陳新軒 宋麗娟++陳宏業(yè)++李明飛++趙素素

摘要：為了彌補瀝青攪拌站人工標定工作量大、內(nèi)容繁瑣、精度不高的缺點，完善瀝青混合料的拌和系統(tǒng)自動化，根據(jù)動態(tài)標定過程的控制要求，通過分析其控制原理、對比不同的控制方案， 基于PLC控制系統(tǒng)，設(shè)計了一種間歇式瀝青攪拌站自動標定的動態(tài)標定控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行測試及分析，得到了標定流量曲線，確定了電機轉(zhuǎn)速與流量的匹配關(guān)系。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能實現(xiàn)瀝青攪拌站的自動標定。

關(guān)鍵詞：人工標定；PLC；電機轉(zhuǎn)速；瀝青攪拌站

中圖分類號：U415.52文獻標志碼：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，要對瀝青攪拌站進行標定，主要包括目標配合比設(shè)計、生產(chǎn)配合比設(shè)計和生產(chǎn)配合比驗證[45]。到目前為止，這項工作內(nèi)容主要是由人工完成的，但人工標定有諸多的缺陷，如工作量大、精度不高、效率低等。在當今技術(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標定控制系統(tǒng)，它能從根本上解決人工標定的缺陷，對提高瀝青混合料質(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)標定原理及設(shè)備優(yōu)化

1.1傳統(tǒng)的人工標定原理

間歇式瀝青攪拌站的傳統(tǒng)人工標定具體步驟如下。

（1）將冷料倉的斗門高度H設(shè)為定值。

（2）設(shè)集料皮帶的驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速為n1，供料時長為t1，并對在t1時長內(nèi)供應(yīng)的骨料進行稱量，記為m1，根據(jù)q=m/t得到此次試驗的質(zhì)量流量q1，也就獲得了第1個集料皮帶驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和質(zhì)量流量的關(guān)系數(shù)組（n1，q1）[6]。

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

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

1.2標定過程設(shè)備的優(yōu)化

人工標定方法雖然解決了部分溢料、待料問題，但標定過程中的影響因素太多，使得標定曲線的精確度降低。因此，本文在人工標定的基礎(chǔ)上對標定過程中所參與的設(shè)備進行優(yōu)化，以達到自動控制的目的，具體做法是根據(jù)控制要求設(shè)計一個自動斗門和控制集料皮帶的調(diào)速裝置，并在集料皮帶上安裝一個自動質(zhì)量計量裝置。

（1）冷料倉的自動斗門設(shè)計采用了較簡單的步進電機與齒輪齒條結(jié)構(gòu)，通過控制步進電機實現(xiàn)斗門位置的自動精確控制。

（2）集料皮帶驅(qū)動電機通常采用三相異步電機，通過變頻器控制電機轉(zhuǎn)速，因此集料皮帶驅(qū)動電機調(diào)速系統(tǒng)可由變頻器和集料皮帶驅(qū)動電機組成。但是通過變頻器逆變后的輸出電壓不是正弦交流電壓，通常要對輸出電壓進一步處理，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)計量皮帶輸送機上所通過的固體物料質(zhì)量的裝置，它在標定過程中獲得的測量參數(shù)有：瞬時質(zhì)量、皮帶速度及行進距離。結(jié)合得到的物料瞬時質(zhì)量、皮帶速度及皮帶行進距離，采用累加法或者積分法進行相關(guān)的運算，即可得到皮帶上通過的物料流量與累計質(zhì)量[9]。

2自動標定系統(tǒng)控制方案的確定

經(jīng)過對自動標定系統(tǒng)不同控制方案對比分析，為滿足自動標定系統(tǒng)的控制精度、抗干擾能力等使用要求，選擇了基于PLC的自動標定控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)圖如圖1所示。

2.1斗門高度的調(diào)定控制

標定時，控制系統(tǒng)按照設(shè)定的斗門高度由控制器發(fā)出控制信號到步進驅(qū)動器；驅(qū)動器對輸入信號進行處理后輸出至步進電機，控制步進電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角，進而控制與其相連的齒輪齒條產(chǎn)生相應(yīng)的動作以實現(xiàn)斗門高度的調(diào)定[10]。其中方向信號、脈沖信號分別控制步進電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動角度。

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

2.2變頻器調(diào)速控制方案

觸摸屏作為上位機，通過通訊協(xié)議（RS232或RS485）及電纜線（適配器）與PLC控制器連接；在觸摸屏中寫入控制程序；PLC對運行程序進行執(zhí)行，通過模擬量輸出來控制變頻器不同頻率的電源輸出，從而實現(xiàn)異步電機調(diào)速。

2.3PLC與皮帶稱量系統(tǒng)的連接

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

2.4PLC自動標定原理

選取某料倉為標注對象，輸入控制冷料倉斗門高度的參數(shù)a（此倉中儲存冷骨料對應(yīng)的目標配合比）。輸入集料皮帶驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的參數(shù)轉(zhuǎn)速比φ1、讀取皮帶秤測量值的時間點t1和t2；讀取0～t1和0～t2內(nèi)的累計稱量值，分別記為m1和m2。則PLC控制器可得到此驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速下供料時冷骨料的平均質(zhì)量流量，即（φ1，q1）的采集；保持斗門高度不變，多次重復以上步驟，得到（φ2，q2）、（φ3，q3）；PLC控制器對上述3組數(shù)據(jù)進行擬合，則可以生成此倉的標定曲線；再根據(jù)攪拌設(shè)備產(chǎn)量Q、目標配合比a確定此倉對應(yīng)冷骨料的目標流量q；將目標流量q代入標定曲線，即可得到目標轉(zhuǎn)速比φ，亦實現(xiàn)了對此倉對應(yīng)的集料皮帶驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的標定。

