（控制理论与控制工程专业论文）新型失重秤计量系统的研究与设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：钨铘研书 日期： i p 弓易矽 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 獬：青哗 新摊： 日期：。7 6 f 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着我国经济建设的快速发展，对混凝土的需求量也就越来越大，连续 式混凝土搅拌站的应用也就越来越广。粉料连续计量设备作为连续式混凝土 搅拌站的一个重要环节，它是保证混凝土成品质量的关键因素之一。因此如 何控制粉料物料的流量就成为这其中的关键问题。以往的混凝土搅拌站采用 的是一种老式失重秤装置来测量粉料流量的，它在计量方式上存在计量死区， 满足不了系统要求。 ” 本文在参考了大量文献并对现场做了一定调研的情况下，对老式失重秤 的结构和控制系统进行了一定的改进，提出了一种新型的失重秤计量系统。 它在结构设计、现场控制器、计量方式、控制算法等几方面都进行了一定的 改进和优化。结构设计上采用两称重仓取代了原来的一称重仓，改变了物料 流量计量的方式。控制器采用研华a d a m 5 5 1 0 取代了原来的单片机控制器，从 稳定性和抗干扰性方面有了一定的提高。算法上分析了p i d 控制和模糊控制 两者的优点和不足，提出了一种模糊p i d 动态切换控制算法，并结合失重秤 计量系统的模型进行仿真，结果证明这种算法能够有效提高系统的控制品质。 与此同时，这种算法降低了计算的复杂程度，使得控制算法便于嵌入到系统 中实现。 关键词：失重秤流量控制 a d a m 5 5 1 0模糊p i d 动态切换控制 a b s tr a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m i cc o n s t r u c t i o n t h e d e m a n df o rc o n c r e t e1 sg r o w i n gm o r ea n dm o r ea n dt h ea p p l i c a t i o no f c o n t i n u o u s c o n c r e t em i x i n gs t a t i o ni sm o r ea n dm o r ew i d e l y p o w d e rc o n t i n u o u sm e a s u r i n g d e v i c ea sa ni m p o r t a n tl i n ko fc o n t i n u o u sc o n c r e t em i x i n gs t a t i o n ，i ti so n e o ft h e k e yf a c t o r so fp r o d u c tq u a l i t y s oh o wt oc o n t r o lt h ef l o wo fp o w d e rm a t e r i a i s w i l lb et h ek e yp r o b l e m i nt h e p a s tt h ec o n c r e t em i x i n gs t a t i o n su s e do l d l o s t 。i n 。w e i g h tt om e a s u r ep o w d e rf l o w ，p o w d e ri nt h em e a s u r e m e n tm e t h o d so n m e a s u r i n gd e a dz o n e ，c a n ts a t i s f yt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s b a s e do nr e f e r e n c el i t e r a t u r eo ns i t e a n dd o n es o m er e s e a r c h o nt h e s i t u a t i o n ，t h es t r u c t u r ea n dc o n t r o ls y s t e mo ft h e o l d l o s t i n w e i g h tm u s tb e 1 r e p r o v e d ，a n dp u tf o r w a r da nn e wl o s s i n - w e i g h tm e a s u r i n gs y s t e m i ti si nt h e s t r u c t u r ed e s i g n ，c o n t r o l l e ra n dm e a s u r e m e n tm e t h o d s ，c o n t r o la l g o r i t h mo fa 1 1 a s p e c