沥青拌和设备控制系统设计.docx
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沥青拌和设备控制系统设计
1概述
近年来随着我国高等级公路建设的快速发展，沥青搅拌设备市场也相应水涨船高。
目前，国内外不少筑路机械行业的生产企业发展迅速。
综合各个方面的因素，总结出以下几个方面对强拌设备的发展有着不可或缺的促进作用，也基本表明强拌设备的发展方向。
即走企业合作之路，走技术引进之路，走自主研发之路，走整合重组之路。
就强拌设备本身而言，国内外品牌的差距主要体现在3个方面：
品牌实力的差别，技术含量的差别，用户群定位的差别。
随着国家对环保要求的提高，对设备噪声、粉尘排放、有害气体（沥青烟雾）的排放、节能降耗等控制越来越严格，对强拌设备的技术发展提出更高的要求，节能型、环保型产品将大量普及，甚至替代通用型号。
考虑到强拌设备用户的特殊需要，例如施工场地的限制、安装转场的方便和快捷等，需要紧凑型、集装箱型、简易快装型等结构新颖的强拌设备。
在控制技术方面，随着人们对人性化、自动化控制、智能化控制的要求提高，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，进一步提高强拌设备的计量精度；对所有电机减速机、放料门、气路油路管道阀门进行动态监控,实时反馈部件运行状态；控制程序将具有自诊断自修复、自动检测故障，具有实时报警功能、提醒用户定期维护信息；将热料仓的仓储状态与冷料供给建立数据连接、将干燥滚筒内负压值与除尘器引风机建立数据连接、将干燥滚筒出料温度与燃烧器供油量建立数据连接，形成闭环控制，进一步提高自动化控制程度；建立设备运行数据库，记录设备运行过程中的所有反馈数据，用于设备检测和维护的依据；建立用户数据库，记录所有搅拌配次的计量数据，可追溯原始配比参数；具有订单功能，预设配比和产量，根据订单实施自动化生产。
建立远程故障诊断，实现远程会诊、故障排除等功能。
初步实现无人值守自动化生产，有效提高强拌设备控制的舒适性、直观性和操作的简易性。
2沥青拌和设备及其计量系统介绍
2.1沥青拌和设备
沥青拌和设备，是将不同粒径的碎石、天然砂或破碎砂等按适当的比例配制成符合规定级配范围的集料，加热后，与适当比例的热沥青及矿粉在规定的温度下拌和均匀，得到沥青路面所需要的混合料的设备。
沥青混合料拌和设备按生产工艺流程可分为：
强制间歇式和滚筒连续式。
本设计只研究强制间歇式沥青混合料拌和设备。
按移动的性能常见的有固定式、半固定式和移动式。
按生产率的大小可分为小型（≤50吨/小时），中型（60-150吨/小时），大型（160-400吨/小时）和超大型（﹥400吨/小时）。
强制间歇式沥青混合料拌和设备主要由冷骨料供给装置（包括3-6个砾石、砂子储仓，皮带或振动给料器以及水平皮带输送机和斜皮带输送机等）、冷骨料烘干加热装置（干燥滚筒与燃烧装置等）、热骨料提升装置（热骨料垂直式提升机或倾斜式提升机）、热骨料筛分与储存装置（筛分机与热骨料储仓）、热骨料计量装置（杠杆计量秤或电子计量秤）、石粉储存、输送和定量供给装置（包括石粉仓、螺旋输送机和石粉计量秤等）、沥青储存、加热、输送和定量供给装置（包括沥青储罐、沥青熔化加热装置、沥青输送泵、沥青计量秤和沥青喷洒装置）、拌和装置（双卧轴旋转叶浆强制式搅拌器或其他形式的搅拌器）、成品料输送、储存及加热保温装置（单斗导轨式提升机或带罩皮带式提升机、成品料储仓与加热保温装置）、除尘装置（一级旋风干式除尘器和二级布袋式除尘器或其他形式的除尘器）、控制装置（控制室或控制柜，包括电气、检测、监控装置和计算机系统等）等组成。
装置基本结构组成图如图2-1所示。
图2-1强制间歇式沥青混合料拌和设备的基本结构组成
1-冷骨料贮存及配料装置；2-冷骨料带式输送机；3-冷骨料烘干、加热筒；4-热骨料提升机；5-热骨料筛分及贮存装置；6-热骨料计量装置；7-石粉供给及计量装置；8-沥青供给系统；9-搅拌器；10-成品料贮存仓；11-除尘装置
