瀝青砂漿攪拌車高精度全自動配料控制的實現(xiàn)

1、瀝青砂漿攪拌車高精度全自動配料控制的實現(xiàn)         摘  要：根據(jù)瀝青砂漿車配料生產(chǎn)工藝，結(jié)合工程實際說明了如何依托于西門子S7-300 將SIWAREX U電子稱重模塊擴展成多配方、多物料的秤重系統(tǒng)，從而實現(xiàn)高精度、全自動的配料過程控制。關(guān)鍵詞：乳化瀝青；砂漿攪拌車；自動配料控制 中圖分類號：TU7  獻標識碼：A    文章編號：1674-098X(2010)07(b)-0000-001  引言高速鐵路無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿

2、（以下簡稱瀝青砂漿）是由水泥、乳化瀝青、砂、聚合物乳劑及各種小劑量添加劑通過專用攪拌設(shè)備按照一定的工藝混合而成，用作高速鐵路板式無砟軌道軌道板與混凝土底座之間的彈性墊層，其性能對軌道結(jié)構(gòu)的平順性、耐久性、列車運行的舒適性與安全性以及運營維護成本均有重大影響，是高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵工程結(jié)構(gòu)之一。瀝青砂漿的重要性決定了其配料精準性的要求。高精度全自動的配料已成為瀝青砂漿生產(chǎn)質(zhì)量控制重點。如何用性價比更高的配料儀表來實現(xiàn)高精度全自動配料系統(tǒng)的核心功能，是瀝青砂漿車研制技術(shù)中的關(guān)鍵問題。2  瀝青砂漿車配料控制系統(tǒng)的組成及工藝配方對系統(tǒng)的要求2.1 配料系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及工藝流程瀝青砂漿配料系統(tǒng)

3、分為低彈模和高彈模兩大類，其分別由7種原料按照不同重量配比組成，其配料系統(tǒng)的流程如圖1。 圖1 瀝青砂漿車配料系統(tǒng)流程圖1中，因大料、小料、添加劑所加的量分別為不同的數(shù)量級，要求的精度不一樣，因此將其分開計量。大料（水泥、細沙、A乳劑）共用一臺攪拌罐秤，采用順序累加計量方式；小料（水、P乳劑）、添加劑（減水劑、消泡劑、引氣劑）各對應(yīng)一臺秤，采用減重計量方法；攪拌罐秤和分計量斗秤采用三個點稱重傳感器模式，添加劑秤采用一個剪切梁稱重傳感器模式。這就對配料系統(tǒng)提出了“多物料”自動配料的要求。另外，為了提高瀝青砂漿車的適應(yīng)性，降低設(shè)備維護成本，瀝青砂漿車須滿足多配方自動配料要求，即滿足各種物

4、料配料順序的自由排序和攪拌轉(zhuǎn)速的無機變速。由于整個系統(tǒng)集成于集裝箱內(nèi)由汽車牽引行走，這就對配料系統(tǒng)提出了抗震和減震的要求，同時系統(tǒng)接地比較困難，這也對配料系統(tǒng)提出了抗干擾的要求。2.2 配料工藝的控制時序該系統(tǒng)要滿足20m3/班次砂漿拌制要求，也就是說每罐砂漿的輸料、稱量、攪拌應(yīng)保證在1015min以內(nèi)。水泥、細砂、A乳劑、水、P乳劑、減水劑、引氣劑計量裝置的動態(tài)計量精度：±1，消泡劑動態(tài)計量精度：±5克；且配料種類、順序和攪拌速度是連接在一起，但是通過我們對配料過程工藝內(nèi)各段的統(tǒng)籌控制，便完全可以實現(xiàn)這一工藝要求，見圖2。A乳劑P乳劑水混合材料（手動投料）一檔轉(zhuǎn)速（低速）

