（交通信息工程及控制专业论文）混凝土搅拌站智能控制系统.pdf

摘要随着铁路客运专线等国家一系列重点工程和各省市地方基础设施建设工程的相继启动，施工工艺标准随之逐步提高，极大刺激混凝土需求市场，同时对混凝土搅拌站控制系统也提出了更高的要求。然而与发达国家相比，我国混凝土搅拌站控制系统的研究在稳定性和配料精度方面都存在很大的差距，因此急需研制开发高精度、智能型的搅拌站控制系统。针对以单片机为核心的自动控制系统存在的配料误差大、精度低、故障率高、界面人性化不足等问题，本文运用神经网络算法与遗传算法相结合对系统配料误差进行补偿，设计出全新一代的混凝土智能控制系统。首先对混凝土搅拌站的发展、生产工艺、控制系统的国内外现状等进行了全面论述，并对生产混凝土过程进行建模和对其产生配料误差的原因进行分析；然后运用基于遗传算法改进的神经网络算法对混凝土配料过程误差进行补偿；最后以工控机和p l c 为核心，配以高性能的数字模块化外设组成的一体化计算机多级自动控制系统；上层监控系统采用了基于数据库技术的系统软件，实现了信息共享；还采用组态王软件设计了更加生动和人性化搅拌站操作监控界面。最终实现了对混凝土搅拌站整个生产过程的集成自动控制。实践结果表明，本文所设计的混凝土搅拌站智能控制系统提高配料的精度，满足和贴近实际工程的高精度、高速度和高智能化配料需要，对混凝土搅拌站控制系统的更新换代有很大的社会意义和推广价值。关键词：混凝土搅拌站，人工神经网络、b p 算法、遗传算法、p l c 、组态软件a b s t r a c tt h er e q u i r e m e n t so fc o n s t r u c t i o np r o c e s ss t a n d a r da r ei n c r e a s i n g l yr i g i dw i t ht h en a t i o n a lk e yp r o je c t so fs p e c i a lr a i l w a yl i n ea n ds o m em u n i c i p a li n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n si m p l e m e n t e dg r a d u a l l y d e m a n d so fc o n c r e t ea r ei n c r e a s e dg r e a t l ya n dh i g hp e r f o r m a n c e sf o ra u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fc o n c r e t em i x i n gs t a t i o na r er e q u i r e dc o r r e s p o n d i n g l y h o w e v e r , t h e r ei sag r e a tg a pi ns t a b i l i t ya n dp r o p o r t i o n i n gp r e c i s i o nb e t w e e nt h er e s e a r c ho nc o n c r e t eb a t c h i n gc o n t r o ls y s t e mi no u rc o u n t r ya n dt h a ti na d v a n c e dc o u n t r i e s ，s oah i g hp r e c i s i o na n di n t e l l i g e n c em i x i n gc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e de a g e r l y i nt h i sp a p e r , o n eb r a n d n e wg e n e r a t i o n a la n di n t e l l i g e n c ec o n t r o ls y s t e mo fm i x i n gs t a t i o n so nt h eb a s i so fa n na n dg ac o m p e n s a t i n gs y s t e mp r o p o r t i o n i n ge r r o ri sp r e s e n t e d ，i nt e r m so ft h ef a c t st h a tt h ec u r r e n ta p p l i e dc o n c r e t em i x i n gs t a t i o n sw i t hs i n g l ec h i pc o r ec o n t r o ls y s t e mh a v et h eo c c u r r e n c eo fb i gp r o p o r t i o n i n ge r r o r , l o wm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，h i g hm a l f u n c t i