（机械电子工程专业论文）沥青混凝土搅拌设备监控系统研究.pdf

摘要 沥青混凝土搅拌设备是生产沥青混合料的主要设备，在路面施工中占有重要的地 位，所生产的沥青混合料的质量好坏，直接影响着沥青路面的质量。对沥青混凝土搅 拌设备生产过程实现监控与动态管理是非常必要的。因此，研究设计基于g p r s 网络 的沥青混凝土搅拌设备的监控系统具有广泛的工程实用价值。 文章分析了现有沥青混凝土搅拌设备生产中存在的问题，提出了基于g p r s 网络 的沥青混凝土搅拌设备的监控系统的设想。在详细介绍沥青混凝土搅拌设备的生产过 程和沥青混合料质量动态管理的要求以及g p r s 技术的概念、工作原理到数据传输过 程所遵守的协议的基础上，提出了现场监控和远程监控相结合的监控系统总体设计方 案。按照模块化的设计思路，对系统的现场终端的软硬件以及数据采集系统进行了设 计，使现场终端能够很好的完成数据采集与数据传输的工作。硬件上选用8 0 c 1 9 6 k c 单片机为c p u 控制核心，西门子m c 3 5 i 为g p r s 无线模块，设计了电源电路等系统 的外围电路。软件上也围绕单片机控制系统与g p r s 无线通信系统作出了详细的程序 设计，主要有串口通信程序与g p r s 的拨号任务和p p p 连接。完成的系统监控中心 设计，主要包括网络通信与数据库管理系统两个部分。其中监控中心与现场终端的网 络通信采用s o c k e t 通信技术，现场终端连接g p r s 网络时使用了动态域名技术：数 据库管理系统由v b 6 0 与m i r c os q ls e r v e r2 0 0 0 联合开发。 关键字：沥青混凝土搅拌设备、g p r s 、现场终端、监控中心 a b s t r a c t a s p h a l tm i x i n gp l a n ti sam a i ne q u i p m e n to ft h ep r o d u c t i o no ft h ea s p h a l t c o n c r e t e ， a n dp l a y sa n i m p o r t a n tr o l e i n t h ec o n s t r u c t i o no fr o a d t h eq u a l i t yo ft h e a s p h a l t c o n c r e t em a d ef r o mi th a sad i r e c ti m p a c to nt h eq u a l i t yo fa s p h a l tp a v e m e n t t h e m o n i t o r i n ga n dd y n a m i cm a n a g e m e n to ft h ea s p h a l tm i x i n gp l a n ti sv e r ye s s e n t i a l t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h em o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h ea s p h a l tm i x i n gp l a n t b a s e do ng p r sw o r k sw i t hav i d er a n g eo f p r a c t i c a lv a l u e t h ed i s c o u r s ea n a l y z e st h ee x i s t e dp r o b l e m so ft h et h ea s p h a l tm i x i n gp l a n ta n d b r i n g sf o r w a r dt h ei d e ao ft h em o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h ea s p h a l tm i x i n gp l a n tb a s e do n g p r s a f t e ri n t r o d u c t i o no ft h ep r o c e s so ft h ea s p h a l tm i x i n gp l a n t ，t h en e e do fd y n a m i c m a n a g e m e n to fq u a l i t y ，t h ec o n c e p t i o na n dp r i n c i p l e so fg p r s ，t h ep r i n c i p l e so nd a t e t r a n s m i s s i o n ，t h ep a p e ra d v a n c e st h eb l u ep r i n to ft h em o n i t o r i n gs y s t e ma s s o c i a t e dw i t h s c e n e m o n i t o r i n g a n d l