（模式识别与智能系统专业论文）wd500稳定土厂拌站监控系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 国家8 6 3 基金项目“机群智能化工程机械”由徐州工程机械集团，东南大 学，清华大学，重庆交通学院等单位共同承担研究与开发工作。本文在这样的 背景下，结合工程需求，开展了、v d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统的研究。本文 在分析了稳定土厂拌站的组成结构和被控对象特点的基础上，根据施工的具体 要求，选择和设计了相应的硬件设备和控制算法，并编写了基于工业组态软 件一一组态王6 5 的控制软件，从而完成了整个稳定土厂拌站监控系统的设计 与实现。具体内容可以归纳为以下的几个主要方面： 1 了解整个w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统的设备结构及其主要功能，理清各 个环节之间的工作顺序。 2 在此基础上结合施工现场的环境和施工所需要达到的要求分析被控对象的 特点，基于模型偏差补偿算法的控制思想设计了相应的控制算法。 3 了解控制系统的硬件结构，将系统的硬件设计分为物料计量部分，数据通信 部分以及调理电路的实验和设计三个部分。根据施工的具体要求制定出相应 的工作流程，并详细的阐述了每个部分的工作原理。 4 根据系统通信的开关量和模拟量的数量以及需要达到的精度选择适当的工 业控制通信板卡，在现成调理电路板卡实验成功的基础上面设计出一块适用 于本课题的专用调理电路板。 5 根据系统的设计要求，选择了组态王6 5 进行系统软件的开发，介绍了组态 王软件的特点以及其关键技术在本系统软件中间的应用。 6 在5 的基础上面，编写了系统的应用软件，分为用户登录，系统配置，配方 管理，工艺流程和报表管理五个模块共同完成了工控板卡与工业控制机算机 的通信，并把系统运行的整个过程以动画的形式展现在屏幕上面，实现了动 态控制，实时管理的系统监控和管理模式。 7 在完成了全部的硬件和软件设计之后，进行了实验室的模拟仿真实验，验证 了系统控制的可行性和准确性。 关键词：稳定土厂拌站动态称量组态王6 5 监控系统工控板卡 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t x u 疝o ue n g i n e e 面g m a c h j n e r yg r 0 1 l p ， s o u m e a s t u i l i v e r s i 咄t s i n 曲u a u n j v c r s i t yh a v et a k e nc h a r g eo f m cp r o j e c to f i n t e l l i g e n t i z e de n g i n e e i i i 培m a c h j n e r y g u p ，o f 村c hi sn a t i o n a l8 6 3h i 曲t c c hp l a n ( 2 0 0 l a a 4 2 2 0 1 3 ) b a s e do nm e b a c k g r o u n d ，t h es 讥】c t l l r eo fw d 5 0 0s 协b i i i z e dc o m b i n c dm i x c rm o i l i t o rs y s t e ma n d s p c i a lc h a r a c 蜘s t i c so ft 1 1 er e g u l 砷d d ro b j e c ta r e 锄a l y z e d ，山e nt h ei 删w a r ea i l d c o n d la l g o r i 也ma r ed e c i d e dc o r r e s p o n d e dt ot h er c q u e s to f 吐l ec o n s 仃u c t i o n t h e 缸a l l yt a s ki n 也et l l e s i si st 0d e s i g nt h es o f h a r eb vu s i i l gk i n g e w 6 5 ，n l em a i n a n dc r e a t i v ew o r kh a sb e e nc o m d l e t e di i l l ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 b ea c a u a i n t e dw i t l lm ed e 、，i c es 缸1 l c n l r ea i l dt l l ek e v 血n c t i o no f 也ew h o l e c o n 仃d is v s t e m 锄df i n do u tn l ef 如i l i t yw o r ko r d e ro f 廿1 e “t a ll i i 】i k si n 也es v s t e m 2 t h es p e c i f i cc h a r a c t e 打s d c so f 也er e 口w l a t o r