（交通信息工程及控制专业论文）沥青混合料搅拌设备控制系统研究与设计.pdf

摘要 随着我国公路建设事业的不断发展，尤其是高等级公路建设的飞速发展，对高等级 筑路材料沥青混合料的需求也在逐年的提高；当前形势下，在国家扩大内需不断加强基 础设施建设，尤其是公路建设政策下，沥青混合料搅拌设备的自动化、智能化以及关键 控制环节技术的不断创新显得尤为重要。 本文通过分析高等级沥青混合料生产的工艺流程、控制任务和控制对象的系统特 性，构建了上下位机的控制系统结构。上位机采用工控机( i p c ) ，下位机采用可编程控 制器( p l c ) 。并结合l b 2 0 0 0 型生产设备，研究了工艺设备的控制流程、物料精确计量、 油石比控制和料温控制等关键技术。对影响沥青混合料质量的料温控制和配料计量进行 了详细深入的分析，提出了系统的总体解决方案。建立了料温控制以及配料计量的数学 模型，分析了被控对象的特性，针对料温控制大惯性、纯滞后、系统参数出现波动的特 点，将系统辨识和自适应控制方法应用到系统中，使用自校正p i d 控制方法进行料温控 制：结合配料计量控制精度要求高、多次重复的特点，将迭代自学习控制方法应用到配 料计量控制中，并对以上控制方法进行了计算机仿真，取得了很好的控制效果。论述了 温度检测和配料计量中模拟信号和开关量输入信号处理电路设计的依据，并设计了相应 的电路，提高了系统的抗干扰能力和可靠性。最后应用s i m a t i cw i n c c 软件完成了监 控管理系统人机界面的研究与设计。 关键字：沥青混合料搅拌设备、可编程控制器、自适应控制、迭代自学习控制、人 机界面 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fn a t i o n a l r o a d - c o n s t r u c t i o ni n d u s t r y , e s p e c i a l l yt h er a p i d d e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，t h ed e m a n d so fr o a dm a t e r i a l sl i k ea s p h a l tm i x t u r eh a s i n c r e a s e de v e r yy e a r u n d e rt h ec u r r e n ts i t u a t i o nt h a ti n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o nh a v eb e e n s t r e n g t h e nc o n t i n u o u s l yt oe x p a n dd o m e s t i cd e m a n d s t h ea u t o m a t i o no fa s p h a l tm i x i n gp l a n t ， a sw e l la st h ei n t e l l i g e n ta n dt e c h n o l o g yi n n o v a t i o no fc r i t i c a lc o n t r o lp r o c e s sb e c o m e s e s p e c i a l l yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , h i g h g r a d ea s p h a l tm i x t u r ep r o d u c t i o np r o c e s s ，c o n t r o lt a s k sa n ds y s t e m c h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o lo b j e c t sa r ea n a l y z e d ，am a s t e r - s l a v ef l a m ei sb u i l db a s e do nt h e s e t h em a s t e rm a c h i n eu s e si n d u s t r i a lp c ( i p c ) ，t h es l a v em a c h i n eu s e sp r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) t a k el b 2 0 0 0p r o d u c t i o ne q u i p m e n ta se x a m p l e ，p r o c e s sc o n t r o lo f e q u i p m e n t ，p r e c i s ec o m p u t a t i o no fm a t e r i a l s ，m i x i n gr a t i oo fo i la n dm a t e r i a l s ，t e m p e r a t u r