o nr a t ea n dh el a c ko ff r i e n d l yh u m a ni n t e r f a c e a tf i r s t ，i tg i v e sac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o na b o u tt h ed e v e l o p m e n ta n dp r o d u c i n gf l o wo fc o n c r e t e m i x i n g - s t a t i o n ，t h eh o m ea n do v e r s e a ss t a t u sq u ao fi t sa u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m w h i l et h em a t h e m a t i c sm o d e li se s t a b l i s h e dd u r i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fc o n c r e t ea n dt h er e a s o n sw h yp r o p o r t i o n i n ge r r o ri sp r o d u c e da r ea n a l y z e d t h e ni m p r o v e da n ni sa p p l i e dt oc o m p e n s a t ep r o p o r t i o n i n ge r r o ro nt h eb a s i so fg a a tl a s tt h em u l t i p l el e v e lc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo nt h eb a s i so fp l ci sf o r m e d t h eu p p e rm o n i t o r i n gs u b s y s t e m ，o nt h eb a s i so fd a t a b a s e ，s h a r et h o s er e q u i r e di n f o r m a t i o n k i n g v i e w , o n ea d v a n c e dc o n f i g u r a t i o ns o r w a r e ，i sa p p l i e dt of o r mt h ev i s u a l i z e dh u m a ni n t e r f a c eo fc o n c r e t em i x i n gs t a t i o nc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，t h ep r o d u c t i o np r o c e s s e so fc o n c r e t em i x i n gs t a t i o n sa r ei n t e g r a t e de f f e c t i v e l y t h ep r a c t i c ep r o v e dt h a tt h ep r o p o s e di n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo ft h ec o n c r e t em i x i n gs t a t i o ni nt h ep a p e rc o u l di m p r o v ep r o p o r t i o n i n gp r e c i s i o n ，m e e tt h eb a t c h i n gd e m a n do fh i g hp r e c i s i o n ，h i g hs p e e da n dh i g hi n t e l l i g e n c e ，s o l v et h ef i e l dp r o d u c t i o ni s s u e se f f i c i e n t l ya n dw o u l dnh a v et h es i g n i f i c a n c ef o rt h eu p g r a d eo fc o n c r e t em i x i n gs t a t i o nc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：c o n c r e t em i x i n gs t a t i o n ，a n n ，b pa r i t h m e t i c ，g a ，f i e l d b u s ，p l c ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特n d h 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：垫二多多日期：造年月丑日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。