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东北大学坝士学位论文 摘要 沥青拌合站控制专家系统 摘要 日前国内投入使用的沥青拌合设备绝大部分依赖进口，因此，对国外沥青拌 台站生产设备的微机控制系统进行剖析研究并加以改造，具有重要的实际意义。 本文在参考国外先进的计算机自动控制的基础上，根据生产的工艺流程，提出r 控机加p l c 的微机系统控制将专家系统控制应用于沥青拌合站生产过程的方案。 设计了微机系统的硬件结构方案，列出系统的主要硬件组成和功能。根据工艺过 程需要解决的技术难点，把沥青拌合站控制过程分为燃烧过程控制子系统和骨料 料温控制子系统。在燃烧过程控制中，根据工业生产过程的特点，燃烧控制过程 划分为= 三个控制子系统：送风控制子系统、引风控制子系统、燃油控制子系统， 加强了控制效果。推导出燃烧系统的数学模型，用适合纯滞后系统的人林算法作 为控制策略，对控制过程进行了仿真分析。在料温控制系统中，推导出了骨料加 温系统的数学模型，根据骨料加温系统的特点，探讨了自适应预测控制算法，做 出仿真曲线并进行了结果分析，仿真结果说明自适应预测控制具有较好的控制效 果。在前面对燃烧过程控制和骨料加温过程控制分析的基础上，根据专家系统的 原理，探讨了沥青拌合站控制专家系统开发的开发原则，设计出沥青拌合站专家 系统的知识库、推理机和解释系统，并且用m a t l a b 对沥青拌台站控制专家系统骨 料温度输出进行仿真，从仿真结果可以看出，专家系统适用于沥青拌合站这种非 线性、纯滞后系统，较传统的控制算法有很大的优势，采用专家系统将完全可以 达到令人满意的控制效果。本文为研制我国先进的沥青拌合站微机控制系统进行 了有益的探讨，具有一定的理论和实用价值。 关键词沥青拌合站大林算法自适应控制算法m a t l a b 仿真专家系统 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t r o lo na s p h a l tm i x i n gb u i l d i n g w i t he x p e r ts y s t e m a b s t r a c t i t sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h ef o r e i g na d v a n c e da s p h a l tp r o d u c i n gc o n t r o ls y s t e m ， b e c a u s ed o m e s t i ct e c h n o l o g ya b o u ta s p h a l tp r o d u c i n gc o n t r o ls y s t e mi s p o o r ， a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ef o r e i g na d v a n c e da s p h a l tp r o d u c i n gc o n t r o ls y s t e m ， t h ep a p e rp u t sf o r w a r dan e wc a s c a d ec o n t r o lm e t h o do fe x p e ns y s t e m i nt h i sp a p e r ， t h ea s p h a l tp r o d u c t i o nc r a f l w o r ki si n t r o d u c e da n dt h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no f c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t h ec o n t r o ls y s t e mo fa s p h a l tm i x i n gb u i l d i n gc o n s i s t so f t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ec o m b u s t i o na n dt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ea g g r e g a t e t e m p e r a t u r e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d u s t r i a lp r o c e s so ft h ec o m b u s t i o n ， t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ec o m b u s t i o np r o c e s si sd i v i d e di n t ot h eb l o w i n gc o n t r o l s u b s y s t e m ，t h ec o n t