（机械电子工程专业论文）沥青拌合站骨料精确计量控制研究.pdf

摘要 随着我国国民经济的飞速发展，交通运输已成为制约我国经济发展的重要因 素之一。交通运输量的不断增长，各种重型、大型车辆的增多，对我国的公路质 量的要求也越来越高。这就要求我们必须采用先进的公路施工技术和设备，从而 达到不断提高我国公路施工质量的目的。而在众多公路施工机械中沥青拌合站是 消耗资金最大，技术含量最高的设备，其装备程度的先进与否成为影响公路建设 水平与速度的重要因素。 本文根据目前国内外沥青拌合站设备的特点，利用先进的理论及计算机仿真 技术对骨料称量系统的动态称量过程进行了较为深入的研究。建立了动态骨料称 量过程的数学模型，并作了计算机仿真和定性分析。针对骨料下落过程中的落差 及模型参数的不确定性，在对动态骨料称量过程作了迸一步分析研究的基础上， 提出了二次称量法及迭代自学习控制法，并进行了控制系统的设计和计算机仿真 实验研究。仿真结果表明迭代控制算法应用于骨料称量控制系统，可以达到理想 的效果。随后，由于分析到控制系统存在滞后的问题，因此，设计开发了s m i t h 预估器来解决这一问题。最后，针对以上控制思路利用先进的s 7 3 0 0p l c 对骨 料称量系统进行程序设计，并通过s t e p 7 v 5 3 软件以及s 7 一p l c s i m 仿真软件对所 设计程序编写及仿真，从仿真结果可以看出本文所设计的骨料称量系统程序达到 了理想的效果。 通过本文的研究，有效的提高了骨料称量系统的控制精度和效率，实现了控 制过程的自动调节，减少了故障率，为高精度、高效率的大规模沥青混合料生产 提供了有利条件。 关键词：沥青拌合站；称量系统；可编程控制器；控制算法 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f0 1 1 1 n a t i o ne c o n o m yt r a n s p o r t a t i o nh a sr e s t r i c t e dt h e e c o n o m i cd e v e l o p m e n to n eo ft h ef a c t o r s w em u s tu s em v a n c e dt e c h n o l o g ya n d e q u i p m e n t ，r o a dc o n s t r u c t i o n , a n dc o n s t a n t l yi m p r o v et h el e v e lo fc h i n a sh i g h w a y c o n s t r u c t i o nb e c a u s eo ft h eg r o w i n gt r a f f i cv o l u m e ，av a r i e t yo fh e a v y , l a r g en u m b e r o fv e h i c l e so n0 1 1 1 r o a d sa s k e df o rc h i n a sr o a dm o r ea n dm o r eh i g hq u a l i t y r e q u i r e m e n t s a m o n gt h em a n yr o a dc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ya s p h a l tm i x i n gs t a t i o ni s t h el a r g e s tc o n s u m p t i o no fr e s o u r c e s ，h i g h - t e c he q u i p m e n t ，t h es o p h i s t i c a t i o no ft h e i r e q u i p m e n ts oa d i r e c ti m p a c to nt h eq u a l i t yo f r o a dc o n s t r u c t i o n b a s e do nt h ep r e s e n td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so fa s p h a l tm i x i n g p l a n te q u i p m e n t ，t h eu s eo fa d v a n c e dt h e o r ya n dc o m p u t e rs i m u l a t i o no fd y n a m i c w e i g h i n gs y s t e mo nt h es t o n ew e i g h i n gp r o c e s sw a sm o r et h o r o u g hr e s e a r c h t h e e s t a b l i s h m e n to fad y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fw e i g h i n gp r o c e