名：盐雌雄期：一且乡日中南人学顾i ：学位论文第一章绪论第一章绪论1 1 项目背景及意义混凝土是建筑工程中应用最广泛的材料之一，其经济、技术指标对于整个建筑工程的质量和成本有着举足轻重的关系。混凝土由水泥、水、砂、石等原材料制成，为了提高混凝土的强度，节约水泥和满足某种技术要求，各种原材料必须严格按预先试验好的比例配合在一起。混凝土搅拌站是混凝土生产过程中的一项重要工艺设备，它控制着各种混合料的配比，将各种骨料、沙、水泥搅拌成混凝土。混凝土搅拌站控制系统控制的方式对混凝土的强度有着很大的影响。因此，精确、高效、智能的混凝土搅拌站控制系统不仅能提高生产率，而且是生产优质高强混凝土的可靠保证。混凝土搅拌站是用来集中搅拌混凝土的联合机械装置，也称为混凝土工厂。它具有机械化和自动化程度高、生产率高的特点，常用于混凝土工程量大、施工周期长、施工地点集中的大中型工程。然而随着2 0 0 8 年北京奥运会举办、三峡工程、南水北调工程和铁路客运专线等国家一系列重点工程项目和各个省市地方基础设施建设项目的相继启动，施工工艺标准在逐步提高，极大的拉动了混凝土机械的市场需求，同时，对施工机械，尤其是混凝土机械的技术性能提出了更高的要求，因此建筑公司、科研单位、学校等纷纷开始从事混凝土机械的改进和技术更新，其中较为重要的是对混凝土搅拌站自动控制系统的改进。本论文是结合实际工程( 中铁十一局混凝土搅拌站控制系统改造项目) ，围绕中铁十一局混凝土搅拌楼站控制系统的开发设计而进行的。改造项目中所涉及到的混凝土搅拌站有h z s 6 0 型和h z s 9 0 型各5 套，其中8 台套搅拌站控制系统是使用原始传统模式单片机控制系统，实际工程中，这种单片机控制系统故障率很高，另外此搅拌站控制系统中配料误差控制基本采用原始的经验的补偿的方式，这种方式虽简单方便，但精度不高，误差大，严重的制约混凝土的质量，以致制约中整个公司的工程质量。所以设计高速、高效、精确、性能稳定的和智能化的混凝土搅拌站控制系统是势在必行。1 2 国内外研究现状1 8 8 0 年，英国的r e p i e n 公司造出了世界上第一台搅拌机，而后通过改进，搅拌机通过底部框架固定在现场使用，也有装在铁轮上，可在工地铺设的轨道上行走。而真正意义上的世界上的第一个混凝土搅拌站是德国于1 9 0 3 年建立的，随后，美国于1 9 1 3 年，法国于1 9 3 3 年，日本于1 9 4 9 年建立了搅拌楼晗1 。7 0 年代到8 0 年代随着单片机的应用，搅拌站( 楼) 进入了智能化时代。进入9 0 年代混凝土生产发展到商用搅拌站阶段，也是搅拌设备发展最快的时期。中南人学侦i j 学位论文第一章绪论我国自5 0 年代开始研制混凝土的上料、计量、控制、搅拌一体化混凝土搅拌站设备，虽然那目前我国混凝土搅拌站生产企业众多，产品已形成系列化，但技术水平参差不齐，只有少量产品接近国际先进水平，其中部分产品自动化程度较高、生产能力较大、称量精度较高、搅拌质量较好、价格适中，能实现多仓号、多配合比生产，主机和主要元器件基本实现国产化，但我国的混凝土搅拌站( 楼)还存在着整体技术含量较少、高品质搅拌站普及率偏低、地区差异较大、智能化程度不高和环保性能较差等缺点。混凝土搅拌站是连续生产大方量混凝土的大型成套设备，控制系统则直接关系到混凝土生产质量、生产效率和整套设备的管理水平。随着科技的发展，混凝土搅拌站的各阶段新技术是更新换代，从单纯的搅拌机械，到采用单片机技术，到采用信息技术，到现在的先进的采用智能算法高质量的智能控制系统，表1 1是混凝土搅拌站各阶段新技术及特点口，袁卜1 混凝土搅拌站的各阶段特点年代引入的新技术特点7 0 年代以前简单搅拌机械7 0 到8 0 年代单片机技术9 0 年代信息技术现今智能算法的应用手动机械、生产率低生产率提高、精度提高、自动化程度提高大型控制系统、生产率大幅度提高、管理方便、商业化高速、高效的大型系统、向精配料搅拌发展、智能化目前，德国、美国、日本、意大利等国家生产搅拌设备的技术水平和可靠性方面处于领先地位。国外目前混凝土搅拌站控制系统多半采用先进的智能控制算法对配料进行控制h ，而国内混凝土搅拌站的自动控制系统主要是工控机+ 单片机的控制模式( 或单片机直接控制模式) ，通常采用简单的p i d 控制算法或者单纯靠经验进行配料控制即误差补偿，这种方法虽然简便，但是骨料改变或者其他一些客观条件的改变，会引起一系列问题，严重制约我们国家的混凝土搅拌站发展。1 3 主要内容及安排本论文结合中铁十一局混凝土搅拌站项目改造工程实际，对混凝土搅拌站控制系统中配料称重系统动态称量过程进行研究，利用人工神经网络b p 算法，并结合遗传算法对配料过程误差进行补偿。论文以p l c 控制理论为基础，采用功能强、速度快、扩展灵活、模块化的s 7 2 0 0 p l c 作为下位机利用工业控制计算机作为上位机，p l c 作为下位机，研制了混凝土搅拌站智能控制系统。主要内容及安排如下：1 主要内容：2中南人学颐i ：学位论文第一章绪论( 1 ) 对搅拌站现有的自动控制系统进行深入的调研，分析现有控制系统不足，并对新的搅拌站自动控制系统进行详细地设计，提出新的自动化控制系统模型。