搅拌机控制系统设计

搅拌机控制系统设计（精选9篇）

搅拌机控制系统设计 篇1

摘要：当搅拌机内的物料粘度发生较大变化时,需要对搅拌机的速度进行相应的控制。为了实现控制过程的自动化,设计了一种基于LabVIEW的、直流电机驱动的搅拌机控制系统。通过检测搅拌机主轴的负载转矩,结合相关的硬件,利用LabVIEW完成数据采集、分析和处理,进而完成对搅拌机转速的实时控制。通过建立直流电动机的动态数学模型,对控制过程进行了模拟仿真。

关键词：扭矩测量,LabVIEW,直流电机,转速控制

0 引言

在食品加工以及纳米高分子材料的生产过程中,通常用搅拌机对物料或溶液进行混合。在某些物料的混合过程中,其粘度会发生较大变化,粘度的变化会引起搅拌机负载转矩的变化。不同的粘度往往要求不同的搅拌速度,粘度越高需要的搅拌速度越低。目前这一过程的实现多为人工手动控制,由于难以把握物料粘度的变化,控制精度也比较低。本系统将综合扭矩检测技术、虚拟仪器技术以及数据采集卡技术,实现控制过程的实时化、自动化,从而减轻操作人员的劳动强度,提高工作效率。

1 系统设计原理

物料粘度是控制搅拌机转速的重要参数,当粘度变大时,搅拌所需的转矩也会变大,因此可以通过检测搅拌机主轴的扭矩,衡量物料粘度的变化,进而对搅拌速度做出调整。控制系统主要由扭矩检测模块、数据传输模块、虚拟仪器模块、数据输出和驱动电路组成,其原理图如图1所示。

扭矩传感器检测到的信号经过调理放大,传送至单片机,经单片机内部的A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号;再经无线传输模块和相应的接口设备送至计算机使用对数据进行处理从而得到扭矩值,并根据扭矩值设定所需转速。对于直流电动机的速度控制,以直流他励电机为例,其机械特性方程为

式中U—电枢供电电压(V);

Ia—电枢电流(A);

Ra—电枢回路总电阻

CE—电势系数;

—励磁磁通(Wb)。

由式(1)可以看出,改变电机的电枢电压、磁通和电枢电阻均可以改变电机的速度。综合考虑本系统检测对象的特点,采用改变电枢电压的控制方式,这也是最简单和最有效的方式。

由前面确定的设定转速,根据式(1)并结合实际可确定所取得控制电压,由LabVIEW控制模块将确定的电压信号经数据采集卡传至驱动电路,即可完成对电机的速度控制。

2 扭矩检测模块

扭矩检测模块完成对搅拌机主轴的扭矩检测,系统采用全桥式测量电桥电路来测试扭矩。根据材料力学可知,当传动轴受到扭矩作用时,在轴表面与轴线成及夹角螺旋线上有最大的拉应力和压应力,且大小相等、方向相反。为此,将4片电阻应变片与轴中心线成45°方向,粘贴在传递轴外表面上,组成惠斯顿电路,如图2所示。当转轴在负载转矩下以转速n旋转时,电阻应变片R2和R4阻值增加,R1和R3阻值减小,其变化量与扭矩成正比。此时,向应变电桥其中两端提供工作电源,则另外两端输出反应扭矩变化的电压信号。

3 信号调理及传输模块[1,2]

由应变电桥测得的电压信号一般为毫伏级,而系统使用的C 8051F120单片机内部ADC 0要求模拟输入的电压转换范围为0～2.43V,因此测得的微弱电压信号要通过仪表放大器AD 623将其放大成1V左右的强信号。

在系统设计中,C 8051F120的主要功能是实现输入信号的A/D转换,同时负责控制系统各部分器件的有序工作。C 8051F120的ADC 0子系统包括一个9通道的可编程模拟多路选择器(AMUX 0)、一个可编程增益放大器(PGA 0)和一个100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC。ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器,AMUX 0,PGA 0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过相关的特殊功能寄存器来控制。

对于扭矩信号的传输,如果采用普通的有线电缆引出信号,由于有线传输大多采用滑环、水银和电刷等引电装置,存在接触部位的摩擦阻力和接触零件的磨损、发热等问题,使得其信号传输不稳定,工作寿命短,不适合高速旋转或振动较大的轴。因此决定采用无线传输方式。单片机C 8051F120将采集到的数字信号通过串行通信方式将数字信号传输给无线发送模块WAP200B。信号经无线模块的调制处理后,按照预先设置好的波特率和发射功率将信号传输给另一个无线接收模块,之后对该信号进行RS232电平转化,通过串口线传输至终端PC机。

4 虚拟仪器设计及仿真

4.1 控制系统软件设计

采用LabVIEW 8.5来搭建测试与控制系统,其程序包括前面板和程序框图两部分。在前面板中,输入用输入控件实现,程序运行结果由输出控件显示。前面板中,通过对串口参数进行配置,系统可以从串口接收到由扭矩传感器测得的扭矩信号。LabVIEW对数据进行分析,可得到扭矩值。然后,根据实际需要对扭矩和转速的关系进行线性拟合,由此可计算出设定转速,并进一步得到控制电压的大小。电机设定转速和控制电压可通过右侧的波形图显示其变化过程。

控制系统程序框图由扭矩检测模块和控制信号生成模块两部分组成。扭矩检测模块的功能是完成对扭矩信号的接收和数据点分析及扭矩值计算,其程序框图如图3所示。系统测试过程中通过串口接收传输过来的动态数据信号,VISA每次读取3个字节数据,并将该字符串转换为字节数组存入索引数组中,随后将首字节与0xFF进行比较。如果相等,则说明其后的两个字节是有效数据;如果不等,则继续进行首字节的比较,直到首字节等于0xFF时,分别取出后续的两个字节执行“第2字节×64+第3字节”恢复系统A/D转换得到的12位电压信号数据,再对其进行数据运算即可得出扭矩值。

控制信号生成模块的程序框图如图4所示。扭矩检测模块检测到扭矩发生变化后,可先通过手动控制方式调节控制电压以得到合适的电机转速测得几组数据后,对扭矩和转速数学关系进行线性拟合,将得到的拟合曲线数学表达式输入到前面板,再使用自动控制方式即可完成根据扭矩变化自动控制电机转速的过程。另外,直流电机直接启动时的严重缺点是启动电流很大,一般电机可达10～20倍额定电流,不但影响电网电压,而且会使电机换向器产生强烈的火花,故一般不采用直接启动的方式。在本系统中,可以通过对电机电压的控制实现降压启动,限制启动电流。

4.2 控制系统模拟仿真

利用LabVIEW,即可以建立直流电动机的仿真模型,并可据此模型仿真电机的控制过程[3,4]。

本文中,通过克朗的电机统一理论,建立了并励直流电动机的电压方程,即

式中—励磁绕组的端电压、电流、电阻和自感系数;

—电枢绕组的端电压、电流、电阻和自感系数;

ωr—转自角速度;

Bm—机械阻尼系数;

TL—负载转矩;

J—电动机转子轴上的总转动惯量;

Laf—运动电动势系数,具有电感量纲,可近似认为是恒定值[5]。

利用LabVIEW的数学运算模板、微积分运算模板等相关模板,可以把式(2)所表示的并励直流电动机动态模型搭建成一个VI,也就是并励直流电动机的仿真模型。利用此模型可以对上述控制过程模拟仿真,其前面板如图5所示。

将扭矩和转速的拟合曲线以及直流电动机的参数输入到前面板的输入控件,运行后即可在前面板右侧的波形图显示扭矩变化曲线和电机转速曲线。

由波形图可以看出,当扭矩发生变化时,电机转速按照提前拟合的曲线变化,电机转速稳定后与控制系统指定的转速基本一致。同时,由于采用了降压启动,电机的启动电流也得到了很好的抑制。

5 结语

系统设计综合了扭矩检测技术、无线传输技术和虚拟仪器技术,实现了根据搅拌物料粘度变化实时控制搅拌速度的功能。与传统的控制系统相比,本系统采用LabVIEW虚拟仪器技术,具有上手快、开发周期短操作灵活和易于修改的优点可应用于各类搅拌过程中负载转矩发生变化的搅拌机的速度控制。

参考文献

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搅拌机控制系统设计 篇2

搅拌机是搅拌设备的心脏。在搅拌机设计及使用过程中，合理的选取搅拌机的结构，运动和工作参数，直接关系到混凝土等材料的搅拌质量和搅拌效率。论文对搅拌臂的排列、搅拌叶片的安装角、拌筒长宽比、搅拌机转速和搅拌时间等主要参数的选取进行分析与试验研究。通过归纳，给出了双卧轴搅拌机的主要参数，包括搅拌臂排列、叶片安装角、拌筒长宽比、搅拌线速度等；给出了评价搅拌机参数合理与否的准则；给出了搅拌臂排列的基本原则。论文通过试验研究，建议用叶片推动的物料量与该搅拌机的公称容量的比值rl，来综合评定搅拌臂的个数，叶片面积和其他参数匹配的合理性，并作为设计时的参考；双卧轴搅拌机的叶片的安装角范围为3l一45，对国内广泛使用的宽短型双卧轴搅拌机叶片安装角度推荐为45；对目前国内外普遍使用的双卧轴搅拌机，它的长宽比的选择范围为0．7—1．3，推荐使用值为小于1；搅拌机的转速主要受搅拌过程中混合料不发生离析现象所限制，对目前常用的双卧轴搅拌机，推荐的叶片线速度为1．4m／s-1．7m／s／；合理的搅拌时间是保证搅拌质量符合要求条件下的最短搅拌时间，它受充盈率等多种因素影响，合理的搅拌时间应通过试拌来确定。[关键词]：搅拌机、主要参数、合理性、实验研究