s s ，a n dm a d ea c o m p u t e rs i m u l a t i o na n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i s p r o c e s sf o rt h ew h e r e a b o u t so fag a p b e t w e e ns t o n ea n dm o d e lp a r a m e t e ru n c e r t a i n t y , w e i g h i n gi no nt h ed y n a m i cp r o c e s s o fs t o n em a d eaf u r t h e ra n a l y s i sb a s e d0 1 1t h es e c o n dw e i g h i n gm e t h o da n dt h e p r o p o s e di t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o lm e t h o d ,a n d t oc o n t r o l s y s t e md e s i g n a n d c o m p u t e rs i m u l a t i o ns t u d y s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ei t e r a t i v ec o n t r o l a l g o r i t h mi sa p p l i e dt os t o n ew e i g h i n gc o n t r o ls y s t e m ，c a na c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s s u b s e q u e n t l y , b e c a u s eo ft h e c o n t r o l s y s t e ml a gi s s u e ，t h e r e f o r e ，d e s i g na n d d e v e l o p m e n to ft h es m i t hp r e d i c t o rt os o l v et h i sp r o b l e m f i n a l l y , m o r em v a n c e d c o n t r o li d e a ss 7 3 0 0p l co ns t o n ew e i g h i n gs y s t e mp r o g r a m m i n g ，a n dt h r o u g h s t e p 7 v 5 3s o f t w a r ea n ds 7 - p l c s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r ed e s i g n e df o rp r o g r a m m i n g a n ds i m u l a t i o n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss t o n ew e i g h i n gs y s t e md e s i g n e d t op r o c e s sa c h i e v e dt h ed e s i r e dr e s u l t s t h r o u g ht h i ss t u d y , s t o n ew e i g h i n gs y s t e mg r e a t l yi m p r o v e dt h ec o n t r o l a c c u r a c ya n de f f i c i e n c y , t oa c h i e v ea u t o m a t i ca d j u s t m e n to ft h ec o n t r o lp r o c e s s ， r e d u c i n gt h ef a i l u r er a t ef o rh i g l l p r e c i s i o na n dh i i g l le f f i c i e n c yp r o d u c t i o no fl a r g ea m o u n t o fa s p h a l tt op r o v i d eaf a v o r a b l ec o n d i t i o n k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x i n gs t a t i o n ；w e i g h i n gs y s t e m ；p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) ；c o n t r o la l g o r i t h 长安大学硕士学位论文 第一章概述 1 1沥青拌合站的国内外发展状况 随着我国国民经济的飞速发展，交通运输已成为制约我国经济发展的重要因素之 一。