3自動標定系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1系統(tǒng)控制組成

自動標定系統(tǒng)主要包括人機交互部分、主控制器PLC以及各子系統(tǒng)3個部分。自動標定系統(tǒng)在瀝青拌和站控制室和生產(chǎn)現(xiàn)場中的布置如圖3所示。

3.2控制系統(tǒng)I/O口的分配

進行標定時，自動標定系統(tǒng)控制過程中主要有3路開關(guān)量輸出，1路模擬量輸出。根據(jù)對標定系統(tǒng)控制I/O端口的統(tǒng)計以及幾種分配方案的分析，選用西門子PLC，CPU型號為S7200CPU224XP CN。該CPU有2個RS485通訊串口，一個連接上位機觸摸屏TD400C，一個連接以電子皮帶秤為核心的計量系統(tǒng)；步進驅(qū)動器的2個數(shù)字量輸出控制端口分別為Q0.0和Q0.2，其中通過Q0.0的數(shù)字量輸出控制步進電機的啟動和停止，通過Q0.2的數(shù)字量輸出控制步進電機實現(xiàn)自動斗門的提升和復位；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Q0.4的數(shù)字量輸出控制集料皮帶驅(qū)動電機啟動和停止，通過AQW0的模擬量輸出控制集料皮帶驅(qū)動電機的定速轉(zhuǎn)動。

4自動標定系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1自動標定系統(tǒng)軟件控制程序

PLC控制過程運行程序和觸摸屏操作界面程序的設(shè)計，如圖4所示。子系統(tǒng)歸納為：自動斗門高度調(diào)定子程序、集料皮帶驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速及皮帶秤測量值讀取控制子程序、標定曲線擬合子程序。其中調(diào)用初始化子程序是指標定開始時對系統(tǒng)清零。

斗門高度控制流程如圖5所示，控制系統(tǒng)根據(jù)輸入值以及數(shù)據(jù)庫中相對應(yīng)的參數(shù)值，結(jié)合程序中的算法計算出輸出脈沖數(shù)目N，然后發(fā)送N個脈沖信號控制自動斗門高度aH0（H0為斗門的最大可調(diào)高度）。

電機轉(zhuǎn)速設(shè)定及測量值讀取控制流程如圖6所示，該控制流程圖中包含2個控制：集料皮帶驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的控制和皮帶秤計量系統(tǒng)測量值輸入的控制。在觸摸屏依次輸入3個轉(zhuǎn)速比值，即對電機轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)循環(huán)運行了3次，得到3組數(shù)據(jù)；標定時可根據(jù)實際需要，多次循環(huán)運行子程序，即可獲得多組數(shù)據(jù)。根據(jù)對變頻器控制異步電機運轉(zhuǎn)工作的特性分析，變頻器控制集料皮帶驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的最佳范圍為25%～75%。所以，為保證標定曲線的擬合精度，至少應(yīng)測量3組數(shù)據(jù)。

標定曲線擬合控制子系統(tǒng)流程如圖7所示。根據(jù)插值法進行標定曲線擬合，擬合完畢后，操作人員可通過觸摸屏輸入該料倉冷骨料在目標配合比中所占的比例，控制程序得出目標流量，并將該結(jié)果利用插值運算帶入標到定擬合曲線中，即可得到該料倉對應(yīng)集料皮帶驅(qū)動電機的目標轉(zhuǎn)速比。

4.2自動標定系統(tǒng)軟件界面

對于本系統(tǒng)而言，要求觸摸屏能夠顯示標定系統(tǒng)過程設(shè)備的控制參數(shù)和運行狀況，從而避免工作人員出現(xiàn)不必要的誤操作。自動標定系統(tǒng)選用的上位機為步科觸摸屏（型號為TD400C），編程環(huán)境為組態(tài)軟件；該軟件支持西門子所有TD系列觸摸屏程序的編寫及運行。

4.3系統(tǒng)實例應(yīng)用

對日本田中TAP4000 LB型拌合站進行標定試驗。拌合站產(chǎn)量Q=260 t·h-1，標定料倉為5#倉；料倉自身結(jié)構(gòu)參數(shù)和對應(yīng)冷骨料物理參數(shù)如表1所示，標定過程控制參數(shù)設(shè)定值如表2所示。

結(jié)合表2，通過皮帶秤計量系統(tǒng)測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)動電機轉(zhuǎn)速分別為：（025，2259）、（050，456）、（075，6882），在上位機中通過Excel對該3組數(shù)據(jù)進行線性擬合得到標定擬合曲線，如圖8所示。

將目標流量q=4213 t·h-1，代入標定擬合曲線可得集料皮帶驅(qū)動電機目標轉(zhuǎn)速比φ=462%。同理，求出其他料倉目標轉(zhuǎn)速比，最后將其輸入控制系統(tǒng)中各對應(yīng)料倉配料電動機轉(zhuǎn)速設(shè)置界面，自動標定結(jié)束。

5結(jié)語

本文主要針對間歇式瀝青攪拌站的冷料標定問題，以傳統(tǒng)的人工標定方法為理論基礎(chǔ)，對標定過程中幾個關(guān)鍵的設(shè)備進行了分析與優(yōu)化，提出了一種基于PLC的自動標定系統(tǒng)。通過研究自動標定系統(tǒng)整體及局部控制方案，完成了標定過程控制參數(shù)的設(shè)定；通過對自動標定系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計，獲得了冷骨料供料時的“質(zhì)量流量電機轉(zhuǎn)速”標定曲線，進而確定集料皮帶驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了瀝青攪拌站冷料的自動標定。

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[責任編輯：杜敏浩]