混凝土搅拌站控制系统设计方案分析
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混凝土搅拌站控制系统设计方案分析
王楠 （阜新恒泰机械有限责任公司，辽宁 阜新 123000）
［摘要 ] 介绍了混凝土搅拌站控制系统的几种常见方式，并分析各种控制方案的优缺点。 [ 关键词 ] 搅拌站 ；控制系统 ；方案分析 ［中图分类号］TU642+.2 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2011）08-0088-03
［收稿日期］2011-05-03 ［通讯地址］王楠，辽宁省阜新市经济技术开发区 12 路北
F 路东
88
较大，且对用户水平要求较高。若采用 RS485 方 式通讯，需要配 RS232/485 转换模块，由于 RS485 是半双工通讯方式，排对访问，速度较慢，当仪 表数量较多时速度差异非常明显。混凝土搅拌站一 般有 8 ～ 10 个计量秤，需要 8 ～ 10 块仪表，按每 块仪表采样需要 400 ～ 500ms 计，则全部仪表的 采样周期就需要 3 ～ 5s。所以，若仪表数量较多， 一般都是采用扩展工控机串行口、实现仪表与工控 机一对一方式的 RS232 通讯。该方案目前在混凝 土搅拌站控制系统中有一定的市场份额，一般都是 在搅拌站生产厂与仪表厂合作开发控制系统时，或 者用户有特殊要求带配料仪表时采用。
行数据处理
7
PLC 采集外部限位开关信号，如搅拌PLC 为生产的控制中心，由 于 PLC 的稳定性远远高于工控机，不会出现系统瘫 痪、病毒感染等问题，基本上是免维护的 ；触摸屏 为辅控，工控机为主控，二者同时与 PLC 交换数据， 双机双控、同步显示，大大提高了系统稳定性。
行信号放大
工控机 AD 卡采集模似信号放大板放大后的 4 单向
信号进行数据处理
5
工控机输入板卡采集外部限位开关信号， 单向
如搅拌机门、各秤门信号等进行逻辑判断
这种控制方式的指挥与控制中心均为工控机， 中间继电器、电磁阀、电机接触器等为执行中心。
优点 ：因所有控制全部在工控机中完成，不 与外部设备通讯，排除了通讯的不稳定因素，数据 采集、存储、报表处理全部由工控机完成，程序协 调性较好。与方案（1）相比，控制流相对简单且 都为单方向，所有中间继电器全部受工控机输出板 卡控制，配线相对简单。
图 1 工控机 + 智能仪表 +PLC 控制方案原理图
缺点 ：从控制原理图分析，其控制流流向复 杂，即意味其电气控制复杂、接线较多，中间继电 器有的受仪表控制，有的受 PLC 控制，用户在维 护维修时排除故障相对较难，对维护维修人员素质 要求较高。除 PLC 外，每块仪表都要与工控机通 讯，每块仪表的地址及通讯速率都要设置正确。若 采用 RS232 方式通讯，则每块仪表需要一个独立 的串行口与工控机通讯，需要扩展工控机串行端 口，一旦工控机系统损坏重装后，还需要安装扩展 串行口驱动程序，仪表才能正常通讯，维护工作量
X2 /mm
X3 /mm
p /MPa
F（X） /MPa
优化前 755 650 1748 12.1 159.7
优化后 614 913 1887 15.3 147.9
经作图验证，优化后的铰点位置参数满足整机 的工作范围要求。由表 1 可知，优化后变量 X1 减 小，变量 X2、X3 增大，目标函数值减小了 7.4%， 变幅油缸工作压力略有增大。
该方案的控制流分析见表 1。 这种控制方式为 1 个指挥中心——工控机，2 个控制中心——仪表与 PLC，仪表完成配料控制， PLC 完成除配料以外的其它控制，中间继电器、 电磁阀、电机接触器等为执行中心。 优点 ：有配料、显示仪表，在工控机发生故 障的情况下可通过显示仪表与操作台按钮手动完成 生产控制过程，系统稳定性相对较好 ；PLC 只完 成开关量控制，配料过程全部由仪表完成，程序编 写相对简单，对技术人员的要求相对较低。
4 结束语
