新型沥青冷再生搅拌设备控制系统设计
新型沥青冷再生搅拌设备控制系统设计
本文提出一种新型的基于数字pid控制的系统设计方案。该系统采用自主开发的上位机软件和可靠性强的可编程控制器，并利用变频调速实现配料系统的闭环控制，实现搅拌设备的生产自动化，提高了搅拌设备的稳定性、可维护性及生产效率。
关键词：沥青冷再生;pid;变频器;可编程控制器
1 前 言
沥青冷再生搅拌技术是将旧沥青路面材料经过破碎加工后进行重复利用，根据再生后结构层的结构特征适当加入新骨料或细集料，按比例加入一定量的外掺剂（乳化沥青、泡沫沥青等）和适量的水，在自然环境温度下连续添加、拌和，重新形成具有所承载能力结构层的一种工艺方法。该技术充分利用旧路面的废弃材料，解决了废弃材料对空间的占用和对环境造成的污染。国内生产的沥青冷再生搅拌设备控制系统中大都采用的是开环控制的电磁调速电机配料，配料精度低且实时性差，物料浪费严重，生产成本增加。为解决上述缺点，本文提出一种新型的基于数字pid控制的沥青冷再生搅拌设备自动控制系统的设计方案。该方案形成配料系统的闭环控制，硬件投资成本低，符合实际工程设计需要。
2 工艺流程
沥青冷再生搅拌设备主要任务是保证按配料比例及所设定的生产率计算并计量各种骨料、粉料、水以及乳化沥青的重量，然后放料于搅拌缸中进行搅拌，达到设定搅拌时间时，打开拌缸门将成品料输送至成品仓中。其工艺流程如图1所示。
图1 工艺流程图
3 硬件配置及其功能
控制系统由工控机作为上位机、plc 为下位机以及变频器、信号检测电路、电气控制电路及驱动电路等构成。其结构图如图2所示。
图2 控制系统结构图
3.1 工控机和plc
为保证可靠性，系统采用研华工控机作为上位机。工控机采用标准配置且内装光电隔离型8 路d/a板卡和i/o适配卡。plc采用三菱fx2n 系列，通过rs-232接口与上位机通信。
3.2 变频器
变频器用来调节各物料给料电机转速，控制每种物料的流量，完成物料的配比。一般变频器具有面板数字控制和端子电压（或电流）控制多种控制方式。本设备配料系统选用三菱fr-a500变频器，其面板数字控制用于调试过程或手动调节，在自动控制工作模式时，采用端子电流控制方式。可选用具有4-20ma 电流输出的d/a转换板，其输出直接与变频器电流控制端子相连。图3为变频器连接图。5号端子为模拟信号公共端，10号端子为频率设定用电源，2号端子为频率设定（电压），4号端子为频率设定（电流），stf端子表示正转启动，au端子表示电流输入选择，sd表示公共输入端子，r、s、t为三相电源输入端，u、v、w为三相电源输出端，ka1、ka2为继电器。从实际调试过程看，供料电机运行速度变化范围所对应变频器输出频率范围为10-60hz，调节步长为0.1hz，满足实际需要。
图3 变频器硬件连接图
3.3 信号检测单元
电机测速传感器采用直流三线型电感式接近开关，其输出的开关信号频率不低于600hz。由于检测位置离控制室较远，为了提高系统的抗干扰能力，其开关量信号采用电流环传输形式，并采取光电隔离措施。开关量输入信号在开关量处理板上进行调理后，通过i/o 板与工控机进行联系。乳化沥青的流量受密度、温度、压力等因素的影响，并且沥青在管道中有残留，简单地采用罗茨传感器是无法保证测量精度的。因此，在原有罗茨传感器的基础上，首先严格控制乳化沥青输送过程中的温度、压力等参数，将这些干扰减至最小，然后利用电磁传感器的优点，将流量变为开关量信号，传送给工控机。
4 软件设计
4.1 骨料和粉料流量算法
骨料和粉料流量算法如下：设皮带恒定转速时，动态皮重为g,称重传感器以动态挂码方式标定后确定的折线函数为g（x），测速传感器标定后得到折线函数为v（x），则物料流量公式为：
e（j）＝[g（x）－g]·v（x） （1）
故某一段时间从皮带流出的物料累计量：
∫te（t）dt＝∫kt[g（t）－g]·v（t）dt （2）
