沥青砂浆搅拌车高精度全自动配料控制的实现

1、沥青砂浆搅拌车高精度全自动配料控制的实现         摘  要：根据沥青砂浆车配料生产工艺，结合工程实际说明了如何依托于西门子S7-300 将SIWAREX U电子称重模块扩展成多配方、多物料的秤重系统，从而实现高精度、全自动的配料过程控制。关键词：乳化沥青；砂浆搅拌车；自动配料控制 中图分类号：TU7  献标识码：A    文章编号：1674-098X(2010)07(b)-0000-001  引言高速铁路无砟轨道水泥乳化沥青砂浆

2、（以下简称沥青砂浆）是由水泥、乳化沥青、砂、聚合物乳剂及各种小剂量添加剂通过专用搅拌设备按照一定的工艺混合而成，用作高速铁路板式无砟轨道轨道板与混凝土底座之间的弹性垫层，其性能对轨道结构的平顺性、耐久性、列车运行的舒适性与安全性以及运营维护成本均有重大影响，是高速铁路建设的关键工程结构之一。沥青砂浆的重要性决定了其配料精准性的要求。高精度全自动的配料已成为沥青砂浆生产质量控制重点。如何用性价比更高的配料仪表来实现高精度全自动配料系统的核心功能，是沥青砂浆车研制技术中的关键问题。2  沥青砂浆车配料控制系统的组成及工艺配方对系统的要求2.1 配料系统的组成结构及工艺流程沥青砂浆配料系统

3、分为低弹模和高弹模两大类，其分别由7种原料按照不同重量配比组成，其配料系统的流程如图1。 图1 沥青砂浆车配料系统流程图1中，因大料、小料、添加剂所加的量分别为不同的数量级，要求的精度不一样，因此将其分开计量。大料（水泥、细沙、A乳剂）共用一台搅拌罐秤，采用顺序累加计量方式；小料（水、P乳剂）、添加剂（减水剂、消泡剂、引气剂）各对应一台秤，采用减重计量方法；搅拌罐秤和分计量斗秤采用三个点称重传感器模式，添加剂秤采用一个剪切梁称重传感器模式。这就对配料系统提出了“多物料”自动配料的要求。另外，为了提高沥青砂浆车的适应性，降低设备维护成本，沥青砂浆车须满足多配方自动配料要求，即满足各种物

4、料配料顺序的自由排序和搅拌转速的无机变速。由于整个系统集成于集装箱内由汽车牵引行走，这就对配料系统提出了抗震和减震的要求，同时系统接地比较困难，这也对配料系统提出了抗干扰的要求。2.2 配料工艺的控制时序该系统要满足20m3/班次砂浆拌制要求，也就是说每罐砂浆的输料、称量、搅拌应保证在1015min以内。水泥、细砂、A乳剂、水、P乳剂、减水剂、引气剂计量装置的动态计量精度：±1，消泡剂动态计量精度：±5克；且配料种类、顺序和搅拌速度是连接在一起，但是通过我们对配料过程工艺内各段的统筹控制，便完全可以实现这一工艺要求，见图2。A乳剂P乳剂水混合材料（手动投料）一档转速（低速）

5、水泥细沙铝粉（手动投料）引气剂（减水剂）二档转速（中速）高速搅拌自动程序结束手动调速三档转速（高速）图2 低弹模配料工艺控制如图2所示，配料、称料、搅拌控制既相互独立的，又相互联系。按配方工艺设定投料顺序，根据配料量的增加，搅拌机速度逐渐提高，实现无级变速。称重过程中，粗加料与精加料相结合，配料落差自动追踪修正是确保高精度自动配料的重要措施。3  沥青砂浆车配料控制系统主要硬件介绍3.1 SIWAREX U称重模块称重模块采用双通道SIWAREX U，作为S7-300的特殊功能模块，可以直接连接模拟量称重传感器信号（1mV/V -4mV/V）。转换精度为0.05%，分辨率 16 位（

6、65,000内分度），测量速率 50 次/秒，2 个串口可带 4 路显示，用SIWATOOLS 软件调试和标定。  图3 西门子称重模块及其校秤软件界面 每个传感器与它直接连接时不用经过变送器或放大器转换，因而可减小转换误差，大大提高称重精度和检测频率。这种称重模块可以放在远程分站上与PLC相连，因而避免了一般称重系统传感器的毫伏级信号与主机长距离连线，提高了称重系统的抗干扰性，对系统变频器多的工作环境更显其优越性。称重模块内电路高度集成,有独立的CPU系统，占用CPU的资源不大，对温度、气压和湿度的变化不敏感，稳定性高。 模块称重标定简单，用PC机与模