随着交通运输量的不断增长，各种重型、大型车辆的增多，对我国的公路质量要求 也越来越高，因此我们必须采用先进的公路施工技术和设备，不断提高我国的公路施工 水平。而在众多公路施工机械中沥青拌合站是消耗资金最大，技术含量最高的设备，因 此其设备先进程度直接影响着公路施工的质量。 在“九五”计划期间对筑路机械的需求量越来越大。交通部于2 0 世纪8 0 年代初第 将“沥青混合料摊铺与搅拌设备 列入国家引进制造技术项引1 1 ，并于1 9 8 5 年和1 9 8 7 年从德国d y n a p a c 公司和英国p a r k e r 分别引进了摊铺与搅拌设备的制造技术。随后，西 安筑路机械厂通过引进英国p a r k e r 公司的移动式搅拌设备的制造技术，成为国内可以 生产6 0 - 2 4 0 t h 间歇式搅拌设备产品( 移动式和可搬式) 的唯一生产厂家，从而填补了 国内沥青搅拌设备的空白。1 9 8 9 2 0 0 3 年，陕西建设机械厂和徐州工程机械厂分别引进 了英国a c p 公司、德国v o g e l e 公司、以及a b g 公司的沥青混合料搅拌设备和摊铺设 备的制造技术，镇江路面机械总厂在引进日本n i i g a t a 公司摊铺机制造技术后成为我国 制造高等级公路摊铺设备的主要厂家1 2 5 j 。经过多年的引进开发使我国拥有了研制一系列 筑路机械产品的能力，并逐渐进入了国际市场的竞争中。 随着电子技术以及计算机技术的不断提高，产品的更新换代不断的加快，以及我国 高速公路建设速度的不断加快，使得我国沥青混凝土生产设备不断向大规模化发展，以 前经常使用的2 0 0 t h 的中小型设备已经逐步被淘汰，目前国内间歇式搅拌设备生产能力 最高可达4 0 0 t h ，连续滚筒式搅拌设备的生产能力最高也达到5 0 0 t h 。随着科技水平的不 断发展，使得人们对环保、节能以及产品质量的要求也不断提高，从而对沥青搅拌设备 的技术指标要求也不断提高。目前，热骨料计量的动静态误差为2 5 0 5 ；沥青 计量的动静态2 0 0 2 5 ；粉料计量的动静态误差为2 0 0 2 5 ；粉尘排量 可控制在2 0 m g m 以t 4 j 。特别随着控制技术水平以及微机处理技术的不断发展，使得 目前沥青混合料搅拌设备均可采用计算机管理技术，可在生产中对显示数据实时打印， 第一章概述 并可以在电脑中存储大量数据，可供管理人员随时提取，为了方便操作人员及时排除设 备故障，设备都带有自动诊断和报警功能，这就大大节省了排除故障的时间为大规模生 产提供条件。随着科学技术的不断发展，今后将在进一步减少公害、降低性能、延长使 用寿命、和提高产品性能，逐步实现完全自动化控制的方向不断发展【1 1 。 在级配控制方面，由于我国人口众多、车量多给公路发展带来的压力必须依靠控制 技术、机电一体化以及信号处理技术的不断发展，以科学技术为核心，不断提高设备的 科技含量，逐步改进设备的生产和技术水平。目前我国生产沥青搅拌设备与国外同等设 备相比，存在着控制精度差、配比精度差、故障率高且难以排除等缺点。因此，应用先 进的控制思路和科技水平对国有沥青搅拌站的称量系统改进势在必行。 1 2 骨料称量控制系统发展趋势 随着科技水平的不断提高，控制技术不断向着高精度、高速度、高可靠性 的特点迈进。沥青搅拌站称量系统已经逐步实现了依靠先进的传感器和可编程控制器 ( p l c ) 等高精度设备，以及先进的控制理念方向发展，从而大大的提高了称量系统的 控制精度和可靠性。通过先进传感器元件与p l c 控制器端口间的一对一连接，利用p l c 实现将传感器中的模拟量转化为p l c 可识别的数字量，并在其内部进行计算，从而实 现各种控制。p l c 可以提供多路的输入与输出端口，这样可以大大提高对控制元件的数 量，从而达到理论要求的控制效果。 目前控制思路逐步向着智能化的方向发展，骨料称量系统也逐步向着智能化的发 展方向迈进，从而实现了控制系统对称重误差的自动修复，最终达到理想级配要求的目 的。 1 3 课题研究的内容和意义 随着我国经济的不断发展，科技水平的不断提高，为了满足交通量增长的需要近年 来我国不断加大了对基础设施建设的投入，使得我国高速公路逐渐向着高平稳、长使用 寿命方向发展。而目前我国拌合楼计量设备不稳定，自动化控制程度不高，从而达不到 高精确的生产配比，利用这样的机械生产出来的混合料与实际生产配比之间存在着定 的偏差，从而也达不到预期设计效果。为此，本文以国外同类产品为参考，基于国内现 有沥青拌合站的机械结构，电控器件为基础，基于p l c 控制理论、理论力学、牛顿定律、 2 长安大学硕士学位论文 m a t l a b 等理论为基础，对沥青拌合站骨料计量中影响计量精度的因素进行精确计算 研究，从而实现对骨料称量系统实现精确控制，以实现出场混合料精确符合生产配合比 的目的。 本文主要研究内容包括： 1 分析理清拌合站骨料称量系统特点，并建立数学模型，利用m a t l a b 对数 学模型进行仿真找出影响称重精确的因素。 2 根据数学模型和称量系统特点，分析影响称量精确度因素，并根据影响因素 提出控制思路，从而提高称量精确度。 