e c o n t r o la r ed i s c u s s e da sk e yt e c h n o l o g i e s a n dp r e c i s ec l a s so fm a t e r i a l sa n dt e m p e r a t u r e c o n t r o li sd e e p l ya n a l y z e da st h em a i na f f e c t i n gf a c t o r st oa s p h a l tm i x t u r e sq u a l i t y t h e nt h e o v e r a l lc o n t r o ls y s t e ms o l u t i o ni sp r o p o s e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft e m p e r a t u r ec o n t r o l a n dm a t e r i a l i n g r e d i e n t sm e a s u r e m e n ta r ee s t a b l i s h e d c h a r a c t e r i s t i c so ft h eo b j e c ta r e a n a l y z e d ，s u c ha st h el a r g ei n e r t i a l ，p u r ed e l a ya n dt h ef l u c t u a t i o no ft h es y s t e mp a r a m e t e r si n m a t e r i a lt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o na n da d a p t i v ec o n t r o lm e t h o da r ea p p l i e dt o t h es y s t e m ，s e l f - t u n i n gp i dc o n t r o lm e t h o di su s e di n t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；a c c o r d i n gt o h i g h p r e c i s i o nm e a s u r e m e n td e m a n da n dr e p e a tc h a r a c t e r i s t i c s a ni t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o l m e t h o di sa p p l i e dt ot h ei n g r e d i e n t sm e a s u r e m e n tc o n t r o l ，a n dac o m p u t e rs i m u l a t i o nf o rt h i s m e t h o di sc a r r i e do u t ，ag o o dc o n t r o le f f e c ti so b t a i n e d t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r eo n d e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n to fi n g r e d i e n t si nt h ed e s i g nb a s i so fp r o c e s s i n gc i r c u i tf o r a n a l o g s i g n a l a n ds w i t c ht h e i n p u ts i g n a l ，a n d t h e c o r r e s p o n d i n gc i r c u i t i s d e s i g n e d ，t h e a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mi si m p r o v e d f i n a l l y , h u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c ed e s i g no ft h em o n i t o rm a n a g e m e n ts y s t e mi s c o m p l e t e db ys i m a t i cw i n c c s o f t w a r e k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x i n gp l a n t ；p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ；a d a p t i v ec o n t r o l ； i t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o l ；h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 氧荸q 7 年毛月r 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 芩文娴0 1 年月f 日 论文作者签名： 鹳年文娴0 1 年月、i 、日 导师签名：卞今：序抄。