第1章 前言

1．1国内外研究现状及发展趋势

19世纪40年代，在德、美、俄等国家出现了以蒸气机为动力源的白落式搅拌机，其搅拌腔由多面体状的木制筒构成，一直到19世纪80年代，才开始用铁或钢件代替木板，但形状仍然为多面体。1888年法国申请登记了第一个用于修筑战前公路的混凝土搅拌机专利。20世纪初，圆柱形的拌筒自落式搅拌机才开始普及，其工作原理如图1．2所示。形状的改进避免了混凝土在拌筒内壁上的凝固沉积，提高了搅拌质量和效率。1903年德国在斯太尔伯格建造了世界上第一座水泥混凝土的预拌工厂。1908年，在美国出现了第一台内燃机驱动的搅拌机，随后电动机则成为主要动力源。从1913年，美国开始大量生产预拌混凝土，到1 950年，亚洲大陆的日本开始用搅拌机生产预拌混凝土。在这期间，仍然以各种有叶片或无叶片的自落式搅拌机的发明与应用为主⋯。自落式搅拌机依靠被拌筒提升到一定高度的物料的自落完成搅拌。工作时，随着拌筒的转动，物料被搅拌筒内壁固定的叶片提升到一定高度后，依靠自重下落。由于各物料颗粒下落的高度、时问、速度、落点和滚动距离不同，从而物料各颗粒相互穿插、渗透、扩散，最后达到均匀混合。自落式搅拌机结构简单，可靠性高，维护简单，功率消耗小，拌筒和叶片磨损轻，但搅拌强度不高，生产效率低，搅拌质量不易保证。此种搅拌机适于拌制普通塑性混凝土，广泛应用于中小型建筑工地。按拌筒形状和卸料方式的不同，有鼓筒式搅拌机、双锥反转出料搅拌机、双锥倾翻出料搅拌机和对开式搅拌机等，其中鼓简式搅拌机技术性能落后，已于1987年被我国建设部列为淘汰产品。随着多种商品混凝土的广泛使用以及建筑规模的大型化、复杂化和高层化对混凝土质量、产量不断提出的更高要求，有力地促进了混凝土搅拌设备在使用性能和技术水平方面的提高与发展。各国研究人员开始从混凝土搅拌机的结构形式、传动方式、搅拌腔衬板材料以及搅拌生产工艺等方面进行改进和探索。20世纪40年代后期，德国ELBA公司最先发明了强制式搅拌机，和自落式搅拌机的工作原理不同，强制式搅拌机利用旋转的叶片强迫物料按预定轨迹产生剪切、挤压、翻滚和抛出等强制搅拌作用，使物料在剧烈的相对运动中得到匀质搅拌。强制式搅拌机工作原理如图1．3，与自落式搅拌机相比，强制式搅拌机搅拌作用强烈，搅拌质量好，搅拌效率高，但拌筒和叶片磨损大，功耗增大。此种搅拌机适于拌制干硬性、轻骨料混凝土以及特种混凝土和专用混凝土，多用于施工现场的混凝土搅拌站和预拌混凝土搅拌楼。根据构造特征不同，主要有立轴涡浆式搅拌机、立轴行星式搅拌机、立轴对流式搅拌机、单卧轴搅拌机和双卧轴搅拌机等。

图1．2 自落式搅拌机工作原理示意图图1．3强制式搅拌机工作原理示意图

随着技术的发展，强制式搅拌机在德国的BHS公司和ELBA公司、美国的JOHNSON 公司和REX WORKS公司、意大利的SICOMA公司和SIMEN公司、日本的日工株式会社和光洋株式会社等企业发展迅速，目前已形成系列产品。比如德国的EMC系列、EMS系列搅拌站和UBM系列、EMT系列搅拌楼，意大利的MAO系列搅拌站、MSO 系列大型搅拌基地等。我国混凝土搅拌设备的生产从20世纪50年代开始。1952年，天津工程机械厂和上海建筑机械厂试制出我国第一代混凝土搅拌机，进料 容量为400L和1000L。20世纪70年代未至80年代初，我国为适应建筑业商品混凝土大规模发展的需要，在引进国外样机的基础上，有关院所厂家陆续开发了新一代Jz型双锥自落式搅拌机、．D型单卧轴强制式搅拌机。其中，JS型双卧轴搅拌机在80年代初研制成功。80年代末，我国混凝土搅拌产品开发重点转向商品混凝土成套设备，研制出了10多种混凝土搅拌楼(站)。经过引进吸收、自主开发等几个阶段，到本世纪初，国内混凝土搅拌机技术得到长足发展，在产品规格和生产数量上，都达到了一定规模，出现了一批具有自主知识产权的新技术，逐步形成了一个具有一定规模和竞争能力的行业。2006年，我国生产装机容量O．5～6m3的搅拌站2100多台，已成为混凝土搅拌设备的生产大国。1．2国内外搅拌机参数的研究现状

对搅拌设备来说，搅拌机构是核心装置，混凝土搅拌质量的好坏，搅拌机生产率的高低以及使用维修费用的多少都与它有关，目前，双卧轴搅拌机是国内的主导机型，因此，国内外对卧轴搅拌机技术进行了比较广泛、深入的研究。国外对卧轴搅拌机技术的研究起因于对沥青混和料拌和抽样和方法准确度的分析，由于试验中采用的1t间歇式卧轴强制搅拌器，抽取的样品测试数据显示了在搅拌器的一种设计与另一种设计之间，由于桨叶的排列方式不同，有可能成为造成混合料均匀度的明显差别的主要原因。研究人员分析认为：所用的双轴桨叶式搅拌器中，材料的主要运动是一种在与轴垂直的平面内，围绕着每根轴的不规则转动。在桨叶相遇或重叠的部位，材料在一根轴之间的区域内相互交换着，材料的辅助运动是与两根轴平行的，从搅拌轴的一个旋转平面到另一旋转平面。在用来构成辅助运动方面，不同设计方案的搅拌器，变化是很广泛的。混合料在两根轴之间的区域内运动是不规则的，但是在轴的两侧，物料则围绕着搅拌器内壁在水平面内作某种循环运动，运动的程度都会受到桨叶端面与它们移动方向的夹角的影响。为了找到在搅拌器其它设计特点保持不变的情况下，由于改变桨叶端面的角度和安装方式而产生的不同方案的辅助运动，以及对被搅拌的混和料均匀度的影响程度，研究人员制造了一套带有可调桨叶的特殊桨臂。通过央紧作用，将桨叶紧固到桨臂的圆柱部分，并可按任意角度调整，而且可按根右旋或左旋螺距来安装于搅拌轴上。在一些搅拌器中，将垂直于它们移动方向的平面桨叶，向左和向右交替地转一定角度，使这些桨叶的排列方式不是按照产生一种有规则的辅助运动，所以在搅拌器内材料的输送不是始终如一地从一端到另一端。当使物料由轴的两端向中心运动时。物料向中心堆积，有一些物料则从堆积料的顶端溢出，再从两端返回，那旱物料的水平面要低得多。在另外一些搅拌器中，桨叶的排列可使物料产生有规则的辅助运动。一轴上的所有桨叶端面都使物料朝一个方向运动，而另一根轴上的所有桨叶端面部使物料朝相反的方向运动。在桨叶相对于搅拌轴不同的倾斜角度情况下，分别采用两种桨叶排列方式进行试验：①将所有桨叶调至使物料向搅拌器的中心运动：②将一根轴上的所有桨叶都安装成使物料向右运动，而另一根轴上的所有桨叶都安装成使物料向左运动，以便能使物料 在平面内围绕着搅拌器产生顺时针方向的循环或旋转运动。这两种排列方式被称为“向心”方式和“旋转”方式。试验按18批物料作为一个系列来进行，它覆盖的变化因素包括：三种桨叶角度（15、30和45)、两种桨叶排列方式和三种搅拌时间(1min、2min和4min)。获得拌和匀质性分析的样品总数为213个。分别计算出每批混和料样品中粘结料的百分比标准离差和通过给定筛子的物料百分比标准离差，将标准离差转换为离差系数，以便提供不同混和料之间合理有效的比较。

第2章搅拌机主要参数

2．1双卧轴搅拌机的主要参数

本文以目前广泛使用的双卧轴搅拌机为主，对搅拌装置几何和运动参数的合理取值范围进行分析和试验研究。搅拌装置参数主要有：搅拌臂的排列、搅拌叶片的安装角、拌筒的长宽比及搅拌线速度等，其结构如图2 1(a)所示，主要参数如图2 1(b)所列：

图2．1(a)双卧轴搅拌机结构

图2．1双卧轴搅拌机主要参数 2．2搅拌机参数选取的准则

目前国内外广泛使用的自落式和强制式搅拌机己沿用了50余年。但在搅拌机设计 和使用中，仍采用类比法这样的经验方法，缺乏合理性；由于对搅拌过程的机理研究不够，对如何选择这一参数，说法不一，缺乏科学性；在搅拌过程中，混合料的物理一化学性能都发生了变化，这一过程极其复杂而影响因素又较多，但由于对诸参数综合优化的试验研究不深入，且设计和使用者在选择转速值时缺少依据。搅拌机是混凝土制备设备的心脏，它必须满足搅拌质量与搅拌效率等性能要求。搅拌质量就是生产出符合国家标准要求的新拌混凝土；搅拌效率就是在满足搅拌质量的前提下，搅拌时间要尽量短，以提高设备的生产率和设备的利用率，降低生产成本。百年大计，质量第一。混凝土是重要的建筑材料，新拌混凝土质量是对搅拌机性能的最基本的要求，也是首要的性能要求。混凝土质量用其宏观及其微观均匀度来评价，宏观均匀性用拌和物中砂浆密度的相对误差埘

式中，搅拌的平均时间f的角标表示拌缸(或拌筒)三维坐标(x，y，z)或(z，r，由)及其顺序。该式的物理意义是：合理的搅拌机参数应保证在满足给定的均匀度指标的前提下，在拌缸内各个方向的搅拌时间相接近。这时选取的搅拌机的主要参数较合理。可利用实验来调整搅拌机的参数，使其趋于合理。在不同的搅拌时间，按三维坐标方向测搅拌的均匀度就可知道，在所有方向都达到给定的均匀度的时间。一般来}兑，在三个方向同时都达到给定的均匀度指标是不可能的，总会有先有后。应根据实验结果，调整搅拌机结构及相应的参数，使得能够在搅拌室内所有方向上能接近同时达到给定的均匀度。2．3试验样机与实验条件

2．3．l试验样机

试验样机主要搅拌参数见表2 l，主体结构见图2．2 表2．1试验样机主要搅拌性能参数

图2．2双卧轴搅拌机主体结构图

该试验样机搅拌的基本工作原理与普通双卧轴搅拌机一样，动力从电机通过摆线针轮减速器，变速后由弹性畦轴器直接传递给一对同步齿轮，从而带动两根搅拌轴作反向同步转动。轴端密封共采用三道密封技术，印迷宫环、浮封环O型圈和骨架油封。卸料采用手动方式，通过搅拌筒底部的偏心旋转扇形闸门来控制。由于试验条件的限制．也为了简化设计，该样机没有设计耐磨衬板和L料机构，试验中采用人上料，这虽然会对搅拌质爵和搅拌时捌产生一些影响，但由于是在相同条件下进行试验．所以仍然能够完成试验任务。

搅拌机构是本次试验研究的重点。由于试验中要分别比较拌筒不同长宽比和搅拌臂不同排列形式以及搅拌叶片不同安装角度对搅拌质量的影响，因此要求拌筒的长宽比、搅拌臂的排列和搅拌叶片的安装必须能够调节，而且要求拆装、维护方便。

