基于PLC和物聯網技術的砂石骨料生產線研究

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

傳統的砂石骨料生產雖然已經實現了自動控制，但還存在著生產設備重要部位持續監測不足，各種生產參數、數據的采集、傳輸不及時，不能真實反映設備生產時所處的狀態，無法準確掌握砂石骨料生產時各種生產細節等問題，因此很難進一步提升砂石骨料的產量和質量。

砂石骨料生產自動化控制主要依賴于大型器械和軟硬件之間的配合。傳統的工業自動化控制系統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眾多，邏輯性復雜，進而給程序員增添了很大的工作量，同時耗費時間和財力。“PLC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構，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自動化生產當中?！盵1，2]“物聯網通過各種信息傳感設備將物和互聯網連接在一起進行信息交換、信息通信和信息處理，實現對生產過程的監測和控制，能夠提高生產效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗?！盵3]因此，隨著PLC控制技術和物聯網技術的發展，將二者結合應用到砂石骨料的生產中已經成為一種趨勢。筆者依托烏東德水電站下白灘砂石加工系統工程開展了基于PLC和物聯網技術的砂石骨料生產線研究。

2 砂石生產線PLC控制技術的應用

2.1 儀器開關的邏輯控制

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

2.2 模擬量的控制

“PLC控制技術可以根據控制對象的實際特征，對多項功能的模擬版塊進行有效結合，構建一個完整的模擬系統。”[4]這種控制方式更加靈活，可以模擬多種生產情況，降低試運行的風險性。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 數據的控制

控制技術是一種基于邏輯運算進行控制的技術，其最大的優勢就在于數學計算的強大性。PLC控制技術在數據傳送、邏輯運算、數據處理、位操作以及查表等方面都具有獨特的優勢。在現有的工業自動化技術中，PLC在數據采集、運算處理等多方面的運行速度都是領先的，它可以在較短的時間內完成數字的邏輯運算和數據處理等工作，并將處理得到的數據與之前采集到的數據相對比，比較兩者數據差值的大小，以判斷數據的真實性，隨后進行控制操作。其特別適合應用于砂石骨料產線系統的自動反饋控制。

3 砂石生產線物聯網技術的應用

3.1 設備信息的識別和采集

將砂石骨料生產線中各種設備的信息通過一定手段實時并自動轉化為可處理的數字化信息和數據，如生產設備的傳感信息(電流、溫度、壓力等)、設備的工作狀態信息(轉速、振動等)和設備產量等。

3.2 信息分析處理與傳輸

將采集到的生產設備相關信息通過網絡技術進行分析和處理，將傳感器數據直接利用網絡安全可靠地傳送到數據傳輸單元。

3.3 骨料生產線的控制與監測

采用物聯網技術對生產過程實施實時監控，掌握砂石骨料生產線的運行工況，通過在線云服務平臺和移動終端設備將生產全貌展現給管理者以實現精確管理，最終達到優化系統產能、提高產品質量的目的。

4 基于PLC和物聯網技術的砂石骨料生產線系統的設計

利用PLC和物聯網技術，將砂石骨料生產線設備的電流、溫度、壓力、轉速、振動和產量等信息通過各種傳感器動態采集，采用網絡技術實時分析并處理數據，安全可靠地將其傳輸到云服務平臺，使管理人員通過移動終端或計算機隨時掌握產線的生產和維護狀態，及時采取有效的控制措施保障系統最優化生產，從而提高生產效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗。