3 利用p l c 对控制系统进行程序设计，从而实现提高骨料称量精确度的目的。 本文研究意义是：通过以上研究内容，可以针对现有沥青拌合楼，对其控制系统进 行调整，无需大的改造，既能达到精确称量的目的。 第二章沥青拌合站的结构及称量系统中的主要设备选择 第二章沥青拌合站的结构及称量系统中的主要设备选择 2 1 沥青拌合站的基本结构 本文主要讨论的是间歇式沥青拌合站的骨料称量系统，因此本章仅介绍间歇式拌合 站的主要结构，其主要由冷料仓、给料输送装置、加热滚筒、热骨料提升机、粉料提升 机、除尘器、液态沥青保温罐、粉灌、主拌合楼、轨道小车组、成品仓、控制室等主要 部分组成【l l 。( 见图2 1 生产工艺流程图) ，以上各部分功能简介如下：冷料仓：一般拌 合站由多个冷料仓，分别存储由装载机等设备运送来的不同粒径的石子、沙子、石屑。 给料输送装置：主要是讲冷料仓的骨料输送到加热滚筒中，它一般由骨料皮带输送机以 及倾斜皮带输送机( 或多斗提升机) 组成。各种骨料经给料机卸出后，都汇集在骨料皮 带输送机上，通过皮带输送机或多斗提升机将冷骨料送到加热滚筒内。加热滚筒：用于 加热、烘干冷骨料的装置，滚筒采用旋转、长圆柱形的简体设计结构，冷骨料从简内的 一端进入、通过滚筒烘干加热后在另一端卸出。加热筒的内壁装有不同形状和方向的叶 片，当滚筒旋转时，骨料被叶片不断的提升上去，随即在通过的不同位置散落下来，这 样就使得冷骨料与热空气能够在不同位置充分的接触而被加热。热骨料提升机：将从加 热滚筒中卸出的热骨料提升到一定高度的到筛分装置内，及升级一般采用链式结构，为 了减少提升过程的热量损失，链斗提升机被安装在封闭矩形长筒中。除尘器：按其机理 不同分为脉冲压缩空气反吹式布袋除尘以及大气反吹式布袋除尘、丘里湿式除尘等，其 中最为常用的大气反吹式布袋除尘是通过超强功率的鼓风机驱动，使其在加热滚筒与除 尘出口间形成了强大的压力差，从而使骨料在加热过程中产生的粉尘颗粒在压力差的作 用下被收集到布袋除尘器中，减小了环境污染。液态沥青保温罐：用于存储沥青加热设 备以及沥青脱桶设备在溶化、脱水后的液体沥青和乳化沥青等。保温灌将沥青加热到要 求范围内，它的容积和数量根据实际生产的规模而定，在生产时，储存在沥青保温灌沥 青被泵送到沥青称量桶内进行称量；称量完毕多余的沥青通过三通阀切换至回油管回保 温灌中。主拌合楼：主拌合楼是整个拌合楼系统的核心，从上到下依次为热骨料筛分装 置、热骨料仓、称量装置、拌合部分，其主要作用是将骨料提升机输送的来的热骨料进 行二次筛分，从而将不同粒径的骨料分级处理分别存储在热料仓中，开始称量时按级配 4 长安大学硕士学位论文 要求将热料仓中不同粒径的骨料分别下落到称量斗中进行计量，最后将称量好的骨料下 放到搅拌锅内与同样称量好的沥青、粉料进行搅拌。道轨小车组：其轨道连接着拌合楼 与成品仓，小车在卷扬机带动下延着它的轨道将拌好的混合料运送到成品料仓中。成品 料仓：用于储存拌合好的混合料，通过保温层将其包覆，可以有效地解决因摊铺机出现 故障或运输车跟不上等因素造成搅拌设备的间断工作，其更重要的作用是可以对摊铺速 度进行调节，从而保证工程质量。控制室：控制室是整个控制系统的核心部分，其内部 装有所有的可编程逻辑控制器p l c 、组合开关、继电器、显示器等，以及整个生产过程 的动力电源的分配、输入输出信号处理等都在其内部完成【l 】。 说明：a ：粉料提升机，b ：骨料提升机，c ：轨道小车组，冷料仓：1 _ 5 。 图2 1 生产工艺流程图 沥青混合料生产过程简述：不同粒径大小的石子、沙子、石屑分别由装载机运送到 冷料仓中。根据不同级配要求对给料装置进行调节从而使各个冷料仓输送的骨料数量尽 可能接近级配要求，按图2 1 的箭头方向将冷骨料输送至加热滚筒中对其进行烘干加热。 再通过骨料提升机( b ) 将热骨料输送到主拌和楼中，利用主拌合楼中的冷料筛分装置 对其进行筛分处理，并将筛分好的骨料按不同的粒径大小分别将其存储到热料仓中( 如 图所示热料仓从左到右的顺序依次为l ，2 ，3 ，4 ，5 号仓) ，每个料仓都是通过其下部 的汽缸控制其斗门开闭的，称量时按1 5 号仓的顺序依次对个每个料仓的骨料进行累计 5 第二章沥青拌合站的结构及称量系统中的主要设备选择 称量，等到所有骨料计量完毕后称量斗的阀门打开将计量好的热骨料放入拌锅，粉料也 通过粉料罐按级配要求计量好后放入拌锅，沥青罐中的热沥青也由循环泵输送到沥青泵 中进行计量，并将称量好的沥青由沥青喷洒泵喷入到拌锅中，同时控制拌锅进行搅拌。 最后利用运料小车将拌和好的沥青混合料用送到成品仓中进行储存 4 1 。 2 2 骨料称量系统 2 2 1 称量系统特点 称重计量系统是骨料称量系统的核心部分。随着现代科技的不断发展，称重计量技 术也得到了飞速的提高，它的发展过程也是由最早的利用杠杆的作用原理的称重称( 特 点：工作时效率较低，达不到生产自动化要求) 、利用电子与机械特点相互结合的电子 原理称重称、利用计算机与机械称特点相结合的原理产生的称重称以及利用现代传感器 技术说产生的称重称( 特点：将传统的机械力转换为系统可以识别的电力或者其他有利 于计算的信号元件即为将一种不是电力的信号转换为电力信号) 。