强制间歇式沥青混合料拌和设备的生产工艺特点，一般为各组成成分按比例分别进行精确计量且间歇分批投料和强制搅拌，即按质量分批计量→分批投料→分批强制搅拌→分批出料，故称之为强制间歇式。
强制间歇式沥青混合料拌和设备的特点是骨料在烘干加热之后计量。
热骨料、石粉及沥青分别在各自的计量装置内进行分批计量；热骨料（各不同尺寸规格的料）采用累计计量方式；冷骨料的烘干加热和混合料的搅拌分别在两个不同的总成装置（干燥滚筒与搅拌器）内进行；冷骨料烘干加热方式为火焰逆流式；混合料的拌和方式为旋转叶桨强制搅拌式。
这种方式的优点是各总成装置结构基本定型、合理，自动化程度高；沥青混合料制备质量好（筛分后精确称量，级配好，配合比好；烘干加热效果好，成品料残余含水量小；强制搅拌，混合料均匀性好，变更配方容易、方便），能拌制各种需要的沥青混合料，故使用范围广但同时存在如下缺点：
生产过程中产生大量粉尘，易造成严重的环境污染，故对除尘装置的要求较高；二级布袋式除尘器成本高，约占整套设备的30%左右；生产工艺较复杂；设备总成多，庞大，投资建设与维修费用较高；能耗大。
骨料尺寸不规范时，超尺寸料烘干加热后从溢流管中溢出，造成热能损失；中间环节过多，热能损失也大。
2.2强制间歇式沥青混合料拌和设备的生产工艺流程
强制间歇式沥青混合料拌和设备的生产工艺流程如图2-2所示。
图2-2强制间歇式沥青混合料拌和设备的生产工艺流程
沥青混合料拌和设备自动化控制介绍
沥青混合料拌和设备是在公路、城市道路、机场等沥青混合料路面工程施工中用于生产沥青混合料的专用设备。
它是沥青混合料路面面层机械化施工中的主导机械设备之一，目前该设备各总成已集成化、模块化和自动化。
沥青拌和设备是一种较为复杂的机械设备，对它的操作和控制是种系统工程。
随着高等级公路建设的发展和对沥青混合料要求的提高，特别是对沥青混合料的配合比要求的提高，通过人工控制简单的继电器、接触器等控制已不能满足工程需要。
因此，目前拌和设备中操作和控制大多才用计算机自动化控制技术，即微机的自动化控制。
微机的自动化控制系统是保证拌和设备生产出高质量成品料的关键。
所谓的微机自动化控制，就是对设备各系统工作次序及参数设定进行编程自动化控制，使各系统工作的顺序、参数的设定、参数的反馈、特别是计量控制和设定按照需求精确运转，并对混合料质量进行监控。
，沥青混合料拌和设备是一种机电一体化技术较为密集的机械设备。
沥青混合料拌和设备机电一体化的组成：
（1）设备本体：
包括设备的各构造体，其功能是使构造系统的各子系统，零部件按照一定的空间关系安装在一定的位置上，并保持特定的关系。
（2）动力部分：
包括电动机，空压机和电子伺服驱动，其功能是在控制信息的作用下，提供动力以驱动各执行机构完成各种动作和功能。
（3）检测部分：
包括专门的传感器（沥青和热骨料的称重传感器）和仪器仪表，其功能主要是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析处理后产出相应的控制信息。
（4）执行机构：
包括步进电动机，汽缸等，其功能是根据控制信息和指令完成所需要的机械动作。
（5）控制器：
包括计算机,可编程将控制器（PLC）等，其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中存储分析加工，根据信息处理的结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。
（6）接口：
包括输入与输出接口，其功能是有三个：
一是交换，二是放大，三是传递。
设备需要控制的对象及控制机理：
沥青混合料拌和设备机电一体化控制系统运用的是“计算机+PLC”体系结构。
即:
（1）热骨料的筛分及其储存装置。
（2）热骨料计量装置。
（3）沥青储存、加热、输送计量及其喷射装置。
（4）搅拌器电动机及其沥青喷射泵电动机控制。
