劉 澤 艷

(中國(guó)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，但還存在著生產(chǎn)設(shè)備重要部位持續(xù)監(jiān)測(cè)不足，各種生產(chǎn)參數(shù)、數(shù)據(jù)的采集、傳輸不及時(shí)，不能真實(shí)反映設(shè)備生產(chǎn)時(shí)所處的狀態(tài)，無(wú)法準(zhǔn)確掌握砂石骨料生產(chǎn)時(shí)各種生產(chǎn)細(xì)節(jié)等問(wèn)題，因此很難進(jìn)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(dòng)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(dòng)化控制系統(tǒng)主要依靠各類語(yǔ)言代碼的編程運(yùn)行，但這種方式所需要的語(yǔ)言代碼條數(shù)眾多，邏輯性復(fù)雜，進(jìn)而給程序員增添了很大的工作量，同時(shí)耗費(fèi)時(shí)間和財(cái)力?！癙LC作為一種控制器件，帶有軟件編程的功能，且編程語(yǔ)言為邏輯門電路結(jié)構(gòu)，編寫簡(jiǎn)單快捷，代碼一目了然，緊緊貼合儀器自動(dòng)化運(yùn)行的邏輯性，故而被廣泛運(yùn)用到工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)當(dāng)中?！盵1，2]“物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)各種信息傳感設(shè)備將物和互聯(lián)網(wǎng)連接在一起進(jìn)行信息交換、信息通信和信息處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)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(shì)。筆者依托烏東德水電站下白灘砂石加工系統(tǒng)工程開(kāi)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(kāi)關(guān)的邏輯控制

“在砂石骨料生產(chǎn)過(guò)程中，PLC控制技術(shù)首先應(yīng)用在對(duì)電路開(kāi)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(shí)現(xiàn)的就是針對(duì)各個(gè)主輔機(jī)設(shè)備開(kāi)關(guān)的有效控制，利用編程的邏輯性對(duì)各個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行時(shí)序控制或邏輯控制，讓開(kāi)關(guān)按照砂石骨料生產(chǎn)的意愿運(yùn)作。這樣的控制方式減少了生產(chǎn)周期，避免了不斷換開(kāi)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(duì)象的實(shí)際特征，對(duì)多項(xiàng)功能的模擬版塊進(jìn)行有效結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)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(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)性。其操作的方式主要是利用 PLC 的多個(gè)版塊，例如通訊板塊、I/O模塊和位置控制等對(duì)模擬量進(jìn)行控制，調(diào)整各個(gè)模塊的功能，確保各個(gè)模塊的實(shí)用性，將各個(gè)模塊都分配到有效利用的位置當(dāng)中，以保障模擬實(shí)驗(yàn)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(yùn)算進(jìn)行控制的技術(shù)，其最大的優(yōu)勢(shì)就在于數(shù)學(xué)計(jì)算的強(qiáng)大性。PLC控制技術(shù)在數(shù)據(jù)傳送、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、位操作以及查表等方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)有的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)中，PLC在數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理等多方面的運(yùn)行速度都是領(lǐng)先的，它可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)字的邏輯運(yùn)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(duì)比，比較兩者數(shù)據(jù)差值的大小，以判斷數(shù)據(jù)的真實(shí)性，隨后進(jìn)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(dòng)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(shí)別和采集

將砂石骨料生產(chǎn)線中各種設(shè)備的信息通過(guò)一定手段實(shí)時(shí)并自動(dòng)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(dòng)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(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)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(cè)

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌握砂石骨料生產(chǎn)線的運(yùn)行工況，通過(guò)在線云服務(wù)平臺(tái)和移動(dòng)終端設(shè)備將生產(chǎn)全貌展現(xiàn)給管理者以實(shí)現(xiàn)精確管理，最終達(dá)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(jì)

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(dòng)和產(chǎn)量等信息通過(guò)各種傳感器動(dòng)態(tài)采集，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)時(shí)分析并處理數(shù)據(jù)，安全可靠地將其傳輸?shù)皆品?wù)平臺(tái)，使管理人員通過(guò)移動(dòng)終端或計(jì)算機(jī)隨時(shí)掌握產(chǎn)線的生產(chǎn)和維護(hù)狀態(tài)，及時(shí)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(jiàn)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(chǎng)層、控制層和云服務(wù)層3個(gè)部分組成。電量、啟停指令、電流、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)和產(chǎn)量都是從現(xiàn)場(chǎng)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(duì)象，將其隨機(jī)分為對(duì)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(duì)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(duì)比，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

(1)現(xiàn)場(chǎng)層：主要負(fù)責(zé)各種設(shè)備信息的采集和控制設(shè)備的執(zhí)行，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(jī)溫度和軸承溫度，還包括液壓和潤(rùn)滑系統(tǒng)的溫度。

(2)控制層：主要包括上位機(jī)&OPC、交換機(jī)、中控PLC和中控備妥信號(hào)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制指令是從上位機(jī)&OPC中發(fā)出并經(jīng)過(guò)交換機(jī)進(jìn)入中控PLC和現(xiàn)場(chǎng)PLC中進(jìn)行的?？刂茖拥纳衔粰C(jī)&OPC通過(guò)對(duì)各種控制指令和采集數(shù)據(jù)的綜合處理實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)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(shí)時(shí)更新、顯示，并且能對(duì)中控發(fā)出的指令進(jìn)行程序上的分析判斷，對(duì)非法指令進(jìn)行屏蔽，通過(guò)OPC服務(wù)器和交換機(jī)輸出合法指令。