（1）应用 MATLAB 优化工具箱中的 fmincon 函数，不仅可以很好地解决单目标多变量约束非线 性优化问题，而且避免了编写大量的优化算法程 序，大大提高了设计的效率和准确性。
（2）铰点位置对变幅油缸和伸缩臂受力都有 影响。合理的铰点位置设计可以减小伸缩臂受力， 降低伸缩臂重量，有利于提高整机的稳定性。此 外，还可降低伸缩臂的生产成本，实现一定的经济 效益。
缺点 ：所有功能全部在工控机中完成，程序编 写相对复杂，控制系统对于工控机的依赖程度达到 100%，这是其致命缺点。在混凝土搅拌站控制系 统的故障率调查中，计算机故障排在第一位，一旦 发生故障短时间内无法恢复，将造成停机、停产 ； 因其无仪表、无按钮，无法手动操作 ；板卡参数繁 多，一个参数设定不合理，整个程序就无法正常运
（下转第 94 页）
90
的最优解，采用这种方法只需编写简单的函数调 用语句即可。根据上述推导过程，编写目标函数 和约束条件的 M 文件，并将原始设计参数作为初 值代入进行求解，得出变幅机构铰点位置的最优 解。优化前后铰点位置及其对应的参数值对比见 表 1。
表 1 优化结果与原始设计结果比较
参数
X1 /mm
2011.08（上） 89
行 ；且所有板卡控制参数、电子秤标定数据等全部 存储在工控机中，一旦工控机操作系统因病毒或意 外断电等原因造成系统文件丢失，重装操作系统后 还需要重新安装所有板卡驱动程序，甚至还需重新 配置各板卡参数及标定所有电子秤。对于操作及维 护人员素质要求非常高。
该方案所有控制任务全部在工控机中完成，而 工控机的故障率又很高，故稳定性很低，不适合于修 建高速铁路、高速公路、桥梁、隧道等对搅拌站稳定 性要求很高、一旦停产将造成巨大损失的工程站。
表 1 方案（1）的控制流分析
控制流 方向
控制流意义
1
双向
①工控机向仪表写入配方及参数等数据 ②工控机读取仪表配料数据及生产参数
①机向 PLC 写入参数、发出启动生产信号 2 双向 ②工控机读取 PLC 运行状态点，动画显示
及报警提示
① PLC 向仪表发出启动及停止信号，控制
3
双向
仪表运行 ② PLC 读取仪表状态点（如备妥、称满等
①触摸屏向 PLC 写入配方、发出启动生产 信号 2 双向 ②触摸屏读取 PLC 运行状态点，秤上重量 及动画显示
3 单向 PLC 输出点控制中间继电器运行
4 单向 中间继电器控制电磁阀、电机接触器运行
5
放大板采集称重传感器信号，进行放大、 单向
转换成重量显示
6
PLC 采集模似信号放大板放大后的信号进 单向
控机与触摸屏同时通讯，且 RS232 的通讯距离有 限，超过 15m 时会造成通讯速度缓慢、通讯状态 不稳定的现象，故工控机、触摸屏与 PLC 的距离 不可太远。
该方案中工控机为系统的指挥中心，PLC 为 系统控制中心，二者分工明确，既摆脱了系统对工 控机的过份依赖，触摸屏的引入又弥补了没有显示 仪表的不足，解决了工控机故障时导致搅拌站停产 问题。触摸屏取代操作台按钮简化了系统配线，既
Design projects analysis of control system for concrete plant
WANG Nan
混凝土搅拌站控制系统种类繁多，总的来说 可以分为以下三类 ：
（1）工控机 + 智能配料仪表 + 可编程序控制 器（以下简称 PLC）控制方式。
该 方 案 将 控 制 任 务 分 成 三 部 分， 由 工 控 机、 智能仪表、PLC 各完成其中一部分。工控机主要 负责将生产任务下达到 PLC 以及仪表，配方管 理，采集仪表配料数据存储管理，采集 PLC 状态 点动画显示及报警提示，打印报表 ；智能仪表接 受工控机输入的配方数据与 PLC 发出的启动信 号，负责配料控制过程，传感器返回信号直接接 入仪表，仪表将模拟信号放大并转换成重量显示 ； PLC 负责控制生产动作全过程，接受工控机发出 的启动信号与外部开关量输入的限位开关信号、 设备运行信号，经逻辑判断控制仪表运行，控制 搅拌时间及搅拌机开门关门等。控制原理框图如 图 1 所示。
适合于对稳定性要求很高的工程，又适合于对系统 功能要求较多的商品混凝土。