yo b i e c ta r ba n a l y z e da n do e s u i t a b l ec o r 巾- o ia l r i t h mb a s e do nt h em o d e l d e v i a t i o nc o m d e n s a ：t i o nc o n n _ 0 l a l g o r i 廿1 1 1 1i sd e c i d e d 3 t h eh a r d 、 7 a r es 缸1 l c c 山eo f 出ec o n 缸d ls v s t e mi sa n a l v z c d t h e nm eh a r d w a r e d e s i g mi sc l a s s 访e di t ot l l r e ep a r t s ，t h a ta r e ：c a l c u l a t i o nm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o n m o d u l e l n dm ee x p 幽e n ta l l d d e s i g n o fm ec i r c u i t n e x t t l l ec o i t e s p o n d i n g w o r k f 】o wi sw o r i 【e do u to nn l ed e m a n do ft h ec o n s 廿u c t i o na n dt h eo d e r a t i o n a l p r i n c i p l eo f e v e r yp a n i se x p o u i l d e d 4 t h ei n d u s m a lc o f l 仃o lb o a r di sd e c i d e do nt h ed e m 姐do ft h ed r c c i s i o no f 血e c o n s t r u c t i o n 姐dt l ea m o 吼to f 也ea n a l o gv a r i a b l ea n dd i g i t a lq u a n t i 坷o f t h ec o n t r o l s y s t e m a f t e r 廿l i s ，a ne x p e r i m e n tw i m m eo 在二t l l e p e 2c o n t r 0 1b o a r di sm a d e ，a 1 1 da s p e c i f i ca p p l i c a t i o nc i r c u “b o a r df o rt h i sc o n 仃o ls y s t e mi sd e s i g 皿e d 5 t h ep e c m i 撕t yo f t h ek i i l g e w 6 5w h i c h 谢l lb eu s e di 1 1t h es o 佑 旧r ed e s i g n i se x p o s e d ，a n dt h ep r o p r i e t a r ys o 丘w a r ef o rm i sc o n t i d ls y s t e mi s d e s i g n e db y k i n g e w 6 5 6 t h e 讲o c e d _ i 】r ef b r 也es o f 啊盯ed e s i g 商n gw h i c hc a nb ec l a s s i 6 e di n t of i v e m o d u l e st h a ta r cl o g g i r 培m o d u l e ， s y s t e mc o 蚯g u 础o nm o d u l e ， f o n n u l “o n m a l l a g e m e n tm o d u l e ，w o r k n o wm o d u l ea 1 1 dr 印o n sm a i l a g e m e tm o d u l ei sa 1 1 a l y z c d t h e n 也ew h o l en l n n i n gp r o c e d u r eo f t h ec o n t r o ls v s t e mc a l lb es e e no n 1 ec o m p u t e r s c r e e ni nt l l em o t i o np i c t u r e 7 f i n a l l v t h es i m u l a t e de x p e r i m e n tm a ta u t h e n t i c a t e st 1 1 ea c c u r a c ya 1 1 d 吐l e f c a s i b i l i “o f 也es v s t e mi sm a d ei i l 廿l el a b k 码w o r d ： s t a b i l i z e dc o m b h dr i l i x e rd y n 锄i c w e i g h t鼬n g v i e w 6 5 i i l d u s t r i a lc o n ：t r o lb o 砌 嗄o i l i t o rs y s t c n l i j 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：趣蕴日期：兰! ：圭专 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究牛院办理。 