陳新軒 宋麗娟++陳宏業(yè)++李明飛++趙素素

摘要：為了彌補(bǔ)瀝青攪拌站人工標(biāo)定工作量大、內(nèi)容繁瑣、精度不高的缺點(diǎn)，完善瀝青混合料的拌和系統(tǒng)自動(dòng)化，根據(jù)動(dòng)態(tài)標(biāo)定過(guò)程的控制要求，通過(guò)分析其控制原理、對(duì)比不同的控制方案， 基于PLC控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種間歇式瀝青攪拌站自動(dòng)標(biāo)定的動(dòng)態(tài)標(biāo)定控制系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試及分析，得到了標(biāo)定流量曲線，確定了電機(jī)轉(zhuǎn)速與流量的匹配關(guān)系。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)瀝青攪拌站的自動(dòng)標(biāo)定。

關(guān)鍵詞：人工標(biāo)定；PLC；電機(jī)轉(zhuǎn)速；瀝青攪拌站

中圖分類(lèi)號(hào)：U415.52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

瀝青路面的質(zhì)量和使用壽命是由瀝青混合料的質(zhì)量和攤鋪技術(shù)共同決定的，而瀝青混合料是由瀝青攪拌站拌和生產(chǎn)的，故瀝青攪拌站直接影響瀝青路面的質(zhì)量和使用性能，對(duì)瀝青攪拌站的精確控制就成為十分重要的環(huán)節(jié)[13]。在瀝青混合料正式生產(chǎn)之前，要對(duì)瀝青攪拌站進(jìn)行標(biāo)定，主要包括目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)、生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)和生產(chǎn)配合比驗(yàn)證[45]。到目前為止，這項(xiàng)工作內(nèi)容主要是由人工完成的，但人工標(biāo)定有諸多的缺陷，如工作量大、精度不高、效率低等。在當(dāng)今技術(shù)的快速發(fā)展下，本文提出基于可編程邏輯控制器（PLC）的間歇式瀝青攪拌站的自動(dòng)標(biāo)定控制系統(tǒng)，它能從根本上解決人工標(biāo)定的缺陷，對(duì)提高瀝青混合料質(zhì)量及解放生產(chǎn)力有重要的意義。

1間歇式瀝青攪拌站傳統(tǒng)標(biāo)定原理及設(shè)備優(yōu)化

1.1傳統(tǒng)的人工標(biāo)定原理

間歇式瀝青攪拌站的傳統(tǒng)人工標(biāo)定具體步驟如下。

（1）將冷料倉(cāng)的斗門(mén)高度H設(shè)為定值。

（2）設(shè)集料皮帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n1，供料時(shí)長(zhǎng)為t1，并對(duì)在t1時(shí)長(zhǎng)內(nèi)供應(yīng)的骨料進(jìn)行稱(chēng)量，記為m1，根據(jù)q=m/t得到此次試驗(yàn)的質(zhì)量流量q1，也就獲得了第1個(gè)集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和質(zhì)量流量的關(guān)系數(shù)組（n1，q1）[6]。

（3）多次重復(fù)步驟2，得到數(shù)組（n2，q2），（n3，q3），…，（nk，qk）。

（4）由以上步驟的數(shù)據(jù)得出電機(jī)轉(zhuǎn)速質(zhì)量流量標(biāo)定曲線。設(shè)它們兩者的函數(shù)關(guān)系為q=f（n），然后根據(jù)攪拌站實(shí)際的產(chǎn)量Q和目標(biāo)配合比ɑ計(jì)算得出目標(biāo)流量q，q=ɑ·Q，再根據(jù)q=f（n）求得目標(biāo)轉(zhuǎn)速n[7]。

1.2標(biāo)定過(guò)程設(shè)備的優(yōu)化

人工標(biāo)定方法雖然解決了部分溢料、待料問(wèn)題，但標(biāo)定過(guò)程中的影響因素太多，使得標(biāo)定曲線的精確度降低。因此，本文在人工標(biāo)定的基礎(chǔ)上對(duì)標(biāo)定過(guò)程中所參與的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到自動(dòng)控制的目的，具體做法是根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)斗門(mén)和控制集料皮帶的調(diào)速裝置，并在集料皮帶上安裝一個(gè)自動(dòng)質(zhì)量計(jì)量裝置。