o n g d i s t a n c em o n i t o r i n g a c c o r d i n g t ot h ei d e ao f m o d u l a r i z a t i o n ，d e s i g n st h es c e n et e r m i n a la n dt h es y s t e mf o rd a t ec o l l e c t i n g ，s ot h es c e n e t e r m i n a lc a na c c o m p l i s ht h ew o r ko fd a t ec o l l e c t i n ga n dt r a n s m i s s i o n i nh a r d w a r e ，t h e m c u8 0 c 1 9 6 k ci sc h o o s e na st h ec p u c o n t r o l l i n gc e n t e r , s i e m e n sm c 3 5 i i st h eg p r s w i r e l e s s m o d u l e ，d e s i g n s o t h e r c i r c u i ts u c h a s t h e p o w e r - s u p p l y c i r c u i t i n s o f t w a r e ，s u r r o u n d i n gt h em e nc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dg p r sm o d u l e ，w o r k so u td e t a i l e d d e s i g n i n go fp r o g r a m m e r , s u c ha s t h ep r o g r a m m e ro ft h ec o m m u n i c a t i o ni ns e r i a l i n t e r f a c e ，t h ed i a lm i s s i o n go fg p r sa n dp p pc o n n e c t i o n t h ed e s i g no fm o n i t o r i n g c e n t e ri sa b o u tn e tc o m m u n i c a t i o na n dt h ed a t a b a s es y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o no f m o n i t o r i n gc e n t e ra n ds c e n et e r m i n a la d o p t ss o c k e tt e c h n o l o g y t h es c e n et e r m i n a l c o n n e c t i n gg p r sw o r k sw i t ht h ed y n a m i cd n s t h ed a t a b a s es y s t e mi sw o r k e do u tw i t h t h es o f t w a r ev b 6 0a n dm i r c os q l2 0 0 0 k e yw o r d s ：t h ea s p h a l tm i x i n gp l a n t ；g p r s ；s c e n et e r m i n a l ；m o n i t o r i n gc e n t e r 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 袜咀 论文知识产权权属声明 年妇引日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一年r 月日 缈夕年，月乡日 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义 沥青混凝土搅拌设备是将各种规格的骨料( 砂、石) 、粘结剂( 沥青或渣油) 和填料( 矿 粉) 按一定比例混合，在一定的温度下搅拌成均匀沥青混合料的专用设备，是公路、城 市道路及其他工程建筑的重要施工机械。沥青混凝土搅拌设备在施工机械投资中占的比 例最大，它的档次高低，质量好坏，决定着能否生产出满足要求的高质量的沥青混合料， 进而直接影响沥青路面质量：它的生产率水平决定着后续工作机械设备类型、数量和生 产能力的选择与配置，决定着整个公路工程施工周期的长短。 沥青混凝土搅拌设备按生产方式不同分为连续式沥青混凝土搅拌设备和间歇式沥 青混凝土搅拌设备。间歇式沥青混凝土搅拌设备由于有振动筛的“二次筛分 及电子称 量系统的“二次计量 ，能更好的保证沥青混合料的级配及油石比，因此在我国公路建 设及养护过程中，生产沥青混合料时大都采用间歇式沥青混凝土搅拌设备。公路沥青 路面施工技术规范明确要求沥青混凝土搅拌设备必须配备打印机，并实时打印相关数 据，这对沥青混合料质量控制起到了重要的作用。