r o ls u b s y s t e mo fl e a d e dw i n da n d t h ef u e lc o n t r o ls u b s y s t e m t h e m a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ec o m b u s t i o ns y s t e mw a sd e r i v e do u t ，a n d d a h l i n a r i t h m e t i c s u i t a b l ef o rp u r e l yl a gs y s t e mi sa d o p t e dt oc o n t r o lt h ec o m b u s t i o ns y s t e m s i m u l a t i o n s a r ep r e s e n t e dt ov e r i f yt h ee f f e c to ft h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o di nt h i sp a p e r i nt h e a g g r e g a t et e m p e r a t u r es y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h es y s t e mi sd e d u c e da n dt h c a d a p t i v ef o r w a r dc o n t r o li sp r o p o s e d ，t h er e s u l to fs i m u l a t i o n ss h o w st h a ta d a p t i v e c o n t r 0 1h a sag o o de f f e c t o nt h ec o m b i n a t i o nt h ec o m b u s t i o nc o n t r o lw i t ht h e a g g r e g a t et e m p e r a t u r ec o n t r o l ，e x p e r ts y s t e mo fa s p h a l tm i x i n gb u i l d i n gi se s t a b l i s h e d ， w h i c hc o n s i s t so fr e s e a r c hl a m w l e d g e b a s e ，r e s u l t i n gm e c h a n i s ma n de x p l a i n i n gs y s t e m ， t h es i m u l a t i o no fe x p e r ts y s t e m st e m p e r a t u r ec o n t r o li sc a r r i e do u tw i t hm a t i a b t h e r e s u l to ft h es i m u l a t i o ns h o w st h a te x p e r ts y s t e mc o n t r o la d a p t st ot h i sn o n l i n e a r ， p u r e l yl a gs y s t e ml i k ea s p h a l tm i x i n gb u i l d i n g ，a n dh a sg r e a t e ra d v a n t a g e st h a nt h e t r a d i t i o n a lc o n t r o la l g o r i t h m s e x p e r ts y s t e mw i l lm a k et h ec o n t r o lr e s u l tt o t a l l y s a t i s f a c t o r y t h ep a p e rh a sp r a c t i c a la p p l i c a t i o na n dt h e o r yv a l u e s k e yw o r d sa s p h a l tm i x i n gb u i l d i n g , d a h l i n a r i t h m e t i c ，a d a p t i v ef o r e c a s tc o n t r o m a t l a bs i m u l a t i o n ，e x p e f ts y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名：赵鸯曷 签字t ：j 期：姗、工、二) 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的国内外背景和研究意义 针对目前的国内外环境，我们国家的政策是通过扩大内需来刺激经济的增 长。国家加大了对基础设旌建设的投入，很多地方都在改善交通环境，兴建当地 的高速公路。