［参考文献］
［1］方小军，王进，马军星，等． PT25 型高空作业平台 工作装置液压缸作用力计算与分析 [J]．建筑 机械， 2011，（2）．
［2］王永利，张进生，屈绍国，等．河道探测车变幅机构 的优化设计 [J]． 机械工程师，2007，（8）：92-94．
（上接第 90 页） 缺点 ：PLC 要有 2 个通讯端口才能分别与工
系统配线，减轻日常维护工作量 ；控制与配料同 在 PLC 内完成，程序的内部协调性好，生产过程
图 3 工控机 + 触摸屏 +PLC 控制方案原理图
表 3 方案（3）的控制流分析
控制流 方向 控制流意义 ①工控机向 PLC 写入配方及参数等数据 ②工控机读取 PLC 配料数据及生产参数、
1 双向 运行状态点、秤上重量、动画显示及报警 提示
在验证优化结果的过程中发现，优化后铰点 A 正好在其布置区域的下边界上，铰点 A 的位置参 数满足（13）式的等式关系 ；此外，优化后变幅油 缸的工作压力为 15.3MPa，也满足（11）式的等式 关系。由此可以看出，转台结构和油缸压力对铰点
A 的布置有很大影响。因此，在以后的铰点位置设 计中，若转台结构和油缸压力允许，可适当减小 X1 值、增大 X2 值，这样有利于改善伸缩臂的受力。
信号）进行逻辑判断
4 单向 仪表输出点控制配料中间继电器运行
5
单向
PLC 输出点控制除配料之外的中间继电器运 行
6 单向 中间继电器控制电磁阀、电机接触器运行
7
单向
仪表采集称重传感器信号，进行放大、转换 成重量显示
8
单向
PLC 采集外部限位开关信号，如搅拌机门、 各秤门信号等进行逻辑判断
另外，该方案配料控制由仪表程序完成，工 控机与 PLC 发出配料信号之后便将配料控制权转 交给仪表，其间工控机只能采集仪表数据，不能再 对仪表进行任何操作，程序协调性、灵活性较差。
王楠 （阜新恒泰机械有限责任公司，辽宁 阜新 123000）
［摘要 ] 介绍了混凝土搅拌站控制系统的几种常见方式，并分析各种控制方案的优缺点。 [ 关键词 ] 搅拌站 ；控制系统 ；方案分析 ［中图分类号］TU642+.2 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2011）08-0088-03
［收稿日期］2011-05-03 ［通讯地址］王楠，辽宁省阜新市经济技术开发区 12 路北
F 路东
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较大，且对用户水平要求较高。若采用 RS485 方 式通讯，需要配 RS232/485 转换模块，由于 RS485 是半双工通讯方式，排对访问，速度较慢，当仪 表数量较多时速度差异非常明显。混凝土搅拌站一 般有 8 ～ 10 个计量秤，需要 8 ～ 10 块仪表，按每 块仪表采样需要 400 ～ 500ms 计，则全部仪表的 采样周期就需要 3 ～ 5s。所以，若仪表数量较多， 一般都是采用扩展工控机串行口、实现仪表与工控 机一对一方式的 RS232 通讯。该方案目前在混凝 土搅拌站控制系统中有一定的市场份额，一般都是 在搅拌站生产厂与仪表厂合作开发控制系统时，或 者用户有特殊要求带配料仪表时采用。
行数据处理
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PLC 采集外部限位开关信号，如搅拌PLC 为生产的控制中心，由 于 PLC 的稳定性远远高于工控机，不会出现系统瘫 痪、病毒感染等问题，基本上是免维护的 ；触摸屏 为辅控，工控机为主控，二者同时与 PLC 交换数据， 双机双控、同步显示，大大提高了系统稳定性。
行信号放大
工控机 AD 卡采集模似信号放大板放大后的 4 单向
信号进行数据处理
5
工控机输入板卡采集外部限位开关信号， 单向
如搅拌机门、各秤门信号等进行逻辑判断
这种控制方式的指挥与控制中心均为工控机， 中间继电器、电磁阀、电机接触器等为执行中心。