但到目前为止，除打印机外，国产及 进口的沥青混凝土搅拌设备都没有实时在线数据处理分析及监测系统，这就使得沥青混 凝土搅拌设备拌合质量的实时监控十分困难，某些情况下甚至严重影响了沥青路面的路 用性能。主要原因在于： ( 1 ) 现有沥青混合料检测手段不能满足实时监控的要求 目前工程主要根据实验室检测结果判断沥青混合料质量( 主要是级配、油石比) 是 否符合要求。首先实验室样本量太少，规范规定每台拌合设备每天抽提筛分试验进行l 2 次，对混合料质量进行检验，以如此小的检测频率来评定上千吨混合料的质量，代表 性不强。其次由于试验方法本身，特别是取样代表性不强等原因，导致工程技术人员即 使在发现问题的情况下，也难以根据实验室抽提筛分试验检测结果立刻做出判断并采取 措施。导致在沥青混合料质量确实出现问题的情况下，不能采取果断措施，致使大量有 质量问题的混合料摊铺到路面，最终影响到沥青路面的质量或造成较大的经济损失。 ( 2 ) 沥青混凝土搅拌设备打印数据不能充分发挥作用 目前沥青混凝土搅拌设备打印的数据主要包括每盘料的各热料仓放料质量、粉料、 沥青质量及混合料总质量等，平均4 5 - - 6 0 s 打印一组数据。以1 0 0 公里高速公路计算， 工程完成后拌合设备总计打印数据多达2 5 0 万个。这些数据都是最原始的数据，非专业 第一章绪论 人员难以读懂，即使是专业人员，也需要将这些数据进行加工处理，从而判断混合料质 量是否满足要求。没有相关软件及实时处理系统，在短时间内实时处理数据并判断混合 料质量是否满足要求，即使最专业的技术人员也难以做到。目前实际情况是，拌合设备 打印的数据基本上未进行任何处理，只作为应付检查用，工程完成后，由于工作量太大， 对这些数据的统计工作基本上不可能完成。 ( 3 ) 沥青混合料拌合工作与质量检测工作脱节 一般来说，沥青混凝土搅拌设备操作人员对拌合站机械设备运行比较熟悉，但对沥 青混合料的质量控制能力相对薄弱。拌合楼各称量设备标定完成后，操作人员根据实验 室提供的各热料仓比例及沥青比例进行拌合，试验检测人员则对拌合的混合料采用抽提 法或燃烧法进行事后( 决不是过程控制) 质量检测。而在大量配合比设计基础上提出的 热料仓比例及沥青用量如何精确地在每一盘料实现，保证每一盘料的误差不超过能够允 许的范围，即实时控制监测，则成为拌合设备操作人员及试验检测人员共同忽视的问题。 正是这种工作环节的脱节，导致了混合料质量控制在线检测困难增大。 ( 4 ) 热料筛分不及时 生产配合比设计根据热料仓仓料筛分结果进行设计，然后间歇式拌合站根据试验检 测人员提供的热料比例生产成品热拌沥青混合料。由于冷料级配的变化必然引起热料仓 热料级配的改变，因此理论上要求拌合楼在生产沥青混合料时，应根据变化的热料仓热 料级配及时调整热料比例，否则难以满足质量要求。但由于目前热料筛分取样困难，筛 分工作量大，导致在整个工程中热料仓级配检验工作量远远不足，甚至有的工程只根据 试拌时确定的热料仓比例完成整个工程的混合料拌合工作，这肯定会导致沥青混合料级 配难以满足要求。 由于以上主要原因，沥青混合料拌合质量难以实现在线实时监控，若拌合设备发生 某些故障将致使大量不合格产品用于路面，造成路面质量不稳定。更进一步，即使工程 完成后，也只能用极其有限的检测数据及分析结果来描述大量的混合料质量，造成沥青 混合料质量评价系统失控，难以评价已建工程质量。 若能通过数据采集与计算机数据分析相结合，得到每盘沥青混合料中各种骨料、粉 料和沥青的重量，通过计算机对数据的实时处理，监控单元可以及时知道每盘混合料中 各种料的含量，对各种料含量允许的变动范围设定后可以生成统计性的报表，就能很容 易的及时判断沥青混合料是否符合预定的配合比、油石比等要求。这就可以做到对沥青 混合料生产质量的过程控制与动态管理，防止不合格的沥青混合料用于路上，对于节约 2 长安人学硕士学位论文 成本并且保证路面质量有着重大的意义，这就是沥青混凝土搅拌设备监控系统设计的出 发点。对沥青混凝土搅拌设备监控技术进行深入研究有如下意义： 第一：沥青混凝土搅拌设备的工作环境一般比较偏远，采用远程监控技术，管理人 员不必亲临现场就可以对所监控的若干台沥青混凝土搅拌设备关键的计量系统实行监 控，保证沥青混合料质量，这就从一定意义上保证了路面的质量，这是监控系统的关键 性意义所在。 第二：实时远程监控技术可以充分发挥沥青混凝土搅拌设备的资源优势。管理人员 可以通过监控系统了解与掌握所管辖范围内的所有沥青混凝土搅拌设备生产的各种原 料及成品料的情况，实行资源调配。 第- - ：远程实时监控技术有利于故障的诊断。通过监控系统，可以实时了解生产现 场各种骨料、粉料及沥青等的计量情况，通过软件分析可以得出成品料的质量分析，若 设备出现故障，监控中心的管理人员及专家等可以及时定位故障部位，指导生产。 1 2 国内外研究现状 沥青混凝土搅拌设备在道路工程中应用有着悠久的历史，经过长期发展，工艺日趋 成熟，设备的主要构成已基本定型，特别是随着电子技术的日益完善以及计算机技术和 信息处理技术的提高，已经达到很高的技术水平。我国的沥青混凝土搅拌设备的研究起 步较晚，但发展较快，一些企业通过引进国外的先进技术使自身的研制水平得到很大的 提高。