（机械电子工程专业论文）微机配料控制系统的设计与开发.pdf

四j i i 大学2 0 0 3 属硬士生毕业论文 靴豫3 7 乎 微机配料系统的设计与研制 研究生唐艺菁 机械电子工程专业 指导老师王庸贵 本文从微机配料控制系统的结构、微机配料控制系统的配料精度 分析、微机配料控制系统的硬软件设计等几个方面论述了基于集散控 制系统( d c s ) 的微机配料控制系统的设计与研制。 f 微机配料控制系统是配料工艺过程控制和质量控制的关键环节之 一，同时也是实现生产过程自动化、企业科学管理化、安全稳定生产 和节能降耗的重要技术手段。微机配料控制系统在生产中的应用不仅 可以提高配料质量和产量，也大大减轻了岗位工人的劳动强度，提高 了生产效率。因此，优化设计研制技术先进、设备成熟、经济实用的 微机配料自动控制系统至关重要。 本文所述微机配料控制系统在现有多种微机配料控制系统的基础 上，根据微处理器技术、网络技术、通信技术的发展情况，采用了微 机配料集散控制方式，它是由一台主机和多台从机通过网络联结起来， 主机不参与对各对象的直接控制，而是将控制任务交给各个从机完成。 即每台配料秤可视为一个独立的生产单元，用单片机就地对一台秤实 施测量与控制，若干台控制器( 从机) 经数字通信接口联网，并且与 工业控制计算机( 主机) 相连，从而组成集散式微机配料系统实现 了数据管理与过程控制分离技术，同时配料系统整体故障风险分散， 可靠性提高k 论文论述了如何建立配料系统的数学模型，并分析了影响配料精 度的各种因素，提出从控制算法和配料秤两个方面解决配料误差的措 施。本文在比较多种控制方法的基础上，提出采用自适应的控制算法 解决“落料误差”，消除配料系统的动态误差：以及从计量秤的角度提 出了从硬件和软件上解决称量误差( 静态误差) 的方法。 整个微机配料系统分为工业控制计算机( 管理级) 和配料控制器 ( 控制级) 。工业控制计算机采用了a d v a n t e c h 6 1 0 型计算机；配料 控制器采用了单片机系统，m c u 采用a t 8 9 c 5 1 单片机，a d 转换器采 m a x l 8 0 ，低通滤波器为m a x 2 9 3 ，可控硅移相触发电路使用t c a 7 8 5 ， r s 2 3 2 通信接口芯片采用m a x 2 0 2 ，c p u 监控电路为m a x 7 0 5 ，并使 用开关电源供电。微机配料控制系统软件使用汇编和v b 6 0 编程，本 文进行了相关软件的设计，包括数据管理、数据采集、滤波、控制等。 本文还对系统所采用一些抗干扰措施进行了论述，包括硬件抗干扰措 施和软件抗干扰措施。 关键词：微机配料j 集散控制j 数学模型? 配料精度j 自适应控制i 单片机 t h e d e s i g na n d t h e d e v e l o p m e n t o ft h e m i c r o c o m p u t e r b u r d e n s y s t e m s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：y i j i n gt a n gs u p e r v i s o r ：y o n g g u iw a n g t h i s p a p e r d e a l sw i t ht h e d e s i g n a n dt h e d e v e l o p m e n t o ft h e m i c r o c o m p u t e r b u r d e n s y s t e m b a s e do n d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ) f r o m t h e r e s p e c t s o ft h e m i c r o c o m p u t e r b u r d e n s y s t e m s c o n s t r u c t i o n ，b u r d e na c c u r a c y ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g na n ds oo n t h em i c r o c o m p u t e rb u r d e ns y s t e mi so n eo ft h ek e yl i n k si nt h e b u r d e np r o c e s s sp r o c e s sc o n t r o la n dq u a l i t yc o n t r 0 1 a n di ti si m p o r t a n t t e c h n i c a l i n s t r u m e n t a l i t y t or e a l i z ea u t o m a t i c p r o d u c t i o n ，s c i e n t i f i c m a n a g e m e n t ，s a f eo p e r m i o na n de n e r g ys a v i n