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瀝青冷再生技術(shù)是利用專用機械將舊瀝青路面經(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度，其生產(chǎn)過程幾乎不需要專用設備就可實現(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)速電機配料，設備運行時需要人工手動調(diào)節(jié)電 機轉(zhuǎn)速，配 料 精 度 低 而 且 實 時 性 較差，電能損耗大、電機運行效率較低，物料浪費比較嚴重。

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

１　 控制系統(tǒng)總體設計

瀝青冷再生攪拌站工藝流程如下：利用裝載機或者其他上料機具，將需要拌合的不同粒徑的骨料分別裝進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行稱量配料；在每個骨料斗壁上裝有振動器，當物料在料斗中起拱而影響配料時，啟動振動器進行破拱處理，保證給料機能夠連續(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)進行配料；為防止粉料倉結(jié)拱，考慮通過空氣壓縮機噴出的高壓氣體對粉料倉進行定時破拱；待配合的各種物料通過集料皮帶運輸機或螺旋輸送機輸送到攪拌機內(nèi)，在攪拌機物料入口上部設有液體噴頭，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：

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

（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)合軟件上的程序運算（ 給料量與流量之間的函數(shù)關系）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、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，上位機一旦損壞，設備仍可工作；軟件上采用容錯技術(shù)和抗干擾技術(shù)，實時自檢和修正數(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行動態(tài)管理，當錯誤操作或運行時，能顯示錯誤信息以便及時處理。

２　 硬件設計

２．１ 上位機系統(tǒng)

設計中選擇研華IPC－610工控機，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，可實現(xiàn)人機對話，與 PLC 系統(tǒng)進行數(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)讀入工控機中，實現(xiàn)模擬量的實時顯示、目標值的設定以及產(chǎn)生報警信息等。為保證控制系統(tǒng)的可靠性，工控機采用標準配置且內(nèi)裝光電隔離型８ 路 D/A 板和 I/O適配卡。上位機系統(tǒng)可滿足下列功能：

（１）提供設備運行動態(tài)顯示畫面、設備運行時間和參數(shù)設置畫面。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)供設計人員參考，以分析設備運行情況，進一步改進控制方案，提高系統(tǒng)運行效率。并可對故障設備及超越儀表設定值閃爍報警，提醒操作人員采取相應措施。

（４）可通過鍵盤（ 或鼠標）直接控制啟動或停止各類電機、變頻器等。

（５）進入和退出系統(tǒng)的口令保護。

２.２　 下位機系統(tǒng)

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

PLC硬件要求實現(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、變頻器電磁閥等設備的開停，各種工況的切換都由 PLC按照預先編制的程序自動生成，不需要操作人員的干預。運行時間和各種測量參數(shù)均可在線或離線調(diào)整，設備的運行情況也可以由上位機進行監(jiān)控，PLC對現(xiàn)場設備的開關量進行控制?？刂婆淞峡刂破骺梢栽O定成品料的配方，顯示各種物料的稱量值；當某種物料的料位計報警并顯示缺料時，所有物料停止供料；通過上位機操作界面中的設定或者直接修改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)設計增加了故障檢測、自鎖等多個保護環(huán)節(jié)，在運行過程中如遇到緊急情況，還可以手動按鍵操作進行干預。當上位機出現(xiàn)故障時，設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)設計中，考慮到實際生產(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。從實際調(diào)試過程看，供料電機運行速度變化范圍所對應變頻器輸出頻率范圍為５～60Hz ，調(diào)節(jié)步長為0.1Hz ，可滿足實際需要。

變頻器的控制過程如下：貯料倉（ 骨料斗、粉倉、水箱或瀝青箱）中的物料通過變頻調(diào)速的輸送機，輸送到集料機上（ 或拌缸中） ，測速傳感器檢測給料電機的轉(zhuǎn)速，發(fā)出脈沖信號傳送給工控機。工控機對反饋數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)與標準設定值進行校準，并利用 PID 算法產(chǎn)生相應的電流信號（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，對料倉進行監(jiān)測。電機驅(qū)動電路負責將電機接入電源電路，通過改變變頻器的頻率來調(diào)整該種物料的配料流量。當 PLC控制出現(xiàn)故障或人為切除時，上位機運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)與標準設定值進行對比。

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

３　 軟件設計

３.１　PLC程序設計

３.１.１　 工作流程和功能

攪拌站設備主要部件操作順序為：

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

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

（３）給料機、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程序設計要求

攪拌站設備PLC程序設計要求如下：

（１）自動運行時，系統(tǒng)按照警報電鈴（10s）→空壓機（延時5s ）→ 斜皮帶機（延時３ｓ）→攪拌缸星型啟動（延時８ｓ）轉(zhuǎn)三角運轉(zhuǎn)（延時５ｓ）→集料皮帶機＋ 粉料螺旋輸送器（延時５ｓ）→瀝青泵＋骨料給料機＋粉料計量螺旋輸送器＋計量水泵（延時５ｓ）→ 微機配料系統(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）停止運行時，系統(tǒng)按照微機配料系統(tǒng)（延時３ｓ）→瀝青泵＋骨料給料機＋粉料計量螺旋輸送器＋計量水泵（延時３ｓ）→集料皮帶機＋粉料螺旋輸送器（延時１０ｓ）→攪拌缸（延時２０ｓ）→斜皮帶機（延時１０ｓ）→ 空壓機的順序依次停止。

（３）手動操作時，各功能部件能獨立啟動和停止。

（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，當水泥流量不足或低于設定值時，該裝置輸出開關信號，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）成品倉門可按設定時間自動卸料。

（８）緊急開關動作時，各運行部件全部斷電，整機停止運行。

（９）對負載較大的主要部件如攪拌缸、皮帶機、螺旋等有過載保護。

３.１.３　PLC程序設計

按照上述PLC程序設計要求，進行設備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)控軟件設計

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)采用工控機＋工業(yè)級板卡的方案。工控機運行由“ 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，工控機通過與板卡的通訊來實現(xiàn)對廠拌站各路輸入輸出信號的控制。監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)下面３ 種功能：① 重現(xiàn)現(xiàn)場工藝流程，并進行實時數(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，需要實時監(jiān)測的參數(shù)包括采集自５個骨料配料機和１個粉料供給機的物料重量和物料傳送速度，以及各種配料的實際／設定流量、累計量、各配料設備的運行狀態(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。

在實際生產(chǎn)過程中，需要對生產(chǎn)過程進行統(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)進行統(tǒng)計和報表打印。

（３）配方管理。

配方是進行配料控制的重要指標，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定流量，實現(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

按照瀝青路面的設計壽命（15～20年） ，我國在 20 世紀90 年代陸續(xù)建成的高速公路已進入大、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3.5億元［３］，因此瀝青冷再生攪拌設備市場效益潛力巨大。

采用FX2NPLC的瀝青冷再生攪拌設備提高了生產(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)達到設計要求：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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