第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论 随着我国交通事业的高速发展，高速公路和高等级公路的修筑已是势在必行，几年来， 在我国各地相继修筑了不少的高速公路，从而加快了货物的周转时间，增加了货物的周转 数量，提高了社会的经济效益，促进了国民经济的发展。稳定土厂拌设备是路面工程机械 的主要机种之一，是专用于拌制各种以水硬性材料为结合剂的稳定混合料的搅拌机组。由 于混合料的拌制是在固定场地集中进行，使厂拌设备能够方便的具有材料级配准确，拌和 均匀，节省材料等优点，因而广泛应用于高级公路和城市道路的基层、底基层施工，也适 用于其他货场、停车场、机场等需要稳定材料的工程。进入9 0 年代以来，筑路工程的新型 基层材料不断出现，如：无机结合料稳定砂砾、水泥稳定土、水泥稳定砂砾、石灰稳定土 及滚压砼等新材料。新工艺已被进一步推，“使用。与此相应，生产新型基层材料的强制式 连续搅拌设备也相应问世，此类设备生产工艺要求严格，生产效率要求高，特别是石灰稳 定土连续搅拌设备，要求拌和均匀、进出料流畅、生产效率高等一大类综合性的问题，尽 管国内已生产出类似的产品，但与理想状况相关甚远，由于老式没备存在着生产能力小， 计量方式落后，自动化程度低，用途少等显著缺陷，因此，距国际先进水平尚有很大差距。 j 在这样的背景下，为了解决以上的问题，我们开展了十五8 6 3 项目“机群智能化工程 机械”的子项目“w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统的研究与开发”。 1 2 国内外稳定土拌设备的发展概况 1 2 1 国外稳定土拌设备的现状 近年来，国外发达国家生产的土拌设备已形成系列产品，生产率一般为2 0 0 1 2 0 0 吨小 时，集料计量大多采用自动控制的连续称量技术，级配准确且精度高。国外稳定土拌设备的 最大生产率为：美国：1 0 0 0 吨小时，德国：1 2 0 0 吨小时，曰本：6 0 0 吨小时。对于大型的 施工工程来说，采用大型机械经济性好，施工质量高，施工速度快，因此土拌设备的大型化 化发展一直备受关注。 目前国外生产的稳定土厂拌设备主要有：澳大利亚的a r a n 、美国的1 0 w 、 a b a r b e r g r e e n 、意大利的m a r i n i 、英国的p a r k 职、日本的n i g a t a 、德国的b h s 、法国的 s a e 等厂家。 1 2 2 国内稳定土拌设备的现状2 1 随着高等级路面的发展，国内稳定土拌设备也在迅速的发展。据统计结果表明：土拌设 备的生产厂家已由最初的两三家发展为现在的六十多家，产品由最初的容积式w b c 2 0 0 发展到 东南大学硕士学位论文 后来的称量式w b c 2 0 0 ，w b c 3 0 0 ，随着w b c 4 0 0 ，w b c 5 0 0 的相继开发和问世，稳定土拌设备的生 产效率生产率也由八十年代初的5 0 吨小时发展到现在的以3 0 0 吨小时为主流，小批量投入 4 0 0 吨小时5 0 0 吨j 、时，产品相应的进入了成熟期发展阶段。随着国家加大基础设施的步 伐和力度在不断的加强，厂拌产品的市场容量也在逐年的加大，同时随着对路基基层处理质 量越来越高的要求，为厂拌设备的发展提供了良好的使用空间和发展机遇。但是与国外同类 型产品相比，还是存在着相当的差距，主要体现在以下的三个方面。 ( 1 )设备的耐用性差。 ( 2 ) 设备的生产率还是偏低：国外最大的生产率为1 2 0 0 吨小时，国内的最大生产率 目前只有4 0 0 5 0 0 吨。 ( 3 ) 设备的基础件方面，尤其是电子技术，自动控制技术以及微电脑技术在设备上 的应用。 根据以上的陈述，我们可以发现现实要求我们在稳定土厂拌站的控制原理和工业实际应 用中间都要有较大的突破，以提高国产土拌设备的市场竞争力，满足我国日益提高的路面建 设的需求。 1 2 3 国外土拌设备的关键技术以及发展趋势2 1 1 无衬板搅拌器 近年来，国外一些公司针对稳定材料的特性和连续搅拌的特点，对强制连续式搅拌器进 行了大胆改进，取消了衬板，研制成新型无衬板搅拌器。这种搅拌器和有衬板搅拌器的工作 原理基本一样，但两者的抗磨原理截然不同，无衬板搅拌器最大限度地加大了搅拌桨叶和 壳体之间的间隙。搅拌器在工作时，在壳体和桨叶之间的间隙中形成一层不移动的混合料层， 此混合料层停留在壳体上起到了衬板的作用，保护壳体不受磨损，同时也减少了桨叶的磨 损过程。此外，在相同体积的情况下，这种搅拌器相对于有衬板搅拌器来说质量小，造价低、 生产率高、混合料拌和效果好，不产生阻塞、挤碎等现象。无衬板搅拌器经过试验和使用，已 进入实用阶段，现广泛用于稳定土厂拌设备中。 2 细粒料含水率快速连续检测技术 水量的多少对水硬性结合料的力学性能和施工性能有着重要的影响，所有厂拌设备都 必须能进行精确的计量和控制。