7 年月否日 长安大学硕十学位论文 1 1 沥青混合料搅拌设备概述 第一章绪论 沥青混合料搅拌设备是一种用于生产高等级沥青路面所需沥青混合料的设备，它按 照实际施工的需要，将粒料( 又称骨料) 、粉料、沥青等筑路材料按一定的比例在一定 的温度下搅拌均匀【1 】。沥青混合料搅拌设备是沥青路面施工的关键设备之一，其性能直 接影响到所铺筑沥青路面的质且【2 。 按其工艺流程，可分为间歇强制式和连续滚筒式两类【3 】。连续滚筒式沥青搅拌设备， 也称滚筒式搅拌设备。工艺流程简单，在冷骨料配料级别、计量和加热烘干方式等方面， 和间歇式工艺过程基本类似；但是连续滚筒式没有热骨料提升、筛分、以及热骨料的二 次计量等工序。动态计量后的冷骨料直接进入干燥滚筒内加热，达到设定的温度后，就 在与其相连的搅拌滚筒内与计量好粉料和沥青搅拌成沥青混合料，其典型的特点是连续 加料和出料1 4 】，生产能力大。其工艺流程示意图如图1 1 。 石粉 ( 填充料) 砂子、碎 ( 骨科) 沥青 ( 结合料 图1 1 连续滚筒式搅拌设备工艺流程 早期的连续滚筒式搅拌设备，将计量后的冷骨料和粉料从干燥滚筒的前部加入，采 用顺流式烘干加热，接着在干燥滚筒的后部与经过计量连续喷洒的热沥青相互混合，采 用自落方式进行搅拌。它的优点是结构简单、易于维修、占地面积小能耗低、生产率高、 粉尘排放量小。但存在骨料计量精度不高、油石比误差大、沥青混合料搅拌均匀度差等 缺点，尤其是在高等级公路对沥青配料级别要求高的情况下，连续滚筒式的缺点显的尤 为突出。 问歇式沥青混合料搅拌设备发展较早，其特点是先将初级配好的冷骨料在干燥滚筒 第一章绪论 内，采用逆流加热方式加热，再经筛分计量，最后与按质量计量好的粉料和热态沥青， 一起在搅拌锅内搅拌成沥青混合料。它一锅接一锅地计量配料、搅拌、出料，可以保证 配料级别和出料温度。流程图如图1 2 所示。 石粉 ( 填充科) 砂子、碎石 ( 骨料) 沥青 ( 结合料) 储存、输送计量 f 除伞f 除尘 搅 成 i口 口日 l 配料 - j 冬l ：l 垄盘；姜 l j 虹l ：l 皂千- l j 镐￥l 末# 【一- 。- 计量 - 料 1 。7 + ”“7 - ，1，l p 刀 i 咱 存 拌储 熔化，脱水加热、保温计蒙一 图1 2 间歇强制式搅拌设备工艺流程 由于结构的特点，间歇强制式搅拌设备能够保证矿料的级配，矿料与沥青的比例可 达到相当精确的程度i 4 】。此外，由于它是间歇式搅拌，所以很容易随时改变配料级别及 油石比，生产出的沥青混合料性能好，质量有保证，可以满足各种施工的要求。由于结 构的原因也存在一些缺点，比如由于工艺流程为间歇式，所以生产能力低；热料提升、 筛分和热料仓等装置结构复杂，占地面积大，热骨料在输送筛分过程中有热量损失，增 加了燃料消耗，能源利用率相对连续滚筒式低；干燥滚筒排放的废气含尘量高，需要进 行二次除尘。这些都是急需解决的技术难题1 5 】。 1 2 国内外现状 沥青混合料搅拌设备在国外有着悠久的历史，早在上世纪初就已经问世【6 j 。经过长 期的发展。尤其是近些年随着电子技术的日益完善以及计算机技术的发展和信息处理技 术的突飞猛进，沥青混合料搅拌设备在发达国家以及达到了很高的技术水平，控制技术 方面仍在不断的改进，而且产品的更新换代较快1 7 1 。 国外沥青混合料搅拌设备生产能力大，计量精度高，结构设计合理，控制功能比较 强大，性能可靠、稳定性高。就以技术工艺和设备的先进性来说，美国、英国、德国、 意大利、韩国等国家生产的沥青混合料搅拌设备在总体技术水平和运行性能方面处于世 界前列，尤其在配料级别、控制系统的智能化和运行可靠性方面更是如此。其产品占据 了世界工程机械的大部分市场，尤其是高端市场，仅我国2 4 0 t h 以上的大型沥青混合料 搅拌设备份额中，国外产品就占了8 0 t 引。在市场竞争的强烈刺激下，他们不断改进和 2 长安大学硕十学位论文 完善整机性能，液压和气动技术日益提高，产品的更新换代较快；在控制技术方面，随 着人们对人性化、自动化、智能化控制要求的不断提高，在控制系统中将大量应用人机 工程学设计、机电一体化技术，进一步提高了搅拌设备的计量精度和可靠性，加之电子 技术、计算网络技术和信息处理技术的不断发展，使得沥青混合料等工程机械产品，机 电一体化、智能化、网络化发展到一个新时期【7 j 。 我国沥青混合料搅拌设备的发展，是从2 0 世纪6 0 年代由交通部与西安筑机厂共同 开发研制的3 0 t h 间歇强制式沥青混合料搅拌设备开始的【4 】。