称重配料控制系统 基于MCGS和PLC的混凝土自动配料控制系统

作者简介：吴学全（1987-），男，山东德州人，江南大学物联网工程学院硕士研究生，研究方向：自动配料，PLC控制与应用；高

美凤（1963-），女（蒙古族），江苏镇江人，副教授，研究方向：信号处理，无线传感网技术。

基于MCGS和PLC的混凝土自动配料控制系统

吴学全，高美凤

(江南大学物联网工程学院，江苏无锡214122)

摘要：为提高混凝土的质量和产量，使用称重仪表采集物料重量，PLC实现控制功能，组态软件监视与控制通用系统

(MCGS)完成整个系统的实时监控、数据管理以及故障报警等功能，实现混凝土配料控制系统。本文介绍系统的硬件及

主要设备的选型，以及系统软件设计，重点阐述物料加料控制和PLC的控制流程。

关键词：MCGS;PLC;配料;自动控制

中图分类号：TP273文献标识码：Adoi:10．3969/j．issn．1006-2475．2012．12．009

AutomaticConcreteBatchingControlSystemBasedonMCGSandPLC

WUXue-quan，GAOMei-feng

（SchoolofInternetofThingsEngineering，JiangnanUniversity，Wuxi214122，China）

Abstract：Inordertoimproveconcretequalityandyield，theconcretebatchingcontrolsystemisachievedbyusingweighingin-

strumenttocollectmaterialweight，PLCtorealizecontrolfunction，configurationsoftwareMCGStocompletethesystemreal-time

monitoring，datamanagementandalarmfunction．Thesystemhardwareandsoftwaredesignisintroduced，andtherawmaterial