（1）冷料倉(cāng)的自動(dòng)斗門(mén)設(shè)計(jì)采用了較簡(jiǎn)單的步進(jìn)電機(jī)與齒輪齒條結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)斗門(mén)位置的自動(dòng)精確控制。

（2）集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常采用三相異步電機(jī)，通過(guò)變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可由變頻器和集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。但是通過(guò)變頻器逆變后的輸出電壓不是正弦交流電壓，通常要對(duì)輸出電壓進(jìn)一步處理，使處理后的輸出電壓是與正弦波等效的一系列等幅的矩形脈沖波[8]。

（3）電子皮帶秤是一種連續(xù)計(jì)量皮帶輸送機(jī)上所通過(guò)的固體物料質(zhì)量的裝置，它在標(biāo)定過(guò)程中獲得的測(cè)量參數(shù)有：瞬時(shí)質(zhì)量、皮帶速度及行進(jìn)距離。結(jié)合得到的物料瞬時(shí)質(zhì)量、皮帶速度及皮帶行進(jìn)距離，采用累加法或者積分法進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算，即可得到皮帶上通過(guò)的物料流量與累計(jì)質(zhì)量[9]。

2自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)控制方案的確定

經(jīng)過(guò)對(duì)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)不同控制方案對(duì)比分析，為滿(mǎn)足自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的控制精度、抗干擾能力等使用要求，選擇了基于PLC的自動(dòng)標(biāo)定控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)圖如圖1所示。

2.1斗門(mén)高度的調(diào)定控制

標(biāo)定時(shí)，控制系統(tǒng)按照設(shè)定的斗門(mén)高度由控制器發(fā)出控制信號(hào)到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理后輸出至步進(jìn)電機(jī)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角，進(jìn)而控制與其相連的齒輪齒條產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)斗門(mén)高度的調(diào)定[10]。其中方向信號(hào)、脈沖信號(hào)分別控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

步進(jìn)電機(jī)控制環(huán)節(jié)組成如圖2所示。圖中環(huán)形分配器根據(jù)輸入的方向信號(hào)確定電機(jī)定子繞組的通電順序，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向；細(xì)分電路的作用是使步進(jìn)電機(jī)控制精度更高，可在驅(qū)動(dòng)器中設(shè)定細(xì)分倍數(shù)。

2.2變頻器調(diào)速控制方案

觸摸屏作為上位機(jī)，通過(guò)通訊協(xié)議（RS232或RS485）及電纜線（適配器）與PLC控制器連接；在觸摸屏中寫(xiě)入控制程序；PLC對(duì)運(yùn)行程序進(jìn)行執(zhí)行，通過(guò)模擬量輸出來(lái)控制變頻器不同頻率的電源輸出，從而實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)調(diào)速。

2.3PLC與皮帶稱(chēng)量系統(tǒng)的連接

電子皮帶秤是一個(gè)完整的連續(xù)計(jì)量系統(tǒng)，工作時(shí)在其顯示儀上可以直接讀取物料通過(guò)輸送帶的瞬時(shí)流量值和累積質(zhì)量值，因此需要考慮如何實(shí)現(xiàn)PLC控制器與皮帶秤計(jì)量系統(tǒng)之間的信息交換。由于串口通訊方式可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，簡(jiǎn)便易行，因此采用通過(guò)串口連接和通訊協(xié)議的方法完成電子皮帶秤測(cè)量值向PLC控制器的傳輸。