到了8 0 年代，随着改革丌 放和公路建设，尤其是高速公路建设的迅速发展，交通部组织沥青混合料搅拌与摊铺设 备的技术引进项目，再加上当时国家立项，通过对国外技术的引进、消化和吸收，使得 我国搅拌设备制造业迅猛发展。9 0 年代我国开始设计和制造具有现代电子控制技术和智 能技术的沥青混合料搅拌设备。通过引进、消化和吸收国外的先进技术，我国的设计、 制造技术有了较快的发展。目前整机设计技术较为接近国际水平，但是核心控制系统的 设计和制造水平与国外还有较大差距，高端市场仍依赖进口。我国虽然已掌握部分关键 技术，但是普遍缺少核心技术，尤其是自动控制系统等关键配套技术更是如此。技术升 级落后，产品更新换代缓慢，严重阻碍了企业涉足高端产品市场和推动国际化战略。随 着我国加入w t o ，世界经济一体化发展，企业的竞争日益激烈，面对外资企业管理本 土化进程不断推进，国内企业在技术和品牌上处于劣势地位显得尤为突出。因此，国内 的沥青搅拌设备生产厂商和关键配件企业，尤其是有实力的配件生产企业应该结合我国 的具体国情，采取联合攻关，不断的进行技术创新，从而拥有自己的核心制造技术。 随着计算机软硬件的迅速发展，使得控制系统正逐步朝着、总线化、管控一体化、 网络化和信息化的方向发展，所以开发出先进的、智能化的、网络化的控制系统对于提 高沥青混合料的质量，提高国内沥青搅拌设备的竞争力，也显得有为必要。 1 3 课题研究的目的、意义和主要内容 随着我国公路建设事业的快速发展，尤其是高速公路的飞速建设，对高质量沥青混 合料，以及高精度的沥青混合料生产设备的需求在不断的增加；开发出高精度、智能化、 网络化的筑路机械设备，形成从沥青混合料搅拌、摊铺到压实的成套机械设备产品，成 为企业新的增长点。如何结合国内的实际开发出满足市场需求的产品，成为国内企业急 3 第一章绪论 需解决的课题。 本文研究了沥青混合料搅拌设备控制系统的关键技术，以l b 2 0 0 0 型沥青混合料搅 拌设备为控制对象，对其控制系统进行了深入的分析，结合自适应控制以及和迭代自学 习控制，对影响沥青混合料质量最为关键的环节，即料温控制和配料计量部分进行了详 尽的阐述，并完成了系统核心控制部分的研究与设计。 本设计的内容包括： 1 分析了沥青混合料的生产工艺，提出了控制系统的任务、功能以及技术要求， 建立了系统控制框图，构建了基于上下位机的计算机控制系统硬件结构，下位机采用可 编程控制器( p l c ) ，上位机采用工控机( i p c ) 。 2 研究了工艺设备控制流程、物料精确级配、油石比控制和料温控制等关键技术， 并对影响沥青混合料质量的配料计量和料温控制进行了详细深入的分析，提出了控制系 统的总体解决方案。 3 论述了温度检测和配料计量等模拟信号和开关量输入信号处理电路设计的依据， 并设计了相应的电路，提高了系统的抗干扰能力和可靠性。 4 研究了自校正p i d 控制在沥青混合料搅拌设备控制系统中的应用特点，将白校 正p i d 控制方法应用在料温控制系统中，并进行计算机仿真。 5 深入研究了配料计量这一关键技术，在深入分析配料计量模型的基础上，提出 了配料计量的迭代自学习控制策略，以及基于二次计量沥青的油石比控制方法，并进行 了计算机仿真，提高了配料精度。 6 将监控管理系统分为配料搅拌单元控制管理和冷骨料配料及温度检测两大系统， 应用s i m a t i cw i n c c 组态软件，完成了系统监控管理系统人机界面的研究与设计。 1 4 本章小结 本章简要的介绍了沥青混合料搅拌设备及其发展情况，分析了国内沥青混合料搅拌 设备与国外设备在关键设备零部件和控制技术方面的差距；针对目前控制设备智能化、 网络化、市场化的趋势，结合我国的国情，以l b 2 0 0 0 型沥青混合料搅拌设备为控制对 象，对其计算机控制系统作了简要的说明；言明了本文研究与设计的主要内容，为后续 章节的论述展开了铺垫。 4 长安大学顾一l j 学位论文 2 1 工艺流程分析 第二章总体方案分析与设计 沥青混合料搅拌设备( 间歇式) 是一种用于生产高等级沥青路面所需沥青混合料的 设备，它按照施工的需要，将粒料( 又称骨料) 、粉料、沥青等筑路材料按一定的比例 在一定的温度下搅拌均匀【9 1 。其工艺流程如图2 1 所示，大致可分为配料的预处理、计 量、搅拌、成品料运输与存储等四个部分。其中配料的预处理包括骨料的皮带传输、加 热烘干、提升、除尘和筛分，以及对沥青进行脱水、熔化和保温和粉料的传送、提升供 料等。 l 号骨料仓2 号骨料仓3 q 骨料仓 j 、 ， 上 1r 骨料传送皮带 险小 柑千 ；褒倚 1 擞椹埋 际生 1 1 ji 舭1 _ 猥同 1照耽错 热骨科提升 士 。亮墟e ；h # 生粉科仓熟粉料仓功日雏 碾明卿 上i上上 沥青泵热骨科仓提升供料提升供料 上上上上 沥青计量热骨料计量 粉料计量 ilil 审 + 搅拌锅 上土 运输车 储藏仓 图2 1 沥青混合料生产工艺流程 沥青混合料搅拌设备控制系统，其主要任务是实时调节冷骨料级配供料皮带的转速， 5 第二章总体方案分析与设计 保证热骨料储仓的粒料在要求的范围之内；通过调节燃烧器风门与油门的开度，控制干 燥筒出料槽的料温，使其在设定值的范围之内；实时调节粉料提升机，保证粉料储仓的 料位在设定的范围之内；按配料比例及所设定的生产量计算并称量各种、粒料、粉料、 沥青的质量，然后将混合料在搅拌缸中搅拌均匀，并达到设定的搅拌时间后，把搅拌缸 中的成品料装入运料车或者通过提升机送入储料仓i i 州。 