沥青冷再生技术是利用专用机械将旧沥青路面经过翻挖、回收、破碎、筛分等方法处理后，与再生剂、新沥青、新集料等按一定比例重新拌合成混合料，能够满足一定的路用性能，并重新铺筑于路面的一整套工艺［１］。该技术不但能充分利用废弃材料中的旧沥青，而且还会在一定程度上增加混合料的抗压强度，其生产过程几乎不需要专用设备就可实现。沥青冷再生搅拌技术能够充分利用旧路面的废弃材料，解决废弃材料对环境的污染问题。该项技术在国外已经比较成熟，而在我国仍然处于初级阶段。目前国内生产的沥青混合料冷再生搅拌站控制系统中大都采用开环控制的电磁调速电机配料，设备运行时需要人工手动调节电 机转速，配 料 精 度 低 而 且 实 时 性 较差，电能损耗大、电机运行效率较低，物料浪费比较严重。

本文根据沥青冷再生搅拌站工艺控制的要求，设计了控制系统总体结构图。采用工控机作为上位机，以ＦＸ２Ｎ系列ＰＬＣ作为下位机，提出了一种ＰＬＣ与工控机相结合，并采用组态软件作为上位机监控系统的沥青冷再生搅拌站控制系统设计方案。

１　 控制系统总体设计

沥青冷再生搅拌站工艺流程如下：利用装载机或者其他上料机具，将需要拌合的不同粒径的骨料分别装进４ 个配料斗中，通过电子皮带秤分别对各种骨料按施工要求的配合比进行称量配料；在每个骨料斗壁上装有振动器，当物料在料斗中起拱而影响配料时，启动振动器进行破拱处理，保证给料机能够连续均匀地配料；采用气力输送装置把粉料输送到粉料贮仓中，然后通过螺旋计量系统进行配料；为防止粉料仓结拱，考虑通过空气压缩机喷出的高压气体对粉料仓进行定时破拱；待配合的各种物料通过集料皮带运输机或螺旋输送机输送到搅拌机内，在搅拌机物料入口上部设有液体喷头，根据混合前各种物料的含水量情况，供水系统喷加适量的水，以调整混合料的含水量，使之达到工艺所需的要求。拌合好的成品经成品料皮带送至成品料仓暂存，仓底部有可控的斗门供卸料用。工艺流程如图１ 所示。

根据沥青冷再生搅拌站对配料和搅拌工艺的要求，控制系统结构如图２所示。该控制系统有以下特点：

（１）逻辑（顺序）控制占多数，主要是设备的逻辑启停、保护。系统回路是一个多输入、多输出、纯滞后、强时变的对象模型。

（２）该系统物料配比精度较高，且采用连续强制式搅拌工艺，故要求配料系统均匀、连续给料。配料系统中采用ＰＩＤ数字控制算法来协调各被控量的变化，其中，骨料采用皮带秤称重计量的方式，能够对骨料的流量作出快速调整；粉料采用螺旋连续称重计量方式，螺旋秤上配有传感器，可将反映粉料瞬时流量的重量检测信号反馈；水和乳化沥青采用容积式计量方式，即检测二者的容积流量，结合软件上的程序运算（ 给料量与流量之间的函数关系）来计量物料的重量。

（３）该控制系统与其他系统相比，硬件上具有断电保护、故障报警以及防尘、防电磁干扰、防雷击功能，控制与管理分开，上位机一旦损坏，设备仍可工作；软件上采用容错技术和抗干扰技术，实时自检和修正数据，完善的数据库功能和打印功能，配合物料仓上、下料位计对物料容量实行动态管理，当错误操作或运行时，能显示错误信息以便及时处理。

２　 硬件设计

２．１ 上位机系统

设计中选择研华IPC－610工控机，CPU为InterP4 ，主频 1800MHz ，配置内存容量256M，硬盘容量80G 。研华IPC-610性能稳定，可实现人机对话，与 PLC 系统进行数据传送和交换，将外部输入的参数写入PLC 系统，也可将 PLC 系统内部数据读入工控机中，实现模拟量的实时显示、目标值的设定以及产生报警信息等。为保证控制系统的可靠性，工控机采用标准配置且内装光电隔离型８ 路 D/A 板和 I/O适配卡。上位机系统可满足下列功能：

（１）提供设备运行动态显示画面、设备运行时间和参数设置画面。建立用户数据库和配方数据库，并可编辑；建立工作报表数据库，并可打印。

（２）根据物料的物理特性，上位机程序中对不同的物料采用不同的数字PID 控制算法，其中乳化沥青采用积分分离的 PID控制算法，水、骨料、粉料采用PI控制算法 ［2］ 。

