連續(xù)強制式水泥混凝土攪拌站及其控制算法研究
2006-05-31 00:00
摘要：連續(xù)強制式水泥混凝土攪拌站由于沒有很好的控制模型和算法，一直得不到推廣和應用。 首先闡述一種集散控制型的連續(xù)強制式水泥混凝土攪拌站的工作原理，然后給出物料流量的最優(yōu)積分分離式PID控制模型和算法，并給出計算機仿真結果。 結果表明，這種算法可以實現(xiàn)物料流量的快速過渡和穩(wěn)定。 最后介紹基于上述控制模型和算法實現(xiàn)的連續(xù)式攪拌站，具有效率高、節(jié)能及生產(chǎn)的混凝土指標一致性好等特點。
關鍵詞：攪拌站， 連續(xù)強制式， PID控制
0 引言
目前混凝土攪拌站按配料的控制方式分為間隙式和連續(xù)強制式兩大類。 間隙式是指根據(jù)配方計算所需各種料的重量并稱重，然后在攪拌機內進行混料、攪拌。 間隙式水泥混凝土攪拌站有間隙強制式和間隙自落式兩種，產(chǎn)品已成系列化，在技術上相應比較成熟，使用得也比較多。
連續(xù)強制式是指根據(jù)配方計算各種料的流量，并控制瞬間流量滿足配比要求的各種料連續(xù)同步地進入攪拌機，攪拌機將進入入口處的混合料邊攪拌、邊推進至攪拌機出料口，攪拌好的混凝土連續(xù)進入成品容器。 攪拌機為雙臥軸強制式攪拌機，其物流為單方向、不循環(huán)。 顯然，連續(xù)強制式攪拌站對控制的要求很高，由于技術上的原因，連續(xù)強制式水泥混凝土攪站的推廣一度受到一些限制。 隨著計算機技術、現(xiàn)代控制技術、機電一體化設計技術[ 1 ]等在連續(xù)強制式攪拌站中的開發(fā)、應用， 連續(xù)強制式攪拌站原有的一些技術難題已被克服，其優(yōu)點越來越顯現(xiàn)，應用也必將越來越廣泛。
1 工作原理及組成
1。1 集散型控制系統(tǒng)
整套設備采用3級集散控制系統(tǒng)形式，如圖1所示。
第一級為傳感器、執(zhí)行器。 包括拉荷式重量傳感器、壓荷式重量傳感器、渦輪流量計、含水率測試器、送料螺旋、強拉皮帶及水泵等。
第二級為檢測控制單元。 每個檢測控制單元包含兩片MOTOROLA控制型單片機，完成物料流量信號的測量、轉換、處理和控制。 這一級是整個攪拌站控制的核心部分，其控制模型和算法的好壞直接決定了連續(xù)式攪拌站的可行性。
第三級為計算機控制中心。 實現(xiàn)良好的人機接口、協(xié)調整個系統(tǒng)的工作，并向更高一級的系統(tǒng)（多套攪拌設備的群控、廠級計算機管理系統(tǒng)等）提供信息及發(fā)送指令。
1。2 基本工作原理
1。 2。 1 計算機控制中心
各物料的給料量通過計算機控制中心輸入，并計算出各種物料的流量比，下裝到檢測控制單元，每個檢測控制單元內部有兩片MOTORORA控制型單片機，完成一種物料流量的測量和控制。 計算機控制中心同時通過檢測控制單元將瞬時現(xiàn)場信息（物料流量、電機轉速等）收集起來并顯示在CRT上，并根據(jù)各個現(xiàn)場信息，統(tǒng)一協(xié)調各單元的工作。
計算機控制中心還通過廠級計算機管理系統(tǒng)等構成局域網(wǎng)，直接統(tǒng)計出每臺攪拌站生產(chǎn)、經(jīng)營情況。
1。 2。 2 砂石、水泥及粉煤灰等給料原理
砂石給料利用強拉皮帶連續(xù)進行，粉料給料利用螺旋連續(xù)進行。
檢測控制單元從荷重傳感器中獲得整個料斗的重量，計算機用兩次測得的重量之差除以間隔時間求得物料流量，根據(jù)要求值并通過超前控制、自適應P ID控制等算法算出皮帶（或螺旋）速度，算出應向變頻器輸入的頻率設置電壓值。 變頻器根據(jù)設定電壓輸出一個頻率，電動機在此頻率下輸出一定轉速，從而調整物料流量。
檢測控制單元根據(jù)測得的總重量可判斷出料斗內是否有料，料接近完時給出料空信號，接近滿時給出料滿信號。 對砂石系統(tǒng)，此信號可提醒裝載司機加料；對粉料系統(tǒng)，此信號可啟閉緩沖斗蝶閥，自動進行加料。
1。 2。 3 水、外加劑給料原理
裝于管路上的流量傳感器檢測實際流量并輸出與之成正比的頻率信號，檢測控制單元測量此信號，進而獲得物料流量，根據(jù)要求值通過控制算法求得應向變頻器輸入的頻率設定電壓值，變頻器帶動水泵轉速變化調節(jié)流量。
1。3 控制算法及其實現(xiàn)
連續(xù)強制式混凝土攪拌站的主要難點是實現(xiàn)各物料的流量的快速過渡和穩(wěn)定，為此必須采用超前控制技術[ 2 ] 、PID參數(shù)自尋最優(yōu)控制技術及非線性控制技術[ 3 ]等。
圖2為P ID調節(jié)器方框圖。 調節(jié)器輸入e （ t） 是某種物料給定流量與瞬時實測流量的差值， 調節(jié)器輸出通過變頻控制物料流量。 調節(jié)器的輸出與輸入之間為比例2積分2微分關系，即