g t h e r e f o r e ，i t i s v e r y i m p o r t a n tt oo p t i m a l l yd e s i g na n dd e v e l o pm i c r o c o m p u t e r b u r d e ns y s t e m w i t ha d v a n c e dt e c h n i q u e sa n dm a t u r ed e v i c e t h e m i c r o c o m p u t e r b u r d e n s y s t e m w h i c ht h i s p a p e r d e a l sw i t h a d o p t s t h e t h o u g h t a b o u td i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m d e s i g n w h i c h i m p r o v e st h er e l i a b i l i t yf r o mt h ew h o l es y s t e m i nt h i sp a p e r ，w ed i s c u s s h o wt oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i cm o d e lo fb u r d e n s y s t e m ；a n a l y z e v a r i e t i e so ff a c t o r st oi n f l u e n c eb u r d e n a c c u r a c y ；d e v e l o p t h e s e l f - a d a p t i v e c o n t r o l a l g o r i t h m t or e s o l v e b u r d e ne r r o r ”，a n d a d o p t s o f t w a r ea n dh a r d w a r em e a s u r e m e n t st os o l v e w e i g h i n g e r r o ri nt h e r e s p e c to fm e t e r i n gs c a l e t h ew h o l em i c r o c o m p u t e rb u r d e ns y s t e mi sm a d eo ft h ei n d u s t r i a l c o n t r o lc o m p u t e r ( m a n a g e m e n tb a n d ) a n dt h eb u r d e nc o n t r o l l e r ( c o n t r o l 苗i b a n d ) t h ei n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ra d o p t sa d v a n t e c h 6 1 0 p r o d u c t t h eb u r d e nc o n t r o l l e r a d o p t s a s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rs y s t e m ， w h o s em c ui sak i n do f p r o c e s s o r - - a t 8 9 c 51w h i c hi su s e di na l lk i n d s o fc o n t r o l s y s t e m s ，w h o s ea ds w i t c h e da p p a r a t u si sm a x l8 0 ，w h o s e l o w p a s sf i l t e ri sm a x 2 9 3 ，w h o s ec o n t r o l l e ds i l i c o np h a s e s h i f tt o u c h o f f c i r c u i ti s t c a 7 8 5 ，a n dw h o s e c o m m u n i c a t i n g i n t e r f a c eo fr s 2 3 2i s m a x 2 0 2 t h ew a t c h d o go ft h em c ui sm a x 7 0 5a n dt h es y s t e mu s e sa n o n o f fe l e c t r i c a ls o u r c et os u p p l yp o w e r t h eb u r d e nc o n t r o l l e ra d o p t st h e c o m p l i e ra n dt h eb a s i cl a n g u a g et op r o g r a ma n di t sc o n c e r n e