基于PLC的物料搅拌系统设计VIP

陈旭：基于PLC的物料搅拌系统设计1. 绪论1.1 沥青混合料搅拌设备概述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。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量。按其工艺流程，可分为间歇强制式和连续滚筒式两类。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，生产能力大。其工艺流程示意图如图1-1。图1-1连续滚筒式搅拌设备工艺流程Fig.1-1 The process flows of continuous drum-type mixing equipment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。间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。图1-2间歇强制式搅拌设备工艺流程Fig.1-2 The process flows of intermittent positive mixing equipment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。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。1.2 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。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。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240t/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80%。在市场竞争的强烈刺激下，他们不断改进和完善整机性能，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。我国沥青混合料搅拌设备的发展，是从20世纪60年代由交通部与西安筑机厂共同开发研制的30t/h间歇强制式沥青混合料搅拌设备开始的。到了80年代，随着改革开放和公路建设，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。90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WTO，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LB2000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(PLC)，上位机采用工控机(IPC)。(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PID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PID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SIMATIC WinCC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。2. 总体方案分析与设计2.1 工艺流程分析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。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。图2-1沥青混合料生产工艺流程Fig.2-1 The process flow of asphalt aggregate production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，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。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。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0.3；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，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USP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。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。(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。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，从冷骨料进入干燥筒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。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) 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。图2-2 以自制信号板为主的控制系统结构图Fig.2-2 The control system structural drawing of main self-made signal board 此结构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。图2-3 以工控机为主的控制系统结构图Fig.2-3 The control system structural drawing of mainly to IPC(3) 以工业控制器(PLC)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。工业控制器通常采用可编程控制器(PLC)，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。