2．3．2搅拌机构的设计 ●搅拌叶片的设计

搅拌叶片的形状是根据拌简直径、叶片安装角度(轴向和径向安装角度)、叶片在轴向和径向所占搅拌区域长度和叶片设定高度等参数设计的。其中，侧搅拌叶片分左旋和右旋两种。搅拌叶片的外缘利用拌简直径构成的圆柱体，通过曲线拟合得到。考虑叶片与拌筒内壁的间隙大小对叶片使用寿命和搅拌能耗的影响，设计搅拌叶片的外缘与拌筒内壁的间隙≤4mm，并且成变间隙的楔形，见图2．3。先接触物料的前端间隙小于后端，相差1--2mm，利于集料一旦被卡后的释放。对于搅拌臂和搅拌叶片的安装设计，则都采用了抱瓦结构，通过螺栓的央紧作用分别固定在相应的搅拌轴和搅拌臂上，具体结构如图2．4所示。试验中，根据拌 筒长宽比的不同和试验研究的要求，搅拌叶片的数量可以相应的增减；通过调节搅拌轴抱瓦，可以调节单轴搅拌臂相位和双轴搅拌臂相位差；通过调节搅拌臂抱瓦，可以调节搅拌叶片的轴向安装角。●拌简长宽比

拌筒长宽比变化是通过在搅拌筒中横置挡板实现图2．4搅拌臂和搅拌叶片结构 的，即保持拌筒宽度不变而对拌筒长度进行调节。挡板的形状与搅拌筒横截面是一致的，可以通过螺栓固定在与拌筒焊接的角钢上，从而将拌筒由窄长形分隔为宽短形。样机设计窄长形拌筒的长宽比为1．11，宽短形拌筒的长宽比为O．78。2．3．3试验用混凝土配合比的设计

混凝土配合比设计必须满足四项基本要求；a)施工性能一混凝土拌和物应具备满足施工操作的和易性；b)力学性能一硬化后的混凝土应满足工程结构设计或施工进度所要求的强度和其它有关力学性能；c)耐久性能一硬化后的混凝土必须满足抗冻性、抗渗

图2．4搅拌臂和搅拌叶片结构 图2．3楔形间隙示意图

性等耐久性要求；d)经济性能一应在保证混凝土全面质量的前提下，尽量节约水泥，合理利用原材料，降低成本。影响水泥混凝土性能的因素很多，其中各组成材料的质量和其配合比是影响混凝土性能的内因。一个合理的配合比，对提高水泥混凝土在各方面的性能，有着重要的作用。混凝土的配合比设计，实质上就是确定四项材料用量之间的三个对比关系，即三个参数。

(1)水灰比W／C：水与水泥之间的比例关系，用水与水泥用量的质量比表示。(2)砂率厦：砂子与石子之间的比例关系，用砂子重量占砂石总重的百分数表示。(3)单位用水量mwD：水泥净浆与骨料之间的比例关系，用lm3混凝土的用水量 表示。水灰比、砂率、单位用水量三个参数与混凝土的各项性能之间有着密切的关系，如图2．5所示(图中，粗实线表示直接关系，细实线表示主要关系，虚线表示次要关系)。正确地确定这三个参数，就能保证混凝土满足一定的设计要求。

图2．5配合比参数与混凝土性能关系

考虑本次试验研究的目的，因此在试验过程中保持混凝土组成材料及其配合比的恒定，即各组试验所用的混凝土均采用同一配合比设计： 水泥31kg，水17kg，砂66kg，石子127kg。

第3章搅拌臂的排列

对于双卧轴搅拌机，搅拌臂的排列形式主要包括搅拌臂的料流排列和搅拌臂的相对位置关系。其中搅拌臂的相对位置关系主要是指单根轴上相邻两个搅拌臂之间的相对位置关系和双轴上搅拌臂之间的相对位置关系。本节主要讨论搅拌臂的料流排列。搅拌臂的不同排列形式，可使拌筒内的混凝土混合料产生不同的料流运动形式。卧轴搅拌机拌筒内的料流形式因搅拌轴数量和混凝土搅拌生产的方式不同有所差别。分析拌筒内的料流形式，可以知道影响双卧轴搅拌机搅拌筒内物料运动的主要因素是搅拌臂的排列以及叶片参数。对于双卧轴搅拌机拌简内的物料运动形式，通过初步试验及分析，认为由于搅拌臂的排列及其叶片的安装形式不同，使物料表现“对流"和“围流”两种不同的运动轨迹。这两种料流形式孰优孰劣，可以通过理论分析和试验研究得出结论。

3．1对流和围流

对流搅拌臂的排列如图3．1所示。在搅拌叶片推动下，混合料由搅拌机两端向中央运动，并在中央处以锥体形状堆积。这时有些物料就会从料堆顶部溢出，流向拌筒的两端，然后再由叶片将其从两端推回中央，从而完成物料的一个循环。围流搅拌臂的排列如图3．2所示。其中一根轴上的叶片推动混合料沿轴朝一个方向运动，而另一根轴上的叶片推动混合料沿轴朝另一个相反方向运动。在两轴末端，各有返回叶片把混合料扒离拌筒端面，并从一根轴处转送到另一根轴处，使混合料完成大循环运动。在两轴之间的区域，左边轴上的叶片将混合料推向右边，右边轴上的叶片将混合料推向左边，完成混合料的小循环运动。

图3．1搅拌臂对流排列图 图3．2搅拌臂围流排列

3．2分析与试验

分析物料的运动形式可知，两种搅拌臂排列都实现了物料的循环流动，理论上任一物料质点都能到达拌筒内任意位置，但两种排列使物料在拌筒中的分布状态是不一样的。对流排列中，物料主要积存在拌筒的中央，而两端却较少，因此中央的搅拌叶片受载大，两端处的叶片受载小，容易造成个别搅拌臂和叶片过载损坏。而围流排列可使混合料在拌筒内均匀分布，从而保证沿轴全长上的搅拌叶片受载相同，拌筒底部和叶片的磨损均匀。从这一点来看，搅拌臂围流排列要比对流排列更具优势。对其搅拌质量的影响可依靠试验研究进行比较。通过对搅拌臂及叶片的不同排列、安装，在不同形状的拌筒内，进行关于逆流和围流的比较试验，测定相应的混凝土拌和物匀质性和28d的硬化混凝土标准试块的抗压强度。试验采用相同的混凝土配合比，mco(水泥)：mwo(水)：mso(砂)：mGo(石子)=1：0．55： 2．13：4．096。混凝土的强度等级为C20，混凝土拌和物坍落度为10、30mm，水泥用425号普通硅酸盐水泥，细骨料用中砂，粗骨料用5--一40mm连续级配碎石。试验结果见表分析物料的运动形式可知，两种搅拌臂排列都实现了物料的循环流动，理论上任一物料质点都能到达拌筒内任意位置，但两种排列使物料在拌筒中的分布状态是不一样的。对流排列中，物料主要积存在拌筒的中央，而两端却较少，因此中央的搅拌叶片受载大，两端处的叶片受载小，容易造成个别搅拌臂和叶片过载损坏。而围流排列可使混合料在拌筒内均匀分布，从而保证沿轴全长上的搅拌叶片受载相同，拌筒底部和叶片的磨损均匀。从这一点来看，搅拌臂围流排列要比对流排列更具优势。对其搅拌质量的影响可依靠试验研究进行比较。通过对搅拌臂及叶片的不同排列、安装，在不同形状的拌筒内，进行关于逆流和围流的比较试验，测定相应的混凝土拌和物匀质性和28d的硬化混凝土标准试块的抗压强度。试验采用相同的混凝土配合比，mco(水泥)：mwo(水)：mso(砂)：mGo(石子)=1：0．55：2．13：4．096。混凝土的强度等级为C20，混凝土拌和物坍落度为10,、,30mm，水泥用425号普通硅酸盐水泥，细骨料用中砂，粗骨料用5--一40mm连续级配碎石。试验结果见表3．1。

表3．1 对流与围流的比较试验测试指标值

由表3．1可见，不同拌筒内物料运动呈现对流时，混凝土的匀质性指标全都不合格，即不满足AM<0．8％、AG<5％的国标要求，而对于搅拌臂围流排列，虽然这两个指标会随着其他搅拌参数的改变而变化，但是却都满足埘

3．3基于围流形式的搅拌臂排列原则

目前国内外鲁厂家几乎也都采用搅拌臂圉流排列的形式。其典型特征可归纳为： 物料的流向应当符合右(占：)手定则，即当有(左)手四指顺着搅拌轴旋转方向时，拇指的指向就是物料的流动方向：并且两轴上搅拌叶片推动物料轴向流动分量和径向流动分量的方向相反，如图3．3所示。此时，物科不但有大范围的循环流动f可以是逆时针也可以是顺时针，如图3．4所示)，而且中央主搅拌区，两轴问的物料还有强烈的高频次逆流。

图30逆时钟围潍图3顺时针围流

如果以I、II来表示轴的序号，以n来表示叶片的序号，那么之间这种运动就称为逆流。拌区的次序有先有后，所上必然存在相位差。相位差太大．造成作用时间上的延迟，进而逆流作用的效果就比较弱；相位差太小，甚至为零时，意味着两搅拌臂几乎同时到达搅拌区，并且二者对物料推动的方向相反，类似于在周向形成一堵“墙”，即彤成局部“死循环”现象，料流的大循环运动被阻断。所以．逆流相位差大小应该有一个合理的取值范围，在此范围的逆流才被认为足合理的。若能通过合理布置和两搅拌臂，使其到达搅拌区的相位时间差更合理，频次更多，那么物料揉搓和挤压的作用就越充分，搅拌效果就越好。同时，由于这种逆流是在两搅拌轴之间的强制作用，如果柿黄合理，使得物料作用频次快，强度大，靠近搅拌轴音|f分的物料就会充分运动起柬．就能在某种程度上改善普通强制式搅拌机所固有的，园速度梯度所产生的搅拌低效区问题。但逆流是以不破坏物料的大循环流动为前提的。另外，由于I和II之间的相互关系又与单轴及双轴上搅拌臂的相位及其排列有关，如果布置合理，那么这种逆流运动不但起不到强化搅拌的作用，反而有可能破坏整体的大循环运动，会恶化搅拌质量。因此，搅拌臂排列形式优化的最终目的就是尽可能加快物料轴向大循环的频次，同时增加物料合理逆流，从而增加物料与搅拌叶片直接接触并发生强制作用的机会，提高搅拌质量。由此可以得到双卧轴拌筒内搅拌臂及叶片布置的基本原则如下： ①物料在拌筒内合理流动，在尽量短的时间内把物料拌成匀质混凝土； ②在搅拌轴旋转的过程中，尽量让参与搅拌的叶片数目相等，以达到搅拌电机负荷均匀，减少冲击的目的；

⑧物料在拌筒内分布均匀，不要在拌筒的局部区段产生堆积，避免个别叶片和搅 拌臂过载而损坏。

3．4单轴搅拌臂的排列形式

单轴搅拌臂排列形式取决于其上相邻两个搅拌臂之间的相位布置，包括相邻拌臂间的相位角及其正、反排列形式。3．4．1相位角及其正、反排列形式

单根轴上相邻两个搅拌臂之间的相位布置，国内外不尽相同。目前，用于搅拌普通混凝土的搅拌机中，比较主流的布置相位角是900和60。也有采用其他角度布置的，比如日本日工公司的产品就是450。用于搅拌大骨料混凝土时，会采用1200甚至1800相位角。从单轴上搅拌臂的相位方向与搅拌轴旋转方向的关系来看，同一相位角在单根轴上的搅拌臂排列可以有两种形式：一种称为正排列，另一种称为反排列。其中对于正排列的规定是：当逆着混合料流动方向看，搅拌臂排列的相位方向应与搅拌轴转向相同；若顺着混合料流动方向看，二者方向则相反。相反的情况就是反排列。