ds o f t w a r ei s d e s i g n e d ，i n c l u d i n g t h ed a t a m a n a g e m e n t ，t h e d a t a a q u i s i o n ，t h e w a v e - p e r c o l a t i o n ，t h ec o n t r o le t c s o m em e t h o d so fa n t i - j a m m i n gt h a t a d o p ti n t h i s s y s t e mw e r ea l s os t u d i e d ，i n c l u d i n gt h em e t h o d so ft h e h a r d w a r ea n t i - j a m m i n ga n dt h es o f t w a r ea n t i - j a m m i n g k e yw o r d s ：m i c r o c o m p u t e rb u r d e n ，d c s ，m a t h e m a t i cm o d e l ，b u r d e n a c c u r a c y , s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l ，s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r 1 绪论 基于d c s 的微机配料系统是在总结比较现有多种配料系统的总体 结构，控制方法的基础上，并结合微机配料生产过程自动化要求不断 提高的情况以及微机配料系统本身所处环境和所控对象特殊性、多样 性的情况下设计研制而成的。该系统从集散控制系统( d c s ) 的设计原 则出发，融合自动控制技术、计算机技术与通信技术为一体，实现 了自动化集中管理，功能和位置分散等技术，具有技术先进、功能完 备、应用灵活、运行可靠等优点。 1 1 课题背景及其意义 配料工序是水泥、化工、食品、建材等工农业生产中的一个重要 环节，也是水泥、化工、食品、建材等生产的源头工序乜1 例如水泥生 产需要由各种原料按一定的比例进行混合；饲料的生产需根据各种牲 畜的生长规律，在不同的生长期需要成份含量不同的饲料；各种化工产 品、建筑材料、农药的生产也是一样。配料质量控制的优劣直接关系 着下游生产能否顺利进行。如果配制料液的质量达不到要求轻则造成 原料、能源的浪费，熏则影响产品的质量和产率，并且有些重要生产岗 位的配料失误甚至会给接个生产酿成事故1 。鼠此，配料精度的高低 和配料速度的大小制约着整个生产的产品质量和产量，应对配料过程 的质量和产量控锚给圣足够重视。 微机配辩控制系统是配料工艺过程控制和质量控制的关键环节之 一。微机配料控制系统可以按照设定配比和流量控制备输入物料的瞬 时流量，从而达到控制各种产品的质量和产量的目的；同时它也是实 现生产过程自动化和智能化、企业的科学管理、安全稳定生产和节能 降耗的重要技术手段”“1 。微机配料控制系统在生产中的应用不仅可以 提高配料质量和产量，也大大减轻了岗位工人的劳动强度，提高了生产 效率。因此，优化设计研制技术先进、设备成熟、经济实用的微机配 料控制系统至关重要。 1 2 微机配料控制系统的现状 1 2 1 从配料系统总体控制方式分析现状 随着计算机技术和微电子技术的发展，微机配料控制系统的发展经 历了人工手动控制、机械电气控制、单片机控制、工业控制计算机集 中控制等几个阶段抽1 。 在第一阶段中，微机配料设备庞大，各设备之间互不联系，或联系 甚少，由现场的操作人员决定是否要调整控制器。一个操作人员只能 监视和操作一个至两个计量秤，并且手工记录配料的相关数据，在很 大程度上产品的质量取决于操作员的熟练程度n 1 。 在第二阶段，随着电子管、晶体管技术的飞速发展，逐渐出现了各 种小型化的微机配料电动组合仪表但电动组合仪表也存在着两大问 题，一是电噪声的问题比较严重，为克服噪声，不得不采用极为复杂 的电子线路；另一个问题由于微机配料系统所控对象所处环境常常都 很恶劣，电子元器件的老化严重，抗干扰的能力和可靠性不高，。 单片机配料系统悬在大规模集成芯片技术成熟的基础上应运而生 的。单片机配料系统较之前两种配料系统设计电路复杂程度降低，可 靠性大大的提高而且满足了用户实用性的要求所以i i l 今为止，单 片机配料系统仍然在一定程度上占据了中小型企业配料生产的主控地 。 位。 。 同时随着我国经济的发展，工业生产规模的扩大，计算机技术的 迅猛发展，基于s t d 总线或p c 总线的工业控髑计算帆提上了日程， 并且迅速的在中国形成热潮。主要是因为工业控制计算机可靠性高， 2 四川大学2 0 0 3 屠硬士生毕业论文 小板结构，组成系统功能灵活，缉态方便，具有小型化、模块化、组 合化、标准化的特点h 1 。随着工业控制计算机的广泛应用，基于工控 机的配料系统也出现在工业场合。这种配料系统大多采用集中控制方 式，计算机除具有工艺流程控制、工况实时显示、提供数据存储、报表 打印等功能外，还要完成对各对象的直接控制和数据采集任务。 