摘 要：本文提出一種新型的基于數(shù)字PID控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用自主開發(fā)的上位機(jī)軟件和可靠性強(qiáng)的可編程控制器，并利用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)配料系統(tǒng)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)攪拌設(shè)備的生產(chǎn)自動(dòng)化，提高了攪拌設(shè)備的穩(wěn)定性、可維護(hù)性及生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：瀝青冷再生;PID;變頻器;可編程控制器

1 前 言

瀝青冷再生攪拌技術(shù)是將舊瀝青路面材料經(jīng)過破碎加工后進(jìn)行重復(fù)利用，根據(jù)再生后結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)特征適當(dāng)加入新骨料或細(xì)集料，按比例加入一定量的外摻劑（乳化瀝青、泡沫瀝青等）和適量的水，在自然環(huán)境溫度下連續(xù)添加、拌和，重新形成具有所承載能力結(jié)構(gòu)層的一種工藝方法。該技術(shù)充分利用舊路面的廢棄材料，解決了廢棄材料對(duì)空間的占用和對(duì)環(huán)境造成的污染。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的瀝青冷再生攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)中大都采用的是開環(huán)控制的電磁調(diào)速電機(jī)配料，配料精度低且實(shí)時(shí)性差，物料浪費(fèi)嚴(yán)重，生產(chǎn)成本增加。為解決上述缺點(diǎn)，本文提出一種新型的基于數(shù)字PID控制的瀝青冷再生攪拌設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案形成配料系統(tǒng)的閉環(huán)控制，硬件投資成本低，符合實(shí)際工程設(shè)計(jì)需要。

2 工藝流程

瀝青冷再生攪拌設(shè)備主要任務(wù)是保證按配料比例及所設(shè)定的生產(chǎn)率計(jì)算并計(jì)量各種骨料、粉料、水以及乳化瀝青的重量，然后放料于攪拌缸中進(jìn)行攪拌，達(dá)到設(shè)定攪拌時(shí)間時(shí)，打開拌缸門將成品料輸送至成品倉(cāng)中。其工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖
3 硬件配置及其功能

控制系統(tǒng)由工控機(jī)作為上位機(jī)、PLC 為下位機(jī)以及變頻器、信號(hào)檢測(cè)電路、電氣控制電路及驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.1 工控機(jī)和PLC

為保證可靠性，系統(tǒng)采用研華工控機(jī)作為上位機(jī)。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板卡和I/O適配卡。PLC采用三菱FX2N 系列，通過RS-232接口與上位機(jī)通信。

3.2 變頻器

變頻器用來調(diào)節(jié)各物料給料電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制每種物料的流量，完成物料的配比。一般變頻器具有面板數(shù)字控制和端子電壓（或電流）控制多種控制方式。本設(shè)備配料系統(tǒng)選用三菱FR-A500變頻器，其面板數(shù)字控制用于調(diào)試過程或手動(dòng)調(diào)節(jié)，在自動(dòng)控制工作模式時(shí)，采用端子電流控制方式。可選用具有4-20mA 電流輸出的D/A轉(zhuǎn)換板，其輸出直接與變頻器電流控制端子相連。圖3為變頻器連接圖。5號(hào)端子為模擬信號(hào)公共端，10號(hào)端子為頻率設(shè)定用電源，2號(hào)端子為頻率設(shè)定（電壓），4號(hào)端子為頻率設(shè)定（電流），STF端子表示正轉(zhuǎn)啟動(dòng)，AU端子表示電流輸入選擇，SD表示公共輸入端子，R、S、T為三相電源輸入端，U、V、W為三相電源輸出端，KA1、KA2為繼電器。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(duì)應(yīng)變頻器輸出頻率范圍為10-60Hz，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為0.1Hz，滿足實(shí)際需要。