t so fac e r t a i nl m p r o v e m e n ta n d o p t i m i z a t i o n b yu s i n gt w ow e i g h i n g s t o r e h o u s ei n s t e a do faw e i g h i n gs t o r e h o u s e ，i th a sc h a n g e dt h ew a y o fm a t e r i a l f l o w m e a s u r e m e n t t h ec o n t r o l l e ru s i n ga d v a n t e c ha d a m 5 5 10i n s t e a do f m l c r o c o m p u t e rc o n t r o l l e r ，s t a b i l i t ya n da b i l i t yo fa n t i - j a m m i n gw i l li m p r o v e w e a n a l y z et h ep i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o lb o t ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n d p u t sf o r w a r dak i n do ff u z z ya n dpi dd y n a m i cs w i t c h i n gc o n t r o la l g o r i t h m a n d t h ed y n a m i cs w i t c hw i t hw e i g h t l e s s n e s ss c a l e s m e a s u r i n gs y s t e mm o d e la n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i s a l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h eq u a l i t v c o n t r o ls y s t e m m e a n w h i l e ，t h i sa l g o r i t h mr e d u c e st h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t v a n dm a k e st h ec o n t r o la l g o r i t h mf o re m b e d d e di n t ot h es y s t e m k e yw o r d s ：l o s s - i n w e i g h t ；f l o wc o n t r o l ；a d a m 5 5 1 0 ；f u z z ya n dp i d d y n a m i cs w i t c h i n gc o n t r o l 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 目录 1 绪论1 1 1选题的背景及研究意义1 1 2国内外研究现状1 1 3 本文研究的主要内容3 2 新型失重秤的设计5 2 1连续式混凝土搅拌站的概述5 2 2失重秤计量的原理6 2 3 老式失重秤7 2 3 1 工作原理7 2 3 2影响流量测量精度的因素8 2 4 新型失重秤9 2 4 1 工作原理9 2 4 2新型失重秤的优点1 1 2 5 本章小结1 2 3新型失重秤计量系统的硬件设计1 3 3 1计算机控制系统的结构设计1 3 3 2 操作控制站硬件系统配置1 3 3 3 现场控制器硬件部分设计1 3 3 3 1现场控制器选型1 3 3 3 2现场控制器设计1 5 3 3 3传感器及信号调理电路1 6 3 3 4变频器的选型2 1 3 4 现场控制器与上位机之间的通讯2 1 3 4 1组态王与a d a m 5 5 1 0 通讯的软硬件要求2 2 3 4 2组态王内部设置要求：2 2 3 4 3组态王与a d a m 5 5 1 0 通讯实现2 3 3 4 4实验室仿真环境2 4 3 5 系统功能2 4 3 5 1操作控制台功能2 4 3 5 2现场控制器功能2 5 3 6 本章小结2 5 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 v 页 4 模糊p i d 动态切换控制系统的设计与仿真分析2 6 4 1模糊p i d 动态切换控制系统的设计2 6 4 1 1系统的设计思想2 6 4 1 2 切换时机分析2 8 4 1 3决策分析模块设计2 9 4 2基于失重秤计量系统的控制算法仿真3 0 4 2 1失重秤计量系统的数学模型建立3 0 4 2 2系统流量的p i d 控制仿真3 6 4 2 3系统流量的模糊控制仿真3 7 4 2 