器，主频达400 MHz；

　　（2）具有4路CVBS视频输入接口，可显示工程作业区实时画面；

　　（3）采用26万色10.4英寸高亮度、高对比度工业级液晶显示器；

　　（4）可外接大容量存储设备，保存关键历史数据及产品配方；

　　（5）支持VGA扩展显示接口；

　　（6）支持iCAN、CANopen、DeviceNet等工业现场总线通信协议。

　　图5是MiniHMI-1000的实物图。

 

　　在图 4系统中，人机界面系统作为通信主站，与下位机控制器EPCM-2640之间的通信连接采用Modbus-RTU协议。人机界面的画面编辑采用与MiniHMI-1000配套的组态软件HMI Developer Suite，简称HDS。

　　图6、图7分别为“运行监控”与“设置页面”的画面。

 

            

　　在操作现场，工作人员可通过“运行监控”画面（图6所示）实时了解系统运行状态、电压/电流过载情况、各种物料的流量、当前工作配方等信息。高权限等级的工作人员（例如工厂管理员）可通过验证身份（用户名/密码）进入“设置页面”（图7所示），修改运行状况和当前工作配方。

　　为了保证系统安全运行，可以在报警组件中编辑报警条件表达式，实现报警功能。当系统运行出现异常情况时，人机界面上将滚动显示报警信息。同时可通过触发器脚本完成报警决策与错误处理。

　　现场运行中，需要通过改变各种物料的流量搭配比例来改变混合物的属性。使用HDS的配方管理功能可以根据用户的需求预设多种产品配方。现场更改工作配方时，只需点击触摸屏相关按钮即可。

　　使用MiniHMI-1000作为上位机人机交互界面，EPCM-2640作为下位机控制器，通过RS-485总线（Modbus协议）进行可靠通信，实现了一种能控制高混合比例的全自动化搅拌机控制系统，能够减少繁琐的人工控制成分，提高混合物的质量和生产效率，在实际生产中具有重要的现实意义。