基于PLC 的瀝青混合料攪拌站控制系統設計*

李 松，潘 豐

(江南大學 輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

0 引言

隨著我國公路建設事業的快速發展，尤其是高速公路的飛速建設，對高質量瀝青混合料的需求在不斷地增加。瀝青混合料攪拌設備作為瀝青路面機械化施工的關鍵設備，提高瀝青混合料攪拌設備的穩定性、提高設備的自動化程度和生產率是工作的重點［1-2］。級配精度的保證是瀝青混合料攪拌設備的基本功能之一，而國內眾多設備由于各種問題的限制，級配精度往往得不到保證［3］。

瀝青混合料生產過程主要特征是各種成分是分批次計量，依事先設定順序投入攪拌器進行強制攪拌，卸出攪和好的成品料后，接著進行下一個循環，形成周而復始的循環作業過程［4-5］。

本研究綜合考慮開發成本及控制系統的性價比，采用PLC 來對瀝青混合料生產過程進行控制。

1 瀝青混合料生產工藝和控制要求

瀝青混合料攪拌站控制系統工藝流程主要包含混合料生產工藝流程與除塵流程［6］。

該系統將不同規格的砂石料裝入對應的冷料倉內，經由平皮帶給料機，斜皮帶機輸送到干燥滾筒。干燥滾筒以逆流加熱的方式將砂石料烘干加熱到一定溫度(控制系統自動調節燃燒器的火焰)，由于滾筒的轉動，砂石料被筒內的葉片反復提升、落下，形成料簾，增強了換熱效果，并且借助于滾筒的傾角，砂石料在加熱的同時不斷向前移動;從滾筒出口出來后，連同除塵器收集的粗粉一起，由熱骨料提升機提起，卸入到熱骨料篩分機中。

從烘干滾筒排出的高溫含塵煙氣進入袋式除塵器，凈化后的煙氣由引風機直接排入大氣。系統要求最多需要12個除塵氣缸，但是也會根據實際需求切換氣缸個數，設定一定的開啟與關閉時間后除塵氣缸循環開啟。

該系統通過篩分機將熱骨料篩分成若干種規格(不同設備要求不同)，分別流進若干個熱料儲倉存儲起來。按照設定的配比，不同規格的骨料按照設定的次序分批投入骨料計量秤內累加計量;同時瀝青供給系統送來的熱瀝青和礦粉供給系統送來的礦粉，分別按設定的配比投入到各自的計量裝置內計量。計重完畢后，骨料先進入拌缸進行干拌，干拌時間一般為20 s～40 s，干拌結束礦粉和瀝青分別投入到拌缸內進行強制攪拌。攪拌時間的設定以骨料、瀝青、礦粉放到拌缸至成品料攪拌均勻為止，一般為25 s～40 s。拌缸門打開延時的設定時間，以拌缸門打開后成品料放完的時間為準，一般為7 s～12 s。拌缸門關閉延時是拌缸關上需要的時間，一般為3s～6 s。如果用行程開關，就以開關到位作為標準。攪拌好的成品料可直接卸到運料自卸卡車中。瀝青混合料攪拌設備工藝流程如圖1 所示。

圖1 瀝青混合料攪拌設備工藝流程

瀝青混合料攪拌站控制系統按照工藝要求主要分為以下幾個部分:電機啟停部分、布袋除塵部分、物料進料稱量部分、物料放料攪拌部分和攪拌結束出料部分。

(1)電機啟停部分。要求有電機一鍵全開和手動單獨開兩種方式。電機可以選擇是否連鎖控制，當連鎖時，有一個電機出現故障，其連鎖控制的電機就自動關閉。比如石料提升機出現故障，冷料斗、燃燒器、平皮帶和斜皮帶均會停止，因為當石料提升機出現故障時繼續往石料提升機運送原料會導致原料堆積浪費。

(2)布袋除塵部分。根據要求，布袋除塵氣缸在不同的設備中數量是不同的，而且數量可以進行切換，而且切換數量后循環的氣缸數也會自動變化。

(3)物料進料稱量部分。骨料、粉料和瀝青按設定重量自動進料和稱量系統使用二次稱量結合沖量矯正的方式來確保骨料的進料進度和骨料與瀝青比的穩定。系統要求的計量精度要求如下:

①骨料計量精度±0.5%;

②粉料計量精度±0.5%;

③瀝青計量精度±0.3%;

④骨料與瀝青比精度±0.5%。

同樣骨料斗的數量也是根據不同的設備會變化，因此同樣需要進行切換。

(4)物料放料攪拌部分。骨料進料完畢先進入拌缸進行干拌，干拌時間可選，時間到進礦粉和瀝青，這時開始計攪拌時間。每種原料放入拌缸后，對應放料閥關閉，此時對應原料自動開始下一輪進料過程。