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PLC模块的多PLC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(PLC)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PLC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Fig.2-3 The structural drawing of control system hardware控制部分主要是由上位工控机的监控管理部分、下位机(PLC)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。PLC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，并通过表盘上的LED显示出来，温度检测设备将检测到的数据发送给PLC，PLC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(PLC)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PROFIBUS DP进行数据通信可以保证数据的实时性。2.4.1 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2-5所示。外接打印机，用于打印报表和数据。工控机由一台不问断电源UPS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PROFIBUSDP适配器(以实现和下位机的通信)和其它外接设备的通信。图2-5上位工控机的硬件配置Fig.2-5 The hardware configuration of the host computer2.4.2 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。420mA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(Ptl00)、沥青温度(Ptl00)信号。 420mA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，通过变频器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。1224V开天量输入，该部分的输入量主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。110V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SIMENS模块化微型型PLC S7-200。它可以满足中等控制系统的要求，应用领域广泛。S7-200系列具有多种性能的CPU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PLC进行扩展。面向于工业生产领域，S7-200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。系统的输入输出如表2-1所示表2-1 输入输出对照表Tab.2-1 Table of Input-output标号名称地址标号名称地址11#热料仓门键I0.043搅拌电机正转I5.222#热料仓门键I0.144热骨料振动I5.333#热料仓门键I0.2451#螺旋输送机I5.44石料称门键I0.3462#螺旋输送机I5.55沥青进料键I0.41石料称门Q0.06沥青称门键I0.52粉料称门Q0.17热粉进料键I0.63沥青称门Q0.28粉料称门键I0.74热粉进料门Q0.39搅拌器门键I1.05斗车提升Q0.410斗车提升键I1.16斗车下降Q0.511斗车下降键I1.27冷粉进料Q0.612斗车下限位开关I1.38喷柴油Q0.713斗车上限位开关I1.49储仓上门Q1.014搅拌器门关到位开关I1.510储仓下门Q1.115启动I1.611报警器Q1.216断开I1.712搅拌器Q1.317自动I2.013沥青泵Q1.418手动I2.114石料称振动Q1.519单动I2.215热粉仓振动Q1.620储仓上门键I2.316冷粉仓振动Q1.721储仓下门键I2.417粉料称振动Q2.022喷柴油键I2.518冷风门开Q2.123热粉低位开关I2.619冷门关Q2.224冷粉低位开关I2.720来电指示灯Q2.325沥青称高位开关I3.0211#热骨料仓门Q2.426储仓上门开关I3.1222#热骨料仓门Q2.5271#热料仓高位开关I3.2233#热骨料仓门Q2.628冷粉高位开关I3.3241#冷骨料仓门Q2.729冷粉进料键I3.4252#冷骨料仓门Q3.030搅拌器们开到位开关I3.5263#冷骨料仓门Q3.131冷粉震动键I3.627皮带Q3.232石料称门开到位开关I3.728搅拌器门Q3.333石料称门关到位开关I4.029螺旋输送机Q3.434搅拌器门开到位开关I4.1301#备用Q3.535储仓高位开关I4.2312#备用Q3.636粉料高位开关I4.3323#备用Q3.7372#热料仓高位开关I4.41温度传感器AIW0383#热料仓高位开关I4.52骨料称AIW239引风机接点I4.63粉料称AIW440空压机接点I4.74沥青称AIW641沥青泵接点I5.01柴油门开度AQW142搅拌电机正转I5.1根据系统中的输入输出分配需要46个数字量输入，32数字量输出，4个模拟量输入，1个模拟量输出。采用西门子S7-200PLC的24输入16输出的CPU226作为中央处理器。添加模块有一个8点输入的EM221模块，一个16输入16输出的EM223模块以及一个4模拟量输入1模拟量输出的EM235模块，其总共数字量输入为48个，数字量输出为32个，模拟量输入为4个模拟量输出为1个，满足要求。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(PLC)的现场控制、上位机的监控管理系统组成。本系统采用SIMATIC STEP7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SIMATIC WinCC设计了上位机监控管理系统。通过SIMATIC WinCC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SIMATIC的产品，增强了系统的兼容性，同时可以通过SIMATIC的PROFIBUS DP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。