西筑、辽筑、雪桃、徐工、锡通、陆德等一批优秀企业相继研制开发了5 0 0 0 型 沥青混凝土搅拌设备，国内的设备制造商也已多达6 0 多家，初步实现了产业规模化。 一些大中型企业不但面向眼前的市场需要，更看重中远目标的需求，有远见的走上了自 主开发新产品的道路。与此同时，国外的一些知名品牌的沥青混凝土搅拌设备制造企业 也纷纷进入中国，德国的边宁荷夫、阿曼( a m m a n n ) ，英国的g e n co r 和日本的 日工( n o ) 等公司，都己在中国设立了办事处。意大利的玛连尼( m a r i n i ) 、新加 坡的林泰格、加拿大的加隆( c a l o n g ) 和香港的德基已经在国内建厂，就地制造和 销售沥青混凝土搅拌设备。与国外设备相比，国内的沥青混凝土搅拌设备在一些方面比 如设备的智能控制上技术还不成熟，一些关键的零部件还需要进口，还有很大的发展空 间【1 】o 针对监控系统本身，按照其发展顺序主要有以下几大类： ( 1 ) 单机远程监控 第一章绪论 这种监控系统的监控单元和现场工作设备通过有线的方式实现互联，其方式与现场 监控大同小异，只是传输距离较远。 ( 2 ) 币l j 用公用电话网的远程监控系统 这种监控系统一般租用公用的电话网络，一定程度上降低了硬件方面的成本。但是 由于采用拨号连接的方式建立临时的连接来实现数据传输，所以通信数据量很少，保密 性和实时性也不高。 ( 3 ) 基于i n t e m e t 的远程监控 这种监控技术的现场数据采集终端通过光缆、电缆等通过i n t e m e t 网络和监控中心 相连，同时需要多台中心计算机作为服务器，所以这种监控系统实时性较好，但构架系 统和运营费用都较高。 ( 4 ) 基于无线通信网络的远程监控 基于无线通信网络的远程监控系统，是近几年发展起来的一种远程监控技术，基于 g p r s 网络的远程监控系统就是无线通信系统的代表。g p r s 是移动技术与网络技术结 合的产物，它网络覆盖广，数据传输快，安全可靠，同时采用这种远程监控方式有利于 解决复杂连线，无需铺设电缆或光缆，降低了硬件成本。随着g p r s 网络技术的不断发 展，构筑在g p r s 网络上的远程无线监控系统必然会应用地越来越广泛。 1 3 本文的主要研究内容 基于沥青混凝土搅拌设备工作环境比较偏远、分布分散的特点，本文提出了一种基 于g p r s 技术的沥青混凝土搅拌设备的监控系统，确切的说是对沥青混凝土搅拌设备中 关键的称重系统及拌合过程的监控，文中对系统的现场终端和监控中心两个主要部分进 行了详细的设计，可以将沥青混凝土搅拌设备称重系统称量的每盘混合料中各种骨料、 粉料和沥青的重量传送到监控中心，并设计了简单且独立的称重单元与原称重部分进行 对比。监控中心通过计算机的数据分析与处理，生成统计性的报表，可以及时判断所生 产的沥青混合料质量是否符合要求。沥青混凝土搅拌设备监控系统的研究不仅具有重要 的现实意义，而且具有重要的科学意义，将对沥青混凝土搅拌设备等施工机械的智能化 发展发挥积极的作用。主要内容如下： 1 通过对现有沥青混凝土搅拌设备使用中存在的一些问题的介绍分析了课题的研 究背景及意义，通过对监控系统种类的介绍提出了基于g p r s 网络的监控系统的方案。 2 介绍了沥青混凝土搅拌设备的总体结构及称重系统的原理，说明了沥青混凝土 4 长安大学硕上学位论文 质量动态管理的要求。详细论述了g p r s 网络的概念、特点以及g p r s 网络的工作原理 及网络传输所用到的相关接口协议，从实际出发设计了监控系统的总体构架，为本系统 的可行性设计打下理论基础。 3 对沥青混凝土搅拌设备现场终端的软硬件部分做出设计。在论述了硬件部分的 总体设计及组成后，重点对c p u 核心控制模块、g p r s 模块、电源等外围电路以及数据 采集处理模块做了详细的设计。分析了远程监控终端的软件部分的总体设计流程后，对 系统初始化软件、c p u 控制核心与g p r s 通信软件、g p r s 各功能实现软件以及数据采 集软件做出详细设计，给出了部分软件程序代码和程序流程图。 4 对沥青混凝土搅拌设备监控系统的监控中心做出设计，主要包括网络通信部分 以及数据库管理部分。 5 一g p r s # 术月j 。7 f 凝十批仆议薪帆k 的口r 究 第二章g p r s 技术用于沥青混凝土搅拌设备监控的可行性研究 2 1 监控对象介绍 f u j 歇式沥青混凝土搅拌设备的总体结构如下图21 所示 图2 1问歇式沥青混凝土搅拌设备的总体结构图 丰要的绢成部分有i2 i ： 1 、冷骨料储存、配料及输送装置 用于把不同规格的冷骨料通过皮带机输送进干燥滚筒，主要有冷骨料仓及皮带输送 机组成。 2 、冷骨料烘干、加热装黄 用米将骨料烘干井加热到一定的温度。主要包括干燥滚筒、燃油阀、油泵、火焰探 测器、红步l , rr j 温装置等组成。 3 、热骨料提升、筛分、储存发计量装置 把加热到特定温度的热骨料提升到筛分装置筛分后按规格进入不同的热骨料仓等 待计量装置按配方称量使用。 4 、粉料储存、输送及计量装置 粉料斗内的粉料由输送装置送入粉料秤计量使月j 。 