在整个控制流程中，称量装置之前各机构为连续工作方式，称量与搅拌为间歇式。 这样既提高了沥青混合料的生产率，又保证了配料精度。 2 2 功能要求 根据沥青混合料搅拌设备生产工艺流程以及行业标准，对其控制系统的要求可概括 为“计量准确，搅拌均匀”。控制系统应该可以完成骨料初配、传送、烘干、筛分、提 升、热骨料存储以及粉料提升、沥青脱水、配料计量、沥青计量喷洒、混合料搅拌，成 品输送、储存等整个流程的控制，以及各个环节设备的自动启停、逻辑联锁等，从而实 现沥青混合料生产过程的自动运行【1 1 1 。具体控制功能如下： 冷骨料初配功能将不同粒径的冷骨料，按配方进行尽可能精确的初配，以减少 热骨料在热骨料仓中的溢流，提高生产效率，降低能耗。 冷骨料供料调节功能可以对冷骨料供料系统进行自动调节，以保证热骨料储料 仓料位在设定的上下限之间，从而保证热骨料配料的连续。 骨料烘干功能将预配好的骨料在干燥滚筒中加热至设定的温度，除去骨料中的 水分，提高粉料、骨料和沥青的粘合度。通过检测干燥筒出料槽的骨料温度，并与设定 温度进行比较，实时调节燃烧器风门和油门开度，从而保证热骨料温度在设定的允许误 差范围之内，以便生产出符合施工要求的沥青混合料。 骨料筛分功能将烘干后的热骨料通过筛分机构按粒径大小不同进行筛选和分 离，除去不合格的骨料，保证骨料的精确级配。 自动配料称量功能按配方要求自动计量骨料、粉料和沥青，保证精度和油石比， 配料精度是搅拌设备的主要技术指标之一，具体要求是：粒料计量精度0 5 ；沥青计 量精度o 3 ；粉料计量精度0 5 。 搅拌功能强制式搅拌，将计量好的混合料搅拌均匀，能对搅拌机的工作顺序， 6 长安大学硕十学位论文 干、湿搅拌时问和每批料的总搅拌时间进行设定和控制，并能对搅拌器出料门的开关进 行控制。 运输存储功能通过专用成品料提升机将搅拌好的成品料转移至成品料仓进行 保温存储，或通过工程车运送到施工现场。 除尘功能通过二级除尘装置，处理骨料烘干和筛分过程中产生的粉尘和废气以 满足环保要求。 一个功能齐全的沥青混合料搅拌设备还包括现场监控管理系统。在软件设计方面， 控制系统软件应具备以下功能： 1 控制操作系统采用双屏界面显示，能动态反映工作流程。 2 能随时对设备的生产能力以及配料比例进行设定、存储，可在上位机显示屏上 实时显示各种配料的设定值与实际称量值。 3 能实时显示整个工艺流程中各个环节模块的温度设定值和实际测量，确保干燥 筒、热骨料温度、沥青温度、以及热料储仓温度在设定范围之内，以保证沥青混合料质 量，能实时监视各个模块设备的运行情况，包括冷骨料供料变频器、骨料、粉料提升机 以及沥青罐沥青供料状况。 4 能对系统中的所有配方数据进行妥善管理，能对配方的使用权进行有效的控制， 能够统计生产信息，为用户提供生产报表数据的管理。 为了建立完善的监控和信息管理，控制系统还应具有以下功能： 1 为了方便维修和开机调试，必须设置手动模式和半自动模式。所以整个系统的 工作模式应该有手动、半自动、全自动三种模式。 2 主要设备的运行具有计算机屏幕显示与控制柜操作台显示两种显示方式。 3 设有三级用户( 超级用户、高级用户、普通用户) ，分别具有不同的授权功能， 以保证系统的安全及生产厂家的利益。超级用户为生产厂家；高级用户一般为设备使用 方的技术人员；普通用户为设备操作人员。 4 历史数据的记录功能，可以对生产的历史数据进行至少半年的备份，对于管理 计算机应该采用u s p 电源。 5 系统重要控制参数的超值报警功能。 6 报表的生成与打印功能。 7 第二章总体方案分析与设计 2 3 技术难点分析 2 3 1 计量精度 我国混合料搅拌设备的计量系统经历了杠杆秤、电子秤等多种模式。目前，由于可 编程控制器控制模式具有自动化程度高、运行稳定可靠、配料精度高等优点，已经成为 当前普遍采用的控制模式。 通过对配料计量过程的分析可以看出，配料计量中重量是随时间变化的，因此配料 计量是一个动态的过程，其关键在于在动态的过程中如何提高计量精度。影响计量精度 的原因概括起来有以下几个方面【12 1 。 1 配料下落时对计量设备的冲击； 2 计量系统发出停止放料指令后，空中存有一定的悬浮余料，空中悬浮余料的质 量具有非线性的特点难以预测和计算； 3 计量设备本身也存在一定的误差； 4 沥青混合料搅拌设备，主要在户外作业，工作环境恶劣，各种外界的干扰都给 配料的精确计量造成了很大的困难； 5 虽然对骨料进行了筛分，但是在计量骨料时仍然存在骨料粒径的差异，从而导 致单位时间内下落的重量有一定的非线性，影响称量精度。 本文从工程实际出发，研究了配料称量过程，建立了数学模型，采用了迭代自学习 控制策略，以实现对配料称量的精确控制。详细内容将在以后各章介绍。 2 3 2 沥青含量偏差 沥青含量( 油石比) 对沥青混合料质量影响很大，该技术指标不仅和各成分配料的 计量精度有关，而且和配料过程有关【13 1 。为了提高对油石比的精确控制，提高沥青混合 料的配料级别，在尽可能提高各配料计量精度的同时，本文详细介绍了基于二次计量沥 青的油石比控制方法，以对实现油石比的精确控制。 