基于plc的稳定土厂拌设备控制系统的研究与设计

基于plc的稳定土厂拌设备控制系统的研究与设计内容摘要：

........................................................................................................... 57 翻译部分 ............................................................................................................................................. 72 致 谢 ................................................................................................................................................. 85 中国矿业大学 2020 届本科毕业设计（论文） 第 1 页 第一章 绪论 随着国民经济的迅速发展，国家对道路、桥梁以及城市基础设施建设的投入大增，高速公路和高等级公路的修筑已是势在必行。 几年来，在我国各地相继修筑了大量的高速公路，从而加快了货物的周转速度，增加了货物的周转数量，提高了社会的经济效益，促进了国民经济的发展。 为 了满足交通量和车辆轴载日益增加的需要，公路建设对道路的整体性能要求越来越高，采用稳定土强化道路的基层和底基层，是提高道路整体强度、水稳性以及延长道路使用寿命的一种非常有效的措施。 稳定土厂拌设备是路面工程机械的重要机种之一。 所谓稳定土厂拌设备，就是将土、碎石、 砾石、水泥、粉煤灰、石灰和水等材料按照施工配合比在固定地点进行均匀搅拌的专用生产设备，其作为当前高等级公路修筑中的一种高效能稳定土基层修筑机械，具有材料级配精度高、搅拌均匀性好、节省材料、便于自动控制等优点，能更好的保证稳定土材料的质量，因而广泛用于公 路和城市道路的基层、底基层施工。 选题背景及意义 我国自改革开放以来，国民经济一直处于健康快速发展时期，国家总体实力大大增强，有能力加大以能源、水利、交通和通讯等为重点的基础设施建设的投资，以彻底改变我国基础设施落后的状况，改善投资环境，促进国民经济可持续发展。 在各项基础设施建设中，交通建设是一个重要的方面。 在进入 21 世纪以来的 10~20 年内，是中国公路建设的重要的历史时期，这个时期为我国的工程机械及其成套设备提供了难得的发展机遇。 在高等级公路建设中，稳定土厂拌设备是必不可少的，需求量巨大，发展 很快。 特别是国家及省市之间交通干道、高速公路的改扩建等项目建设，更是 极大地促进了厂拌设备的发展，厂拌设备的产量随着各项工程的陆续展开正逐步增加，预计这种增长的趋势会持续很长一段时间。 在提升稳定土产量的同时， 不能忽略对稳定土 的质量要求和对生产效益的最优化。 现代工程施工要求厂拌设备具有一下性能：生产效率高、能量损失小、 节约能源材料、自动化程度高、施工质量好、拌合精度高、性能稳定、工作可靠、使用寿命长、具有较好的经济性，即高的性能价格比和低的制造 与使用成本，操作简单、方便，劳动强度低等。 对稳定土材料的质量要求随 着对公路质量的要求的提高而越来越高，而稳定土的质量主要决定于其各种骨料和粉料以及水的准确配比。 在稳定土厂拌设备的控制系统中，传感器的性能直接决定测量系统的精 度，影响到稳定土料种的配合比例，因而对稳定土的生产质量至关重要。 各种物料的称量必须要用到传感器， 而目前，传感器的输入、输出特性许多为非线性，而且由于其弹性体的阻尼比过小，传感器达到稳态的时间较长，使得这些以传感器为核心的称重称量系统存在着较大的静态非线性误差，而 PID 调节控制可以有效地改善其称量系统的特性 ，在改善 中国矿业大学 2020 届本科毕业设计（论文） 第 2 页 传感器系统的非线性误差上具有得天独厚的优势。 在目前国内制造的稳定土厂拌设备中，无论是过去的 WDB— 200 小型稳定土搅拌机，还是目前的 WDB— 500 大型稳定土厂拌设备，其计量技术都得到了大幅度的改进和更新，但在对设备的控制环节上还是以继电接触器的控制方式为主。 这种控制技术由于中间继电器和时间继电器太多，体积大，功能少，寿命短，线路复杂，造成故障多，可靠性差，维修困难，难以实现控制自动化 ，在控制领域已逐渐被其他的新技术取代。 