而原始材料中含水率受气候影响变化较大，特别是砂料、粉 煤灰等细料变化更大，其含水率的变化直接影响到成品料中的含水量和骨料级配的准确性。 因而，及时测出原料中的含水量，才能准确控制供水和供料量，使成品混合料的各项配比保 持一定。目前各厂家生产的厂拌设备几乎都采用连续强制搅拌方式，这就要求厂拌设备的供 料系统不仅具有快速检测出原料含水率的能力，而且必须是连续检测，才能使自动控制系 统保持准确。目前，研究和解决细粒料中含水率的快速连续检测技术受到各生产厂家的普遍 重视，电容式、中子式、红外线等粒料含水率快速连续检测仪即将推向市场。 3 建立用户联络控制中心 国际上通讯技术发展很快，一些厂家充分利用国际电话网络等先进可靠的通讯手段与 电子计算机技术，同用户建立直接联系。在生产制造厂家设立控制中心，使控制中心的计算 机和用户的厂拌设备的控制计算机通过国际通讯网络联网，用控制中心的计算机能及冒查 询设备的工作运转情况，并能方便地调节和改变设备的工作状态，及时解决设备在生产中 出现的问题，尽可能地为用户提供保障服务，帮助落后地区或缺乏技术人才的用户尽早掌 握厂拌设备的使用技术。目前，这种利用控制中心为用户提供服务的机构在发达国家已经出 2 第一章绪论 现，并在实际中愈来愈多地应用。 1 3 本课题的实际应用价值 本课题是结合当前国内的稳定土拌和站发展的现状和要求提出的。随着国家基础建设 的的不断发展，这是一个急待发展的领域，作为路面工业机群系统的一个组成部分，该系 统的成功开发为机群的智能化奠定了基础，进而提升了我国工业机械的智能化和信息化水 平，真实的体现了工程机械领域中间信息化带动工业化的战略。本课题中间使用到的技术 大多是现成的成熟技术，具有开发风险较小，开发周期较短的优点，适用面宽，具有良好 的市场市场需求和发展前景。 1 4 本课题的主要研究内容 本文的主要研究内容安排如下： 第二章论文主要阐述了w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统的概述，包括：稳定土厂拌站 的结构，设备组成以及工作原理。 第三章论文主要阐述了w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统的硬件设计过程，我们将整个 硬件设计分为系统的计量环节，通信环节以及调理电路板的实验与设计三个部分来完成。 其中，计量环节包括电子皮带秤和螺旋电子秤的结构，以及在本系统中间的工作原理，在 此基础上面我们还推导出了本系统的物料称量计算公式；通信环节包括组态王软件对于板 卡设备的管理以及研华板卡p c l 7 2 7 与p c l 8 1 8 h 与组态王软件的通信；调理电路板的实 验与设计部分包括开始使用的四块研华板卡来进行模拟量和开关量输入输出电路的调理实 验以及后来在此基础上面我们又根据实际的需要开发出一块专刚的板卡的设计过程。 第四章论文主要阐述了对w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统被控对象的分析以及在此基 础上面设计的基于模型偏差补偿算法控制思想的控制算法。 第五章论文主要阐述了w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统的软件设计过程，我们首先介 绍了基于组态王6 5 的w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统软件的总体结构以及在软件实现的过 程中间所用到的关键技术，之后我们阐述了w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统具体控制软件 的实现，包括五个功能模块的流程以及界面的实现，最后我们进行了一个实验室的称重量 实时仿真试验，以证明控制的准确性和系统的可行性。 3 东南大学硕士学位论文 第二章w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统的总体结构 2 1 系统概述 2 1 1 主要用途 稳定土拌设备是路面工程机械的主要机种之一，是专用于拌制各种以水硬性为结合 剂的稳定混合料的搅拌机组。由于混合料的拌制是在固定场所集中进行，使厂拌设备能 够方便的具有材料级配准确，拌和均匀，节省材料等优点，因而广泛的应用于高等级公 路和城市道路的基层，底基层施工，也适用于其他货场，停车场，机场等需要稳定材料 的_ 程。 2 1 2 功能特点 w d 5 0 0 稳定士厂拌站设备具有以下的功能特点： 配料系统采用称重式动态计量技术，计量精度高。 整个系统采用模块式拼装式结构，多种组合形式，便于布置，拆卸，装运。 具有适应不同工质的配料机。 系统可以满足不同稳定剂的多种粉料供给系统。 系统采用大容量，双卧轴，强制式，无衬板搅拌机，使拌和更加均匀，维修保养更 加方便，可靠性更高，无衬板搅拌技术的成熟应用，使搅拌系统的可靠性更高，经 济性更好，维修费用更低。 成品仓采用电动推杆控制，连杆联动，双仓门同步动作，并可停在任意位置，控制 灵活，成品料装运方便。 螺旋输送机输送粉料，避免散失和扬尘，确保环境无污染。 