2 3 3 成品料出料温度稳定性 成品料出料温度稳定性是沥青混合料质量最重要的影响因素之一。本文设计的控制 系统，主要是通过调节燃烧器的油门和风门的开度来控制热骨料的温度，从而达到控制 料温的目的。显然这是个大滞后的控制问题，具有非线性系统的特点，用典型的线性 8 长安大学硕二i ：学位论文 控制理沦方法，难以达到理想的控制效果。仅仅对干燥滚筒出料料温的控制也相当的困 难。主要体现在以下方面： 1 非线性 由于骨料粒径不同，造成在滚筒中移动轨迹不同，因此从滚筒出来的热骨料温度就 存在一定的非线性；加之整个加热、和热骨料提升过程中的热量损失也存在一定非线性。 所以这就造成了料温控制的严重非线性。 2 干扰因素多 骨料规格和骨料含水率的变化、滚筒转速的变化、户外环境的变化、抽风除尘情况 的变化、生产量的变化等等，这些参数的变化都会对成品料的出料温度产生一定的影响。 3 大滞后 从骨料流出滚筒至进入搅拌器大约需要3 - 6 分钟的时间，而粉料、沥青从计量点到 进入搅拌器也有一定的滞后，热骨料料温的检测是在干燥滚筒的出口，而骨料加热段主 要是在滚筒的出口段，从冷骨料进入干燥简到热骨料流出干燥筒也有需要一定的时间。 而最终的沥青混合料料温的测量时在搅拌器的出口，因此根据几分钟前的料温情况去控 制当前的燃烧强度明显是一个大滞后的问题。 2 4 控制系统的硬件构成 沥青混合料搅拌站是一个结构复杂的机、电、气一体化的设备，牵涉电气电路控制、 温度控制、配料计量控制等，控制任务复杂多样1 4 , 1 5 】。再加上，沥青混合料搅拌设备是 长期在野外工作的设备，工作环境恶劣、干扰因素多、干扰因素大、维修条件差。沥青 混合料配精度直接影响公路的使用寿命及路面性能，因此要求系统必须具备控制精度 高、性能稳定、可靠性高等条件。常见控制系统的硬件体系结构有如下几种【1 6 1 ： 1 以各种自制信号处理板为主的控制系统 在早期的沥青混合料搅拌设备控制系统中，采用的设计方案多数是以各种自制信 号处理板为主，如图2 2 所示。 9 第二章总体方案分析与设计 罪巍l 图2 2以自制信号板为主的控制系统结构图 此构成的特点是计算机采用标准配置，其余硬件电路几乎全部采用自行研制的电路 板，硬件电路板根据工程实际需要量身定制，系统成本较低。外围电路的扩展采用总线 结构形式，i o 口管理较为方便。此种结构的缺点是系统组成的标准化程度低，不同系 统中硬件电路的兼容性差，系统连接多，协调工作难，抗干扰能力差，设备的调试、维 护不方便，不利于形成系列化产品。 2 以工控机为主的体系结构 该控制系统体系结构以计算机为核心，信号采集和开关量的输入、输出通过选配的 数据采集卡以及智能仪表来实现如图2 3 所示。此系统结构简单，安装调试方便，配料 精度较高。但系统耦合度高、性能不稳定、可靠性差、故障率高、可扩展性差、通用性 差；抗干扰能力差，误动作多，死机现象较为严重，因此不适合用于大型机械设备控制。 打印机h 叫 计算机 矧憾l 憾l 开关誓_ 1 匕型鬯仪表ij 仪表ll 仪表ij 蔫差jf 薹蒌f 霉耋ij 囊萎li 莸羁jf乜机 称重li 料称称重if 矗zi 执行ii 。 传感li 重传ji 传感ll 设= ij 机构ll 。“ 器ll 感器ll 器il “”i 温度 传瞎 器 图2 3以工控机为主的控制系统结构图 3 以工业控制器( p l c ) 为主的体系结构 该体系结构中，工业控制器主要完成自动化生产过程中的所有输入、输出控制。工 1 0 长安大学颂十学位论文 业控制器通常采用可编程控制器( p l c ) ，因为它不仅能够完成i o 操作、a d 转换、 d a 转换、高速计数以及数据通信等功能；而且它是面向工业控制应用领域的，性能可 靠、抗干扰能力强、控制精度高、数据输入输出处理精确、可靠【1 7 】。可编程控制器被大 量的应用于工业自动控制系统。 以上三种方案各有优缺点：采用一台工控机加多个p l c 模块的多p l c 的方案成本 较高。如果完全采用智能仪表，则没有较好的数据管理功能，对生产的运行状态情况的 了解也不直观。只采用工控机的方案，由于控制系统要多任务处理，实时性要求较高，控 制软件会比较复杂，可靠性难以保证。可编程控制器( p l c ) 体积小、功能强、可靠性 高、抗干扰能力强、编程方便，被广泛应用于工业控制领域。工控机资源丰富、计算功 能强大、数据处理功能强、信息存储量大，可以作为上位机在后台运行，负责处理系统 的生产数据和对整个系统进行监控。对沥青混合料搅拌设备这样的大型成套机械而言， 首先要保证控制系统的控制精度、稳定性、可靠性，在此基础上才是设备的信息化、数 字化。所以可以采用工业控制机加一台p l c 的结构，即可以满足系统控制精度，确保 系统的稳定性和可靠性，又解决了数据处理能力，控制系统硬件结构如图2 4 所示。 图2 4 控制系统硬件结构图 控制部分主要是由上位工控机的监控管理部分、下位机( p l c ) 现场控制部分及重 量、温度检测部分组成。系统以可编程控制器为主控设备，上位机主要完成监控和管理 功能，包括配方管理、参数设定、工作设定、实时显示各种传感器和计量设备数据、生 产中各个设备运行情况、生产数据统计、现场工作状态的远程访问等功能。