图l所示为单轴上900相位角的搅拌臂排列形式，图中“·”表示物料流出纸面，其中，图3．5(a)为搅拌臂正排列，图3．5(b)为搅拌臂反排列。

图3．5单根轴上90相位角的搅拌臂排列形式

3．4．2分析与试验

以搅拌臂相位角900为例，对正、反排列做比较分析。先讨论反排列布置。依据物料连续递推式地前进，当第四搅拌臂上的叶片将混合料向前推搅后，同轴的第三搅拌臂上的叶片需要旋转270。才能继续将混合料向前推动，然后再经过一个270。旋转轮到第二搅拌臂。显然，混合料从一个搅拌臂处被推搅到下一个相邻的搅拌臂处，每一次搅拌轴都要旋转270。，如果有n个搅拌臂，那么就需要n一1 倍的2700。而对于正排列布置，由第四搅拌臂上的叶片向前推搅的混合料，只需要经过90。就可被同轴的第三搅拌臂上的叶片继续推搅。同样，当混合料轮到第二搅拌臂推搅时，仍然只需要旋转90。于是混合料从第一个搅拌臂传到第n个搅拌臂，只需经过n一1倍的900就能实现。图3．6所示为单轴上600相位角的搅拌 臂排列形式，图中“·”表示物料流出纸面，图3．6(a)为反排列，图3．6(b)为正排列。在图3．6(a)的反排列布置下物料被连续递推式前进，当第七搅拌臂上的叶片将物料向前推搅后，同轴第六搅拌臂上的叶片需要。相位角的搅拌臂排列3000才能继续将物料向前推进。显然，如果有n个搅拌臂，那么就需要n一1倍的3000；对于图3．6(b)的正排列：则只需经过n一1倍的60。就能实现。由此可见，在搅拌时间、拌臂数目及相位角一定的情况下，搅拌臂正排列要比反排列推搅的快，物料获得的轴向流动次数更多，搅拌装置的利用率更高。这对搅拌臂围流排列的搅拌机，完成物料从拌筒的一端运动到另一端的作用则更加明显。但同时也说明单轴上采用较小的相位角可使物料得到较多的流动次数。但相位角太小，物料在拌筒内周向翻动的剧烈程度降低，它还要受制于混凝土拌和物粗骨料最大粒径的限制。现在选用国内某厂生产的JS500型双卧轴搅拌机为例进行计算分析。该机每根轴上有7个搅拌臂，围流排列，相位角为90。，转速35r／rain，搅拌周期45s。于是在一个搅拌周期内，搅拌轴转过的圈数为

图3.6单根轴上60相位角的搅拌臂排列

对于搅拌臂反排列，物料完成一个轴向的推搅需要转过

那么，一个周期内物料在单根轴上完成的流动次数为

若采用搅拌臂正排列，物料完成一个轴向的推搅需要转过

于是，一个周期内物料在单根轴上完成的流动次数为

可见，这种JSS00型双卧轴搅拌机单根轴上搅拌臂正排列得到的流动次数是反排列的(17．5／5．8≈)3倍。这同时也表明单根轴上采用较小的相位角可以获得较多的流动次数。但也不是说单根轴上搅拌臂问的相位角越小，搅拌质量就越好。因为较小的相位角虽然可以实现物料沿轴向的快速均布，但物料在拌筒内翻动的剧烈程度却相应变差，即物料的周向流动变差，这显然不利于物料在整个空间方向的均布。显然，单根轴上相邻搅拌臂间的相位角是与轴上搅拌臂的数量密切相关的。对于围流排列，若以11表示单根轴上搅拌臂的数目，0表示相邻搅拌臂间的相位角，则理论上对于相位角的取值范围应满足关系式：3600≤noO≤7200。从前面对对流、围流的比较试验数据(参见表3．1)来看，对于所搅拌的混凝土来 说，单轴上相邻拌臂间60。相位角要比90。的搅拌质量好。为了进一步研究对普通混凝土搅拌时单轴上相邻搅拌臂相位角的较优值，选择450、60。和900，在不同长宽比的拌筒中，取满足上述关系式的不同数目的搅拌臂，在搅拌叶片不同的安装角和工作线速度下，搅拌粗骨料最大粒径为40mm的普通混凝土，测得试验数据列于表3．2中。从表中数据可以看出：搅拌臂相位角600布置时，能够得到相对较好的搅拌效果，对应的各项测试指标的均值都优于900和450相位角的情况，尤其是混凝土的7天抗压强度平均值，都在20MPa以上。从前面的理论分析也可以知道，相同条件下，60。相位角时物料在轴向获得比900布置时更多的流动次数，因而更容易实现物料在轴向的均匀分布。

由此可知，就试验中采用的粗骨料最大粒径为40ram的普通混凝土来说，搅拌臂相位600布置是较合理的。

表3．2单轴上相邻拌臂间相位角的比较试验

表3．2单轴上相邻拌臂间相位角的比较试验(续)

3．2．3小结 3．5叶片安装角的定义

搅拌叶片安装角是搅拌机的主要结构和工作参数之一。对搅拌质量和搅拌效率都有着直接的影响。本文以双卧轴搅拌机的叶片安装角为研究对象，其方法也可用来确定其它类型搅拌机的叶片安装角。它是指搅拌叶片斜面与搅拌轴线间所夹的锐角，见图4．1中的Q角。

图4．1物料单元受力图图4．2叶片前的密实核心 ●定性分析

搅拌机工作时，拌缸内的搅拌叶片应推动混合料沿拌缸的纵向和横向循环运动，实现混合料在三维空间内的流动。当安装角Q过小时，叶片主要带动混合料围绕搅拌轴转动，而缺乏必要的轴向运动；极限情况是当a=0时，搅拌叶片变成和轴平行的一块平板，不起搅拌作用。当安装角a过大时，叶片推动混合料的横向运动就很弱；当Q=90。时，叶片就成为与搅拌轴垂直的平板，和Q=0。时一样也丧失了搅拌功能。因此，搅拌叶片一定要相对于搅拌轴成一定角度安装。为了使混合料的横向和轴向运动都较大，目前国内外叶片安装角的常用值为Q=45。若将某一瞬间搅拌叶片对某单元混合料的作用情况简化为图4．1所示，可以看出，要使混合料能够沿叶片宽度方向运动，实现轴向运动，必须满足E—E≥0，即：

对于普通的塑性混凝土。搅拌机T作时，叶片的前面将形成密实的核心，混合料沿着密实核心的侧棱运动，见图4．2，图中AB、BC为密实核心侧棱；口为叶片的安装角；y为密实核心侧棱与搅拌轴间的夹角。由于AB和BC两侧棱间的夹角180。．2y为混合料稳定堆放的安息角，叶片的横向搅拌速度系数6：就是口≠00时密实核心的截面积与口=00时密实核心最大面积之比：

叶片的轴向搅拌速度系数％就是密实核心两侧棱在搅拌轴上的投影差与叶片在搅拌轴上投影之比

为了兼顾混合料在横向和轴向都有较大的运动速度，叶片的安装角应使总的搅拌速度系数6具有最大值。总搅拌速度系数6为

致谢

本文在***老师的悉心指导下完成，导师对专业的一丝不苟，对学生呕心沥血，使我很受感动，在此向尊敬的***老师致以最崇高的敬意和衷心的感谢。在理论和课题研究过程中，得到相关实验室老师的鼎力协助和辅导，得到授课老师的宽容和帮助，同时也得到****老师的大力支持，还有许多在读硕士和博士 的无私帮助，在此一致表示诚挚的谢意。

浅谈沥青搅拌设备燃烧控制设计 篇3

关键词：沥青搅拌设备,燃烧器,控制

烘干系统是决定沥青搅拌设备生产能力和能耗性能的关键系统，它集料烘干并加热到生产温度，结构如图1所示，燃烧器是烘干系统的核心总成之一。搅拌设备生产商一般采用外购的燃烧器成品，如HAUK燃烧器、百得燃烧器等;也有些生产商自主开发燃烧器，如德国BENNINGHOVEN公司、瑞士AMMANN公司等。

燃烧器作为独立功能的成品，其控制系统设计上一般分为燃烧控制和温度控制两部分。燃烧控制负责燃烧器的清吹、点火、火焰监测、熄火保护等功能，是燃烧器安全稳定燃烧的关键，一般采用专用的燃烧控制器，如西门子LAL系列、霍尼韦尔7800系列控制器等。温度控制一般采用智能调节器或上位计算机实现温度的自动和手动控制，智能调节器如欧陆的2604型、霍尼韦尔的UDC3200型等。

专用的燃烧控制器俗称“黑盒子”，其内部控制过程不可见，当出现突然断火等故障时会有故障报警开关量输出。对于整个沥青搅拌设备控制系统来说，由于燃烧控制器不能与主控PLC或上位计算机通讯，成为系统中的一个孤岛。当出现燃烧故障时只有一个报警开关量，无法获取更多的故障信息。特别是当燃烧控制器本身出现问题时，由于其内部控制过程不可见，故障更难以诊断。

解决这个问题可以有两种方案：一是实现燃烧控制器与主控PLC或上位计算机通讯;二是将燃烧控制器的功能直接在主控PLC或上位计算机上实现。

1 燃烧器控制分析

采用西门子LAL2.25型燃烧控制器和欧陆818S型温控器的燃烧器控制系统，燃烧控制分为4个过程。

1)点火前清吹过程启动轴流风机，并将风门开到最大进行清吹，清吹完后将风门关到最小准备点火，清吹过程如果发生故障则发出报警并停止轴流风机。

2)点火过程点火变压器通电，煤气打开，点火电极间断发生电火花并点燃煤气，燃油泵阀和压缩空气阀打开，燃油喷入、雾化并被煤气火焰点燃，煤气阀关断。如果光电眼检测火焰稳定则点火完成，否则点火故障报警并关断燃油泵阀和压缩空气阀。

3)燃烧过程监控通过光电眼持续检测火焰是否稳定，如果火焰消失或不稳定则关断燃油泵阀和压缩空气阀并发出报警。正常燃烧后，由温控器自动或手动控制油风门开度以实现温度控制。

4)熄火处理关断燃油泵阀和压缩空气阀，将风门关到最小并停止轴流风机。

从电路结构和过程分析可见：这种燃烧控制是一般的逻辑控制，容易通过PLC或上位计算机编程实现;只有一个故障报警开关量，不利于进一步获取故障信息，不利于系统为操作员提供进一步的维护提示。

