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瀝青冷再生技術(shù)是利用專用機(jī)械將舊瀝青路面經(jīng)過翻挖、回收、破碎、篩分等方法處理后，與再生劑、新瀝青、新集料等按一定比例重新拌合成混合料，能夠滿足一定的路用性能，并重新鋪筑于路面的一整套工藝［１］。該技術(shù)不但能充分利用廢棄材料中的舊瀝青，而且還會在一定程度上增加混合料的抗壓強(qiáng)度，其生產(chǎn)過程幾乎不需要專用設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)。瀝青冷再生攪拌技術(shù)能夠充分利用舊路面的廢棄材料，解決廢棄材料對環(huán)境的污染問題。該項(xiàng)技術(shù)在國外已經(jīng)比較成熟，而在我國仍然處于初級階段。目前國內(nèi)生產(chǎn)的瀝青混合料冷再生攪拌站控制系統(tǒng)中大都采用開環(huán)控制的電磁調(diào)速電機(jī)配料，設(shè)備運(yùn)行時需要人工手動調(diào)節(jié)電 機(jī)轉(zhuǎn)速，配 料 精 度 低 而 且 實(shí) 時 性 較差，電能損耗大、電機(jī)運(yùn)行效率較低，物料浪費(fèi)比較嚴(yán)重。

本文根據(jù)瀝青冷再生攪拌站工藝控制的要求，設(shè)計了控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。采用工控機(jī)作為上位機(jī)，以ＦＸ２Ｎ系列ＰＬＣ作為下位機(jī)，提出了一種ＰＬＣ與工控機(jī)相結(jié)合，并采用組態(tài)軟件作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的瀝青冷再生攪拌站控制系統(tǒng)設(shè)計方案。

１　 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

瀝青冷再生攪拌站工藝流程如下：利用裝載機(jī)或者其他上料機(jī)具，將需要拌合的不同粒徑的骨料分別裝進(jìn)４ 個配料斗中，通過電子皮帶秤分別對各種骨料按施工要求的配合比進(jìn)行稱量配料；在每個骨料斗壁上裝有振動器，當(dāng)物料在料斗中起拱而影響配料時，啟動振動器進(jìn)行破拱處理，保證給料機(jī)能夠連續(xù)均勻地配料；采用氣力輸送裝置把粉料輸送到粉料貯倉中，然后通過螺旋計量系統(tǒng)進(jìn)行配料；為防止粉料倉結(jié)拱，考慮通過空氣壓縮機(jī)噴出的高壓氣體對粉料倉進(jìn)行定時破拱；待配合的各種物料通過集料皮帶運(yùn)輸機(jī)或螺旋輸送機(jī)輸送到攪拌機(jī)內(nèi)，在攪拌機(jī)物料入口上部設(shè)有液體噴頭，根據(jù)混合前各種物料的含水量情況，供水系統(tǒng)噴加適量的水，以調(diào)整混合料的含水量，使之達(dá)到工藝所需的要求。拌合好的成品經(jīng)成品料皮帶送至成品料倉暫存，倉底部有可控的斗門供卸料用。工藝流程如圖１ 所示。

根據(jù)瀝青冷再生攪拌站對配料和攪拌工藝的要求，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖２所示。該控制系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（１）邏輯（順序）控制占多數(shù)，主要是設(shè)備的邏輯啟停、保護(hù)。系統(tǒng)回路是一個多輸入、多輸出、純滯后、強(qiáng)時變的對象模型。

（２）該系統(tǒng)物料配比精度較高，且采用連續(xù)強(qiáng)制式攪拌工藝，故要求配料系統(tǒng)均勻、連續(xù)給料。配料系統(tǒng)中采用ＰＩＤ數(shù)字控制算法來協(xié)調(diào)各被控量的變化，其中，骨料采用皮帶秤稱重計量的方式，能夠?qū)橇系牧髁孔鞒隹焖僬{(diào)整；粉料采用螺旋連續(xù)稱重計量方式，螺旋秤上配有傳感器，可將反映粉料瞬時流量的重量檢測信號反饋；水和乳化瀝青采用容積式計量方式，即檢測二者的容積流量，結(jié)合軟件上的程序運(yùn)算（ 給料量與流量之間的函數(shù)關(guān)系）來計量物料的重量。

（３）該控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比，硬件上具有斷電保護(hù)、故障報警以及防塵、防電磁干擾、防雷擊功能，控制與管理分開，上位機(jī)一旦損壞，設(shè)備仍可工作；軟件上采用容錯技術(shù)和抗干擾技術(shù)，實(shí)時自檢和修正數(shù)據(jù)，完善的數(shù)據(jù)庫功能和打印功能，配合物料倉上、下料位計對物料容量實(shí)行動態(tài)管理，當(dāng)錯誤操作或運(yùn)行時，能顯示錯誤信息以便及時處理。