（2）式中k为标定系数，可根据实物称重与工控机显示的累计重量的差异来标定。
4.2 乳化沥青流量pid控制算法
根据乳化沥青特点，应采用积分分离的pid 算法对其进行流量控制。工控机中离散的pid算法子程序根据给定流量值和反馈量计算值的偏差进行运算，求得本次控制值。
乳化沥青流量的pid 控制算法为：当︱e（n）∣＞∣e（0）∣时，kl＝0，进行pd控制，其表达式为：
u（n）＝a e（n）－b（n－1） （3）
4.3 骨料、粉料和水的流量pid控制算法
调节对象是骨料或粉料的流量时，由于调节对象的特点是纯滞后和惯性滞后较小，对象响应灵敏，而且存在着规则或不规则的干扰信号，若采用微分作用，一般会使干扰得以加强。因此，在设置pid时，可以不采用微分作用，只采用积分为主导作用的pi控制。实践表明，这种pi控制方式能有效地消除调节系统的残余偏差。当设定流量与实测流量不相等时，调节系统输出将继续增加或减少，最后使设定值与实测值一致，调节系统的输出便稳定下来。这种pi 控制特性可通过数学分析得到。一般的pi控制输出表达式为：
（6）式表明u（τ）是e（τ）与t的函数。e（τ）为有限变量，其积分值的大小与0到t这段时间的变化有关。当流量与实测流量偏差为0时，系统就稳定在与设定流量相适应的数值上。将（6）式离散化，得到数字控制器的差分方程：
（7）式中t＇表示采样周期。
本设备变频调速供水系统是由水泵、电机、变频器等环节组成的时滞系统，涉及参数较多，而水泵工作特性又具有很强的非线性，所以很难给出供水系统精确的对象数学模型。考虑到设备搅拌过程中用水量大，而骨料的含水率与天气状况直接相关，可利用微波测湿技术通过专门的仪器测量含水率，并根据含水率来改变实际物料配比。因此供水系统也可用积分分离的pid 算法来粗略控制注水量。实践表明，其水流量误差是在允许范围内的。
4.4 上位机程序和下位机程序
上位机程序采用vb语言编写，其结构如图4所示。其中，用户界面以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能。用户界面包括运行界面、用户文件、参数设置、标定文件、作业报表、累积报表等。由于客户的配方不同，系统还必须创建配方库，在配方库中可同时建立和保存多种配方，并可在工作状态下编辑配方。上位机串口通信程序采用vb 提供的通信控件mscomm。本系统采用mscomm控件提供的事件驱动方式，即按通信协议编写串行通信处理程序，commevent属性变化产生oncomm事件时，激活此程序运行，在程序中判断commevent的属性值，并做出相应处理，完成与plc的通信。
图4 上位机程序结构图
下位机程序即plc程序，系统plc程序包括一个主程序、设备顺序启动子程序、顺序停止子程序、设备运行程序及通信程序。其中设备运行程序还嵌套了传感器信号处理程序及报警停止程序。plc通过主程序按要求调用子程序，从而不仅保证下位机精确控制系统运行，还保证了plc程序较强的可读性。三菱fx2n 系列plc具有串行通信功能，本系统中，通信格式用plc中的特殊数据寄存器d8120来进行设置。通信格式参数设置为：8位数据长度，偶校验，2位停止位，波特率9600bps。因此，d8210＝[0000 0100 1000 1111]。现采用rs指令进行数据传输模式进行通信，其通信程序如图5所示。
图5 plc 串行通信程序
5 结束语
本文提出的沥青冷再生搅拌设备控制系统与原系统相比，提高了生产效率、配料精度以及产品整体档次，节省了生产成本，保证了设备的稳定性。改进后的搅拌设备已由沪宁高速公路镇江管理处在其施工路段投入使用，应用后检测结果表明，搅拌出的成品料的沥青裹附性良好，且控制系统达到设计要求：骨料集料误差小于3%，水泥石灰稳定剂误差小于1%，供水系统误差小于1%，乳化沥青误差小于0.5%。
参考文献
[1] 唐元英,曾革.沥青路面现场冷再生技术的研究[j].中外建筑,2005,（5）:125-127.