2.3沥青混合料拌和设备中的热骨料计量装置的控制方案
热骨料计量装置也是强制间歇式沥青混合料拌和设备的必备装置，其功用是对经筛分后分仓暂存的不同规格的沙石材料，按骨料级配和配比要求分别进行精确计量，以达到所规定的级配和配比要求，保证成品料的品质。
计量方法通常有两种：
质量计量和容积计量，热骨料计量一般都是采用按质量计量。
计量秤有杠杆秤、电子秤等不同形式。
其中电子秤体积小，精度高，安装方便，适用于远距离自动控制，但它对环境要求较高且维修较为复杂。
目前拌和设备上基本采用电子秤。
电子称由计量斗、压力或拉力传感器和电子测量器等组成。
图2-3所示为强制间歇式沥青混合料拌和设备的计量系统，它由石粉计量、热骨料计量和沥青计量三部分组成。
正对着热骨料储仓下方的热骨料计量斗，通过传感器悬挂在机架上。
不同规格的沙石材料按照级配质量比先后落入计量斗，经累计计量斗且达到设定值后计量斗卸料门开启，卸料于搅拌器中。
当计量都内落入物料时，传感器中的应变片的电阻值发生变化，使通过传感器的电压值改变，改变值被传给PLC进行测量转换，并将测量值转换成质量值的变化值。
PLC把测量值传送到工控机，工控机把控制信号发送给PLC,或者PLC根据程序自己产生相应的控制信号并输出，控制执行机构完成相应的动作。
图2-3间歇强制式搅拌设备称量系统简图
1-搅拌器；2-沥青喷管；3-石粉称量斗；4石粉料螺旋输送器；5-石粉计量秤；6-热骨料储仓；7-骨料称量斗；8-三通阀；9骨料计量秤；10-沥青回油管；11-沥青进油管；12-沥青计量秤；13-沥青称量筒；14-沥青保温筒；15-沥青喷射泵
执行机构所要完成的系统规定动作：
热骨料储仓包括三个储仓，分别装有三种不同粒径的热骨料，分别为1号料仓、2号料仓、3号料仓，分别有汽缸控制卸料门的开启；沥青计量量筒分别有三通阀和卸料门控制；搅拌器电动机和沥青喷射泵电动机的控制。
1）热骨料计量传感器信号的测量及转换
2）热沥青计量传感器信号的测量及转换
3）1号热料仓卸料门气缸的开关控制
4）2号热料仓卸料门气缸的开关控制
5）3号热料仓卸料门气缸的开关控制
6）计量斗卸料门的开关控制
7）沥青三通阀的控制
8）沥青出口阀门的控制
9）搅拌器卸料门控制
10）搅拌器电机的控制
11）沥青喷射泵电机控制
2.4系统总体机构设计控制布局
系统总体机构设计控制布局图如图2-4所示。
图2-4
电路总图：
如图2-5所示。
图2-5
3系统硬件
3.1控制系统
沥青拌和设备包括上位机（软件）及下位机（硬件）。
上位机（软件）控制系统采用了XP平台，监控软件采用MicrosoftVisualBasic开发，并以MicrosoftAcess为后台数据库，监控系统界面友好，稳定，操作简单。
系统监控界面实时显示主要工作参数，操作人员可以直接地监控外部设备的工作状况，及时发现问题，实时修改工作参数；工控机可以完成生产数据储存，报表打印任务，充分发挥了计算机的数字计算和数据处理的能力;另外，运用计算机强大的图形处理功能，监控软件可以生动直观地模拟设备工作状况并及时进行报警提示，使得系统操作更为简单直观，作为系统工作人员所需关注的就是整个系统及设备的管理。
下位机（硬件）控制系统结构采用国际上先进的高性能PLC为主控设备，PLC与计算机之间连接松散，耦合性低，且PLC可独力与计算机运行；信号采集使用PLC扩展的A/D模块，其性能非常稳定，当其通道损坏时不必更换新的A/D模块，与因为其有备用的通道可供使用，PLC输入输出点的损坏也不影响PLC和整个系统的运行，只需更换输入输出点即可。
PLC作为控制系统的主控设备，用以实现模拟量输入处理和开关量输入输出处理，保证了数据输入输出处理精确可靠。
输入输出点从理论上讲可以是无限扩展的，如此增强了系统的可扩展性。
本设计考虑到传感器，汽缸等输入输出点的数目，选用西门子PLCS7-200CPU224XPCN。
本设计考虑到传感器，汽缸等输入输出点的数目，如表3-1所示选用西门子PLCS7-200CPU224XPCN。