２　 硬件設(shè)計

２．１ 上位機(jī)系統(tǒng)

設(shè)計中選擇研華IPC－610工控機(jī)，CPU為InterP4 ，主頻 1800MHz ，配置內(nèi)存容量256M，硬盤容量80G 。研華IPC-610性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，與 PLC 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和交換，將外部輸入的參數(shù)寫入PLC 系統(tǒng)，也可將 PLC 系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)讀入工控機(jī)中，實(shí)現(xiàn)模擬量的實(shí)時顯示、目標(biāo)值的設(shè)定以及產(chǎn)生報警信息等。為保證控制系統(tǒng)的可靠性，工控機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)配置且內(nèi)裝光電隔離型８ 路 D/A 板和 I/O適配卡。上位機(jī)系統(tǒng)可滿足下列功能：

（１）提供設(shè)備運(yùn)行動態(tài)顯示畫面、設(shè)備運(yùn)行時間和參數(shù)設(shè)置畫面。建立用戶數(shù)據(jù)庫和配方數(shù)據(jù)庫，并可編輯；建立工作報表數(shù)據(jù)庫，并可打印。

（２）根據(jù)物料的物理特性，上位機(jī)程序中對不同的物料采用不同的數(shù)字PID 控制算法，其中乳化瀝青采用積分分離的 PID控制算法，水、骨料、粉料采用PI控制算法 ［2］ 。

（３）系統(tǒng)主要參數(shù)和報警信號記錄。記錄數(shù)據(jù)供設(shè)計人員參考，以分析設(shè)備運(yùn)行情況，進(jìn)一步改進(jìn)控制方案，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。并可對故障設(shè)備及超越儀表設(shè)定值閃爍報警，提醒操作人員采取相應(yīng)措施。

（４）可通過鍵盤（ 或鼠標(biāo)）直接控制啟動或停止各類電機(jī)、變頻器等。

（５）進(jìn)入和退出系統(tǒng)的口令保護(hù)。

２.２　 下位機(jī)系統(tǒng)

采用FX2N 系列PLC 作為下位機(jī)。根據(jù)攪拌站的工藝流程及實(shí)際需求，整個PLC控制系統(tǒng)共有67個輸入點(diǎn)、 55個輸出點(diǎn)，考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展留有少量冗余，因此選用FX2N－128MR PLC和FX2N－16EX擴(kuò)展模塊各１塊。

PLC硬件要求實(shí)現(xiàn)手動操作、調(diào)整操作和全自動操作，前兩種方式一般只是在設(shè)備調(diào)試或維修時候使用，系統(tǒng)主要以全自動操作方式為主。這種方式下，各種電機(jī)、變頻器電磁閥等設(shè)備的開停，各種工況的切換都由 PLC按照預(yù)先編制的程序自動生成，不需要操作人員的干預(yù)。運(yùn)行時間和各種測量參數(shù)均可在線或離線調(diào)整，設(shè)備的運(yùn)行情況也可以由上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，PLC對現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)量進(jìn)行控制?？刂婆淞峡刂破骺梢栽O(shè)定成品料的配方，顯示各種物料的稱量值；當(dāng)某種物料的料位計報警并顯示缺料時，所有物料停止供料；通過上位機(jī)操作界面中的設(shè)定或者直接修改PLC 寄存器的值，可以按照要求任意修改攪拌時間。其中，瀝青流量控制是一個重要的環(huán)節(jié)，為確保安全性，系統(tǒng)設(shè)計增加了故障檢測、自鎖等多個保護(hù)環(huán)節(jié)，在運(yùn)行過程中如遇到緊急情況，還可以手動按鍵操作進(jìn)行干預(yù)。當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)故障時，設(shè)備在不改變原有物料配方的前提下仍可由PLC控制正常工作。

２.３　 變頻器

控制系統(tǒng)設(shè)計中，考慮到實(shí)際生產(chǎn)的工藝流程以及工程需要，變頻器選用FR－A500變頻器，其面板數(shù)字控制用于調(diào)試過程或手動調(diào)節(jié)，在自動控制工作模式時，采用端子電流控制方式?？蛇x用具有４～20mA電流輸出的D/A 轉(zhuǎn)換板，輸出直接與變頻器電流控制端子相連。從實(shí)際調(diào)試過程看，供料電機(jī)運(yùn)行速度變化范圍所對應(yīng)變頻器輸出頻率范圍為５～60Hz ，調(diào)節(jié)步長為0.1Hz ，可滿足實(shí)際需要。