由于国家交通部对修建高速公路有严格的级配、油石比、料温等要 求，必须采用沥青拌合站生产的沥青混凝土，即修建高速公路必须采用沥青拌台 站设备。而国内改装的沥青拌合站不能在高速公路中使用，固内只有正规生产的 沥青拌合站才有比较可靠的质量保证。而现在国内投入使用的沥青拌合站设备绝 大部分依赖进口。比较著名的外国公司有德国的金巴特欧尔( g i b a t o h l ) 公司， b a u k e m a 公司，日本的新泄公司等。会巴特代表了目前国际的最高水平，其生产 过程完全实现计。算机自动控制，双c r t 显示，具有详尽的运行监控画面，实时显 示现场设备运行状态、各控制点的状态和系统运行的数值。日本新泻公司的微机 控制系统则采用的工控机加多p l c 模块结构，双c r t ，分别显示设备运行画面和 电动机电流画面。国内目前有西安某单位引进国外9 0 年代技术，生产的沥青混凝 二拌合站采用智能仪表控制。由于是仪表控制，生产数据的管理功能较弱。而国 内另一厂家的拌合站微机控制系统，具有一个监控换面，不能全面掌握整个生产 的情况。购买国外设备，价格昂贵，日本新泻公司的沥青拌合设备相对来说比较 便宜，但一套也需要1 5 0 0 万人民币，并且维修配件的价格昂贵，同时外方还禁l l 新设备的单独出口。因此，对已引进的国外沥青拌合站生产设备的微机控制系统 进行剖析研究，以解决满足使用要求的微机控制系统关键的技术问题，具有实际 意义。一方面能为国家节约大量外汇，把有限的资金用于国家建设：另一方面是 我国的沥青拌合设备技术尽快赶上国外先进水平。 1 2 智能控制的产生及专家控制系统 智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂 性而提出来的。而计算机科学、人工智能、信息科学、思维科学、认知科学和人 工神经网络的联结机制等方面的新进展和智能机器人的工程实践，从不同的角度 为智能控制的诞生奠定了必要的理论基础和技术基础。被控对象的复杂性表现 为：模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时 问标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标。 环境的复杂形式以其变化的不确定和难以辨识为特征的。在传统的控制中， 往往只考虑控制系统和受控对象所组成的“独立”体系，忽略了环境所施予的影 响，而现在的大规模复杂的控制和决策问题，必须把外界环境和对象，以及控制 系统作为一个整体来进行分析和设计。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 对于控制任务或控制目标，以往都着眼于用数学语言进行描述，这种描述通 常是不精确的，实际上，控制任务和目标有多重性和时变性，一个复杂任务的确 定，需要多次的反复，而且还包括人物所含信息的处理过程，也即人物集合的处 理。 面对复杂的对象、复杂的环境和复杂的任务，用传统的控制理论和方法去解 决是不可能的，其原因如下。 ( 1 ) 传统的控制理论都是建立在以微分和积分为工具的精确模型之上的。迄 今为止，还不存在一种直接使用工程技术用语描述系统和解决问题的方法。系统 用语到数学描述的映射过程中，一方面虽使问题作了很多简化，但另一方面却使 原问题丢失很多信息。随着科学技术的发展，出现了很多必须建立在工程技术语 言描述基础上的新型复杂系统。 ( 2 ) 传统的控制理论虽然也有办法对付控制对象的不确定性和复杂性，如自 适应控制和鲁棒控制也可以克服系统中所包含的不确定性，达到优化控制的目 的。但是自适应控制是以自动调节控制器的参数，使控制器与被控对象和环境达 到良好的“匹配”，以削弱不确定性的影响为哥标的。从本质上说，自适应和自校 j 下控制都是通过对系统某些重要参数的估计，以补偿的方法来克服干扰和不确定 性。它较适合于系统参数在一定范围内的慢变化情况。 凼此，在实际使用中，尤其在工业过程控制中，由于被控对象的严重非线 性，数学模型的不确定性，系统工作点变化剧烈等因素，自适应和鲁棒控制存在 着难以弥补的严重缺陷，其应用的有效性受到很大的限制，这就促使人们提供新 的控制技术和方法。 与传统的控制理论相比，智能控制对于环境和任务的复杂性有更大的适配程 度。它不仅仅是对建立的模型，而且对于环境和人物能抽取多级的描述精度，进 而发展了自学习、自适应和自组织等概念，所以能在更广泛的领域中获得应用。 专家系统是智能控制领域内的一个分支，专家系统在解决问题时，不需要对象的 精确数学模型。它在8 0 年代后期才被人们引入到仅仅依靠传统的自动控制理论和 方法难以奏效的实际控制问题。 专家控制的实质是基于控制对象和控制规律的各种知识，而且要以智能的方 式来利用这些知识，使控制系统获得满意的控制效果。 论文中研究的沥青拌合站的生产过程是一个复杂的过程，具有不确定性、非 线性、大滞后性、大惯性等特点，常规的效果不理想。将专家控制系统应用到沥 青拌合站的过程，能够达到令人满意的控制效果。 1 3 本文主要研究内容 本文研究了基于智能控制的沥青拌合站控制专家系统。