4系统流量的自适应模糊p i d 控制仿真4 2 4 2 5系统流量的模糊p i d 动态切换控制仿真4 4 4 2 6 结果分析4 6 4 3模糊p i d 动态切换控制的适应能力分析4 8 4 3 1对应参数变化的适应能力分析4 8 4 3 2 对抗外界干扰能力分析4 9 4 4系统称重仓2 重量恒定的控制算法5 0 4 5 本章小结5 2 5新型失重秤计量系统的软件设计5 3 5 1计算机监控系统5 3 5 2系统组态软件5 3 5 3基于组态王的失重秤计量系统的监控程序设计5 5 5 3 1用户登录模块5 6 5 3 2 主控界面模块5 6 5 3 3 参数设置模块5 7 5 3 4实时与历史曲线模块5 7 5 3 5 报警查询模块5 8 5 3 6 报表管理模块5 9 5 4a d a m - 5 5 1 0 的编程6 0 5 4 1现场控制软件的结构和组成6 0 5 4 2 现场控制软件的基本子程序库设计6 l 5 5 本章小结6 8 结论6 9 致谢。7 0 西南科技大学硕士研究生学位论文 第v 页 参考文献7 1 附录1 7 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果7 6 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1选题的背景及研究意义 近年来，随着我国经济建设及科学技术的高速增长，连续式混凝土搅拌 成为建筑工程生产管理的一项重大改革。混凝土的生产从传统的施工体系中 分离出来，实现商品化是现代混凝土技术成熟的标志。商品混凝土的使用可 以更有效地保证混凝土的质量，节约原材料和能源，提高劳动生产率和设备 利用率，尤其是可以提高现场施工的规范化和文明化程度。正是以上原因， 作为混凝土机械之一的连续式混凝土搅拌站在近年来随着混凝土生产的商品 化、集中化也得到了飞速的发展。 连续式混凝土搅拌站，它不同于以往的间接式混凝土搅拌站，以往的是 骨料、粉料、水、外加剂按照定量输送到搅拌仓进行搅拌后再输出，存在时 间停滞阶段，而连续式则要求骨料、粉料、水以及外加剂不间断的输送到搅 拌仓中进行搅拌，这就需要它们的各自流量一直保持恒定才能保证混凝土的 成品质量。这其中重要的部分就是粉料的用量，粉料主要包括水泥和粉煤灰， 它们是混凝土重要的组成部分，它们的用量多少直接关系着混凝土质量的好 坏，因此如何保证粉料流量的稳定性就成为了至关重要的问题，国家要求粉 料连续计量动态精度保持在1 ，但是以往的老式粉料连续计量设备通常很 难达到要求，这就往往导致了生产出来的混凝土成品质量不合格，给企业带 来了一定的损失n 1 ，。 本文是以成都新津交筑路桥设备有限公司生产的s m c 系列连续式混凝土 搅拌站为对象，针对它现有的粉料连续计量设备一一老式失重秤的不足，从 而对其进行改进，提出了一种新型失重秤设计，这种新型失重秤从整体结构、 现场控制器、计量方式、算法控制几方面都和以往有较大的不同，它不仅满 足了国家要求的动态精度1 ，保证了混凝土的质量，其次降低了粉料物料 的用料，节省了原料的消耗，再者通过使用了低功耗器件，保证了整体粉料 计量设备处于一个较低能耗的状态，通过这种方式给企业减少了成本，带来 了效益。 1 2 国内外研究现状 流量测量技术是发展比较早、且至今仍在迅速发展的科学技术，它在工 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 业、商业、交通等各个领域均有极广泛的应用。传统的流量测量大多数都属 于对流体的体积流量的测量，这种流量测量方法满足了大量流量测量任务的 需要。但是随着工业的飞速发展，流量测量所面临的任务越来越繁重，要求 也越来越高，通常采用的容积流量计己满足不了一些场合的要求。因此，人 们希望更准确，更直接的计量质量流量，导致了直接式质量流量计的出现口”。 由于质量流量测量的重要性日益显现出来，近些年来这种测量方法的应用范 围正在迅速扩展。目前在国内外连续式混凝土行业的生产工艺中应用的粉状 连续计量设备主要有皮带秤、失重秤、转子秤、冲击式流量计和科里奥利质 量流量计几种1 4 - 9 1 ： ( 1 )皮带秤( w e i g h t - b e l t ) 又称电子皮带秤，是在皮带输送机输送物料 过程中同时进行物料连续自动称重的一种计量设备。其特点是称量过程是连 续和自动进行的，通常不需要操作人员的干预就可以完成称重操作。国外是 从上世纪6 0 年代开始使用电子皮带秤，而国内则从7 0 年代末期开始生产电 子皮带秤。其测量精度可达1 0 2 一1 5 1 。称重环节可以获取物料流的线密 度，由称重托辊测得，测速环节可以测得物料的输送速度，由测速传感器测 得，因此物料的质量流量就等于二者相乘。 ( 2 )失重秤( 1 0 s s - i n - w e i g h t ) 流量测量技术应用于传统的称重料斗，传 统的称重料斗是用于称量料斗中物料的重量，而失重秤在具有称重料斗功能 的前提下，主要是用于测量和控制失重秤料斗释放物料的质量流量。国外是 从上世纪8 0 年代开始使用，而国内则从9 0 年代开始生产失重秤。