( 2 ) 综述了混凝土搅拌装置及其混凝土搅拌站控制系统的概况，同时分析了混凝土搅拌站的动态配料过程，并对其进行建模分析。( 3 ) 分析混凝土搅拌站配料控制中的配料误差产生的原因，并对主要原因进行分析，分析人工神经网络b p 算法和遗传算法，并将二者结合，应用于混凝土搅拌站配料误差进行补偿。( 4 ) 根据混凝土搅拌站控制系统的需要选择p l c 类型、称重相关的传感器及其它硬件，并对提出的新型的混凝土搅拌站控制系统进行硬软件设计；( 5 ) 最后根据上层监控系统的需求，在组态王软件的设计环境中完成对整个搅拌站监控系统的组态，并总结展望。2 全文安排第一章介绍课题的背景及意义、国内外现状与水平。综述了混凝土搅拌站控制系统的概况，并提出本文研究和设计的重点及方向。第二章混凝土搅拌站的工作原理以及现有的混凝土搅拌站自动搅拌系统的结构以及控制功能做分析。第三章根据生产混凝土的过程对混凝土搅拌站配料过程进行建模分析，并分析其配料误差产生的原因，然后运用人工神经网络b p 算法和遗传算法，对误差进行补偿。、第四章根据对现有的混凝土搅拌站控制系统存在的问题，使用p l c 作为核心控制器，对混凝土搅拌站硬件、软件以及监控系统进行了详细的设计。第五章对本论文开展的工作及成果作了一个总结，并指明有待继续的工作。中i 萄人学颁i j 学位论文第二章混凝十搅拌站的丁作原理及系统构成第二章：混凝土搅拌站的工作原理及系统构成2 1 混凝土搅拌站概述混凝土搅拌站是用来集中搅拌混凝土的联合机械装置，也称混凝土工厂璐1 。它具有机械化和自动化程度高、生产率高的特点，常用于混凝土工程量大、施工周期长、施工地点集中的大中型工程。混凝土搅拌站控制系统是控制混凝土搅拌站上料、计量、搅拌和卸料等混凝土生产的整个过程，对混凝土质量的影响极大。而混凝土质量直接关系到工程的质量，所以使用一个完整、安全和可靠的混凝土搅拌站控制系统对生产优质的混凝土是至关重要的。随着电子技术和微型计算机技术的迅猛发展，各行各业的控制系统已经逐步开始趋向智能化、数字化、集成化和小型化，系统设计和功能配置直接影响到产品的性能与质量。混凝土搅拌站控制系统看似简单却相当复杂，但在配料控制过程中，它需要配料的高精度性和程序运作的高可靠性，否则混凝土的生产率和质量很难保证，容易导致混凝土原料的浪费和损失，甚至威胁操作人员的人身安全，所以设计一个高质量和高精度的智能控制系统显得非常重要。2 2 混凝土搅拌站的分类和组成混凝土搅拌站型号较多，但其结构基本相似，均采用电气程序控制。混凝土搅拌站按作业形式可分为周期式和连续式；按搅拌机平面布置形式可分为巢式和直线式；这里主要介绍以移动性、工艺流程分类方式砸7 1 。( 1 ) 按移动性分类；通常分为三类：即移动式、拆迁式和固定式。移动式搅拌站通常带有行走装置，以便于现场移动。主要适应于移动性较强的工程，如道路、桥梁等建设项目。目前我国生产的移动式搅拌站的生产率一般在3 0 m 3 h - 9 0 m 3 h 。拆迁式搅拌站是相对固定式而言，其特点是移动场地时必须将大部件拆开装运。目前我国使用的拉铲式搅拌站、皮带机上料的双阶式搅拌站大部分属于这种类型。主要适应于商品混凝土工厂及大中型混凝土施工工程。固定式搅拌站是指拆迁比较困难的搅拌站，一般是单阶式上料或混凝土结构的搅拌站，适用于商品混凝土工厂、预制厂及大型混凝土工程等场合使用。( 2 ) 按生产工艺分类传统的划分方法为单阶式搅拌站和双阶式搅拌站( 称单阶式为垂直式或塔式搅拌站，双阶式为水平式搅拌站) 。4中南人学f 吹i j 学位论义第二章混凝土搅拌站的工作原理及系统构成【a )( b )图2 1 搅拌站分类单阶式搅拌站的砂、石、水泥等材料可以一次就提升到搅拌站的最高层，然后按工艺流程进行，如图2 一l ( a ) ，主要适用于大型永久性搅拌站。单阶式搅拌站工作原理：骨料由储料仓卸料门依次卸入计量斗中，分别或累积计量，计量好后启动皮带，将料卸入始终运转的斜皮带上，斜皮带将计量好的骨料送入楼顶的骨料储料斗中；粉料仓中的料由螺旋输送机送往各自计量斗中计量，水、外加剂由水泵送往各自计量斗中计量。当各种物料计量完毕后，将骨料储料斗卸料门打开，将骨料卸入搅拌机内，延时5 s 钟后，将计量好的水泥、粉煤灰、水、外加剂等一起卸入搅拌机内搅拌，搅拌好的混凝土由主机卸料口卸入搅拌车中，完成一个工作循环哺1 。双阶式搅拌楼的砂、石、水泥等材料则分两次提升，第一次将材料提升至贮料斗，经配料后，在将材料提升并卸入搅拌机，如图2 一l ( b ) ，主要适合于中小型搅拌站。双阶式搅拌站工作原理：骨料由储料仓卸料门依次卸入计量斗中，分别或累积计量，计量好后启动皮带，将料卸入始终运转的斜皮带上，斜皮带将计量好的骨料送入中间的骨料贮料斗进行配料：粉料仓中的料由螺旋输送机送往各自计量斗中计量，水、外加剂由水泵送往各自计量斗中计量。当各种物料计量和配料完毕后，将贮料门打开卸料，再次卸入始终运行的斜皮带，送入骨料储料斗中，当就绪之后。把将骨料储料斗卸料门打开，将骨料卸入搅拌机内，延时5 s 钟后，将计量好的水泥、粉煤灰、水、外加剂等一起卸入搅拌机内搅拌，搅拌好的混凝土由主机卸料口卸入搅拌车中，完成一个工作循环。单阶式和双阶式搅拌站的另外一个区别是生产率有差别，即使使用同样的搅拌主机，双阶式的生产率要比单阶式搅拌站低。