feedingcontrolandPLCcontrolflowareexplainedespecially．

Keywords：MCGS；PLC；batching；automaticcontrol

0引言

随着社会经济的发展和技术的不断进步，混凝土

的需求量越来越大，质量要求也越来越高，提高混凝

土的质量和产量已经十分必要。自动控制的混凝土

搅拌站具有产品质量优良、生产效率高、环保性能好

等特点，正在成为混凝土生产的主流，这使得混凝土

配料控制系统的重要性日益增强

［1-7］

。本文采用性能

稳定的PLC、组态软件MCGS和高精度称重仪表设计

混凝土自动配料控制系统，该系统可以实现从配料计

量，搅拌，到出料生产全过程的自动化、智能化，同时

还有对数据进行浏览、查询、统计、打印等一系列管理

功能。

1系统设计

混凝土配料共有8个料斗，分别装有4种石料、

两种水泥、添加剂和水。每个料斗各配有一台称重仪

表，分别对每种物料的下料量进行实时采集，将重量

传输至工控机，根据与设定参数的比对，通过PLC实

现对电机、阀门的控制。上位机对各种工艺参数进行

实时监控，包括设定值的给定、提前量、累积量等。

系统上位机采用组态软件MCGS，主要完成对重

量数据的处理和PLC进行通讯、实时监控、数据的储

存

［8-10］

。完成对物料的控制、画面的动感效果，数据

的存储是主要解决的技术问题。

PLC作为下位机，采用Windows操作系统下的

STEP7编程软件进行程序的在线或离线检查、调试、

监控等操作，以方便可靠地实现对现场设备的控制。

由于混凝土搅拌设备需要连续地生产，且各个动作之

间有着严格的顺序限制，因此采用顺序控制、经验控

制和步进控制相结合，软件设计包括初始化程序、主

程序、子程序、中断程序、故障应急措施和辅助程序的

设计。

34计算机与现代化2012年第12期

2系统硬件设计

本文设计的混凝土配料控制系统硬件组成如图

1所示，具体组成如下：

（1）上位机采用研华IPC，其机箱采用全钢结构

具有抗冲击、抗振动、抗电磁干扰等作用，内置专用电

源具有较强的抗干扰能力，采用底板+CPU卡结构，

具有很强的可扩展性。

（2）PLC选用西门子公司的S7-200，它指令丰

富，执行速度快，调试和故障诊断方便，具有灵活的终

端及强大的通信功能，此外丰富的各种扩展模块能够

满足不同用户的需求。同时提供了先进的编程特性，

易于组态，便于安装，能方便地取代简便的继电器及

复杂的中型自动化应用系统。与上位机之间采用

PPI通讯协议，可以方便有效地进行数据传输。

（3）称重仪表采用科丰XK3201，该仪表具有密

封好、体积小、功耗低、安装方便、操作简单等特点。

在高温工作干扰大和高频率开关动作等恶劣环境条

件下，并且具有很强的适应性。与上位机之间采用

MODBUS主从方式网络通讯协议，通过称重传感器

实时采集物料重量并经过处理后传输至上位机，具有

称量精度高、可靠性好等特点。

图1系统硬件结构图

3系统软件设计

3．1上位机监控软件设计

监控软件主要由以下模块组成：

（1）通讯模块：上位机完成与称重仪表和PLC的

通讯，实现数据交互。

（2）配方管理模块：任意添加或修改配方。通过

预存大量生产配方，使得用户不需要输入操作只需要

选中配方即可。

（3）报警管理模块：对报警的情况进行分类并采

用弹出框或警示灯闪烁提醒操作员及时处理。

（4）数据管理模块：实现对数据的输入及查询、

历史数据的存储以及报表的预览和打印。

（5）动画显示模块：实现生产过程的动画效果，

提高生产各环节的管理。

（6）系统管理模块：管理用户名、密码、权限和用

户帮助等。用户只有在登录界面输入正确的用户名

和密码才能实现远程监控，同时会记录操控人员信

息，做到责任到人。

3．2通信功能的实现

上位机与PLC之间采用PPI通信协议，采用主从

式的通讯方式，上位机发出读写指令，PLC接收并作

出正确的响应（返回应答数据E5H或F9H），上位机

接到此响应则发出确认命令（10025C5E16），PLC

再返回给上位机相应的数据

［11-12］

。数据的组成格式

如表1所示。

表1PPI通信协议数据组成格式

SDLE LEr SD DA SA FC DSAP SSAP DU FCS ED

开

始

符

数

据

长

度

开

始

符

目

的

地

址

源

地

址

功

能

码

目

的

服

务

存

取

点

源

服

务

存

取

点

数

据

单

元

校

验

码

结

束

符

其中，数据长度为自 DA 至 DU 的数据长度；开始符

为68H；读、写的功能码分别为6CH、7CH；结束符为

16H。

上位机与称重仪表之间采用 MODBUS 通信协

议

［13-14］

，模式采用 RTU 方式，由8 个字节组成，具体

组成如表2 所示。

表2 MODBUS 通信协议

字节号 1 2 3 4 5 6 7 8

意义 设备地址 功能码 寄存器地址 数据区 CRC 校验

其中，设备地址：本系统设备地址为1 到8。功能码：

科丰仪表支持“03H”、“06H”、“10H”3 种功能，本系

统采用03H 只读功能。

3． 3 界面的设计

采用面向工作流程的设计方法，可以设计出可靠

美观的图形界面以满足现场生产的需求，使现场设备

在监控画面中真实生动地体现。本系统人机界面如

图2 所示。在上位机上不仅可以实现系统各项参数

的显示，还可以动态显示各个设备的运行状态。通过

上位机上的软按钮可以远程控制阀门、水泵、搅拌机

2012 年第12 期 吴学全等: 基于MCGS 和PLC 的混凝土自动配料控制系统 35

等设备的开启与关闭。

3． 4 功能的实现

加料控制是整个系统控制中最重要一个环节，由

上位机和 PLC 共同完成。在整个加料过程中，采用

初期的快加料和后期的慢加料两步给料，从而减小由

于大冲量而引起的落料误差。在停止给料后，物料本

身的属性、阀门或电机转速等因素将是影响最终称量

精度的直接原因

［15］

。通过对过去的落料误差分析处

理，预测未来的误差并进行提前补偿，使实际称量值

在设定值上下很小范围内波动，且称量次数越多时间

越长，实际值越趋于设定值。

加料具体控制算法如图3 所示，当第n 次称量结

束时：

（1）本次误差W

不大于上次 W

n － 1

，则提前量 μ

不变；

（2）本次误差W

大于上次W

n － 1

，则要变更提前

量μ。如果最近 m 次平均称量值大于设定值，取差

值平均后作为补偿值 Δμ

n + 1

减小提前量。如果最近

m 次平均称量值小于设定值，取差值平均后作为补偿

值Δμ

n + 1

增大提前量。

图2 人机界面

3． 5 PLC 控制功能软件设计

PLC 程序主要包括两部分：主任务和中断任务。

主任务包括主程序OB1 和子程序FB1、FB2 等多个功

能块，在主程序中不断地调用子程序完成控制任务。

主程序决定整个程序从开始到结束的每个时刻的任

务，子程序主要包括对各个电机、阀门的控制等。中

断主要是处理故障检测点的应急情况，一旦发生故障

立即中断配料过程并发出警报。

整个过程中PLC 采集行程开关和控制按钮等提

供的开关量信号以及接收来自工控机的控制命令，并

对此进行处理后，输出对电磁阀、电动机等各个执行

机构的控制信号。其控制流程图如图4 所示。

图3 加料控制流程图

图4 PLC 控制流程图

36 计 算 机 与 现 代 化 2012 年第12 期

4 结束语

该混凝土配料控制系统充分利用了 PLC 具有可

靠性高、功能完善、产品标准化以及编程简单直观等

优点，能够有效弥补继电器控制和单片机控制在可靠

性方面的缺陷，与工控机配合易于实现操作与管理。

同时自动配料控制系统配料均匀，运行稳定可靠。变

速给料结合高精度电子称量，实现了高精度自动配

料，达到全自动控制，大大提高了生产效率，降低了操

作人员的劳动强度，节约了劳动成本，具有良好的经

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455-459．

( 上接第32 页) 等，提高了系统的抗扰性。ADRC 算法

简单、明确，设计、调试灵活，该方法所设计的炮控系

统控制器具有优良的控制性能，并使得设计效率得到

了提高。

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