4.1 生產線系統架構

生產線系統架構見圖1。

圖1 基于PLC和物聯網技術的砂石骨料生產線系統架構圖

從砂石骨料生產線特性看，系統至少應由現場層、控制層和云服務層3個部分組成。電量、啟停指令、電流、溫度、壓力、轉速、振動和產量都是從現場設備上采集的數據。

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，差異無統計學意義（P＞0.05）。

(1)現場層：主要負責各種設備信息的采集和控制設備的執行，通過現場PLC采集設備消耗電量、啟停狀態、電流大小、溫度高低、壓力大小、轉速快慢、振動程度和產量多少等數據信息，其中所采集的溫度數據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，對現場設備的控制指令是從上位機&OPC中發出并經過交換機進入中控PLC和現場PLC中進行的?？刂茖拥纳衔粰C&OPC通過對各種控制指令和采集數據的綜合處理實現對整個骨料生產系統各種設備的有序控制和各種數據的實時更新、顯示，并且能對中控發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服務器和交換機輸出合法指令。

(3)云服務層：主要是將現場采集的各種信號和數據經過無線數據網關后以Internet網絡傳輸的方式展現在云服務平臺和移動終端上。[5]管理人員可以進行實時在線查詢，并能實現在移動終端上不受空間、時間的限制實時掌握生產線生產和維護狀況。

4.2 系統控制原理

生產線系統現場采集到的溫度、壓力及轉速等信息與現場PLC之間通過RS485進行通訊?，F場層中的現場PLC與控制層中的交換機之間采用光纖進行通訊?？刂茖又械闹锌貍渫仔盘栒r才能通過中控PLC控制現場設備。RS485通訊、光纖通訊、交換機和上位機&OPC之間的通訊均為雙向。

上位機能夠對中控PLC發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行。上位機依據公式y=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，能夠對中控PLC發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控制現場設備?？刂茖又械闹锌貍渫仔盘柺墁F場層中溫度、壓力等信號的聯鎖控制，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控制現場設備。

中控備妥信號正常表明已完成設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和現場PLC，通過PLC的CPU進行內部邏輯的運算以實現各種生產設備的有序動作，從而完成對各種生產設備的控制；所采集到的電量、電流、溫度、壓力、轉速、振動及產量等數據信息以RS485通訊的方式進入到現場PLC，然后通過光纖通訊將這些數據進入到交換機內進行匯集，并將這些數據傳輸到上位機內作分析處理，以實現生產策略的自動調整及控制，具體如下：“假定生產線上單位時間內產量為△T、耗電量為△W，定義單位時間內的產出比△B=△T/△W，將△B和通過大量數據統計分析得到的最佳產出比△Bbest進行對比，當△B<△Bbest時通過PID算法調節給料頻率從而控制系統產量使單位時間產出比△B向最佳產出比△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；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數；e(t)為誤差值，既實際產出比與最佳產出比的差值。

進入到上位機的數據除了通過處理后在上位機內以各種形式顯示出來以外，還通過交換機、OPC服務器這條通道以Internet網絡的途徑進行遠程傳輸從而實現在移動終端和在線云服務平臺上的信息數據顯示及查詢。

4.3 系統具有的主要功能

(1)實時監測功能。對砂石骨料生產線各成品產量實施實時監測、歷史產量統計與歷史數據查詢分析；通過對生產設備運行參數實施實時監測，分析處理并隨時調整生產策略以實現最優化生產；通過對生產設備進行實時在線監測，分析設備工況，及時對設備進行檢測和維護。

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

(3)成本控制功能。實現生產線從易損件、產量、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的處理能力為1 250 t/h，生產能力為1 000 t/h。在應用PLC控制技術和物聯網技術前系統的日平均運行時長為12 h，設備工況調整不及時，生產強度維持在760 t/h；PLC控制技術和物聯網技術應用后，日平均運行時長維持在14 h，通過對設備工況的及時調整，生產強度維持在850 t/h，極大地提高了生產效率，其對比情況見表1。

表1 PLC控制技術和物聯網技術應用前后系統對比表

6 結 語

基于PLC和物聯網技術的砂石骨料生產線已成功應用于烏東德水電站下白灘砂石加工系統工程。在實際生產現場中，采用PLC和物聯網技術，安全可靠地對生產線生產設備運行參數進行了采集、傳輸和處理，實現了對整個生產線的實時控制和在線監測，達到了優化系統生產能力、提高產品生產質量的目的。