基于PLC與HMI的瀝青貫入度儀控制系統(tǒng)的設(shè)計

岳曉文 趙 云

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336)

1 概述

瀝青混凝土作為公路建設(shè)中必要的材料，具有優(yōu)良的抗老化性能、抗疲勞性能等。但是溫度的變化會導(dǎo)致瀝青混合料性能有較大的差異，不同溫度條件下路面會產(chǎn)生不同的損壞形式，其疲勞壽命也受溫度影響。當(dāng)路面積水后，積水滲入瀝青內(nèi)部，對瀝青路面也會產(chǎn)生很大的影響。高溫下對瀝青路面會產(chǎn)生不利影響，所以是否能保證瀝青混合料在高溫以及有水條件下的質(zhì)量，是保證瀝青路面質(zhì)量的關(guān)鍵。瀝青混合料是一種典型的流變性材料，它的強度和勁度模量隨著溫度的升高而降低，因此高溫穩(wěn)定性是夏炎地區(qū)瀝青路面須有的重要性質(zhì)。瀝青混凝土貫入度測試是將瀝青混凝土置入有水及高溫的條件下，測量其在一定載荷量下的變形量。因此瀝青混凝土貫入度是瀝青混凝土高溫性能的重要指標。現(xiàn)有的瀝青混凝土貫入度的測試設(shè)備采用單電機單測試功能，人工獲取記錄數(shù)據(jù)，人工控制水溫等方式來進行測量，具有測試效率低、精度差、更換測試砝碼困難等問題。

新型的瀝青混凝土貫入整個系統(tǒng)包括自動升降裝置、下壓裝置、測試裝置、溫水循環(huán)裝置和自動控制系統(tǒng)等，如圖1所示，并且可同時測試3組試件，其基本的工藝為將試模和試件一起放入預(yù)先設(shè)定溫度的水浴中保溫60 min，試驗溫度可設(shè)置為50 ℃，55 ℃，60 ℃將貫入桿垂直下伸到試件表面的中央，并使其與試件表面接觸；放下貫入桿的同時開始計時，初加荷載為2.5 kgf(24.5 N)，讀取10 min時位移傳感器的讀數(shù)，精確到0.01 mm；在沒有沖擊力的情況下，將50 kgf(490.5 N)的荷重砝碼放在承重臺上，記錄1 min，2 min，3 min，5 min，10 min，20 min，30 min和60 min時位移傳感器的讀數(shù)，精確到0.01 mm，30 min時的讀數(shù)為該試件的貫入度，60 min時的讀數(shù)與30 min時的讀數(shù)之差為貫入度增量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)在測試運行過程中不僅要控制系統(tǒng)的運行測試，并且要求顯示實時數(shù)據(jù)曲線并保存數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本系統(tǒng)采用的硬件配置如圖2所示,即PLC通過以太網(wǎng)與人機界面(HMI)相連,人機界面作為上位機完成系統(tǒng)操作及實驗數(shù)據(jù)的顯示。

系統(tǒng)的開關(guān)量信號直接進到PLC的輸入端口,而系統(tǒng)的溫度、位移等模擬量信號由模擬量擴展模塊采集進入PLC。對于PLC輸出的控制信號通過中間繼電接到執(zhí)行器。HMI監(jiān)控PLC的內(nèi)部狀態(tài)以及實時的溫度、位移參數(shù),并以曲線形式顯示，以實現(xiàn)對工藝流程進度的監(jiān)控,同時把系統(tǒng)工藝要求的參數(shù)設(shè)置值下傳到PLC,并在測試結(jié)束時保存實驗數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)采用西門子200PLC作為控制器，其結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大、成本低[1]，并且可以方便地擴展模塊來實現(xiàn)對模擬量的采集和控制，另外，編程軟件使用簡便，極易實現(xiàn)該系統(tǒng)的啟停、PID的算法和自整定等。采用Smart1000作為人機交互界面[2]，實現(xiàn)人與PLC的動態(tài)交互，可以通過設(shè)置PID的參數(shù)、設(shè)定控制溫度和顯示當(dāng)前溫度，PT100溫度傳感器作為測量反饋環(huán)節(jié)，測得過程變量當(dāng)前值并送入控制器；調(diào)壓板、可控硅功率器件和電加熱套接受控制器的電流輸出而做出相應(yīng)調(diào)整，進而影響被控溫度變量。位移傳感器將事件的實時位移反饋給PLC和Smart1000觸摸屏進行交互顯示測試事件的當(dāng)前位移和歷史曲線趨勢等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分包括PLC的控制程序設(shè)計和觸摸屏的組態(tài)程序設(shè)計。在Step7-Micro/Win中編制PLC的控制程序。控制程序主要是水浴的恒溫控制和系統(tǒng)開關(guān)量、模擬量處理，而水浴的恒溫控制是系統(tǒng)難點。

