李 松，潘 豐

(江南大學(xué) 輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，尤其是高速公路的飛速建設(shè)，對(duì)高質(zhì)量瀝青混合料的需求在不斷地增加。瀝青混合料攪拌設(shè)備作為瀝青路面機(jī)械化施工的關(guān)鍵設(shè)備，提高瀝青混合料攪拌設(shè)備的穩(wěn)定性、提高設(shè)備的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)率是工作的重點(diǎn)［1-2］。級(jí)配精度的保證是瀝青混合料攪拌設(shè)備的基本功能之一，而國(guó)內(nèi)眾多設(shè)備由于各種問題的限制，級(jí)配精度往往得不到保證［3］。

瀝青混合料生產(chǎn)過程主要特征是各種成分是分批次計(jì)量，依事先設(shè)定順序投入攪拌器進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，卸出攪和好的成品料后，接著進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，形成周而復(fù)始的循環(huán)作業(yè)過程［4-5］。

本研究綜合考慮開發(fā)成本及控制系統(tǒng)的性價(jià)比，采用PLC 來對(duì)瀝青混合料生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。

1 瀝青混合料生產(chǎn)工藝和控制要求

瀝青混合料攪拌站控制系統(tǒng)工藝流程主要包含混合料生產(chǎn)工藝流程與除塵流程［6］。

該系統(tǒng)將不同規(guī)格的砂石料裝入對(duì)應(yīng)的冷料倉(cāng)內(nèi)，經(jīng)由平皮帶給料機(jī)，斜皮帶機(jī)輸送到干燥滾筒。干燥滾筒以逆流加熱的方式將砂石料烘干加熱到一定溫度(控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)燃燒器的火焰)，由于滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，砂石料被筒內(nèi)的葉片反復(fù)提升、落下，形成料簾，增強(qiáng)了換熱效果，并且借助于滾筒的傾角，砂石料在加熱的同時(shí)不斷向前移動(dòng);從滾筒出口出來后，連同除塵器收集的粗粉一起，由熱骨料提升機(jī)提起，卸入到熱骨料篩分機(jī)中。

從烘干滾筒排出的高溫含塵煙氣進(jìn)入袋式除塵器，凈化后的煙氣由引風(fēng)機(jī)直接排入大氣。系統(tǒng)要求最多需要12個(gè)除塵氣缸，但是也會(huì)根據(jù)實(shí)際需求切換氣缸個(gè)數(shù)，設(shè)定一定的開啟與關(guān)閉時(shí)間后除塵氣缸循環(huán)開啟。

該系統(tǒng)通過篩分機(jī)將熱骨料篩分成若干種規(guī)格(不同設(shè)備要求不同)，分別流進(jìn)若干個(gè)熱料儲(chǔ)倉(cāng)存儲(chǔ)起來。按照設(shè)定的配比，不同規(guī)格的骨料按照設(shè)定的次序分批投入骨料計(jì)量秤內(nèi)累加計(jì)量;同時(shí)瀝青供給系統(tǒng)送來的熱瀝青和礦粉供給系統(tǒng)送來的礦粉，分別按設(shè)定的配比投入到各自的計(jì)量裝置內(nèi)計(jì)量。計(jì)重完畢后，骨料先進(jìn)入拌缸進(jìn)行干拌，干拌時(shí)間一般為20 s～40 s，干拌結(jié)束礦粉和瀝青分別投入到拌缸內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制攪拌。攪拌時(shí)間的設(shè)定以骨料、瀝青、礦粉放到拌缸至成品料攪拌均勻?yàn)橹?，一般?5 s～40 s。拌缸門打開延時(shí)的設(shè)定時(shí)間，以拌缸門打開后成品料放完的時(shí)間為準(zhǔn)，一般為7 s～12 s。拌缸門關(guān)閉延時(shí)是拌缸關(guān)上需要的時(shí)間，一般為3s～6 s。如果用行程開關(guān)，就以開關(guān)到位作為標(biāo)準(zhǔn)。攪拌好的成品料可直接卸到運(yùn)料自卸卡車中。瀝青混合料攪拌設(shè)備工藝流程如圖1 所示。

