基于PLC的物料搅拌系统设计

陈旭：基于PLC的物料搅拌系统设计1.绪论1.1沥青混合料搅拌设备概述沥青混合料搅拌设备是一种用于生产高等级沥青路面所需沥青混合料的设备，它按照实际施工的需要，将粒料(又称骨料)、粉料、沥青等筑路材料按一定的比例在一定的温度下搅拌均匀。沥青混合料搅拌设备是沥青路面施工的关键设备之一，其性能直接影响到所铺筑沥青路面的质量。按其工艺流程，可分为间歇强制式和连续滚筒式两类。连续滚筒式沥青搅拌设备，也称滚筒式搅拌设备。工艺流程简单，在冷骨料配料级别、计量和加热烘干方式等方面，和间歇式工艺过程基本类似；但是连续滚筒式没有热骨料提升、筛分、以及热骨料的二次计量等工序。动态计量后的冷骨料直接进入干燥滚筒内加热，达到设定的温度后，就在与其相连的搅拌滚筒内与计量好粉料和沥青搅拌成沥青混合料，其典型的特点是连续加料和出料，生产能力大。其工艺流程示意图如图1-1。存储、输送皮带连续计量配料冷料输送融化、脱水加热、保温连续粉料计量沥青连续计量加热搅拌成品料提升成品料存储石粉（填充量）砂子、碎石（填充量）沥青（集合料）除尘图1-1连续滚筒式搅拌设备工艺流程Fig.1-1Theprocessflowsofcontinuousdrum-typemixingequipment早期的连续滚筒式搅拌设备，将计量后的冷骨料和粉料从干燥滚筒的前部加入，采用顺流式烘干加热，接着在干燥滚筒的后部与经过计量连续喷洒的热沥青相互混合，采用自落方式进行搅拌。它的优点是结构简单、易于维修、占地面积小能耗低、生产率高、粉尘排放量小。但存在骨料计量精度不高、油石比误差大、沥青混合料搅拌均匀度差等缺点，尤其是在高等级公路对沥青配料级别要求高的情况下，连续滚筒式的缺点显的尤为突出。间歇式沥青混合料搅拌设备发展较早，其特点是先将初级配好的冷骨料在干燥滚筒辽宁工程技术大学（论文）内，采用逆流加热方式加热，再经筛分计量，最后与按质量计量好的粉料和热态沥青，一起在搅拌锅内搅拌成沥青混合料。它一锅接一锅地计量配料、搅拌、出料，可以保证配料级别和出料温度。流程图如图1-2所示。存储、输送计量配料冷料输送融化、脱水加热、保温搅拌成品料存储石粉（填充量）砂子、碎石（填充量）沥青（集合料）热料提升冷料输送计量筛分存储计量计量除尘除尘图1-2间歇强制式搅拌设备工艺流程Fig.1-2Theprocessflowsofintermittentpositivemixingequipment由于结构的特点，间歇强制式搅拌设备能够保证矿料的级配，矿料与沥青的比例可达到相当精确的程度。此外，由于它是间歇式搅拌，所以很容易随时改变配料级别及油石比，生产出的沥青混合料性能好，质量有保证，可以满足各种施工的要求。由于结构的原因也存在一些缺点，比如由于工艺流程为间歇式，所以生产能力低；热料提升、筛分和热料仓等装置结构复杂，占地面积大，热骨料在输送筛分过程中有热量损失，增加了燃料消耗，能源利用率相对连续滚筒式低；干燥滚筒排放的废气含尘量高，需要进行二次除尘。这些都是急需解决的技术难题。1.2国内外现状沥青混合料搅拌设备在国外有着悠久的历史，早在上世纪初就已经问世。经过长期的发展。尤其是近些年随着电子技术的日益完善以及计算机技术的发展和信息处理技术的突飞猛进，沥青混合料搅拌设备在发达国家以及达到了很高的技术水平，控制技术方面仍在不断的改进，而且产品的更新换代较快。国外沥青混合料搅拌设备生产能力大，计量精度高，结构设计合理，控制功能比较强大，性能可靠、稳定性高。就以技术工艺和设备的先进性来说，美国、英国、德国、意大利、韩国等国家生产的沥青混合料搅拌设备在总体技术水平和运行性能方面处于世界前列，尤其在配料级别、控制系统的智能化和运行可靠性方面更是如此。其产品占据了世界工程机械的大部分市场，尤其是高端市场，仅我国240t/h以上的大型沥青混合料搅拌设备陈旭：基于PLC的物料搅拌系统设计份额中，国外产品就占了80%。