2.4PLC自動(dòng)標(biāo)定原理

選取某料倉(cāng)為標(biāo)注對(duì)象，輸入控制冷料倉(cāng)斗門(mén)高度的參數(shù)a（此倉(cāng)中儲(chǔ)存冷骨料對(duì)應(yīng)的目標(biāo)配合比）。輸入集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的參數(shù)轉(zhuǎn)速比φ1、讀取皮帶秤測(cè)量值的時(shí)間點(diǎn)t1和t2；讀取0～t1和0～t2內(nèi)的累計(jì)稱(chēng)量值，分別記為m1和m2。則PLC控制器可得到此驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下供料時(shí)冷骨料的平均質(zhì)量流量，即（φ1，q1）的采集；保持斗門(mén)高度不變，多次重復(fù)以上步驟，得到（φ2，q2）、（φ3，q3）；PLC控制器對(duì)上述3組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，則可以生成此倉(cāng)的標(biāo)定曲線；再根據(jù)攪拌設(shè)備產(chǎn)量Q、目標(biāo)配合比a確定此倉(cāng)對(duì)應(yīng)冷骨料的目標(biāo)流量q；將目標(biāo)流量q代入標(biāo)定曲線，即可得到目標(biāo)轉(zhuǎn)速比φ，亦實(shí)現(xiàn)了對(duì)此倉(cāng)對(duì)應(yīng)的集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的標(biāo)定。

3自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)控制組成

自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)主要包括人機(jī)交互部分、主控制器PLC以及各子系統(tǒng)3個(gè)部分。自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)在瀝青拌和站控制室和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的布置如圖3所示。

3.2控制系統(tǒng)I/O口的分配

進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)控制過(guò)程中主要有3路開(kāi)關(guān)量輸出，1路模擬量輸出。根據(jù)對(duì)標(biāo)定系統(tǒng)控制I/O端口的統(tǒng)計(jì)以及幾種分配方案的分析，選用西門(mén)子PLC，CPU型號(hào)為S7200CPU224XP CN。該CPU有2個(gè)RS485通訊串口，一個(gè)連接上位機(jī)觸摸屏TD400C，一個(gè)連接以電子皮帶秤為核心的計(jì)量系統(tǒng)；步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的2個(gè)數(shù)字量輸出控制端口分別為Q0.0和Q0.2，其中通過(guò)Q0.0的數(shù)字量輸出控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止，通過(guò)Q0.2的數(shù)字量輸出控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斗門(mén)的提升和復(fù)位；變頻器的數(shù)字量輸出控制端口為Q0.4，模擬量輸出控制端口為AQW0，通過(guò)Q0.4的數(shù)字量輸出控制集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)和停止，通過(guò)AQW0的模擬量輸出控制集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定速轉(zhuǎn)動(dòng)。

4自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)軟件控制程序

PLC控制過(guò)程運(yùn)行程序和觸摸屏操作界面程序的設(shè)計(jì)，如圖4所示。子系統(tǒng)歸納為：自動(dòng)斗門(mén)高度調(diào)定子程序、集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速及皮帶秤測(cè)量值讀取控制子程序、標(biāo)定曲線擬合子程序。其中調(diào)用初始化子程序是指標(biāo)定開(kāi)始時(shí)對(duì)系統(tǒng)清零。

斗門(mén)高度控制流程如圖5所示，控制系統(tǒng)根據(jù)輸入值以及數(shù)據(jù)庫(kù)中相對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，結(jié)合程序中的算法計(jì)算出輸出脈沖數(shù)目N，然后發(fā)送N個(gè)脈沖信號(hào)控制自動(dòng)斗門(mén)高度aH0（H0為斗門(mén)的最大可調(diào)高度）。

電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定及測(cè)量值讀取控制流程如圖6所示，該控制流程圖中包含2個(gè)控制：集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制和皮帶秤計(jì)量系統(tǒng)測(cè)量值輸入的控制。在觸摸屏依次輸入3個(gè)轉(zhuǎn)速比值，即對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行了3次，得到3組數(shù)據(jù)；標(biāo)定時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要，多次循環(huán)運(yùn)行子程序，即可獲得多組數(shù)據(jù)。根據(jù)對(duì)變頻器控制異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工作的特性分析，變頻器控制集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的最佳范圍為25%～75%。所以，為保證標(biāo)定曲線的擬合精度，至少應(yīng)測(cè)量3組數(shù)據(jù)。

標(biāo)定曲線擬合控制子系統(tǒng)流程如圖7所示。根據(jù)插值法進(jìn)行標(biāo)定曲線擬合，擬合完畢后，操作人員可通過(guò)觸摸屏輸入該料倉(cāng)冷骨料在目標(biāo)配合比中所占的比例，控制程序得出目標(biāo)流量，并將該結(jié)果利用插值運(yùn)算帶入標(biāo)到定擬合曲線中，即可得到該料倉(cāng)對(duì)應(yīng)集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速比。