其测量精 度可达0 5 一1 0 。失重秤的测量原理是利用称重容器中物料的总质量m 的 减少d m 与时间d t 的关系来实现其释放物料质量流量d m d t 测量的，可以认 为失重秤采用的是质量流量最直接的测量方法。 ( 3 )转子秤( r o t o rw e i g hf e e d e r s ) 是一种通过载料转子的称重来实现 物料质量流量测量和控制的装置。转子秤已于上世纪8 0 年代投放市场，是一 种中型的、具有较大输送能力的计量装置。其测量控制精度约为1 1 5 。 转子秤的测量原理本质上与皮带秤类似，是利用转子叶片拨动物料通过圆弧 路径的测量通道，利用杠杆原理，通道中的物料被动态称量出来，从而求出 圆弧路径物料流的角密度，转子的转速由转速传感器测得，同样质量流量等 于角密度与转速相乘，。 ( 4 )冲击式流量计( i m p a c tf l o wm e t e r ) 是利用物料对测量挡板的冲击 力来实现物料的质量流量测量。冲击式流量计冲击力的测量有多种方式，如 测量水平分力、测量铅垂分力和测量法向分力等。早期产品是测量铅垂分力， 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 目前广泛采用且效果较好的是测量水平分力的方式，还有少数是测量法向分 力。冲击式流量计的测量精度优于2 。冲击式流量计的测量原理依据动量 定理和碰撞理论，得出物料的瞬时质量流量与碰撞冲击力成正比关系。 ( 5 )科氏流量测量是新兴的固体质量流量测量技术它是利用了力学中 的科里奥利定理，物料从转动测量轮径向通道中通过时对测量轮产生科氏反 力矩作用依据该力矩与物料的瞬时质量流量所成的正比关系可实现对物料的 质量流量测量。科里奥利原理用于流量测量的基本要求如下：作匀速转动 的测量通道；测量通道为径向直线通道。在国内混凝土行业应用较少。 1 3本文研究的主要内容 本论文从工程应用的角度出发，设计了一种新型失重秤计量系统，并对 模糊p i d 动态切换控制算法进行研究和探索，并结合新型失重秤计量系统对 算法的控制品质和适应能力进行验证和分析，探索如何能保持失重秤流量的 稳定性问题。论文的工作内容安排如下： 第一章绪论，针对课题的选题背景，选题意义，对此课题的国内外研究 现状及论文的主要章节内容安排情况进行概括性描述。 第二章新型失重秤的设计，首先介绍了连续式混凝土搅拌站，然后引出 要研究的对象粉料连续计量设备，并通过分析老式粉料连续计量设备的工作 原理和流量误差产生的原因，设计了一种新型的失重秤，并分析了它的工作 原理以及改进点。 第三章新型失重秤计量系统的硬件设计，介绍了新型失重秤计量系统整 体工作流程，并详细说明了各个器件的选型，重点介绍了现场控制器的设计 原理、信号放大调理电路以及放大器电源的设计，最后对现场控制器与上位 机的通讯进行了说明。 第四章模糊p i d 动态切换控制系统的设计与仿真分析，针对模糊与p i d 算法在控制过程中存在的不足，提出了一种模糊p i d 动态切换控制算法，并 对模糊p i d 动态切换控制系统进行设计和仿真分析。同时，对新型失重秤计 量系统进行建模，对其分别采用经典的p i d 控制、纯模糊控制以及自适应模 糊p i d 控制进行仿真并以其仿真结果作为参照，与模糊p i d 动态切换控制算 法的仿真结果进行比对和分析，验证模糊p i d 动态切换控制算法品质的优越 性。最后，对模糊p i d 动态切换控制系统对被控对象参数变化及外界干扰的 适应能力进行实验和分析，验证该算法对新型失重秤计量系统这类被控对象 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 的适应能力。 第五章新型失重秤计量系统的软件设计，首先介绍了组态软件的功能， 然后说明了基于组态王的实时监控软件的设计，最后说明了a d a m 5 5 1 0 的软件 编程，并重点介绍了a d a m 5 5 1 0 的主控制程序各部分的设计思路。 最后为结束语。总结了本论文的研究工作及成果，对论文的进一步研究 方向提出了建议。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 2新型失重秤的设计 2 1连续式混凝土搅拌站的概述 连续式混凝土搅拌站按系统来分可分为供料系统、称量系统、输送系统、 搅拌系统和控制系统；按结构来分主要由骨料储料仓、粉料筒仓、水及外加 剂箱、皮带输送机、螺旋输送机、初级搅拌主机，二级搅拌主机和控制室等 组成。 连续式混凝土搅拌站简易图2 1 ： 图2 - 1连续式混凝土搅拌站简易图 1 骨料储料斗2 电子皮带秤3 一级集料皮带机4 粉料供给系统5 一级搅拌主机 6 二级集料皮带机7 二级搅拌主机及贮存系统 f i g 2 1s i m p i ed i a g r a mo fc o n t i n u o u sc o n c r e t em ix i n gs t a r i o n 连续式混凝土搅拌站的工作原理不同于间接式混凝土搅拌站，它是根据 配方计算出各种物料的流量，并控制瞬时流量来满足配比的要求，各种物料 连续同步地进入初级搅拌主机，通过初级搅拌主机的预拌后送至二级搅拌主 机进行第二次搅拌后，最后进入成品储料仓。