新型瀝青冷再生攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計

本文提出一種新型的基于數(shù)字PID控制的系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)采用自主開發(fā)的上位機(jī)軟件和可靠性強(qiáng)的可編程控制器，并利用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)配料系統(tǒng)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)攪拌設(shè)備的生產(chǎn)自動化，提高了攪拌設(shè)備的穩(wěn)定性、可維護(hù)性及生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：瀝青冷再生;PID;變頻器;可編程控制器

1 前 言

瀝青冷再生攪拌技術(shù)是將舊瀝青路面材料經(jīng)過破碎加工后進(jìn)行重復(fù)利用，根據(jù)再生后結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)特征適當(dāng)加入新骨料或細(xì)集料，按比例加入一定量的外摻劑（乳化瀝青、泡沫瀝青等）和適量的水，在自然環(huán)境溫度下連續(xù)添加、拌和，重新形成具有所承載能力結(jié)構(gòu)層的一種工藝方法。該技術(shù)充分利用舊路面的廢棄材料，解決了廢棄材料對空間的占用和對環(huán)境造成的污染。國內(nèi)生產(chǎn)的瀝青冷再生攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)中大都采用的是開環(huán)控制的電磁調(diào)速電機(jī)配料，配料精度低且實(shí)時性差，物料浪費(fèi)嚴(yán)重，生產(chǎn)成本增加。為解決上述缺點(diǎn)，本文提出一種新型的基于數(shù)字PID控制的瀝青冷再生攪拌設(shè)備自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案形成配料系統(tǒng)的閉環(huán)控制，硬件投資成本低，符合實(shí)際工程設(shè)計需要。

2 工藝流程

瀝青冷再生攪拌設(shè)備主要任務(wù)是保證按配料比例及所設(shè)定的生產(chǎn)率計算并計量各種骨料、粉料、水以及乳化瀝青的重量，然后放料于攪拌缸中進(jìn)行攪拌，達(dá)到設(shè)定攪拌時間時，打開拌缸門將成品料輸送至成品倉中。其工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

3 硬件配置及其功能

控制系統(tǒng)由工控機(jī)作為上位機(jī)、PLC 為下位機(jī)以及變頻器、信號檢測電路、電氣控制電路及驅(qū)動電路等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 工控機(jī)和PLC

為保證可靠性，系統(tǒng)采用研華工控機(jī)作為上位機(jī)。工控機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)配置且內(nèi)裝光電隔離型8 路D/A板卡和I/O適配卡。PLC采用三菱FX2N 系列，通過RS-232接口與上位機(jī)通信。

3.2 變頻器

變頻器用來調(diào)節(jié)各物料給料電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制每種物料的流量，完成物料的配比。一般變頻器具有面板數(shù)字控制和端子電壓（或電流）控制多種控制方式。本設(shè)備配料系統(tǒng)選用三菱FR-A500變頻器，其面板數(shù)字控制用于調(diào)試過程或手動調(diào)節(jié)，在自動控制工作模式時，采用端子電流控制方式。可選用具有4-20mA 電流輸出的D/A轉(zhuǎn)換板，其輸出直接與變頻器電流控制端子相連。圖3為變頻器連接圖。5號端子為模擬信號公共端，10號端子為頻率設(shè)定用電源，2號端子為頻率設(shè)定（電壓），4號端子為頻率設(shè)定（電流），STF端子表示正轉(zhuǎn)啟動，AU端子表示電流輸入選擇，SD表示公共輸入端子，R、S、T為三相電源輸入端，U、V、W為三相電源輸出端，KA1、KA2為繼電器。從實(shí)際調(diào)試過程看，供料電機(jī)運(yùn)行速度變化范圍所對應(yīng)變頻器輸出頻率范圍為10-60Hz，調(diào)節(jié)步長為0.1Hz，滿足實(shí)際需要。