4.2自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)軟件界面

對(duì)于本系統(tǒng)而言，要求觸摸屏能夠顯示標(biāo)定系統(tǒng)過(guò)程設(shè)備的控制參數(shù)和運(yùn)行狀況，從而避免工作人員出現(xiàn)不必要的誤操作。自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)選用的上位機(jī)為步科觸摸屏（型號(hào)為T(mén)D400C），編程環(huán)境為組態(tài)軟件；該軟件支持西門(mén)子所有TD系列觸摸屏程序的編寫(xiě)及運(yùn)行。

4.3系統(tǒng)實(shí)例應(yīng)用

對(duì)日本田中TAP4000 LB型拌合站進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。拌合站產(chǎn)量Q=260 t·h-1，標(biāo)定料倉(cāng)為5#倉(cāng)；料倉(cāng)自身結(jié)構(gòu)參數(shù)和對(duì)應(yīng)冷骨料物理參數(shù)如表1所示，標(biāo)定過(guò)程控制參數(shù)設(shè)定值如表2所示。

結(jié)合表2，通過(guò)皮帶秤計(jì)量系統(tǒng)測(cè)得的冷骨料供料累積質(zhì)量，以及得出3組關(guān)于冷骨料供料質(zhì)量流量與集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為：（025，2259）、（050，456）、（075，6882），在上位機(jī)中通過(guò)Excel對(duì)該3組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到標(biāo)定擬合曲線，如圖8所示。

將目標(biāo)流量q=4213 t·h-1，代入標(biāo)定擬合曲線可得集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速比φ=462%。同理，求出其他料倉(cāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速比，最后將其輸入控制系統(tǒng)中各對(duì)應(yīng)料倉(cāng)配料電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置界面，自動(dòng)標(biāo)定結(jié)束。

5結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)間歇式瀝青攪拌站的冷料標(biāo)定問(wèn)題，以傳統(tǒng)的人工標(biāo)定方法為理論基礎(chǔ)，對(duì)標(biāo)定過(guò)程中幾個(gè)關(guān)鍵的設(shè)備進(jìn)行了分析與優(yōu)化，提出了一種基于PLC的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。通過(guò)研究自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)整體及局部控制方案，完成了標(biāo)定過(guò)程控制參數(shù)的設(shè)定；通過(guò)對(duì)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)，獲得了冷骨料供料時(shí)的“質(zhì)量流量電機(jī)轉(zhuǎn)速”標(biāo)定曲線，進(jìn)而確定集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了瀝青攪拌站冷料的自動(dòng)標(biāo)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁業(yè)升.強(qiáng)制式瀝青拌合站電氣控制系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[2]劉洪海，李紅船，劉鳳軒，等.提高瀝青拌和設(shè)備配料精度的方法與試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（9）：138140.

[3]謝忱.電子皮帶秤的工作原理及校準(zhǔn)技巧[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（14）：5960.

[4]李明飛.基于PLC的間歇式瀝青拌合站自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)理論研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[5]李德超.淺議間歇式瀝青攪拌站烘干滾筒的干燥能力[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2010，27（9）：4244.

[6]張春燕，馬其華，張大韡.間歇式瀝青拌和站冷料供給系統(tǒng)流量的標(biāo)定方法[J].交通科技，2005（6）：8890.

[7]周智勇，劉洪海.間歇式瀝青攪拌設(shè)備冷集料倉(cāng)流量標(biāo)定法[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2015（12）：5962.

[8]劉紅軻，邵長(zhǎng)柱.瀝青拌和站冷料倉(cāng)流量標(biāo)定方法及應(yīng)用[J].華東公路，2012（1）：3536.

[9]陶永紅，顧程鵬，董武.瀝青混合料攪拌設(shè)備施工前驗(yàn)收和計(jì)量標(biāo)定實(shí)施方法研究[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2015，32（3）：8790.

[10]林濤，楊照輝.攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)預(yù)處理電路設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，26（4）：108110.

[責(zé)任編輯：杜敏浩]