具体的工作过程：粗骨料、细 骨料通过电子皮带秤进行计量后，通过一级集料皮带机输送到初级搅拌主机， 而粉料则通过失重秤计量后，通过螺旋输送机输送到初级搅拌主机，少量水 和外加剂也添加到初级搅拌主机，注意各物料的给料速度必须满足配方计算 出的流量，经过初级搅拌主机的预搅拌后，通过二级集料皮带机送至二级搅 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 拌主机，同时还需要添加配比要求的水和外加剂，然后进行第二次搅拌后就 可以进入成品储料仓。 对于骨料储存与运送方式，骨料包括粗骨料和细骨料，储存方式采用积 木式料仓形式，通过电子皮带秤计量，输送方式为集料皮带机。 对于粉料储存与运送方式，粉料包括水泥和粉煤灰，储存方式为圆筒形 粉料仓，输送方式为螺旋输送机。 称量系统包括骨料秤、水泥秤、粉煤灰秤、水秤、外加剂秤，我国在骨 料配料动态精度为2 ，其余物料配料动态精度为1 。计量采取重力计量， 随着我国传感器质量的提高，普遍采取电子秤。为保证秤斗物料偏载的影响， 增加调理接线盒以保证均衡性。 控制系统一般采用称重仪表、p l c 和工控机的结合，工业控制计算机的 抗震、抗粉尘及耐电压波动性较好，设计柔性最好，成为将来发展的主流， 但对其可靠性、控制软件的稳定性、抗干扰能力亦有高要求。对搅拌站来说， 稳定性是最重要的，不能片面追求多功能及控制柔性而放弃稳定性。 连续式混凝土搅拌站实物图如图2 2 ： 图2 - 2连续式混凝土搅拌站实物图 f i g 2 - 2 a c t u a id ia g r a mo fc o n t i n u o u sc o n c r e t em ix in gs t a r i o n 2 2 失重秤计量的原理 本文主要针对连续式混凝土搅拌站中粉料连续计量设备进行研究和改进 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 的，粉料主要包括了水泥和粉煤灰，老式粉料计量设备采用了失重秤( 又叫差 分减量秤) 的计量方式。 失重秤是一种质量流量连续测量和控制装置，它是2 0 世纪9 0 年代开始 应用于工业过程连续称重计量的，失重秤已经代替皮带秤、螺旋秤甚至累加 秤，作为一种全新的计量方法，逐渐应用到越来越多的物料处理中，可以认 为失重秤是质量流量最直接的测量方法。它具有结构简单，易于实现等特点。 它的计量原理就是将称重仓及物料作为一个秤体，通过称重仪表或上位 机不停对秤体进行重量信号的采样，计算出重量在单位时间的变化比率作为 瞬时流量，再通过各种软硬件的滤波技术处理，得出可以作为控制对象的“实 际流量”。这个流量的获取非常重要，是失重秤能否准确计量的基础n 。 2 3 老式失重秤 2 3 1工作原理 老式失重秤主要包括给料仓、称重仓、加料阀门、称重传感器、变频器、 下料电机、螺旋式出料机以及防尘软连接管等几个部分组成。控制器一般采 用了总线板卡或者单片机的形式，通过其与上位机的互联来实现对整个秤体 的控制。老式失重秤的系统示意图如图2 3 所示： 图2 - 3老式失重秤框图 f i g 2 - 3 bj o c kd i a g r a mo ft h e0 i dl o s t ir l - w e i g h t 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 工作曲线如图2 4 所示： 老式失重秤工作过程分为加料过程和下料过程： 图2 - 4老式失重秤工作曲线 f i g 2 4w o r k i n gc u r v ed i a g r a mo ft h e0 i dl o s t i n - w e i g h t a 点为设定的下限控制点，c 点为设定的上限控制点，即称重仓的g m i n 和g m a x 。当称重仓内物料重量减少到a 点时，控制器发出装料指令，加料阀 门打开，由给料仓向称重仓内迅速加料；当仓中料重到达b 点时，控制器发 出停止装料指令，到c 点加料阀门完全关闭。从c 点到d 点为物料沉降时间， 这个时间很短。在a 点到d 点的时间里，螺旋式出料机以固定速度运行，这 个期间物料的流量值等于装料前的流量值，这就是失重秤的加料过程，也就 是所谓的容积式加料，而从d 点到a 点就是失重秤的下料过程，单片机控制 器根据采样时间内称重仓重量的减少率得出瞬时流量，与上位机给定的流量 值相比较，然后通过相应的控制算法计算出输出调节信号，再将该控制信号 传输到变频器中，通过变频器改变交流电机的转速，进而改变螺旋式出料机 的速度，使流量逐步逼近上位机的设定值，从而保证物料排料均恒，这一过 程属于重量式下料，当仓内物料再次达到a 点时候，就完成了一个工作周期， 由此可以看出老式失重秤的整个过程就是容积式加料和重量式下料。其中要 求称重仓的加料速度要远远大于下料速度，卸装料时间极短，这样才能避免 由于容积式喂料所产生的过大误差。 