在对沥青拌台站中的 生产过程进行了分析，尤其是对关键环节骨料温度的控制进行了详尽的分析和仿 末北大学颈士学位论文第一章绪论 对于控制任务或控制目标以往都着眼于用数学语占进行描述，这种描述通 常是不精确的，实际上，控制任务和目标有多重性和时变性，一个复杂任务的确 定，需要多次的反复，而且还包括人物所含信息的处理过程，也即人物集合的处 列! 。 面对复杂的对象、复杂的环境和复杂的任务，用传统的控制理论和方法去解 决是不可能的，其原因如下。 ( 1 ) 传统的控制理论都是建立在以微分和积分为工具的精确模型之e 的。迄 今为止，还不存在一种直接使用上程技术用语描述系统和解决问题的方法。系统 用语到数学描述的映射过程中，一身面虽使问题作了很多简化，但另一方面却使 原问题丢失很多信息。随着科学技术的发展，出现r 很多必须建立在工秤技术语 言描述基础上的新型复杂系统。 ( 2 ) 传统的控制理论虽然也有办法对付控制对象的不确定性和复杂性，如自 适应控制和鲁棒控制也可以克服系绩中所包含的不确定性，达到优化控制的目 的。但是白适应控制是以自动调节控制器的参数，使控制器与被控对象和环境达 到良好的“匹配”，以削弱不确定性的影响为目标的。从本质上说，自适应和自校 正控制都是通过对系统某些重要参数的估计，以补偿的方法来克服干扰和不确定 性。它较适合于系统参数在一定范围内的慢变化情况。 因此，在实际使用巾，尤其在工业过程控制中，由于被控对象的严重非线 性，数学模型的不确定性，系统工作点变化剧烈等因素，自适应和鲁棒控制存在 着难以弥补的严重缺陷，其应用的有效性受到很大的限制，这就促使人们提供耨 的控制技术和方法。 与传统的控制理论相比，智能控制对于环境和任务的复杂性有更大的适配程 度。它不仅仅是对建立的模型，而且对于环境和人物能抽取多级的描述精度，进 而发展了自学习、自适应和自组织等概念，所以能在更广泛的领域中获得应用。 专家系统是智能控制领域内的一个分支，专家系统在解决问题时，不需要对象的 精确数学模型。它在8 0 年代后期刊被人们引入到仅仅依靠传统的自动控制理论和 方法难以奏效的实际控制问题。 争家控制的实质是基于控制对象和控制规律的各种知识，而且要以智能的方 式束利用这些知识，使控制系统获得满意的控制效果。 论文中研究的沥青拌合站的生产过程是一个复杂的过程，具有不确定性、非 线性、大滞后性、大惯性等特点，常规的效果不理想。将专家控制系统应用到沥 青拌合站的过程能够达到令人满意的控制效果。 1 3 本文主要研究内容 本文研究了基于智能控制的沥青拌台站控制专家系统。在对沥青拌台站中的 生产过程进行了分析，尤其是对关键环节骨料温度的控制进行了详尽的分析和仿 牛产过程进行了分析，尤其是对关键环节骨料温度的控制进行了详尽的分析和仿 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 真的基础上，将主要的知识概念化、抽象化，建立了它们之间的关系，以利于知 识的提炼和整理。结合骨料加温过程经验知识的特点，选取合适的知识表示方法 和知识库构建结构，以及相应的知识库管理方法，该过程涉及到搜索匹配技术， 冲突消解策略和不确定知识的推理等问题，设计了专家系统的推理机和解释机构。 经过沥青拌合站控制专家系统控制过程的仿真证明，沥青拌合站控制专家系统能 够达到令人满意的控制效果。 东北大学硕士学位论文第二章沥青拌合站的硬件系统结构 第二章沥青拌合站的硬件系统结构 2 1 沥青拌合站的结构形式 沥青拌合站具有以下三种基本结构形式。 ( 1 ) 小型设备生产率为8 0 吨，j 、时，该设备可以搬运。这对于一定范围内的小 型道路建设工程项目是非常适用的。 ( 2 ) 中型设备用于如高速公路等公路项目建设，在这种情况下该设备的拌合 配方至少在较长的建筑过程中保持不变。因此，在大多数情况下仅要求它能够拌 合一个料仓的骨料即可满足要求。沥青拌合站具有容易装配，便于运输转移以及 在另外一个r 地可以简便快速地重新安装使用的特点。 ( 3 ) 大型固定设备，用于较大的城市及周围地区。一套这样的设备可以在相 同的时间内为许多用户提供骨料。用于这种有许多部件组装而成的沥青拌合设备 有以下两点要求。 为了能够同时向各个建筑工地提供骨料，它应有多个料仓。 为了能对随意调出各种不同类型的沥青混凝土拌合的配方进行控制它 的控制部分的费用较高。 2 2 沥青拌台站生产的工艺流程 沥青拌合站的生产过程包括骨料的干燥及称量和按预定配方拌合物料两个工 序，工艺流程图如图2 1 所示。 ( 1 ) 不同规格的冷砂石料冷骨料定量给料装置中的各料斗按容积进行初 级配初级配后的冷骨料由皮带输送机传输干燥滚筒内的火焰逆流将冷骨 料烘 二并加热到足够温度热骨料被提升机提升热骨料由筛分机筛选后存 贮在料q 一热骨料计量装置精确计量搅拌机搅拌。 f 2 1 矿粉矿粉存储仓定量给料装置搅拌机搅拌。 ( 3 ) 沥青一沥青保温罐坜青定量装置搅拌器搅拌。 ( 4 ) 搅拌好的沥青混凝土混合料成品混合料成品存储仓或直接运注施工 现场。 ( 5 ) 干燥滚筒，热骨料筛选机等所产生的粉尘除尘装置将粉尘分离出来 粉尘存储仓或矿粉定量给料装置再利用。 本系统的设计目标是为了解决沥青拌合站中的技术难题。而在沥青拌合站准 备阶段，主要包括原材料的检验和人力、物力的配备。相对来说技术含量低。