表3-1
实现的功能
输入I/O点数
输出I/O点数
热骨料称重传感器信号测量与转换
模拟量1个
0
沥青称量传感器信号测量与转换
模拟量1个
0
热骨料仓1阀门汽缸控制
0
数字量：
2
热骨料仓2阀门汽缸控制
0
数字量：
2
热骨料仓3阀门汽缸控制
0
数字量：
2
计量量筒阀门汽缸控制
0
数字量：
2
三通阀控制
0
数字量：
2
沥青计量量筒阀门汽缸控制
0
数字量：
2
搅拌器卸料门汽缸控制
0
数字量：
2
搅拌器电机控制
0
数字量：
3
总计
2
17
3.2传感器
对传感器数量和量程的选择：
传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。
传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。
根据经验，一般应使传感器工作在其30%～70%量程内，但有较大冲击力的衡器，在选用传感器时，一般要使传感器工作在其量程的20%～30%之内，才能保证传感器的使用安全和寿命。
M/（0.7*N）≤m≤M/（0.6*N）
已知热料计量装置要计量的重量为1000Kg,料斗为4个传感器悬挂称量。
这里假设料斗自重约200Kg根据上面公式,可计算得传感器的量程为428kg≤m≤500kg,
热沥青计量传感器量程的选择：
已知计量重量为80kg，3个拉力传感器
根据上面公式计算的38kg≤m≤44kg。
根据以上计算所得的传感器的量程选择
WAZ-1S型量程为50kg的传感器3个；WAZ-1S型量程为500kg的传感器4个。
称重传感器连接方式
热骨料计量料斗是通过这四个称重传感器悬调，采用并联连接（图3-1），传感器选择WAZ-1S型拉力传感器。
热沥青计量量筒是通过三个称重传感器悬调，采用并联连接。
图3-1并联连接方式
WAZ-1S型产品介绍
承受拉、压力均可，输出对称性好。
精度高、结构紧凑，规格齐全。
适用于配料秤、机电结合称、吊钩秤及其它力值的测量与控制。
材质：
合金钢或不锈钢
接线方式：
电源（+）红线，电源（-）绿线，输出（+）黄线，输出（-）白线。
WAZ-1S系列拉力传感器技术指标如表3-2所示。
表3-2
量程范围（kg）
5kg～20t
综合精度（%F.S）
0.02～0.03（线性+滞后+重复性）
灵敏度（mv/v）
2.0±0.1
蠕变（%F.S/30min）
±0.02～±0.03
零点输出
±1
零点/输出温度影响（%F.S/10℃）
±0.02～±0.03
工作温度（℃）
-20℃～+65℃
输入阻抗（Ω）
380±10
输出阻抗（Ω）
350±3
绝缘电阻（MΩ）
≥5000
安全过载（%F.S）
150
供桥电压
建议10VDC
3.3变送器
传感器的模拟量信号很小，需要经放大电路放大，然后送到可编程控制器A／D模块。
AD522是AD公司推出的高精度数据采集放大器，利用它可在恶劣工作环境下获得高精度数据。
它线性好，并具有高共模抑制比、低电压漂移和低噪声的优点，适用于大多数12位数据采集系统。
AD522通常用于电阻传感器（电热调节器、应变仪等）构成的桥式传感器放大器以及过程控制、仪器仪表、信息处理和医疗仪器等方面。
AD522具有如下特性：
低漂移性2.0μV/℃（AD522B），非线性低0.005%（G=100），高共模抑制比>110dB（G=1000），低噪声1.5μVp-p（0.1～100Hz）,单电阻可编程增益1≤G≤1000，具有输出参考端及远程补偿端,可进行内部补偿,除增益电阻外，不需其它外围器件,可调整偏移、增益和共模抑制比
3.4电磁阀与汽缸
通过电磁阀控制汽缸的开闭，控制系统采用气动装置。
热料仓卸料门的开闭采用气缸直接控制，采用气动装置具有以下优点：
1）气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。