2 采用PLC和温控器的燃烧控制设计

2.1 系统结构

燃烧控制采用主PLC预留的控制模块，电路如图2所示，控制输出采用OC225模块，安装在02号通道;输入模块采用IA122模块，安装在04号通道。

2.2 控制流程

燃烧控制流程如图3所示，与原燃烧控制器不同的是，增加了手动点火功能。集料含水量过量、油品问题等可能造成燃烧过程突然中断，为保证已经进入烘干筒内的集料能继续连续烘干加热，在安全的情况下可以选择手动点火，及时恢复生产。

3 结束语

搅拌机控制系统设计 篇4

一、课题：搅拌器控制电路设计

二、设计要求

1．能够控制搅拌机电机的运转，搅拌机电机的工作顺序为：

启动→正转30s→暂行10s→反转30s→停止。

2．用4个LED模拟搅拌机的转动方向：LED1~LED4右移循环点亮表示正转；LED1~LED4左移循环点亮表示反转；LED1~LED4点亮表示暂停；全灭为停止。

3．用数码管显示搅拌时间，对搅拌过程作倒计时显示，直到时间到停机，并发出音响信号报警。

4．设置停止键，在搅拌过程中随时可终止动作，并使显示器清零。

三、要求完成的任务

1．设计该电路并画出整体电路原理图

2．完成设计电路连接与调试

3．写出设计说明书

四、设计说明书规格：不少于3000字（不含图）

封面

目录

1）设计目的、任务

2）设计方案比较及选择

3）总体功能说明

4）各单元电路图及功能说明、参数选择

5）设计总结

搅拌机控制系统设计 篇5

自20世纪七八十年代以来, 水泥土搅拌桩复合地基因其独特优点, 而在公路、铁路、水利、市政以及建筑等工程建设中迅速得到了广泛应用[1]。复合地基承载力和沉降是复合地基设计最重要的设计参数, 其大小的确定也是基础工程中最为关键的环节之一[2]。有限单元法是目前研究桩土复合地基较有效的方法。事实上, 复合地基设计时根据实际工程中复合地基加固的目的可分为三种情况, 即以提高地基承载力为主要目的、以控制地基沉降为主要目的以及两者兼之。一般情况下, 当地基承载力满足要求时, 地基沉降往往不能刚好符合要求;而当地基沉降满足要求时, 承载力也未必刚好适宜。那么在进行复合地基设计时, 到底应该采用承载力还是沉降作为设计分析的控制指标呢?怎样才能既满足地基处理相关规范的要求, 又满足上部建筑物对地基的基本要求呢?本文以有限元法为理论基础, 利用ANSYS分析软件建立水泥土搅拌桩复合闸基的相关有限元模型, 探讨了水泥土搅拌桩复合闸基设计的控制指标, 以期为搅拌桩复合闸基设计提供一定的参考。

1 数值模拟分析

1.1 研究方法

本文以有限元理论为基础, 采用ANSYS软件建立天然地基承载模型、单桩承载模型以及水泥搅拌桩复合地基承载模型模拟研究地基静载试验过程, 通过静荷载加载分析得到复合地基荷载-位移曲线以及桩身压缩曲线, 得到复合地基承载力的确定标准, 再与规范中规定的水闸地基最大容许沉降等参数进行比较, 从而推出水泥土搅拌桩复合闸基设计的一种控制指标。

1.2 复合地基模型的建立

1.2.1 基本资料

本文土体参数为某一实际工程的三轴实验值。土层总厚度为20.0m, 共分为2个土层, 上层为淤泥质黏土, 下层为粉质黏土, 土层厚度均为10.0 m, 具体属性见表1。水泥土桩径为0.5m, 桩长设计值为11.0 m, 即桩端伸入下层持力土层1.0m, 桩顶与建基面同高。计算时, 限定桩顶与建基面位移一致以模拟刚性承台底面, 桩体计算参数见表2。采用总体直角坐标系, 向上为Y正方向。土体按弹塑性材料考虑, 桩体采用线弹性模型, 破坏准则采用Drucker-Prager准则[4,5]。施加在桩土复合地基上的外荷载由上部建筑物确定, 并等效为建基面上的均布面荷载[6]。

另外, 考虑桩土之间的摩擦作用, 取淤泥质黏土与桩的摩擦系数为0.2, 持力层粉质黏土与桩的摩擦系数为0.3, 并在桩土接触面处设置刚-柔面面接触单元。

1.2.2 模型的建立

桩体采用线弹性模型, 土体采用弹塑性材料模型, 采用D-P屈服准则。桩和土体都采用具有八节点的六面体单元, 即Solid45实体单元[4,5,6]。由于桩土刚度相差较大, 桩土之间选用刚-柔面面接触单元。桩作为刚性目标采用Targe170单元, 土体作为柔性目标采用Conta174单元[4,5,6]。

本文共建立3个数值模拟模型:天然地基承载模型、单桩承载模型、复合地基承载模型。文献[7]指出, 当桩基桩距在6d以上时, 不考虑桩与桩、桩与土之间的相互影响是合理的。因此, 本文在建立单桩承载模型时, 取建基面长宽均为6m, 即桩中心轴线距建基面边缘的距离为3m (相当于6倍的桩径) 。另外, 为减小边界效应[8], 土体的长宽均取为12m (相当于2倍的建基面尺寸) 。由于结构模型具有对称性, 为减少计算工作量, 提高效率, 本文采用1/4模型进行分析。

2 计算成果整理分析

2.1 天然地基承载力控制标准

本文对天然地基极限承载力进行数值分析时, 考虑土体以塑性区域贯穿来作为控制指标。然后与规范规定的水闸地基沉降允许值所对应的地基所能承受的荷载作对比, 分析天然闸基的承载力, 分析成果见表3。

注:表中D表示重力作用下地基初始沉降;ΔD表示扣除地基原有初始沉降后加载所得的沉降。

由模拟分析成果可知, 当加载至P=80kPa时, 土体已经出现明显的塑性区, 当加载至P=118kPa时, 土体塑性区已经贯通, 不适宜再继续加载。因此该水闸天然土地基的极限承载力为118kPa, 但是此时对应的地基沉降高达34.63cm, 已远远超出水闸设计规范规定的最大允许沉降。因此应该以水闸地基沉降作为控制指标。

对原模型重新加载, 并取水闸地基最大允许沉降量15cm作为控制指标, 可以得到如表4所示的分析成果。对表中数据进行分析可知, 当以水闸最大沉降允许值作为控制指标时, 该水闸天然地基的承载力为53.39kPa, 小于80kPa, 此时地基土未达到其屈服强度, 不会出现塑性变形, 满足地基土的变形要求, 即对于该闸基, 以水闸最大沉降量作为控制指标是合理的。

注:表中D表示重力作用下地基初始沉降;ΔD表示扣除地基原有初始沉降后加载所得的沉降。

2.2 单桩及复合地基承载力控制指标

对复合闸基及单桩承载模型进行逐步加载后可以得到以下成果, 见表5、表6。根据计算成果数据表, 可以得到复合地基的荷载-位移曲线 (Q~S曲线) 以及桩身的压缩曲线, 见图1~图4。

注:表中D表示重力作用下地基初始沉降;ΔD表示扣除地基原有初始沉降后加载所得的沉降。Se为桩身压缩量, 其大小等于桩顶沉降减去桩端沉降。

注:表中ΔD表示扣除地基原有初始沉降后加载所得的沉降。

由以上计算成果可知:单桩荷载-沉降曲线以及桩身压缩曲线均为缓变型曲线, 没有出现明显的拐点。因此水泥土搅拌桩复合地基的设计不能根据规范[3]规定的转折点法来确定复合地基承载力, 而应该按沉降来控制。

《建筑基桩检测技术规范》[9]指出:对于缓变型Q~S曲线可根据沉降量确定, 宜取S=40mm对应的荷载值;当桩长大于40m时, 宜考虑桩身弹性压缩量, 一般以50~60mm对应的荷载作为极限承载力值。文献[10]指出:对于缓变型的P~S曲线, 可取单桩桩身压缩量等于40~60 mm对应的荷载作为单桩极限承载力;《基桩质量检测技术》[11]指出:桩端持力层为密实度和强度均较高的土层, 而桩身土层为相对软弱土层时, 端阻所占比例较大, 荷载~沉降曲线呈缓变型, 这种情况下常以Su=40~60mm来确定极限荷载。

本文考虑取桩身压缩量等于60mm所对应的荷载为水泥土基桩竖向极限荷载, 即取单桩桩身压缩量60 mm作为加载的控制指标。由于在复合地基中, 角桩、边桩以及中心桩在相同荷载水平下的荷载分担水平不同, 变形存在差别, 中心桩的变形相对较小, 故以中心桩的极限压缩量作为控制指标来确定复合地基的极限承载力。但是水闸设计规范[12]规定水闸地基最大允许沉降量为15cm。因此, 对于水泥土搅拌桩复合闸基应综合考虑单桩桩身的最大允许压缩量以及建筑物复合地基的最大允许沉降量, 取两者所对应的荷载的小值, 作为复合闸基的极限承载力, 即以单桩桩身的最大允许压缩量以及复合闸基的最大允许沉降量作为水闸复合地基设计时的控制指标。

按照以上控制指标, 分析表5、表6中的计算成果, 可以发现, 对于单桩, 当桩身压缩量为61 mm时, 复合闸基沉降为14.18cm, 小于水闸设计规范规定的最大允许沉降量, 故应该取桩身压缩量60mm作为控制指标, 重新加载后的成果见表7;对于复合闸基当中心桩桩身压缩量为63.6 mm时, 复合闸基的沉降为14.16cm, 小于水闸设计规范规定的最大允许沉降量, 故取中心桩桩身压缩量60mm作为控制指标, 重新加载后的成果见表8。此外, 从ANSYS塑性变形云图中可以看到, 当中心桩压缩量达到60 mm时, 尽管边桩和角桩的桩身压缩量都已经超过60mm, 但两种桩都没有产生塑性变形, 故都不会发生破坏, 故取中心桩桩身压缩量作为控制指标是合理的。

注:表中D表示重力作用下地基初始沉降;ΔD表示扣除地基原有初始沉降后加载所得的沉降。Se为桩身压缩量, 其大小等于桩顶沉降减去桩端沉降。

3 结语

本文以有限元法为理论基础, 应用ANSYS软件分别建立了水闸天然地基承载模型、单桩承载模型以及水泥土复合闸基承载模型模拟分析了地基承载力有限元分析时的控制指标, 并得出以下结论:

注:表中D表示重力作用下地基初始沉降;ΔD表示扣除地基原有初始沉降后加载所得的沉降。Se为桩身压缩量, 其大小等于桩顶沉降减去桩端沉降。

(1) 对于水闸天然地基, 当地基达到极限承载力时, 其沉降已经远远超过了规范规定的最大允许沉降量, 以此计算的地基沉降量不符合工程的安全标准, 故应该以地基允许的最大沉降量作为计算控制指标。

(2) 对地基进行加固后, 无论是单桩还是群桩复合地基, 当桩身压缩量达到规范规定的最大值时, 复合地基沉降都在规范允许的范围内, 说明水泥土搅拌桩复合地基对控制闸基的沉降有显著的作用, 能够很好的改善软土地基的沉降特性。

(3) 对于单桩模型数值分析时, 应该以单桩桩身压缩量的最大允许值作为控制指标。当桩身压缩量达到60 mm时, 地基沉降为13.88cm, 已经接近水闸地基的最大允许沉降量15cm, 说明以60mm的桩身压缩量作为控制指标是合理的。

(4) 对于群桩复合地基, 随着总荷载增加, 桩顶荷载从角、边桩到中心桩先后达到其单桩极限承载力, 导致在同一荷载水平下角桩、边桩以及中心桩的荷载分担比例不同, 从而使各桩桩身压缩量也不相同。但是通过模拟计算分析可知, 当中心桩达到规范允许的最大压缩量60 mm时, 角桩和边桩都尚未出现塑性变形, 故应取中心桩的最大允许压缩量60 mm作为模拟分析计算时的控制指标, 此时复合闸基沉降量为13.02cm, 在规范允许的范围内。

但是由于模拟水泥土搅拌桩复合地基模型的局限性, 以及复合地基承载力影响因素的多样性, 本文仅仅是一次研究复合闸基有限元分析控制指标的尝试, 在运用有限元分析复合闸基承载力时还需要考虑实际工程中的其他影响因素并借助相关规范来确定。本文所做的相关研究也还有待进一步的考证和完善。

参考文献

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[3]JGJ79-2002, 建筑地基处理技术规范[S].

