基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李頗繁

摘要：針對混凝土攪拌站人工控制方式的可靠性較差、配料精度較低以及資源利用率不足等缺陷，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件選擇C16IC3/40T型稱重傳感器與西門子S7-200SMART型PLC，引入多傳感器數(shù)據(jù)融合算法，來合成各個(gè)傳感器采集的混凝土原材料質(zhì)量數(shù)據(jù)，引入模糊控制技術(shù)來控制攪拌站進(jìn)料機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。結(jié)合某商品混凝土攪拌站工程項(xiàng)目，測試本文設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的功能，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)整體功能可以達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；混凝土攪拌站；信息化控制；控制系統(tǒng)

0? ?引言

21世紀(jì)以來，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，混凝土使用量與日俱增，同時(shí)對混凝土生產(chǎn)質(zhì)量及效率的要求也越來越高，如何高效生產(chǎn)出高質(zhì)量的混凝土，已經(jīng)成為建筑領(lǐng)域所關(guān)注的重要問題之一。

早期的混凝土攪拌站主要采用人工控制方式，雖然它可以實(shí)現(xiàn)工地混凝土的自產(chǎn)自用，但隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷增加，這種混凝土攪拌站的計(jì)量精度和生產(chǎn)效率，已經(jīng)無法滿足我國建筑行業(yè)的使用需求，自動(dòng)化、智能化的控制逐漸成為混凝土攪拌站發(fā)展方向。

在混凝土攪拌站生產(chǎn)過程中，物料的稱重、配比、攪拌以及卸料等步驟均影響著混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量，為此要求混凝土攪拌站控制系統(tǒng)具備控制能力強(qiáng)且抗干擾性能優(yōu)越等特點(diǎn)。為滿足我國建筑行業(yè)的發(fā)展需求，本文針對混凝土攪拌站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開深入研究。

1? ?混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)[1]需要實(shí)現(xiàn)一整套混凝土生產(chǎn)流程的控制：準(zhǔn)備原材料→稱重→定向輸送→卸料→攪拌?；炷翑嚢枵具\(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，其工作狀態(tài)易受外界因素所制約，所以本文綜合考慮系統(tǒng)的成本、組態(tài)等因素，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來滿足系統(tǒng)的控制需要。混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，本文所設(shè)計(jì)的信息化控制系統(tǒng)主要由PLC、傳感器、打印機(jī)、觸摸屏等硬件組成，其中作為主控單元的PLC與負(fù)責(zé)稱重的傳感器最為關(guān)鍵[2]，直接影響著系統(tǒng)的控制性能與精度，所以下面本文將針對這兩個(gè)硬件的選型做進(jìn)一步的介紹。

1.1? ?傳感器的選型

在混凝土攪拌站控制過程中，為確保原材料配比的精度，系統(tǒng)中配置的稱重傳感器[3]需具有較高的線性度以及較強(qiáng)的抗干擾能力。稱重傳感器就是將待計(jì)量的混凝土原材料的質(zhì)量，轉(zhuǎn)化成相對應(yīng)的物理量信號(hào)。

通常來說，我國混凝土攪拌站對稱重儀器的要求是稱量范圍為0～3500kg。本文研究采用C16IC3/40T型稱重傳感器，該傳感器的靈敏度、線性度以及滯后性等指標(biāo)，均可以滿足本文所設(shè)計(jì)的攪拌站信息化控制系統(tǒng)的需求，其工作參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

所設(shè)計(jì)的混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)中，如果傳感器數(shù)量較少，可能會(huì)出現(xiàn)附加扭矩或橫向力，從而影響稱重精度。如果傳感器數(shù)據(jù)較多，又可能會(huì)因?yàn)榉Q斗形變促使傳感器架空，發(fā)生浪費(fèi)現(xiàn)象，所以本文使用3個(gè)傳感器，以并聯(lián)的形式均勻分布在稱斗周圍，不僅可以使計(jì)量的混凝土原材料重量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，而且可以大大提升傳感器的抗干擾能力。

1.2? ?PLC的選型

可編程控制器（PLC）是一款可以執(zhí)行邏輯運(yùn)算、算數(shù)運(yùn)算等指令的存儲(chǔ)器[4]，對于本文所設(shè)計(jì)的混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)而言，采用PLC作為主控單元，可以將中間繼電器與時(shí)間繼電器省去，從而節(jié)約系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。