为了解决生产率及占用场地的问题，目前国际上较盛行的一种产品是介于单阶式和双阶式之间的搅拌站，其特点是骨料计量后提升到搅拌机上方的储料斗内，当程序要求投骨料时，将骨料投人5中南人学硕l j 学位论文第二章混凝十搅拌站的丁作原理及系统构成搅拌机中，这样骨料在储料斗中等待时，骨料计量可以同时进行，从而提高了生产率。这种方式其优点是既提高了生产率，又减少了占地面积。本文中所提到的搅拌站是指单阶式与双阶式之间的搅拌站。2 3 系统工艺流程商品混凝土的生产工艺流程是先按配方将各配料分别称量，并按规定顺序送入搅拌机搅拌，搅拌一定时间后卸入混凝土输送车中，完成一次搅拌。根据输送车容量的大小，需做多次搅拌才能完成一车所需的混凝土量。为了高生产效率，在称量装置( 称量带或斗) 卸空后即开始第二次拌料的称量，达到平行作业的效果。其工艺流程如图2 - 2 所示。骨学仓il 骨掣仓i | 骨萼仓l i 骨掣仓li 水泥仓| i 粉煤灰l l 添加剂il 水箱赣篙i i 赣籍ii 赣茗fi 赣茗ll 螺旋机l i 螺旋机ii 霎菜篆i i 水泵机构ii 机构i i 机构ll 机构i l 豫眦竹l f 碌帆w li 或水泵l i 小承骨料称斗( 含称重传感器)出料机构皮带7 机斗料提升，冷变鎏塑量婴、ii 零銎器鍪差i i 流量计( 含称重传感器) li 、蛊嚣尹心i f 帆里出料机构ij 出料机构暂存仓i l 暂存仓搅拌罐( 含搅拌主机)卸料机构成品混凝土图2 - 2 搅拌站工艺流程由工艺流程图可知，混凝土配料控制系统包含六个物料控制流程阳1 ，如果由一个控制器进行控制，相当于一个控制器要同时从事六项任务，各个任务具有并行特点( 例如，本罐混凝土的搅拌和下一罐的配料同时进行) ，各个任务又有一定联系，以下分别论述。1 骨料秤斗配料6中南人学硕i j 学位论j 第二章混凝土搅拌站的工作原理及系统构成一般有两种计量方式：累计计量和分别计量，以累计计量为例：各种类型的石子和沙分别称为骨料1 至骨料4 。控制器根据骨料l 配方值及骨料秤斗传感器反馈重量信号控制骨料1 进料，当骨料1 配料完成后，控制器又根据骨料2 配方值及骨料秤斗传感器反馈信号控制骨料2 进料，直至骨料4 配料完成。而分别计量是骨料1 至骨料4 是同时计量，计量结束之后，控制器判断提升料斗是否到位，若不到位则等待，若到位则控制出料机构出料。从骨料秤斗出来的料经皮带机送到提升料斗出料完毕，控制器启动提升料斗提升，并立即进入下一罐骨料配料循环。2 提升料斗提升提升料斗将骨料提升到搅拌罐附近后，控制器判断搅拌罐是否为空( 即上一罐混凝土是否已经卸料) ，水泥秤斗是否配料完成和附加剂配料是否完成。若某个条件不满足则停止提升并在该位置等待。当条件满足时控制器继续控制料斗提升至投料位置。当提升料斗开始投料至搅拌罐时，控制器启动搅拌。当提升料斗的料全部投入搅拌罐后，微机控制提升料斗下降，当下降到最底部时设置提升料斗已经到位，并等待进入新的一轮提升循环。3 水泥秤斗配料水泥1 和粉煤的配料过程类似于骨料配料过程。当三种物科配料完成后设置水泥秤斗已经配料完成，然后不断检查是否有水泥秤斗出料命令，若无则等待，若有则控制出料机构出料至搅拌罐。出料完毕立即进入下一罐水泥秤斗配料循环。4 添加剂配料添加剂的配料过程类似于骨料配料过程。当添加剂配料完成后设置添加剂配料已经完成，然后不断检查是否有添加剂出料命令，若无则等待，若有则控制添加剂出料泵出料至搅拌罐。出料完毕立即进入下一罐添加剂配料循环。5 搅拌当提升料斗开始投料时该任务启动。该任务启动后，控制器首先发附加剂出料命令和供水命令，延时后发水泥秤斗出料命令。当所有料全部投入搅拌罐和供水结束后，控制器按照操作者设定的搅拌时间控制搅拌主机搅拌。搅拌时间到后控制搅拌罐卸料机构自动卸料。卸料完成后，控制器置搅拌罐标记为空，之后等待进入新的一轮循环。6 供水控制器根据水的配方值和涡轮流量传感器反馈信号控制供水，供水结束后置供水结束标记，之后等待进入新的一轮供水循环。在整个搅拌过程中，称量系统和称量过程最关键，其精确度直接影响混凝土7中南人学硕：l 学位论文第二章混凝十搅拌站的t 作原理及系统构成质量，而它与其他部分的互相协调与配合影响到整个周期的运行时间和效率。2 4 混凝土搅拌站控制系统单阶式和双阶式混凝土搅拌站的自动控制系统大致是相似，工作原理上双阶式搅拌站仅仅比单阶式多了一次物料的提升，单阶式的搅拌站是现场配料，双阶式搅拌站往往可以提前配料，也可以现场配料。本文主要是对介于单阶式和双阶式之间的混凝土搅拌站结构、控制系统等进行分析，综合比较，改造中铁十一局现在所运行的两台h z s 9 0 型混凝土搅拌站的控制方式，由于原来搅拌站配料误差高，配料精度不高，智能程度不高等问题，而工程中混凝土的需求越来越大，配料精度要求越来越高。但随着计算机技术、自动检测和传感技术、自动控制技术以及通信技术的发展，测量的直观、准确、智能化和控制的可靠及其过程自动化与信息管理自动化无疑己成为混凝土搅拌站的发展方向。为此本文提出混凝土智能控制系统的构想与设计，对原搅拌站控制系统进行改良，以便能满足施工现场的需求。2 4 1 混凝土搅拌站称重系统混凝土各组成物料的精确计量精度是混凝土质量的可靠保证，混凝土搅拌站配料的称量控制系统是整个控制系统的关键，称重系统是决定混凝土计量精度高低的基础。