优点 ：因所有控制全部在工控机中完成，不 与外部设备通讯，排除了通讯的不稳定因素，数据 采集、存储、报表处理全部由工控机完成，程序协 调性较好。与方案（1）相比，控制流相对简单且 都为单方向，所有中间继电器全部受工控机输出板 卡控制，配线相对简单。
图 1 工控机 + 智能仪表 +PLC 控制方案原理图
缺点 ：从控制原理图分析，其控制流流向复 杂，即意味其电气控制复杂、接线较多，中间继电 器有的受仪表控制，有的受 PLC 控制，用户在维 护维修时排除故障相对较难，对维护维修人员素质 要求较高。除 PLC 外，每块仪表都要与工控机通 讯，每块仪表的地址及通讯速率都要设置正确。若 采用 RS232 方式通讯，则每块仪表需要一个独立 的串行口与工控机通讯，需要扩展工控机串行端 口，一旦工控机系统损坏重装后，还需要安装扩展 串行口驱动程序，仪表才能正常通讯，维护工作量
X2 /mm
X3 /mm
p /MPa
F（X） /MPa
优化前 755 650 1748 12.1 159.7
优化后 614 913 1887 15.3 147.9
经作图验证，优化后的铰点位置参数满足整机 的工作范围要求。由表 1 可知，优化后变量 X1 减 小，变量 X2、X3 增大，目标函数值减小了 7.4%， 变幅油缸工作压力略有增大。
该方案的控制流分析见表 1。 这种控制方式为 1 个指挥中心——工控机，2 个控制中心——仪表与 PLC，仪表完成配料控制， PLC 完成除配料以外的其它控制，中间继电器、 电磁阀、电机接触器等为执行中心。 优点 ：有配料、显示仪表，在工控机发生故 障的情况下可通过显示仪表与操作台按钮手动完成 生产控制过程，系统稳定性相对较好 ；PLC 只完 成开关量控制，配料过程全部由仪表完成，程序编 写相对简单，对技术人员的要求相对较低。
4 结束语
（1）应用 MATLAB 优化工具箱中的 fmincon 函数，不仅可以很好地解决单目标多变量约束非线 性优化问题，而且避免了编写大量的优化算法程 序，大大提高了设计的效率和准确性。
（2）铰点位置对变幅油缸和伸缩臂受力都有 影响。合理的铰点位置设计可以减小伸缩臂受力， 降低伸缩臂重量，有利于提高整机的稳定性。此 外，还可降低伸缩臂的生产成本，实现一定的经济 效益。
缺点 ：所有功能全部在工控机中完成，程序编 写相对复杂，控制系统对于工控机的依赖程度达到 100%，这是其致命缺点。在混凝土搅拌站控制系 统的故障率调查中，计算机故障排在第一位，一旦 发生故障短时间内无法恢复，将造成停机、停产 ； 因其无仪表、无按钮，无法手动操作 ；板卡参数繁 多，一个参数设定不合理，整个程序就无法正常运
（下转第 94 页）
90
的最优解，采用这种方法只需编写简单的函数调 用语句即可。根据上述推导过程，编写目标函数 和约束条件的 M 文件，并将原始设计参数作为初 值代入进行求解，得出变幅机构铰点位置的最优 解。优化前后铰点位置及其对应的参数值对比见 表 1。
表 1 优化结果与原始设计结果比较
参数
X1 /mm
2011.08（上） 89
行 ；且所有板卡控制参数、电子秤标定数据等全部 存储在工控机中，一旦工控机操作系统因病毒或意 外断电等原因造成系统文件丢失，重装操作系统后 还需要重新安装所有板卡驱动程序，甚至还需重新 配置各板卡参数及标定所有电子秤。对于操作及维 护人员素质要求非常高。
该方案所有控制任务全部在工控机中完成，而 工控机的故障率又很高，故稳定性很低，不适合于修 建高速铁路、高速公路、桥梁、隧道等对搅拌站稳定 性要求很高、一旦停产将造成巨大损失的工程站。
表 1 方案（1）的控制流分析
控制流 方向
控制流意义
1
双向
①工控机向仪表写入配方及参数等数据 ②工控机读取仪表配料数据及生产参数
①机向 PLC 写入参数、发出启动生产信号 2 双向 ②工控机读取 PLC 运行状态点，动画显示
及报警提示
① PLC 向仪表发出启动及停止信号，控制
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双向