[4]孙毅, 金涛, 陈盨.Ansys在桩土共同作用分析中的应用[J].苏州城建环保学院学报, 2002, (4) :13-17.

[5]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社, 2007.

[6]李围, 叶裕明, 刘春山.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社, 2010.

[7]宰金珉.按单桩极限承载力设计复合桩基的研究 (上篇) [J].南京建筑工程学院学报, 1992, (4) :1-19.

[8]赵法锁, 俞剑勇.灌注桩桩土相互作用试验及有限元模拟研究[J].工程地质学报, 20019, (1) :87-88.

[9]JGJ106-2003, 建筑基桩检测技术规范[S].

[10]刘福臣, 林世乐, 黄怀峰, 等.地基基础处理技术与实例[M].北京:化学工业出版社, 2009.

[11]陈凡, 徐天平, 陈久照, 关立军.基桩质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社, 2003.

搅拌机控制系统设计 篇6

1 混凝土搅拌站的粉尘主要来源

1.1 物料输送过程中的粉尘

混凝土拌制所需的物料在运输过程中会产生粉尘, 主要表现在装载机铲斗抛料过程中产生的扬尘、骨料 (如:砂、石等) 在上料、称量、以及皮带输送过程中产生的扬尘、粉料 (如:水泥、粉煤灰、矿粉、膨胀剂等) 在输送过程中产生的粉尘外泄等。

1.2 向主机投料过程中的粉尘

当混凝土拌和料均称量完毕后, 骨料和粉料就会通过相应投料口投入到主机中, 此时粉尘也会一并带入到主机中, 其中大部分粉尘会参与到搅拌过程中, 而少部分粉尘则会被内部气流扬起。当主机除尘系统中的过滤布袋或滤芯出现破损等不利现象时, 粉尘就会出现大量外泄, 直接排放到大气中造成严重的污染。

1.3 向粉料仓内送料过程中的泄漏粉尘

散装物料罐车在向粉料仓送料过程中, 如水泥、粉煤灰筒仓的物料运输是以高压空气作为主要动力源进行输送, 其筒仓内的压力要大于外部空气大气压, 即会存在仓内压力, 压缩空气经仓顶除尘器的滤芯向外释压。通常情况下仓顶除尘器是采用机械振动方式, 以达到振落滤芯表面粉尘目的。而当仓顶除尘器的振动器出现故障或无人进行手动控制时, 粉尘就会在仓顶除尘器中大量积累将滤芯堵死, 此时粉料仓由于需要进行卸压操作, 仓内压缩空气就会通过安全卸压阀进行压力释放, 而安全卸压阀处并不具备空气过滤功能, 因此, 粉尘将会随压缩空气排放到大气中造成严重的环境污染。

2 除尘系统优化选型及参数设置

2.1 滤芯材料及结构形式的优化选用

聚酯无纺布由于具有截尘能力较小、过滤精度较高、具有韧性易成型、运行维护较为方便等特点, 是混凝土搅拌站应用较为成熟且应用效果较为良好的优秀滤芯材料。混凝土搅拌站 (楼) 处粉尘主要是由水泥粉、粉煤灰、矿粉、灰尘等组成, 其颗粒大多在1.0~500μm之间, 即其过滤特性差异并不是太大, 为了便于实际运行过程中的操作使用和维护, 宜优选同一种类和结构形式的除尘材料。皱褶式滤芯结构由于其具备占地空间较小、除尘面积较大、综合除尘能力较高、使用方便等优点, 在实际工程中得到广泛推广应用。

2.2 除尘器类型的优化选型

工程中应用较为成熟且应用效果较为良好的是选用脉冲反吹除尘器, 即通过文丘里管将压力范围为0.5~0.6MPa的高压压缩空气, 以脉冲方式周期间歇式地吹入到仓顶除尘器滤芯内部, 将粘附在滤芯外表面上的灰尘 (块) 等吹落清理。脉冲反吹除尘器其在实际应用过程中除尘效率通常可以达到99.6%, 可以大大延长混凝土搅拌站除尘设备的综合维护保养周期, 提高工作效率。

2.3 储料料仓除尘器面积的优化选型储料料仓除尘器面积可以按照公式 (1) 进行计算, 即:

式 (1) 中:K为安全系数, 通常取1.2~1.4;Q为空气流量, Q=以散装粉料罐车的风量来计算, 其大约为600~1300m3/h;M为集料体积, m3;T为物料投放时间, s;为过滤速率, m/min。

对于一个HZS180混凝土搅拌站而言, 选用公称容积为3m3的搅拌主机, 其集料体积为4.5m3, 投料时间大约为16s, 安全系数取1.2, 过滤速度取1.1 m/min, 则除尘器的除尘过滤面积为:

此外, 还要结合工程实际, 从处理风量、使用温度、滤袋的长径比、压力损失等方面, 进行除尘器优化选型设计, 确保除尘器在工程实践应用中发挥良好的应用效果。

3 环保型混凝土搅拌站除尘系统优化设计应用实例

3.1 搅拌站主体外包装全封闭设计

环保型混凝土搅拌站主体宜采用二层及以上全封闭外包装, 应先采用角钢搭建混凝土搅拌站的骨架模型, 然后在采用夹心彩钢板来封闭包装整体主楼框架, 通过全封闭式结构设计有效控制搅拌站主楼中产生的粉尘进入到空气中的污染量。

3.2 骨料堆场全封闭设计

受建设投资成本和建设理念等因素的影响, 目前混凝土拌制过程中采用的碎石通常未经有效水洗, 其粉尘含量较高, 在储存、运输、堆料、以及装载机铲料等过程中均很易产生扬尘, 而砂料尤其是机制砂料其含尘量更高。为了降低骨料堆场的粉尘对环境的污染程度, 在环保型混凝土搅拌站设计过程中宜采用全封闭骨料堆场方案, 即:料场整体承重骨架宜采用钢结构, 其整体钢强度较优越、内部空间较大、光线较好, 非承重墙体则可以采用彩钢板、空心砖砌筑而成。骨料堆场内应布设自动喷淋水装置, 这样可以对骨料内部扬尘起到较好抑制作用。

3.3 骨料配料和上料环节全封闭设计

骨料配料和上料等环节中, 会产生大量粉尘和扬尘。因此, 在环保型混凝土搅拌站优化设计过程中, 无论是采用皮带机还是采用提升机进行骨料输送上料时, 宜设计成全封闭结构, 即对配料站和输送上料系统进行全封闭设计, 采用钢结构搭建配料站和输送上料系统骨架, 采用彩钢板进行全封闭外包装, 有效降低骨料配料、上料等输送环节中外泄到环境中的粉尘含量, 将粉尘污染降低到最小。

3.4 粉料筒仓除尘设计

粉料筒仓除尘系统宜在仓顶上设计强制式除尘机, 这样一方面可以提高滤料综合除尘效率, 增大粉尘过滤面积;另一方面考虑到粉料仓中粉尘含水量普遍较低, 滤料应优选空隙较小的滤纸, 其将滤纸外形设计成褶皱圆筒状结构, 这样可以进一步增加单位空间内的粉尘过滤面积。应采用振动方式来抖动掉滤芯上的粉尘, 也可以采用气体脉冲反吹方式利用压缩空气循环吹掉滤芯上的粉尘, 确保除尘器具有较好的除尘效果。

3.5 优化主机盖布水管结构形式及进水方式

在主机盖布水管结构形式及进水方式优化设计过程中, 为了增加主机除尘效果, 宜增设加压水泵系统, 来提高进入主机系统水的压力, 以达到压尘作用。另外, 主机宜增设高压自动清洗系统, 以形成雾化水来清洗主机搅拌轴上粉料的作用, 确保混凝土搅拌具有较高质量水平。

结语

在实际混凝土搅拌站优化选型设计应用过程中, 应严格按照国家标准GB10172-2005《混凝土搅拌站 (楼) 》中的相关技术要求进行, 确保混凝土搅拌站除尘系统具有较好应用性能。

摘要：在对混凝土搅拌站的粉尘主要来源进行简单归纳总结后, 对除尘系统优化选型及参数设置进行了探讨。最后, 对环保型混凝土搅拌站除尘系统优化设计技术要点进行了详细分析研究。

关键词：搅拌站,除尘系统,优化选型

参考文献

搅拌机控制系统设计 篇7

关键词：VS2005,Pro/E二次开发,螺旋叶片,CAD

1 引言

螺旋状搅拌叶片是混凝土搅拌车拌筒中的核心部件,其设计与制造水平对搅拌性能有重要影响。因叶片曲面构型复杂,在通用三维CAD平台(如UG和Pro/E)上进行设计时,往往过程烦琐,改型优化效率极低。而基于Pro/E的螺旋叶片专用CAD系统很好地实现了对设计参数的快速响应,极大地提高了新产品的开发速度,并为后续优化设计模块和CAE分析模块的集成打下了坚实的基础。

2 系统的设计思想

基于Pro/E的专用CAD系统开发有两种模式。一种是同步模式,另一种是异步模式。前者开发的系统必须依赖于Pro/E系统启动,后者则可以独立于Pro/E单独运行。同步模式虽然在集成其它CAE软件进行整合分析方面有所不足,但是也可集成Pro/E本身的CAE功能且运行速度大大快于异步模式。故本系统采用同步模式中的动态链接库方法实现其与母系统的通信,其框架如图1所示。