p l c 向上位 机传递设备的实时状态，接受并执行上位机的实时控制命令，并通过控制继电器、接触 器等设备实现对现场设备的控制。重量检测设备实时测量各成斗中物料重量，并通过表 第一帝总体方案分析o 吐 盘上的l e d 显示出来，温度检测设备将检测到的数据发送给p l c ，p l c 经过处理后将 处理过的数据发送给上位机，并通过监控软件实时动态显示。 下位机( p l c ) 可以独立于上位机运行，如果上位机出现故障，下位机仍然可以继 续运行，上下位机之问通过p r o f i b u sd p 进行数据通信可以保证数据的实时性。 241 上位工控机的硬件配置 上位机选用工控机，可以清晰显示各种监控画面和现场数据，硬件配置如图25 所 示。 外接打e p t ) l ，用于打印报表和数据。工控机由一台不问断电源u p s 供电，以保证 报表和数据的完整性。并配有串行通信接口以及p r o f i b u s d p 适配器( 以实现和下位 机的通信) 和其它外接设备的通信。 。，、” 钞。国 = 图2 5 上位工控机的硬件配置 2 42 下位机的选型及模块配置 通过对系统的控制对象和任务的分析，该系统需要配置如下性质不同的i o 点。 4 2 0 m a 模拟量输入，该模拟输入信号，主要包括骨料、粉料、沥青称重信号； 干燥筒出料温度( 红外检测) 、成品料温度( 红外检测) 、热料仓骨料温度( p t l 0 0 ) 、沥 青温度( p t l 0 0 ) 信号。 4 也0 m a 模拟量输出，该模拟输出信号，作为变频器的模拟控制输入量，通过 变频嚣来控制冷料传送带以达到保证热舀料储仓内哥料在设定范围之内。 1 2 2 4 v 开天量输入，政部分的输入量- t 要完成弱电同路的控制信号实现弱、 强电的隔离，以及控制台的操作。 1 1 0 v 继电器 关量输出，继电器输出信号直接和设备相连，实现设备的机械 麓 r 同 泰峥 长安人学硕j 二学位论文 和电气动作。 根据对上述控制任务的分析，设计中下位机选用s i m e n s 模块化中小型p l c s 7 3 0 0 。 它可以满足中等控制系统的要求，应用领域广泛。s 7 3 0 0 系列具有多种性能的c p u 和 丰富的i o 扩展模块可供用户选择，可以满足不同的控制需求。其模块化、无排风扇的 硬件结构易于实现分布，而且模块化的软件编程易于用户掌握。如果控制任务有所增加 时可以随时使用附加的扩展模块对p l c 进行扩展。面向于工业生产领域，s 7 3 0 0 具备 高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，工业环境适应性耐1 8 l 。 通过对系统的功能和需求的分析，在控制中采用西门子s 7 3 0 0p l c ，以及相应的扩 展模块。具体配置如表2 1 ： 表2 1s 7 - 3 0 0 配置清单 模块名称订货号 电源 p s3 0 75 a 中央处理器 c p u3 1 4i f m 串行通信 c p3 4 0 r $ 2 3 2 c 数字量输入 d 1 3 2 x d c 2 4 v 数字量输出d 0 3 2 x a c l2 0 v 数字量输出 d 0 1 6 x r e l a c l 2 0 v 2 3 0 v 模拟量输入 a 1 8 x1 2 b i t 2 5 控制系统的软件分析 软件设计是控制系统必不可少的部分，也是整个控制系统最为关键的技术。设计中 控制系统的软件由下位机( p l c ) 的现场控制、上位机的监控管理系统组成。 本系统采用s i m a t i cs t e p 7 编程软件设计现场控制部分的可编程控制器程序。使 用西门子组态软件s i m a t i cw i n c c 设计了上位机监控管理系统。通过s i m a t i cw i n c c 可以方便的完成上位机对设备工作现场的监控，以及对存储配方、工作单、故障记录、 生产记录和系统信息的管理。整个系统中，从下位机的编程到上位机的监控和信息管理 都采用s i m a t i c 的产品，增强了系统的兼容性，同时可以通过s i m a t i c 的p r o f i b u s d pd p 方便的实现，上下位机的通信，增加了系统的稳定性和可靠性，以及抗干扰能力。 1 3 第二章总体方案分析与设计 在设计开发过程中主要解决以下几个方面关键技术： 1 物料的精确计量控制； 2 油石比的精确控制； 3 迭代自学习算法在上位机和下位机中的实现； 4 自适应p i d 控制算法在p l c 中的实现； 5 温度等模拟信号以及开关量信号传输过程中的抗干扰处理。 2 5 1 现场控制软件 下位机控制软件的主要是完成设备的联锁启停、配料计量控制、料温控制、搅拌控 制、成品料的运输和储存控制等。现场控制软件控制流程如图2 6 所示。 整个流程在s i m a t i cs t e p 7 软件环境下，采用模块化程序结构，即缩短了程序开 发周期，同时又增强了程序的可移植性，大大方便了程序的调试。