比较单片机配料系统和工控机集中式配料系统，工控机配料系统 较单片枫配料系统整体结构简单，人机界面更加美观，交互功能更加 强大，设计和调试难度相对降低。但是由于配料生产现场往往距控制 室较远，强、弱模拟信号混杂，必须采取较完善的屏蔽抗干扰措施才能 保证系统的稳定运行。集中控制对主机及其涌控电路要求较高，整个系 统的通用性和灵活性较差，成本较高，而且系统整体风险大，一旦计算 机出现故障。将造成整个系统瘫痪，影响生产正常进行 基于上述情况，根据微处理器技术、网络技术、通信技术的发展 情况，提出了微机配料集散控制方式它是由一台主机和多台从机组 成，各个部分通过网络联结起来，主机不参与被控对象的直接控制，而 是将控制任务交给各个从机完成即每台配料秤可视为一个独立的生 产单元，用单片机就地对一台抨实施测量与控戳。若干台控翩器( 从机) 经数字通信接口联网，并且与工业控制计算机( 主机) 相连，：从而组 成榘散式微机配料系统。这不仅大大简化线路结构，便予系统制造与安 装维护，显蕾提高系统的性能价格比和组成灵活牲，同时使配料系统整 体故障风险分散，数据管理与过程控制分离，人枫接+ 日更加宪瞢，满 足了企业管理人员远离控制现场实时监视整个配料系统工作情况的需 求，进一步挺癣了配料系统的可靠性 1 2 2 从配料系藏游量方式分析现状 配料过程中的计量和检测是十分重要的其计量方式也是多种多 样，各有利弊。如果选择不合理，不仅使用效果不佳，也将给生产造成不 应有的损失 3 四川大学2 0 0 3 届硕士生毕业论文 微机配料计量秤的分类计量按其称重方式分为：容量法和重量法 两种”1 。以水泥行业为例，微机配料控制系统选用的都是重量法。重 量法按其计量过程状态分为静态计量( 或间断计量) 和动态计量( 或 连续计量) 3 。水泥生产微机配料系统中常用的静态计量设备有：斗 式秤、减量法斗式配料秤( 失重秤) 、双悬臂间断给料皮带秤。其动态 计量设备有：单悬臂恒速皮带秤、双悬臂连续给料恒速皮带秤、调速 皮带秤、核子秤等 e l 。由于动态连续计量，可以保持生产过程的连续性， 从而适应连续性生产工艺要求，并为配料时物料的均匀混合提供有利 条件。同时，其计量速度快，有利于减轻计量过程的劳动强度，改善劳动 条件和为生产过程自动化提供有利条件。但是由于计量过程是在动态 情况下进行，随之而来的是干扰因素增多，计量精度不如静态计量高，设 备的结构也比较复杂。静态计量采用间断给料，计量能力受到艰制，但结 构简单，计量精度稳定，维护保养方便。 早在7 0 年代，我国就从日本、德国、丹麦、美国、荷兰等国家引 进了计量给料秤和连续给料秤制造技术，大大地促进了国内电子秤的 发展1 。目前，无论楚品种还是技术性能基本上能满足工业配料生产的 需要。但是，一方面国产的工业电子秤的稳定性、可靠性差，动能不够 完普，品种规格较少，标准化、系统配套化水平低另一方面。绝大多数 水泥厂管理和技术水平低，生产工艺装备落后，环境条件怨劣，特别是 产量占全屠水泥总产量。8 0 以上的地方小型水泥f 更悬娥此u 1 钟对我 固工业配料工艺韵舆档情况，徽讯配料诗羹_ 稃鳇麓震方尚遥悬默熏量 法为主，要求计囔翻黼耩筠单，操作和壤鬈方便，计鼍准赣沮范固宽， 应用场合广，稳定可靠，经久耐用。笔者认为，法撵计量稃，必须根据企 业的生产条件和环境，认真分析对比，选择计量精度高、易维修、造价 低廉、使用方便、适台自己企业的具体情况的计量设各，不要盲目追 “新”、“奇”、“特”，要以经济实慧k ：好用辩霜麴熏测莉扩德达到预期 的效果。 四川大学2 0 0 3 屠硕士生毕业论文 1 3 课题的来源和研究内容 为了解决现有微机配料系统中的一些问题，以便找到一种更好的 检测控制方法，四川i 省宜宾红宇水泥厂、重庆市荣昌水泥厂、重庆市 铜梁锶盐股份有限公司提供现场试验条件，我们提供技术解决方案、 配料系统相关软硬件，相互协作对微机配料控制系统进行研究和开发。 项目研究内容主要包括： ( 1 ) 微机配料控制系统方案论证和可行性分析； ( 2 ) 微机配料控制系统数学模型的建立： ( 3 ) 微机配料控制系统数学模型的验证； ( 4 ) 微机配料控制系统总体方案的设计； ( 5 ) 微机配料控制系统电器元件的选用； ( 6 ) 微机配料控制系统传感器的设计： ( 7 ) 微机配料控制系统软件的编写和调试； ( 8 ) 微机配料控制系统硬件制作和实验室调试； ( 9 ) 微机配料控制系统现场安装和调试。 论文内容主要包括微机配料控制系统的设计，从整体结构的设计到 软硬件的设计：微机配料控制系统控制数学模型的建立，控制算法的 确定，数据采集信号的处理；就料系统糟度的分析及其提高的解决方 法等方面。 2 微机配料系统的总体结构方案设计 2 1 方案确定的理论基础 2 1 1 微机配料系统类型比较 随着计算机技术的发展，计算机芯片技术水平的提高，微机配料 系统构成的随意性不断加大。目前可以按照各种测量、控制功能要求， 构成各种类型的微机配料应用系统。 