显然，继电接触器的控制方式已经跟不上设备的快速发展。 可编程序控制器（ PLC）是 20 世纪 80 年代初迅速发展起来的新一代工业控制 装置。 它以原有继电器逻辑控制技术为基础，以微处理器为核心，综合了计算机技术、通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有编程简单，可靠性高，通用性好，功能强，设计、施工和调试周期短等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。 通过对 稳定土厂拌设备的控制系统进行开发研究，实现动态计量控制，对整个生产管理控制系统有着重要的意义： 材料配比精度高，降低施工生产成本，提高工程施工质量； 提高稳定土厂拌设备的自动化水平，加快机电一体化和智能化进程； 掌握核心控制技术，降低制 造成本，增强产品市场竞争力； 稳定土厂拌设备的研制，可同时对类似的配料控制系统，如混凝土搅拌站、沥青配料控制系统及饲料配料系统的研制提供了借鉴。 稳定土厂拌设备的发展现状和发展趋势 稳定土厂拌设备有连续式和间歇式之分，两者在计量原理、搅拌原理和混合料特性等方面均有不同。 其本质区别是：连续式搅拌设备是一条流水生产线，此生产线是搅拌工艺的所有工序在时间上重合，在空间上连续；而间歇式搅拌设备则是一种单机，其让搅拌工艺过程的所有工序在空间上重合，在时间上连续。 由于连续式搅拌设备其效率高，产量大，能耗低，可靠 度高，因而，在国家建设领域，尤其是路基路面工程施工中得到了广泛的应用。 国内外稳定土厂拌设备的发展现状 稳定土厂拌设备在国外发展较早。 有关资料表明：在 20 世纪 80 年代初，前苏联科列明楚克筑路机械厂已生产有生产率在 240t/h，主机为连续作用的双轴叶片式稳定土厂拌设备；日本新泻铁工所生产有 NM 系列生产率为 40— 300t/h 和 NMD 系列生产率为 120— 600t/h 的两大系列稳定土厂拌设备，主机分别为双轴叶片连续式和鼓筒式。 近年来，国外发达国家生产的稳定土厂拌设备已形成系列产品，生产率一般为 200— 1200t/h，集料计量大多采用自动控制的连续称量技术，提高自动化控制程度，提高机械操作性能，提高施工性能，减轻环境污染。 对于大型工程来说，采用大型机械经济性好，施工质量高，施工速度快，因此国外路面机械一直朝大型化发展。 国外厂拌设备控制系统大都采用计算机控制技术，水泥的控制精度≤ 1℅，级配精度高。 此外还具有完善的报警控制功能。 国外稳定土厂拌设备的最大生产率为： 中国矿业大学 2020 届本科毕业设计（论文） 第 3 页 德国达 1200t/h，美国达 1000t/h, 日本达 800t/h。 国外产品均各具特色，不同厂家有不同的风格。 目前国外生产稳定土厂拌设备的公司主要有：德 国的 BHS 公司、美国的 IOW 公司和 ABARBERGREEN 公司、法国的 SAE 公司、澳大利亚的 ARAN 公司和日本的 NIGATA 公司等，其公司生产的稳定土厂拌设备，在国际市场上有较高的知名度，其产品技术具有一定的代表性。 20 世纪 90 年代以前，我国的公路基层材料主要采用路面现场拌合（路拌）施工工艺。 从 90 年代开始研制稳定土厂拌设备开始，随着高等级路面的发展，国内稳定土厂拌设备也在迅速的发展。 据统计结果表明：稳定土厂拌设备的生产厂家已由最初的两三家发展为现在的一百多家，产品品种规格较少，生产率在 50~300t/h，小批量投入 400~500t/h， 产品相应的进入了成熟发展阶段。 随着国家加大基础设施的步伐和力度在不断的加强，厂拌产品的市场容量也在逐年的加大，同时随着对路基基层处理质量越来越高的要求，为厂拌设备的发展提供了良好的使用空间和发展机遇。 但是同国外同类型产品相比，还是存在着相当的差距，主要体现在以下的几个方面： （ 1） 国产设备级配精度低。 （ 2） 设备的耐用性差，可靠性不高。 在实际使用过程中有时出现仪表受干扰而导致系统工作不稳定的情况，时常出现通讯不畅的情况。 （ 3） 设备的生产率偏低。 国外最大的生产率为 1200t/h，国内的最大 的生产率目前只有 700~800t/h。 （ 4） 设备的基础方面，尤其是电子技术，自动控制技术以及微电子技术在设备上的应用较少。 （ 5） 控制系统功能少、维护性差，人机交互界面不够友好。 