主程序主要由如下几 个模块组成： 1 联锁启停控制模块，主要完成对冷骨料初配、料温控制、配料计量、搅拌等模 块相应辅助设备的启停控制，例如引风机、倾斜集料带、烘干滚筒、振动筛分系统、热 料提升电机、沥青供给系统、搅拌电机等等。 2 配料计量模块，根据配方要求完成对各配料的给料执行部件的控制，即根据配 方、以及配料秤的零重量，和上次放料空中悬浮的余料等，调节控制给料仓和沥青泵的 开度。模块采用了迭代自学习算法和二次计量沥青的方法，以提高配料精度和油石比精 度。 3 料温控制模块，控制燃烧器的点火、油门和风门，检测热骨料温度、沥青温度、 滚筒温度及料温。并根据检测到的温度实时调节油门和风门。 4 搅拌控制模块，主要完成计量斗的放料和搅拌过程的控制，可以控制搅拌时间 和搅拌强度，并记录实际的骨料重量、实际的粉料重量、实际的油石比和秤的零重量。 5 运输控制模块，该模块主要是为了满足施工的需要，搅拌好的成品料，可以根 据实际的需要，通过运输模块来选择，直接将成品料输送到指定的成品料仓，或将成品 料卸载到运输车上。 6 数据通信模块，用来接收生产参数，将采集到的实时数据发送给上位机，和操 作台监视器，并根据上位机的命令执行控制操作等功能，系统中的数据通过s i m a t i c 1 4 艮安大学顾士学位论文 p r o f i b u sd p 1 9 1 进行传输。 下位机控制软件使用s i m a t i cs t e p7 编程工具设计开发。 2 5 2 上位机监控管理软件 图2 6 现场控制软件的流程 上位机监控管理软件的主要任务是获取p l c 的实时数据，并根据这些数据对系统 进行辅助控制和综合故障诊断；其中辅助控制可以根据配方，自动生成配料所需的计量 值，并完成工艺设备的联锁控制。 上下位机通过通信模块进行数据交换，下位机能接受并处理上位机传输的系参数和 辅助控制字等数据，而且可以通过通信模块将系统的实时状态和数据发送个上位机，以 1s 第二章总体方案分析j 设计 便于上位机进行数据存储和管理。本系统的软件主要由p l c 现场控制软件、上位机监 控管理软件组成，如图2 7 所示。 开发工具l ： s i m a t i cs t e p7 i i i 扁停控制 i 辅助功能 i i 赣躺r r i 舟 jl i 参数故定 1 ip r o 胁u s d p ! 料温控制爹裂义1 。 i 一 一i ，7ll l人机界面 配料计艟 i i i 串行通信 1 串行通信 i i 搅拌控制 _ 。 l i 。 i l 串行通信 i 配方数据库 1 r l配方管理 i i l l i 成品料运输 报表数据库报衷管理 l l 1 r l i 冷骨料传送 i 。 i 故障数据库 故障管理i i 、 ：ii _ 一 信息管理 现场控制软件 图2 7 控制系统软件构成方案 使用s i m a t i cw i n c c 2 0 1 设计的沥青混合料搅拌设备控制系统监控软件，主要由配 料搅拌单元控制管理系统和冷骨料配料及温度检测系统组成，具体功能如下： 1 控制设备的启动和停止； 2 监控各控制对象的实时状态； 3 为p l c 提供必要的过程参数； 4 自动记录故障信息，并报警提示； 5 配方管理功能。 上位机信息管理软件的主要任务是浏览、导入、导出保存在数据库中的配方、生产 记录和报警故障记录。设计中使用s i m a t i cw i n c c 软件，实现配方管理、报表管理和 故障管理。 配方数据库中存放设备生产所必需的沥青混合料的资料信息，包括骨料、粉料和沥 青的配料比以及混合料温度、配料级别、搅拌时间等参数，可以满足不同工程的实际需 求。配方管理模块可以完成对配方数据库中配方信息的删除、修改等功能。 生产记录数据库主要存储成品料的生产信息，包括配方号、生产量、生产日期等。 1 6 长安大学硕j ：学位论文 生产报表管理模块具备数据浏览、数据查询、以及有条件的数据修改等功能。 故障记录数据库主要用来存储系统运行中的故障信息，故障管理模块完成故障信息 的浏览、查询和删除，以及部分修改功能。 2 6 本章小结 本章在分析间歇式沥青混合料生产工艺的基础上，以l b 2 0 0 0 型沥青混合料搅拌设 备为对象，提出了计算机控制系统的任务、功能和技术要求；深入地分析了控制系统设 计存在的技术难题，构建出上下位机的控制系统结构；最后完成了控制系统硬件和软件 总体方案的设计。 1 7 第三章沥青混合料料温控制系统研究与设计 第三章沥青混合料料温控制系统研究与设计 3 1s t e p 7 软件及其应用 s t e p 7 编程软件是用于s i m a t i c 可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包， 是s i m a t i c 工业软件的组成部分【2 。s t e p 7 是s i m a t i cs 7 3 0 0 系列p l c 的编程语言， 它可以在w i n d o w s x p n t 操作系统下运行，并可与w i n d o w s 的图形和面向对象的操作 原则相匹配，可以简单、直观地对硬件和网络进行组态。该软件提供了在线和离线编程 功能，可以通过m p i 通信卡或者p c m p i 通信适配器，将计算机接入