因 此，根据沥青拌合站的生产工艺和特点，控制系统可以划分为两个部分，即燃烧 控制系统和骨料料温控制系统。 东北大学硕士学位论文第二章沥青拌舍站的硬件系统结构 2 2 。1 料温控制系统 在沥青拌合站的生产工艺流程中，冷骨料的加热是由干燥滚筒将冷骨料在滚 筒中均匀散开，再由干燥滚筒上的燃烧器完成加热的。 ( 1 ) 加热燃烧器 燃烧器是将冷骨料烘干并加热到工作温度的加热装置。根据其雾化液体燃料 的形式不同，可分为机械式、低压式和高压式燃烧起三种。在此仅对最常用的高 压喷染式燃烧器的工作原理作简要介绍。 高压喷燃式燃烧器的核心部件喷嘴由壳体、导向盘、喷射头、燃油关闭装 胃、闭合弹簧等组成。喷嘴上有三个弹簧口，一个是燃油口，一个雾化空气入 警lpitno警量旨g三一甚鲁jo ue专o写。i墨uq_鲁tl。j9一锚e 阻踺臻桐h钆州格啦枯扭辱一盈 东北大学硕士学位论丈 第二章沥青拌合站的硬件系统结构 r i ，另一个最小的入口为控制气体入口。在燃烧器工作期间，燃油被泵入喷嘴， 在喷射处燃油与高压空气混合雾化喷出形成一个雾化锥，该雾化锥燃烧，加热f 燥滚筒中的冷骨料。 采用上述喷嘴的燃烧器附设有油气比例自动调节机构风油门调节器。该 机构由电动执行器、可调风门及风门连杆、燃油流量控制阀及油阀连杼、高火焰 限定开关、低火焰限定开关等组成。 风油门调节器是温度控制调节的执行部件，该部件国内尚无生产厂家，_ 向且 国外小生产厂家的燃烧器油门控制形式也有所不同。本设训选用自带油门控制 器的燃烧器，采用双曲轴连杆式即控制其输出端，按风油比做两个曲轴，每个 曲轴连接一个连杆，分别驱动风门和油门。 风油门控制器的结构和工作过程简述如下： 风油门控制器由步进电机、减速齿轮组、限位开关、曲轴连杆机构组成。 步进电机在工控机输出的脉冲驱动下转动，经减速齿轮组进行转速和力矩转 换后，驱动曲轴连杆机构，改变风门、油门的大小。 燃烧器工作期间，随着电动执行器一步进电机的转动，风门及油门按事先 调节好的比例等比增加，以达到需要的火焰且燃油燃烧过程最佳。达到最人火焰 位置时，电动执行器转9 0 0 ，风门转近9 0 0 全开，油阀转近6 0 。全开。从最大油门 到最小油门，喷嘴消耗的燃油比为1 0 ：1 ，调节范围很大。 高压喷燃式燃烧器燃烧所需要的高压空气由鼓风机提供，所产生的高压窄气 进入燃烧器后，在喷头处与喷嘴喷出的雾状燃油混合并燃烧。通过风门控制机构 可改变风门的开关，从而调节鼓风机的进气量。 f 2 、料温的控制 山于冷骨料储存在露天堆料场，其含水量的变化范围大，而沥青混凝土拌合 设备对出料温度的稳定性要求较高，所以燃烧器作为骨料加热装置对其温度控制 系统提出了更高的要求，不但要求其具有快速的响应特性，而且要求燃烧火焰稳 定、可阔，火焰检测装置和鼓风检测装置能随时了解燃烧器的运行状态。同时， 为了确保燃烧器更准确可靠地工作，必须设立能够检测因部分零部件失常或损坏 引起的程序紊乱和因执行部件失常或损坏而造成程序紊乱，使程序进入“死区”的装 置。否则，将会造成不必要的损失和事故。 2 2 2 控制难点 整个装置要求控制的部分较多，一般来说都能建立能够满足系统要求的数学 模型进行控制。只有骨料料温控制不是线性的控制算法所能解决的。骨料料温控 制的困难在于： ( 1 ) 非线性 料温控制系统是一个严重的非线性系统，不能用一般的线性控制理论来控制 东北走学硕士学位论文第二章沥青拌合站的硬件系统结构 它。 ( 2 1 干扰因素多 生产量的变化、石料规格的变化、石料含水率的变化、滚筒转速的变化( 影 响冷集料在滚动中的路径) 、环境温度的变化、气候条件的变化、燃油流量的变化、 抽风除尘情况的变化( 影响燃烧情况) ，这些参数的变化都会影响骨料的料温。 ( 3 ) 滞后大 砂石料从计量点进入滚筒都有一定的滞后，砂石料进入滚筒至流出滚筒约5 - 8 分钟的时间，料温的测量是在滚筒的出口，而砂石料加热段主要是在入口段。冈 此根据儿分钟前的料温情况去控制目前的燃烧强度是不可靠的。 ( 4 ) 变结构 由于滚筒内砂石料的行走路径与加热途径是多变的，它与生产量、级配比、 石料的规格、含水率以及气候的变化都有关，这些参数的变化都会影响被控对象 的数学模型结构及参数，因此很难用一个不变的数学模型来描述，也无法利用依 赖于数学模型的控制算法解决骨料加热温度的控制问题。 人工控制时，有经验的操作人员，能将料温误差控制在1 0 。c ，缺乏经验的 工作人员，常常因料温控制偏差过大造成废料。 2 3 拌合站微机控制系统 2 3 1 控制系统的硬件结构方案 目前国内外沥青拌合站的控制系统有三种组成模式，即工控机加p l c 模块的 集散控制系统模式、智能仪表集散控制系统模式和工控机集中式控制模式。j ：控 机加p l c 模块的集散控制系统成本较高，如新泻公司就是采用一台工控机加多个 p l c 模块的结构，相对于工控机，p l c 价格昂贵，仅p l c 控制装置部件需要约3 0 万人民币。完全采用智能仪表，则没有较好的数据管理功能，对生产的运行状态 图2 - 2 硬件结构示意图 f i 9 2 - 2h a r d w a r es t r u c t u r ec h a to f s y s t e m 情况的了解也不直观。