集料皮带机和上料皮带机均为可拆式结构，运输安装方便，且全部采用电动滚筒驱 动，适宜于恶劣的现场环境，维修保养简单，同时上料皮带机采用中间驱动的方式， 稳定性能更好。 整机采用“工业控制计算机集中控制”的方式，可实现自动程序化操作，操作方便， 工作可靠。配料比例的设定，调整方便。工业控制计算机具有强大的管理功能，良 好的人机对话功能以及友好的用户界面，可以存储配比，产量等数据，具有故障自 动监测和报警的功能，并可输出打印报表，给现场的管理，调度，监控提供了强有 力的支持。 系统的调速装置采用变频控制技术的应用较电磁调速稳定性好，可靠性高。 2 1 3 器件的选择 1 工业控制计算机的选择：考虑到数据的计算量很大，而且是实时控制系统，中断的时间 不应该大于0 0 1 s ，否则可能会导致系统工作不正常和事故。因此，系统采用了研华系列的 4 ) ) ) ) d ” ” d ” ” m，kl，l，l，ll，l，l，l， 第二章w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统的总体结构 工业控制计算机。研华工业控制计算机采用了全钢技术，进气过滤网以及机箱正压技术， 有效防【 = 了灰尘进入机箱内部和发生碰撞等导致的计算机损坏以及计算机不稳定。主扳采 用i s a 标准，可以方便的进行内部模块扩充。并且设置了键盘锁以及前置键盘插孔，有效 地保证了操作安全以及防止了误操作。 本计算机的基本配置为：p i i l 8 0 0 m ，4 0 g 硬盘，1 2 8 m 内存，为了使界面更加友好， 操作方便，我们使用了1 7 寸纯平彩色显示器。 2 工控板卡的选择：在本课题中间，我们使用了模拟量输入信号1 2 路，模拟量输出信号 6 路，开关量输入输出信号各1 3 路，在参考了相关的工控板卡资料之后，我们选择了研华 p c l 一8 1 8 h 和p c l 7 2 7 来实现系统的数据传输。 系统的总体功能框图如下图( 图2 1 ) 所示： 东南大学硕士学位论文 震动电机( 在下料不饧时使用) i 萎慧c 。擎鬯麓磐碱一斗奄耵 碎砂石土缸研煤掬 7 二二一 ! 出料门( 开度： 手动调节f ! 皮带称称架! l 一。，1 j 丽夏雨瓦兰竺型塑 ! 上料皮带机； 。，i 一一】 _ t 灏硪禳r ( 转速信号5 路) 计算机控制系缅_ l _ t 藤1 。电流怒块，脉! 1 ! ( 重量信号放l 、电葫【情丐且x 八a l 幌耿，球 - l 专l 大转换为电涮一v 冲信号放入v l 模块，并和璋叫譬 ! ! 信号速度信! ! 制输出信号隔离)登 i 号放大整形! ：j i _ h i 厂二一经螺旋电子称称计量过的物h l 螺旋输送桃一 螺旋电子称称架 测速传感器 ( 转速信号l 路) 压力传感器 ( 重量信号l 路) j ，一、 ， 一藤矿 r 一 i i 变频辞 1变频器 计算机控制系巯r ：i 兰竺奎矍堡f 一 图2 1 系统的总体功能框图 6 i 忆 1 信号调理盒 2 ， - ；嬲i 糕鬟h ；爵7 ；乎信号放入v i 模块，并和采i7 l 。茸尊 + 制输出信号隔离)l ! 彗 1 一 墨t 山 挈一 一 茎：| 1 供统 ii；r1、料系粉给 第二章w d 5 0 0 稳定士厂拌站监控系统的总体结构 2 2w d 5 0 0 稳定土厂拌站设备的组成和工作原理 2 2 1 设备的组成 本系统的设备组成如下表所示： 表2 一l 本系统的设备组成 序号名称数量 l 配料机 6 2 集料皮带机 6 3 供水系统 l 4 粉料供给系统 l 5 搅拌机 1 6 上料皮带机 l 7 操作房 l 8 电气控制系统 l 9 混合料存仓 1 2 2 2 工作原理概述 各种选定的物料如石灰，碎砂石，土粒，粉煤灰等采用装载机装入配料机的料斗中，经 “电子皮带秤”计量给出，送至集料皮带机，与此同时，稳定剂如水泥等粉料经气送等途 径送至粉料供给系统的大仓中，由“螺旋电子秤”计量给出的，经螺旋输送机与经集料皮 带机送至搅拌机的各种物料一起进入搅拌机中间，由搅拌机进行均匀拌和。在搅拌机物料 入口处设有液体喷头，根据拌和前各种物料的含水情况，可以在此使用供水系统喷加适量 的水，以调整拌和物料的含水量，使之达到工程施工所需的要求。拌和好的成品暂存在混 合料存仓中，仓底设有可以开启的斗门，开启斗门即可向停放在仓下的载重车卸料，然后 闭门暂存，换车，如此反复。 图2 2 例稳定土厂拌站设备的结构 7 东南大学硕士学位论文 1 ：配料料斗2 ：配料给料机3 ：小粉料仓4 ：粉料筒仓 5 ：集料皮带机6 ：搅拌机7 ：混合储料仓 8 ：溢料管 9 ：堆料皮带输送机1 0 ：螺旋输送机ll ：叶轮给料机1 2 ：机料皮带输送机 1 3 ：电气系统 ( 1 ) 集料配料机组 集料配料机组包括配料料斗、配料给料机、斗架和水平皮带输送机等。 集料配料时，利用装载机或其它上料机具，将需要拌和的不同粒径的骨料，分别装进 不同配料料斗内，每个配料料斗下都设有皮带给料机，皮带给料机由调速电动机驱动，按 施工技术要求的配合比进行配料，配好的物料落到水平机料皮带输送机上，由其输送到斜 置集料皮带输送机上。 ( 2 ) 粉料供给系统 结合料供给系统主要包括粉料筒仓、螺旋输送机、小粉料仓和叶轮给料机等。 