仪表运行 ② PLC 读取仪表状态点（如备妥、称满等
①触摸屏向 PLC 写入配方、发出启动生产 信号 2 双向 ②触摸屏读取 PLC 运行状态点，秤上重量 及动画显示
3 单向 PLC 输出点控制中间继电器运行
4 单向 中间继电器控制电磁阀、电机接触器运行
5
放大板采集称重传感器信号，进行放大、 单向
转换成重量显示
6
PLC 采集模似信号放大板放大后的信号进 单向
控机与触摸屏同时通讯，且 RS232 的通讯距离有 限，超过 15m 时会造成通讯速度缓慢、通讯状态 不稳定的现象，故工控机、触摸屏与 PLC 的距离 不可太远。
该方案中工控机为系统的指挥中心，PLC 为 系统控制中心，二者分工明确，既摆脱了系统对工 控机的过份依赖，触摸屏的引入又弥补了没有显示 仪表的不足，解决了工控机故障时导致搅拌站停产 问题。触摸屏取代操作台按钮简化了系统配线，既
Design projects analysis of control system for concrete plant
WANG Nan
混凝土搅拌站控制系统种类繁多，总的来说 可以分为以下三类 ：
（1）工控机 + 智能配料仪表 + 可编程序控制 器（以下简称 PLC）控制方式。
该 方 案 将 控 制 任 务 分 成 三 部 分， 由 工 控 机、 智能仪表、PLC 各完成其中一部分。工控机主要 负责将生产任务下达到 PLC 以及仪表，配方管 理，采集仪表配料数据存储管理，采集 PLC 状态 点动画显示及报警提示，打印报表 ；智能仪表接 受工控机输入的配方数据与 PLC 发出的启动信 号，负责配料控制过程，传感器返回信号直接接 入仪表，仪表将模拟信号放大并转换成重量显示 ； PLC 负责控制生产动作全过程，接受工控机发出 的启动信号与外部开关量输入的限位开关信号、 设备运行信号，经逻辑判断控制仪表运行，控制 搅拌时间及搅拌机开门关门等。控制原理框图如 图 1 所示。
适合于对稳定性要求很高的工程，又适合于对系统 功能要求较多的商品混凝土。
［参考文献］
［1］方小军，王进，马军星，等． PT25 型高空作业平台 工作装置液压缸作用力计算与分析 [J]．建筑 机械， 2011，（2）．
［2］王永利，张进生，屈绍国，等．河道探测车变幅机构 的优化设计 [J]． 机械工程师，2007，（8）：92-94．
（上接第 90 页） 缺点 ：PLC 要有 2 个通讯端口才能分别与工
系统配线，减轻日常维护工作量 ；控制与配料同 在 PLC 内完成，程序的内部协调性好，生产过程
图 3 工控机 + 触摸屏 +PLC 控制方案原理图
表 3 方案（3）的控制流分析
控制流 方向 控制流意义 ①工控机向 PLC 写入配方及参数等数据 ②工控机读取 PLC 配料数据及生产参数、
1 双向 运行状态点、秤上重量、动画显示及报警 提示
在验证优化结果的过程中发现，优化后铰点 A 正好在其布置区域的下边界上，铰点 A 的位置参 数满足（13）式的等式关系 ；此外，优化后变幅油 缸的工作压力为 15.3MPa，也满足（11）式的等式 关系。由此可以看出，转台结构和油缸压力对铰点
A 的布置有很大影响。因此，在以后的铰点位置设 计中，若转台结构和油缸压力允许，可适当减小 X1 值、增大 X2 值，这样有利于改善伸缩臂的受力。
信号）进行逻辑判断
4 单向 仪表输出点控制配料中间继电器运行
5
单向
PLC 输出点控制除配料之外的中间继电器运 行
6 单向 中间继电器控制电磁阀、电机接触器运行
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单向
仪表采集称重传感器信号，进行放大、转换 成重量显示
8
单向
PLC 采集外部限位开关信号，如搅拌机门、 各秤门信号等进行逻辑判断
另外，该方案配料控制由仪表程序完成，工 控机与 PLC 发出配料信号之后便将配料控制权转 交给仪表，其间工控机只能采集仪表数据，不能再 对仪表进行任何操作，程序协调性、灵活性较差。