式中， Ti 為積分時間常數(shù)； Td 為微分時間常數(shù)； Kp 為比例系數(shù)；Ki = Kp / Ti 為積分系數(shù)； Kd = Kp Td 為微分系數(shù)。
若以傳遞函數(shù)D （ s） 的形式表示
（3） 計算機控制實現(xiàn)的是數(shù)字化P ID調節(jié)器，即對（1） 式進行離散化有
（4） 式中， T是采樣周期。 由Z變換的移序特性
（5） 及Z變換的部分和特性
（6） 得到數(shù)字式P ID調節(jié)器模型：
（7） 由（7） 式得到數(shù)字式P ID調節(jié)器的Z傳遞函數(shù)
（8） 式中， Kp 為比例系數(shù)； Ki = Kp T / Ti 為積分系數(shù)； Kd = Kp Td / T為微分系數(shù)。
物料流量控制模型框圖如圖3所示。
對于變頻器，可采用增量型算式：
（9） 而u （ kT） 可由遞推公式獲得：
（10） 系統(tǒng)中，加入積分校正后，會產(chǎn)生過大的超調量，使得攪拌站在生產(chǎn)混凝土時， 料頭的質量不能保證。為改善控制性能，需采取兩項技術：一是采取超前估計；二是采取積分分離P ID算法[ 4 ] 。
積分分離算法要設置積分分離閾E0。 當| e （ kT） | ≤| E0 | 時，采用P ID控制，以保證物料流量控制精度；當| e （ kT） | >| E0 | 時，采用PD控制，降低超調量，保證混凝土料頭質量。 積分分離P ID算法可表示為
（11） 計算機仿真結果如圖4所示，從仿真結果可以看出，積分分離P ID算法顯然降低了超調量。 這對商品混凝土生產(chǎn)是非常必要的。
在混凝土生產(chǎn)過程中不可預測的干擾很多，一組固定的P ID參數(shù)，要滿足各種負荷或干擾時的控制性能的要求是困難的。 采用自尋最優(yōu)P ID控制[ 5 ] ，可實現(xiàn)工況發(fā)生變化時，能及時改變P ID參數(shù)，使控制性能最佳，以保證生產(chǎn)的混凝土質量。
2 連續(xù)強制式攪拌站的主要特點
基于上述算法控制模型的連續(xù)強制式水泥混凝土攪拌站，與間隙式攪拌站相比具有如下特點：
（1） 產(chǎn)量大、效率高。 由于連續(xù)平穩(wěn)工作，單機產(chǎn)量高。
（2） 混凝土性能指標高，一致性好。連續(xù)強制式攪拌站一直得不到推廣和應用的原因之一，是料頭、料尾質量難以保證而影響混凝土性能指標的一致性。 圖5是基于上述算法控制模型的連續(xù)強制式混凝土攪拌站與傳統(tǒng)的間隙式攪拌站，在兩個多月時間內，使用同一配方為同一工地生產(chǎn)C30混凝土的28 d抗壓強度的12次抽樣試驗結果。 結果表明，連續(xù)強制式攪拌站生產(chǎn)的混凝土抗壓強度指標一致性不差于間隙式攪拌站。
（3） 不漏漿，磨損小。 物流在攪拌機內為單方向，攪拌機端頭不存在物流的側向壓力，因此不漏漿。 料位高度不高，因而對攪拌機及耐磨材料的磨損小。
（4） 運轉平穩(wěn)、故障率低。 機械設備的啟停次數(shù)遠低于間隙式攪拌站，因此設備壽命長、故障概率低。
（5） 節(jié)能。 生產(chǎn)C30混凝土滿負荷運轉時，產(chǎn)能為120m3 /h的連續(xù)強制式攪拌站，總耗電量僅為7815kW左右，而與之產(chǎn)能基本對應的攪拌機容量為3m3 的間隙式攪拌站，總耗電量約為135 kW左右，同等產(chǎn)量前提下節(jié)能40%左右，主要原因是連續(xù)式攪拌機負荷低及攪拌時間相對較短。
（6） 自動坍落度調整。 砂子含水率對坍落度影響最大，利用在砂斗出口處對砂子含水率及攪拌機負荷的自動、動態(tài)測試，可進行坍落度的自動調整。
（7） 控制技術要求高。 主要是各原料流量的測定及控制；在頻繁啟停時料頭及料尾的配比控制等，這點在商品混凝土攪拌時顯得更為重要。 隨著計算機技術、現(xiàn)代控制技術、機電一體化設計技術等在連續(xù)式攪拌站中的開發(fā)、應用，上述技術難題已被克服。
3 結束語
基于上述控制模型和算法的連續(xù)強制式水泥混凝土攪拌站，由于成功地利用了計算機技術、現(xiàn)代控制技術及機電一體化設計技術，與傳統(tǒng)的間隙式水泥混凝土攪拌站相比，具有成本低、產(chǎn)量高、節(jié)能、環(huán)保、維護方便等特點，市場前景十分廣泛。 產(chǎn)品現(xiàn)已成功進入國際市場。
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