结合料通过运输车上的气力输送装置送到粉料筒仓中，粉料筒仓的出料口与螺旋输送 机的进料口相连接，进入螺旋输送机的结合料被输送到小粉料仓中；小粉料仓的出口装有 叶轮给料机，叶轮给料机由调速电动机驱动，按施工技术要求的配合比进行配料；配好的 粉料直接落到搅拌机中。 ( 3 ) 斜置集料皮带输送机 斜置集料皮带输送机将配好的各种集团和结合料直接输送到搅拌机中。 ( 4 ) 供水系统 供水系统的作用是向搅拌机中喷水，以控制和调节被拌和混合料的含水量。供水系统 由水箱、水泵、三通阀、节流阀、流量计、管路和喷水管等组成。供水量由手动节流阀控 制，用流量计显示。 ( 5 ) 搅拌机 搅拌机采用双轴强制连续搅拌式。当搅拌轴旋转时，由斜置集料皮带输送机输入搅拌 机的各种物料，在旋转叶浆的作用下、一边被拌和、一边被推向出料方向，这样可保证连 续进料、搅拌和出料。 ( 6 ) 混合料储仓 拌和好的成品混合料从搅拌机的出料端直接卸入混合料储仓内暂时存放。混合料储仓 主要包括立柱、平台、料斗、溢料管和启闭斗门的液压传动机构等组成。当混合料储仓装 满拌和好的成品混合料时，可用手动控制液压系统打开放料门，将混合料卸入自卸汽车运 往施工工地。 ( 7 ) 堆料皮带输送机 当自卸汽车不足或需要堆料时，放下混合料储仓内的液动导料槽，使搅拌机拌和好的 成品混合料通过导料槽卸入溢料管流进堆料皮带输送机中，由堆料皮带输送机进行堆料存 放，使用时再运往施工工地。 ( 8 ) 电气控制系统 8 第二章w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统的总体结构 电气控制系统主要由强电控制柜和计算机控制柜组成。强电控制柜中设有总开关，断 路器和其他与设备工作容量及工况相适应的电气元件。本系统采用3 8 0 v ，5 0 h z 交流电源 供电，控制电源则采用2 2 0 v 交流电。 计算机控制柜主要由工业控制计算机，工控板卡，调速控制器，组态软件及相关元器 件组成。其中工业控制计算机的基本配置为：p 1 8 0 0 m ，4 0 g 硬盘，1 2 8 m 内存，1 7 寸纯 平彩色显示器；工控板卡我们选用研华p c l 7 2 7 以及p c l 8 1 8 h ，系统软件由标准工业组 态软件一一组态王6 5 在w i n d o w s 操作平台下编写，具有以下的特点： 1 可以在线进行多种物料的总量设定或单台流量设定，流量比例设定，能精确的控制 各种物料的称量，保证物料的称量精度； 2 系统可以分别动态显示工艺流程图中整体和单机的运行状态以及生产过程中间各种 数据的实时值； 3 系统具有密码设置功能，实现分级管理，有多用户服务功能； 4 系统具有自诊断功能，可对缺料，卡料等情况进行诊断，并配备了报警设施。 本章小结 在这一章里面，我们从w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统的整体结构入手，详细讨论了 稳定土厂拌站系统设备的整体结构和工作原理，在下面的章节里面我们从控制系统硬件和 软件两个部分入手，详细的讨论控制系统的结构和功能。 9 东南大学硕士学位论文 第三章系统硬件的设计 3 1 系统的总体结构及设计方案 3 1 1 系统的硬件工作顺序 本系统包含六个部分，分别是：上料皮带机，集料皮带机，配料机，粉料供给系统，供 水系统和搅拌机。具体的工作顺序是： l 开上料皮带机( 18 5 k w ) 涎时6 秒，开搅拌机( 7 5 k w ) ，再延时6 秒，开集料皮带机， 此时设备处于各妥状态。 2配料时，先开空压机( 7 5 k w ，积累气压以各存仓开启用) 给6 个变频器送一 个总的开启“亭信号( 使6 个变频器同时进入r u n 运行状态，但此时没有给变频器 4 2 0 m a 的电流信号，电机没有运行) 依次间隔3 秒开启6 个变频器( 使之控 制的3 k w 配料机顺序运转l + 粉料机开启的同时开启螺旋称电机( 2 2 k w ) 和水 泵电机( 22 k w ) 。 3 在停止配料的时候，依次间隔3 秒停6 个变频器 停f 螺旋称电机和水泵电机 最后停止空压机。 4 6 个震动电机( 0 2 k w ) ，缺卡料震动用，工控机检测到某个配料机的流量过少时，使 相应的震动电机震动3 秒，若仍无料( 少料) ，1 争正常工作，否则报警。 系统硬件结构图如下图所示： 图3 1 系统硬件结构图 1 0 第三章系统硬件的设计 从图中我们看到，系统的硬件部分的设计实际上可以分为三个部分：计量部分，通信部分 以及信号调理电路的设计： 1 计量部分：主要包括电子皮带秤和螺旋电子秤分别动态采集骨料和粉料的物料重量的原 理，过程以及流量公式的推倒。 2 通信部分：主要是指工业控制计算机采集来自于电子秤重量传感器的重量信号，在其内 部通过运算并与预先存储的设定值进行比较，再发出电信号以改变电子秤的转速，从而 达到控制物料流量的目的。 3 信号调理电路：为了保证控制的可行性和控制精度，本课题中间的模拟量衣i 开关量在工 业控制计算机与施工现场之间的传输过程中需要经过一个调理电路，里面包含有开关量 输入所需的光耦电路，开关量输出所需的继电器电路以及模拟量输出所需的v i 变换电 路及放大电路等一系列调理电路。 下面我们将分别介绍这三个部分。 