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PID控制算法在PLC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SIMATIC STEP7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) 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) 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) 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SIMATIC PROFIBUS DP进行传输。下位机控制软件使用SIMATIC STEP 7编程工具设计开发。图2-6现场控制软件的流程Fig.2-6 The Process of on-scene control software 2.5.2 上位机监控管理软件上位机监控管理软件的主要任务是获取PLC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，以便于上位机进行数据存储和管理。本系统的软件主要由PLC现场控制软件、上位机监控管理软件组成，如图2-7所示。图2-7控制系统软件构成方案Fig.2-7 The constitute program of control system software使用SIMATIC WinCC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PLC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SIMATIC WinCC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。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。3. 沥青混合料料温控制系统研究与设计3.1 STEP7软件及其应用STEP7编程软件是用于SIMATIC可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包，是SIMATIC工业软件的组成部分。STEP7是SIMATIC S7-200系列PLC的编程语言，它可以在Windows XP/NT操作系统下运行，并可与Windows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MPI通信卡或者PC/MPI通信适配器，将计算机接入MPI或PROFIBUS DP网络，以便下载和上载用户程序及组态数据。STEP7允许多个用户同时处理一个工程项目。用户可以进行系统配置和程序的编写、调试，在线诊断PLC硬件配置状态、控制PLC的运行状态和I/O通道的状态等。利用STEP7可以方便地创建一个自动化解决方案。STEP7用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据，组成结构化的用户程序。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰，易于修改。为支持结构化程序设计，STEP7用户程序通常由组织块(OB)、功能块(FB)或功能块(FC)等三种类型的逻辑块和数据块(DB)组成。OB1是主程序循环块，在任何情况下，它都是需要的。各个程序块的具体功能如表3-1所示。表3-1 各功能块功能介绍Tab.3-1 Functional description of each functional block块功能描述组织块(OB) 操作系统与用户程序的接口，决定用户程序的结构系统功能块(SFB) CPU提供的重要系统功能，有存储区系统功能(SFC) CPU提供的重要系统功能，无存储区功能块(FB) 用户编写的包含常用功能的子程序，有存储区功能(FC) 用户编写的包含常用功能的子程序，无存储区背景数据块(DI) 调用FB和SFB时用于传递参数的数据块，编译时自动生成数据共享数据块(DB) 存储用户数据的数据区域，供所有块共享一般来说，PLC有线性化编程、模块化编程和结构化编程等3种程序设计方法。(1) 线性化编程线性化编程类似硬件继电器控制电路，整个系统的控制程序放在主循环控制组织块OBI(主程序)中，每一次循环扫描都要不断地顺序执行OB1中的全部指令。这种方法程序结构简单，不涉及功能、功能块、数据块、局部变量和中断等比较复杂的概念，容易入门，一般在编写简单的控制系统程序时使用。(2) 模块化编程程序被分为不同的逻辑块，每个块包含了完成部分控制任务的逻辑指令。组织块OB1(主程序)中的指令决定在什么情况下调用哪一个块，功能和功能快(子程序)用来完成不同的过程任务。被调用的块执行完之后，返回到OB的调用点，继续执行OB1。模块化编程的程序被分为若干块，易于实现多人同时对一个项目编程。由于只在需要时执行相关的指令，因此提高了CPU的执行效率。(3) 结构化编程结构化编程将复杂的自动化任务分解成能够反映过程的工艺、功能或可以反复使用的小任务，这些任务由相应的程序块来表示，程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中。某些程序块可以用来实现相同或相近的功能。这些程序块是相对独立的，它们被OB1或别的程序块调用。STEP7提供三种基本编程语言：语句表编程语言STL(Statement List)、梯形逻辑编程语言LAD(Ladder Logic)和功能块图编程语言FBD(Function Block Diagram)，其它编程语言作为可选软件包使用。在Windows的环境下通过编程器对系统进行配置、程序编制、调试和监视，用户界面方便友好。(1) LAD(梯形图)是使用最多的PLC图形编程语言。它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似，当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时，梯形图可以让你追踪电信号在电源示意线之间的流动，具有直观易懂的特点，特别适合于数字量逻辑控制电路。(2) FBD(功能块图)使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。