圖1 瀝青混合料攪拌設(shè)備工藝流程

瀝青混合料攪拌站控制系統(tǒng)按照工藝要求主要分為以下幾個(gè)部分:電機(jī)啟停部分、布袋除塵部分、物料進(jìn)料稱量部分、物料放料攪拌部分和攪拌結(jié)束出料部分。

(1)電機(jī)啟停部分。要求有電機(jī)一鍵全開和手動(dòng)單獨(dú)開兩種方式。電機(jī)可以選擇是否連鎖控制，當(dāng)連鎖時(shí)，有一個(gè)電機(jī)出現(xiàn)故障，其連鎖控制的電機(jī)就自動(dòng)關(guān)閉。比如石料提升機(jī)出現(xiàn)故障，冷料斗、燃燒器、平皮帶和斜皮帶均會(huì)停止，因?yàn)楫?dāng)石料提升機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)繼續(xù)往石料提升機(jī)運(yùn)送原料會(huì)導(dǎo)致原料堆積浪費(fèi)。

(2)布袋除塵部分。根據(jù)要求，布袋除塵氣缸在不同的設(shè)備中數(shù)量是不同的，而且數(shù)量可以進(jìn)行切換，而且切換數(shù)量后循環(huán)的氣缸數(shù)也會(huì)自動(dòng)變化。

(3)物料進(jìn)料稱量部分。骨料、粉料和瀝青按設(shè)定重量自動(dòng)進(jìn)料和稱量系統(tǒng)使用二次稱量結(jié)合沖量矯正的方式來確保骨料的進(jìn)料進(jìn)度和骨料與瀝青比的穩(wěn)定。系統(tǒng)要求的計(jì)量精度要求如下:

①骨料計(jì)量精度±0.5%;

②粉料計(jì)量精度±0.5%;

③瀝青計(jì)量精度±0.3%;

④骨料與瀝青比精度±0.5%。

同樣骨料斗的數(shù)量也是根據(jù)不同的設(shè)備會(huì)變化，因此同樣需要進(jìn)行切換。

(4)物料放料攪拌部分。骨料進(jìn)料完畢先進(jìn)入拌缸進(jìn)行干拌，干拌時(shí)間可選，時(shí)間到進(jìn)礦粉和瀝青，這時(shí)開始計(jì)攪拌時(shí)間。每種原料放入拌缸后，對(duì)應(yīng)放料閥關(guān)閉，此時(shí)對(duì)應(yīng)原料自動(dòng)開始下一輪進(jìn)料過程。

(5)攪拌結(jié)束出料部分。攪拌時(shí)間到，根據(jù)是否有接料車決定是否放料，同時(shí)可以手動(dòng)或自動(dòng)控制接料小車向某一方向運(yùn)動(dòng)將出料運(yùn)入某倉(cāng)庫(kù)并返回。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 瀝青混合料攪拌站控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

瀝青混合料攪拌站控制系統(tǒng)選擇西門子S7-300 PLC作為控制器，并配有各種拓展功能模塊實(shí)現(xiàn)要求功能。

PLC 的數(shù)字量輸入點(diǎn)主要包括電機(jī)啟動(dòng)的反饋點(diǎn)、變頻器故障點(diǎn)和檢測(cè)骨料倉(cāng)礦粉倉(cāng)料位點(diǎn)。數(shù)字量輸出點(diǎn)主要包括電機(jī)的啟停點(diǎn)、變頻器加減速點(diǎn)和閥門開關(guān)點(diǎn)。模擬量輸入點(diǎn)主要包括溫度檢測(cè)、電流檢測(cè)、速度檢測(cè)、料位檢測(cè)與秤重量檢測(cè)。本研究選用的模擬量模塊通過軟件調(diào)節(jié)可以改變模塊接口電路從而可以檢測(cè)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)［7］。

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

2.2 瀝青混合料攪拌站控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC 程序以梯形圖為編程語言，采用模塊化的編程思想［8-9］編寫電機(jī)啟停程序、模擬量采集程序、配料程序、布袋除塵氣缸循環(huán)程序和報(bào)警指令程序。編程軟件首先需要添加系統(tǒng)硬件配置，并下載好配置。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 電機(jī)啟停模塊