按照硬件系统的组合形式，微机配料系统的构成，主要有两种类 型： ( 一) 工业控制计算机配科系统 这种系统的计算机部分是通用计算机系统，即利用通用计算机的 扩展槽或扩展区，设计应用系统硬件模扳，如a ，d 板、d i a 板、i o 扩展板等测、控功能板，与通用计算机构成一个用于完成预定测、控 功能的配料系统 这种工业控制计算枫配糕系缀特点是1 ： ( 1 ) 该系统采用计算机集中控制方式，在这种控制系统中，计箕机不 但完成操作处理，更主要是可直接根据给定值、过程变量和过程中 其他测定值，通过一定的算法运算控制执行机构的运动及位置。 ( 2 ) 系统有较强的软、硬件支持。利用通用计算机系统的软、硬件资 源来支持配料系统进行工作。 ( 3 ) 具有自开发能力配料系统功能模板均由通用计算机的c p u 控 制。通用计算机具有较强的操作系统及人机对话功能，可用来编制、 调试配料系统的应用软件。 ( 4 ) 系统的软、硬件的应用，配置比较小。所谓的应用，配置比是指为 满足应用系统功能萎求所必须的软、硬件设置与系统实际具有的 软、硬件规模之比该比值愈小，系统成本愈高。但二次开发时 6 璺业奎竺! 竺! 鱼堡主竺兰些兰兰 软、硬件的扩展能力较好。 ( 5 ) 由于采用集中控制方式，所有的控制回路都由一台计算机控制， 当功能增多，系统响应时间受到影响。同时，一旦某一控制回路出 现问题，将导致整个控制系统的瘫痪。 ( 二) 单片机配料系统 随着集成芯片技术的不断提高，特别是高档8 位单片机出现后， 用单片机设计专用计算机应用系统的趋势越来越盛。单片机配料系统 是一种用单片计算机及其外围芯片构成的配料系统，这种配料系统在 目前仍在一定程度上占据了微机配料系统的中小型市场。 用单片机构成的专用计算机应用系统，具有下列特点”1 ： ( 1 ) 该系统不具有自开发能力。因此，系统的软、硬件开发必须借助 于开发工具，系统调试困难； ( 2 ) 系统的硬件、软件的设计与配置规模都是以满足配料系统功能要 求为原则，因此，系统的软、硬件应用配置比接近于l ，具有最佳 的性能，价格比。 ( 3 ) 由于单片机本身就具有小巧、功耗低、控制功能强的优点，系统 实时控制功能强 ( 4 ) 系统人机晃面差，不适用于数据的管理，后期处理。 ( 5 ) 仍然存在集中控制的弊病。 2 1 2 集散控制在微机配料系统中应用的确定 通过上节单片机配料系统和工业控制计算机配料系统性能的比 较，我们发现目前单片机配料系统和工业控制计算机配料系统都存在 集中控制的缺点，同时由各具优点配料系统各回路都用一台计算机 或专用单片机系统控制，控制风险很大，一旦系统出现故障，整个配 料生产就无法进行。为了分散系统故障带来的风险，同时充分利用当 前工业控制计算机和单片机的优点，我们提出了基于集散控制系统 ( d c s ) 的微机配料控制系统 7 四川大学2 0 0 3 詹硕士生毕业论文 集散控制系统是计算机系统、通信系统、控制论、信息论与自动 化、系统工程结合的产物。它是可靠性互相促进、互相渗透、综合发 展的最好、最高的典范。它自7 0 年代问世以来，发展异常迅速，它的 应用已遍及许多工业部门。计算机、微型计算机以及微处理器是集散 控制系统的主体和核心“”。 集散控制系统的发展经历了计算机集中控制系统、计算机和模拟 仪表混合控制系统、计算机监视控制系统几个阶段后，随着生产过程 日趋复杂，大规模集成芯片集成度越来越高，微处理器成本大幅度降 低并大量的涌入市场，分散化的思想日益成熟。集散控制系统应运而 生“”。集散控制系统的特点是更完整的体现了分散化和分层化的思 想。该系统将计算机集中控制系统( 、d d c ) 彻底分散：一个回路由一 个微处理器控制。充分发挥微处理器效用，由当初的多回路变为单回 路，这样设备上的分散使故障产生的危险性也就分散了，再附之以冗 余措旌，可以得到高可靠性的系统。这一点是集散控鬻肠礴簸酊攥奉点 所在。同时由于人们不仅仅关心单纯的过程控制及生产自动化方面， 而更多把注意力转向工厂的生产效率、能源消耗以及利润指标等信息 管理方面来，把生产过程的监控与科学化的企业管理结合起来，是集 散控制系统无论从结构、性能、还是应用功能上都达到了很高的水平。 综上所述，把集教控制系统的设计原则运用于微机配料控制系统 是提高微机配料可靠性，提高企业管理信息化的最优选择方案。 2 2 系统概述及功能要求 2 2 1 微机蓖料系统戆体系统结构框图 根据集敖控制系统的基础理论，并总结现有各类微机配料系统的 优、缺点，将计算机与单片机技术相结合，设计开发研制出具有集散控 制结构的微机配料系统。该系统的结构框图如图2 一l 所示： 坚! ! ! 奎兰型! 曼曼主生兰些堡苎 西 工业控制计算机 ( 上位机) f 嗣。鬟酾 r 、n n n 二：t - n ii 。r “一 i 眚叁鱼i ii i 宣 l 一姒掣粼单元 图2 1 基于d c s 的微机配料控制系统的结构框图 基于d c s 的微机配料控制系统结构如图2 - 所示，一级( 俗称上 位机) 由工业计算机a d v a n t e c h 6 1 0 组成，包括键盘、显示器、打印机、 r s 2 3 2 c 通讯接口；二级( 俗称下位机) 是由a t 8 9 c 5 l c p u 为核心构成 的控制单元，每台下位机独立控制一种物料的下料，上位枫为用户提供 个友好的人机界面，控制和监视各下位机的运行情况，并进行数据统 计、报袁! 