5、水泥細沙鋁粉（手動投料）引氣劑（減水劑）二檔轉(zhuǎn)速（中速）高速攪拌自動程序結(jié)束手動調(diào)速三檔轉(zhuǎn)速（高速）圖2 低彈模配料工藝控制如圖2所示，配料、稱料、攪拌控制既相互獨立的，又相互聯(lián)系。按配方工藝設(shè)定投料順序，根據(jù)配料量的增加，攪拌機速度逐漸提高，實現(xiàn)無級變速。稱重過程中，粗加料與精加料相結(jié)合，配料落差自動追蹤修正是確保高精度自動配料的重要措施。3  瀝青砂漿車配料控制系統(tǒng)主要硬件介紹3.1 SIWAREX U稱重模塊稱重模塊采用雙通道SIWAREX U，作為S7-300的特殊功能模塊，可以直接連接模擬量稱重傳感器信號（1mV/V -4mV/V）。轉(zhuǎn)換精度為0.05%，分辨率 16 位（

6、65,000內(nèi)分度），測量速率 50 次/秒，2 個串口可帶 4 路顯示，用SIWATOOLS 軟件調(diào)試和標定。  圖3 西門子稱重模塊及其校秤軟件界面 每個傳感器與它直接連接時不用經(jīng)過變送器或放大器轉(zhuǎn)換，因而可減小轉(zhuǎn)換誤差，大大提高稱重精度和檢測頻率。這種稱重模塊可以放在遠程分站上與PLC相連，因而避免了一般稱重系統(tǒng)傳感器的毫伏級信號與主機長距離連線，提高了稱重系統(tǒng)的抗干擾性，對系統(tǒng)變頻器多的工作環(huán)境更顯其優(yōu)越性。稱重模塊內(nèi)電路高度集成,有獨立的CPU系統(tǒng)，占用CPU的資源不大，對溫度、氣壓和濕度的變化不敏感，穩(wěn)定性高。 模塊稱重標定簡單，用PC機與模

7、塊RS-232通訊，標定一次成功，不用常規(guī)多次標定取平均值，去皮非常簡單，兩個通道還可分別同時設(shè)置上、下限報警值。該稱重模塊還可直接接數(shù)字顯示儀表，就地顯示稱重值。 稱重模塊采樣周期、分辨率和是否需濾波可靈活選擇。稱重模塊參數(shù)設(shè)置值可保存在PC機上。3.2 稱重傳感器稱重傳感器的測量采用應(yīng)變式原理，應(yīng)變片被固定在彈性體上。外力的作用導(dǎo)致彈性體發(fā)生變形（如圖4），彈性體上的應(yīng)變片隨之產(chǎn)生形變。由于應(yīng)變片外部形狀的變化，其電阻值會相應(yīng)發(fā)生變化。左上角和右下角應(yīng)變片被壓縮，電阻薄膜變短，阻值變小。右上角和左下角應(yīng)變片被拉伸，電阻薄膜變長，阻值變大。對于每只稱重傳感器，至少4個應(yīng)變片被連接在

8、一起組成一個惠斯通電橋。連在一起的應(yīng)變片被壓縮和拉伸產(chǎn)生的正負電阻的變化，從而形成電橋中的失衡標準的 SIWAREX稱重傳感器安裝模塊始終能夠精確的適應(yīng)各種傳感器安裝的要求，確保以最佳的方式將重量傳遞到稱重傳感器。同時安裝模塊可以方便傳感器的安裝，為稱重傳感器提供過載保護。多種安裝模塊使得 SIWAREX稱重技術(shù)可以滿足大多數(shù)  工業(yè)稱重應(yīng)用的要求，另外還可以提供專用安裝附件來滿足特殊稱重應(yīng)用。圖4 稱重傳感器工作原理圖3.3CPU313C-2DP的介紹CPU313C-2DP，24VDC 供電，32KB 工作內(nèi)存，帶PROFIBUS-DP 主/從接口，集成16DI/16DO

9、，PID、計數(shù)器，DI/DO 最大8192 點，AI/AO 最大512點，40針前連接器，靈活的擴展能力，多達 8 個模塊，內(nèi)置 MPI 接口最多可以同時 與 6個S7-300/400 或PG或PC或O P建立連接。在這些連接中，始終為 PG 和 OP 各保留一個連接。通過“全局數(shù)據(jù)通訊”，MPI最多可以建立16個由CPU組成的簡單網(wǎng)絡(luò)。用戶程序使用密碼保護，可防止非法訪問。  最后100個故障和中斷事件保存在該緩沖區(qū)中，供診斷使用。  免維護的數(shù)據(jù)后備，在斷電的情