5 、沥青供给系统 沥青罐中的热沥青由沥青泵泵送入沥青计量装置计量使用。 6 、搅拌机 将按配比配好的混合料搅拌成成品料 长安大学硕上学位论文 7 、成品料仓 存储由小车输送来的成品料 沥青混凝土搅拌设备的工艺流程如图2 2 所示： 矿粉 储存、输送l- i t l - i l - ：填充料) 搅 成 口 i ：1 1 ：1 = i 配料h 两磊h 磊蕊h 热料提升h 筛分储升h 计量卜 - -料 储 ：骨料)拌存 沥青 - 怕竹 il 辩环衄i 一里 自圭左 i 扣执律j 昂il + 暑 图2 2 沥青混凝土搅拌设备的工艺流程 不同规格的冷砂石料一冷骨料定量配料装置中的各料斗进行粗配一粗配后的冷骨料 由皮带输送机输送一干燥滚筒内的火焰逆流将冷骨料烘干加热到足够温度一热骨料被 垂直提升机输送一热骨料由筛分机筛分后存入储斗暂时储存( 以上过程为连续进行) 一 热骨料计量装置精确计量一搅拌器搅拌； 矿粉一矿粉储仓一定量配料装置一搅拌器搅拌： 沥青一沥青保温罐一沥青定量供给装置一搅拌器搅拌： 搅拌好的沥青混合料成品一成品料提升机一成品料仓或直接运往施工现场； 干燥滚筒、热骨料筛分机所产生的粉尘一除尘装置将粉尘分离出来一粉尘储仓或矿 粉定料配料装置再利用。 本课题关系到的称量控制系统简图如图2 3 所示。 称量搅拌控制系统包括配方输入、称量、拌合、放料等步骤的控制。电子称量系统 由称重传感器、电子秤处理单元、称量显示仪表等组成，传感器把信号送到电子秤处理 单元，电子秤处理单元采用高精度线性放大器，将信号调理放大并输送到显示仪表及控 制系统中，采用可编程控制器控制可实现其自动化过程。采集到的信号，如开关量、模 拟信号等输入到r l c 后，p b c 按照称量、搅拌的顺序控制其输出，满足系统的要求。 称量系统主要由热骨料累加称量装置、粉料称量装置和沥青称量装置组成。该系统 由电子秤实现计量，电子秤由拉力或压力传感器和电子仪器组成。计量斗通过传感器支 撑或悬挂在机架上。 当称量斗内落入物料时，传感器中应变片的电阻值发生变化，通过传感器的电压值 7 第二章g p r s 技术用于沥青混凝士搅拌设各监控的可行性研究 改变。改变值被传给电子仪器放大，将电压改变转换成质量的变化值，由仪表显示并输 出信号。 骨料的称重采用质量累加的计量方式，通过计量秤和称量斗来完成。称量斗通过拉 力传感器吊装在热骨料储仓下。不同规格的热骨料按级配要求先后落入称量斗内进行累 加计量，达到预定值后，开启料门，将骨料放入搅拌器内【2 】o 石粉 图2 3 沥青混凝土搅拌设备称量系统简图 2 2 设备生产过程动态管理 为了做好沥青混合料生产过程的实时控制，及时发现各项生产参数是否符合配合比 设计，沥青混凝土搅拌设备配备了连续的称重数据采集系统以及自记打印数据的装置， 用于沥青混合料的检验与统计。在开始拌合前，设定了每拌合一盘沥青混合料的生产量， 各个热料仓、粉料和沥青等的标准配合比用量，设定施工温度。拌合过程中计算机通过 传感器采集每拌和一盘混合料的各项数据，由计算机自动处理或逐盘打印这些数据，进 行沥青混合料质量的监测【3 1 。 目前，沥青混凝土搅拌设备的动态管理主要是针对沥青混合料搅拌过程的动态管 理，主要是通过对搅拌过程中采集到的各种重量数据进行统计分析得到代表搅拌过程的 数据统计概率特性，然后将这些统计结果通过图表的形式表现出来，操作人员和监理人 员也j 下是通过这些概率统计特性的变化来判断沥青混合料质量是否符合要求。 沥青混凝土搅拌设备配备的打印机打印的数据主要是拌合的时间和每盘沥青混合 8 长安大学硕十学位论文 料中各种热骨料、粉料及沥青的重量，这就为拌合过程的动态管理提供了数据上的基础， 但沥青混凝土搅拌设备搅拌一盘料的时间相当短，打印机平均4 5 - - 一6 0 s 打印一组数据。 以1 0 0 公里高速公路计算，工程完成后拌合设备总计打印数据多达2 5 0 万个，如果采用 人工计算的方法来处理这些数据，显然是不可能的。如果能够将计算机技术、网络技术 等新技术应用到沥青混合料拌合的动态管理，能够对这些数据进行实时统计，然后及时 生成图表性质的报表，就基本能够满足动态管理的要求。沥青混合料拌合动态管理的图 表方法很多，考虑到实时性的要求，本系统主要采用个值控制图。下面就通过介绍个值 控制图，来阐述本系统可以达到的一种功能用途【4 】。 个值控制图一般是通过以试验顺序为横坐标，采集到的控制对象原始数据为纵坐标 作图而得到的，具体到本系统的应用，可以以沥青混合料拌合的盘数为横坐标，通过计 算得出的所需统计的某种物料的百分比含量为纵坐标，在控制图上标有通过配合比得出 的该物料含量设定值、控制的上限和下限等。将采集到的数据实时的在个值控制图上表 现出来，就可以及时的判断沥青混合料的质量是否符合要求，也很容易看出一段时间内 的各种物料的概率统计特性的变化。 下面就将某施工现场的实际生产数据中关系到沥青混合料质量关键的沥青百分比含 量处理成个值控制图，来分析动态管理的可能性因素。 图2 4 是正常情况下的沥青含量个值控制图，所有的个值都在设定值上下波动，未 超出控制上下限的范围，均值3 6 7 ，接近设定值3 6 6 ，标准差0 0 3 9 ，由此我们可 以得知沥青混凝土搅拌设备工作正常，所生产的沥青混合料沥青含量符合要求。 