7、块RS-232通讯，标定一次成功，不用常规多次标定取平均值，去皮非常简单，两个通道还可分别同时设置上、下限报警值。该称重模块还可直接接数字显示仪表，就地显示称重值。 称重模块采样周期、分辨率和是否需滤波可灵活选择。称重模块参数设置值可保存在PC机上。3.2 称重传感器称重传感器的测量采用应变式原理，应变片被固定在弹性体上。外力的作用导致弹性体发生变形（如图4），弹性体上的应变片随之产生形变。由于应变片外部形状的变化，其电阻值会相应发生变化。左上角和右下角应变片被压缩，电阻薄膜变短，阻值变小。右上角和左下角应变片被拉伸，电阻薄膜变长，阻值变大。对于每只称重传感器，至少4个应变片被连接在

8、一起组成一个惠斯通电桥。连在一起的应变片被压缩和拉伸产生的正负电阻的变化，从而形成电桥中的失衡标准的 SIWAREX称重传感器安装模块始终能够精确的适应各种传感器安装的要求，确保以最佳的方式将重量传递到称重传感器。同时安装模块可以方便传感器的安装，为称重传感器提供过载保护。多种安装模块使得 SIWAREX称重技术可以满足大多数  工业称重应用的要求，另外还可以提供专用安装附件来满足特殊称重应用。图4 称重传感器工作原理图3.3CPU313C-2DP的介绍CPU313C-2DP，24VDC 供电，32KB 工作内存，带PROFIBUS-DP 主/从接口，集成16DI/16DO

9、，PID、计数器，DI/DO 最大8192 点，AI/AO 最大512点，40针前连接器，灵活的扩展能力，多达 8 个模块，内置 MPI 接口最多可以同时 与 6个S7-300/400 或PG或PC或O P建立连接。在这些连接中，始终为 PG 和 OP 各保留一个连接。通过“全局数据通讯”，MPI最多可以建立16个由CPU组成的简单网络。用户程序使用密码保护，可防止非法访问。  最后100个故障和中断事件保存在该缓冲区中，供诊断使用。  免维护的数据后备，在断电的情

10、况下，CPU自动地将保持数据写到微存储卡中，这样，在再次通电时它能保持不变。STEP 7可用于对S7组态设置参数以及设置CPU的属性和响应参数；具有多点接口(MPI)能力的接口；4控制方案与具体方法为保证上位系统对其进行完全监控（上位可监视电机各状态参数、电压电流值和实际速度值等，能够在上位任意修改电机各工段速度值进行控制），采用PLC与三套变频器（主搅拌、斜螺旋、成品搅拌）进行通讯控制，除变频器控制电机外，其它电机都通过PLC进行控制。PLC主控系统选用西门子S7-300（CPU313C-2DP），变频器选用西门子440系列产品，变频器与PLC通讯协议为PROFIBUS-DP。上位

11、组态软件选用西门子WINCC6.2，上位系统与PLC之间采用MPI通讯方式。上位计算机选用研华15寸工业级IPPC-6152触摸屏电脑。PLC和计算机系统配有UPS，防止断电造成数据丢失，PLC开关量输出端加继电器进行隔离，设备的温度和物位信息进入系统。控制系统整体来说由两条通讯网络构成，一条是传动系统的PROFIBUS-DP网络，一条是上位监控系统MPI网络。 图5 沥青砂浆车全自动控制系统原理图称重系统选用西门子称重系统主要有称重传感器、称重模块和PLC组成。料罐或料斗的重量信息，通过称重传感器，传递到称重模块。称重模块根据这些信息及预先设定的配料程序，进行分析并作出相应的处理。

12、称重传感器、称重模块和PLC控制器，便可组成独立的控制程序。为方便人机界面交换，系统配置了计算机及WIN CC组态软件，简化设定及控制工作（例如配方设定、运行开关、警告监察及记录、打印报告等）。称重模块直接接入PLC，提高系统响应速度和数据处理的安全性。搅拌罐秤、水和P乳剂秤的称重传感器选用“S”称重传感器，非常适合用于容器计量秤，双向称重或吊式容器称重。不锈钢材质，适应恶劣工况。添加剂秤的称重传感器选用剪切梁称重传感器，量程为20KG，不锈钢材质，防护等级IP66/IP68，此类传感器特别适用于容器计量秤、料斗秤和台秤。整个设备共有6台秤： 1台搅拌罐秤、2台分计量斗秤、3台添加剂秤。搅拌罐

13、秤和分计量斗秤分别选用三只称重传感器，添加剂秤选用一只称重传感器，需要三块SIWAREX U称重模块(模块选用双通道)。称量控制的核心部件是SIWAREX  U电子称重模块，称重传感器给出重量信号（mV模拟量信号）直接进入到SIWAREX U，其余的称重过程由SIWAREX U分解完成（包括物料的精加、粗加转换，落差计算与修正、超差报警、手动操作提示等）。而多配方的存储与调用、多物料加料顺序的控制、报表、报警的生成与管理等由S7-300 CPU来完成。SIWAREX U给出确定的动作信号到PLC的I/O卡，由PLC的I/O来控制电气、设备。同样，上位机IPPC-6152触摸屏电脑通过WINCC6.2对SIWA