(5)攪拌結束出料部分。攪拌時間到，根據是否有接料車決定是否放料，同時可以手動或自動控制接料小車向某一方向運動將出料運入某倉庫并返回。

2 控制系統設計

2.1 瀝青混合料攪拌站控制系統硬件架構

瀝青混合料攪拌站控制系統選擇西門子S7-300 PLC作為控制器，并配有各種拓展功能模塊實現要求功能。

PLC 的數字量輸入點主要包括電機啟動的反饋點、變頻器故障點和檢測骨料倉礦粉倉料位點。數字量輸出點主要包括電機的啟停點、變頻器加減速點和閥門開關點。模擬量輸入點主要包括溫度檢測、電流檢測、速度檢測、料位檢測與秤重量檢測。本研究選用的模擬量模塊通過軟件調節可以改變模塊接口電路從而可以檢測不同的標準輸入信號［7］。

控制系統的結構框圖如圖2 所示。

2.2 瀝青混合料攪拌站控制系統軟件設計

PLC 程序以梯形圖為編程語言，采用模塊化的編程思想［8-9］編寫電機啟停程序、模擬量采集程序、配料程序、布袋除塵氣缸循環程序和報警指令程序。編程軟件首先需要添加系統硬件配置，并下載好配置。

圖2 控制系統結構框圖

2.2.1 電機啟停模塊

電機啟停程序主要包括電機的手動和自動啟停，如電機的一鍵啟動、電機手動開啟與關閉、是否啟用電機的聯鎖控制以及電機聯鎖部分。

2.2.2 模擬量采集模塊

CPU 只能以二進制形式處理模擬量，根據測量的方法不同，可以將電壓、電流和電阻等不同類型的傳感器連接到模擬量輸入模塊，模擬量輸入模塊自帶模數轉換，可以將標準模擬量信號轉換為CPU 可以處理的數字量。模擬量采集程序就是根據采集到的數值進行計算得到模擬量實際值。

下面以瀝青泵電流檢測為例說明模擬量采集的過程。首先，檢測瀝青泵電流的電流互感器將檢測到的電流值轉換為標準電流信號輸出(將交流0～500 A 電流轉換為直流4 mA～20 mA 標準電流信號輸出)，互感器輸出接到SM331 模擬量模塊，通過軟件調節可以改變模塊接口電路從而可以檢測標準的電流信號，SM331 模擬量模塊將4 mA～20 mA 標準電流信號轉換為CPU 可以處理的0～27 648 范圍的數字量，然后經過內部程序處理計算得到模擬量實際值。具體處理程序如圖3 所示。

本研究根據CPU接收到的模擬量模塊轉化的數字量信號，進行一系列處理得到模擬量實際值。首先對數字量信號進行判斷，進行上、下限保護，數字量信號如果在0～27 648 范圍外，就將0 或27 648 作為數值進行處理，然后利用軟件自帶的模擬量和工程量轉換功能塊FC105 進行數值處理，該功能塊功能是接受一個整型值(IN)，并將其轉換為以工程單位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的實型值，將結果寫入OUT。數值轉換功能使用如下式所示:

圖3 模擬量處理程序

在本例中，下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)分別代表電流互感器的量程范圍下限與上限。常數K1和K2 根據輸入值是雙極性(BIPOLAR)還是單極性(UNIPOLAR)設置。

BIPOLAR:假定輸入整型值介于－27 648 與27 648之間，因此K1=－27 648.0，K2=+27 648.0。

UNIPOLAR:假定輸入整型值介于0和27 648 之間，因此K1=0.0，K2=+27 648.0。

本例為單極性輸入，如果輸入整型值大于K2，輸出(OUT)將鉗位于HI_LIM，并返回一個錯誤。如果輸入整型值小于K1，輸出將鉗位于LO_LIM，并返回一個錯誤。

最后將輸出(OUT)乘以斜率并加上零點，這樣可以在數值出現斜率偏差或者零點漂移時進行調整。

2.2.3 配料模塊

整個配料過程比較復雜，包含的工藝流程比較多，包括3 種原料的進料計量過程、計量完畢進入拌缸攪拌過程、攪拌完畢出料過程和小車接料卸貨過程，配料程序主要包括上述過程的控制。

2.2.4 布袋除塵氣缸循環

骨料經過燃燒器加熱后，排出的煙塵進入袋式除塵器，數量不定的除塵氣缸需要循環開啟關閉，布袋除塵氣缸循環程序即為上述過程的控制。

2.2.5 報警指令模塊

報警指令主要包括各種模擬量的上、下限報警指令、電機故障報警指令和拌缸門小車門開關限位報警指令等。

3 瀝青混合料配料計量控制

由于骨料和瀝青均是根據設定值來進行計量，如果計量精度足夠高的話，可以達到誤差范圍內的骨料與瀝青比和骨料總進量。但是由于骨料每次進料質量很大，在實際過程中會出現骨料計量精度符合要求，偏差卻太大，導致骨料與瀝青比不符合要求;或者當各類骨料均出現同向稱量偏移時會導致骨料總進量偏差過大的問題［10-11］。

