基于PLC的间歇式沥青拌合站自动标定系统研究

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义
交通运输是关乎国民经济发展的基础产业,也是衡量一个国家和民族经济实力、综合实力以及现代化技术水平的重要标志之一。根据目前交通运输路面的使用现状来看，沥青路面在诸多方面优势明显；在沥青路面上，车辆行驶平稳、舒适、震动小、噪音低、磨耗较小，，且沥青路面维修方便，开放交通所需时间短，因而被广泛采用于各级公路施工中。据不完全统计显示，现阶段的所有重要路面（包括国道、省道、一级公路、二级公路等）中 90%左右路面为沥青路面，而且随着经济的发展、公路覆盖率的增加以及沥青路面本身良好的路用性能，这个比例还将会有一定幅度的提升[1]。在我国国民经济迅速发展的今天，随着交通车辆通行量越来越大、车辆轴载迅速增长、车速不断提高，沥青路面发生的质量问题也随之增多；例如有些路面前修后坏，有些路面使用寿命达不到设计年限等[2]。交通流量和车辆负载日益增大，因此为保证沥青道路的使用寿命和路用性能（整体强度、水稳性、平整度等），对沥青路面施工技术和沥青混合料的质量提出了越来越高的要求。沥青路面的质量与路用性能主要取决于两大方面，第一是沥青混合料成品的质量，第二是沥青混合料的摊铺技术。沥青混合料是主要由粗集料、粉料、沥青、填充料等材料混合而成同时具有一定温度的复合材料，根据路面的等级要求，还可加入一些诸如聚合物、木纤维等特殊材料；由不同种类和比例的材料拌和而成的沥青混合料具有不同的结构、力学特性及使用性能[3]。沥青混合料成品的拌和是在沥青混合料拌合站完成的，因此沥青混合料拌合站从生产源头上决定了沥青混合料的质量，从而对沥青路面沥青层性能的好坏有着最直接的影响。
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1.2 沥青混合料拌合站的研究与发展现状
根据工作原理与工艺流程的不同，沥青混合料拌合站可分为连续式和间歇式两种类型[5]。（1）连续式沥青拌合站。连续式沥青混凝土拌合站也称为滚筒式拌合站。连续式沥青混合料拌合站在冷骨料的级配控制、称重计量及烘干加热三个方面的工艺流程与间歇式拌合站相似，但在生产原理与整体结构上两者仍有较大的不同。连续式沥青混合料的拌和工艺流程如下：结合连续式沥青混合料拌和工艺流程及其在施工中的使用状况，可知该拌合站有如下几个优点[6]：①能耗低，生产效率高。连续式滚筒沥青拌合站电能总装机功率不到200 KW ，生产每吨成品料所消耗的燃料相较于间歇式沥青拌合站而言要少20%~30%。由于连续式拌合站在生产过程中加料、搅拌、出料这 3 个生产环节都是连续进行的，因此生产效率较高。同时在骨料进入搅拌机的过程中，各级别骨料在其料流的不同截面上分布均匀，骨料层的厚度较小，故而混合速度较快，搅拌后的均匀度也较高。②空间与时间上的连续性。空间上的顺序可以根据生产需要灵活配置各级别物料的添加位置，而时间上的工序同步是提高生产效率的不二法门。这也是连续式沥青混合料拌合站相比于间歇式较为明显的优势。③旧沥青路面再生料利用率高。连续式沥青混凝土拌合站对于旧沥青路面再生料的利用能力要远高于间歇式沥青混凝土拌合站，这也是连续式沥青混合料拌合站在美国和欧洲交通建设市场占据明显优势的主要原因之一。
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第二章 标定过程的设备优化