（３）系统主要参数和报警信号记录。记录数据供设计人员参考，以分析设备运行情况，进一步改进控制方案，提高系统运行效率。并可对故障设备及超越仪表设定值闪烁报警，提醒操作人员采取相应措施。

（４）可通过键盘（ 或鼠标）直接控制启动或停止各类电机、变频器等。

（５）进入和退出系统的口令保护。

２.２　 下位机系统

采用FX2N 系列PLC 作为下位机。根据搅拌站的工艺流程及实际需求，整个PLC控制系统共有67个输入点、 55个输出点，考虑到系统的扩展留有少量冗余，因此选用FX2N－128MR PLC和FX2N－16EX扩展模块各１块。

PLC硬件要求实现手动操作、调整操作和全自动操作，前两种方式一般只是在设备调试或维修时候使用，系统主要以全自动操作方式为主。这种方式下，各种电机、变频器电磁阀等设备的开停，各种工况的切换都由 PLC按照预先编制的程序自动生成，不需要操作人员的干预。运行时间和各种测量参数均可在线或离线调整，设备的运行情况也可以由上位机进行监控，PLC对现场设备的开关量进行控制。控制配料控制器可以设定成品料的配方，显示各种物料的称量值；当某种物料的料位计报警并显示缺料时，所有物料停止供料；通过上位机操作界面中的设定或者直接修改PLC 寄存器的值，可以按照要求任意修改搅拌时间。其中，沥青流量控制是一个重要的环节，为确保安全性，系统设计增加了故障检测、自锁等多个保护环节，在运行过程中如遇到紧急情况，还可以手动按键操作进行干预。当上位机出现故障时，设备在不改变原有物料配方的前提下仍可由PLC控制正常工作。

２.３　 变频器

控制系统设计中，考虑到实际生产的工艺流程以及工程需要，变频器选用FR－A500变频器，其面板数字控制用于调试过程或手动调节，在自动控制工作模式时，采用端子电流控制方式。可选用具有４～20mA电流输出的D/A 转换板，输出直接与变频器电流控制端子相连。从实际调试过程看，供料电机运行速度变化范围所对应变频器输出频率范围为５～60Hz ，调节步长为0.1Hz ，可满足实际需要。

变频器的控制过程如下：贮料仓（ 骨料斗、粉仓、水箱或沥青箱）中的物料通过变频调速的输送机，输送到集料机上（ 或拌缸中） ，测速传感器检测给料电机的转速，发出脉冲信号传送给工控机。工控机对反馈数据进行处理，将数据与标准设定值进行校准，并利用 PID 算法产生相应的电流信号（４～20mA）传送给变频器，变频器根据信号产生一个执行量 （ 输出频率） ，以此控制电机的转速，调整贮料仓的出料量。贮料仓状态检测及控制接口检测各种贮料仓的出料情况，对料仓进行监测。电机驱动电路负责将电机接入电源电路，通过改变变频器的频率来调整该种物料的配料流量。当 PLC控制出现故障或人为切除时，上位机运行界面上的变频器图案出现红色，并发出报警；此时，操作人员可以切换到手动方式，使用变频器操作面板或者旋钮式电位器手动调节变频器的输出功率，并根据测速传感器反馈数据与标准设定值进行对比。

变频器的使用降低了交流电源的供电质量，对计算机系统产生高频干扰，严重时会造成控制系统无法正常工作，因此，控制系统应采用交流净化电源单独供电。

３　 软件设计

３.１　PLC程序设计

３.１.１　 工作流程和功能

搅拌站设备主要部件操作顺序为：

（１）启动运转操作顺序：空气压缩机启动→ 斜皮带机启动 → 搅拌缸启动 → 集料皮带机启动 → 粉料输送螺旋机启动 → 沥青泵、骨料给料机、计量水泵启动→ 粉料计量螺旋启动 → 配料控制系统启动。

（２）停止运行操作顺序：配料控制系统停→ 沥青泵、骨料给料机停 → 计量水泵停 → 粉料计量螺旋停 → 集料皮带机停 → 粉料输送螺旋机停 → 搅拌缸停→ 斜皮带机停 → 空气压缩机停。

