第一章 緒論

1.1 研究背景及意義
交通運輸是關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),也是衡量一個國家和民族經(jīng)濟(jì)實力、綜合實力以及現(xiàn)代化技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。根據(jù)目前交通運輸路面的使用現(xiàn)狀來看，瀝青路面在諸多方面優(yōu)勢明顯；在瀝青路面上，車輛行駛平穩(wěn)、舒適、震動小、噪音低、磨耗較小，，且瀝青路面維修方便，開放交通所需時間短，因而被廣泛采用于各級公路施工中。據(jù)不完全統(tǒng)計顯示，現(xiàn)階段的所有重要路面（包括國道、省道、一級公路、二級公路等）中 90%左右路面為瀝青路面，而且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、公路覆蓋率的增加以及瀝青路面本身良好的路用性能，這個比例還將會有一定幅度的提升[1]。在我國國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天，隨著交通車輛通行量越來越大、車輛軸載迅速增長、車速不斷提高，瀝青路面發(fā)生的質(zhì)量問題也隨之增多；例如有些路面前修后壞，有些路面使用壽命達(dá)不到設(shè)計年限等[2]。交通流量和車輛負(fù)載日益增大，因此為保證瀝青道路的使用壽命和路用性能（整體強(qiáng)度、水穩(wěn)性、平整度等），對瀝青路面施工技術(shù)和瀝青混合料的質(zhì)量提出了越來越高的要求。瀝青路面的質(zhì)量與路用性能主要取決于兩大方面，第一是瀝青混合料成品的質(zhì)量，第二是瀝青混合料的攤鋪技術(shù)。瀝青混合料是主要由粗集料、粉料、瀝青、填充料等材料混合而成同時具有一定溫度的復(fù)合材料，根據(jù)路面的等級要求，還可加入一些諸如聚合物、木纖維等特殊材料；由不同種類和比例的材料拌和而成的瀝青混合料具有不同的結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性及使用性能[3]。瀝青混合料成品的拌和是在瀝青混合料拌合站完成的，因此瀝青混合料拌合站從生產(chǎn)源頭上決定了瀝青混合料的質(zhì)量，從而對瀝青路面瀝青層性能的好壞有著最直接的影響。
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1.2 瀝青混合料拌合站的研究與發(fā)展現(xiàn)狀
根據(jù)工作原理與工藝流程的不同，瀝青混合料拌合站可分為連續(xù)式和間歇式兩種類型[5]。（1）連續(xù)式瀝青拌合站。連續(xù)式瀝青混凝土拌合站也稱為滾筒式拌合站。連續(xù)式瀝青混合料拌合站在冷骨料的級配控制、稱重計量及烘干加熱三個方面的工藝流程與間歇式拌合站相似，但在生產(chǎn)原理與整體結(jié)構(gòu)上兩者仍有較大的不同。連續(xù)式瀝青混合料的拌和工藝流程如下：結(jié)合連續(xù)式瀝青混合料拌和工藝流程及其在施工中的使用狀況，可知該拌合站有如下幾個優(yōu)點[6]：①能耗低，生產(chǎn)效率高。連續(xù)式滾筒瀝青拌合站電能總裝機(jī)功率不到200 KW ，生產(chǎn)每噸成品料所消耗的燃料相較于間歇式瀝青拌合站而言要少20%~30%。由于連續(xù)式拌合站在生產(chǎn)過程中加料、攪拌、出料這 3 個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是連續(xù)進(jìn)行的，因此生產(chǎn)效率較高。同時在骨料進(jìn)入攪拌機(jī)的過程中，各級別骨料在其料流的不同截面上分布均勻，骨料層的厚度較小，故而混合速度較快，攪拌后的均勻度也較高。②空間與時間上的連續(xù)性�？臻g上的順序可以根據(jù)生產(chǎn)需要靈活配置各級別物料的添加位置，而時間上的工序同步是提高生產(chǎn)效率的不二法門。這也是連續(xù)式瀝青混合料拌合站相比于間歇式較為明顯的優(yōu)勢。③舊瀝青路面再生料利用率高。連續(xù)式瀝青混凝土拌合站對于舊瀝青路面再生料的利用能力要遠(yuǎn)高于間歇式瀝青混凝土拌合站，這也是連續(xù)式瀝青混合料拌合站在美國和歐洲交通建設(shè)市場占據(jù)明顯優(yōu)勢的主要原因之一。
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第二章 標(biāo)定過程的設(shè)備優(yōu)化