變頻器的控制過程如下：貯料倉（ 骨料斗、粉倉、水箱或?yàn)r青箱）中的物料通過變頻調(diào)速的輸送機(jī)，輸送到集料機(jī)上（ 或拌缸中） ，測速傳感器檢測給料電機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)出脈沖信號傳送給工控機(jī)。工控機(jī)對反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值進(jìn)行校準(zhǔn)，并利用 PID 算法產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號（４～20mA）傳送給變頻器，變頻器根據(jù)信號產(chǎn)生一個執(zhí)行量 （ 輸出頻率） ，以此控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整貯料倉的出料量。貯料倉狀態(tài)檢測及控制接口檢測各種貯料倉的出料情況，對料倉進(jìn)行監(jiān)測。電機(jī)驅(qū)動電路負(fù)責(zé)將電機(jī)接入電源電路，通過改變變頻器的頻率來調(diào)整該種物料的配料流量。當(dāng) PLC控制出現(xiàn)故障或人為切除時，上位機(jī)運(yùn)行界面上的變頻器圖案出現(xiàn)紅色，并發(fā)出報警；此時，操作人員可以切換到手動方式，使用變頻器操作面板或者旋鈕式電位器手動調(diào)節(jié)變頻器的輸出功率，并根據(jù)測速傳感器反饋數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值進(jìn)行對比。

變頻器的使用降低了交流電源的供電質(zhì)量，對計算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生高頻干擾，嚴(yán)重時會造成控制系統(tǒng)無法正常工作，因此，控制系統(tǒng)應(yīng)采用交流凈化電源單獨(dú)供電。

３　 軟件設(shè)計

３.１　PLC程序設(shè)計

３.１.１　 工作流程和功能

攪拌站設(shè)備主要部件操作順序?yàn)椋?/span>

（１）啟動運(yùn)轉(zhuǎn)操作順序：空氣壓縮機(jī)啟動→ 斜皮帶機(jī)啟動 → 攪拌缸啟動 → 集料皮帶機(jī)啟動 → 粉料輸送螺旋機(jī)啟動 → 瀝青泵、骨料給料機(jī)、計量水泵啟動→ 粉料計量螺旋啟動 → 配料控制系統(tǒng)啟動。

（２）停止運(yùn)行操作順序：配料控制系統(tǒng)停→ 瀝青泵、骨料給料機(jī)停 → 計量水泵停 → 粉料計量螺旋停 → 集料皮帶機(jī)停 → 粉料輸送螺旋機(jī)停 → 攪拌缸停→ 斜皮帶機(jī)停 → 空氣壓縮機(jī)停。

（３）給料機(jī)、計量水泵、粉料計量螺旋啟動后，轉(zhuǎn)速由配料控制系統(tǒng)控制。

３.１.２　PLC程序設(shè)計要求

攪拌站設(shè)備PLC程序設(shè)計要求如下：

（１）自動運(yùn)行時，系統(tǒng)按照警報電鈴（10s）→空壓機(jī)（延時5s ）→ 斜皮帶機(jī)（延時３ｓ）→攪拌缸星型啟動（延時８ｓ）轉(zhuǎn)三角運(yùn)轉(zhuǎn)（延時５ｓ）→集料皮帶機(jī)＋ 粉料螺旋輸送器（延時５ｓ）→瀝青泵＋骨料給料機(jī)＋粉料計量螺旋輸送器＋計量水泵（延時５ｓ）→ 微機(jī)配料系統(tǒng)的順序，依次啟動。攪拌缸啟動采用星－三角降壓啟動（延時８ｓ）。

（２）停止運(yùn)行時，系統(tǒng)按照微機(jī)配料系統(tǒng)（延時３ｓ）→瀝青泵＋骨料給料機(jī)＋粉料計量螺旋輸送器＋計量水泵（延時３ｓ）→集料皮帶機(jī)＋粉料螺旋輸送器（延時１０ｓ）→攪拌缸（延時２０ｓ）→斜皮帶機(jī)（延時１０ｓ）→ 空壓機(jī)的順序依次停止。