一些复杂功能(例如数学逻辑功能等)可以用逻辑框相连直接表达，这样有数字电路基础的人很容易掌握。(3) STL(语句表)是STEP7编程语言的文本表达方式。与机器码相似，如果一个程序是用语句表编写的，CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。为使编程更容易，语句表已扩展到包括一些高层语言结构，如：结构数据的访问和块参数，可以实现某些不能用LAD和FBD表示的功能。3.2 设计要求成品料料温是决定沥青混合料质量的重要因素，成品料出料温度的自动控制是沥青混合料搅拌设备的关键技术之一。根据沥青混合料的生产工艺，成品料的出料温度主要与干燥滚筒热骨料出料时的温度、沥青温度、以及生产过程中的温度损耗有关。料温控制系统包括冷骨料和粉料供料变频调速控制、骨料加热烘干系统和沥青加热供给系统。其中沥青的加热供给系统，通过控制沥青泵、燃烧器油门的开度以及点火信号，来控制供料沥青的温度，沥青的温度可以通过温度传感器进行检测。大量试验证明干燥滚筒热骨料的出料温度是影响成品料温度的主要因素，本章将详细介绍骨料加热烘干系统。骨料加热烘干系统由燃烧器、燃油泵和风门调节等组成。冷骨料的加热烘干系统是保证成品料质量必不可少的环节。它完成将冷骨料在干燥滚筒中加热到设定的温度。该部分主要包括：燃烧器控制、滚筒出料温度检测与控制、热骨料储仓温度检测。燃烧器控制要保证燃烧器的正常点火，确保完全燃烧，还要在点火不着时，切断燃烧器燃油供给，并报警，避免燃油堆积和外泄。滚筒出料温度检测与控制，应该能实时检测出干燥滚筒出料温度，并根据设定的温度，按照控制算法完成对燃烧器燃油供给的控制，确保出料温度到达工艺的要求。对于料温控制要求超调小，静态误差小，稳定性高，响应速度快。热骨料储仓温度检测主要用来检测通过热骨料提升机提升后，存储在热骨料储仓内的热骨料温度，以确保热骨料以设定的温度与沥青搅拌。在完成以上任务的时，控制系统应该具备手动控制和自动控制两种控制模式。3.3 控制对象特点沥青混合料料温控制的一个重要指标是热骨料出料温度。热骨料的温度在出口处测量，利用测量到的温度来调节燃油流量以及风门开度，使出料温度稳定到设定的值。被控对象具有以下特点：首先干燥滚筒本身和筒内的冷骨料具有很大的比热容量，无论测温点位置怎么选择，都会给系统带来延时(实际温度传感器安装在干燥滚筒出料口)；其次，冷骨料的含水量、初温、供给流量、等是非定值，难以提前进行预测和计算；加之外界环境温度、生产速度、燃油供给量、滚筒内烟气流量等不确定因素，使得被控对象具有大惯性、纯滞后、以及扰动变化频繁等特点，很难用一个精确的数学模型来描述。通常冷骨料在滚筒内干燥大约需要3-6分钟，而滚筒内烟气流速比较快，烟气流过滚筒约为4-6秒，如果燃烧状态改变，烟气的温度约在17秒内能及时反映出来。整个系统可以近似看成一个纯滞后、大惯性、扰动频繁的温度控制系统。3.4 数学模型根据干燥滚筒中物料的热传递的模型，结合沥青混合料的生产工艺可以构建出料温控制的近似数学模型。这里仅考虑使用燃烧器的情况，根据热量平衡计算。冷骨料从入口温度互升至五所吸收的热量Q1=F1CplT3-T1 (3.1)式中，F1：冷骨料进料流量，kg/h；Cpl：冷骨料比热；T1：冷骨料入口温度，；T3：热骨料出口温度，。烟气带走的热量Q2=F4CgT4-CkTair+F2CgT4-Cp2Tf+F3CgT4-Cp3Ts+FAA(3.2)式中，F2：燃料油流量，kg/hF3：冷骨料含水量流量，kg/h；F4：空气流量，kg/h；Ck、Cg、Cp2、Cp3：空气、烟气、燃料油、雾化蒸汽比热；T4：出口烟气温度，；Tair、Tf、Ts：空气、燃料油、蒸汽温度； FA：冷骨料中含水量，；A：含水量的汽化潜热。空气流量F4F4=LF2 (3.3)式中，L：单位燃料燃烧所需要的空气量，为空气质量与燃料质量的比(Kg空气/Kg燃料)。燃油阀的开度与风门开度连动，以实现需要的风油比要求。 燃料油燃烧放热Q3=F2QL (3.4)式中，QL：燃料油的低热值Kcal/kg。可以按下式计算QL=12390-2475r420-55S (3.5)式中，r420：燃料油重度；S：燃料油中硫的重量百分数。考虑干燥筒的热容和滚筒内空气、烟气的热容，并假设滚筒内有冷骨料量为m公斤，则有mCpldT3dt=Q3-Q1-Q2-aQ (3.6)式中，a：散热系数，一般取a=3。 其中，滚筒在环境中的散热Q，可以用下式计算， (3.7) 式中，U：传热系数； A：传热面积；Tc：环境温度。式(3.6)可以整理为滚筒加热的动态数学模型dT3dt=（T1-T3）mF1+1-aQL-CgT4+Cp2TfmCplF2+Cp3Ts-CgT4+AmCplF3+CkTair-CgT4mCplF4 (3.8)实际上，滚筒温度在长度方向上是变化的，实际温度与出料温度瓦有很大的不同，在靠近燃烧器处，温度最高，而T3仅是热骨料出口温度，公式中环境温度的散热Q仅仅是估计值。搅拌站为户外露天设备，干燥滚筒所处的环境温度、空气流动情况、以及周围空气的湿度，等因素变化随着季节变化比较大，再加上冷骨料含水量很难准确测量，水的比热很大，含水量的变化对所需燃油热量的影响很大。冷骨料在滚筒的一端燃烧，热骨料在滚筒的出料口的另一端，料温在出口处测量，存在2分钟左右的延迟，由于上述因素的影响，料温控制系统基本上是一个一阶滞后、大惯性不确定的系统。 3.5 PID控制方法在料温控制中的应用3.5.1 PID介绍PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，至今仍有90%左右的控制回路具有PID结构。常规PID控制器作为一种线性控制器，根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其模拟PID控制系统程序结构图如图3-1所示。图3-1 模拟PID控制系统结构图Fig.3-1 Simulation of the PID control structural drawing 它主要由PID控制器和被控对象所组成。而PID控制器则由比例(P)、积分(I)、微分(D)三个环节组成，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的偏差信号e(t)，并将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。PID控制器的数学模型可以用下式表示: ut=Kpet+1Ti0tetdt+Tdde(t)dt (3.1) 式中:,ut控制器的输出 et控制器的输入，它是给定值和被控对象输出的差，称偏差信号 Kp控制器的比例系数 Ti控制器的积分时间