10、況下，CPU自動地將保持數(shù)據(jù)寫到微存儲卡中，這樣，在再次通電時它能保持不變。STEP 7可用于對S7組態(tài)設(shè)置參數(shù)以及設(shè)置CPU的屬性和響應(yīng)參數(shù)；具有多點接口(MPI)能力的接口；4控制方案與具體方法為保證上位系統(tǒng)對其進行完全監(jiān)控（上位可監(jiān)視電機各狀態(tài)參數(shù)、電壓電流值和實際速度值等，能夠在上位任意修改電機各工段速度值進行控制），采用PLC與三套變頻器（主攪拌、斜螺旋、成品攪拌）進行通訊控制，除變頻器控制電機外，其它電機都通過PLC進行控制。PLC主控系統(tǒng)選用西門子S7-300（CPU313C-2DP），變頻器選用西門子440系列產(chǎn)品，變頻器與PLC通訊協(xié)議為PROFIBUS-DP。上位

11、組態(tài)軟件選用西門子WINCC6.2，上位系統(tǒng)與PLC之間采用MPI通訊方式。上位計算機選用研華15寸工業(yè)級IPPC-6152觸摸屏電腦。PLC和計算機系統(tǒng)配有UPS，防止斷電造成數(shù)據(jù)丟失，PLC開關(guān)量輸出端加繼電器進行隔離，設(shè)備的溫度和物位信息進入系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)整體來說由兩條通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，一條是傳動系統(tǒng)的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，一條是上位監(jiān)控系統(tǒng)MPI網(wǎng)絡(luò)。 圖5 瀝青砂漿車全自動控制系統(tǒng)原理圖稱重系統(tǒng)選用西門子稱重系統(tǒng)主要有稱重傳感器、稱重模塊和PLC組成。料罐或料斗的重量信息，通過稱重傳感器，傳遞到稱重模塊。稱重模塊根據(jù)這些信息及預(yù)先設(shè)定的配料程序，進行分析并作出相應(yīng)的處理。

12、稱重傳感器、稱重模塊和PLC控制器，便可組成獨立的控制程序。為方便人機界面交換，系統(tǒng)配置了計算機及WIN CC組態(tài)軟件，簡化設(shè)定及控制工作（例如配方設(shè)定、運行開關(guān)、警告監(jiān)察及記錄、打印報告等）。稱重模塊直接接入PLC，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理的安全性。攪拌罐秤、水和P乳劑秤的稱重傳感器選用“S”稱重傳感器，非常適合用于容器計量秤，雙向稱重或吊式容器稱重。不銹鋼材質(zhì)，適應(yīng)惡劣工況。添加劑秤的稱重傳感器選用剪切梁稱重傳感器，量程為20KG，不銹鋼材質(zhì)，防護等級IP66/IP68，此類傳感器特別適用于容器計量秤、料斗秤和臺秤。整個設(shè)備共有6臺秤： 1臺攪拌罐秤、2臺分計量斗秤、3臺添加劑秤。攪拌罐

13、秤和分計量斗秤分別選用三只稱重傳感器，添加劑秤選用一只稱重傳感器，需要三塊SIWAREX U稱重模塊(模塊選用雙通道)。稱量控制的核心部件是SIWAREX  U電子稱重模塊，稱重傳感器給出重量信號（mV模擬量信號）直接進入到SIWAREX U，其余的稱重過程由SIWAREX U分解完成（包括物料的精加、粗加轉(zhuǎn)換，落差計算與修正、超差報警、手動操作提示等）。而多配方的存儲與調(diào)用、多物料加料順序的控制、報表、報警的生成與管理等由S7-300 CPU來完成。SIWAREX U給出確定的動作信號到PLC的I/O卡，由PLC的I/O來控制電氣、設(shè)備。同樣，上位機IPPC-6152觸摸屏電腦通過WINCC6.2對SIWA