圖3 變頻器硬件連接圖

3.3 信號檢測單元

電機(jī)測速傳感器采用直流三線型電感式接近開關(guān)，其輸出的開關(guān)信號頻率不低于600Hz。由于檢測位置離控制室較遠(yuǎn)，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，其開關(guān)量信號采用電流環(huán)傳輸形式，并采取光電隔離措施。開關(guān)量輸入信號在開關(guān)量處理板上進(jìn)行調(diào)理后，通過I/O 板與工控機(jī)進(jìn)行聯(lián)系。乳化瀝青的流量受密度、溫度、壓力等因素的影響，并且瀝青在管道中有殘留，簡單地采用羅茨傳感器是無法保證測量精度的。因此，在原有羅茨傳感器的基礎(chǔ)上，首先嚴(yán)格控制乳化瀝青輸送過程中的溫度、壓力等參數(shù)，將這些干擾減至最小，然后利用電磁傳感器的優(yōu)點(diǎn)，將流量變?yōu)殚_關(guān)量信號，傳送給工控機(jī)。

4 軟件設(shè)計

4.1 骨料和粉料流量算法

骨料和粉料流量算法如下：設(shè)皮帶恒定轉(zhuǎn)速時，動態(tài)皮重為G,稱重傳感器以動態(tài)掛碼方式標(biāo)定后確定的折線函數(shù)為g（x），測速傳感器標(biāo)定后得到折線函數(shù)為V（x），則物料流量公式為：

e（j）＝[g（x）－G]·V（x） （1）

故某一段時間從皮帶流出的物料累計量：

∫te（t）dt＝∫kt[g（t）－G]·V（t）dt （2）

（2）式中k為標(biāo)定系數(shù)，可根據(jù)實(shí)物稱重與工控機(jī)顯示的累計重量的差異來標(biāo)定。

4.2 乳化瀝青流量PID控制算法

根據(jù)乳化瀝青特點(diǎn)，應(yīng)采用積分分離的PID 算法對其進(jìn)行流量控制。工控機(jī)中離散的PID算法子程序根據(jù)給定流量值和反饋量計算值的偏差進(jìn)行運(yùn)算，求得本次控制值。

乳化瀝青流量的PID 控制算法為：當(dāng)︱e（n）∣＞∣e（0）∣時，KL＝0，進(jìn)行PD控制，其表達(dá)式為：

u（n）＝a e（n）－b（n－1） （3）

4.3 骨料、粉料和水的流量PID控制算法

調(diào)節(jié)對象是骨料或粉料的流量時，由于調(diào)節(jié)對象的特點(diǎn)是純滯后和慣性滯后較小，對象響應(yīng)靈敏，而且存在著規(guī)則或不規(guī)則的干擾信號，若采用微分作用，一般會使干擾得以加強(qiáng)。因此，在設(shè)置PID時，可以不采用微分作用，只采用積分為主導(dǎo)作用的PI控制。實(shí)踐表明，這種PI控制方式能有效地消除調(diào)節(jié)系統(tǒng)的殘余偏差。當(dāng)設(shè)定流量與實(shí)測流量不相等時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出將繼續(xù)增加或減少，最后使設(shè)定值與實(shí)測值一致，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出便穩(wěn)定下來。這種PI 控制特性可通過數(shù)學(xué)分析得到。一般的PI控制輸出表達(dá)式為：

（6）式表明u（τ）是e（τ）與T的函數(shù)。e（τ）為有限變量，其積分值的大小與0到T這段時間的變化有關(guān)。當(dāng)流量與實(shí)測流量偏差為0時，系統(tǒng)就穩(wěn)定在與設(shè)定流量相適應(yīng)的數(shù)值上。將（6）式離散化，得到數(shù)字控制器的差分方程：

（7）式中T＇表示采樣周期。

本設(shè)備變頻調(diào)速供水系統(tǒng)是由水泵、電機(jī)、變頻器等環(huán)節(jié)組成的時滯系統(tǒng)，涉及參數(shù)較多，而水泵工作特性又具有很強(qiáng)的非線性，所以很難給出供水系統(tǒng)精確的對象數(shù)學(xué)模型。考慮到設(shè)備攪拌過程中用水量大，而骨料的含水率與天氣狀況直接相關(guān)，可利用微波測濕技術(shù)通過專門的儀器測量含水率，并根據(jù)含水率來改變實(shí)際物料配比。因此供水系統(tǒng)也可用積分分離的PID 算法來粗略控制注水量。實(shí)踐表明，其水流量誤差是在允許范圍內(nèi)的。