早期我国从苏联及东欧国家引进了一些搅拌站n 引，主要应用在水电等大工程上，这些搅拌站均是采用机械杠杆秤进行称量控制。这种混凝土搅拌站都使用杠杆式称重系统( 简称杠杆秤) ，但是由于现场环境比较恶劣，许多杠杆秤由于刀口磨损或锈蚀等原因，造成计量的不稳定、不准确，严重影响了混凝土的生产质量。随着计算机技术和自动化技术在工业生产过程中得到广泛应用，传统的杠杆秤逐渐被电子式称重装置所取代。进入六十年代中后期，从国外引进的搅拌站称量开始使用电子秤。国内开始进入电子秤的研制和试用阶段。这种电子秤采用电子电位差计原理，秤面采用圆盘式双指针或其它形式，比较直观与楼站控制要求结合较好，但常常因加工工艺水平比较低，使秤的控制精度不高，故障较多，稳定性较差，与杠杆秤相比，虽有较大提高，但仍然不很理想。随着工程实践的日益增多以及国外电子秤的启发，我国电子秤的结构形式得到改进，秤的稳定性有较大好转，故障率下降了，调试技术逐步成熟和专业化，基本满足工程生产可靠性的需要。生产混凝土的原料一般有骨料( 包括特大石、大石、中石和小石) 、砂、水泥、粉煤灰、水和外加剂等，各料按给定的配比( 配方) 进行称量配料，然后卸入搅拌机进行混合搅拌。搅拌到给定的时间后，就形成湿态成品混凝土，可以交付施工中南人学硕i ：学位论文第二章混凝土搅拌站的工作原理及系统构成现场使用。混凝土搅拌楼的骨料( 石子和砂) 的称量配料装置由弧门给料器、悬挂装置和秤斗组成。秤斗用传感器悬挂装置吊在料仓底部仓壁上。料仓给料弧门和秤斗卸料弧门的开闭由气缸推动，由电磁阀( 2 4 v d c ) 来控制气缸的动作。电磁气阀接收电讯号，通过线圈产生电磁力使气阀换向，从而达到操纵气缸的目的。粉料( 水泥或粉煤灰) 的称量配料装置由螺旋机、悬挂装置和秤斗组成。称量配料时，粉料由料仓底部给料阀门经螺旋机进入秤斗。卸料气动阀门的开闭由气缸推动。液料( 水和外加剂) 的配料装置由储液箱、秤斗( 或流量计) 及悬挂装置等组成。箱体和秤斗都置有排液阀，箱体给料阀门和秤斗卸料阀门的开闭由气缸推动。这种h z s 9 0 型搅拌站称重控制系统中，系统配料误差控制基本采用p i d 与经验法相结合的补偿的方式，这种方式虽简单方便，但受制于工人的经验，精度不高，误差大，严重的制约混凝土的质量，以致制约中整个公司的工程质量。这也是系统致命的缺点。2 4 2 混凝土搅拌站的控制系统控制系统是搅拌站的核心，主要完成按照预定的混凝土配比控制搅拌站的全部工作过程。早期由于混凝土搅拌站的称量系统一般采用杠杆秤，所以控制系统采用继电器加接触器的控制方式；后来由于称量系统采用了高精度电位器，出现了穿孔卡形式的控制系统；随着传感器技术及电子技术的发展，目前搅拌站的控制系统一般为计算机控制，主要有以下优点：能实现生产过程的自动化，提高生产率：能贮存大量配合比供用户选用，调用、修改配合比都十分方便：能进行落差自动跟踪修正，欠秤补料，超秤扣料，可显著提高称量精度；能实现骨料含水率检测和配比值的自动修正，即自动减水加砂，保证混凝土稠度值的一致性；能直观的模拟显示混凝土搅拌站的整个工艺流程状态，实现实时监控；能自动记录存、储各类数据和制表打印；实现最优化控制；可实现先进的科学管理功能。目前计算机控制的方式有多种形式，而且随着计算机技术的发展控制的方式越来越多，下面针对搅拌站常见的控制方式进行简要说明。( 1 ) 物料仪和工控机组合每个计量秤对应一个物料仪，各物料仪与工控机连接。外置i o 功能板和物料仪、工控机连接，该i o 功能板接外部中间继电器与外部限位。这种方式中工控机负责自动运行的协调工作，并且通过i o 功能板来控制外部继电器和处理外部限位输入信号。物料仪实现秤的显示和配料控制。如果工控机损坏，无法实现整个搅拌站工作流程的自动控制，但可以使用物料仪实现手动或半自动控制。应该说这种控制形式环节多，故障率高。( 2 ) 工控机控制9中南人学硕上学位论文第二章混凝士搅拌站的丁作原理发系统构成工控机自带模数板( a d ) 、数字输入输出板( i o ) ，传感器输入信号直接接到a d 板上，i o 板控制中间继电器、外部限位。操作盘上的按钮和指示灯均为d c 2 4 v 并且可以通过中间继电器接入工控机的i o 板。由于该方式中整个控制核心为工控机，控制软件设计时对抗干扰等因素要求高，对搅拌站操作人员的素质要求较高；工控机本身出现问题，如硬盘、内存、电源等，整个系统就会瘫痪，同时外部接线和检修比较复杂，因此混凝土搅拌站的控制使用这种形式的情况不多。( 3 ) 单片机和工控机组合将多个秤集成到一台由单片机组成的控制微机中，同时提供中间继电器输出和外部限位输入接口，该机器可以独立协调各秤的计量和实现搅拌站工作流程的自动控制。通过串行通讯口和工控机连接，实现控制及管理功能。在此形式中即使工控机发生故障，单片机仍然能够实现搅拌站的控制。( 4 ) 物料仪、可编程控制器和工控机组合每台物料仪控制一套计量装置，同时与p l c 连接实现自动控制，并且每台物料仪同工控机连接实现管理功能。混凝土搅拌站控制系统是搅拌站的核心，主要完成按照预定的混凝土配比控制搅拌站的全部工作过程。该方式中，各个物料仪独立控制每个计量装置，p l c 控制各执行机构，在工控机损坏的情况下，可以实现自动计量，自动循环控制。从上述的四种形式看，p l c 结构控制方式是最适合工业现场的恶劣环境。