图2 4 沥青含量正常的个值控制图 9 第二章g p r s 技术用于沥青混凝土搅拌设备监控的可行性研究 图2 5 的沥青含量个值虽然整体曲线平缓，但全部都在控制下限以下，均值3 4 5 ， 低于设定的3 6 6 ，由此可以判断沥青混凝土搅拌设备的系统误差较大或者是施工单位 人为调低沥青设定值，所生产的沥青混合料沥青含量过低，不符合要求。 图2 5 沥青含量过低的个值控制图 图2 6 中沥青含量个值波动很大，分布散乱，由此可知沥青混凝土搅拌设备的控制 精度太低，不能进行正常生产。 图2 6 沥青含量波动巨大的个值控制图 通过上面的图例可以看出，个值控制图可以直观的判断所生产的沥青混合料的沥青 含量是否符合要求，从而反映出其生产过程是否正常。与沥青含量的反映方式相同，各 l o 长安人学硕上学位论文 种骨料和粉料的百分比含量也可以通过个值控制图的方式反映出相应物料的控制是否 符合生产的要求。本系统通过数据采集与传输，得到各种物料的原始重量数据，通过数 据处理分析，可以将一定时间段内的或者实时的原始数据通过个值控制图的方式表现出 来，达到上述功能，就基本可以满足沥青混合料质量动态管理的要求。 2 3g p r s 技术 2 3 1g p r s 简介 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的全称是通用分组无线业务，是g s mp h a s e 2 + 规范实现的内容之一，是一种基于g s m 网络的新型移动分组数据承载业务。g p r s 允 许业务用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式下的 网络能源，能够确保分组模式下数据应用的成本效益和网络资源的有效利用。其主要特 点如下： 1 ) 覆盖范围广； 2 ) 数据传输速度高； 3 ) “永远在线”的特点，适合长时间的数据传输系统； 4 ) 按照流量计费，构建监控系统运行费用低； 5 ) 实时性好，能很好的满足系统数据采集和传输实时性的要求； 6 ) 接入时间短：分组交换接入时间一般小于1 秒【5 , 6 , 7 】。 2 3 2g p r s 工作原理1 8 , 9 , 1 0 , 1 1 】 g p r s 系统通过在原有的g s m 系统中引入分组数据单元提供无线系统上的数据业 务。作为承载网络，g p r s 系统本身采用p 网络结构，并对用户分配独立地址，将用户 作为独立的数据用户，从而实现了从网络到移动用户的端到端的数据应用。为了实现数 据承载，需要在现有的g s m 网络中引入几种新的网络单元：分组控制单元p c u ( p a c k e t c o n t r o lu n i t ) 、网关g p r s 支持节点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 、服务g p r s 支持节s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 。系统共用g s m 基站，但基站要进行软件 更新，并采用新的g p r s 移动设备。g p r s 要增加新的移动性管理程序，通过路由器实 现g p r s 骨干网互联，其网络结构如图2 7 所示： 第二二章g p r s 技术用于沥青混凝土搅拌设备监控的可行性研究 电蹄窆换般务通道 ”。一前高 、 。，6 d n，#， ，竺兰r + 。一。一儿哆一，二 一l n 。一，一 图2 7g p r s 系统组成图 主要的网络单元的功能为： 1 ) p c u ：分组控制单元 提供无线数据的处理功能，如逻辑链路与物理链路的映射、数据包的拆封、数据包 的确认和无线数据的处理功能等。 2 ) s g s n ：g p r s 服务支持节点 s g s n 相当于g p r s 网络中的分组交换机，主要功能包括：终端鉴权即移动终端发起 连接时s g s n 负责检查该终端是否有权限进行g p r s 连接，对移动终端进行移动性管理， 路由选择和分组交换。 3 ) g g s n ：网关g p r s 支持节点 g g s n 负责g p r s 网络与外部数据网的连接，提供g p r s 与外部数据网之间的传输 通路，进行移动用户与外部数据网之间的数据传输工作。 由于新的网络单元的引入，需要命名新的接口。图2 8 说明了g p r s 逻辑体系结构： 1 2 高日 长安大学硕士学位论文 图2 8g p r s 逻辑体系结构图 2 3 3g p r s 系统的数据传输协议 g p r s 技术是移动通信技术和网络技术相结合的产物，所以现场终端和监控中心间 的数据传输要遵循t c p i p 协议。与此同时，现场终端还要遵守p p p 协议来接入g p r s 网络，申请动态的口地址。下面主要介绍本系统的数据传输要遵守的t c p i p 协议和p p p 协议。 1 t c p i p 协议【9 , 1 2 , 1 3 】 目前，t c p i p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c o l ，传输控制协议网络协议) 在网络的各种传输协议中是最为成熟可靠、应用最广的协议。