在市场竞争的强烈刺激下，他们不断改进和完善整机性能，液压和气动技术日益提高，产品的更新换代较快；在控制技术方面，随着人们对人性化、自动化、智能化控制要求的不断提高，在控制系统中将大量应用人机工程学设计、机电一体化技术，进一步提高了搅拌设备的计量精度和可靠性，加之电子技术、计算网络技术和信息处理技术的不断发展，使得沥青混合料等工程机械产品，机电一体化、智能化、网络化发展到一个新时期。我国沥青混合料搅拌设备的发展，是从20世纪60年代由交通部与西安筑机厂共同开发研制的30t/h间歇强制式沥青混合料搅拌设备开始的。到了80年代，随着改革开放和公路建设，尤其是高速公路建设的迅速发展，交通部组织沥青混合料搅拌与摊铺设备的技术引进项目，再加上当时国家立项，通过对国外技术的引进、消化和吸收，使得我国搅拌设备制造业迅猛发展。90年代我国开始设计和制造具有现代电子控制技术和智能技术的沥青混合料搅拌设备。通过引进、消化和吸收国外的先进技术，我国的设计、制造技术有了较快的发展。目前整机设计技术较为接近国际水平，但是核心控制系统的设计和制造水平与国外还有较大差距，高端市场仍依赖进口。我国虽然已掌握部分关键技术，但是普遍缺少核心技术，尤其是自动控制系统等关键配套技术更是如此。技术升级落后，产品更新换代缓慢，严重阻碍了企业涉足高端产品市场和推动国际化战略。随着我国加入WTO，世界经济一体化发展，企业的竞争日益激烈，面对外资企业管理本土化进程不断推进，国内企业在技术和品牌上处于劣势地位显得尤为突出。因此，国内的沥青搅拌设备生产厂商和关键配件企业，尤其是有实力的配件生产企业应该结合我国的具体国情，采取联合攻关，不断的进行技术创新，从而拥有自己的核心制造技术。随着计算机软硬件的迅速发展，使得控制系统正逐步朝着、总线化、管控一体化、网络化和信息化的方向发展，所以开发出先进的、智能化的、网络化的控制系统对于提高沥青混合料的质量，提高国内沥青搅拌设备的竞争力，也显得有为必要。1.3课题研究的目的、意义和主要内容随着我国公路建设事业的快速发展，尤其是高速公路的飞速建设，对高质量沥青混合料，以及高精度的沥青混合料生产设备的需求在不断的增加；开发出高精度、智能化、网络化的筑路机械设备，形成从沥青混合料搅拌、摊铺到压实的成套机械设备产品，成为企业新的增长点。如何结合国内的实际开发出满足市场需求的产品，成为国内企业急需解决辽宁工程技术大学（论文）的课题。本文研究了沥青混合料搅拌设备控制系统的关键技术，以LB2000型沥青混合料搅拌设备为控制对象，对其控制系统进行了深入的分析，结合自适应控制以及和迭代自学习控制，对影响沥青混合料质量最为关键的环节，即料温控制和配料计量部分进行了详尽的阐述，并完成了系统核心控制部分的研究与设计。本设计的内容包括：(1)分析了沥青混合料的生产工艺，提出了控制系统的任务、功能以及技术要求，建立了系统控制框图，构建了基于上下位机的计算机控制系统硬件结构，下位机采用可编程控制器(PLC)，上位机采用工控机(IPC)。(2)研究了工艺设备控制流程、物料精确级配、油石比控制和料温控制等关键技术，并对影响沥青混合料质量的配料计量和料温控制进行了详细深入的分析，提出了控制系统的总体解决方案。(3)论述了温度检测和配料计量等模拟信号和开关量输入信号处理电路设计的依据，并设计了相应的电路，提高了系统的抗干扰能力和可靠性。(4)研究了自校正PID控制在沥青混合料搅拌设备控制系统中的应用特点，将白校正PID控制方法应用在料温控制系统中，并进行计算机仿真。(5)深入研究了配料计量这一关键技术，在深入分析配料计量模型的基础上，提出了配料计量的迭代自学习控制策略，以及基于二次计量沥青的油石比控制方法，并进行了计算机仿真，提高了配料精度。(6)将监控管理系统分为配料搅拌单元控制管理和冷骨料配料及温度检测两大系统，应用SIMATICWinCC组态软件，完成了系统监控管理系统人机界面的研究与设计。陈旭：基于PLC的物料搅拌系统设计2.