打印等工作，并设计了网络扩展接口，为集敬式微机配料控 制系统的升级以及扁现场总线的控制系统发展作好了准备 2 2 2 微机配料系统的工作原理及工艺过程概述 该系统徽处理器控制单元采用间歇式的静态称重原理，即每一循环 周期完成下料、称重、放料、混合配料、再下料的过程由于这种计 量采用断续迸料、断续出料的间歇式静态称量的工作方式，在一定程 度上克服了绘料冲击、皮重不均、零点漂移的影响“” 在整套系统运行初期，首先进行校秤。校秤在配料系统中具有重要 的作用。校秤直接影响到配料的精度。其次设定参数根据工艺不同， 9 四川i 大学2 0 0 3 届硕士生毕业论文 参数的设定有所不同，但主要是台时产量和配比关系的设定。当参数 设定好后，启动系统。 系统运行时，对每个料斗秤进行动态检测，初步判断给料是否达到 配料设定值。如果动态检测到达到设定值，则停止给料。停机后缓冲 一定时间才开始称量。对于由于动态检测所带来的给料误差以及其它 原因引起得单次配料误差，通过下一次配料的补充或一定的算法来实 现这种误差的降低。 2 。1 3 微机配料系统的要求 l 工艺要求 为了保证良好的配料效果在设计和使用中，对配料系统的一艺 要求是： ( 1 ) 具有良好的稳定性能，实现快速、准确的称量。 ( 2 ) 在保证配料精度的前提下，应当结构简单，使用可靠，维修方便。 ( 3 ) 具有较好的适应性，不但能够适应多品种、多配比的变化，而且 能够适应环境及工艺形式的不同要求。 2 功能要求 通过吸收现有微机配料系统的经验，结合实际，提出本微机配料 系统的一些重要的功能要求： 凡y - e 位机敬件功能： ( 1 ) 数据显示： 上位机主画面分为二部分：实时模拟配料状态；实时显示每个通 道的称重重量，实际配比等相关的配料数据及有关操作提示。 ( 2 ) 数据存储及备份修复： 建立数据库对采集到的数据进行存储。数据库容量要求至少能够 连续存储一年的数据。同时为了防止数据库数据由于某些原因丢失及 损坏，须具备数据库备份修复功能。 四川大学2 0 , 9 3 届颂士生毕业论文 ( 3 ) 人机功能： a ) 建立软件校秤的参数设置窗口。 b ) 查询分为报警信息查询和数据查询。查询条件可分为小州、同、 旬、月、班次、通道号等。查询做到准确、快速。 c ) 建立配比等参数并设置窗口。 ( 4 ) 打印功能： 打印希望时间内，希望班次的配料相关数据。 ( j ) 报警功能： 若该系统出现漂移时及时在显示面面上出现报警信号及校秤提示 框；若出现断料、过料、漏料等情况报警。 ( 6 ) 保密设施： 对称重的数据迸行加密保护，由专人管理，同时留有更改密码的 功能。 ( 7 ) 交班日志： 配料实行全天不停机生产，为了使各个工作班了解上一次工作班 工作过程中所出现的情况，从而加以注意及预防，设定交班日志。 ( 8 ) 通讯功能：上下位机之间可以随时交换数据及命令。 b 币位机软硬馊动锯【= ；_ ， a ) 故障分类报警； b 1 手动、自动切换； c ) 配料通道数据及相关状态显示； d ) 重要数据掉电保护； e ) 给料系统的无级调速； 介上下位机通讯接口预留； g ) 配料相关量( 各通道配比、台时量、配比周期等) 输入； h ) 配料相关量( 各通道实际配比、实际单次重量、故障编码等) 的输 出。 醺壤翰孵 上位机留有网络接口，以备厂方将来建立现场总线系统，进行网络 化管理。 3 微机配料系统配料精度提高的研究 3 1 从控制算法研究如何提高配料精度 3 1 1 配料工艺过程影响因素 配料系统的主要设备是给料器和配料秤“”。进料量通过给料器的 开断，转速大小或振幅大小来控制。本系统采用间歇式的静态称重原 理，即变动态称量为静态称量过程，其配料过程为：物料自物料仓经 电振机给料机或螺旋式给料机分别下落至称量料斗中( 其重量作用在 三个荷重传感器上) ，直至达到给定的重量，然后控制电机打开料斗门， 各物料从料斗内卸至已启动的同条皮带输送机上，进行物料的混合。 混合后的物料进入输料小车，提升至炉顶，经布料器均匀散布于石灰炉 内进行烧制 配料的关键是对物料称量过程的控制，由上述配料过程可看出由 于给料器出口与料斗内物料表面有一段距离，因此传感嚣检测量与实 际供料量之间有一差值，造成了进料落差。 同时物料性质的交化、进料的冲击、给料机的振动或旋转惯性等 因素也是影响最终物料配制精确度的直接原因“。”1 所以若能准确估计终止给料时刻空间物料量、振动给料机的惯性 等因素而提前终止给料，就能保证最终配制结果在给定的范围内。 3 1 2 根据配科工艺过程建立数学模型 本系统以螺旋给料机为例，为间歇式配料系统建立数学模型过程 如下”： 对于螺旋式给料器。t 时刻的供料流量可用下式表示： 1 2 堕坐查兰型婪鲤皇兰些丝苎 q 1 ) = 1 3 1 d 2 审srq 式中 q ( t ) 一一物料流量( k g s )由- - - - 褊数 d 一一给料器叶片直径( m ) s 一一螺距( m ) y 一一物料容重( k g m 3 ) n 一一转速( r m i n ) 若令a = 1 3 j 黟由sy 贝h p r r j - - a 疗 当给料器结构定时，对于一定的物料，a 为常数。 