（机械电子工程专业论文）迭代学习控制技术在水泥熟料配料控制系统中的应用.pdf

四川大学硕士学位论文 迭代学习控制技术在水泥熟料 配料控制系统中的应用 研究生杜寿兵 机械电子工程专业 指导老师王庸贵 本论文针对某水泥厂现有的配料控制器存在的配比不准、稳定性差、人一 机交互能力不强等方面的不足，提出了应用较新控制方法结合计算机技术，为 其设计开发了一套水泥熟料配料控制系统。论文对该系统的方案设计、工艺流 程、系统软硬件设计、系统控制模型的建立、算法的确定进行了论述。 微机配料系统是水泥厂的关键设备之一，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，也是提高产品质量、产 量、生产率和减轻工人劳动强度的有效途径。因此，优化设计出一种技术先进、 设备成熟、经济实用的微机配料系统对于企业来讲是至关重要的。 在分析比较了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，设计了一套上下位机控制的配料系统，下位机完成数据 的采集控制，上位机完成数据处理并设计了友好的操作界面，使上位机具有可 操作性和直观性。 本文论述了称量配料中的精度控制。分析了动态称量配料过程的物理机理， 建立了动态称量配料过程的数学模型算法，进行了计算机仿真试验研究，并作 了定性的分析。重点阐述了迭代学习控制的基本原理，对动态称量配料的受控 过程作了进一步的研究，将迭代学习的控制方法应用于动态称量配料过程控制， 通过计算机仿真试验，表明应用迭代学习控制方法可以取得较好的控制效果。 最后针对水泥熟料配料控制系统的要求，将迭代学习的控制方法应用于实际工 四川大学硕士学位论文 程中，进行了水泥熟料配料控制系统的设计，包括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 采用了a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机，a d 转换器采用了t l c 2 5 4 3 ，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 3 2 ，c p u 监控电路为5 5 5 定时器，并 自己设计了电源模块，微机配料控制系统软件使用汇编和v b 6 0 编程，并进行了 相关软件的设计，包括数据管理、数据采集、滤波、控制等。为了使系统稳定 可靠地工作，在系统软硬件中采用了较好的抗干扰措施，从硬件和软件上提高 了整个系统的抗干扰能力，使系统具有更好的稳定性、健壮性和容错性。 通过该系统，可以方便用户对生产进行现代化管理，提高产量、降低废品 率，具有明显的经济效益。 关键词：微机配料数学模型精度迭代学习上位机下位机 l i 四川大学硕士学位论文 i t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o l t e c h n o l o g ya p p l i e d i n c e m e m r i p e m i x t u r ec o n t r o ls 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 ：s h o u b i n gd us u p e r v i s o r ：y o n g g u iw a n g t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ec e m e n tr i p em i x t u r ec o n t r o ls y s t e mf o rac e m e r f a c t o r yw i t hr e l a t i v e l yn o v e lc o m r o w a y a n dm a t u r ec o m p u t e rt e c h n o l o g yb e c a u s t h ei n t r i n s i cm i x t u r ec o n t r o ls y s t e mh a ss u c hd i s a d v a n t a g e sa s g r e a tm i x t u r ee r r o p o o rs t a b i l i t ya n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c e s y s t e ms c h e m ed e s i g n ，p r o c e s s ，h a r d w a t a n ds o f t w a r e s d e s i g n ，m a t h e m a t i cm o d e l i n g o fb u r d e n s y s t e m ，a n d a r i t h m e t i c o n f i r m i n ga r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r 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 yf a c i l i t i e si nt h ec e m e l f a c t o r ya n d i ti si m p o r t a n tt e c h n i c a li n s t r u m e n t a l i t yt or e a l i z ea u t o m a t i cp m d u c t i o l 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 a t i o n a n d e n e r g ys a v i n g i na d d i t i o n ，i t i sa e f f i c i e n ta p p r o a c ht oi m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y , o u t p u tq u a n t i t y , a n dp r o d u c t i v i w ，a l l a l l e v i a t ew o r k e r sl a b o r i n gi n t e n s i t y t h e r e f o r e ，i ti s v e r yi m p o r t a n tt oo p t i m a l l d e s i g n a n d d 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 mw i t ha d v a n c e d t e c h n i q u e m a t u r ed e v i c e sa n de c o n o m y p r a c t i c a l i t yf o raf a c t o r y t h i sp a p e rf i r s a n a l y s e sa n d c o m p a r e ss o m ek i n d so fe x i s t i n gm i c r o c o m p u t l b u r d e ns y s t e m s 。