介质为空气，较之液压介质来说不易燃烧，故使用安全。
2）输出力以及工作速度的调节非常容易。
气缸的动作速度一般小于1M/S，比液压和电气方式的动作速度快。
3）可靠性高，使用寿命长。
电器元件的有效动作次数约为百万次，而一般电磁阀的寿命大于3000万次，某些质量好的阀超过2亿次。
4）利用空气的压缩性，可贮存能量，实现集中供气。
可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应。
可实现缓冲。
对冲击负载和过负载有较强的适应能力。
在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。
5）全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。
与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。
6）由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送
根据系统的要求，选择双作用气缸，气缸的载荷类型为静载荷，负载率η≤70%，
η=F/
X100%
式中：
F——为载荷
——为理论推力（拉力）
已知推力要求达到50kg，行程400mm,
≥F/0.7=50X10/0.7=715N
根据力和行程选择QGS40×400B-MP4型气缸，缸径40mm,行程400mm，工作压力在0.7~0.8MP即可满足要求。
根据换向及位置控制要求选择三位五通电磁阀，型号为：
Q35D
C-10。
其控制回路如图3-2所示。
图3-2
3.5电动机及其起动方式
搅拌器电机功率为20kw，一般规定，电动机的功率低于7.5kw时允许直接起动，而且直接起动的容量不得超过供电设备容量的30%，经常起动的电动机可直接起动的容量不得超过供电设备的20%，超过7.5kw时，电动机一般才用降压起动。
搅拌器电机功率为20kw，超过7.5kw，起动电流较大，所以采用降压起动方式起动。
降压起动控制线路：
起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，起动后再将电压恢复到额定值，使之在正常电压下运行。
电枢电流和电压成正比例，所以降低电压可以减小起动电流，不致在电路中产生过大的电压降，减小对线路电压的影响。
常用的降压起动有星形—三角形换接、定子串电阻、自耦变压器等起动方法。
本设计采用星形—三角形降压起动。
正常运行时，电动机定子绕组是接成三角形的，采用星形—三角形降压起动方法。
起动时把它接成星形，起动的电压为三角形直接起动电压的1/3，起动电流为三角形直接起动的1/3。
经一定延时后，待转速上升到接近额定转速时再恢复成三角形。
目前4kW以上的J02、J03系列的三相笼型异步电动机定子绕组在正常运行时，都是接成三角形的，对这种电动机就可采用星形—三角形换接降压起动。
在本拌和设备中通常用三个交流接触器KM1、KM2、KM3和PLC控制延时来实现星形—三角形转换。
图3-3是一种Y-△起动线路。
从主回路可知，如果控制线路能使电动机接成星形（即KM3主触头闭合），并且经过一段延时后再转换成三角形（KM3主触头打开，KM2主触头闭合），则电动机就能实现降压起动，而后再自动转换到正常速度运行。
控制线路的工作过程如下：
图3-3Y-△降压起动控制线路
启动开始时，KM1和KM3通电，KM2断电，把定子绕组接成星型；延时一定时间后，KM1和KM2通电，KM3断电，把定子绕组接成三角型，实现星形—三角形转换起动。
KM2与KM3的动断触头是保证接触器KM2与KM3不会同时通电，以防电源短路。
4系统软件
软件设计包括计量系统控制的程序流程图，沥青拌和设备系统工作的监控VB界面和程序，上位机程序。
VB监控页面如图4-1，图4-2上位机程序流程图，程序流程图如图4-3和图4-4所示。
图4-1