[2] 三菱变频调速器fr-a500 使用手册[z].菱电自动化（上海）有限公司,2003:9-11.
[3] 王常力,罗安.分布式控制系统（dcs）设计与应用实例[m].北京:电子工业出版社,2004:583-597.
[4] 陶永华.新型pid 控制及其应用[m].北京:机械工业出版社,2005:8-10.
[5] 李晓媛，尹淑萍，王杰.商品混凝土搅拌站自动控制系统[j].微计算机信息，2005,（4）：38-39.
本文作者创新点：沥青冷再生搅拌技术在国外比较成熟，而我国仍然处于初级阶段。作者首次提出了一种新型的基于数字pid 控制的沥青冷再生搅拌设备控制系统设计方案，该方案形成配料系统的闭环控制，很好地克服了原系统的缺点，且硬件投资成本低，符合实际工程设计需要。
作者简介：
汤养（1980.1- ）女，浙江舟山人，硕士，江苏大学理学院教师。研究方向：最优控制理论及应用。
author’s brief introduction: tangyang, female, born in 1980.1,zhoushan, zhejiang province, master, a teacher of jiangsu university. the research direction is the best control theory.
通讯地址：江苏镇江市桃花坞一区38 号203 室 邮编：212003 e-mail: cwtangya@yahoo.com.cn
赵德安（1956.2-）男，江苏常州人，博士，江苏大学电气信息工程学院院长、教授、博士生导师。
陈伟（1981.10- ）男，江苏镇江人，镇江华晨华通路面机械有限公司技术中心，助理工程师；江苏大学硕士研究生
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关键词：沥青冷再生;pid;变频器;可编程控制器
1 前 言
沥青冷再生搅拌技术是将旧沥青路面材料经过破碎加工后进行重复利用，根据再生后结构层的结构特征适当加入新骨料或细集料，按比例加入一定量的外掺剂（乳化沥青、泡沫沥青等）和适量的水，在自然环境温度下连续添加、拌和，重新形成具有所承载能力结构层的一种工艺方法。该技术充分利用旧路面的废弃材料，解决了废弃材料对空间的占用和对环境造成的污染。国内生产的沥青冷再生搅拌设备控制系统中大都采用的是开环控制的电磁调速电机配料，配料精度低且实时性差，物料浪费严重，生产成本增加。为解决上述缺点，本文提出一种新型的基于数字pid控制的沥青冷再生搅拌设备自动控制系统的设计方案。该方案形成配料系统的闭环控制，硬件投资成本低，符合实际工程设计需要。
2 工艺流程
沥青冷再生搅拌设备主要任务是保证按配料比例及所设定的生产率计算并计量各种骨料、粉料、水以及乳化沥青的重量，然后放料于搅拌缸中进行搅拌，达到设定搅拌时间时，打开拌缸门将成品料输送至成品仓中。其工艺流程如图1所示。
图1 工艺流程图
3 硬件配置及其功能
控制系统由工控机作为上位机、plc 为下位机以及变频器、信号检测电路、电气控制电路及驱动电路等构成。其结构图如图2所示。
图2 控制系统结构图
3.1 工控机和plc
为保证可靠性，系统采用研华工控机作为上位机。工控机采用标准配置且内装光电隔离型8 路d/a板卡和i/o适配卡。plc采用三菱fx2n 系列，通过rs-232接口与上位机通信。
3.2 变频器
变频器用来调节各物料给料电机转速，控制每种物料的流量，完成物料的配比。一般变频器具有面板数字控制和端子电压（或电流）控制多种控制方式。本设备配料系统选用三菱fr-a500变频器，其面板数字控制用于调试过程或手动调节，在自动控制工作模式时，采用端子电流控制方式。可选用具有4-20ma 电流输出的d/a转换板，其输出直接与变频器电流控制端子相连。图3为变频器连接图。5号端子为模拟信号公共端，10号端子为频率设定用电源，2号端子为频率设定（电压），4号端子为频率设定（电流），stf端子表示正转启动，au端子表示电流输入选择，sd表示公共输入端子，r、s、t为三相电源输入端，u、v、w为三相电源输出端，ka1、ka2为继电器。从实际调试过程看，供料电机运行速度变化范围所对应变频器输出频率范围为10-60hz，调节步长为0.1hz，满足实际需要。
图3 变频器硬件连接图
