瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)設計*

江勇 潘豐

（江南大學輕工過程先進控制教育部重點實驗室 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)高質量瀝青混合料的關鍵因素之一，整個瀝青混合料攪拌過程對于熱骨料溫度的控制非常嚴格［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量：熱骨料溫度過低，最終瀝青混合料的溫度也會降低，影響攤鋪和碾壓質量，造成拌和不均勻和碾壓困難的情況；熱骨料溫度過高，瀝青混合料則會過熱老化，粘結力降低，攤鋪后離析現(xiàn)象嚴重［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。

本次設計時，將原先的單回路溫度控制系統(tǒng)改進為溫度串級控制系統(tǒng)，加快溫度響應速度、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)總體結構設計和控制要求

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)格的石料裝入對應的冷骨料倉內(nèi)，經(jīng)過平皮帶、斜皮帶運送到干燥滾筒內(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，由于滾筒的轉動，冷骨料被桶內(nèi)的葉片反復提升、落下，使冷骨料與熱空氣充分接觸，增強了換熱的效果；干燥滾筒存在一定的傾角，冷骨料在加熱的同時不斷地向前移動；從滾筒出口出來后，由熱股骨料提升機提起，卸入到熱骨料篩分機中，篩分后裝入熱骨料倉內(nèi)，按照設定的順序和配比逐個由骨料計量秤稱量；礦粉由礦粉提升機放入礦粉倉中，然后由礦粉計量秤稱量；瀝青由瀝青泵打到瀝青罐中，由瀝青計量秤稱量。3種原料計量完畢后，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。

瀝青混合料攪拌站采用燃油燃燒器對冷骨料加熱。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)定的運行的基礎上，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)總體結構設計

干燥滾筒是一個大滯后的對象，采用單回路控制系統(tǒng)不能及時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)采用串級控制，以燃燒室溫度控制作為副回路，減小滯后對熱骨料溫度的影響，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）串級控制系統(tǒng)主回路設計

串級控制系統(tǒng)的主回路是一個定值控制系統(tǒng)，

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

2）串級控制系統(tǒng)副回路設計

串級控制系統(tǒng)的副回路是一個隨動控制系統(tǒng)，副回路包含副控制對象，副控制器和執(zhí)行器。本次設計的副控制對象是燃燒室溫度；副控制器采用P控制器，因為積分和微分的引入會使得變頻器的動作太大，不利于整個系統(tǒng)的控制；執(zhí)行器為油泵變頻器。

3）串級控制系統(tǒng)主副回路的匹配

在串級控制系統(tǒng)的設計過程中，主副回路的設計只有匹配得當，才能使串級控制系統(tǒng)發(fā)揮最好的作用。當主回路熱骨料溫度高于骨料溫度設定值時，為了提高響應速度，首先副回路粗調(diào)，減少油泵變頻器頻率，降低燃燒室溫度；然后主回路細調(diào)，以確保熱骨料溫度達到控制要求。當熱骨料溫度低于骨料溫度設定值時，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)測報警：當溫度過高或者過低時報警；當變頻器發(fā)生故障時報警等。

3 瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)硬件設計

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)結構如圖3所示。PLC的數(shù)字量輸入主要包括電機啟動的反饋點、變頻器故障點；數(shù)字量輸出主要包括電機的啟停點；模擬量輸入主要包括溫度檢測和電流檢測；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)結構圖

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，燃燒室溫度的測量和熱骨料溫度的測量非常關鍵，溫度傳感器的選擇是溫度測量的第一步，也是直接影響系統(tǒng)控制性能與效果的最重要因素之一。兩個溫度的測量范圍以及放置位置存在很大的差異，所以需根據(jù)實際要求分別選型。

燃燒器工作時燃燒室內(nèi)溫度是非常高的，燃燒室溫度不能接觸測量，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）測溫精度：±1℃

（3）輸出信號：4mA～20mA

4）熱骨料從干燥滾筒內(nèi)出來后經(jīng)皮帶運送至熱骨料提升機，所以熱骨料溫度測量傳感器可以安裝在皮帶上對熱骨料溫度進行測量，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）測量精度：±0.1℃

（3）輸出信號：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的電阻信號轉化為4mA～20mA的電流信號輸出。

4 瀝青混合料攪拌站熱骨料溫度控制系統(tǒng)軟件設計

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)硬件的選型來進行組態(tài)。

4.1 溫度采集模塊變換

CPU只能以二進制的形式處理模擬量，根據(jù)測量的方法的不同，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)轉換功能，可以將模擬量輸入信號轉換為CPU可以處理的數(shù)字量輸出信號。模擬量采集程序就是根據(jù)采集到的數(shù)值進行計算得到模擬量實際值。

本系統(tǒng)溫度采集過程中，首先，檢測熱骨料溫度的PT100鉑電阻型溫度傳感器將檢測到的電阻值發(fā)送給電阻溫度變送器，電阻溫度變送器將電阻信號轉為4mA～20mA的標準電流信號輸出，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的標準電流信號轉化為CPU可以處理的數(shù)字量，然后經(jīng)過程序的處理可以計算得到模擬量的實際值。CPU接收到SM1231模擬量模塊轉化的數(shù)字量信號，然后通過程序進行一系列的處理得到模擬量的實際值。如圖4所示，首先要對接收到的數(shù)字量信號進行判斷及上下限保護，如果數(shù)字量信號小于等于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換功能塊FC2進行數(shù)值轉換，F(xiàn)C2功能塊就是接收一個整型值，利用公式將其轉化為介于工程量上限和下限之間的實型值，將結果寫入Ret_Val。功能塊FC2中轉換公式如式（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的電流信號轉換為0-27648的數(shù)字量信號，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，這樣運算就可以在熱骨料溫度顯示值出現(xiàn)斜率偏差或者零點漂移時進行相應的調(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)設計中，采用PID控制；主副回路分別有一個PID功能塊，主回路PID模塊的輸出是副回路PID模塊的輸入從而構成了一個串級控制回路。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對主副控制器進行參數(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，達到熱骨料溫度的控制要求。

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

在上面四個步驟中，第一步整定副回路控制器參數(shù)一般按照經(jīng)驗值法整定，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 結語

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