在配料过程中，设t 时刻的滞后时间为r ，检测重量为g ( t ) ，则有 r d n d t ：矗俐 对于恒速进料，上式可写成 8 n ( t - 1 ) = g ( t ) 即a 刀f 彤r + a nr ( 1 ) 令w = a nt ，w 即为空中料柱的重量。 设料斗进口直径为2 r ，出口囊径为2 r ，锥度为a ，物料休止角为0 。如 图3 一l 所示，则进料过程中物料体积为： d y - - nt d h l + t d 电千h 产x c t g ( q 2 ) h z = x t g e 所以 d v - - ，c t g ( a 2 ) d r + tt ge ( i x =ai c t g l n 2 ) + t g8 ) t d x 式中x 一一休止角与料斗交界处半径 则检测重量为： d c ( t ) = ，d v = i ty ( c t g ( a 2 ) 令a - - ny ( c t gtq 2 ) + t g0 ) 飚d g ( t ) - - a 亡d x 或g ( t ) = ( a ，3 ) 一c 忒审c = ( 1 r ，3 ) y 亡c t g ta ，2 ) 又d h = d h l + d h g = t c t g ( a ，2 ) 、4 j w t 围3 - f 进料情况 + t g8 ) t d x + t ge ，d x 婴型奎兰! 竺! 璺堡：! 兰生些丝奎 空中料柱的重量为： d w = 6s 。d ( h - h ) = 一5 s ( c t g ( o 2 ) + t g8 ) d x = 一b d xb 、 式中 6 一料柱容重s7 一一料柱截面积 b ：6s ( c t g ( o 2 ) + t ge ) 对( 1 ) 式两边微分得： a n d t = d o ( t ) 十d w = d g t t l 8 d x = d g t t l 一b ( 3 ，a 1 。3t g ( t ) 4 - c 3 ) j 2 d g ( t 1 = d o ( t ) - e ( g ( t ) + c 3 ) ：“d g ( t )0 4 、 式( 4 ) 即为料斗秤配料系统微分方程式。 为便于计算机控制，可将上式写成 a n t = il et gt k t ) + c 3 ) 2 。3ji g ( k + 1 ) t - o ( k t ) 1 式中k 一一采样次数，k = 1 ，2 ，3 ，t 一一采样周期 为方便起见，将k t 用k 表示，则上式可写成 a n t = l i - e ( g ( k ) + c ，3 ) 2 。33l g ( k + 1 ) - 6 ( k ) 1 或 ?g ( k + 1 ) - - - a 1 9 e l ( 1 一e ( 6 ( k ) + c 3 ) h ) + g ( k ) 0 5 、 式( 5 ) 表明本次采样值与给料器结构a 、转速1 3 、采样周期t 及前一次 采样值有关。 对于变速进料，有 g ( k + 1 ) = a n ( k d ) 1 ，( 1 - e ( g ( k ) + c 3 ) 。”) + g ( k ) 0 铋 式中d 一一滞后步长 配料系统自动控制的关键，在于如何适时地断开给料器电机，停止 进料，以保证配料精度 采用式( 6 ) 可预测d t 时间后的称重量 g ( k + d ) ( d 为预测步长) ，当l g o - g ( k + d ) 1 时，停止进料( 即令n = o ) 式中g 0 一配料给定值 一一配料理论误差，如图3 - 2 所示 由式( 5 ) 可得： 2 a = g k + l + d ) - 6 ( k + d ) 1 4 曲 譬 x o o 榭 嚣 捌 时间t s 圈3 - 2 配料理论误差 四川大学2 0 0 3 届硕士生毕业论文 ：a n t ( 1 8 ( g ( k + d ) + c ，3 ) ) 。2 j 当g ( k ) 较大时 a ( j 2 ) a n tu 、 由式( 7 ) 可知，理论误差与采样周期、给料器结构、转速及物料的物理 特性等因素有关。例如，采用较小的采样周期、较低的转速、较小的叶 片直径及螺距( 对于振动给料器而言，则采用较小的振动频率，振动 幅度，较小的出料1 ：3 ) 等，都有利于配料精度的提高。同时，容重小的 物料的配料精度将高于容重较大的物料。 3 1 2 根据配料模型确定配料自动控制算法 根据前两节的分析以及配料模型的建立，我们在总结现有微机配 料控制的基础上提出了以下几种控制算法。并通过运行，选出最好的 控制算法。 3 1 2 1 给料变速控制算法 我们可知配制物料时，物料自料仓经螺旋式给料机或电机振动给 料机下落至称量小料仓内，配置物料的速度由螺旋式给料机转速大小 或电机振动给料机振幅的大小来决定。而在生产中，为了提高生产效 率，往往希望能快速进料，配制物料的时间尽量短，因此就要求螺旋式 给料机转速或电机振动给料机的振幡尽量大。但是，螺旋式给料机转 速越大，电机振动给料机的振幅越大，冀顺性也越大，从而对称量准确性 的影晌也就越大。 为了解决这矛盾，我们采用给料变速控制法进行配料。 因此，为在保证配料精度的前提下以最快的速度配料，可采用如下 变速方法： ( 1 ) 在配料前期取n ( k ) = n 。 