江勇 潘豐

（江南大學(xué)輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 無錫 214122）

1 引言

瀝青混合料攪拌站中熱骨料的溫度控制是生產(chǎn)高質(zhì)量瀝青混合料的關(guān)鍵因素之一，整個(gè)瀝青混合料攪拌過程對(duì)于熱骨料溫度的控制非常嚴(yán)格［1～3］。

瀝青混合料攪拌過程中，熱骨料溫度影響瀝青混合料的質(zhì)量：熱骨料溫度過低，最終瀝青混合料的溫度也會(huì)降低，影響攤鋪和碾壓質(zhì)量，造成拌和不均勻和碾壓困難的情況；熱骨料溫度過高，瀝青混合料則會(huì)過熱老化，粘結(jié)力降低，攤鋪后離析現(xiàn)象嚴(yán)重［4～7］。

現(xiàn)階段，絕大多數(shù)瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)存在升溫過程較慢、溫度穩(wěn)定性不夠的問題。

本次設(shè)計(jì)時(shí)，將原先的單回路溫度控制系統(tǒng)改進(jìn)為溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，加快溫度響應(yīng)速度、提高溫度控制的穩(wěn)定性。

2 瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制要求

2.1 瀝青混合料攪拌站工藝分析

瀝青混合料攪拌站工藝流程如圖1所示，主要包含瀝青混合料生產(chǎn)和燃燒器加熱。

系統(tǒng)將六種不同規(guī)格的石料裝入對(duì)應(yīng)的冷骨料倉(cāng)內(nèi)，經(jīng)過平皮帶、斜皮帶運(yùn)送到干燥滾筒內(nèi)。燃燒器提供大量的熱量給干燥滾筒，干燥滾筒以逆流加熱的方式將冷骨料烘干加熱到一定溫度，由于滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，冷骨料被桶內(nèi)的葉片反復(fù)提升、落下，使冷骨料與熱空氣充分接觸，增強(qiáng)了換熱的效果；干燥滾筒存在一定的傾角，冷骨料在加熱的同時(shí)不斷地向前移動(dòng)；從滾筒出口出來后，由熱股骨料提升機(jī)提起，卸入到熱骨料篩分機(jī)中，篩分后裝入熱骨料倉(cāng)內(nèi)，按照設(shè)定的順序和配比逐個(gè)由骨料計(jì)量秤稱量；礦粉由礦粉提升機(jī)放入礦粉倉(cāng)中，然后由礦粉計(jì)量秤稱量；瀝青由瀝青泵打到瀝青罐中，由瀝青計(jì)量秤稱量。3種原料計(jì)量完畢后，放入攪拌缸中，均勻攪拌，最后把攪拌好的成品放入成品料倉(cāng)。

瀝青混合料攪拌站采用燃油燃燒器對(duì)冷骨料加熱。燃燒器主要由變頻器、油泵、燃燒室等組成。在保證燃燒室安全穩(wěn)定的運(yùn)行的基礎(chǔ)上，使燃油充分燃燒，為冷骨料在干燥滾筒內(nèi)的加熱提供大量的熱量［8］。

圖1 瀝青混合料攪拌站工藝流程

2.2 瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

干燥滾筒是一個(gè)大滯后的對(duì)象，采用單回路控制系統(tǒng)不能及時(shí)控制干燥滾筒出口處熱骨料的溫度，故本次瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制，以燃燒室溫度控制作為副回路，減小滯后對(duì)熱骨料溫度的影響，原理如圖2所示。

圖2 瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)原理圖

1）串級(jí)控制系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)

串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，

主回路包含主控制對(duì)象和主控制器。本次設(shè)計(jì)的主控制對(duì)象是熱骨料溫度；主控制器為了減少穩(wěn)態(tài)誤差、提高控制精度，應(yīng)具有積分控制，為了使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、動(dòng)作迅速，應(yīng)加入微分控制，因此主控制器選定為PID控制器。

2）串級(jí)控制系統(tǒng)副回路設(shè)計(jì)