人机交互模块包括菜单和对话框,利用VS2005的可视化技术并结合Pro/Toolkit函数编制。叶片模型库融入了大量螺旋叶片的知识,使得整个系统能被一般的工程技术人员使用而不需要掌握足够的专业知识。由于VS2005能调用MATLAB函数进行优化计算,该模块为后续研究重点,现在并没有包含于本系统。模型创建之后要进行有限元分析,所以系统还留有接口供后续集成CAE模块。

3 系统的关键技术

3.1 基于Pro/Program的参数提取

螺旋叶片是众多参数控制的复杂曲面构型件,直接在Pro/E系统的参数对话框中建立相关参数十分麻烦。但采用Pro/Program向系统中写入驱动参数却相当简洁。Pro/Program是Pro/E系统提供的一个控制并修改模型宏文件的工具,这个宏文件记录着模型的设计过程。在宏文件中的开头有INPUT…END与RELATIONS…END两个部分,前一部分可以写入直接参数,后一部分可以建立由前一部分所设参数所决定的另外的间接参数。螺旋角等14个参数均写入第一部分中,如图2所示。

3.2 参数化设计思想

参数化设计思想的本质就是将模型中的定量信息变量化,使之成为可任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值,就可得到不同大小和形状的零件模型。这一思想在专用CAD系统开发中具有极高的应用价值。本系统正是基于此思想通过程序控制叶片的所有可变参数,并利用人机交互实现螺旋叶片的快速设计的。图3为系统的开发及应用流程图。

通过Pro/Toolkit函数实现参数化驱动,其实质是用户通过对话框输入新的参数值后,程序获取这个新的数值后传递给相对应的参数,再驱动参数化模型重生。需要特别注意的是,这个过程与对话框的创建方式有关,因而相应的程序就不一样。下面为实现叶片模型重生的关键函数:

4 基于知识的叶片参数化模型库的建立

针对特定产品二次开发的CAD系统必须将产品特定的相关知识融入到参数化模型库的建立中,从而实现产品的精准设计。图4为搅拌车拌筒示意图,搅拌叶片以双螺旋片结构安装于其中,实现对混凝土的均匀搅拌。

基于现阶段生产实际,螺旋叶片可以分为两类:一类为中筒型线螺旋角恒定的,另一类为中筒螺旋角均变的。叶片的螺旋线共有顶部和底部各三段,这两部分的曲线方程坐标遵循如下规律(若为前锥,式中取减号):

式中,x、y、z为底部螺旋线坐标,x1、y1、z1为顶部坐标,L为叶片宽度,γ为叶片母线与罐体壁的夹角(在前中后三个位置遵循不同的设计要求),p为半锥角(在中筒部分取0)。

基于上述坐标方程及相关叶片型线知识[1,2],通过Pro/E方程曲线功能骨架曲线,各段曲线衔接段经过修剪拟合后得到曲率连续的曲线以供创建曲面。参数化模型建立后,必须分类保存成库,以确保CAD系统能够通过函数调用从而开发新产品。

5 系统应用实例

将编写好的注册文件protk.dat[3]和VS2005中生成的动态链接库文件yepian.dll以及包含菜单资源文件和对话框资源文件的文件夹Text都放入Pro/E系统的启动目录中,螺旋叶片CAD系统便实现了与Pro/E平台的无缝集成。

启动Pro/E,叶片CAD系统便加载到了主菜单,如图5。点击“中筒螺旋角恒定的螺旋叶片设计”的子菜单选顶,在弹出的参数对话框中输入各类参数,如图6。再单击确定按钮,螺旋叶片迅速自动化生成,如图7。

6 结论

本系统实现了螺旋叶片的自动化设计,避免了复杂的建模过程,极大地提高了搅拌车新产品的开发速度。在加入优化设计计算模块并与CAE模块集成后,系统将更加完善,这是后续的研究重点。本智能CAD系统的开发模式在复杂机械零部件的设计领域具有一定的借鉴价值。

参考文献

[1]郑招强.基于Pro/E的混凝土搅拌车螺旋叶片三维造型[J].专用汽车,2009(10):44-46.

[2]张宇龙,马力,田哲文,等.混凝土搅拌车拌筒及螺旋参数化三维绘制程序设计[J].专用汽车,2006(4):28-30.

[3]张继春.Pro/ENGINEER二次开发实用教程[M].北京:北京大学出版社,2003.

[4]Parametric Technology Corporation.Pro/TOOLKIT Wildfire4.0 User’s Guide[M].USA:PTC,2007.

[5]缪燕平,何柏林.Pro/TOOLKIT对Pro/E二次开发参数化设计系统研究[J].机械设计与制造,2008(9):185-187.

搅拌机控制系统设计 篇8

关键词：间歇强制式,沥青混凝,土搅拌站,控制系统

沥青混合料搅拌设备是生产拌制各种沥青混合料的机械设备, 适用于公路、城市道路、机场、码头、停车场、货场等工程部门。在沥青路面机械化施工机械配套中起主导性作用, 它是目前机电液一体化技术比较密集的机械设备, 大型沥青混凝土搅拌站一般都采用强制搅拌的方式, 以保证沥青混合料的搅拌质量。

间歇式沥青混凝土搅拌站生产工艺为:不同粒径规格的砂、石料经冷骨料储存仓配料装置初配后, 由冷骨料输送皮带送至干燥滚筒烘干、加热, 一般以柴油、重油或者渣油作为燃料, 采用逆流加热的方式;矿料被烘干、加热至140~200℃后从倾斜的滚筒后部排出, 由热骨料提升机送入筛分装置进行筛分;筛分好的各种砂、石料分别储存在热骨料储料仓的隔仓内, 然后按预先设定的配比进入热矿料称量斗内累计称重计量。与此同时, 储存在专用筒仓里的矿粉由螺旋输送机输送至矿粉称量斗内称重计量。此外, 储存在保温罐内的热沥青 (170~180℃) 由沥青输送泵经带保温的沥青管道, 泵送至沥青称量桶内称重计量。各种材料按配合比分别计量后, 通过预先设定的程序先后投入到拌和器内进行强制搅拌, 搅拌均匀后, 或直接卸入运输车辆中, 或送至成品料储存仓内暂时储存。矿料在烘干、筛分、拌和等生产过程中产生的燃烧废气、水蒸气以及灰尘, 通过除尘装置净化处理后排入大气。间歇式拌和设备采用电网电力或大型柴油发电机组驱动, 生产过程可以人工操作, 也可以自动控制, 其工艺流程如图1所示。

影响沥青混合料质量和生产效率的因素众多, 就从搅拌设备本身出发, 主要因素有骨料初配、骨料精配和连续运输设备之间的逻辑连锁关系、烘干机燃烧器的加热温度等等, 而这些众多的因素操作人员无法逐一精确控制, 为保证沥青混凝土搅拌站的安全、高效、优质生产, 对沥青混凝土搅拌站实行自动控制是非常必要的。

根据沥青混合料搅拌站工艺控制的要求, 采用工控机作为上位机, 以西门子S7-200型PLC作为下位机, 提出一种PLC和工控机相结合, 并采用组态软件作为上位机监控系统的沥青搅拌站控制系统设计方案。

1 控制系统的功能和要求

本控制系统采用先进的工控机和PLC相结合的控制技术。主要特点为采用带有监控软件的工控机作为上位机监控系统, 采用PLC作为下位机, 按照工艺参数与工艺流程要求对各种配料的称重计量、输送、搅拌、加热保温的各种泵、搅拌驱动电机、电磁阀等开关量信号和温度、压力等模拟量信号进行监测控制, 实现冷骨料供料系统的自动调节控制, 烘干筒加热温度的检测与控制, 各种骨料、沥青、粉料的配料计量、搅拌时间的控制, 成品料提升储存, 沥青温度、热料储仓温度检测及生产过程中有关数据处理与打印等任务, 能够纪录完整的生产工艺数据, 工控机屏幕上显示工艺流程中各阀门、电机的运行状况, 如果发生各种温度超限、阀门故障、料位超限等故障时, 控制系统能进行声光报警。当现场出现故障或要对工艺流程进行人工操作时, 由于系统设有“自动”与“手动”转换功能, 可将开关转换至手动状态, 对各种执行机械进行手动操作, 这样技术人员可以重新设定新的参数, 操作人员在现场处理紧急问题, 从而达到了理想的效果。这种控制方式使设备的配料比精度和生产率有了较大的提高, 大大减轻了操作人员的工作强度, 是国内间歇强制式沥青搅拌站生产控制发展的主流方向。

2 控制系统总体方案设计

工控机+PLC的体系结构, 该体系结构的控制系统采用国际上先进的高性能西门子S7-200型PLC为主控设备, 并且选用台湾研华IPC-610系列工业控制计算机, 监控软件使用北京亚控科技发展有限公司开发的组态王6.5软件, 其优点是不需要很复杂的编程就可以实现实时监控, “组态王”提供给用户丰富方便的作图工具, 提供了大量常用的工业设备图符和仪表图符, 大大方便了用户开发工程界面, 而且操作人员可以生成自己的图库元素, 它还提供了实时和历史趋势曲线与报警窗口等。控制系统的信号采集使用PLC扩展的AD模块, 抗干扰能力强、性能非常稳定。以可编程控制器为主控设备的控制系统, 配料秤输出点可任意扩展, 实现二次补偿, 以确保配比精确可靠, 计量精度高;可编程控制器的采用保证了系统功能强大, 可靠性高, 控制精度高;体系结构采用模块式, 各控制单元由统一的标准模块组成, 可编程控制器的采用, 保证了数据输入输出处理精确、可靠。沥青搅拌设备的监控系统已经从原来的编程软件开发到现在的组态软件开发, 原监控软件主要有4个功能:生产数据显示、配方修改、生产数据采集和报表打印。原监控系统是用编程软件开发的, 主要缺点是无法动态监控设备的运行状态且生产数据采集是生成文本文件, 而不是存入数据库文件, 不利于数据共享。经过分析, 组态软件的突出优点有:不需要复杂编程就可以实现实时动态监控、数据采集和保存、报表打印、报警、通信等各种功能, 通用性好, 通过驱动程序可适应PLC、智能仪表、板卡、变频器、现场总线等多种应用场合;容易实现采集数据到数据库的存贮与处理, 方便数据共享。

2.1 PLC控制系统硬件选择与控制程序流程设计

间歇式沥青混凝土搅拌站是一个结构复杂的成套机、电、气 (液) 一体化设备, 整个搅拌站有电磁阀30余个, 各种电机30台左右;此外, 还要保证烘干机燃烧器的安全燃烧并控制热骨料温度;同时还要按照一定的配比对骨料、粉料、液态沥青进行计量并按照确定的次序先后送入到搅拌筒进行搅拌, 最后将成品料由自卸汽车运走或者暂时储存在成品料箱。根据以上情况分析, 我们将整个控制系统划分成3个子系统来完成, 由3个PLC对其控制, 分别是骨料运输系统PLC1、燃烧及温度控制系统PLC2和计量搅拌及成品料运输系统PLC3。