2.1 冷骨料供料流量分析
對標(biāo)定過程的控制主要體現(xiàn)為對冷骨料供料流量的控制。冷骨料供料時，若將冷骨料的體積流量作為因變量來處理，則影響其變化的自變量即為冷料倉出料口的高度（下文簡稱為斗門高度）與集料皮帶驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速；在控制系統(tǒng)中，為明確系統(tǒng)的控制目標(biāo)，同時為保證控制精度和控制的可行性，需對上面兩個自變量進(jìn)行研究和分析。對冷骨料的體積流量進(jìn)行分析時，需考慮瀝青混合料拌合站中冷骨料的配料系統(tǒng)和供料流程。通常情況下，目前間歇式瀝青混合料拌合站中冷骨料儲存?zhèn)}（簡稱冷料倉）呈倒置漏斗狀，下端直接與集料皮帶相承接，如圖 2.2 所示。冷料倉出料端與集料皮帶運行方向相同的一側(cè)稱為出料口，可上下調(diào)整其開口高度，從而可控制冷骨料供料時的流量；出料端的另一側(cè)則固定不動，發(fā)揮固定擋板的作用。在冷料倉進(jìn)行冷骨料的供應(yīng)時，為盡可能地改善由于物料顆粒之間、物料顆粒與料倉側(cè)壁之間摩擦所造成的出料困難現(xiàn)象，通常將冷料倉底部設(shè)計為梯形，同時出料方向應(yīng)該從冷料倉底部的小端流向大端。
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2.2 冷料倉自動斗門設(shè)計
經(jīng)研究，冷料倉自動斗門的結(jié)構(gòu)組成方式不止一種，如齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等[16]；考慮到冷料倉斗門高度的調(diào)整范圍及要求的調(diào)整精度，經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)利用直齒輪齒條機(jī)構(gòu)與步進(jìn)電動機(jī)配合的方式實現(xiàn)對冷料倉斗門高度的控制較為方便。因此本文提供一種理論上可行的自動斗門設(shè)計方案，控制過程為：控制器→步進(jìn)驅(qū)動器→步進(jìn)電機(jī)→齒輪齒條機(jī)構(gòu)（齒條機(jī)構(gòu)與斗門焊接在一起），自動斗門的組成為步進(jìn)電機(jī)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。由于本文中對自動斗門的優(yōu)化是在現(xiàn)有設(shè)備上進(jìn)行，而標(biāo)定時自動斗門在提升過程中僅受到斗門擋板自身的重力和斗門導(dǎo)軌的摩擦力，因此不再進(jìn)行受力分析，主要對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行選型以及給出齒輪齒條結(jié)構(gòu)參數(shù)。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化系統(tǒng)重要組成設(shè)備之一，它與普通電機(jī)最主要的區(qū)別是步進(jìn)電機(jī)能將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成線位移或者角位移；步進(jìn)電機(jī)常作為開環(huán)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，它能夠同時完成兩個控制任務(wù)，即傳遞轉(zhuǎn)矩和控制角位移或速度。在非超載的工況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與停止位置僅取決于接收到脈沖信號的數(shù)目和頻率，負(fù)載是否發(fā)生變化對它的運行并無影響；即給步進(jìn)電機(jī)施加一個脈沖信號，電機(jī)就會轉(zhuǎn)過一個步距角[17]。
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第三章 自動標(biāo)定系統(tǒng)控制方案的確定..........33
3.1 自動標(biāo)定系統(tǒng)的控制過程與要求 .......... 33
3.2 自動標(biāo)定系統(tǒng)控制方案的確定 ....... 34
3.3 斗門高度的調(diào)定控制 ......... 38
3.3.1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) ......... 38
3.3.2 PLC 對步進(jìn)電機(jī)的控制方案....... 39
3.4 變頻器調(diào)速控制方案 ......... 40
3.5 PLC 與皮帶秤計量系統(tǒng)連接 ....44
3.6 本章小結(jié).........46
第四章 自動標(biāo)定系統(tǒng)硬件設(shè)計.........47
4.1 自動標(biāo)定系統(tǒng)的控制組成.........47
4.2 控制系統(tǒng) I/O 口的分析與分配 ........48
4.3 PLC 中央處理器和觸摸屏選型 .......50
4.4 標(biāo)定系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置......55
4.5 操作臺設(shè)計.....61
4.6 PLC 抗干擾設(shè)計 ..........62
4.7 本章小結(jié).........64
第五章 自動標(biāo)定系統(tǒng)軟件設(shè)計.........65
.1 PLC 控制原理 .......65
5.2 自動標(biāo)定系統(tǒng)的軟件設(shè)計.........68
5.3 觸摸屏界面設(shè)計 .......... 74
5.4 關(guān)于標(biāo)定曲線的幾點說明 ........ 78
5.5 本章小結(jié) ........ 82

