連續(xù)強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)用。 首先闡述一種集散控制型的連續(xù)強(qiáng)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(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。 結(jié)果表明，這種算法可以實(shí)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(shí)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(biāo)一致性好等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：攪拌站， 連續(xù)強(qiáng)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(qiáng)制式兩大類。 間隙式是指根據(jù)配方計(jì)算所需各種料的重量并稱重，然后在攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行混料、攪拌。 間隙式水泥混凝土攪拌站有間隙強(qiáng)制式和間隙自落式兩種，產(chǎn)品已成系列化，在技術(shù)上相應(yīng)比較成熟，使用得也比較多。
連續(xù)強(qiáng)制式是指根據(jù)配方計(jì)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(jìn)入攪拌機(jī)，攪拌機(jī)將進(jìn)入入口處的混合料邊攪拌、邊推進(jìn)至攪拌機(jī)出料口，攪拌好的混凝土連續(xù)進(jìn)入成品容器。 攪拌機(jī)為雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，其物流為單方向、不循環(huán)。 顯然，連續(xù)強(qiáng)制式攪拌站對(duì)控制的要求很高，由于技術(shù)上的原因，連續(xù)強(qiáng)制式水泥混凝土攪站的推廣一度受到一些限制。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)技術(shù)[ 1 ]等在連續(xù)強(qiáng)制式攪拌站中的開發(fā)、應(yīng)用， 連續(xù)強(qiáng)制式攪拌站原有的一些技術(shù)難題已被克服，其優(yōu)點(diǎn)越來越顯現(xiàn)，應(yīng)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(shè)備采用3級(jí)集散控制系統(tǒng)形式，如圖1所示。
第一級(jí)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(jì)、含水率測(cè)試器、送料螺旋、強(qiáng)拉皮帶及水泵等。
第二級(jí)為檢測(cè)控制單元。 每個(gè)檢測(cè)控制單元包含兩片MOTOROLA控制型單片機(jī)，完成物料流量信號(hào)的測(cè)量、轉(zhuǎn)換、處理和控制。 這一級(jí)是整個(gè)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(jí)為計(jì)算機(jī)控制中心。 實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)接口、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作，并向更高一級(jí)的系統(tǒng)（多套攪拌設(shè)備的群控、廠級(jí)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制中心
各物料的給料量通過計(jì)算機(jī)控制中心輸入，并計(jì)算出各種物料的流量比，下裝到檢測(cè)控制單元，每個(gè)檢測(cè)控制單元內(nèi)部有兩片MOTORORA控制型單片機(jī)，完成一種物料流量的測(cè)量和控制。 計(jì)算機(jī)控制中心同時(shí)通過檢測(cè)控制單元將瞬時(shí)現(xiàn)場(chǎng)信息（物料流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等）收集起來并顯示在CRT上，并根據(jù)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)信息，統(tǒng)一協(xié)調(diào)各單元的工作。
計(jì)算機(jī)控制中心還通過廠級(jí)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)等構(gòu)成局域網(wǎng)，直接統(tǒng)計(jì)出每臺(tái)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(qiáng)拉皮帶連續(xù)進(jìn)行，粉料給料利用螺旋連續(xù)進(jìn)行。
檢測(cè)控制單元從荷重傳感器中獲得整個(gè)料斗的重量，計(jì)算機(jī)用兩次測(cè)得的重量之差除以間隔時(shí)間求得物料流量，根據(jù)要求值并通過超前控制、自適應(yīng)P ID控制等算法算出皮帶（或螺旋）速度，算出應(yīng)向變頻器輸入的頻率設(shè)置電壓值。 變頻器根據(jù)設(shè)定電壓輸出一個(gè)頻率，電動(dòng)機(jī)在此頻率下輸出一定轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整物料流量。
檢測(cè)控制單元根據(jù)測(cè)得的總重量可判斷出料斗內(nèi)是否有料，料接近完時(shí)給出料空信號(hào)，接近滿時(shí)給出料滿信號(hào)。 對(duì)砂石系統(tǒng)，此信號(hào)可提醒裝載司機(jī)加料；對(duì)粉料系統(tǒng)，此信號(hào)可啟閉緩沖斗蝶閥，自動(dòng)進(jìn)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(cè)實(shí)際流量并輸出與之成正比的頻率信號(hào)，檢測(cè)控制單元測(cè)量此信號(hào)，進(jìn)而獲得物料流量，根據(jù)要求值通過控制算法求得應(yīng)向變頻器輸入的頻率設(shè)定電壓值，變頻器帶動(dòng)水泵轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)流量。
1。3 控制算法及其實(shí)現(xiàn)