串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，副回路包含副控制對(duì)象，副控制器和執(zhí)行器。本次設(shè)計(jì)的副控制對(duì)象是燃燒室溫度；副控制器采用P控制器，因?yàn)榉e分和微分的引入會(huì)使得變頻器的動(dòng)作太大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的控制；執(zhí)行器為油泵變頻器。

3）串級(jí)控制系統(tǒng)主副回路的匹配

在串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，主副回路的設(shè)計(jì)只有匹配得當(dāng)，才能使串級(jí)控制系統(tǒng)發(fā)揮最好的作用。當(dāng)主回路熱骨料溫度高于骨料溫度設(shè)定值時(shí)，為了提高響應(yīng)速度，首先副回路粗調(diào)，減少油泵變頻器頻率，降低燃燒室溫度；然后主回路細(xì)調(diào)，以確保熱骨料溫度達(dá)到控制要求。當(dāng)熱骨料溫度低于骨料溫度設(shè)定值時(shí)，增大油泵變頻器頻率，升高燃燒室溫度［9～11］。

2.3 瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)控制要求

1）保證要求的熱骨料溫度：系統(tǒng)要求干燥滾筒出口處熱骨料溫度穩(wěn)定在180℃，允許有±5℃的偏差。

2）監(jiān)測(cè)報(bào)警：當(dāng)溫度過高或者過低時(shí)報(bào)警；當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)報(bào)警等。

3 瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)選擇西門子S7-1200PLC作為控制器，并配有數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出等各種拓展模塊實(shí)現(xiàn)要求的功能。

瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。PLC的數(shù)字量輸入主要包括電機(jī)啟動(dòng)的反饋點(diǎn)、變頻器故障點(diǎn)；數(shù)字量輸出主要包括電機(jī)的啟停點(diǎn)；模擬量輸入主要包括溫度檢測(cè)和電流檢測(cè)；模擬量輸出主要包括變頻器頻率控制。

圖3 瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主要硬件選型如下。

1）控制器選型：選擇緊湊型、模塊化PLC，S7-1200系列CPU 1214CDC/DC/DC。

2）模擬量模塊選型：選擇SM1231模擬量輸入模塊，SM1232模擬量輸出模塊。

3）溫度傳感器選型：對(duì)瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)而言，燃燒室溫度的測(cè)量和熱骨料溫度的測(cè)量非常關(guān)鍵，溫度傳感器的選擇是溫度測(cè)量的第一步，也是直接影響系統(tǒng)控制性能與效果的最重要因素之一。兩個(gè)溫度的測(cè)量范圍以及放置位置存在很大的差異，所以需根據(jù)實(shí)際要求分別選型。

燃燒器工作時(shí)燃燒室內(nèi)溫度是非常高的，燃燒室溫度不能接觸測(cè)量，選用ST08V紅外溫度傳感器。該傳感器的具體性能如下：

（1）溫度范圍：0℃～1200℃等不同溫度段（可選）

（2）測(cè)溫精度：±1℃

（3）輸出信號(hào)：4mA～20mA

4）熱骨料從干燥滾筒內(nèi)出來后經(jīng)皮帶運(yùn)送至熱骨料提升機(jī)，所以熱骨料溫度測(cè)量傳感器可以安裝在皮帶上對(duì)熱骨料溫度進(jìn)行測(cè)量，考慮到以上因素，選擇WZP型PT100鉑電阻溫度傳感器。該傳感器的具體性能如下：

（1）溫度范圍：-200℃～420℃

（2）測(cè)量精度：±0.1℃

（3）輸出信號(hào)：電阻值

溫度變送器選型：選擇SWP-TR-08鉑電阻溫度變送器，將熱電阻PT100的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為4mA～20mA的電流信號(hào)輸出。

4 瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)的程序在西門子博圖軟件上進(jìn)行編程編譯并且執(zhí)行循環(huán)掃描。編程軟件首先需要根據(jù)硬件的選型來進(jìn)行組態(tài)。

4.1 溫度采集模塊變換

CPU只能以二進(jìn)制的形式處理模擬量，根據(jù)測(cè)量的方法的不同，可以將電壓、電流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(shù)轉(zhuǎn)換功能，可以將模擬量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU可以處理的數(shù)字量輸出信號(hào)。模擬量采集程序就是根據(jù)采集到的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算得到模擬量實(shí)際值。