2 3 2影响流量测量精度的因素 从以上失重秤测量原理来看，失重秤的测量精度取决于称重精度和计量 精度刮。 ( 1 )间歇填充称重仓对测量的影响。为了保证物料排料的连续，在填 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 充称量仓的期间仍需要保持继续排料，失重秤实际上处于非测量状态，一般 用填充前的流量来替代。因此，填充期间流量计量误差是不可避免，这就意 味着存在测量死区。 ( 2 )动态称重对测量的影响。由于失重秤称重都是在填充或排料状态中 完成的，填充的时候物料及气流对称重仓的冲击，还有排料的时候失重对称 重仓的冲击，以及螺旋式出料机的振动对称重仓的干扰，这些都会或多或少 影响称重的准确性。 ( 3 )称重传感器的性能以及采样定时精度的影响。传感器的测量精度、 工作的稳定性以及采样定时精度，直接影响流量测量精度。传感器以及其他 模拟电子器件的漂移和噪声也是流量测量精度的影响因素。 ( 4 )失重秤的安装及环境因素的影响。加料仓与称重仓之间的距离过 近，导致工作时二者有轻微的相互接触，加料仓对称重仓产生一定的附加力 作用。环境的变化，气流的扰动，温度和湿度的变化，强电磁干扰，也会影 响失重秤的测量精度和工作的稳定性。 2 4 新型失重秤 正是由于这种老式失重秤的流量测量方法的差异导致计量和称重精度较 差，为了避免这种情况的发生，我们设计两个称重仓来改善这种情况。通过 两个称重仓就可以保持对流量的连续测量，即全过程都采用重量式来进行测 量，同时增强了抗外加干扰的能力，从而提高了流量测量的精度和称重的准 确性。 2 4 1工作原理 新型失重秤通过两个称重仓改变了流量测量的方法，新型失重秤主要包 括加料仓、2 个称重仓、加料阀门和下料阀门( 都是蝶阀) 、称重传感器、变 频器、加料与下料电机、螺旋式出料机以及防尘软连接管几个部分组成。控 制器一般采用可编程控制器的形式，它可以使主机不参与被控对象的直接控 制，而是单独来完成控制任务，大大简化线路结构，便于安装维护。而与上 位机的互联可以实现对整个过程的监控。新型失重秤系统示意图如图2 5 所 示： 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 称重 传感器 口 给料仓 料阀门 称重仓1 螺旋式出料机1 称重传感l 器信纠奋w 赢弧 p 重仓2 螺旋式出料机2 a d 碰l 下料电机2 出i料口15510l 田竹h 上位机 图2 - 5新型失重秤系统框图 f i g 2 - 5 b i o c kd i a g r a mo ft h en e wl o s t i n w e i g h t 新型失重秤工作过程同样分为加料过程和下料过程： 加料过程：由控制器控制加料设备启动，加料仓的加料阀门打开，由加 料仓向称重仓1 快速加料，同时关闭下料阀门，并且停止下料电机1 ，从而停 止给称重仓2 ) j h 料，此时称重仓2 实际上和称重仓1 分离开来，这时物料的瞬时 流量就根据称重仓2 的自身重量的减少率来计算，通过和上位机的设定值进行 比较，然后通过相应的控制算法将调节信号传输到变频器2 中，由变频器2 控 制称重仓2 的电机，进而控制螺旋式给料机2 的速度，使流量快速达到设定值， 此时控制器是对1 个称重仓的电机进行控制和调节。 下料过程：由控制器控制加料设备停止，加料仓的加料阀门关闭，停止 向称重仓1 加料，下料电机1 启动，下料阀门打开，开始给称重仓2 加料， 此时称重仓1 和称重仓2 构成一个整体，这时物料的瞬时流量就根据称重仓 1 和称重仓2 的总重量的减少率来计算，但是这里变频器l 和变频器2 的功 能是不同的，变频器l 的功能是通过改变下料电机l 转速的快慢，使称重仓 2 的物料重量保持在总重量的0 8 倍( 即0 8 w m a x ) ，通过这种方式就能使称重 仓2 在出料的过程中并不是处于一个失重的状态，有效的减少了失重带来的 西南科技大学硕士研究生学位论文第”页 冲击，而变频器2 则是根据控制器中计算的调节信号，来直接的改变下料电 机2 的转速，使流量快速的逼近设定值，因此实际上调节下料电机1 就是为 了使称重仓2 中的物料是恒定的，而下料电机2 则是直接的来控制流量的达 到设定值，此时控制器是对两个称重仓的电机进行控制和调节。 新型失重秤的实物图如图2 - 6 所示： 图2 - 6 f i g 2 - 6 a c t u a i 新型失重秤的实物图 2 4 2 新型失重秤的优点 与老式失重秤相比，新型失重秤具有以下优点： ( 1 )流量测量的方式，老式失重秤采用容积式和重量式相互交替的方 式，存在着流量测量死区，而新型失重秤整个过程都采用重量式方式计量， 保证了流量数据的真实可靠。 ( 2 )结构上的差异，老式失重秤由于只有一个称重仓，在加料过程中， 物料对称重仓的冲击是无法消除的，而下料过程中，失重问题也是无法解决。 