称重仪表包括指示部 件( 如显示、打印、数据传输和存储器件等) 和处理称重传感器信号的电子线路( 包括电 流源或电压源、模数转换、放大器、补偿元件、调节器、保护线路) ，一般称二次仪表 或荷测装置1 5 】。电子称结构如图2 2 所示。 图2 2 电子秤结构图 相对于传统的机械式称重称，电子称可以把计量的信号传送到更远的地方，它具有 较强的抗烦扰能力，在称量过程中可将实际重量直接显示出来，因此计量较为简洁。由 于此种电子秤的封闭性较为理想，因此可以使用到机电结合秤和机械秤无法作业的恶劣 条件下工作。 电子秤也在不断的发展中，它由最早原始的较为繁重到较为精细、由功能相对简易 6 长安大学硕士学位论文 到功能及其强大的过程，有简单的杠杆式称重称到电子技术与机械技术相互结合的称重 称的自动化过程。当前时期最为先进的电力称重称是将电脑技术与先进信号分析处理技 术相结合的电子称。自7 0 年代中期发明了微机处理器以来，目前其应用已十分普及， 特别是单片微处理器，因为其价格便宜、体积小、功能强大，因此，功能更为强大的并 带有处理器的电子秤仪表日益增多1 5 】。 微机化称重仪表一般分为两种类型，其中一种集齐传感器激励电源、显示和打印以及前 置放大等各种先进技术相结合的整台设备。另一种为将信号处理技术与传感器技术相结 合高级计量装置。它的设计观念是利用c r i 技术使其操作更为简便，是整个仪器更为精 密，人性化。对两种类型的微机化称重仪表进行比较可知，前者成本低、小而全、便于 携带：后者对于多个元件的统一操作及管理有一定优势，其可操作多个计量装置配合工 作，偏于操作人员控制，但是其价格过于昂贵。 微机式计量装置由两部分组成，即为硬件部分( 包括计量感应装置以及对计量信号 的收集及处理部分) 及软件部分( 精小电脑) 。两部分通过专门的部分连接起来。它的 特点原理如图2 3 所示。 输出 图2 3 微机化称重仪表工作原理图 计量传感器输出的电子信号通过信号处理放大装置处理后再将此信号通过转换装 置将转换后的数字信号传输到c p u 中，c p u 在将此信号和预先设定的数字进行对照以及 更多的计算和比较，最终将设计要求的计量过程完毕。在整个过程中由于时间变化而导 致计量信号发生变化称为连动式计量过程。对于这种状况下应用的电子计量装置称其为 动态电子秤【6 。 7 第二章沥青拌合站的结构及称量系统中的主要设备选择 2 2 2 称重计量系统的选择 目前普遍应用的称重计量系统包括：失重秤、电子皮带秤和重力式自动装料秤。其 中失重秤的特点是采用减法计量，随着称重重量的减少，其读数增加，常用于卸料过程 中，因此也称为卸料秤，其要求安装精度高，不易进行系统改造。电子皮带秤：主要通 过计量输送过程的散料流量，并对其积分从而求得物料总量，在计量过程中存在严重零 点漂移，使得计量不准确，因此以上两种称量系统都不适于骨料称量系统。 重力式自动装料秤( 料斗秤) ：重力式自动装料秤是把大量的骨料划分为众多重量 相同的小模块( 此过程程序自动设计) ，其又被称为自动装置计量称。重力式自动装料 秤是由称重传感器和称重显示控制器以及秤体组成。秤体是称量料斗( 秤斗) 、由贮料斗 ( 料仓) 和气动阀( 或电磁气阀) 等组成【8 】。其结构如图2 4 所示。 其工作原理为：称重传感器将秤斗中物料的重量信号传输到称重显示控制器，经过 称重显示控制器将信号进行分析处理后在反控制贮料仓和称量斗斗门的开闭，从而达到 控制整个称量过程的目的网。 图2 4 料斗秤示意图 通过以上分析可知料斗秤非常适合骨料的称量，因此其在骨料称量系统中被广泛的 应用。 2 2 3 称重传感器选择 称重传感器量程计算时参照国家强制间歇式沥青混合料搅拌设备技术规范【4 】( 表 2 1 技术规范，筑路机械2 0 0 2 9 ) 。 3 长安大学硕士学位论文 表2 1 国家强制间歇式沥青混合料搅拌设备技术规范 标准骨料计量标0 5 骨料计量标2 5 0 砝码准精度物料 准 计量 粉料计量精 o 5 计量 粉料计量标 2 5 0 ( 静态)度( 动态)准 沥青计量精 0 2 5 沥青计量标2 0 0 度准 称重传感器量程按以下计算公式： 传感器量程= ( 自重+ 最大量程范围) 传感器数量( o 6 _ _ o 7 ) 由于本文主要针对l b 3 0 0 0 x c 型拌合楼进行骨料称量系统设计，其骨料称量系统技 术指标如下： 总容积：6 0t 1 # 仓容积：1 5 t 砂屑( 亦为直通仓) 2 # 仓容积：2 4 t 细粒 3 # 仓容积：s t 中粒 4 # 仓容积：7 t 超中粒 5 # 仓容积：6 t 粗粒 根据以上特点，并参考市场传感器品牌，骨料称重传感器选取梅特勒一托利多 ( m e t t l e r t o l e d oi n d ) 系列称重传感器。具体型号：f w - 2 0 0 0 静载称重模块 门旺t t l e r - t o l e d o 。 