基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的砂石骨料生產(chǎn)線研究

劉 澤 艷

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

傳統(tǒng)的砂石骨料生產(chǎn)雖然已經(jīng)實現(xiàn)了自動控制，但還存在著生產(chǎn)設(shè)備重要部位持續(xù)監(jiān)測不足，各種生產(chǎn)參數(shù)、數(shù)據(jù)的采集、傳輸不及時，不能真實反映設(shè)備生產(chǎn)時所處的狀態(tài)，無法準確掌握砂石骨料生產(chǎn)時各種生產(chǎn)細節(jié)等問題，因此很難進一步提升砂石骨料的產(chǎn)量和質(zhì)量。

砂石骨料生產(chǎn)自動化控制主要依賴于大型器械和軟硬件之間的配合。傳統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)主要依靠各類語言代碼的編程運行，但這種方式所需要的語言代碼條數(shù)眾多，邏輯性復(fù)雜，進而給程序員增添了很大的工作量，同時耗費時間和財力?！癙LC作為一種控制器件，帶有軟件編程的功能，且編程語言為邏輯門電路結(jié)構(gòu)，編寫簡單快捷，代碼一目了然，緊緊貼合儀器自動化運行的邏輯性，故而被廣泛運用到工業(yè)自動化生產(chǎn)當中?！盵1，2]“物聯(lián)網(wǎng)通過各種信息傳感設(shè)備將物和互聯(lián)網(wǎng)連接在一起進行信息交換、信息通信和信息處理，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)測和控制，能夠提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗?！盵3]因此，隨著PLC控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將二者結(jié)合應(yīng)用到砂石骨料的生產(chǎn)中已經(jīng)成為一種趨勢。筆者依托烏東德水電站下白灘砂石加工系統(tǒng)工程開展了基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的砂石骨料生產(chǎn)線研究。

2 砂石生產(chǎn)線PLC控制技術(shù)的應(yīng)用

2.1 儀器開關(guān)的邏輯控制

“在砂石骨料生產(chǎn)過程中，PLC控制技術(shù)首先應(yīng)用在對電路開關(guān)的控制上。PLC技術(shù)是一種邏輯門的可編程控制器，”在砂石骨料生產(chǎn)中，其首先實現(xiàn)的就是針對各個主輔機設(shè)備開關(guān)的有效控制，利用編程的邏輯性對各個開關(guān)進行時序控制或邏輯控制，讓開關(guān)按照砂石骨料生產(chǎn)的意愿運作。這樣的控制方式減少了生產(chǎn)周期，避免了不斷換開關(guān)的麻煩，滿足了砂石骨料生產(chǎn)的諸多要求。

2.2 模擬量的控制

“PLC控制技術(shù)可以根據(jù)控制對象的實際特征，對多項功能的模擬版塊進行有效結(jié)合，構(gòu)建一個完整的模擬系統(tǒng)?！盵4]這種控制方式更加靈活，可以模擬多種生產(chǎn)情況，降低試運行的風(fēng)險性。其操作的方式主要是利用 PLC 的多個版塊，例如通訊板塊、I/O模塊和位置控制等對模擬量進行控制，調(diào)整各個模塊的功能，確保各個模塊的實用性，將各個模塊都分配到有效利用的位置當中，以保障模擬實驗的可靠性。

2.3 數(shù)據(jù)的控制

控制技術(shù)是一種基于邏輯運算進行控制的技術(shù)，其最大的優(yōu)勢就在于數(shù)學(xué)計算的強大性。PLC控制技術(shù)在數(shù)據(jù)傳送、邏輯運算、數(shù)據(jù)處理、位操作以及查表等方面都具有獨特的優(yōu)勢。在現(xiàn)有的工業(yè)自動化技術(shù)中，PLC在數(shù)據(jù)采集、運算處理等多方面的運行速度都是領(lǐng)先的，它可以在較短的時間內(nèi)完成數(shù)字的邏輯運算和數(shù)據(jù)處理等工作，并將處理得到的數(shù)據(jù)與之前采集到的數(shù)據(jù)相對比，比較兩者數(shù)據(jù)差值的大小，以判斷數(shù)據(jù)的真實性，隨后進行控制操作。其特別適合應(yīng)用于砂石骨料產(chǎn)線系統(tǒng)的自動反饋控制。

3 砂石生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 設(shè)備信息的識別和采集

將砂石骨料生產(chǎn)線中各種設(shè)備的信息通過一定手段實時并自動轉(zhuǎn)化為可處理的數(shù)字化信息和數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)設(shè)備的傳感信息(電流、溫度、壓力等)、設(shè)備的工作狀態(tài)信息(轉(zhuǎn)速、振動等)和設(shè)備產(chǎn)量等。