電機(jī)啟停程序主要包括電機(jī)的手動(dòng)和自動(dòng)啟停，如電機(jī)的一鍵啟動(dòng)、電機(jī)手動(dòng)開啟與關(guān)閉、是否啟用電機(jī)的聯(lián)鎖控制以及電機(jī)聯(lián)鎖部分。

2.2.2 模擬量采集模塊

CPU 只能以二進(jìn)制形式處理模擬量，根據(jù)測(cè)量的方法不同，可以將電壓、電流和電阻等不同類型的傳感器連接到模擬量輸入模塊，模擬量輸入模塊自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以將標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU 可以處理的數(shù)字量。模擬量采集程序就是根據(jù)采集到的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算得到模擬量實(shí)際值。

下面以瀝青泵電流檢測(cè)為例說明模擬量采集的過程。首先，檢測(cè)瀝青泵電流的電流互感器將檢測(cè)到的電流值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出(將交流0～500 A 電流轉(zhuǎn)換為直流4 mA～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出)，互感器輸出接到SM331 模擬量模塊，通過軟件調(diào)節(jié)可以改變模塊接口電路從而可以檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，SM331 模擬量模塊將4 mA～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU 可以處理的0～27 648 范圍的數(shù)字量，然后經(jīng)過內(nèi)部程序處理計(jì)算得到模擬量實(shí)際值。具體處理程序如圖3 所示。

本研究根據(jù)CPU接收到的模擬量模塊轉(zhuǎn)化的數(shù)字量信號(hào)，進(jìn)行一系列處理得到模擬量實(shí)際值。首先對(duì)數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行判斷，進(jìn)行上、下限保護(hù)，數(shù)字量信號(hào)如果在0～27 648 范圍外，就將0 或27 648 作為數(shù)值進(jìn)行處理，然后利用軟件自帶的模擬量和工程量轉(zhuǎn)換功能塊FC105 進(jìn)行數(shù)值處理，該功能塊功能是接受一個(gè)整型值(IN)，并將其轉(zhuǎn)換為以工程單位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的實(shí)型值，將結(jié)果寫入OUT。數(shù)值轉(zhuǎn)換功能使用如下式所示:

圖3 模擬量處理程序

在本例中，下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)分別代表電流互感器的量程范圍下限與上限。常數(shù)K1和K2 根據(jù)輸入值是雙極性(BIPOLAR)還是單極性(UNIPOLAR)設(shè)置。

BIPOLAR:假定輸入整型值介于－27 648 與27 648之間，因此K1=－27 648.0，K2=+27 648.0。

UNIPOLAR:假定輸入整型值介于0和27 648 之間，因此K1=0.0，K2=+27 648.0。

本例為單極性輸入，如果輸入整型值大于K2，輸出(OUT)將鉗位于HI_LIM，并返回一個(gè)錯(cuò)誤。如果輸入整型值小于K1，輸出將鉗位于LO_LIM，并返回一個(gè)錯(cuò)誤。

最后將輸出(OUT)乘以斜率并加上零點(diǎn)，這樣可以在數(shù)值出現(xiàn)斜率偏差或者零點(diǎn)漂移時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

2.2.3 配料模塊

整個(gè)配料過程比較復(fù)雜，包含的工藝流程比較多，包括3 種原料的進(jìn)料計(jì)量過程、計(jì)量完畢進(jìn)入拌缸攪拌過程、攪拌完畢出料過程和小車接料卸貨過程，配料程序主要包括上述過程的控制。

2.2.4 布袋除塵氣缸循環(huán)

骨料經(jīng)過燃燒器加熱后，排出的煙塵進(jìn)入袋式除塵器，數(shù)量不定的除塵氣缸需要循環(huán)開啟關(guān)閉，布袋除塵氣缸循環(huán)程序即為上述過程的控制。