（３）给料机、计量水泵、粉料计量螺旋启动后，转速由配料控制系统控制。

３.１.２　PLC程序设计要求

搅拌站设备PLC程序设计要求如下：

（１）自动运行时，系统按照警报电铃（10s）→空压机（延时5s ）→ 斜皮带机（延时３ｓ）→搅拌缸星型启动（延时８ｓ）转三角运转（延时５ｓ）→集料皮带机＋ 粉料螺旋输送器（延时５ｓ）→沥青泵＋骨料给料机＋粉料计量螺旋输送器＋计量水泵（延时５ｓ）→ 微机配料系统的顺序，依次启动。搅拌缸启动采用星－三角降压启动（延时８ｓ）。

（２）停止运行时，系统按照微机配料系统（延时３ｓ）→沥青泵＋骨料给料机＋粉料计量螺旋输送器＋计量水泵（延时３ｓ）→集料皮带机＋粉料螺旋输送器（延时１０ｓ）→搅拌缸（延时２０ｓ）→斜皮带机（延时１０ｓ）→ 空压机的顺序依次停止。

（３）手动操作时，各功能部件能独立启动和停止。

（４）加装无料测试装置，骨料仓无料输出或出料流量达不到要求时，振动器自行投入使用。

（５）加装水泥流量测试装置，当水泥流量不足或低于设定值时，该装置输出开关信号，使水泥破拱装置自动投入使用。

（６）根据水池水位自动调节供水，保证供水稳定。

（７）成品仓门可按设定时间自动卸料。

（８）紧急开关动作时，各运行部件全部断电，整机停止运行。

（９）对负载较大的主要部件如搅拌缸、皮带机、螺旋等有过载保护。

３.１.３　PLC程序设计

按照上述PLC程序设计要求，进行设备PLC编程，其部分编程界面如图３所示。

３.２　 基于 “ 组态王”的监控软件设计

监控系统的硬件架构采用工控机＋工业级板卡的方案。工控机运行由“ 组态王”开发的监控软件，工业级板卡用作外部信号的输入输出接口，工控机通过与板卡的通讯来实现对厂拌站各路输入输出信号的控制。监控系统主要实现下面３ 种功能：① 重现现场工艺流程，并进行实时数据采集和配比控制； ②生产情况查询，可通过历史报表了解一段时间内的配料生产情况； ③工艺参数配置，包括配方管理和系统参数的修改等。监控系统主要分为以下几个部分：

（１）主控界面。

主控界面的作用是模拟沥青冷再生搅拌站生产工艺流程，并实时监测生产过程中的各重要参数信息。在该生产流程中，需要实时监测的参数包括采集自５个骨料配料机和１个粉料供给机的物料重量和物料传送速度，以及各种配料的实际／设定流量、累计量、各配料设备的运行状态。由于参数量较多，在主控界面中，选择用报表的方式显示各种信息。

（２）历史报表管理。

在实际生产过程中，需要对生产过程进行统计、分析，使操作人员能够及时掌握生产情况，历史报表往往是一个有效的工具。系统设计了两种历史报表：日报表和故障报表。日报表记录每天各种配料的用量和生产稳定土的产量；故障报表则记录一段时间内生产过程中发生的各种故障信息。基于“组态王”的历史报表模板可设计两张报表格式，同时利用开发系统提供的报表函数，还可对报表数据进行统计和报表打印。

（３）配方管理。

配方是进行配料控制的重要指标，监控系统在启动生产前必须先获得配方，才能根据生产总量得到各种配料的设定流量，实现配比控制。该模块提供创建新配方及修改、删除已有配方等功能，并可通过柱状图清楚直观地查看各配方的配比情况。它具有保存上一次配方的功能，如果在下一次生产之前并没有重新选择配方，则系统将自动调入最后一次生产所使用的配方，可有效地避免因操作人员的疏忽而造成生产事故。

４　 结束语

按照沥青路面的设计寿命（15～20年） ，我国在 20 世纪90 年代陆续建成的高速公路已进入大、中修期，现在每年有12％ 的沥青路面需要翻修，利用废弃的旧沥青，每年可节省材料费3.5亿元［３］，因此沥青冷再生搅拌设备市场效益潜力巨大。

采用FX2NPLC的沥青冷再生搅拌设备提高了生产效率、配料精度以及产品整体档次，节约了生产成本，保证了设备工作的可靠性。装有控制系统的ARC300 型沥青冷再生搅拌设备已由沪宁高速公路镇江管理处在其施工路段投入使用，应用后检测结果表明，搅拌的成品料沥青裹附性良好，控制系统达到设计要求：骨料集料误差小于３％ ，水泥石灰稳定剂误差小于１％，供水系统误差小于１％ ，乳化沥青误差小于0.5％ 。

 

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