2.1 冷骨料供料流量分析
对标定过程的控制主要体现为对冷骨料供料流量的控制。冷骨料供料时，若将冷骨料的体积流量作为因变量来处理，则影响其变化的自变量即为冷料仓出料口的高度（下文简称为斗门高度）与集料皮带驱动电机的转速；在控制系统中，为明确系统的控制目标，同时为保证控制精度和控制的可行性，需对上面两个自变量进行研究和分析。对冷骨料的体积流量进行分析时，需考虑沥青混合料拌合站中冷骨料的配料系统和供料流程。通常情况下，目前间歇式沥青混合料拌合站中冷骨料储存仓（简称冷料仓）呈倒置漏斗状，下端直接与集料皮带相承接，如图 2.2 所示。冷料仓出料端与集料皮带运行方向相同的一侧称为出料口，可上下调整其开口高度，从而可控制冷骨料供料时的流量；出料端的另一侧则固定不动，发挥固定挡板的作用。在冷料仓进行冷骨料的供应时，为尽可能地改善由于物料颗粒之间、物料颗粒与料仓侧壁之间摩擦所造成的出料困难现象，通常将冷料仓底部设计为梯形，同时出料方向应该从冷料仓底部的小端流向大端。
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2.2 冷料仓自动斗门设计
经研究，冷料仓自动斗门的结构组成方式不止一种，如齿轮齿条机构、连杆机构、凸轮机构等[16]；考虑到冷料仓斗门高度的调整范围及要求的调整精度，经过对比分析发现利用直齿轮齿条机构与步进电动机配合的方式实现对冷料仓斗门高度的控制较为方便。因此本文提供一种理论上可行的自动斗门设计方案，控制过程为：控制器→步进驱动器→步进电机→齿轮齿条机构（齿条机构与斗门焊接在一起），自动斗门的组成为步进电机和齿轮齿条机构。由于本文中对自动斗门的优化是在现有设备上进行，而标定时自动斗门在提升过程中仅受到斗门挡板自身的重力和斗门导轨的摩擦力，因此不再进行受力分析，主要对步进电机进行选型以及给出齿轮齿条结构参数。步进电机是机电一体化系统重要组成设备之一，它与普通电机最主要的区别是步进电机能将电脉冲信号转变成线位移或者角位移；步进电机常作为开环控制系统中的执行元件，它能够同时完成两个控制任务，即传递转矩和控制角位移或速度。在非超载的工况下，步进电机的转速与停止位置仅取决于接收到脉冲信号的数目和频率，负载是否发生变化对它的运行并无影响；即给步进电机施加一个脉冲信号，电机就会转过一个步距角[17]。
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第三章 自动标定系统控制方案的确定..........33
3.1 自动标定系统的控制过程与要求 .......... 33
3.2 自动标定系统控制方案的确定 ....... 34
3.3 斗门高度的调定控制 ......... 38
3.3.1 步进电机控制系统 ......... 38
3.3.2 PLC 对步进电机的控制方案....... 39
3.4 变频器调速控制方案 ......... 40
3.5 PLC 与皮带秤计量系统连接 ....44
3.6 本章小结.........46
第四章 自动标定系统硬件设计.........47
4.1 自动标定系统的控制组成.........47
4.2 控制系统 I/O 口的分析与分配 ........48
4.3 PLC 中央处理器和触摸屏选型 .......50
4.4 标定系统控制参数设置......55
4.5 操作台设计.....61
4.6 PLC 抗干扰设计 ..........62
4.7 本章小结.........64
第五章 自动标定系统软件设计.........65
.1 PLC 控制原理 .......65
5.2 自动标定系统的软件设计.........68
5.3 触摸屏界面设计 .......... 74
5.4 关于标定曲线的几点说明 ........ 78
5.5 本章小结 ........ 82

第五章 自动标定系统软件设计

前面主要分析了自动标定系统的控制过程，以及各个控制子系统的控制方案、硬件选型、通讯方式以及控制参数设定，本章将对自动标定系统的控制程序进行设计。

5.1 PLC 控制原理

5.1.1 PLC 的工作原理和执行方式
PLC 工作全过程包括 3 个部分，分别为通电处理、扫描过程和错误处理；其工作方式为连续且循环的顺序扫描，一次完整的连续循环扫描所用时间即称为一个扫描周期，其量级通常为毫秒级。PLC 正常运行时对用户程序的扫描严格地按照从上到下、从左到右的顺序进行，逐条对程序指令进行读取，当程序最后一条指令读取完成时，即完成了一次扫描循环，而后返回到程序的首条指令并按照规定顺序重新扫描，开始第二次扫描循环。根据 PLC 的工作原理以及工作特性可知，PLC 的工作方式为循环扫描，在执行控制程序时每次只驱动一个操作单元，按照程序中的指令顺序对多个操作单元进行依次驱动。PLC 控制系统与其他控制方式的控制系统类似，系统的硬件电路连接以及各输入/输出端口的正确分配是系统控制程序正常运行的关键；控制程序都要对输入信号进行运算、处理等，并据此发送输出信号，因此结合 PLC 运行时一个扫描周期的划分。

结论

本文对目前国内间歇式沥青拌合设备常用的人工标定方法进行了分析，并以此为理论基础，提出了一种基于 PLC 的自动标定系统。本文主要得到了以下几点结论：
1、对标定设备作了适当的优化，完成了冷料仓出料口自动调节装置（自动斗门）的设计，确定了标定过程基于电子皮带秤的皮带称量系统；通过对变频器工作特性、负载特性的研究，得出了集料皮带驱动电机在标定过程中的最佳转速比范围内。
2、通过研究间歇式沥青混合料拌合站的标定过程，经过综合对比与分析设计了以PLC 为控制核心、以 HMI 为上位机的自动标定系统控制方案；同时确定了冷料仓自动斗门高度调定子系统、集料皮带驱动电机调速系统和皮带称量子系统的控制方案。
3、通过研究自动标定系统整体及局部控制方案，完成了 CPU 和 HMI 的选型，并设计了硬件电路的连接与通信方式；根据自动标定系统的控制要求，完成了标定过程控制参数的设定。
4、完成了自动标定系统控制程序和触摸屏操作界面的设计，通过设定标定系统的控制参数，得到了冷骨料供料时的“重量流量—电机转速”标定曲线，进而确定动态标定过程中集料皮带驱动电机的转速。
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参考文献（略）