总体方案分析与设计2.1工艺流程分析沥青混合料搅拌设备(间歇式)是一种用于生产高等级沥青路面所需沥青混合料的设备，它按照施工的需要，将粒料(又称骨料)、粉料、沥青等筑路材料按一定的比例在一定的温度下搅拌均匀。其工艺流程如图2-1所示，大致可分为配料的预处理、计量、搅拌、成品料运输与存储等四个部分。其中配料的预处理包括骨料的皮带传输、加热烘干、提升、除尘和筛分，以及对沥青进行脱水、熔化和保温和粉料的传送、提升供料等。1号骨料仓2号骨料仓3号骨料仓骨料输送皮带烘干滚筒热骨料提升振动筛热骨料仓热骨料计量搅拌锅除尘燃烧器生粉料仓热粉料场沥青罐沥青泵沥青计量提升供料提升供料粉料计量运输车储藏仓图2-1沥青混合料生产工艺流程Fig.2-1Theprocessflowofasphaltaggregateproduction辽宁工程技术大学（论文）沥青混合料搅拌设备控制系统，其主要任务是实时调节冷骨料级配供料皮带的转速，保证热骨料储仓的粒料在要求的范围之内；通过调节燃烧器风门与油门的开度，控制干燥筒出料槽的料温，使其在设定值的范围之内；实时调节粉料提升机，保证粉料储仓的料位在设定的范围之内；按配料比例及所设定的生产量计算并称量各种、粒料、粉料、沥青的质量，然后将混合料在搅拌缸中搅拌均匀，并达到设定的搅拌时间后，把搅拌缸中的成品料装入运料车或者通过提升机送入储料仓。在整个控制流程中，称量装置之前各机构为连续工作方式，称量与搅拌为间歇式。这样既提高了沥青混合料的生产率，又保证了配料精度。2.2功能要求根据沥青混合料搅拌设备生产工艺流程以及行业标准，对其控制系统的要求可概括为“计量准确，搅拌均匀”。控制系统应该可以完成骨料初配、传送、烘干、筛分、提升、热骨料存储以及粉料提升、沥青脱水、配料计量、沥青计量喷洒、混合料搅拌，成品输送、储存等整个流程的控制，以及各个环节设备的自动启停、逻辑联锁等，从而实现沥青混合料生产过程的自动运行。具体控制功能如下：冷骨料初配功能——将不同粒径的冷骨料，按配方进行尽可能精确的初配，以减少热骨料在热骨料仓中的溢流，提高生产效率，降低能耗。冷骨料供料调节功能——可以对冷骨料供料系统进行自动调节，以保证热骨料储料仓料位在设定的上下限之间，从而保证热骨料配料的连续。骨料烘干功能——将预配好的骨料在干燥滚筒中加热至设定的温度，除去骨料中的水分，提高粉料、骨料和沥青的粘合度。通过检测干燥筒出料槽的骨料温度，并与设定温度进行比较，实时调节燃烧器风门和油门开度，从而保证热骨料温度在设定的允许误差范围之内，以便生产出符合施工要求的沥青混合料。骨料筛分功能——将烘干后的热骨料通过筛分机构按粒径大小不同进行筛选和分离，除去不合格的骨料，保证骨料的精确级配。自动配料称量功能——按配方要求自动计量骨料、粉料和沥青，保证精度和油石比，配料精度是搅拌设备的主要技术指标之一，具体要求是：粒料计量精度±0.5％；沥青计量精度±0.3％；粉料计量精度±0.5％。搅拌功能——强制式搅拌，将计量好的混合料搅拌均匀，能对搅拌机的工作顺序，干、陈旭：基于PLC的物料搅拌系统设计湿搅拌时问和每批料的总搅拌时间进行设定和控制，并能对搅拌器出料门的开关进行控制。运输存储功能——通过专用成品料提升机将搅拌好的成品料转移至成品料仓进行保温存储，或通过工程车运送到施工现场。除尘功能——通过二级除尘装置，处理骨料烘干和筛分过程中产生的粉尘和废气以满足环保要求。一个功能齐全的沥青混合料搅拌设备还包括现场监控管理系统。在软件设计方面，控制系统软件应具备以下功能：(1)控制操作系统采用双屏界面显示，能动态反映工作流程。(2)能随时对设备的生产能力以及配料比例进行设定、存储，可在上位机显示屏上实时显示各种配料的设定值与实际称量值。(3)能实时显示整个工艺流程中各个环节模块的温度设定值和实际测量，确保干燥筒、热骨料温度、沥青温度、以及热料储仓温度在设定范围之内，以保证沥青混合料质量，能实时监视各个模块设备的运行情况，包括冷骨料供料变频器、骨料、粉料提升机以及沥青罐沥青供料状况。(4)能对系统