局域网( l 心) 作为一种 快捷、方便的手段提供短距离范围内的计算机设备的连接，广域网( w a n ) 将多个l a n 互联，而i n t e m e t 则实现了多个w a n 的互联，使得整个世界连为一体。t c p p 协议就 是作用于i n t e m e t 的互联网规程。 t c p i p 协议为四层结构，从高到低依次为应用层、传输层、网络层和网络接入层。 从o s i 规程结构上讲，应用层对应第四层以上规程，传输层对应第四层规程，网络层对 应第三层规程，网络接入层则对应于物理层和链路层。其对应关系如表2 1 所示。 第二章g p r s 技术用于沥青混凝土搅拌设备监控的可行性研究 表2 1t c p d p 协议与o s l 模型对应表 o s i 参考模型t c p 口规程说明 应用层应用层进程或者应用 传输层传输层( t c p 层)进程间的端到端交换 网络层网络层 i c m pd 层忌a 忌p | 燃主机间数据交换 数据层链路层网络接入层同一网络的设备间的数据交换 2 p p p 协议【1 4 , 1 5 , 1 6 】 p p p ( p o i n t t o p o i n tp r o t o c o l 点到点协议) ，p p p 协议处于t c p i p 协议的网络接入层， 是两个网络节点点对点数据传输时所需要遵守的协议，可以在串行链路上封装口数据 报。 p p p 协议是g p r s 拨号上网时采用的协议。在拨号过程中，通信双方需要协商链路 的相关参数、验证身份、分配地址等操作，之后就可以进行口数据报的传输。它协 商的每一个阶段双方都必须收到对端的a c k ( 确认字符) 消息才算协商成功，为了在 p p p 链路上通信，p p p 协商双方必须首先发送l c p ( 链路控制协议) 协商报文以配置 和测试该数据链路、确认是否需要认证，然后p p p 再发送n c p ( 网络控制协议) 协商 报文以选择并配置一种和多种网络层协议，n c p 协商成功后该网络层的数据报文就可以 在此链路上传送了，这个链路保持此连通状态直到终止消息和其他外部事件发生时才结 束。p p p 协议实现过程如图2 9 所示： 图2 9p p p 协议实现过程 1 4 s u c c e s s l i ，n o n e 长安大学硕上学位论文 2 4 监控系统的总体构架 一般来说，远程监控系统包括两种类型：一种是运行现场没有现场监控系统，而是 采集数据后直接将数据传输到远程监控中心，这种远程监控系统与一般的现场监控没有 太大的区别，只是数据传输的距离比现场监控系统要远；另一种是现场监控加远程监控 的方式。在这种情况下，现场监控按程序要求来采集数据，处理数据，从而掌握设备运 行状况，用来指导生产。而远程监控可以对一定范围内所监控设备的现场监控进行集中 管理，实现设备资源的合理利用。 从课题的设计意义出发，系统采用现场监控与远程监控并存的监控方式。结合并利 用设备现有的监控控制系统，本系统的设计思路为： ( 1 ) 现场监控：也可以说是现场数据的远程监控。利用沥青混凝土搅拌设备原有的 一套完整的计量系统，由称重传感器、数据采集及处理模块、p l c 及普通p c 机等组成， 将原系统所得的重量信号提取出来，具体做法是将现场控制室内p c 机传给打印机需要 实时打印的数据，主要包括每盘料的各热料仓放料质量、粉料、沥青质量及混合料总质 量等通过串行通信输入设计的现场监控终端的单片机控制核心，控制中心根据监控中心 的设定将实时的或一定时间段内的每盘混合料的各种物料重量数据封存，现场终端控制 核心控制g p r s 模块将数据通过连接g p r s 网络和i n t e m e t 网络传输到具有独立口的远 程监控中心的数据库。远程监控中心通过数据处理可以得到每种料所占的重量百分比及 每盘料的油石比等，通过图表统计可以明确判断实时或一段时间内的沥青混合料的质 量，对沥青混凝土搅拌设备拌合过程做到监控。 ( 2 ) 远程监控：利用原有称重系统的传感器，设计独立的数据采集系统，将传感 器按原有系统控制称得的每盘料的各种骨料质量、粉料、沥青质量及混合料总质量等输 入现场监控终端，然后通过g p r s 模块将数据传输到远程监控中心，进行一系列的数据 处理。因为沥青混凝土拌合设备原有一套精密的称重系统，所以本课题只设计简单的数 据采集程序，在远程监控计算机中作为现场监控的对照，二者所得数据差别较大超出一 定值时，作为查找现场称重系统某部分故障或人为改动配方等原因的依据。另一方面， 远程监控中心可以同时监控若干台沥青混凝土搅拌设备，就对设备的运行状况与沥青混 合料质量实现了集中管理。 系统总体设计如图2 1 0 所示： 第二章g p r s 技术用于沥青混凝土搅拌设备监控的可行性研究 现场终端 图2 1 0 监控系统总体设计图 各组成部分的具体功能如下： 1 传感器：位于沥青混凝土搅拌设备的工作现场，为多只传感器组成的一系列传感 器，分布于骨料、粉料及沥青的称量装置上，测量各种重量信号。目前，沥青混凝土搅 拌设备所用的称重传感器一般为应变式荷重传感器。 