3.2 信息分析處理與傳輸

將采集到的生產(chǎn)設(shè)備相關(guān)信息通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行分析和處理，將傳感器數(shù)據(jù)直接利用網(wǎng)絡(luò)安全可靠地傳送到數(shù)據(jù)傳輸單元。

3.3 骨料生產(chǎn)線的控制與監(jiān)測

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對生產(chǎn)過程實施實時監(jiān)控，掌握砂石骨料生產(chǎn)線的運行工況，通過在線云服務(wù)平臺和移動終端設(shè)備將生產(chǎn)全貌展現(xiàn)給管理者以實現(xiàn)精確管理，最終達到優(yōu)化系統(tǒng)產(chǎn)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

4 基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的砂石骨料生產(chǎn)線系統(tǒng)的設(shè)計

利用PLC和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將砂石骨料生產(chǎn)線設(shè)備的電流、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、振動和產(chǎn)量等信息通過各種傳感器動態(tài)采集，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實時分析并處理數(shù)據(jù)，安全可靠地將其傳輸?shù)皆品?wù)平臺，使管理人員通過移動終端或計算機隨時掌握產(chǎn)線的生產(chǎn)和維護狀態(tài)，及時采取有效的控制措施保障系統(tǒng)最優(yōu)化生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗。

4.1 生產(chǎn)線系統(tǒng)架構(gòu)

生產(chǎn)線系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的砂石骨料生產(chǎn)線系統(tǒng)架構(gòu)圖

從砂石骨料生產(chǎn)線特性看，系統(tǒng)至少應(yīng)由現(xiàn)場層、控制層和云服務(wù)層3個部分組成。電量、啟停指令、電流、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、振動和產(chǎn)量都是從現(xiàn)場設(shè)備上采集的數(shù)據(jù)。

選取2017年1月～12月在我院接受治療的老年高血壓伴心功能不全患者110例作為研究對象，將其隨機分為對照組與治療組，各55例。其中，治療組男29例，女26例，年齡43～80歲，平均年齡（61.50±10.56）歲，平均病程（3.11±1.23）年；對照組男31例，女24例，年齡45～79歲，平均年齡（62.14±7.90）歲，平均病程（3.24±0.99）年。兩組患者一般資料對比，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

(1)現(xiàn)場層：主要負責(zé)各種設(shè)備信息的采集和控制設(shè)備的執(zhí)行，通過現(xiàn)場PLC采集設(shè)備消耗電量、啟停狀態(tài)、電流大小、溫度高低、壓力大小、轉(zhuǎn)速快慢、振動程度和產(chǎn)量多少等數(shù)據(jù)信息，其中所采集的溫度數(shù)據(jù)信息不僅包括電機溫度和軸承溫度，還包括液壓和潤滑系統(tǒng)的溫度。

(2)控制層：主要包括上位機&OPC、交換機、中控PLC和中控備妥信號，對現(xiàn)場設(shè)備的控制指令是從上位機&OPC中發(fā)出并經(jīng)過交換機進入中控PLC和現(xiàn)場PLC中進行的。控制層的上位機&OPC通過對各種控制指令和采集數(shù)據(jù)的綜合處理實現(xiàn)對整個骨料生產(chǎn)系統(tǒng)各種設(shè)備的有序控制和各種數(shù)據(jù)的實時更新、顯示，并且能對中控發(fā)出的指令進行程序上的分析判斷，對非法指令進行屏蔽，通過OPC服務(wù)器和交換機輸出合法指令。

(3)云服務(wù)層：主要是將現(xiàn)場采集的各種信號和數(shù)據(jù)經(jīng)過無線數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)后以Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞秸宫F(xiàn)在云服務(wù)平臺和移動終端上。[5]管理人員可以進行實時在線查詢，并能實現(xiàn)在移動終端上不受空間、時間的限制實時掌握生產(chǎn)線生產(chǎn)和維護狀況。

4.2 系統(tǒng)控制原理

生產(chǎn)線系統(tǒng)現(xiàn)場采集到的溫度、壓力及轉(zhuǎn)速等信息與現(xiàn)場PLC之間通過RS485進行通訊?，F(xiàn)場層中的現(xiàn)場PLC與控制層中的交換機之間采用光纖進行通訊。控制層中的中控備妥信號正常時才能通過中控PLC控制現(xiàn)場設(shè)備。RS485通訊、光纖通訊、交換機和上位機&OPC之間的通訊均為雙向。

上位機能夠?qū)χ锌豍LC發(fā)出的指令進行程序邏輯判斷，對非法指令進行屏蔽，合法指令通過交換機輸出執(zhí)行。上位機依據(jù)公式y(tǒng)=x1&&x2&&x3…&&xn，其中xi(i=1,2,…,n)是指令y中的任意一個邏輯條件，可以是接觸器得電、油溫正常等，能夠?qū)χ锌豍LC發(fā)出的指令進行程序邏輯判斷：當x1、x2…xn均為“真”時，指令y為合法指令并通過交換機輸出執(zhí)行；當x1、x2…xn有一個或多個為“假”時，指令y為非法指令進行屏蔽。

