第一章 緒論

1.1 研究背景及意義
交通運(yùn)輸是關(guān)乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),也是衡量一個(gè)國(guó)家和民族經(jīng)濟(jì)實(shí)力、綜合實(shí)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(yùn)輸路面的使用現(xiàn)狀來(lái)看，瀝青路面在諸多方面優(yōu)勢(shì)明顯；在瀝青路面上，車(chē)輛行駛平穩(wěn)、舒適、震動(dòng)小、噪音低、磨耗較小，，且瀝青路面維修方便，開(kāi)放交通所需時(shí)間短，因而被廣泛采用于各級(jí)公路施工中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)顯示，現(xiàn)階段的所有重要路面（包括國(guó)道、省道、一級(jí)公路、二級(jí)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(gè)比例還將會(huì)有一定幅度的提升[1]。在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天，隨著交通車(chē)輛通行量越來(lái)越大、車(chē)輛軸載迅速增長(zhǎng)、車(chē)速不斷提高，瀝青路面發(fā)生的質(zhì)量問(wèn)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(jì)年限等[2]。交通流量和車(chē)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(duì)瀝青路面施工技術(shù)和瀝青混合料的質(zhì)量提出了越來(lái)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(shí)具有一定溫度的復(fù)合材料，根據(jù)路面的等級(jí)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(lèi)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(duì)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(lèi)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(jí)配控制、稱重計(jì)量及烘干加熱三個(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)[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(guò)程中加料、攪拌、出料這 3 個(gè)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(shí)在骨料進(jìn)入攪拌機(jī)的過(guò)程中，各級(jí)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(shí)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(jí)別物料的添加位置，而時(shí)間上的工序同步是提高生產(chǎn)效率的不二法門(mén)。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(shì)。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(duì)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(guó)和歐洲交通建設(shè)市場(chǎng)占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)的主要原因之一。
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第二章 標(biāo)定過(guò)程的設(shè)備優(yōu)化

2.1 冷骨料供料流量分析
對(duì)標(biāo)定過(guò)程的控制主要體現(xiàn)為對(duì)冷骨料供料流量的控制。冷骨料供料時(shí)，若將冷骨料的體積流量作為因變量來(lái)處理，則影響其變化的自變量即為冷料倉(cāng)出料口的高度（下文簡(jiǎn)稱為斗門(mén)高度）與集料皮帶驅(qū)動(dòng)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(shí)為保證控制精度和控制的可行性，需對(duì)上面兩個(gè)自變量進(jìn)行研究和分析。對(duì)冷骨料的體積流量進(jìn)行分析時(shí)，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(chǔ)存?zhèn)}（簡(jiǎn)稱冷料倉(cāng)）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(cāng)出料端與集料皮帶運(yùn)行方向相同的一側(cè)稱為出料口，可上下調(diào)整其開(kāi)口高度，從而可控制冷骨料供料時(shí)的流量；出料端的另一側(cè)則固定不動(dòng)，發(fā)揮固定擋板的作用。在冷料倉(cāng)進(jìn)行冷骨料的供應(yīng)時(shí)，為盡可能地改善由于物料顆粒之間、物料顆粒與料倉(cāng)側(cè)壁之間摩擦所造成的出料困難現(xiàn)象，通常將冷料倉(cāng)底部設(shè)計(jì)為梯形，同時(shí)出料方向應(yīng)該從冷料倉(cāng)底部的小端流向大端。
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2.2 冷料倉(cāng)自動(dòng)斗門(mén)設(shè)計(jì)
經(jīng)研究，冷料倉(cāng)自動(dòng)斗門(mén)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(cāng)斗門(mén)高度的調(diào)整范圍及要求的調(diào)整精度，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)利用直齒輪齒條機(jī)構(gòu)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)冷料倉(cāng)斗門(mén)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(dòng)斗門(mén)設(shè)計(jì)方案，控制過(guò)程為：控制器→步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器→步進(jìn)電機(jī)→齒輪齒條機(jī)構(gòu)（齒條機(jī)構(gòu)與斗門(mén)焊接在一起），自動(dòng)斗門(mén)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(duì)自動(dòng)斗門(mén)的優(yōu)化是在現(xiàn)有設(shè)備上進(jìn)行，而標(biāo)定時(shí)自動(dòng)斗門(mén)在提升過(guò)程中僅受到斗門(mén)擋板自身的重力和斗門(mén)導(dǎo)軌的摩擦力，因此不再進(jìn)行受力分析，主要對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)變成線位移或者角位移；步進(jìn)電機(jī)常作為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，它能夠同時(shí)完成兩個(gè)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(hào)的數(shù)目和頻率，負(fù)載是否發(fā)生變化對(duì)它的運(yùn)行并無(wú)影響；即給步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角[17]。
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第三章 自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)控制方案的確定..........33
3.1 自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的控制過(guò)程與要求 .......... 33
3.2 自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)控制方案的確定 ....... 34
3.3 斗門(mén)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(duì)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(jì)量系統(tǒng)連接 ....44
3.6 本章小結(jié).........46
第四章 自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).........47
4.1 自動(dòng)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(tái)設(shè)計(jì).....61
4.6 PLC 抗干擾設(shè)計(jì) ..........62
4.7 本章小結(jié).........64
第五章 自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).........65
.1 PLC 控制原理 .......65
5.2 自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).........68
5.3 觸摸屏界面設(shè)計(jì) .......... 74
5.4 關(guān)于標(biāo)定曲線的幾點(diǎn)說(shuō)明 ........ 78
5.5 本章小結(jié) ........ 82