3.3 信号检测单元
电机测速传感器采用直流三线型电感式接近开关，其输出的开关信号频率不低于600hz。由于检测位置离控制室较远，为了提高系统的抗干扰能力，其开关量信号采用电流环传输形式，并采取光电隔离措施。开关量输入信号在开关量处理板上进行调理后，通过i/o 板与工控机进行联系。乳化沥青的流量受密度、温度、压力等因素的影响，并且沥青在管道中有残留，简单地采用罗茨传感器是无法保证测量精度的。因此，在原有罗茨传感器的基础上，首先严格控制乳化沥青输送过程中的温度、压力等参数，将这些干扰减至最小，然后利用电磁传感器的优点，将流量变为开关量信号，传送给工控机。
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4.1 骨料和粉料流量算法
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e（j）＝[g（x）－g]·v（x） （1）
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根据乳化沥青特点，应采用积分分离的pid 算法对其进行流量控制。工控机中离散的pid算法子程序根据给定流量值和反馈量计算值的偏差进行运算，求得本次控制值。
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u（n）＝a e（n）－b（n－1） （3）
4.3 骨料、粉料和水的流量pid控制算法
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上位机程序采用vb语言编写，其结构如图4所示。其中，用户界面以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能。用户界面包括运行界面、用户文件、参数设置、标定文件、作业报表、累积报表等。由于客户的配方不同，系统还必须创建配方库，在配方库中可同时建立和保存多种配方，并可在工作状态下编辑配方。上位机串口通信程序采用vb 提供的通信控件mscomm。本系统采用mscomm控件提供的事件驱动方式，即按通信协议编写串行通信处理程序，commevent属性变化产生oncomm事件时，激活此程序运行，在程序中判断commevent的属性值，并做出相应处理，完成与plc的通信。
图4 上位机程序结构图
下位机程序即plc程序，系统plc程序包括一个主程序、设备顺序启动子程序、顺序停止子程序、设备运行程序及通信程序。其中设备运行程序还嵌套了传感器信号处理程序及报警停止程序。plc通过主程序按要求调用子程序，从而不仅保证下位机精确控制系统运行，还保证了plc程序较强的可读性。三菱fx2n 系列plc具有串行通信功能，本系统中，通信格式用plc中的特殊数据寄存器d8120来进行设置。通信格式参数设置为：8位数据长度，偶校验，2位停止位，波特率9600bps。因此，d8210＝[0000 0100 1000 1111]。现采用rs指令进行数据传输模式进行通信，其通信程序如图5所示。
图5 plc 串行通信程序
5 结束语
本文提出的沥青冷再生搅拌设备控制系统与原系统相比，提高了生产效率、配料精度以及产品整体档次，节省了生产成本，保证了设备的稳定性。改进后的搅拌设备已由沪宁高速公路镇江管理处在其施工路段投入使用，应用后检测结果表明，搅拌出的成品料的沥青裹附性良好，且控制系统达到设计要求：骨料集料误差小于3%，水泥石灰稳定剂误差小于1%，供水系统误差小于1%，乳化沥青误差小于0.5%。
参考文献
[1] 唐元英,曾革.沥青路面现场冷再生技术的研究[j].中外建筑,2005,（5）:125-127.
[2] 三菱变频调速器fr-a500 使用手册[z].菱电自动化（上海）有限公司,2003:9-11.
[3] 王常力,罗安.分布式控制系统（dcs）设计与应用实例[m].北京:电子工业出版社,2004:583-597.
[4] 陶永华.新型pid 控制及其应用[m].北京:机械工业出版社,2005:8-10.
[5] 李晓媛，尹淑萍，王杰.商品混凝土搅拌站自动控制系统[j].微计算机信息，2005,（4）：38-39.
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