3.1 PLC的控制程序設(shè)計

PID作為一種自動控制方法[3]，是比例、積分、微分的縮寫，在控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。PID根據(jù)系統(tǒng)的給定值和反饋值之間的相對差值，按照PID的運算規(guī)律計算出結(jié)果，執(zhí)行元件按照運算結(jié)果自動調(diào)節(jié)，達到被控制量跟隨給定值的變化的目的[4]。本系統(tǒng)的水浴恒溫控制部分采用PID控制算法。西門子S7-200PLC集成了PID指令向?qū)В鶕?jù)向?qū)ё詣由梢粋€閉環(huán)控制過程的PID算法，在向?qū)У闹敢绿顚懴鄳?yīng)的參數(shù)，就可便捷的完成PID算法的編程。在向?qū)н^程中已經(jīng)完成了物理量的標定，在應(yīng)用程序中無需再對物理量編程轉(zhuǎn)換，直接調(diào)用向?qū)傻腜ID子程序，就可完成PID的控制任務(wù)，且只能SM0.0作為引用子程序的唯一條件。

1)PID的參數(shù)配置。

在Step7-Micro/Win中新建項目，利用PID指令向?qū)б龑?dǎo)創(chuàng)建PID中斷子程序。單擊Micro/Win導(dǎo)航欄工具菜單中的功能向?qū)В缓笤谥噶钕驅(qū)Т翱谥羞x擇PID向?qū)ВM行PID配置。其中給定值的高低限的范圍，給定值的范圍與過程變量的范圍必須相對應(yīng)，設(shè)置低限為0.0，高限為100.0,表示給定值占過程反饋量程的百分比。輸入輸出極性選擇單極性和20%的偏移量。完成PID向?qū)渲煤螅诜柋碇性O(shè)置比例、積分、微分等參數(shù)的地址，如表1所示，利用這些參數(shù)地址可與HIM進行交互，方便參數(shù)的修改和編程調(diào)試。利用這些參數(shù)地址可與HIM進行交互，方便參數(shù)的修改和編程調(diào)試。

表1 PID符號表

2)PID的自整定。

在Step7-Micro/Win的PID調(diào)節(jié)面板里可以啟動、停止自整定功能使PID調(diào)節(jié)器工作在自動模式下，單擊“Start Auto Tune”啟動自整定功能，自整定控制器會自動在輸出中加入階躍擾動，使得控制過程中產(chǎn)生振蕩，通過階躍響應(yīng)曲線，控制器自動計算出優(yōu)化的PID參數(shù)。

3)控制程序調(diào)試。

將程序下載至PLC、按照系統(tǒng)要求設(shè)定控制溫度為60 ℃，比例增益為6，積分時間為30 min，微分時間為0，當(dāng)過反饋值接近給定值且基本穩(wěn)定時，啟動自整定程序，自動整定推薦比例增益為9，積分時間為41 min，微分時間為0。系統(tǒng)使用自整定出的推薦參數(shù)進行溫度控制，控制穩(wěn)態(tài)精度可達0.5 ℃左右，效果較好，可以滿足系統(tǒng)要求。

3.2 觸摸屏的組態(tài)程序設(shè)計

Smart1000的人機界面組態(tài)軟件WinCC Flexible，具有良好的開放性和靈活性，功能強大，集成了圖形界面管理、歸檔系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、報表系統(tǒng)、配方管理系統(tǒng)等組態(tài)功能[5]。對觸摸屏作組態(tài)連接時，首先在WinCC Flexible中創(chuàng)建新項目，設(shè)備類型選擇“Smart1000”，在“通信—連接”中選擇S7-200PLC，建立HMI與 S7-200PLC的連接[6]。在“通信—變量”中定義要與PLC交互的變量[7]，如作為人工控制的PID自整定啟動或取消變量，這些變量參數(shù)的數(shù)據(jù)類型和地址必須與PLC中對應(yīng)的元素一致。組態(tài)主畫面時，設(shè)計為系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測區(qū)域、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定區(qū)域和實時曲線區(qū)域三個部分。系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測區(qū)域使用棒圖顯示恒溫水浴的當(dāng)前溫度，使用I/O域顯示測試事件的位移；可通過控制PID的微分與積分時間等變量參數(shù)來設(shè)置水浴溫度，系統(tǒng)的啟停與自動運行等。組態(tài)的實時變化曲線，顯示出測試事件的位移曲線和實時觀測時間的變化趨勢，最終以生成報表的形式導(dǎo)出。

4 結(jié)語

將PLC與觸摸屏 HMI相結(jié)合，設(shè)計了一套瀝青混凝土貫入度測試裝置的控制系統(tǒng)，實時顯示實驗數(shù)據(jù)曲線，比傳統(tǒng)人工測試的方法更加簡便、實驗數(shù)據(jù)更加精準、系統(tǒng)更加穩(wěn)定。此外，此系統(tǒng)已在某公司應(yīng)用，大幅提升了其測試效率。