而新型失重秤由于采用了2 个称重仓有效的缓解了这些闯题所带来的影响， 首先在加料过程中，将称重仓2 与称重仓1 分离，使得物料对称重仓1 的冲 击无法延伸到称重仓2 上，消除了这部分冲击的影响，其次在下料过程中， 由于使称重仓2 的重量始终保持在总重量的0 8 倍上，从而也解决了失重对 称重仓的冲击，通过这种方式提高了动态计量的准确性。 ( 3 )采用了高灵敏度、高精度的压力传感器，每一个称重仓安装有3 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 个压力传感器，而且传感器分布在适当的位置上，通过信号叠加的方式，提 高了称重仓重量的变化计量的精度。 ( 4 )控制器用可编程控制器代替了单片机，无论从性能还是抗干扰能力 有了较大的提升，并且使整个系统的通用性和灵活性进一步加强，其次 a d a m 5 5 1 0 在比较恶劣的环境下，工作仍十分稳定，对传感器信号的采集，以 及调节信号的输出可靠性都有了较大的提高，这些都有效的提高了流量测量 的精度。 ( 5 )控制算法的选择，老式失重秤采用普通的p i d 算法，在计量精度上 有较大的误差，很难满足动态精度1 ，而本文通过分析p i d 控制算法与模 糊控制算法的原理和特性，并探讨了两种控制算法的优点和不足，针对两种 控制算法的各自特点，将二者有机的结合在一起，提出了一种模糊p i d 动态 切换控制算法。 ( 6 )整个系统采用变频控制技术较电磁调速稳定性好，可靠性高。通过 螺旋式输送机输送粉料，避免散失和扬尘，确保环境无污染，该失重秤可以 满足不同类型的多种粉料供给系统，整机采用工业控制计算机集中控制的方 式，工业控制计算机具有强大的管理功能，良好的人机对话功能以及友好的 用户界面，可以存储配比，产量等数据，具有故障自动监测和报警的功能， 并可输出打印报表，给现场的管理，调度，监控提供了强有力的支持。 总的来说，新型失重秤的关键为计量系统和控制系统，本文将就此两方 面将进行详细的分析和设计。而工业控制计算机和控制软件的稳定性、抗干 扰能力是失重秤控制系统需解决的另一关键问题。 2 5 本章小结 本章通过介绍连续式混凝土搅拌站，引出了本篇论文研究的重点粉料连 续计量设备，针对以往的粉料连续计量设备一一老式失重秤的不足之处，设 计了一种新型失重秤，并详细介绍了其工作过程以及优势之处，最后说明了 研究的关键就在于计量系统和控制系统的设计。 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 3 新型失重秤计量系统的硬件设计 3 1 计算机控制系统的结构设计 根据工艺的要求，失重秤计量系统主要是对物料的流量和称重仓2 中物 料的重量进行控制，主要设备包括1 加料仓，2 个称重仓，2 台变频器，2 台交流电机，2 台螺旋式出料机，另外，现场还有其他设备和一些相关的管 道等，我们对控制系统分操作控制站和现场控制器两级控制，采用北京亚控 组态王软件进行开发，对整个系统进行全面监控。 现场传感器分为两组，一共6 只，两个称重仓各3 只，它们主要采集称 重仓内物料的重量变化量，并将采集到的信号送给调理放大电路，通过信号 调理放大后将得到的电信号传送到现场控制器中，然后经过r s 一4 8 5 总线和操 作控制站进行通讯，工业控制计算机的监控管理软件从现场控制器处实时的 采集数据，进行数据分析，完成现场工况模拟和监控、数据存储分析、重要 参数设定、显示和打印各种数据报表以及实时或历史曲线图。 3 2 操作控制站硬件系统配置 硬件设备：研华工业控制计算机( i p c 一6 1 0 h p c a 一6 0 0 6 l v p i v 2 4 g 5 1 2 m 8 0 g ) 操作系统：w i n d o w s 2 0 0 0 & x p n t 应用软件：北京亚控组态王软件6 5 3 3 3现场控制器硬件部分设计 3 3 1现场控制器选型 现场控制器采用研华a d a m 5 5 1 0 以及a d a m 输入输出模块实现，分别用于 是接收2 路传感器的电信号和输出2 路调节信号，以及控制阀门的开关和机 器的起停，a d a m 5 5 1 0 系统包括一台a d a m 5 5 1 0 和四块a d a m 5 0 0 0 系列的i o 模 块“”。 ( 1 )a d a m - 5 5 1 0 的概述 a d a m 一5 5 1 0 是基于p c 的可独立完成数据采集与控制的可编程控制器，它 采用坚固的工业级塑封外壳可确保系统在恶劣的工业环境中可靠运行，可以 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 a d a m 5 5 1 0 具有以下特点： 模拟开放式p c 环境 a d a m 一5 5 1 0 类似于一台紧凑式计算机，包括8 0 1 8 8 c p u 、f l a s hr o m 、s r a m 、 c o m l 、c o m 2 及一个编程端口，内置的r o m d o s 操作系统，兼容m s - d o s 操作 系统，可以通过b o r l a n dc 或c + + 等高级语言编译应用程序。编写的程序可 以通过编程口下载到a d a m 5 5 1 0 的r o m 空间，供程序运行。