沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统设计*

江勇 潘丰

（江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室 无锡 214122）

1 引言

沥青混合料搅拌站中热骨料的温度控制是生产高质量沥青混合料的关键因素之一，整个沥青混合料搅拌过程对于热骨料温度的控制非常严格［1～3］。

沥青混合料搅拌过程中，热骨料温度影响沥青混合料的质量：热骨料温度过低，最终沥青混合料的温度也会降低，影响摊铺和碾压质量，造成拌和不均匀和碾压困难的情况；热骨料温度过高，沥青混合料则会过热老化，粘结力降低，摊铺后离析现象严重［4～7］。

现阶段，绝大多数沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统存在升温过程较慢、温度稳定性不够的问题。

本次设计时，将原先的单回路温度控制系统改进为温度串级控制系统，加快温度响应速度、提高温度控制的稳定性。

2 沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统总体结构设计和控制要求

2.1 沥青混合料搅拌站工艺分析

沥青混合料搅拌站工艺流程如图1所示，主要包含沥青混合料生产和燃烧器加热。

系统将六种不同规格的石料装入对应的冷骨料仓内，经过平皮带、斜皮带运送到干燥滚筒内。燃烧器提供大量的热量给干燥滚筒，干燥滚筒以逆流加热的方式将冷骨料烘干加热到一定温度，由于滚筒的转动，冷骨料被桶内的叶片反复提升、落下，使冷骨料与热空气充分接触，增强了换热的效果；干燥滚筒存在一定的倾角，冷骨料在加热的同时不断地向前移动；从滚筒出口出来后，由热股骨料提升机提起，卸入到热骨料筛分机中，筛分后装入热骨料仓内，按照设定的顺序和配比逐个由骨料计量秤称量；矿粉由矿粉提升机放入矿粉仓中，然后由矿粉计量秤称量；沥青由沥青泵打到沥青罐中，由沥青计量秤称量。3种原料计量完毕后，放入搅拌缸中，均匀搅拌，最后把搅拌好的成品放入成品料仓。

沥青混合料搅拌站采用燃油燃烧器对冷骨料加热。燃烧器主要由变频器、油泵、燃烧室等组成。在保证燃烧室安全稳定的运行的基础上，使燃油充分燃烧，为冷骨料在干燥滚筒内的加热提供大量的热量［8］。

图1 沥青混合料搅拌站工艺流程

2.2 沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统总体结构设计

干燥滚筒是一个大滞后的对象，采用单回路控制系统不能及时控制干燥滚筒出口处热骨料的温度，故本次沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统采用串级控制，以燃烧室温度控制作为副回路，减小滞后对热骨料温度的影响，原理如图2所示。

图2 沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统原理图

1）串级控制系统主回路设计

串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，

主回路包含主控制对象和主控制器。本次设计的主控制对象是热骨料温度；主控制器为了减少稳态误差、提高控制精度，应具有积分控制，为了使系统反应灵敏、动作迅速，应加入微分控制，因此主控制器选定为PID控制器。

2）串级控制系统副回路设计

串级控制系统的副回路是一个随动控制系统，副回路包含副控制对象，副控制器和执行器。本次设计的副控制对象是燃烧室温度；副控制器采用P控制器，因为积分和微分的引入会使得变频器的动作太大，不利于整个系统的控制；执行器为油泵变频器。

3）串级控制系统主副回路的匹配

在串级控制系统的设计过程中，主副回路的设计只有匹配得当，才能使串级控制系统发挥最好的作用。当主回路热骨料温度高于骨料温度设定值时，为了提高响应速度，首先副回路粗调，减少油泵变频器频率，降低燃烧室温度；然后主回路细调，以确保热骨料温度达到控制要求。当热骨料温度低于骨料温度设定值时，增大油泵变频器频率，升高燃烧室温度［9～11］。

2.3 沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统控制要求

1）保证要求的热骨料温度：系统要求干燥滚筒出口处热骨料温度稳定在180℃，允许有±5℃的偏差。

2）监测报警：当温度过高或者过低时报警；当变频器发生故障时报警等。

3 沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统硬件设计

沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统选择西门子S7-1200PLC作为控制器，并配有数字量输入输出、模拟量输入输出等各种拓展模块实现要求的功能。

沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统结构如图3所示。PLC的数字量输入主要包括电机启动的反馈点、变频器故障点；数字量输出主要包括电机的启停点；模拟量输入主要包括温度检测和电流检测；模拟量输出主要包括变频器频率控制。

图3 沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统结构图

主要硬件选型如下。

1）控制器选型：选择紧凑型、模块化PLC，S7-1200系列CPU 1214CDC/DC/DC。

2）模拟量模块选型：选择SM1231模拟量输入模块，SM1232模拟量输出模块。

3）温度传感器选型：对沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统而言，燃烧室温度的测量和热骨料温度的测量非常关键，温度传感器的选择是温度测量的第一步，也是直接影响系统控制性能与效果的最重要因素之一。两个温度的测量范围以及放置位置存在很大的差异，所以需根据实际要求分别选型。