(3)云服務(wù)層：主要是將現(xiàn)場(chǎng)采集的各種信號(hào)和數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)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(tái)和移動(dòng)終端上。[5]管理人員可以進(jìn)行實(shí)時(shí)在線查詢，并能實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)終端上不受空間、時(shí)間的限制實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)線生產(chǎn)和維護(hù)狀況。

4.2 系統(tǒng)控制原理

生產(chǎn)線系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)采集到的溫度、壓力及轉(zhuǎn)速等信息與現(xiàn)場(chǎng)PLC之間通過(guò)RS485進(jìn)行通訊?，F(xiàn)場(chǎng)層中的現(xiàn)場(chǎng)PLC與控制層中的交換機(jī)之間采用光纖進(jìn)行通訊?？刂茖又械闹锌貍渫仔盘?hào)正常時(shí)才能通過(guò)中控PLC控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。RS485通訊、光纖通訊、交換機(jī)和上位機(jī)&OPC之間的通訊均為雙向。

上位機(jī)能夠?qū)χ锌豍LC發(fā)出的指令進(jìn)行程序邏輯判斷，對(duì)非法指令進(jìn)行屏蔽，合法指令通過(guò)交換機(jī)輸出執(zhí)行。上位機(jī)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(gè)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(jìn)行程序邏輯判斷：當(dāng)x1、x2…xn均為“真”時(shí)，指令y為合法指令并通過(guò)交換機(jī)輸出執(zhí)行；當(dāng)x1、x2…xn有一個(gè)或多個(gè)為“假”時(shí)，指令y為非法指令進(jìn)行屏蔽。

控制層中的中控備妥信號(hào)正常時(shí)才能通過(guò)中控PLC控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備?？刂茖又械闹锌貍渫仔盘?hào)受現(xiàn)場(chǎng)層中溫度、壓力等信號(hào)的聯(lián)鎖控制，當(dāng)溫度、壓力等信號(hào)均正常時(shí)表明中控備妥信號(hào)正常，此時(shí)，允許上位機(jī)通過(guò)中控PLC控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

中控備妥信號(hào)正常表明已完成設(shè)備啟動(dòng)前的準(zhǔn)備工作；上位機(jī)控制指令通過(guò)交換機(jī)進(jìn)入到中控PLC和現(xiàn)場(chǎng)PLC，通過(guò)PLC的CPU進(jìn)行內(nèi)部邏輯的運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)設(shè)備的有序動(dòng)作，從而完成對(duì)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(dòng)及產(chǎn)量等數(shù)據(jù)信息以RS485通訊的方式進(jìn)入到現(xiàn)場(chǎng)PLC，然后通過(guò)光纖通訊將這些數(shù)據(jù)進(jìn)入到交換機(jī)內(nèi)進(jìn)行匯集，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)內(nèi)作分析處理，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)策略的自動(dòng)調(diào)整及控制，具體如下：“假定生產(chǎn)線上單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量為△T、耗電量為△W，定義單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)出比△B=△T/△W，將△B和通過(guò)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的最佳產(chǎn)出比△Bbest進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)△B<△Bbest時(shí)通過(guò)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(shí)間產(chǎn)出比△B向最佳產(chǎn)出比△Bbest趨近，直至達(dá)到△Bbest。PID算法控制給料頻率的過(guò)程公式為：”[5]

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

進(jìn)入到上位機(jī)的數(shù)據(jù)除了通過(guò)處理后在上位機(jī)內(nèi)以各種形式顯示出來(lái)以外，還通過(guò)交換機(jī)、OPC服務(wù)器這條通道以Internet網(wǎng)絡(luò)的途徑進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸從而實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)終端和在線云服務(wù)平臺(tái)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。對(duì)砂石骨料生產(chǎn)線各成品產(chǎn)量實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)與歷史數(shù)據(jù)查詢分析；通過(guò)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析處理并隨時(shí)調(diào)整生產(chǎn)策略以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化生產(chǎn)；通過(guò)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，分析設(shè)備工況，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)。

(2)終端訪問(wèn)功能。通過(guò)在線云服務(wù)平臺(tái)和移動(dòng)終端設(shè)備展現(xiàn)出砂石骨料生產(chǎn)線的全貌，利用手機(jī)或計(jì)算機(jī)訪問(wèn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)、高效、方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的精確管理。

(3)成本控制功能。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線從易損件、產(chǎn)量、能耗三個(gè)維度進(jìn)行成本控制。

(4)報(bào)警功能。當(dāng)電流、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等參與報(bào)警的信號(hào)不在正常范圍時(shí)，報(bào)警信號(hào)通過(guò)交換機(jī)進(jìn)入到上位機(jī)并在上位機(jī)中顯示，同時(shí)警報(bào)響起。

5 系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為12 h，設(shè)備工況調(diào)整不及時(shí)，生產(chǎn)強(qiáng)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(yùn)行時(shí)長(zhǎng)維持在14 h，通過(guò)對(duì)設(shè)備工況的及時(shí)調(diào)整，生產(chǎn)強(qiáng)度維持在850 t/h，極大地提高了生產(chǎn)效率，其對(duì)比情況見(jiàn)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(duì)比表

6 結(jié) 語(yǔ)

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(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，采用PLC和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，安全可靠地對(duì)生產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了采集、傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)控制和在線監(jiān)測(cè)，達(dá)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。