梅特勒一托利多f w 系列称重模块特点如下： 二种顶板结构( 浮动式和半浮动式、固定式) ，可以消除因热涨冷缩带来的称 量误差 优质合金钢，表面镀镍、长期稳定性好 支撑螺栓，防止设备倾覆且方便维护、自稳定结构 安装快速、简单、安装高度低 维护方便，节约停机维护时间 防护等级i p 6 7 适用范围： 载荷：静载、动载 容量：0 5 ，l ，2 ，3 ，5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 t 9 第二章沥青拌合站的结构及称量系统中的主要设备选择 环境：防爆 应用：平台、槽罐、立罐、称量料斗 2 2 4 热骨料仓门控制气缸选择 根据实际工作经验，选取实际行程与设计标准接近且可以显示阀门开闭的 q g b q l 0 0 2 0 0 - m p l - s k g 2 型气缸。如图2 5 所示： 蓝，一，莎 。 图2 5 善5 b q l 0 0 系列标准气缸示惹图 技术参数： 工作介质：干燥洁净压缩空气 工作压力范围：o 1 5 1 m p 给油方式：不要( 给油也可) 耐压：1 5 m p o 使用温度范围：一5 6 0 0 c 使用速度：5 0 7 0 0 缓冲：两侧可调缓冲 缓冲行程：2 5 m m q g b q 系列气缸的外形安装尺寸符合i s o 6 4 3 0 国际标准【9 】，具有工作可靠、密封性 好、耐久性好、运动平稳、造型美观等特点。其中选取安装形式为l d p l 为双悬耳式安装， 且缓冲装置为两侧可调缓冲，从而大大减小了系统的冲击，大大加大了其使用寿命，且 非常适合沥青拌合站这种设备所处的恶劣环境下使用。 暇 长安大学硕士学位论文 2 2 5 变送器的选择 骨料的重量信号的采集通过重力传感器实现。重力传感器的输出信号一般都很小 ( o 一2 0 m y ) ，不能驱动p l c 中e m 2 3 1 模拟量输入模块。e m 2 3 1 模拟量输入模块实际 上是一个封装的刀d 转换电路，在重量信号输入e m 2 31 之前，需要将该信号放大至 0 - 5 v 。选择p t 3 5 0 c 重量变送器将m v 级的电压信号放大1 0 0 倍，达到需要的电压范围。 p t 3 5 0 c 特点是外形小巧，具有多种模拟量可供选择，可适合不同型号的传感器使用， 采用道轨安装方式，适合各种工业环境【9 】。其技术参数如表2 2 所示。 表2 2p t 3 5 0 c 的技术参数 电压输入2 4 伏直流或交流电1 0 耗电量5 3 v a ( 最大) 工作温度一5 度摄氏至+ 6 0 度摄氏 工作湿度 9 0 相对湿度 传感器型式所有电阻应变测力传感器 传感器电压直流1 0 伏，最大供电1 2 0 毫安 输入灵敏度1 5 毫伏伏或3 5 毫伏伏可供选择 输出形式0 - 1 0 伏，0 - - 2 0 毫安或4 2 0 毫安可供选择 0 - - 2 0 m a 少于5 5 0q 输出负载4 一- 2 0 m a 少于5 5 0 q 0 - - 1 0 v 大于4 k q 准确度不大于满度之0 0 5 0 至8 0 零位可调范围 以可变电阻调校一粗调及微调最高输入为2 0 m v 1 0 0 至2 0 量程可调范围 以可变电阻调校一粗调及微调 外型尺寸7 5 m m ( 宽) 7 5 m m ( 长) x5 5 m m ( 高) 重量约1 5 0 克 其接线图如图2 6 所示 图2 6p t 3 5 0 c 接线图 l l 第二章沥青拌合站的结构及称量系统中的主要设备选择 接线说明： p 1 ：传感器接线输入； p 2 ：电源输入； p 3 ：电流或电压输出； 接线简图如图2 7 所示： p 1 ： 1 一激励电压输出一 2 一激励电压输出+ 3 一屏蔽 4 一传感器输入一 5 一传感器输出+ 图2 7 接线简图 p 2 t 1 一直流电压输入一或交流电压输入l 脚 2 一直流电压输入+ 或交流电压输入2 脚 p 3 ： 1 一电流或电压输出+ 2 一电流或电压输出一 2 3 本章小结 本章介绍了强制间歇式拌合楼的主要组成部分，以及骨料称量系统中各个主要零部 件的选择。 1 2 长安大学硕士学位论文 第三章骨料称量系统的数学模型 3 1 过程数学模型及其建立方法 只有通过对生产过程的了解、掌握其生产工艺才能应用理论分析法对其生产中的动 态、静态过程进行分析处理，最后才能通过一定的技术手段实现预期控制目的。现代控 制技术发展过程中，只有对系统的静态及动态特性有了很深的认识才能实现预期的控制 目的，因此过程数学模型的建立在现代化控制技术中起着至关重要的作用1 1 0 1 。 数学模型是通过对系统的数学描述来建立的。在实际生产中由于建立数学模型的目的 不同，因此同一系统的数学模型的表达式也是多种多样。 1 建立数学模型的目的 ( 1 ) 制订生产过程的优化操作方案 ( 2 ) 建立控制系统设计方案，通过数学模型进行仿真。 ( 3 ) 对控制系统进行调试，并对其调节器进行参数选定。 ( 4 ) 制订大型设备的启动和停机的操作方案。 ( 5 ) 建立生产过程中的故障诊断系统。 ( 6 ) 设计生产过程中的人员培训系统等。 2 被控对象数学模型表达式 ( 1 ) 按数学模型组成特点分为：在整个立体式，信号载入以及信号输出式； ( 2 ) 输入输出式又可划分为：以时间划分( 阶跃响应) ；以频率不同划分( 传递 函数) ( 3 ) 针对模型间断或连续分为：离散式；连续式 3 被控对象数学模型利用方式 ( 1 ) 在线方式：通过把被控对象的数学模型砌入控制系统中，从而对控制系统 进行预测。其特点是数学模型具有实时性。 ( 2 ) 离线方式：控制系统在设计研究或在其调试阶段被控对象的数学模型才能 发挥作用。 4 被控对象数学模型的特点 1 3 第三章骨料称量系统的数学模型 数学模型的首要特点是准确可靠，但也不是越准确越好。应在实际应用效果的基 础上建立数学模型，而对超过实际要求的准确性会产生不必要的浪费。数学模型 在运用时还具有实时性特点，这往往与准确性产生矛盾。闭环控制特点是就具有 一定的偏差性，且大部分所建立的数学模型都有一定不准确性，因此将数学模型 自身与真实值之间的差别称为一种扰动，而对于闭环模型来说它具有一定能力可 以抵消这种扰动。 对于实际项目中，一般控制系统都比较复杂。所以在数学模型的建立过程中都要 对数学模型做一些简化算法。 5 数学模型的建立方法 ( 1 ) 测量处理法：此方法一般可分为应用现代技术对实际操作中得到的数据进 行数学建模的方法；另一种为利用较为固定的模块式的方法对实际操作数 据进行数学建模的方法。 ( 2 ) 机理法建模：认真研究在实际操作中的系统变化特点，结合材料力学、理 论力学，以及物理、化学、电力、热力等相关知识，得到所需的动量守恒 方程、质量平衡方程以及能量平衡方程及我们所要最终得到的具有实际物 质的运动特点数学模型。在建立系统的模型时，必要通过合理的假定。模 型应该达到合理的精度，同时还要保证尽量简单。偶尔还要考虑一定的特 殊要求。再利用此种方法建立数学模型时，有时要对一些较难得出系统系 数进行一定的简化及估算等。 3 2 骨料称量过程的机理分析 料斗秤是由秤体、称重显示控制器以及称重传感器组成。其中，秤体是由贮料斗( 料 仓) 、称量料斗( 秤斗) 以及给料装置组成的。 料仓的作用是贮存骨料。根据骨料粒径不同的要求，将筛分好的不同粒径的热骨料 利用骨料提升机分别装入不同料仓。热料仓内设有高低料位传感器，传感器可把储仓内 料位信号及时传送给操作人员。这样，在仓满或物料不足时可以发出信号，操作人员可 以对热料仓骨料进行调整从而达到调整冷料初配的目的。 称量斗下方装有斗门开闭控制开关。当开启开始称量开关时，下部斗门开启，骨料 从储料仓下不下落，当称重信号显示下落骨料重量达到实际要求值时，储料仓斗门自动 1 4 长安大学硕士学位论文 关闭。计量装置原理图如图3 1 所示。 利用电磁阀控制斗门汽缸从而控制给料们的开闭。电磁阀在接收电讯号后，线圈产 生电磁力从而使气阀换向，既而达到对气缸的操控的目的。 卸辩门 图3 1 - 称量装置示意图 出于简化数学模型，设计量斗的形状为锥度较小的圆台。设给料门的面积为 s ( 所2 ) ，给料斗门与卸料门之间的垂直距离为风计量斗中物料下落时堆积的几何外形 可近似认为是圆柱体和圆锥的组合，骨料在计量斗内休止角为a ，圆锥的高度如( m ) ， 圆柱高度鬼( m ) ，计量斗高度为h 。物料通过给料门下落后做自由落体运动下落到计 量斗，随着骨料的不断增加，骨料层不断抬高。 3 3 骨料称量系统的数学模型 设斗门打开是在哜时刻，关闭是在，关时刻。骨料下落到秤体是在t 。时刻， 而在斗门关闭时在半空中的骨料是在f l 时刻完全下落到秤体。如图3 2 所示。 1 5 第三章骨料称量系统的数学模型 门开关 l ( 开) 0 ( 关) t 开t o l 美t l 图3 2 称量中给料门时间顺序图 3 3 1 骨料称量控制过程的数学模型建立 在岛一时间段，可得下式： 了d w ( t ) = 以s v ( t )班 。! 其中：w ( t ) 一计量斗内的实际骨料重量，( k g ) 腔骨料在空中的密度，( k g m 3 ) v ( t ) 骨料下落到计量斗时的瞬间速度，( m s ) 由图3 1 得： 啊= ，, t g o 设v ( t ) 是计量斗内骨料的体积( m 3 ) ，则： y o ) ：昙r c r 2 1 气+ 万，：呜 所以计量斗内骨料重量为： w ( t ) _ p y ( r ) p 为计量斗内骨料比重。 则由( 3 3 ) 和式( 3 4 ) 可得： 孚= 增o + ，r r 2 吃 化勰妙筹一竽 由以上可得： 1 6 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 长安大学硕士学位论文 ”瑚喇= 筹+ 孕 ( 3 6 ) 鲰为计量斗内骨料的实际高度。 设政( t ) 为给料门到计量斗内骨料层的实际距离，因此： 坞o ) = 4 0 一( t ) ( 3 7 ) 设骨料从给料门下落时做自由落体运动，其初速度为零，则骨料到达计量斗骨料表面的 瞬时速度为： y ( f ) = 2 办( f ) 2 2 9 ( 风一佴( t ) ( 3 8 ) 因此由( 3 1 ) 一( 3 8 ) 可得： 掣w 厕，且初始条件为w ( 扩。 丽d w 丽( t ) 2 腔s 厨 ( 3 9 ) 则在，o 一时间内，对上式两边积分得： f i = 、p 厕 ( 3 1 0 ) 珈z p 卜锑+ 孕，卜p 卜僻+ 孕，立w 厄”岛， 。砌邝一鬻l g r 一孕r 2 鹕一鬻r 一孕】l ，2 ) w 厄) ( 3 1 1 。d j 万。