3 2 w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统物料的计量 稳定土厂拌设备的传统计量方式是容积式计量方式，即通过改变料门高度和调速电机 的转速来改变物料的配比。这种计量方式需要事先根据产量、物料配比及料门高度计算出 电机转速，如果运行中产量改变需要重新计算和设定，给操作者造成麻烦，并且容易出现 计算错误。通过调速器控制电机转速，存在一定的误差，造成成品料配比不准确，这样既 造成了原材料的浪费，又直接影响路面的施工质量。 随着自动控制技术的发展，动态电子计量在稳定土厂拌设备上得到了广泛应用，采用 这种计量方式既可提高计量精度，又便于实现自动控制。w d 5 0 0 稳定土厂拌设备上对骨料和 粉料的动态电子计量设备有所不同，粉料计量一般采用螺旋电子秤，骨料计量则采用电子 皮带秤。下面我们将分别介绍这两种称量系统。 3 2 1 骨料计量系统 骨料配给系统中的每个配料斗的料口下方均装有一台由微机控制的调速定量电子皮带 秤，当骨料通过电子皮带秤的有效计量段时，其重量通过称重框架加到传感器上，由称重 传感器将其转换为电信号，同时安装在皮带秤上的速度传感器将检测到的皮带速度转换为 电信号，二者被送入工业控制计算机，经工业控制计算处理后显示骨料的瞬时流量值和累 计重量值，并送出瞬时流量值的模拟信号。该信号与工业控制计算机的设定值相比较，并 输出调速信号送到控制器以控制调速电机，修正物料给料量，使之与设定值趋于一致。由 于该动态计量过程具有封闭的反馈、比较、运算环节，其计量精度可达1 一2 。 1 电子皮带秤的结构 电子皮带秤由称架，重力传感器，速度传感器，信号放大器，调速装置组成。其主要 功能是称量和传送物料，并将反映物料重量信量的信号传送给控制模块，控制模块最终发 出控制信号控制其传送的速度，构成一个称量的回路。【5 】 东南大学硕士学位论文 橇 图3 2 电子皮带秤的结构 2 电子皮带秤的工作原理 物料由给料机到电子皮带称之后，皮带称重段上的物料的全部重量按比例分成两部分： 即通过支点作用于基础和通过托棍和称架作用于重量传感器。重量传感器产生正比于称重 段上物料重量p 的应变量e ，由e 可算出p ，由p 可算出皮带称上每米料重g 和瞬时料流 量q ，在皮带速度v 稳定的情况f ，q 正比于p ，若测出e 的值，p ，q 均可算出。 皮带秤采用电机减速机驱动，变频调速控制的方式，并最终通过调速控制器来实现电 机转速的改变，来方便的改变皮带秤的转速。为了保证物料连续配给精度，我们采用压力 传感器和速度传感器来连续采集物料的瞬时流量信号和速度信号，其称重原理是一个动态 连续累计过程，其基本目的就是将所有经过皮带秤的物料重量累计起来，因此皮带秤的称 量是一个积分过程。但由于仪表运算是微机的数字运算，故只能每隔一段时间采样一次， 当采样频率足够高时，即可达到与连续积分相同的效果，其基本表达式为：晡1 丁 w n = o f t ) v f t ) d t f ) = q j 巧乃+ q 圪乃+ g 虼死 = q ，以乃 日 其中w 。 q ( t ) v ( t ) t q i v i t i 为累计流量 为料重 为皮带转速 为时间 第1 次的瞬时料重 第1 次的瞬时转速 第1 次的采样间隔时间 ( 3 1 ) 下面我们就来推倒在本课题中间所使用到的称重量，速度和流量公式： ( 1 ) 皮带秤称重测量值单位是公斤米 s p 加口，扰p j = 弘4 d 9 5 水j 丰3 d d 8 8( 3 2 ) 1 2 第三章系统硬件的设计 其中q x 为某物料仓的称重信号，例如骨料l 的称重测量值对应组态王数据词典中间的 骨料1 重量信号。 ( 2 ) 皮带秤的转速测量值( 限幅输出)单位是米秒 v x 2 0 4 8f v x 2 0 4 8 1 2 0 4 8 却5 卑o 1 s p 九，口觑p 2 = 7 ( 3 3 ) v x 冬2 0 4 8v x 2 0 4 8 卑5 卑o j 、 其中v x 为某物料仓的速度信号，例如骨料1 皮带秤的转速测量值对应组态王数据词典 中间的骨料l 坝9 速信号。 ( 3 ) 取平均值记录进入组态王的数据词典中间单位为公斤 q q = ( q 二+ q j + q j ) ，3 q q 其中q q 为记入组态王数据词典的某物料仓的平均称重量，为6 个物料仓的公用变量。 q2 为q x 的前两个周期的采样值 ql 为q x 的前一个周期的采样值 q0 为q x 当前采样值 ( 4 ) 实际流量内= q 传一矽木唰 ( 3 5 ) ( 其中q ( k 一1 ) 为取平均值之后的流量) 单位为吨小时 s e 咖c l l m e = q q 毒s e 仰q l 毛l e 2 赤3 6 0 0 lo o o ( 5 ) 瞬时总流量( 6 个)单位为吨j 、时 f o t g li = s e 沁a l u e + t o t d lj( 3 | 、 ( 6 ) 累加量单位为吨 v n l t l e = v c i z l l e + s e t v n t u e 坪口s 1o o o 36 0 0 ) 其中t s 为采样周期，五= 3 d d 珑s 3 2 2 粉料计量系统 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 在本课题中间，我们采用螺旋电子秤对粉料进行计量和输送。