控制層中的中控備妥信號正常時才能通過中控PLC控制現(xiàn)場設(shè)備?？刂茖又械闹锌貍渫仔盘柺墁F(xiàn)場層中溫度、壓力等信號的聯(lián)鎖控制，當溫度、壓力等信號均正常時表明中控備妥信號正常，此時，允許上位機通過中控PLC控制現(xiàn)場設(shè)備。

中控備妥信號正常表明已完成設(shè)備啟動前的準備工作；上位機控制指令通過交換機進入到中控PLC和現(xiàn)場PLC，通過PLC的CPU進行內(nèi)部邏輯的運算以實現(xiàn)各種生產(chǎn)設(shè)備的有序動作，從而完成對各種生產(chǎn)設(shè)備的控制；所采集到的電量、電流、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、振動及產(chǎn)量等數(shù)據(jù)信息以RS485通訊的方式進入到現(xiàn)場PLC，然后通過光纖通訊將這些數(shù)據(jù)進入到交換機內(nèi)進行匯集，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C內(nèi)作分析處理，以實現(xiàn)生產(chǎn)策略的自動調(diào)整及控制，具體如下：“假定生產(chǎn)線上單位時間內(nèi)產(chǎn)量為△T、耗電量為△W，定義單位時間內(nèi)的產(chǎn)出比△B=△T/△W，將△B和通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到的最佳產(chǎn)出比△Bbest進行對比，當△B<△Bbest時通過PID算法調(diào)節(jié)給料頻率從而控制系統(tǒng)產(chǎn)量使單位時間產(chǎn)出比△B向最佳產(chǎn)出比△Bbest趨近，直至達到△Bbest。PID算法控制給料頻率的過程公式為：”[5]

式中f(t)為PID控制器的輸出信號；Kp為比例常數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；e(t)為誤差值，既實際產(chǎn)出比與最佳產(chǎn)出比的差值。

進入到上位機的數(shù)據(jù)除了通過處理后在上位機內(nèi)以各種形式顯示出來以外，還通過交換機、OPC服務(wù)器這條通道以Internet網(wǎng)絡(luò)的途徑進行遠程傳輸從而實現(xiàn)在移動終端和在線云服務(wù)平臺上的信息數(shù)據(jù)顯示及查詢。

4.3 系統(tǒng)具有的主要功能

(1)實時監(jiān)測功能。對砂石骨料生產(chǎn)線各成品產(chǎn)量實施實時監(jiān)測、歷史產(chǎn)量統(tǒng)計與歷史數(shù)據(jù)查詢分析；通過對生產(chǎn)設(shè)備運行參數(shù)實施實時監(jiān)測，分析處理并隨時調(diào)整生產(chǎn)策略以實現(xiàn)最優(yōu)化生產(chǎn)；通過對生產(chǎn)設(shè)備進行實時在線監(jiān)測，分析設(shè)備工況，及時對設(shè)備進行檢測和維護。

(2)終端訪問功能。通過在線云服務(wù)平臺和移動終端設(shè)備展現(xiàn)出砂石骨料生產(chǎn)線的全貌，利用手機或計算機訪問系統(tǒng)實時、高效、方便地實現(xiàn)生產(chǎn)線的精確管理。

(3)成本控制功能。實現(xiàn)生產(chǎn)線從易損件、產(chǎn)量、能耗三個維度進行成本控制。

(4)報警功能。當電流、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、振動等參與報警的信號不在正常范圍時，報警信號通過交換機進入到上位機并在上位機中顯示，同時警報響起。

5 系統(tǒng)運行取得的效果

該研究所依托的烏東德下白灘砂石加工系統(tǒng)的處理能力為1 250 t/h，生產(chǎn)能力為1 000 t/h。在應(yīng)用PLC控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)前系統(tǒng)的日平均運行時長為12 h，設(shè)備工況調(diào)整不及時，生產(chǎn)強度維持在760 t/h；PLC控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用后，日平均運行時長維持在14 h，通過對設(shè)備工況的及時調(diào)整，生產(chǎn)強度維持在850 t/h，極大地提高了生產(chǎn)效率，其對比情況見表1。

表1 PLC控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用前后系統(tǒng)對比表

6 結(jié) 語

基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的砂石骨料生產(chǎn)線已成功應(yīng)用于烏東德水電站下白灘砂石加工系統(tǒng)工程。在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中，采用PLC和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，安全可靠地對生產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備運行參數(shù)進行了采集、傳輸和處理，實現(xiàn)了對整個生產(chǎn)線的實時控制和在線監(jiān)測，達到了優(yōu)化系統(tǒng)生產(chǎn)能力、提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的目的。