結(jié)合混凝土攪拌站的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)可知，信息化控制系統(tǒng)具備了眾多數(shù)字與模擬的輸入輸出信號(hào)，所以在進(jìn)行PLC的選型時(shí)，本文采用了配置靈活且豐富的西門子S7-200SMART型PLC，其輸入與輸出點(diǎn)的數(shù)量如表2所示。

在該P(yáng)LC運(yùn)行過程中，它主要以從上至下的順序來執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，并把運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)至寄存器內(nèi)，具有編程簡單、功能完善以及適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，十分適用于本文所設(shè)計(jì)的混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)中。

2? ?混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1? ?多傳感器數(shù)據(jù)融合算法

由混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容可知，該系統(tǒng)中使用了多個(gè)稱重傳感器，而每個(gè)傳感器所采集的數(shù)據(jù)均不一致，所以本文引入數(shù)據(jù)融合算法[5]，來合成各個(gè)傳感器所采集的數(shù)據(jù)，從而得到目標(biāo)混凝土原材料重量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)融合也叫信息融合，就是充分利用混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)多傳感器所采集的異構(gòu)及非異構(gòu)數(shù)據(jù)，以某一準(zhǔn)則或規(guī)律進(jìn)行組合。這種組合可以是時(shí)間上的，也可以是空間上的，最終會(huì)得到一個(gè)合成的目標(biāo)數(shù)據(jù)。

多傳感器數(shù)據(jù)融合算法的精度，不僅關(guān)系著混凝土原材料計(jì)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，而且影響著混凝土攪拌站控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)還能避免控制系統(tǒng)在采集混凝土原材料重量數(shù)據(jù)時(shí)，出現(xiàn)噪聲數(shù)據(jù)影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2.2? ?模糊控制技術(shù)

在本文所設(shè)計(jì)的信息化控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，要想確保混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量，就必須要對攪拌站進(jìn)料機(jī)構(gòu)動(dòng)作進(jìn)行準(zhǔn)確控制[7]，從而提升混凝土配料過程的精度?；炷翑嚢枵镜呐淞鲜且豁?xiàng)極為復(fù)雜的工作，如果使用傳統(tǒng)控制理論無法保障控制效果，所以本文引入模糊控制技術(shù)。

模糊控制技術(shù)屬于一種智能控制方法，具有較強(qiáng)的魯棒性。混凝土的配料過程具有慣性大、非線性等特點(diǎn)，使用模糊控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)混凝土原材料的按需配比控制，從而提升混凝土生產(chǎn)效率。首先需要根據(jù)控制規(guī)則設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器，如圖2所示。

3? ?應(yīng)用實(shí)例

某商品混凝土攪拌站工程項(xiàng)目用地28畝，現(xiàn)有3條HZS270型商品混凝土站生產(chǎn)線，2條HZS240型商品混凝土站生產(chǎn)線。該混凝土攪拌站生產(chǎn)混凝土的工藝流程如圖3所示。

如圖3所示，在混凝土攪拌站內(nèi)，將水泥、水、粉煤灰等原材料以一定的比例加入攪拌機(jī)內(nèi)，經(jīng)過一段時(shí)間的攪拌后，將其運(yùn)輸至工地現(xiàn)場以待使用。

在本文設(shè)計(jì)的混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)開發(fā)完畢之后，將系統(tǒng)部署于該混凝土攪拌站中進(jìn)行系統(tǒng)測試。為確保本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，本章主要針對系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試。要求測試人員深入混凝土攪拌站進(jìn)行實(shí)地測試，保障測試結(jié)果的精準(zhǔn)?；炷翑嚢枵緶y試如表3所示。

由表3可知，本文所設(shè)計(jì)的混凝土攪拌站信息化控制系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊均已通過測試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可用性，能夠滿足混凝土攪拌站的智能化控制需求。

4? ?結(jié)束語

針對混凝土攪拌站人工控制方式的可靠性較差、配料精度較低以及資源利用率不足等缺陷，本文以混凝土攪拌站為研究對象，設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息化控制系統(tǒng)。結(jié)合混凝土攪拌站的實(shí)際業(yè)務(wù)需要，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)混凝土攪拌站的智能化控制。

雖然本文的研究具有一定創(chuàng)新性，但由于時(shí)間有限，該系統(tǒng)仍有需要完善的地方，所以下一步筆者將針對系統(tǒng)的功能進(jìn)行豐富?；炷翑嚢枵局行枰刂圃O(shè)備眾多，如果可以引入3D場景建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)混凝土攪拌站設(shè)備的可視化監(jiān)控，則將促使控制系統(tǒng)價(jià)值更大。

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