根据以上的陈述，可以发现，现实要求我们在稳定土厂拌设备的控制原理和工业实际应用中间都要有较大的突破，已提高国产厂拌设备的市场竞争力，满足我国日益提高的路面建设的需求 [1]。 稳定土厂拌设备的 关键技术 和发展趋势 无衬板搅拌器 近年来，国外一些公司针对稳定材料的特性和连续搅拌的特点，对强制连续式搅拌器进行了改进，取消了衬板，研制成 新型无衬板搅拌器。 无衬板搅拌器最大限度的加大了搅拌桨叶和壳体之间的间隙。 搅拌器在工作时，在壳体和桨叶之间的间隙中形成一层不移动的混合料层， 此混合料层停留在壳体上起到了衬板的作用，保护壳体不受磨损，同时也减少了桨叶的磨损过程。 此外，在相同体积的情况下，这种搅拌器相对于有衬板搅拌器来说质量小，造价低、生产率高、混合料拌合效果好，不产生阻塞、挤碎等现象。 无衬板搅拌器经过试验和使用，已进入使用阶段，现广泛用于稳定土厂拌设备中 [2]。 成品料含水率快速连续监测技术 水量的多少对水硬性结合料的力学性能和施工性能有着 重要的影响，因此所有厂拌设备都必须能进行精确的计量和控制。 而原始材料中含水率受气候影响变化较大，特别是砂料、粉煤灰等细料变化更大，其含水率的变化直接影响到成品料中 的含水量和骨料级配的准确性。 因而，及时测出原料中的含水量，才能准确控制供水和供料量，使成品混合料的各项配比保 中国矿业大学 2020 届本科毕业设计（论文） 第 4 页 持一定。 目前，研究和解决细粒料中含水率的快速连续检测技术受到个生产厂家的普通重视，电容式、中子式、红外线等粒料含水率快速连续检测仪即将推向市场。 设备大型化 机械化施工设备的配套性要求，促使稳定土厂拌设备向大型化方向发展。 近年市场对稳定土 厂拌设备生产率的需求已从前几年的 100t/h上升为 300~400t/h，还有进一步发展为 600。 800t/h 的趋势。 结构模块化 可解决大型化所带来的装、拆、吊、运等不利因素，既有利于制造厂生产和产品系列化，又符合公路工程施工的特点。 结构模块化是固定式稳定土厂拌 设备的必由之路。 在保证设备基础性能的前提下，标准化的模块可以根据用户实际需要进行不同的组合，其总体布局亦可根据用户施工场地的要求而变化 [3]。 扩展多用途厂拌设备 为了扩大厂拌设备的使用范围，是稳定土厂拌设备不仅能拌制稳定土材料，还能拌制各种 属于冷拌范围的路面材料，如碾压混凝土、乳化沥青混凝土等。 国外一些生产厂家正在研制多用途的厂拌设备，这种厂拌设备具有连续搅拌作业和间歇搅拌作业两种功能，通过在控制室操作键盘可方便地转换 物料计量程序，实现物料的连续计量与输送，或分批计量和输送。 建立用户联络控制中心 通讯技术发展迅速，一些厂家便充分利用国际电话网络等先进可靠的通讯手段与电子计算机技术，同用户建立直接联系，在生产设备厂家设立控制中心，控制中心的计算机和用户厂拌设备的控制计算机通过国际通讯网络联网，用控制中心的计算机能及时查询用户设备的工作运转 情况，亦能方便地调节和改变用户设备的工作状态，让用户尽快掌握厂拌设备的使用技术。 目前，这种利用控制中心为用户提供服务的机构在发达国家已经出现，并愈来愈多的被实际应用 [4]。 本课题的主要研究内容 本文 以徐工科技股份公司 XC（ WD） 500 称重式稳定土厂拌设备为研究对象， 从以下几个方面，对稳定土厂拌设备 控制系统 进行研究： 调研与检索稳定土厂拌设备的技术水平、现状、发展前景以及相关技术； 介绍和分析稳定土厂拌设备的结构和工作原理； 研究和设计三相鼠笼异步电机的启动、制动和调速等控制方法； 对整个稳定土厂拌设备的控制系统进行具体的硬件 设计 和软件设计 ，并最后得出仿真结果。 中国矿业大学 2020 届本科毕业设计（论文） 第 5 页 第二章 稳定土厂拌设备 概述 稳定土厂拌设备的分类 可以根据结构、工艺性能、生产率、拌合方式及机动性等对稳定土厂拌设备进行分类。 （ 1） 根据生产率大小：稳定土厂拌设备可分为小型（生产率小于 200t/h）、中型（生产率 200~400t/h）、大型（生产率 400~600t/h）和特大型（生产率大于 600t/h）4 种。 （ 2） 根据设备拌合工艺：稳定土厂拌设备可分为非强制跌落式、强制间歇式、强制连续式等 3 种。 强制连续式又可分为单卧轴搅拌式 和双卧轴搅拌式，双卧轴强制连续式是诸多形式中最常用的一种搅拌形式。 （ 3） 根据设备的布局及机动性：稳定土厂拌设备可分为移动式、部分移动式、可搬式和固定式等结构形式。 移动式厂拌 设备是将全部装置安装在一个专用的拖式底盘上，形成一个较大型的半挂 车，可。