2 数据采集设备：设备原有的数据采集系统，与传感器和p l c 相连，传感器采集到 数据后，对这些数据进行滤波、a d 转换等信号处理，将传感器采集的模拟信号转换成 p l c 可以处理的数字信号，传送到p l c 中。 3 p l c ：设备运行现场控制的下位机，对沥青混凝土搅拌设备的计量系统进行自动 控制，连接到现场的上位机。 4 沥青拌合站p c 机：设备自身控制系统的上位机，完成配方管理、参数设定、工 作设定、数据处理及生产数据统计等沥青混凝土搅拌设备要求的功能，同时在本系统中 作用是与现场终端连接，运行现场监控的程序，将原来传送到打印机打印的原始重量数 据传入现场终端，供本系统使用。 5 独立设计的数据采集及处理系统：沥青混凝土搅拌设备原有一套完整的控制系统， 控制称重系统在称重装置中放入所要求重量的物料，此时传感器内部电阻应变片发生形 1 6 长安大学硕士学位论文 变，采集到了重量信号，然后输入到独立设计的数据采集及处理系统，在现场终端c p u 控制下对这些数据进行滤波、a d 转换等信号处理，传入现场终端的存储设备，为以后 的远程监控提供数据参考。 6 现场终端：本监控系统的核心，位于沥青混凝土搅拌设备运行现场，一方面与现 场p c 机连接取得原系统的称量数据，一方面与独立设计的数据采集及处理系统连接， 得到独立采集到的重量信号。另外，现场终端包含与c p u 控制器通过串口通信连接的 g p r s 模块，g p r s 模块在c p u 控制下连入g p r s 网络，进而连接到i n t e m e t 网络，从 而可以与远程监控中心相连。 7 远程监控中心：本系统的另一个核心，运行远程监控程序，起到系统服务器的作 用。它与现场终端通信，一方面将现场终端传入的两部分数据按要求以时间为顺序存储、 分析等，得到完成系统监控所要求的结论。另一方面拥有与使用者交流的界面，使用者 可以通过监控中心对现场终端进行设置，同时得到自己所需要的数据等，能够完成监控 系统所要求的功能。 其中传感器、数据采集设备、p l c 、沥青拌合站p c 机为所监控的沥青混凝土搅拌 设备原有的称重控制系统的一系列设备，最后的功能是为监控系统提供所需要的重量数 据即原本串口通信传输到打印机打印的数据，这些设备不属于本系统设计的范畴，只是 将重量数据最后由沥青拌合站p c 机通过串口通信传输到现场终端。本系统主要设计的 是独立的数据采集系统、现场终端和监控中心。独立的数据采集系统位于沥青混凝土搅 拌设备工作的现场，可以一并归入现场终端的范围。下面的章节就主要介绍本系统的现 场终端和监控中心的详细设计。 2 5 本章小结 本章对沥青混凝土搅拌设备的组成结构及生产流程作了简要介绍，对监控系统涉及 到的称量搅拌控制系统作了分析。按照沥青混合料质量动态管理的要求，介绍了本系统 可以实现的个值控制图对拌合过程动态管理的实际用途。对使用的g p r s 技术从特点、 原理到数据传输时需要遵守的协议作了说明。本章为g p r s 技术用于沥青混凝土搅拌设 备的监控提供了理论依据。 1 7 第三章现场终端硬件结构设计 第三章现场终端硬件结构设计 现场终端的硬件结构设计采用模块化的方法，下面主要介绍监控系统的现场终端硬 件结构设计，包括各模块器件的选择以及接口电路的设计。现场终端主要有以下几个模 块：c p u 控制器模块、g p r s 通信模块、数据采集模块以及系统外围电路模块。硬件部 分结构示意图如图3 1 所示： 图3 1 现场终端硬件结构示意图 3 1 传感器介绍1 1 7 1 本课题设计的沥青混凝土搅拌设备监控系统是构建在设备原有称重系统之上的，利 用的是设备上原有的传感器，所以在此对传感器部分不作设计和选型，只作简单介绍。 目前，沥青混凝土搅拌设备的称重系统所用的传感器为应变式称重传感器，是由电 阻应变片所构成的，它能把压力、拉力等非电量参数转换成电阻的应变量，所以也叫做 电阻应变式传感器。 1 电阻应变式传感器的主要特点： ( 1 ) 钡t j 量精度高、范围广。最高精度为满量程的0 0 1 0 0 5 ，应变测量范围一般 为1 个微应变( 肛) 至几千个微应变。 ( 2 ) 使用寿命长、性能稳定可靠。 ( 3 ) 响应时间短，频率特性好，结构简单，尺寸小，重量轻，便于维修。 ( 4 ) 可在高温、低温、震动、强磁场、化学腐蚀等恶劣环境条件下正常工作。 长安大学硕上学位论文 ( 5 ) 兼容性好。电阻应变式传感器很容易配a d 转换器或专用电子称重集成电路组成 测试系统，利用微处理器进行自动调零和数据处理后，直接显示出净重、皮重、单价、 金额、称重次数、累计重量等测量结果。 ( 6 ) 产品种类繁多，目前国内外生产的各种规格的电阻应变式传感器多达几万种，价 格也比较便宜。 2 电阻应变片的工作原理 将电阻应变片牢固的粘贴在被测量试件表面上，当受到外力时发生形变，应变片的 电阻值也随之改变。在一定范围内，电阻值变化率( a r r ) 与长度变化率( 饥，即 应变值) 成j 下比。对单根电阻丝，电阻r 可表示为 l pp 竺 ( 3 1 ) j 式中，p 为电阻丝材料的电阻率，l 为电阻丝的长度，s 为电阻丝的横截面积。设电 阻丝的半径为r