图4-2上位机程序流程图
图4-3
图4-4
VB界面监控程序：
PrivateSubCommand1_Click（）
Label1.BackColor=&HFF00&
Timer1.Enabled=True
Dima,b,cAsSingle
a=Val（Text3.Text）+Val（Text4.Text）
b=Val（Text5.Text）+Val（Text6.Text）
c=Val（Text3.Text）+Val（Text4.Text）+Val（Text5.Text）+Val（Text6.Text）
ProgressBar1.Max=c
EndSub
PrivateSubCommand2_Click（）
Timer1.Enabled=False
Timer2.Enabled=False
EndSub
PrivateSubText1_Change（）
IfText1.Text=Val（Text3.Text）Then
Label1.BackColor=&HFF&
Label2.BackColor=&HFF00&
EndIf
IfText1.Text=Val（Text3.Text）+Val（Text4.Text）Then
Label2.BackColor=&HFF&
Label3.BackColor=&HFF00&
EndIf
IfText1.Text=Val（Text3.Text）+Val（Text5.Text）+Val（Text4.Text）Then
Label3.BackColor=&HFF&
Label4.BackColor=&HFF00&
EndIf
IfText1.Text=Val（Text3.Text）+Val（Text4.Text）+Val（Text5.Text）+Val（Text6.Text）Then
Label4.BackColor=&HFF&
EndIf
EndSub
PrivateSubTimer1_Timer（）
Label8.Caption="计量中"
Label8.BackColor=&HFF&
Text1.Text=Val（Text1）+1
ProgressBar1.Value=Text1.Text
IfText1.Text=Val（Text3.Text）+Val（Text4.Text）+Val（Text5.Text）+Val（Text6.Text）Then
Timer1.Enabled=False
Timer2.Enabled=True
EndIf
EndSub
PrivateSubTimer2_Timer（）
Label8.Caption="搅拌中"
Label8.BackColor=&HFF00&
Text2.Text=Val（Text2）+1
IfText2.Text=35Then
Timer2.Enabled=False
Label8.Caption="结束"
EndIf
EndSub
5小结
本文为沥青拌和设备控制系统设计，在老师精心指导下，顺利完成设计。
设计主要涉及的知识有：
1）制定控制系统方案；
2）各主要元器件的选择；
3）系统软硬件的设计，实现热骨料及热沥青的计量、搅拌器电机及料门的控制；
4）实现沥青拌和设备控制系统过程的实时监控。
学会了如何使用参考资料，网络等工具，来完成一项比较重大的课题。
在涉及过程中，知道对元件如何进行择优选择。
如何使系统优化进行工作。
使设计的系统简易而符合设计要求。
本课题中，自己学会了如何进行排版设计，为以后毕业设计论文做好了充分的准备。
参考文献
1.王树明慕瑞华陈勇郑训，《公路工程机械（中册）》，石油大学出版社
2.李光林刘波，《公路路面机械装备与使用技术》，人民交通出版社
3.吴昌平，《VisualBasic程序设计》，人民邮电出版社
4.姜培刚主编《机电一体化系统设计》，北京：
机械工业出版社，20
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