工控机的抗振、抗粉尘及耐电压波动性较好，但由于工控机是集中控制，其损坏而会造成整个系统瘫痪，所以一般情况下工控机作为管理使用比较合适。单片机结构简单、紧凑合理，成本低，适合传感器优化等现场的信号处理，但单片机故障率较高，主要原因是搅拌站现场使用大功率电气设备较多，来自电源电网的干扰，空间电磁波的干扰和触点及电机电刷产生的火花干扰十分严重，对系统的稳定性构成了很大威胁。而p l c 控制具有可靠性高、功能完善、产品标准化、开发性日益增强以及编程简单直观等优点，能够有效弥补继电器控制和单片机控制在可靠性方面的缺陷，与工控机配合易于实现操作与管理的结合，也克服了工控机集中控制的缺点。目前，我国混凝土搅拌站得到快速发展，但是其计量精度低、控制可靠性差已严重影响了混凝土生产的质量和效率，当前称量系统中误差对混凝土质量和强度影响很大。而在控制系统中，由于混凝土搅拌站的工作环境十分恶劣，传统混凝土搅拌站的继电器控制和单片机控制在实际生产过程中容易出现故障，所以，1 0中南人学硕j ：学位论文第二章混凝土搅拌站的工作原理及系统构成在设计和研制新型混凝土搅拌站的实际工作中有两个方面的问题应该引起重视，一个是应做好称重称量系统的合理选用和优化设计：另一个是应做好电气控制系统的可靠性和功能完善化设计。对这两个问题的深入研究并在具体设计实践时注意采用先进技术方法将更加促进我国预拌混凝土的发展。为了达到计量准确快速和控制可靠的目的，本文的混凝土搅拌站控制过程采用下位p l c 和上位工控机来实现，以保证其可靠性和功能可扩充性。2 5 本章小结混凝土搅拌站是用来集中搅拌混凝土的联合机械装置，它具有机械化和自动化程度高、生产率高的特点。它是根据用户的订货要求，制备出用户所需品种和强度等级的混凝土拌合物，并通过专用的运输设备( 混凝土搅拌输送车) ，在计划的时间内把混凝土拌合物运往施工现场。本论文结合中铁十一局混凝土搅拌站项目改造工程实际，对该局h z s 9 0 型搅拌站控制系统进行改造，改造的h z s 9 0 型搅拌站控制系统多半使用原始传统模式单片机控制系统，实际工程中，这种单片机控制系统故障率很高，另外此搅拌站控制系统中配料误差控制基本采用p i d 和经验相结合补偿的方式，这种方式虽简单方便，但精度不高，误差大，严重的制约混凝土的质量，以致制约整个公司的工程质量。这也是这种控制系统致命的缺点，从而也很大程度的限制和影响了混凝土搅拌站自动控制系统的发展。所以设计高速、高效、精确、性能稳定的和智能的混凝土搅拌站控制系统是势在必行。中南大学硕十学位论文第三章混凝十搅拌站配料过程分析技系统谈差补偿f j f 究第三章：混凝土搅拌站配料过程分析及系统误差补偿研究第二章对混凝土搅拌站进行分类介绍、总体结构分析、称重系统分析、控制系统分析等，并最后指出了h z s 9 0 型搅拌站控制系统中配料误差控制基本采用p i d 和经验相结合补偿的方式，这种方式虽简单方便，但精度不高，误差大，智能化程度低；本章针对这一系列问题，通过搅拌站生产混凝土过程建模分析、误差原因分析等，最后运用人工神经网络b p 算法与遗传算法相结合对搅拌站配料误差进行补偿，提高搅拌站控制系统的配料精度和智能化，以达到改造原控制系统的目的。3 1 搅拌站生产混凝土过程的数学模型混凝土搅拌站生产混凝土的过程，实质上是一个配料和搅拌的过程，称重仪称出骨料、沙子和水泥的重量，并将称重信息传递给控制器，控制器根据传递过来的信息，判断是否到达重量要求。如果达到要求，控制器发出命令，停止称量，关闭骨料、沙子和水泥的斜料门，确认物料卸料门关闭之后，开启秤斗的斜料门，将物料全部送入储料罐。再确认搅拌罐的混凝土全部斜出和搅拌罐卸料门，再将储料罐料送入搅拌罐，同时开启水阀，并开始计量，当达到所需的重量，关闭水阀，并搅拌。通过分析我们可以看出生产混凝土的关键过程是配料控制过程，如下本文将对此过程进行建模分析。在搅拌站配料控制过程的数学建模中，可以运用机理法建模。根据配料生产过程的机理，建立动态称量过程的数学模型。在此基础上，提出配料控制算法，有助于提高物料的称量精度。巧t l图3 - 1 称量过程给料门动作时序图料斗秤由秤体、称重传感器和称重显示控制器组成。其中，作为称量装置的1 2中南火学硕上学位论文第三章混凝土搅拌站配料过程分析及系统误差补偿研究秤体由贮料斗( 料仓) 、称量料斗( 秤斗) 和给料装置组成。设料仓给料门的截面积为s ( 历2 ) ，从给料门到卸料门之间的垂直空间距离为矾( m ) ，当料仓给料门打开后，物料从料仓门下落到秤斗，这是自由落体运动。随着秤斗内物料的增加和向上堆积，物料料面不断抬高。设给料门在t ；时刻开门，在t ：时刻关门，开l - j 后在时刻物料落到计量斗，关门后在 时刻空中余料全部落入计量斗3 1 1 搅拌站配料控制过程的数学模型建立n 妇考察秤斗内物料重量的增加，在t 。