連續(xù)強(qiáng)制式混凝土攪拌站的主要難點(diǎn)是實(shí)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(shù)[ 2 ] 、PID參數(shù)自尋最優(yōu)控制技術(shù)及非線性控制技術(shù)[ 3 ]等。
圖2為P ID調(diào)節(jié)器方框圖。 調(diào)節(jié)器輸入e （ t） 是某種物料給定流量與瞬時(shí)實(shí)測(cè)流量的差值， 調(diào)節(jié)器輸出通過變頻控制物料流量。 調(diào)節(jié)器的輸出與輸入之間為比例2積分2微分關(guān)系，即
式中， Ti 為積分時(shí)間常數(shù)； Td 為微分時(shí)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(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的是數(shù)字化P ID調(diào)節(jié)器，即對(duì)（1） 式進(jìn)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(diào)節(jié)器模型：
（7） 由（7） 式得到數(shù)字式P ID調(diào)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(duì)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(huì)產(chǎn)生過大的超調(diào)量，使得攪拌站在生產(chǎn)混凝土?xí)r， 料頭的質(zhì)量不能保證。為改善控制性能，需采取兩項(xiàng)技術(shù)：一是采取超前估計(jì)；二是采取積分分離P ID算法[ 4 ] 。
積分分離算法要設(shè)置積分分離閾E0。 當(dāng)| e （ kT） | ≤| E0 | 時(shí)，采用P ID控制，以保證物料流量控制精度；當(dāng)| e （ kT） | >| E0 | 時(shí)，采用PD控制，降低超調(diào)量，保證混凝土料頭質(zhì)量。 積分分離P ID算法可表示為
（11） 計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果如圖4所示，從仿真結(jié)果可以看出，積分分離P ID算法顯然降低了超調(diào)量。 這對(duì)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(yù)測(cè)的干擾很多，一組固定的P ID參數(shù)，要滿足各種負(fù)荷或干擾時(shí)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(shí)現(xiàn)工況發(fā)生變化時(shí)，能及時(shí)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(zhì)量。
2 連續(xù)強(qiáng)制式攪拌站的主要特點(diǎn)
基于上述算法控制模型的連續(xù)強(qiáng)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(diǎn)：
（1） 產(chǎn)量大、效率高。 由于連續(xù)平穩(wěn)工作，單機(jī)產(chǎn)量高。
（2） 混凝土性能指標(biāo)高，一致性好。連續(xù)強(qiáng)制式攪拌站一直得不到推廣和應(yīng)用的原因之一，是料頭、料尾質(zhì)量難以保證而影響混凝土性能指標(biāo)的一致性。 圖5是基于上述算法控制模型的連續(xù)強(qiáng)制式混凝土攪拌站與傳統(tǒng)的間隙式攪拌站，在兩個(gè)多月時(shí)間內(nèi)，使用同一配方為同一工地生產(chǎn)C30混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度的12次抽樣試驗(yàn)結(jié)果。 結(jié)果表明，連續(xù)強(qiáng)制式攪拌站生產(chǎn)的混凝土抗壓強(qiáng)度指標(biāo)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(jī)內(nèi)為單方向，攪拌機(jī)端頭不存在物流的側(cè)向壓力，因此不漏漿。 料位高度不高，因而對(duì)攪拌機(jī)及耐磨材料的磨損小。
（4） 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、故障率低。 機(jī)械設(shè)備的啟停次數(shù)遠(yuǎn)低于間隙式攪拌站，因此設(shè)備壽命長、故障概率低。
（5） 節(jié)能。 生產(chǎn)C30混凝土滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)能為120m3 /h的連續(xù)強(qiáng)制式攪拌站，總耗電量僅為7815kW左右，而與之產(chǎn)能基本對(duì)應(yīng)的攪拌機(jī)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(jī)負(fù)荷低及攪拌時(shí)間相對(duì)較短。
（6） 自動(dòng)坍落度調(diào)整。 砂子含水率對(duì)坍落度影響最大，利用在砂斗出口處對(duì)砂子含水率及攪拌機(jī)負(fù)荷的自動(dòng)、動(dòng)態(tài)測(cè)試，可進(jìn)行坍落度的自動(dòng)調(diào)整。
（7） 控制技術(shù)要求高。 主要是各原料流量的測(cè)定及控制；在頻繁啟停時(shí)料頭及料尾的配比控制等，這點(diǎn)在商品混凝土攪拌時(shí)顯得更為重要。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)技術(shù)等在連續(xù)式攪拌站中的開發(fā)、應(yīng)用，上述技術(shù)難題已被克服。
3 結(jié)束語
基于上述控制模型和算法的連續(xù)強(qiáng)制式水泥混凝土攪拌站，由于成功地利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)及機(jī)電一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，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(hù)方便等特點(diǎn)，市場(chǎng)前景十分廣泛。 產(chǎn)品現(xiàn)已成功進(jìn)入國際市場(chǎng)。
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