只采用工控机的方案，由于要求多任务的处理，实时性要 求较高，控制软件的编制比较复杂，可靠性也不如工控机加p l c 的方案。在此， 东北大学硕士学位论文第二章沥青拌合站的硬件系统结构 i i j 采用一台工控机加一个p l c 组成的结构，对其中的提升机采用p l c 控制，有利 于简化软件的编制，提高系统的可靠性。控制系统硬件结构示意罔如图2 2 所 不。 目前国内市场上工控机的品牌众多，台湾的著名品牌有研华、大众、研祥、 威达等，此外还有美国和国内生产的各种品牌的工控机。综合考虑性能、服务、 价格等因素，我们如f 选用了台湾研华的工控机和数据采集控制模块。清单如 r ： i p c 6 1 0 标准工控机箱 5 8 6 c p u 卡 大屏幕c r t 监视器 开关量输入输出卡( 监测控制有关的电机运行) 热电偶温度检测模块 模拟量输出模块( 控制燃烧器调节阀) 2 3 2 系统的主要硬件组成 沥青拌合站计算机控制系统由配料搅拌控制管理、温度控制计算机与搅拌单 元i o 控制板、温控单元i o 控制板、变频器与变频调速d a 板、计量称与智能采 集板等组成，这些硬件全部集成安装于一个操作台内。 丧2 一i 系统的主要硬件组成 序号项目名称规格型号得注 工业控制计算机处理器：p m m x 2 0 0 1 配料搅拌控配置：标准配置1 套 制显示器：1 5 2 2管理系统 打印机 h pd e s k j e t 2 0 0 c c il 台 3u p s 山特5 0 0 1 台 4 i o 控制板2 4 路输入1 6 路输山1 块 5计摄称接线盒 a b j 一0 0 53 台( 外置) 6计量称 p t h n 10 0 0 0 2 3 3 台 7 8 冷骨料配料1 1 0 控制板2 4 路输入1 6 路输出1 块 及 温度检测系 统 东北大学硕士学位论文第二章沥青拌合站的硬件系统结构 9 1 06 路1 2 位d a ， 变频调速d a 板6 路开关龉输出1 块 1 l 型号：k v f r4 2 2 e 变频器电源：两相5 台 a c 3 8 0 4 6 0 v 最大适配电机：2 、2 v 1 2 变频器输入电抗器5 只 智能采集板1 2 板a d 1 块 1 3 频率指示器 7 位个数显o 一5 0 0 h z 5 只 1 4 系统控制开关键指示4 3 只 操作台 妇 1 5( 1 8 0 08 5 0 x 强电控制键p b c 系列4 0 只 1 6 1 1 0 0 ) 电流表8 5 l i al 块 1 7电压表 8 5 l 】a 5 块 1 8端子排3 条 袁2 - 2 系统的主要技术指标 序号 项目技术指标备注 l粒料计量精度0 3 相对精度 2 沥青计量精度 o 3 相对精度 3粉料计量精度 o 5 相对精度 4油石比控制精度0 3 5 相对精度 东北大学硕士学位论文第二章沥青拌合站的硬件系统结构 2 3 3 系统的主要功能 本控制系统对搅拌设备的工作状态和生产过程按照给定的工作程序进行控 制，并能够以全自动、半自动、手动干预三种工作方式进行操作。其基本功能如 f ： ( 1 ) 控制操作系统采用双屏界面显示，能够动态反映工作流程，并能随时对 设备的生产能力进行设定。 ( 2 ) 能够随时进行配料比例设定、存储，可在计算机屏幕实时显示各种物料 的实际称量值及骨料温度、沥青温度、干燥筒出料槽骨料温度、热料储仓内的料 温。 ( 3 ) 冷骨料供料系统自动控制，对5 斗分储的冷骨料采用变频调速米调节冷骨 料供应量。供料系统工作异常时能及时处理并给出报警信号。 ( 4 ) 骨料、粉料、沥青配料过程的自动控制。配料精度是搅拌设备的主要技 术指标之，为了保证配科误差在允许范围之内，在软件设计t 采用自适应控制 算法，确保配料精度要求。 ( 5 ) 搅拌过程的自动控制。 2 3 4 工控微机的控制模块组成 我们使用工控机来控制沥青拌合站的气动和计量系统以及除骨料提升以外的 机电系统( 启停电机、顺序起动等功能) ，气动系统包括料仓、综合仓、石粉仓、沥 青系统、搅拌缸等，计量系统包括对石料、石粉、沥青的计量。工控计算机需要 完成的任务有： ( 1 ) 配方管理、各种时间的设定( 干拌、湿拌、放料时间等) ( 2 ) 石料计量控制 ( 3 ) 系统管理 ( 4 ) 沥青计量控制 ( 5 ) 粉料计量控制 ( 6 ) 搅拌工作时序控制 2 3 5p l c 控制提升小车 我们使用p l c 对骨料的提升进行控制。小车控制选用p l c ，主要是考虑对小 车的控制要求快速、可靠，而工控主机要处理的事情较多，在时间上难以保证。 骨料提升轨道长度将近一百米，要求提升的速度越快越好，速度太慢则变成了生 产的瓶颈，直接影响到沥青的产量。新型的p l c 容量大，速度快，具有较强的通 信联网能力，并且工作可靠，编程简单，适合对小车进行控制。我们将骨料提升 东北大学硕士学位论文 第二章沥青拌合站的硬件系统结构 过程按速度分为三个阶段：启动加速段、高速行驶段、加速停止段。每到达一个 阶段，检测装置向p l c 发出信号，p l c 判断出提升机的位置并进行相应的控制动 作。 2 4 沥青拌合站设备控制系统接线示意图 沥青拌合站设备控制系统接线示意图如图2 3 所示，系统由工控机与搅拌单 元f o 控制板、温度控制计算机与温控单元f o 控制板、变频器与变频调速d a 板、计量秤与智能采集板等组成，这些硬件集成安装于一个操作台内。 