一 ，时间段内有：_ d w - ( t ) ：服s 1 ，( f )( 3 一1 )其中：w ( t ) 是计量斗内的实际物料重量( k g ) ，p 密是物料在空中的密度( k g r n 3 ) ，以f ) 是物料下落到计量斗内料面的瞬间速度( m s ) ，如3 - 2 称重过程示意图：给秤 ( f ) ( f )图3 - 2 称量过程示意图物料落入秤斗，会不断向上堆积，秤斗内的物料高度不断上升，设秤斗内堆积的物料实际高度为厅( f ) ，单位为米，它与实际物料重量成正比，则有：j l l ( f ) = k w ( t )( 3 2 )记j i i ( f ) 为从给料门到秤斗内物料料面的距离，如图3 2 所示，可以得n - o ) = h o j | l ( f ) = h o k w ( t )( 3 3 )式( 3 3 ) 中，h o 为从给料门到秤斗底部的距离高度( m ) 。根据自由落体原理，物料从给料门落到秤斗，经过距离为j l l ( f ) ，到达秤斗时的瞬间速率为：1 ，( f ) = 4 2 9 h ( t ) = 4 2 9 h o k w ( t ) 】( 3 4 )从而，可以得到数学模型算式如下：中南大学硕士学位论文第三章混凝十搅拌站雕料过程分析及系统误差补偿研究警= 腔s x 2 9 h o - k w ( t ) ( 3 5 )初始条件为：以b ) = 0对式( 3 - 5 ) 求解，可以得到最终秤斗内的物料实际重量，即实际称量值，可得：两d w 丽( t ) 2 腔s 厨( 3 6 )由于d h o = 0 ；d w ( f ) = 一兰d ( h o 一七从f ) )( 3 7 )1d ( h o k w ( t ) )七x h o - k w ( t )其中w ( t o ) = 0= p 誊s 瓜d l( 3 - 8 )在t o t l 时间段，对式( 3 8 ) 石边积分，| j 得； li 篱寸昙厨丽一昙瓜丽眨= 争厢一x h o - k w ( t , ) ：吾慌一h o - c w ( t , ) 】( 3 - 9 )t o t 。时间段，对式( 3 8 ) 左边积分，可得；弘空s 止动= 腔s 厄隆= 腔s 厄( f 。一u( 3 一l o )由式( 3 9 ) 和( 3 1 0 ) 可得：吾慌一h o - k w ( t , ) ：脚厄“)( 3 - 1 1 )x h o - k w ( t t ) = 瓦一妻p 空s 厄( f l - t o )( 3 1 2 )风一m f 。) = 【瓜一冬胜s 厄( 一坩= 凰+ 等腔2 j 2 9 ( 一f o ) 2 一慨s 瓯( 一t o ) ( 3 1 3 )毗) = 譬一舡+ 譬腔2 鳓。 ) 2 - 妇、瓯“叫= 腔s 厩( f i 一) 一等腔2 s 2 9 ( f l f 。) 2( 3 1 4 )料斗的总重量w 总= w ( f 1 )= 比) = 腹j 瓯( f i f o ) 一等腔2 s 2 9 ( f i 一气) 2( 3 1 5 )取f o = 0 ，= f ，可得：魄= 川) = 服s 厕一等腔2 s 2 9 t 2( 3 1 6 )1 4中南大学硕上学位论文第三章混凝土搅拌站配料过程分析及系统误差补偿1 j f 究3 1 2 搅拌站配料过程数学模型分析通过对混凝土搅拌站称量配料过程的数学算式的推导，可以看出，实际重量以f ) 是系统固有特性参数和时间t 的函数。这里时间t 为从物料开始落到秤斗时起，一直到空中余料完全落到秤斗内时为止这个过程的时间。系统固有特性参数有风，s 和k 等，可以通过测量得到，其中参数k 是物料本身的密度特性有关系。由 7 ( f ) = k w ( t ) 得，物料密度p 越大，k 越小。然而物料在空中的比重风，则难以确定，因为其受多种因素的影响，主要是物料的密度p 、下降的高度日、下降的面积s 以及空气阻力等，而且p 。还是一个变量，在配料过程中还有可能发生变化。但是最终的配料重量值却直接受参数p 。的影响，如果参数p 密，无法预先准确确定，最终的配料结果就难以确定或是与实际配料结果大相径庭。3 2 搅拌站配料误差分析及p i d 算法在混凝土配料过程中，实际上是很难通过进行精确的建模分析的，下落过程中的质量除了受固有特性参数日。，s 和足的影响，还有很多一些无法确定的因素影响。就是因为这些不确定因素的影响，引起了混凝土生产过程中配料的误差补偿的困难，从而带给系统更大的配料误差。下面就搅拌站配料误差原因和机理结合实际工程中的p i d 在配料误差补偿方面进行分析。3 2 1 搅拌站配料误差分析生产混凝土的称量配料过程中，各个物料由于重量信号随时间而变化，全过程是在一个动态的情况下完成称重的，因此是一个动态称重过程。在动态称量配料的关键问题中，首先是准确，第二个要求是快速。实际称量配料过程中，快速和准确是一对矛盾。一般搅拌站配料系统对称量配料过程的生产率都有规定，所以在给定的生产率前提下，即称量配料时间周期一定的情况下，同时要使搅拌站配料精度达到要求。造成混凝土搅拌站称量配料误差的原因是多方面的n 5 1 ，主要有如下因素：1 搅拌站配料控制过程产生的落差及由物料流不稳定引起的落差随机变化，称重机构关闭的时候，空中余料，造成测量值小于实际值；2 物料下落的冲击力引起骨料和沙子等读数的误差，造成测量值小于实际重量值；3 气缸的压力波动，造成给料装置的动作滞后，造成实际值大于测量值；4 控制器采样引起的误差，采样速率偏慢以致采样不连续，造成系统的误差；5 骨料和沙子( 特别是沙子) 因天气气候不同，中含有水分，引起配料的误中南人学硕l ：学位论文第三章混凝十搅拌站配 = ： 过程分f 亍及系统议笙补偿l j j f 究差等。混凝