1 5 坠生壁兰! ! ! 塑塑主生兰些量苎 ( 2 ) 当预测值g ( k + d ) 满足i g ( k + d ) g o i ， e 则 a g = g ( k + d + 1 ) 一g ( k + d ) ；n = ( a g e ) ( a t ) ；n ( k + 1 ) = n ( k ) n ( 4 ) 转( 2 ) 采用这种方法，可将配料偏差控制在允差e 内。用上述方法进行计 算机仿真实验，仿真程序如图3 - 3 。 6 3 - 3 仿真程序框图 3 1 2 2 落差补偿控制算法 目前国内最常用的控制方法是“落差补偿法”“”，即配料中，当秤 斗质量快要达到目标值时。提前关闭搅龙，以防止加料过多，不足的料 通过误差计算由下一次补偿完成。我们将关闭搅龙瞬间的秤斗质量称 为预关断点质量，用w a 表示，将秤稳定后的实际质量值称为预关断稳 定后质量，用wb 表示，将w 一一wb 定义为落差值。由此可见，设定合适的 落差值是提高控制品质的关键。落差值设定的太小将导致配料误差增 大，而设定的过大又会使配料速度变慢。 最常用的落差值设定方法是人工输入法和逐次平均法。人工输入 法就是每次配料前。由操作人员根据经验输入落差值，在系统参数发生 变动后，要重新输入新的落差值。 逐次平均法就是在人工输入法的基础上，检测控制过程中每一次 的实际落差值，并将检测到的落差值和原来设定的落差值取加权平均 作为新的落差值。这种方法比人工输入法有较高的适应性。在机械精 度较高的系统中，随着配料批次的增加，会有越来越高的适应性，在机 械精度高的系统中，随着配料批次的增加，会越来越准确。但在机械系 统精度不高的情况下( 此时落差值在较大范围内呈某种概率分布) ，落 差值产生震荡的可能性很大，而且经常会出现加料超过正公差而影响 产品质量。 其逐次平均法的基本算法如下： e ( n 1 1 - - - - p v ( n i ) 一sv n 1 ) s y ( n ) = a e ( n 1 ) # ( n ) = # ( n 一1 ) 一e ( n i ) sy ( n 1 ) 式中e ( n 一1 ) 是上次配料产生的偏差； p v ( n 1 ) 是上次实际配料的测量值； sv ( n 1 ) 是上次的设定值 sv ( n ) 是本次设定值： a 是由工艺确定的配料给定值，是一个常数： w ( n ) 和w ( n 一1 ) 是本次及上次配料停振阙值，其取值范围在 四川大学2 0 0 3 届硕士生毕业论文 ( 0 1 ) 之间。 停振阈值指的是相对于设定值的提前量，前一次过冲量越大，则本 次停振阈值越小，反之亦然。 为了更好的反映系统运行的状况，e ( n 1 ) 采用如下累计平均方 式： etn 一1 ) ：( etn 1 ) + + e ( n n ) ) ( n ) 3 1 2 3 自适应落差预测控制算法 在实际的配料系统中，由于许多参数不易精确掌握，或由于环境的 变化以及设备的老化、维修和更换，仓中的物料也常因配方的不同而 变更，配料系统的一些参数值也随之发生变化，加上多种非线性因素的 影响，人们很难建立精确的数学模型对其实施控制悖。 。 因此用3 1 2 3 节中配料系统数学模型公式( 5 ) 来描述系统的特 性往往会有较大的误差，此时可用回归分析的方法来求得方程的系数， 为此要将方程线性化， 即由对式( 1 ) a n t = g ( t ) + a nt 得： a n = 6 。+ r “ 上式两边对时间t 微分，得 a 疗7 = 口”十w 。 ( 8 ) 又。电w = 6s ( h h ) 上式两边对t 三阶微分。得： w 。= 一6s h 。= 一5s 4 ( c t g ( o 2 ) + t ge ) p 0 9 、 j 鼠瓠g = l a ，3 ) # 一c 两边对t 三阶微分，得 g 。= 2 a x ( 1 0 ) 式( 9 ) 、( 1 0 ) 代入式( 8 ) 得： a n f = g 6 6s | 2 t c t g i d ，2 ) + t ge ) j ；66 + f j t r u 吣 忒哿f = i 一6s 1 ，2 a ) ( c t g io ，2 ) + t g8 ) 为便于计算机控制，将式( 1 1 ) 写成差分方程的形式，即 ， 4 1 8 璺型查兰! 竺! 星堡主皇兰些堡苎 口no+1-d)-n(k-d)：g(k+2)-2g(k+1)+g(k)。 l 个 g ( k + 3 ) - 3 g ( k + 2 。) + 3 g ( k + l ) - g 一( k ) f 下j 或 g k + 3 ) = ( 3 一t f ) g ( k + 2 ) + ( 2 t f - 3 ) g ( k 七l l + u - t f ) g ( k ) + t a n ( k + l d ) 一n ( k d ) 1 上式简化为： g k + 1 ) = a t g ( k - 2 ) + a e g ( k i ) + a 3 g k ) + b t n ( k - i d ) + b 2 n ( k d )u 2 、 式中a 卜a 2 、a 3 、b l 、b 2