任何程序在下载之 前，应转化为a d a m 5 5 1 0 兼容性代码。 内置r s 2 3 2 4 8 5 通信口以及编程接口 为实现a d a m 5 5 1 0 和其他软件通讯，a d a m - 5 5 1 0 提供了两个串行通信口： c o m l 为r s 2 3 2 方式；c o m 2 为r s 4 8 5 方式。并且a d a m 5 5 1 0 提供了一个编程接 口c o m 3 和计算机r s 2 3 2 串口之间连接，便于程序的加载。 内置三路隔离保护功能和实时时钟及看门狗定时器 a d a m - 5 5 1 0 提供输入输出( 3 0 0 0 v d c ) 、通信( 2 5 0 0 v d c ) 、电源( 3 0 0 0 v d c ) 隔离功能，可阻绝地线电流，减少电气噪声对系统的影响，保护系统不受电 压和放电所引起的浪涌电流冲击。同时它也包括实时时钟和看门狗定时器功 能，实时时钟可实时记录时间发生的时刻；而当系统死机时看门狗定时器可 重置处理器，这不仅减少了系统维护工作，而且使a d a m 一5 5 1 0 可应用与系统 稳定性要求较高的场合。 完整的i o 模块以及提供库函数支持 a d a m 5 5 1 0 有四个插槽，提供了为便于i o 模块的拆装，a d a m - 5 5 1 0 采纳 了底板结构。a d a m 一5 5 1 0 具有完整的i o 模块供用户选择，所有数字模块均 支持1 0 一3 0 v d c 电压输出和继电器输出；所有模拟量模块均提供1 6 位分辨率。 因此a d a m 5 5 1 0 是应用于分布式控制系统中比较理想的前级控制器。 a d a m 一5 5 1 0 还随机提供了完整的c 语言库函数。用户用c 语言在相关工具环 境下可方便地调用这些子程序，来执行a d a m 一5 5 1 0 的所有i o 功能。 ( 2 )模拟量输入模块a d a m - 5 0 1 7 a d a m - 5 0 1 7 是1 6 位8 通道差动输入模块，用来将来自传感器的电压、电 流等信号转换成数字量。通道输入范围均可程控。输入量程包括：m v ( 1 5 0 m v ， 5 0 0 m y ) ，v ( 1 v ，5 v ，l o v ) 及电流输入( 2 0 m a ) 。 ( 3 )模拟量输出模块a d a m - 5 0 2 4 a d a m 一5 0 2 4 是4 通道模拟量输出模块，用来将数字量信号转换成模拟量 信号。通过配置软件可定制斜率和启动电流，输出可配置成电流或电压。 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 信号。通过配置软件可定制斜率和启动电流，输出可配置成电流或电压。 ( 4 )继电器输出模块a d a m 一5 0 6 8 a d a m - 5 0 6 8 是8 通道继电器模块，8 路a 型继电器。 ( 5 )通讯模块a d a m - 4 5 2 0 a d a m - 4 5 2 0 是r s 4 8 5 与r s 2 3 2 协议转化模块。 3 3 2 现场控制器设计 失重秤计量系统的现场控制器采用研华a d a m 5 5 1 0 ，配置一个模拟量输入 模块a d a m 5 0 1 7 ，一个模拟量输出模块a d a m 5 0 2 4 ，一个继电器输出模块 a d a m 5 0 6 8 以及一个通讯协议转换模块a d a m 4 5 2 0 ，实现对2 个称重仓重量变化， 电机转速以及输出物料流量的全面监控。整体结构如图3 - 1 ： 加料阀门的 开与关 窦曩盟考警l + 厂夏磊蕊 变频器上电l7 i “”。“” 訇卧副瓣 控制固态继电器 系统的启动ii 下料阀门 和停止ji 的开与关 基盂蓊荐的h 篱监控软件r7 l 控机 r s - 2 3 2 r s - 4 8 5 转换模块 ( a d a m 4 5 2 0 ) a d a m 5 5 1 0 图3 - 1现场控制器的结构图 f i g 3 1 s t r u c t u r ed i a g r a mo ft h ec o n t r o il e r 具体的工作过程：位于每个称重仓周围的3 个称重传感器根据采样周期 的要求对各自仓内物料的重量进行采样，然后将采集的重量信号转化为电压 信号并通过接线盒进行叠加后传送到信号放大保持电路进行调理，再将调理 后的标准电压信号输入到a d a m 5 0 1 7 中，此时控制器根据采样周期求出物料重 量的减少率d g d t ，从而得出此时物料瞬时流量，并与上位机的流量设定值 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 调节控制信号通过a d a m 5 0 2 4 输出4 - 2 0 m a 给变频器，变频器根据调节电流来 改变电机的转速，从而改变螺旋式给料机的出料速度，进而改变了流量的快 慢。同时a d a m 5 0 6 8 根据系统要求做出相应动作包括阀门的开关和变频器的上 电与关电。 3 3