2.2.5 報(bào)警指令模塊

報(bào)警指令主要包括各種模擬量的上、下限報(bào)警指令、電機(jī)故障報(bào)警指令和拌缸門小車門開關(guān)限位報(bào)警指令等。

3 瀝青混合料配料計(jì)量控制

由于骨料和瀝青均是根據(jù)設(shè)定值來進(jìn)行計(jì)量，如果計(jì)量精度足夠高的話，可以達(dá)到誤差范圍內(nèi)的骨料與瀝青比和骨料總進(jìn)量。但是由于骨料每次進(jìn)料質(zhì)量很大，在實(shí)際過程中會(huì)出現(xiàn)骨料計(jì)量精度符合要求，偏差卻太大，導(dǎo)致骨料與瀝青比不符合要求;或者當(dāng)各類骨料均出現(xiàn)同向稱量偏移時(shí)會(huì)導(dǎo)致骨料總進(jìn)量偏差過大的問題［10-11］。

3.1 原料的計(jì)量方法

為了達(dá)到系統(tǒng)所要求的計(jì)量精度，原料的計(jì)量有一次稱量和二次稱量?jī)煞N方法。二次稱量包括第一次粗稱和第二次精稱，粗稱時(shí)放料倉(cāng)門全開，稱量到設(shè)定值的80%時(shí)，將倉(cāng)門關(guān)閉一半，進(jìn)行第二次精稱，當(dāng)進(jìn)料達(dá)到設(shè)定值減去落差補(bǔ)償值再加上骨料沖量矯正值時(shí)，放料倉(cāng)門關(guān)閉。由于放料倉(cāng)門與計(jì)量秤相距有一米左右，當(dāng)放料倉(cāng)門完全關(guān)閉后，在空中仍有原料未落到計(jì)量秤中，實(shí)際計(jì)量的量會(huì)比關(guān)閉倉(cāng)門時(shí)的量多一些，多出的量基本固定在某個(gè)值左右，落差補(bǔ)償值就是指實(shí)際計(jì)量的量比關(guān)閉倉(cāng)門時(shí)的量多出的重量值。一次稱量是指放料倉(cāng)門全開，當(dāng)進(jìn)料達(dá)到設(shè)定值減去落差補(bǔ)償值時(shí)，放料倉(cāng)門在PLC 的控制下提前關(guān)閉。

骨料計(jì)量采用二次稱量結(jié)合沖量矯正的方法，按照設(shè)定的配比，不同規(guī)格的骨料按設(shè)定的次序分批投入骨料計(jì)量秤內(nèi)累加計(jì)量，瀝青計(jì)量采用一次稱量結(jié)合沖量矯正的方法，礦粉計(jì)量采用一次稱量的方法。礦粉計(jì)量過程如圖4 所示。

圖4 礦粉計(jì)量過程

3.2 骨料與瀝青比精度的控制

系統(tǒng)的控制要求中，骨料和瀝青稱量值的比例是很重要的一項(xiàng)要求，骨料與瀝青比對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響尤為明顯，所以控制這一項(xiàng)指標(biāo)十分必要。

由于骨料和瀝青是根據(jù)設(shè)定值來進(jìn)料計(jì)量，如果計(jì)量精度足夠高的話，可以達(dá)到要求的骨料瀝青比，但是由于骨料每次進(jìn)料質(zhì)量很大，在實(shí)際過程中會(huì)出現(xiàn)骨料計(jì)量精度符合要求，偏差卻太大，導(dǎo)致骨料瀝青比不符合要求。

這里采取的措施是二次稱量結(jié)合沖量矯正的方式，其中沖量矯正又分為骨料沖量矯正和瀝青沖量矯正。骨料沖量矯正是指根據(jù)前面已經(jīng)進(jìn)料完畢的骨料設(shè)定重量與實(shí)際進(jìn)量的差值調(diào)整下一個(gè)進(jìn)的骨料的沖量矯正值，設(shè)Ai代表進(jìn)料順序?yàn)閕 的骨料計(jì)量值，Bi代表進(jìn)料順序?yàn)閕 的骨料設(shè)定值，Di代表進(jìn)料順序?yàn)閕的骨料沖量矯正值，骨料沖量矯正值取設(shè)定重量與實(shí)際進(jìn)量的差值，骨料沖量矯正計(jì)算公式如下式所示:

當(dāng)骨料進(jìn)料達(dá)到設(shè)定值減去落差補(bǔ)償值再加上沖量矯正值時(shí)，放料倉(cāng)門關(guān)閉。

瀝青沖量矯正是指根據(jù)全部骨料設(shè)定總量與實(shí)際進(jìn)入重量的差值，調(diào)整瀝青的沖量矯正值，設(shè)定B8代表瀝青設(shè)定進(jìn)量，D8代表瀝青沖量矯正值，則瀝青沖量矯正值計(jì)算公式如下式所示:

當(dāng)瀝青進(jìn)料達(dá)到設(shè)定值減去落差補(bǔ)償值再加上瀝青沖量矯正值時(shí)，關(guān)閉瀝青泵。

以沖量矯正為例，主要處理程序如圖5 所示。

圖5 沖量矯正程序

如圖5 所示，落差補(bǔ)償值與沖量矯正值的差計(jì)為關(guān)閉放料倉(cāng)門提前重量，即當(dāng)進(jìn)料達(dá)到設(shè)定值減去關(guān)閉放料倉(cāng)門提前重量時(shí)，放料倉(cāng)門關(guān)閉。

骨料計(jì)量過程如圖6 所示。

圖6 骨料計(jì)量過程

瀝青計(jì)量過程如圖7 所示。

圖7 瀝青計(jì)量過程

3.3 實(shí)際使用效果及結(jié)果分析

本研究以實(shí)際工作中一鍋進(jìn)料數(shù)據(jù)為例說明，設(shè)定一鍋總重量為1 000 kg，一鍋總重量是指除了瀝青外所有原料設(shè)定進(jìn)量，這一鍋6 種骨料進(jìn)料次序?yàn)?—6。

實(shí)際數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實(shí)際數(shù)據(jù)

6 種骨料的設(shè)定重量是根據(jù)一鍋總重量與各類骨料設(shè)定比例的乘積得到，瀝青的設(shè)定重量是一鍋總重量乘以瀝青的設(shè)定比例得到，礦粉的設(shè)定重量是一鍋總重量乘以礦粉的設(shè)定比例得到，當(dāng)一鍋總重量和所有原料的設(shè)定比例添加后自動(dòng)計(jì)算各種原料的設(shè)定重量。落差補(bǔ)償值是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值提前寫入的，重量差值為原料計(jì)量完畢后實(shí)際進(jìn)料減去設(shè)定重量的值，骨料沖量矯正值開始時(shí)均為0，在上一個(gè)骨料進(jìn)料完畢后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)差值調(diào)整此骨料的沖量矯正值，6 種骨料進(jìn)料完畢后，會(huì)根據(jù)所有骨料設(shè)定重量與實(shí)際進(jìn)料的差值調(diào)整瀝青的沖量矯正值。

表1 前半部分?jǐn)?shù)據(jù)為設(shè)定數(shù)據(jù)，即計(jì)量開始前的數(shù)據(jù)。表1 后半部分?jǐn)?shù)據(jù)為原料計(jì)量完畢后數(shù)據(jù)，由表2 可知骨料最高計(jì)量誤差為－0.15%，礦粉計(jì)量誤差為0.22%，瀝青計(jì)量誤差為－0.08%，各原料計(jì)量精度在誤差范圍內(nèi)，骨料與瀝青比的相對(duì)誤差要求控制在±0.5%內(nèi)，實(shí)際數(shù)據(jù)得到實(shí)際骨料與瀝青比的相對(duì)誤差為－0.26%，同樣控制在誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

本研究針對(duì)瀝青混合料攪拌站控制系統(tǒng)，通過對(duì)工藝流程和配料過程的分析，將控制過程分為電機(jī)啟停部分、布袋除塵部分、物料進(jìn)料稱量部分、物料放料攪拌部分、攪拌結(jié)束出料部分。西門子300 下位機(jī)程序開發(fā)過程中，考慮到各個(gè)環(huán)節(jié)的功能實(shí)現(xiàn)，將程序按照功能分塊，方便后期調(diào)試和檢查。

對(duì)于配料過程，筆者設(shè)計(jì)了不同原料不同的稱量方式。系統(tǒng)的控制要求中，骨料與瀝青比對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響尤為明顯，所以控制這一項(xiàng)指標(biāo)十分必要，本研究提出采用了二次稱量結(jié)合沖量矯正的方法，既保證了配料過程的高效，也保證了配料過程的高精度要求。通過后期使用驗(yàn)證，該系統(tǒng)的功能可以得到完整地實(shí)現(xiàn)。

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