为完成骨料的运输系统任务, PLC1有32个输入信号, 11个输出信号;PLC2有9路开关量输出, 6路开关量输入;PLC3有6路开关量输入, 6路开关量输出, 至少3路的模拟量的输入。应选用PLC中的小型机。西门子S7-200系列是西门子公司小型可编程序控制器, 可以单机运行, 由于它具有多种功能模块和人机界面 (HMI) 可供选择, 所以系统的集成非常方便, 并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件, 使得在完成控制系统的设计时更加简单, 几乎可以完成任何功能的控制任务, 同时具有可靠性高, 运行速度快的特点, 继承和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势, 有丰富的指令集, 具有强大的多种集成功能和实时特性, 其性能价格比高, 所以, 在规模不太大的领域是较为理想的控制设备, 本次设计采用西门子S7-200CPU226CN。

根据系统设计的要求编写软件规格说明书, 然后再用相应的编程语言 (常用梯形图) 进行程序设计, PLC程序采用西门子STEP7编程软件编写, 程序设计采用模块化、功能化结构, 便于维护和扩展。程序框图如图2所示。

2.2 监控系统硬件选择与系统设计

考虑到系统数据计算量很大, 而且是实时控制系统, 现场各种各样的干扰比较多, 故系统采用了台湾研华IPC-610系列工业控制计算机。计算机基本配置为:

Intel Core2 Duo 2800MHz主频, 内存2G DDR3, 硬盘500GSATA, 3MB二级缓存, 1066MHz FSB总线, 45纳米工艺, 65W功耗, 双核心双线程, 内核电压0.85~1.3625V, 工作温度74.1℃, 19寸彩色显示器。

上位机监控系统用“组态王”, 包括模拟运行、参数设置、打印报表、报警等部分的设计, “组态王”作为上位机监控系统的主要作用是通过组态软件与PLC之间用人机接口卡又称高速通讯卡进行实时通讯, 通过对PLC的通信完成现场数据的监测与控制, 保证沥青混合料生产过程的正常运行。操作人员可以通过上位机向PLC发出各种控制命令, 同时还可将现场的各种数据通过PLC传送给上位机, 在上位机界面上用图形显示出来, 实现对生产过程的实时监控。根据现场条件和控制要求, 对软件功能做了如下划分, 如图3所示。

3 结束语

大型的间歇强制式沥青混凝土搅拌站是一个复杂的设备, 尤其在高速公路、一级公路中对沥青混合料质量的要求更加严格, 因此对控制系统控制精度的要求就更高, 如:骨料运输系统的控制、燃烧温度的控制、计量搅拌控制。就此研究了一种基于PLC和工控机的间歇强制式沥青混合料控制系统, 实践证明, 能够按照生产工艺要求完成各种顺序控制、称量控制等任务, 在实际应用中取得了很好的效果, 提高了沥青混凝土的质量和产量。

参考文献

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[4]公路工程机械管理与机械化施工实用手册[M].北京:电子工业出版社, 2002.

搅拌机控制系统设计 篇9

搅拌混合是化工行业、制药行业生产过程中最常见、最重要的化工单元操作之一, 包括对化工料浆的均化、分散等工艺过程。其主要目的是使生产过程中传质或传热过程加速, 从能量转化角度来看, 是机械能借助旋转中的搅拌叶轮转化为流体的动能, 因此形成罐内混合料浆的整体流动, 快速完成传质或传热过程。

发酵搅拌机能增强空气泡在培养液中的细化和分散, 进一步延长停留时间, 增加气液两者间的接触, 使空气中的氧气充分地被溶解, 供培养菌呼吸快速繁衍生长。

搅拌速度在发酵中至关重要, 它会直接影响溶氧量, 合适的搅拌速度, 氧气与发酵液能充分接触, 使溶氧量增加, 从而提高发酵罐内温度和营养物质质量浓度的均匀度、氧传递系数、氧的转移速率, 有利于细胞的生长、产物的生成。但是如果搅拌速度过大, 如用50Hz工频转速运转, 则会使剪切速度过大, 导致菌丝体受到损伤, 影响菌丝体的正常代谢生长, 还会产生大量泡沫, 从而造成能量浪费。另外, 溶氧量与单位搅拌功耗成正比, 搅拌机功耗与搅拌转速的三次方成正比。

根据发酵搅拌机的工作特性, 采用变频调速方可通过检测溶氧量实时调节搅拌器的转速, 不仅能满足工艺要求, 也会大大减少能量损耗。

1 系统设计方案

根据实际需求, 此搅拌机变频调速闭环控制系统采用计算机、变频器、在线溶氧传感器构成, 系统构成如图1所示。工作中, 计算机, 即上位机将预设值通过485 串口传送给变频器, 变频器控制发酵罐中搅拌机运转, 发酵罐中的在线溶氧传感器将检测到的氧含量通过溶氧变送器反馈给上位机进行数据运算, 如果数据小于预设下限值, 上位机就给变频器发送升频数据, 提高发酵罐中搅拌电机旋转速度;如果采集到的溶氧值大于预设上限值, 则给变频器发送降频数据信息, 减小搅拌速度;如果采集到的溶氧值在预设溶氧值区间内, 则传送给变频器的数据维持不变。

2 系统硬件设计

2.1 ADAM-4520 模块

常用串行通信接口标准有RS-232C和RS-485, 其中, RS-232C接口采用全双工通讯模式, 其特点单端收发, 抗共模干扰能力较弱, 传输速率较低, 约20Kbps, 通信距离短, 10m左右;而RS-485 接口标准采用平衡差分电路, 抗干扰能力强, 传输速率高, 最高可达115.2Kbps, 且传送距离远, 能达到1 200m左右。考虑到上位机至现场有一定距离, 以及为确保数据传输的可靠性和稳定性, 本系统选择RS485接口标准来完成数据串行通信。

但一般计算机仅有一个RS-232C接口, 如果要实现上位机和变频器的485 通信, 则需要利用转换模块将RS-232C转换为RS-485 标准。本系统选用研华公司生产的亚当模块, 型号为ADAM-4520, 该模块是光电隔离型, 提供高达直流3000V的隔离电压保护, 其内置的电路可以自动控制收、发数据信号的传输方向, 使用时只要将模块一端直接插在计算机DB9 的RS-232C串口上, 原有计算内RS-232C的通讯程序无需任何改动, 就可以通过模块另一端实现RS-485 方式远距离通信。

2.2 变频器485 通信RJ45 接口

变频器自带485 通信是RJ45 接口, 8 个口线的接口标号定义如图2 所示, 其中有 (1) 、 (3) 、 (4) 、 (5) 、 (6) 5 根线需要与ADAM-4520 转换模块的SG、SDA、RDB、RDA、SDB端子相连, 实现串口通信的物理连接。

2.3 在线溶氧传感器Inpro6800

根据搅拌速度与溶氧系数密切关系, 采用梅特勒- 托利多的在线溶氧传感器Inpro6800 实时监测发酵液中的氧含量, 再通过溶氧变送器M400 将数据反馈给计算机进行数据运算, 对搅拌机转速进行闭环控制。

3 系统软件设计

3.1 变频器串行通信参数设置

为实现上位机和变频器的串行通信, 需要预先对变频器的相关通信参数进行初始化设置。参数主要包括通信波特率、字节长度、停止位个数、奇偶校验及通信再试次数等。

如果没有对特定参数进行初始化设置, 或进行了不正确的初始化设置, 数据传输就会出现问题, 且每次初始化设置后, 还要对变频器进行复位操作, 参数设置方可生效, 需要设定的变频器参数如表1 所示。

3.2 通信协议设定

上位机与变频器之间的半双工RS485 串行通信时序如图3 所示, 其中, (1) 为通信请求发送数据到变频器, (2) 为变频器数据处理时间, (3) 为从变频器返回计算机的数据, (4) 为计算机处理延迟时间, (5) 为计算机根据返回数据的应答。

对于 (1) (3) (5) 三个阶段是参数写入还是参数读出, 是运行控制还是设定频率或是监视电机状态, 通信协议中都有相关的数据格式来规定, 具体格式如表2 所示。

表2 中的ENQ、STX、ETX、ACK、NAK都是控制代码, 其含义分别是通信的请求、数据传送开始、数据结束、未发现数据错误、发现数据错误, 编程时它们都会用各自的ASCII码来表示。

3.3 上位机编程

使用计算机编程控制串口有多种方法, 其中常用的一种是微软的MSComm控件, 另外还有一种是调用Win API函数。MSComm控件应用简单方便, 但灵活性较差, 且最多只能支持16 个串口;Win API功能十分强大, 可以针对不同的任务要求, 应用方式灵活多样, 但快速掌握有一定难度。

本项目应用VC++ 进行上位机编程, 程序中利用MSComm控件, 通过一个对话框程序, 来实现对变频器的串行通信控制。MSComm控件的大部分属性都是可读可写的, 设置控件属性后, 添加控件的事件响应代码, 就可以使串口根据任务要求进行工作, 具体可划分为四个方面任务。

(1) 加载控件:VC++ 开发环境在默认情况下, 不会含有MSComm控件, 所以使用控件编程必须将MSComm控件加载到VC++ 开发环境中。

(2) 初始化及打开串口:初始化函数On Init Dialog () 主要完成对串口的参数设置, 包括所用的端口、波特率大小、数据位数、奇偶校验方式、停止位数等参数, 这些参数设置必须要和变频器参数初始化设置保持一致, 参数设置正确后, 即可打开串口。

(3) 事件处理:包括接收串行数据、发送串行数据和对通信错误进行处理等操作。通常此部分程序是一个选择分支结构, 可使用if语句或者switch语句实现。

(4) 关闭串口: 当使用完串口后, 应使用函数Set Port Open (0) 关闭串口, 以释放串口资源。

3.4 控制系统流程图

系统程序流程图如图4 所示, 通过在线溶氧传感器Inpro6800 和溶氧变送器M400 将数据采集至计算机后, 与溶氧下限值进行比较, 如果小于溶氧下限值, 则给变频器发送升频数据信息, 增加发酵罐中搅拌电机旋转速度;如果采集到的溶氧值大于规定溶氧上限值, 则给变频器发送降频数据信息, 减小搅拌速度;当采集到的溶氧值在规定溶氧值区间内, 传送数据保持不变。这样通过对溶氧量的在线监测, 实时调整搅拌器的转速, 满足了实际工艺要求, 且节能效果明显。

4 结语

计算机对变频器直接控制, 间接实现了搅拌器的转速操作, 能在一定程度上降低原材料的消耗, 其变频控制装置节约电能与风机水泵很接近, 可达30% ~ 35%, 并且对发酵工艺过程的各项指标也有一定改善, 具有明显的经济效益和社会效益, 值得推广和应用。

摘要：本文首先介绍发酵用搅拌机工作特性, 提出一种基于串行通信技术的发酵搅拌机变频调速闭环控制系统设计方案, 然后阐述变频器串行通信设置方法, 利用VC++平台, 使用MSComm控件编程完成计算机串行通信控制变频器, 实现搅拌机闭环调速。

关键词：搅拌器,485通信,变频调速,MSComm

参考文献

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