燃烧器工作时燃烧室内温度是非常高的，燃烧室温度不能接触测量，选用ST08V红外温度传感器。该传感器的具体性能如下：

（1）温度范围：0℃～1200℃等不同温度段（可选）

（2）测温精度：±1℃

（3）输出信号：4mA～20mA

4）热骨料从干燥滚筒内出来后经皮带运送至热骨料提升机，所以热骨料温度测量传感器可以安装在皮带上对热骨料温度进行测量，考虑到以上因素，选择WZP型PT100铂电阻温度传感器。该传感器的具体性能如下：

（1）温度范围：-200℃～420℃

（2）测量精度：±0.1℃

（3）输出信号：电阻值

温度变送器选型：选择SWP-TR-08铂电阻温度变送器，将热电阻PT100的电阻信号转化为4mA～20mA的电流信号输出。

4 沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统软件设计

沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统的程序在西门子博图软件上进行编程编译并且执行循环扫描。编程软件首先需要根据硬件的选型来进行组态。

4.1 温度采集模块变换

CPU只能以二进制的形式处理模拟量，根据测量的方法的不同，可以将电压、电流等不同类型的传感器连接到模拟量输入模块，模拟量输入模块自带模数转换功能，可以将模拟量输入信号转换为CPU可以处理的数字量输出信号。模拟量采集程序就是根据采集到的数值进行计算得到模拟量实际值。

本系统温度采集过程中，首先，检测热骨料温度的PT100铂电阻型温度传感器将检测到的电阻值发送给电阻温度变送器，电阻温度变送器将电阻信号转为4mA～20mA的标准电流信号输出，温度变送器输出接到SM1231模拟量输入模块，SM1231模拟量输入模块将4mA～20mA的标准电流信号转化为CPU可以处理的数字量，然后经过程序的处理可以计算得到模拟量的实际值。CPU接收到SM1231模拟量模块转化的数字量信号，然后通过程序进行一系列的处理得到模拟量的实际值。如图4所示，首先要对接收到的数字量信号进行判断及上下限保护，如果数字量信号小于等于0或者大于等于27648，就按0和27648处理，然后利用模拟量和工程量转换功能块FC2进行数值转换，FC2功能块就是接收一个整型值，利用公式将其转化为介于工程量上限和下限之间的实型值，将结果写入Ret_Val。功能块FC2中转换公式如式（1）所示：

图4 温度采集模块变换程序

式（1）中，Y0代表温度传感器量程范围的下限，Y1代表温度传感器量程的上限。模拟量输入模块将4mA～20mA的电流信号转换为0-27648的数字量信号，因此式中X1取值为27648，X0取值为0。

最后将输出（Ret_Val）乘以热骨料温度斜率并加上零点，这样运算就可以在热骨料温度显示值出现斜率偏差或者零点漂移时进行相应的调整。

4.2 热骨料温度控制模块

在本次沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统设计中，采用PID控制；主副回路分别有一个PID功能块，主回路PID模块的输出是副回路PID模块的输入从而构成了一个串级控制回路。主控制流程如图5所示。

图5 热骨料温度控制流程图

4.3 主副控制器参数整定

串级控制系统中主副回路存在交叉影响，所以必须按照一定的顺序对主副控制器进行参数的整定。首先整定副回路，接着整定主回路。具体整定步骤如下。

1）断开主回路，闭合副回路，按照单回路控制系统的整定方法整定副回路控制器的参数。使得副回路燃烧室温度能够快速升高至200℃。

2）在整定完副回路控制器参数的基础上，闭合主回路，保持副回路控制器参数不变，按照单回路控制器的整定方法整定主回路控制器参数。使得热骨料温度能够尽量稳定在180℃±5℃范围内。

3）保持主副回路闭合，在整定完主回路控制器参数的基础上，再次调整副回路控制器参数。使得副回路能够很好地匹配主回路工作，达到热骨料温度的控制要求。

4）初步完成一个循环，经过前三步调整，整个温度控制已达到控制要求。如果还未达到控制要求，返回2）继续整定。

在上面四个步骤中，第一步整定副回路控制器参数一般按照经验值法整定，参考值如表1所示。第二步整定主回路控制器参数一般按照经验凑试法整定，参考值如表2所示［12～15］。

表2 主控制器参数整定参考值

5 结语

与常规沥青混合料搅拌站热骨料温度控制系统相比，本次设计采用串级控制，增加一个回路，过程的动态特性得到了大大的改善，系统的响应速度加快，控制更为及时。最终使热骨料温度稳定在180℃±5℃的范围内，达到控制要求。