（３）手動操作時，各功能部件能獨(dú)立啟動和停止。

（４）加裝無料測試裝置，骨料倉無料輸出或出料流量達(dá)不到要求時，振動器自行投入使用。

（５）加裝水泥流量測試裝置，當(dāng)水泥流量不足或低于設(shè)定值時，該裝置輸出開關(guān)信號，使水泥破拱裝置自動投入使用。

（６）根據(jù)水池水位自動調(diào)節(jié)供水，保證供水穩(wěn)定。

（７）成品倉門可按設(shè)定時間自動卸料。

（８）緊急開關(guān)動作時，各運(yùn)行部件全部斷電，整機(jī)停止運(yùn)行。

（９）對負(fù)載較大的主要部件如攪拌缸、皮帶機(jī)、螺旋等有過載保護(hù)。

３.１.３　PLC程序設(shè)計

按照上述PLC程序設(shè)計要求，進(jìn)行設(shè)備PLC編程，其部分編程界面如圖３所示。

３.２　 基于 “ 組態(tài)王”的監(jiān)控軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)采用工控機(jī)＋工業(yè)級板卡的方案。工控機(jī)運(yùn)行由“ 組態(tài)王”開發(fā)的監(jiān)控軟件，工業(yè)級板卡用作外部信號的輸入輸出接口，工控機(jī)通過與板卡的通訊來實(shí)現(xiàn)對廠拌站各路輸入輸出信號的控制。監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)下面３ 種功能：① 重現(xiàn)現(xiàn)場工藝流程，并進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集和配比控制； ②生產(chǎn)情況查詢，可通過歷史報表了解一段時間內(nèi)的配料生產(chǎn)情況； ③工藝參數(shù)配置，包括配方管理和系統(tǒng)參數(shù)的修改等。監(jiān)控系統(tǒng)主要分為以下幾個部分：

（１）主控界面。

主控界面的作用是模擬瀝青冷再生攪拌站生產(chǎn)工藝流程，并實(shí)時監(jiān)測生產(chǎn)過程中的各重要參數(shù)信息。在該生產(chǎn)流程中，需要實(shí)時監(jiān)測的參數(shù)包括采集自５個骨料配料機(jī)和１個粉料供給機(jī)的物料重量和物料傳送速度，以及各種配料的實(shí)際／設(shè)定流量、累計量、各配料設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。由于參數(shù)量較多，在主控界面中，選擇用報表的方式顯示各種信息。

（２）歷史報表管理。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要對生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)計、分析，使操作人員能夠及時掌握生產(chǎn)情況，歷史報表往往是一個有效的工具。系統(tǒng)設(shè)計了兩種歷史報表：日報表和故障報表。日報表記錄每天各種配料的用量和生產(chǎn)穩(wěn)定土的產(chǎn)量；故障報表則記錄一段時間內(nèi)生產(chǎn)過程中發(fā)生的各種故障信息?；?ldquo;組態(tài)王”的歷史報表模板可設(shè)計兩張報表格式，同時利用開發(fā)系統(tǒng)提供的報表函數(shù)，還可對報表數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和報表打印。

（３）配方管理。

配方是進(jìn)行配料控制的重要指標(biāo)，監(jiān)控系統(tǒng)在啟動生產(chǎn)前必須先獲得配方，才能根據(jù)生產(chǎn)總量得到各種配料的設(shè)定流量，實(shí)現(xiàn)配比控制。該模塊提供創(chuàng)建新配方及修改、刪除已有配方等功能，并可通過柱狀圖清楚直觀地查看各配方的配比情況。它具有保存上一次配方的功能，如果在下一次生產(chǎn)之前并沒有重新選擇配方，則系統(tǒng)將自動調(diào)入最后一次生產(chǎn)所使用的配方，可有效地避免因操作人員的疏忽而造成生產(chǎn)事故。

４　 結(jié)束語

按照瀝青路面的設(shè)計壽命（15～20年） ，我國在 20 世紀(jì)90 年代陸續(xù)建成的高速公路已進(jìn)入大、中修期，現(xiàn)在每年有12％ 的瀝青路面需要翻修，利用廢棄的舊瀝青，每年可節(jié)省材料費(fèi)3.5億元［３］，因此瀝青冷再生攪拌設(shè)備市場效益潛力巨大。

采用FX2NPLC的瀝青冷再生攪拌設(shè)備提高了生產(chǎn)效率、配料精度以及產(chǎn)品整體檔次，節(jié)約了生產(chǎn)成本，保證了設(shè)備工作的可靠性。裝有控制系統(tǒng)的ARC300 型瀝青冷再生攪拌設(shè)備已由滬寧高速公路鎮(zhèn)江管理處在其施工路段投入使用，應(yīng)用后檢測結(jié)果表明，攪拌的成品料瀝青裹附性良好，控制系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求：骨料集料誤差小于３％ ，水泥石灰穩(wěn)定劑誤差小于１％，供水系統(tǒng)誤差小于１％ ，乳化瀝青誤差小于0.5％ 。

 

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