本系統(tǒng)溫度采集過程中，首先，檢測(cè)熱骨料溫度的PT100鉑電阻型溫度傳感器將檢測(cè)到的電阻值發(fā)送給電阻溫度變送器，電阻溫度變送器將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)為4mA～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出，溫度變送器輸出接到SM1231模擬量輸入模塊，SM1231模擬量輸入模塊將4mA～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為CPU可以處理的數(shù)字量，然后經(jīng)過程序的處理可以計(jì)算得到模擬量的實(shí)際值。CPU接收到SM1231模擬量模塊轉(zhuǎn)化的數(shù)字量信號(hào)，然后通過程序進(jìn)行一系列的處理得到模擬量的實(shí)際值。如圖4所示，首先要對(duì)接收到的數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行判斷及上下限保護(hù)，如果數(shù)字量信號(hào)小于等于0或者大于等于27648，就按0和27648處理，然后利用模擬量和工程量轉(zhuǎn)換功能塊FC2進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，F(xiàn)C2功能塊就是接收一個(gè)整型值，利用公式將其轉(zhuǎn)化為介于工程量上限和下限之間的實(shí)型值，將結(jié)果寫入Ret_Val。功能塊FC2中轉(zhuǎn)換公式如式（1）所示：

圖4 溫度采集模塊變換程序

式（1）中，Y0代表溫度傳感器量程范圍的下限，Y1代表溫度傳感器量程的上限。模擬量輸入模塊將4mA～20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-27648的數(shù)字量信號(hào)，因此式中X1取值為27648，X0取值為0。

最后將輸出（Ret_Val）乘以熱骨料溫度斜率并加上零點(diǎn)，這樣運(yùn)算就可以在熱骨料溫度顯示值出現(xiàn)斜率偏差或者零點(diǎn)漂移時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

4.2 熱骨料溫度控制模塊

在本次瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用PID控制；主副回路分別有一個(gè)PID功能塊，主回路PID模塊的輸出是副回路PID模塊的輸入從而構(gòu)成了一個(gè)串級(jí)控制回路。主控制流程如圖5所示。

圖5 熱骨料溫度控制流程圖

4.3 主副控制器參數(shù)整定

串級(jí)控制系統(tǒng)中主副回路存在交叉影響，所以必須按照一定的順序?qū)χ鞲笨刂破鬟M(jìn)行參數(shù)的整定。首先整定副回路，接著整定主回路。具體整定步驟如下。

1）斷開主回路，閉合副回路，按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法整定副回路控制器的參數(shù)。使得副回路燃燒室溫度能夠快速升高至200℃。

2）在整定完副回路控制器參數(shù)的基礎(chǔ)上，閉合主回路，保持副回路控制器參數(shù)不變，按照單回路控制器的整定方法整定主回路控制器參數(shù)。使得熱骨料溫度能夠盡量穩(wěn)定在180℃±5℃范圍內(nèi)。

3）保持主副回路閉合，在整定完主回路控制器參數(shù)的基礎(chǔ)上，再次調(diào)整副回路控制器參數(shù)。使得副回路能夠很好地匹配主回路工作，達(dá)到熱骨料溫度的控制要求。

4）初步完成一個(gè)循環(huán)，經(jīng)過前三步調(diào)整，整個(gè)溫度控制已達(dá)到控制要求。如果還未達(dá)到控制要求，返回2）繼續(xù)整定。

在上面四個(gè)步驟中，第一步整定副回路控制器參數(shù)一般按照經(jīng)驗(yàn)值法整定，參考值如表1所示。第二步整定主回路控制器參數(shù)一般按照經(jīng)驗(yàn)湊試法整定，參考值如表2所示［12～15］。

表2 主控制器參數(shù)整定參考值

5 結(jié)語(yǔ)

與常規(guī)瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)相比，本次設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制，增加一個(gè)回路，過程的動(dòng)態(tài)特性得到了大大的改善，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，控制更為及時(shí)。最終使熱骨料溫度穩(wěn)定在180℃±5℃的范圍內(nèi)，達(dá)到控制要求。