p j f 1、 代a w ( t o ) = 0 得： 2 p 4 0 一丁2 r t g o 】l ，2 鹕一鬻一孕】1 ，2 愀s 厄”f o ) 毗讯厄蚂一2 r 3 t g o ，) 1 1 2 叱吲一坐掣 ( 3 1 2 ) 取气= 0 ，令f = ，l ，可得： = 形( f ) = 腔s 万( 风一竽) l 2 ，一样 1 7 第三章骨料称量系统的数学模型 3 3 2 计算机仿真与结果 我们从骨料称量过程的数学模型中可以发现，计量斗内骨料的实际重量w ( t ) 它是称 量过程中各个量一个关于称量时间t 的函数。在此系统中设t 是当骨料从斗门开启示开 始下落到斗门关闭后说有半空中的骨料也完全下落到秤体的时间。 系统固有的特性参数为s 、r 、p 、风、h 。、和a 等，都是可在现场量取的实际值。 但是骨料在下落过程中的p c ( 半空中骨料比重) 很难能测量得到，之主要由于现场不 同条件都能影响到其值的准确性，如骨料干燥程度、骨料颗粒大小、施工地的现场等诸 多要素关联。而且助在实际称量过程中，随骨料大小的微小变化及其它因素影响都可 能在随时改变。但是最终骨料称量值与参数璐有直接关系，因此如果预先无法将参数 腑确定下来，则最终配料结果就会大相径庭。这样使得配料中产生的误差很难预测， 配料的精度也就无法控制了。 1 选取如下参数：高度h = l m ，则计量斗内物料容积为v = 去t g o r r r 3 + 万，2 h 。+ s = 0 2 4 m 2 、 j g = 9 8 n k g 、r - - 0 9 m 、h o = 2 m 、t g a = 0 2 、p = 1 0 0 0 k g m 。因此计量斗最多可计量物 料为2 6 9 6 4 9 k g t l l l 。 为了验证本文所推到的数学模型，通过计算机辅助工具软件m a t l a b ，进行仿真。选 取不同的骨料空中比重： 腔分别为4 0 0 k g m 3 、6 0 0k g m 3 、8 0 0k g m 3 时，仿真结果如图2 3 所示。由图可 知骨料在开始下落时速度较快，后来加速度逐渐变慢。这是由于随着骨料下落后逐渐堆 积在料斗内，从而使斗门到料斗所需距离变短，从而使骨料下落到称量斗的瞬时速度减 小。在图中我们还能发现，由于物料的空中比重的不同，配料结果有很大差别，空中比 重大的骨料配料速度明显较快。而其物料空中比重 与物料粒径大小、含粉尘量、含水量、骨料下落到料斗高度等诸多因素有关。 通过以上分析可知此数学模型是一个不确定的模型，具有非线性，因此通过传统的 控制方法很难达到控制效果。 1 8 长安大学硕士学位论文 腔= 4 0 0 k g m 3 腔= 6 0 0 k g m 3 腔= 8 0 0 k g m 3 图4 2 3 骨料称量过程数学模型计算机仿真曲线 1 9 第三章骨料称量系统的数学模型 3 4 本章小结 本章通过分析骨料称量过程中骨料的下落特点，利用数学方法建立了骨料称量过程 的数学模型，通过对数学模型的分析以及m a t l a b 仿真结果看出骨料在下落过程中的密 度不同，对称量结果影响很大，因此传统的控制思路无法达到精确控制骨料称量精度的 目的。 长安大学硕士学位论文 第四章骨料称量系统控制算法研究 4 1二次称量法减小骨料下落落差及冲击力 4 1 1 影响骨科称量精度的原因分析 骨料的控制精度由两个控制因素决定，其中包括配比精度和称重系统的精度。配比 精度指的是单位体积内不同粒径的骨料所占的比例，而配比精度主要是由工作人员根据 自身原材特点经过筛分试验得出。本文所讨论的是提高称重系统的精度。 造成骨料称量系统误差的原因很多，其主要原因如下： 1 骨料下落冲击力； 2 气缸压力不稳定，使得其动作滞后； 3 控制系统自身误差：控制系统滞后使得称量结果不准确。 4 骨料下落过程中产生的落差以及料流不稳定引起落差变化； 综合以上因素，其中落差是对称量精度影响最大的因素，所以提高骨料称量精度的 重点是解决落差问题。 4 1 2 落差的概念及产生原因 在骨料称量系统中，贮料仓的给料口与计量斗之间都有一定的距离，当下落骨料 重量达到预定值时，控制系统发出命令关闭给料门，此时给料门关闭。但是此时仍有一 部分物料已经离开了给料门且未到达计量斗内，我们在此将这部分骨料成为“自由料 柱，而由于这些骨料的存在，使得我们最后所称量的骨料重量必然超出预定设计值，我 们将这种由于“自由 料柱滞后而产生的误差，称为“落差 。通过以上定义我们得出 发生落差主要因素，一方面由于p l c 给出使称量斗阀门关闭的指令时，存在一些时间上 的延误；另一方面由于从储料仓的斗门和称量称中的骨料之间存在一定距离，使其产生 “自由 料柱。 2 1 第四章骨料称量系统控制算法研究 4 1 3 二次称量法减小落差及冲击力 其原理是尽量减少达到设定值前的一段时间内的落差。二次称量法又称为粗称、精 秤法，顾名思义就是对同一料仓的料采用两次称量，第一次称量为粗称、第二次称量为 精秤。而对于l b 3 0 0 0 型沥青拌合设备，要满足其设备产量为每小时2 0 0 t 的前提下，设 定粗称时仓门开的相对较大要较快的秤完各料仓的7 0 ( 可调) ，而剩下的3 0 采用小 斗门精秤，此时仓门的开度较小，则其飞料量也相对减少，其落差量和对秤的冲击量也大 大减少，这样大大提高了骨料的称量精度和稳定性。而称量时间的多少直接由设定值决 定，二次称量可将大部分的设定值较