在螺旋输送机的计量段 下面装有称重传感器，当粉料流经计量段时，传感器将重量转化为电信号输送给工业控制 计算机，工业控制机算计内部进行合成运算并与设定值进行比较，并发出电信号调整电机 转速以调整粉料输送量，使之与没定值趋于一致，其计量精度可达1 。在实际工业现场， 由于仓压、环境等因素容易造成粉料堵塞或瞬间流量的增大，易引起粉料的偶然超差，影 响粉料的计量精度。我们这里在水泥仓和螺旋电子秤之间增加了叶轮给料机，较好的控制 了粉料流量的稳定。螺旋电子秤将检测到重量信号输送到微机，经工业控制计算机处理并 与发定值进行比较后，发出电信号改变叶轮给料机驱动电机的转速，调整粉料的输送量， 达到控制计量精度的目的。u 驯 1 螺旋电子秤的结构 螺旋电子秤是由螺旋输送机和称量系统两部分组成。【1 6 1 东南大学硕士学位论文 8 图3 3 螺旋电子秤的结构 霉 螺旋电子秤的结构： 1 料仓 2 叶轮给料机 3 软连接 4 电机 5 支点 6 螺旋输送机 7 称重传感器 8 平衡重 9 落料口 2 螺旋电子秤的工作原理 螺旋电子秤的工作原理与电子皮带秤的工作原理相似，为保证物料的连续配给精度， 我们在螺旋电子秤中间同样采用了压力传感器和速度传感器来连续采集物料的瞬时流量信 号和速度信号，最后经螺旋电子秤计量给出的物料由设置在底部的螺旋输送机送入搅拌机 中间，从而避免了环境污染。其称重原理以及表达式与电子皮带秤相同，这里我们就不再 详细叙述。 本节小结 在本节中间我们具体讨论了w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统物料的计量环节，主要针 对电子皮带秤和螺旋电子秤两种动态电子计量装置的结构和工作原理进行了阐述，并推导 出相应的计算公式，为后续章节的系统软硬件的实现和控制算法的选择奠定了基础。 3 3w d 5 0 0 稳定土厂拌站监控系统的通信环节 在本课题中间我们所使用的工业控制机算机与研华工控板卡的通信环节是通过标准工 业组态软件一一组态王6 5 来实现的。 在一个具体的工程中间，组态王的设备管理结构列出已配置的与组态王通讯的各种i o 设备名，每个设备名实际上是具体设备的逻辑名称( 简称逻辑设备名，以此区别i o 设备 生产厂家提供的实际设备名) ，每一个逻辑设备名对应一个相应的驱动程序，以此与实际设 备相对应。组态王的设备管理增加了驱动设备的配置向导，工程人员只要按照配置向导的 提示进行相应的参数设置，选择i o 设备的生产厂家、设备名称、通讯方式，指定设备的 逻辑名称和通讯地址，则组态王自动完成驱动程序的启动和通信，不再需要工程人员人工 进行。组态王采用工程浏览器界面来管理硬件设备，已配置好的设备统一列在工程浏览器 界面下的设备分支。组态王软件设备管理中的逻辑设备可以分为：d d e 设备，板卡类设备 ( 即总线型设备) ，串口类设备，人机界面卡，网络模块等，下面我们就在本课题中间所应 用的板卡类设备进行详细的介绍。 1 4 第三章系统硬件的设计 3 3 1 组态王中板卡类逻辑设备的定义 板卡类逻辑设备实际上是组态王内嵌的板卡驱动程序的逻辑名称，内嵌的板卡驱动程 序不是一个独立的w i n d o w s 应用程序，而是以d l l 形式供组态王调用，这种内嵌的板卡 驱动程序对应着实际插入计算机总线扩展槽中的i o 设备，因此，一个板卡逻辑设备也就 代表了一个实际插入计算机总线扩展槽中的l o 板卡。组态王与板卡类逻辑设备之间的关 系如下图所示： 图3 4 组态王与板卡类逻辑设备之间的关系 显然，组态王根据工程人员指定的板卡逻辑设备自动调用相应内嵌的板卡驱动程序， 因此对工程人员来说只需要在逻辑设备中定义板卡逻辑设备，其它的事情就由组态王自动 完成。 3 3 2 组态王对板卡类逻辑设备的管理 组态王对板卡设备的管理是通过对逻辑设备名的管理实现的，具体讲就是每一个实际 的i 0 板卡设备都必须在组态王中指定一个唯一的逻辑名称，此逻辑设备名就对应着该i 0 板卡设备的生产厂家、实际设备名称、设备通讯方式、设备地址、与上位p c 机的通讯方式 等信息内容。在组态王中，具体i 0 板卡设备与逻辑设备名是一一对应的，有一个i 0 板 卡设备就必须指定一个唯一的逻辑设备名，特别是设备型号完全相同的多台i o 设备，也 要指定不同的逻辑设备名。另外，组态王中的i 0 变量与具体i 0 板卡设备的数据交换就 是通过逻辑设备名来实现的，所以我们在组态王中定义i 0 变量属性时，就要指定与该i o 变量进行数据交换的逻辑设备名，一个逻辑设备可与多个i 0 变量对应。i 0 变量与逻辑 设备名之间的关系如下图所示： 1 5 东南大学硕士学位论文 图3 5i 0 变量与逻辑设备名之间的关系 在这里我们根据需要选择使用了研华公司的两块i 0 板卡p c l 一7 2 7 和p c l 8 1 8 h ，这 样我们就在i 0 设备管理中间设置了两个逻辑设备名，即：p c l 一7 2 7 和p c l 一8 1 8 h 。 板卡基地址的选择 每一个工控板卡都会有一定的基地址选择范围，一般由拨码开关设置，当开关置o n 位 时，该位无效；开关置o f f 位时，该位有效。不同的板卡有不同的板基地址计算公式。 板卡的初始化字 对于采用8 2 5 5 芯片的数字量输入输出板卡来