搅拌单元 t 佩 2 号端子排运行状态输入 d a ，i c ll 搅拌单元 调节板i i o 丁u 唔 i 警鬻鬻h 出一号端子摊l 鬻箩卜出二号端子排 图2 3 沥青拌合站设备控制系统接线示意图 f i 9 2 - 3c o n t r o ls y s t e mw i r ec o n n e c t i o nc h a ro f a s p h a l tm i x i n gb u i l d i n g 系统接线分为内部接线和外部接线。内部接线包括计算机系统、f o 控制板、 d a 板、计量秤、变频器控制、指示仪表、端子排等部件之间的连接。 系统外部接线包括系统供电、交频器供电、计量秤与传感器、电压电流指示 表、自动手动控制输出、运行状态输入、强电系统控制输出等连接。除变频器供 东北大学硕士学位论文第二章沥青拌合站的硬件系统结构 电、计量秤与传感器的接线在相应的端子上接线以外，其余的接线通过布置在操 作台后部的3 个端子排与外部连接。一号端子排对应强电手动控制按键；二号端 子排对应搅拌温控单元f o ( 自动手动控制输出) 、电压电流指示表、系统电源： 2 号端予排对应搅拌温控单元f o ( 运行状态输入) 。 东北大学硕士学位论文第三章燃料燃烧控制系统设计 第三章燃料燃烧控制系统设计 沥青拌台站中普遍用重油作燃料。重油是一种很有特色的化石燃料：与煤相 比，燃烧洁净，热值高：与天然气相比，安全、易于储存且不受地域限制；1 j 轻 油相比，经济便宜。近年来，随着优质燃油和天然气的价格不断上涨，蓖油作为 替代动力燃料越来越受到了人们的重视。 3 1 重油的燃烧 3 1 1 重油燃烧的技术难点 重油的燃烧具有液体燃料的一般特点，比如：在蒸汽状态下燃烧；具有扩散 燃烧的特点；需雾化后再燃烧；在不同的条件下具有不同的热分解特性等，但 是由于粘度大，馏程高，初沸点高，所以在燃烧过程中，有许多技术难点需要解 决。主要问题有： ( 1 1 点火困难 原因是重油的闪点较高，常态下难于着火燃烧。这个问题目前在燃烧我国 2 0 0 号以上的重油时普遍存在。 ( 2 ) 燃烧过程析碳 这主要是由于重油中高分子碳氢化合物含量高，不易燃尽。这种现象在采用 j 甚力雾化的燃烧器中经常出现；对于采用转杯雾化的燃烧器，在燃烧高标号重油 时也时有出现。 ( 3 ) 高污染排放 体现为： 高s 0 2 排放。重油中的硫在燃烧后全部以s o 。的形式随废气排出。粗略汁 算可知，当重油的含硫量为2 时，在完全燃烧情况下，1 m 3 废气中可含有o 0 1 4 k g 的s 0 2 ，远高于国家规定的排放要求。 高n o 。排放。一方面是由干燃料与空气的不均匀混合燃烧出现局部高温 而导致空气中的氮热力氧化产生，( 局部温度超过1 3 0 0 。c ) ；另一方面是重油自 身较高的含氮量在燃烧中转化和氧化而产生的。 高c ，h ，、c o 和碳粒子等不完全燃烧物质排放。在雾化不良、油与空气混 合不均或油在燃烧高温区中停留时间不足时，这种现象特别严重。 高噪音排放。为加强混合，稳定火焰，以及避免灰积淀，在重油燃烧中 往往采取提高燃烧空气流速及旋转空气等措施，却同时带来了增加噪音排放的问 题。 ( 4 、难于调节 东北大学硕士学位论文第三章燃料燃烧控制系统设计 表现在当负荷增加时，不完全燃烧损失及有害气体排放明显增加：而当负荷 减小时，燃烧工况恶化，甚至出现熄火现象。 重油通过喷油嘴，“破碎”成油滴群油雾进行燃烧，油雾的蒸发气化和 燃烧要比单个油滴在无限空间中的燃烧复杂得多，因为这时影响的因素很多，如 油雾和空气的射流特性，油雾中每个油滴相互影响，滴径的不均匀性，燃油与空 气的混合情况以及燃烧器内的燃烧工况等都影响油雾的燃烧速率和燃尽时间。 一般来说，油雾是由大小不同的油滴组成的，其中较小的油漓由喷油嘴出来 后很快蒸发气化，形成一定程度的预混火焰，而较大的油滴则按油滴群扩散式燃 烧。 油雾燃烧具有比均匀可燃混和气的燃烧更为宽广的着火界限和稳定工作范 围，它可以在较大的工作范围内燃烧。其所以如此是因为油雾的燃烧过程主要取 决于油滴周围的油气混合比，即局部地区的空气系数。因此当燃烧室中的空气系 数已超过均匀可燃混和气可以燃烧的界限时，在局部地区仍可能会有适合油滴燃 烧的空气系数，这样就扩大了油雾燃烧的稳定工作范围。油雾燃烧的这特点， 对重油的燃烧提供了极大的方便，有着重要的实际意义。 3 1 2 雾化评定参数及雾化器 雾化能够保证燃料迅速而安全的燃烧，重油的雾化是通过雾化器实现的。冈 此雾化器性能的好坏对重油的燃烧过程起着决定性作用。衡量雾化质量的主要指 标有：雾化粒度，雾化均匀度，雾化角和流量密度的分布等。 ( 1 ) 雾化粒度 雾化后所产生的油滴的大小是评定雾化质量的一个重要指标，这一指标称为 雾化粒度。在油雾中，油滴的大小是不均匀的，因此只能用平均直径来表示雾化 粒度。 f 2 ) 雾化均匀度 经过雾化后产生的油滴是不均匀的，因此仅用油滴平均直径来表达雾化质量 是不够全面的。