第五章 自動標(biāo)定系統(tǒng)軟件設(shè)計

前面主要分析了自動標(biāo)定系統(tǒng)的控制過程，以及各個控制子系統(tǒng)的控制方案、硬件選型、通訊方式以及控制參數(shù)設(shè)定，本章將對自動標(biāo)定系統(tǒng)的控制程序進(jìn)行設(shè)計。

5.1 PLC 控制原理

5.1.1 PLC 的工作原理和執(zhí)行方式
PLC 工作全過程包括 3 個部分，分別為通電處理、掃描過程和錯誤處理；其工作方式為連續(xù)且循環(huán)的順序掃描，一次完整的連續(xù)循環(huán)掃描所用時間即稱為一個掃描周期，其量級通常為毫秒級。PLC 正常運行時對用戶程序的掃描嚴(yán)格地按照從上到下、從左到右的順序進(jìn)行，逐條對程序指令進(jìn)行讀取，當(dāng)程序最后一條指令讀取完成時，即完成了一次掃描循環(huán)，而后返回到程序的首條指令并按照規(guī)定順序重新掃描，開始第二次掃描循環(huán)。根據(jù) PLC 的工作原理以及工作特性可知，PLC 的工作方式為循環(huán)掃描，在執(zhí)行控制程序時每次只驅(qū)動一個操作單元，按照程序中的指令順序?qū)Χ鄠�操作單元進(jìn)行依次驅(qū)動。PLC 控制系統(tǒng)與其他控制方式的控制系統(tǒng)類似，系統(tǒng)的硬件電路連接以及各輸入/輸出端口的正確分配是系統(tǒng)控制程序正常運行的關(guān)鍵；控制程序都要對輸入信號進(jìn)行運算、處理等，并據(jù)此發(fā)送輸出信號，因此結(jié)合 PLC 運行時一個掃描周期的劃分。

結(jié)論

本文對目前國內(nèi)間歇式瀝青拌合設(shè)備常用的人工標(biāo)定方法進(jìn)行了分析，并以此為理論基礎(chǔ)，提出了一種基于 PLC 的自動標(biāo)定系統(tǒng)。本文主要得到了以下幾點結(jié)論：
1、對標(biāo)定設(shè)備作了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，完成了冷料倉出料口自動調(diào)節(jié)裝置（自動斗門）的設(shè)計，確定了標(biāo)定過程基于電子皮帶秤的皮帶稱量系統(tǒng)；通過對變頻器工作特性、負(fù)載特性的研究，得出了集料皮帶驅(qū)動電機(jī)在標(biāo)定過程中的最佳轉(zhuǎn)速比范圍內(nèi)。
2、通過研究間歇式瀝青混合料拌合站的標(biāo)定過程，經(jīng)過綜合對比與分析設(shè)計了以PLC 為控制核心、以 HMI 為上位機(jī)的自動標(biāo)定系統(tǒng)控制方案；同時確定了冷料倉自動斗門高度調(diào)定子系統(tǒng)、集料皮帶驅(qū)動電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和皮帶稱量子系統(tǒng)的控制方案。
3、通過研究自動標(biāo)定系統(tǒng)整體及局部控制方案，完成了 CPU 和 HMI 的選型，并設(shè)計了硬件電路的連接與通信方式；根據(jù)自動標(biāo)定系統(tǒng)的控制要求，完成了標(biāo)定過程控制參數(shù)的設(shè)定。
4、完成了自動標(biāo)定系統(tǒng)控制程序和觸摸屏操作界面的設(shè)計，通過設(shè)定標(biāo)定系統(tǒng)的控制參數(shù)，得到了冷骨料供料時的“重量流量—電機(jī)轉(zhuǎn)速”標(biāo)定曲線，進(jìn)而確定動態(tài)標(biāo)定過程中集料皮帶驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
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參考文獻(xiàn)（略）