圖3 變頻器硬件連接圖
3.3 信號(hào)檢測(cè)單元

電機(jī)測(cè)速傳感器采用直流三線型電感式接近開關(guān)，其輸出的開關(guān)信號(hào)頻率不低于600Hz。由于檢測(cè)位置離控制室較遠(yuǎn)，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，其開關(guān)量信號(hào)采用電流環(huán)傳輸形式，并采取光電隔離措施。開關(guān)量輸入信號(hào)在開關(guān)量處理板上進(jìn)行調(diào)理后，通過I/O 板與工控機(jī)進(jìn)行聯(lián)系。乳化瀝青的流量受密度、溫度、壓力等因素的影響，并且瀝青在管道中有殘留，簡(jiǎn)單地采用羅茨傳感器是無法保證測(cè)量精度的。因此，在原有羅茨傳感器的基礎(chǔ)上，首先嚴(yán)格控制乳化瀝青輸送過程中的溫度、壓力等參數(shù)，將這些干擾減至最小，然后利用電磁傳感器的優(yōu)點(diǎn)，將流量變?yōu)殚_關(guān)量信號(hào)，傳送給工控機(jī)。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 骨料和粉料流量算法

骨料和粉料流量算法如下：設(shè)皮帶恒定轉(zhuǎn)速時(shí)，動(dòng)態(tài)皮重為G,稱重傳感器以動(dòng)態(tài)掛碼方式標(biāo)定后確定的折線函數(shù)為g（x），測(cè)速傳感器標(biāo)定后得到折線函數(shù)為V（x），則物料流量公式為：

e（j）＝[g（x）－G]·V（x） （1）

故某一段時(shí)間從皮帶流出的物料累計(jì)量：

∫te（t）dt＝∫kt[g（t）－G]·V（t）dt （2）

（2）式中k為標(biāo)定系數(shù)，可根據(jù)實(shí)物稱重與工控機(jī)顯示的累計(jì)重量的差異來標(biāo)定。

4.2 乳化瀝青流量PID控制算法

根據(jù)乳化瀝青特點(diǎn)，應(yīng)采用積分分離的PID 算法對(duì)其進(jìn)行流量控制。工控機(jī)中離散的PID算法子程序根據(jù)給定流量值和反饋量計(jì)算值的偏差進(jìn)行運(yùn)算，求得本次控制值。

乳化瀝青流量的PID 控制算法為：當(dāng)︱e（n）∣＞∣e（0）∣時(shí)，KL＝0，進(jìn)行PD控制，其表達(dá)式為：

u（n）＝a e（n）－b（n－1） （3）

4.3 骨料、粉料和水的流量PID控制算法

調(diào)節(jié)對(duì)象是骨料或粉料的流量時(shí)，由于調(diào)節(jié)對(duì)象的特點(diǎn)是純滯后和慣性滯后較小，對(duì)象響應(yīng)靈敏，而且存在著規(guī)則或不規(guī)則的干擾信號(hào)，若采用微分作用，一般會(huì)使干擾得以加強(qiáng)。因此，在設(shè)置PID時(shí)，可以不采用微分作用，只采用積分為主導(dǎo)作用的PI控制。實(shí)踐表明，這種PI控制方式能有效地消除調(diào)節(jié)系統(tǒng)的殘余偏差。當(dāng)設(shè)定流量與實(shí)測(cè)流量不相等時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出將繼續(xù)增加或減少，最后使設(shè)定值與實(shí)測(cè)值一致，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出便穩(wěn)定下來。這種PI 控制特性可通過數(shù)學(xué)分析得到。一般的PI控制輸出表達(dá)式為：

（6）式表明u（τ）是e（τ）與T的函數(shù)。e（τ）為有限變量，其積分值的大小與0到T這段時(shí)間的變化有關(guān)。當(dāng)流量與實(shí)測(cè)流量偏差為0時(shí)，系統(tǒng)就穩(wěn)定在與設(shè)定流量相適應(yīng)的數(shù)值上。將（6）式離散化，得到數(shù)字控制器的差分方程：

（7）式中T＇表示采樣周期。

本設(shè)備變頻調(diào)速供水系統(tǒng)是由水泵、電機(jī)、變頻器等環(huán)節(jié)組成的時(shí)滯系統(tǒng)，涉及參數(shù)較多，而水泵工作特性又具有很強(qiáng)的非線性，所以很難給出供水系統(tǒng)精確的對(duì)象數(shù)學(xué)模型。考慮到設(shè)備攪拌過程中用水量大，而骨料的含水率與天氣狀況直接相關(guān)，可利用微波測(cè)濕技術(shù)通過專門的儀器測(cè)量含水率，并根據(jù)含水率來改變實(shí)際物料配比。因此供水系統(tǒng)也可用積分分離的PID 算法來粗略控制注水量。實(shí)踐表明，其水流量誤差是在允許范圍內(nèi)的。