第五章 自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

前面主要分析了自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的控制過(guò)程，以及各個(gè)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(duì)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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(guò)程包括 3 個(gè)部分，分別為通電處理、掃描過(guò)程和錯(cuò)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(shí)間即稱為一個(gè)掃描周期，其量級(jí)通常為毫秒級(jí)。PLC 正常運(yùn)行時(shí)對(duì)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(duì)程序指令進(jìn)行讀取，當(dāng)程序最后一條指令讀取完成時(shí)，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(kāi)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(shí)每次只驅(qū)動(dòng)一個(gè)操作單元，按照程序中的指令順序?qū)Χ鄠�(gè)操作單元進(jìn)行依次驅(qū)動(dòng)。PLC 控制系統(tǒng)與其他控制方式的控制系統(tǒng)類(lèi)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(yùn)行的關(guān)鍵；控制程序都要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、處理等，并據(jù)此發(fā)送輸出信號(hào)，因此結(jié)合 PLC 運(yùn)行時(shí)一個(gè)掃描周期的劃分。

結(jié)論

本文對(duì)目前國(guó)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(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。本文主要得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：
1、對(duì)標(biāo)定設(shè)備作了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，完成了冷料倉(cāng)出料口自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置（自動(dòng)斗門(mén)）的設(shè)計(jì)，確定了標(biāo)定過(guò)程基于電子皮帶秤的皮帶稱量系統(tǒng)；通過(guò)對(duì)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(dòng)電機(jī)在標(biāo)定過(guò)程中的最佳轉(zhuǎn)速比范圍內(nèi)。
2、通過(guò)研究間歇式瀝青混合料拌合站的標(biāo)定過(guò)程，經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比與分析設(shè)計(jì)了以PLC 為控制核心、以 HMI 為上位機(jī)的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)控制方案；同時(shí)確定了冷料倉(cāng)自動(dòng)斗門(mén)高度調(diào)定子系統(tǒng)、集料皮帶驅(qū)動(dòng)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(guò)研究自動(dòng)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(jì)了硬件電路的連接與通信方式；根據(jù)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的控制要求，完成了標(biāo)定過(guò)程控制參數(shù)的設(shè)定。
4、完成了自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)控制程序和觸摸屏操作界面的設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)定標(biāo)定系統(tǒng)的控制參數(shù)，得到了冷骨料供料時(shí)的“重量流量—電機(jī)轉(zhuǎn)速”標(biāo)定曲線，進(jìn)而確定動(dòng)態(tài)標(biāo)定過(guò)程中集料皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
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參考文獻(xiàn)（略）