4.4 上位機(jī)程序和下位機(jī)程序

上位機(jī)程序采用VB語言編寫，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，用戶界面以動畫方式顯示監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面和實(shí)現(xiàn)控制功能。用戶界面包括運(yùn)行界面、用戶文件、參數(shù)設(shè)置、標(biāo)定文件、作業(yè)報表、累積報表等。由于客戶的配方不同，系統(tǒng)還必須創(chuàng)建配方庫，在配方庫中可同時建立和保存多種配方，并可在工作狀態(tài)下編輯配方。上位機(jī)串口通信程序采用VB 提供的通信控件MSComm。本系統(tǒng)采用MSCOmm控件提供的事件驅(qū)動方式，即按通信協(xié)議編寫串行通信處理程序，CommEvent屬性變化產(chǎn)生OnComm事件時，激活此程序運(yùn)行，在程序中判斷CommEvent的屬性值，并做出相應(yīng)處理，完成與PLC的通信。

圖4 上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖

下位機(jī)程序即PLC程序，系統(tǒng)PLC程序包括一個主程序、設(shè)備順序啟動子程序、順序停止子程序、設(shè)備運(yùn)行程序及通信程序。其中設(shè)備運(yùn)行程序還嵌套了傳感器信號處理程序及報警停止程序。PLC通過主程序按要求調(diào)用子程序，從而不僅保證下位機(jī)精確控制系統(tǒng)運(yùn)行，還保證了PLC程序較強(qiáng)的可讀性。三菱FX2N 系列PLC具有串行通信功能，本系統(tǒng)中，通信格式用PLC中的特殊數(shù)據(jù)寄存器D8120來進(jìn)行設(shè)置。通信格式參數(shù)設(shè)置為：8位數(shù)據(jù)長度，偶校驗(yàn)，2位停止位，波特率9600bps。因此，D8210＝[0000 0100 1000 1111]。現(xiàn)采用RS指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行通信，其通信程序如圖5所示。

圖5 PLC 串行通信程序

5 結(jié)束語

本文提出的瀝青冷再生攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比，提高了生產(chǎn)效率、配料精度以及產(chǎn)品整體檔次，節(jié)省了生產(chǎn)成本，保證了設(shè)備的穩(wěn)定性。改進(jìn)后的攪拌設(shè)備已由滬寧高速公路鎮(zhèn)江管理處在其施工路段投入使用，應(yīng)用后檢測結(jié)果表明，攪拌出的成品料的瀝青裹附性良好，且控制系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求：骨料集料誤差小于3%，水泥石灰穩(wěn)定劑誤差小于1%，供水系統(tǒng)誤差小于1%，乳化瀝青誤差小于0.5%。

參考文獻(xiàn)
[1] 唐元英,曾革.瀝青路面現(xiàn)場冷再生技術(shù)的研究[J].中外建筑,2005,（5）:125-127.
[2] 三菱變頻調(diào)速器FR-A500 使用手冊[Z].菱電自動化（上海）有限公司,2003:9-11.
[3] 王常力,羅安.分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004:583-597.
[4] 陶永華.新型PID 控制及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:8-10.
[5] 李曉媛，尹淑萍，王杰.商品混凝土攪拌站自動控制系統(tǒng)[J].微計算機(jī)信息，2005,（4）：38-39.

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：瀝青冷再生攪拌技術(shù)在國外比較成熟，而我國仍然處于初級階段。作者首次提出了一種新型的基于數(shù)字PID 控制的瀝青冷再生攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案形成配料系統(tǒng)的閉環(huán)控制，很好地克服了原系統(tǒng)的缺點(diǎn)，且硬件投資成本低，符合實(shí)際工程設(shè)計需要。

作者簡介：
湯養(yǎng)（1980.1- ）女，浙江舟山人，碩士，江蘇大學(xué)理學(xué)院教師。研究方向：最優(yōu)控制理論及應(yīng)用。
Author’s brief introduction: TangYang, female, born in 1980.1,ZhouShan, ZheJiang province, master, a teacher of Jiangsu University. The Research direction is the best control theory.
通訊地址：江蘇鎮(zhèn)江市桃花塢一區(qū)38 號203 室 郵編：212003 E-mail: cwtangya@yahoo.com.cn
趙德安（1956.2-）男，江蘇常州人，博士，江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院院長、教授、博士生導(dǎo)師。
陳偉（1981.10- ）男，江蘇鎮(zhèn)江人，鎮(zhèn)江華晨華通路面機(jī)械有限公司技術(shù)中心，助理工程師；江蘇大學(xué)碩士研究生