比较完善的表达方法，应当既能表示其直径的大小，又表示出不 同直径油滴的数量和质量，即采用液滴尺寸分布表达式来表示油滴特点，目前用 的较多的是由经验得出的r o s i n r a m m l e r 关系式： d r = 1 0 0 e x p - 每) “】 d ( 31 ) 式中d 油滴直径： 船反映油漓分布均匀的指数，由实验确定，通常1 8 ”4 ： r 尺寸大于d 的油滴的质量占全部油滴质量的百分数： d 尺寸常数。 ( 3 ) 雾化锥角 东北大学硕士学位论文第三章燃料燃烧控制系统设计 重油由雾化器喷出后，形成一油雾锥。由于重油射流的卷吸作用，在油雾锥 中心的气压有所下降，使油雾锥角在离开雾化器一段距离后有收缩现象，图3 一l 为油雾锥的示意图。为了表征油雾锥的特征，常采用雾化锥角这一参数，雾化锥 角就是油雾锥的张角。油雾锥角是雾化器的一个重要参数。它可以在一定程度上 表示燃油在空m 匕的分布。雾化锥角对燃烧完善程度有很大影响，若雾化锥角过 大，油滴可能穿出湍流最强的空气区域而造成混合不良，降低燃烧效率，此外还 会困燃油喷射到炉墙或燃烧壁上造成结焦或积炭。若雾化角过小，则油滴不能有 效地分筛到整个燃烧室空间，造成与空气混合不好，导致燃烧效率下降。雾化锥 角还直接影响火焰长度和形状，雾化锥角大则火焰短而粗，锥角小则火焰长而 细。一般雾化锥角约在6 0 。1 2 0 。i l o l 。 i 图3 - 1 雾化锥角示意图 f i 9 3 1 c h a r to f a t o m i z a t i o na w la n g l e 雾化器按其工作原理分为机械雾化式和介质雾化式两大类。此外还有将两者 结合起来的方式。机械雾化式喷油嘴是靠燃油在压力差作用下产生的高速射流， 使燃油雾化的。介质雾化喷油嘴是利用高速喷射的雾化介质的动能使重油粉碎成 细漓。雾化介质可以是蒸汽，也可以是空气。燃烧装置中的空气雾化喷油嘴是介 质雾化喷油嘴的一种。 空气雾化喷油嘴是以空气作雾化介质，根据雾化喷油嘴是以空气作雾化介 质，在这星是用高压空气作介质。高压空气雾化喷油嘴以压缩空气为雾化介质， 其压力为0 3 0 6 k g 。图3 + 7 是一种套管式高压空气雾化喷油嘴简图。该喷油嘴显 然为外混式，当雾化空气压力较高时，其雾化质量良好，火焰瘦长。这种类型喷 油嘴燃烧能力小型者为7 - l o k g h ，火焰长度为2 4 m ，大型燃烧能力可达 3 5 0 - - 4 0 0 k g h ，火焰长度可达7 m 。 3 1 3 重油的点燃及高速气流中火焰的稳定方法 在燃烧装置中，由于使用的重油着火比较困难，所以要求使用点火能量较高 的点火设备，而电火花点火，炙热物点火均难达到此要求，为此常采用多级点火 东北大学硕士学位论文第三章燃料燃烧控制系统设计 方式。即由引燃器发火，逐级点燃比较容易着火的气体燃料或者轻质液体燃料， 形成点火能量较大的引燃火焰，再由引燃火焰点燃重油、煤粉。必要时甚至采用 三级点火，即电引燃器依次点燃气体燃料、液体燃料和煤粉。引燃火焰点火能量 较大，点火可靠。 在燃烧装置中既要防止火焰吹脱，又要防止火焰回火。当发生火焰吹脱时， 不仅使火焰熄灭，这时如不立即切断燃料供应，将会使燃料大量外泻造成严重后 果。当发生火焰回火时，回火的火焰可能烧坏预混气混合器。因此在燃烧装置 中，必须采用稳定火焰的措施。 ( 1 ) 防止火焰吹脱的措施 在燃烧装置中，高速气流的流速可达每秒数十米或更高。在高速气流中稳定 火焰的方法很多，现利用钝体稳定火焰。 钝体即不良流线体，通常是做成圆盘形，v 形槽圆环、圆锥形等形状，如图 3 - 2 所示。当高速气流流过钝体时，由于气体的粘性，将钝体后面的静止气体带 向下游，从而降低了钝体后的气体静压，在静压差的作用下，部分下游气体将产 7 一一一一一一一 冬星互一 ju二=叼 东北大学硕士学位论文第三章燃料燃烧控制系统设计 以内则为回流区。由于回流的是高温燃烧产物，它可以起一个自动连续点火源的 作用，从而使新鲜可燃混合气不断地被点燃。满足了火焰稳定的必要条件。 影响钝体火焰稳定范围的主要因素为钝体的形状和尺寸，空气的流速、温 度、压力以及燃料的成分等。图3 - 4 给出了典型的钝体火焰稳定特性。由于钝体 的形状与尺寸对回流的宽度和长度都有很大影响，例如增大钝体直径可增大回流 区的宽度与长度，并增强了回流强度，这些都有利于增加点火源的能量，故可扩 大火焰稳定范围。增加可燃预混气的压力，温度亦可扩大火焰稳定范围，但提高 流速时火焰的稳定范围将缩小。 = 4 0 j u 氲3 0 瑙 蛋 督 2 0 l 0 0 烷与空气混 6l u1 4 1 8 空气燃料( 质量比) 图3 4 典型的钝体火焰稳定特性 f i 9 3 4c h a r a c t e r i s t i co f t y p i c a lf i r es t a b i l i t y ( 2 ) 防止火焰回火的措施 产生回火的主要原因是由于气流流速低于火焰传播速度，为此，可采用以卜j 措施加以防止。 应根据最低热负荷工况来决定气流的喷口尺寸，以保证气流速度总能高于 火焰传播速度。 对气流喷口进行冷却，以降低该处的火焰传播速度。 使气流喷口处的气流速度分布尽可能均匀，以保证该截面的最低流速也能 大于火焰传播速度。为此常将喷口做成收缩型，并要求提高加工光洁度。 东北大学硕士学位论文第三章燃料燃烧控制系统设计 3 2 沥青拌合站中重油燃烧