3.1 原料的計量方法

為了達到系統所要求的計量精度，原料的計量有一次稱量和二次稱量兩種方法。二次稱量包括第一次粗稱和第二次精稱，粗稱時放料倉門全開，稱量到設定值的80%時，將倉門關閉一半，進行第二次精稱，當進料達到設定值減去落差補償值再加上骨料沖量矯正值時，放料倉門關閉。由于放料倉門與計量秤相距有一米左右，當放料倉門完全關閉后，在空中仍有原料未落到計量秤中，實際計量的量會比關閉倉門時的量多一些，多出的量基本固定在某個值左右，落差補償值就是指實際計量的量比關閉倉門時的量多出的重量值。一次稱量是指放料倉門全開，當進料達到設定值減去落差補償值時，放料倉門在PLC 的控制下提前關閉。

骨料計量采用二次稱量結合沖量矯正的方法，按照設定的配比，不同規格的骨料按設定的次序分批投入骨料計量秤內累加計量，瀝青計量采用一次稱量結合沖量矯正的方法，礦粉計量采用一次稱量的方法。礦粉計量過程如圖4 所示。

圖4 礦粉計量過程

3.2 骨料與瀝青比精度的控制

系統的控制要求中，骨料和瀝青稱量值的比例是很重要的一項要求，骨料與瀝青比對產品質量的影響尤為明顯，所以控制這一項指標十分必要。

由于骨料和瀝青是根據設定值來進料計量，如果計量精度足夠高的話，可以達到要求的骨料瀝青比，但是由于骨料每次進料質量很大，在實際過程中會出現骨料計量精度符合要求，偏差卻太大，導致骨料瀝青比不符合要求。

這里采取的措施是二次稱量結合沖量矯正的方式，其中沖量矯正又分為骨料沖量矯正和瀝青沖量矯正。骨料沖量矯正是指根據前面已經進料完畢的骨料設定重量與實際進量的差值調整下一個進的骨料的沖量矯正值，設Ai代表進料順序為i 的骨料計量值，Bi代表進料順序為i 的骨料設定值，Di代表進料順序為i的骨料沖量矯正值，骨料沖量矯正值取設定重量與實際進量的差值，骨料沖量矯正計算公式如下式所示:

當骨料進料達到設定值減去落差補償值再加上沖量矯正值時，放料倉門關閉。

瀝青沖量矯正是指根據全部骨料設定總量與實際進入重量的差值，調整瀝青的沖量矯正值，設定B8代表瀝青設定進量，D8代表瀝青沖量矯正值，則瀝青沖量矯正值計算公式如下式所示:

當瀝青進料達到設定值減去落差補償值再加上瀝青沖量矯正值時，關閉瀝青泵。

以沖量矯正為例，主要處理程序如圖5 所示。

圖5 沖量矯正程序

如圖5 所示，落差補償值與沖量矯正值的差計為關閉放料倉門提前重量，即當進料達到設定值減去關閉放料倉門提前重量時，放料倉門關閉。

骨料計量過程如圖6 所示。

圖6 骨料計量過程

瀝青計量過程如圖7 所示。

圖7 瀝青計量過程

3.3 實際使用效果及結果分析

本研究以實際工作中一鍋進料數據為例說明，設定一鍋總重量為1 000 kg，一鍋總重量是指除了瀝青外所有原料設定進量，這一鍋6 種骨料進料次序為1—6。

實際數據如表1 所示。

表1 實際數據

6 種骨料的設定重量是根據一鍋總重量與各類骨料設定比例的乘積得到，瀝青的設定重量是一鍋總重量乘以瀝青的設定比例得到，礦粉的設定重量是一鍋總重量乘以礦粉的設定比例得到，當一鍋總重量和所有原料的設定比例添加后自動計算各種原料的設定重量。落差補償值是根據經驗值提前寫入的，重量差值為原料計量完畢后實際進料減去設定重量的值，骨料沖量矯正值開始時均為0，在上一個骨料進料完畢后，系統會根據差值調整此骨料的沖量矯正值，6 種骨料進料完畢后，會根據所有骨料設定重量與實際進料的差值調整瀝青的沖量矯正值。

表1 前半部分數據為設定數據，即計量開始前的數據。表1 后半部分數據為原料計量完畢后數據，由表2 可知骨料最高計量誤差為－0.15%，礦粉計量誤差為0.22%，瀝青計量誤差為－0.08%，各原料計量精度在誤差范圍內，骨料與瀝青比的相對誤差要求控制在±0.5%內，實際數據得到實際骨料與瀝青比的相對誤差為－0.26%，同樣控制在誤差范圍內。

4 結束語

本研究針對瀝青混合料攪拌站控制系統，通過對工藝流程和配料過程的分析，將控制過程分為電機啟停部分、布袋除塵部分、物料進料稱量部分、物料放料攪拌部分、攪拌結束出料部分。西門子300 下位機程序開發過程中，考慮到各個環節的功能實現，將程序按照功能分塊，方便后期調試和檢查。

對于配料過程，筆者設計了不同原料不同的稱量方式。系統的控制要求中，骨料與瀝青比對產品質量的影響尤為明顯，所以控制這一項指標十分必要，本研究提出采用了二次稱量結合沖量矯正的方法，既保證了配料過程的高效，也保證了配料過程的高精度要求。通過后期使用驗證，該系統的功能可以得到完整地實現。

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