s e c o n d l y , b yc o m b i n a t i o no fm i c r op r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，n a t w o l t e c h n i q u ea n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，t h i sp a p e ri m p l e m e n t sa ni n d u s t r i a lc o n t r t c o m p u t e r a n d s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r m i x t u r e s y s t e m s i n g l e c h ： m i c r o c o m p u t e r f u l f i l l sc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ，w h i l e i n d u s t r i a lc o n t r c o m p u t e rp e r f o r md a t ap r o c e s s i n g ，f i n a l l y , f r i e n d l yo p e r a t i o ni n t e r f a c ei sd e s i g m i i i 四川大学硕士学位论文 i no r d e rt om a k ei n d u s t r i a lc o m p u t e rb e c o m ee a s ym a n i p u l a t i o n t h i sp a p e rd e s c r i b e sp r e c i s i o nc o n t r o lo fw e i g h i n ga n dm i x t u r e t h ep h y s i c s m e c h a n i s mo f d y n a m i cw e i g h i n g a n d b a t c h i n gp r o c e s s i ss t u d i e d a n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ea l s oc a r r i e do u t t h eb a s i c p r i n c i p l e o fi t e r a t i o n l e a r n i n g c o n t r o li sc o n s i d e r e da s e m p h a s e s t o d e s c r i b e af 1 ：l r t h e rs t u d yo ft h ed y n a m i c w e i g h i n g a n d b a t c h i n gp r o c e s si sm a d e a n d a ni t e r a t i o nl e a r n i n gc o n t r o lm e t h o di s e m p l o y e d t od y n a m i c w e i g h i n ga n db a t c h i n g p r o c e s s c o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nt e s t sa r em a d ea n ds a t i s f i e d p e r f o r m a n c e s a r e r e a c h e d f i n a l l y ，t h e w h o l 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 i s d e s i g n e d t h e i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r a d o p t sa d v a n t e c h 6 10 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 e m c ui sak i n do f p r o c e s s o r a t 8 9 s 8 2 5 2w h i c hi s u s e di na l lk i n d so fc o n t r o ls y s t e m s ，w h o s ea d s w i t c h e da p p a r a t u si st l c 2 5 4 3 m a x 2 9 3i su s e da sl o w - p a s sf i l t e ra n dt c a 7 8 5i s u s e dt oc o n t r o ls i l i c o np h a s e - s h i f tt o u c h - o f f m a x 2 3 2a r ed e s i g n e dt oc o m m u n i c a t e d a t a t h ew a t c h d o go ft h em c ui s5 5 5a n dt h ep o w e ro ft h i ss y s t e mi s d e s i g n e d t h eb u r d e nc o n t r o l l e ra d o p t st h ec o m p l i e r l a n g u a g ea n dt h e b a s i cl a n g u a g et o p r o g r a ma n d i t sc o n c e r n e ds o f t w a r ei sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ed a t am a n a g e m e n t ，t h e d a t aa c q u i s i t i o n ，t h ew 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 t h i sp a p e rd i s c u s s e ss y s t e m s a n t i - j a m m i n gm e a s u r e s ，a n dp r o p o s i n gw h o l es y s t e m sa b i l i t yo fa n t i - j a m m i n gf r o m h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，s ot h es y s t e mh a sg o o d s t a b i l i t y , r o b u s t n e s sa n d t o l e r a n c e t h i ss y s t e mi sb e n e f i tt oa d v a n c e de n t e r p r i s em a n a g e m e n t ，p r o m o t i n g o u t p u ta n d r e d u c i n gw a s t e r r a t e k e yw o r d s ：m i c r o c o m p u t e rb u r d e ns y s t e m ，i t e r a t i o nl e a r n i n gc o n t r o l ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，a c c u r a c y , i n d u s t r i a lc o m p u t e r , s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r 四川大学硕士学位论文 1 绪论 基于两级分布式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。该系统从两级分布式控制系统的设计原则出发，融会自动控制技术、 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 课题研究的目的和意义 1 1 1 配料的重要性 在建筑、水泥、冶金、医药、玻璃、建材、化工等行业中，配料是生产过 程的重要组成部分，其配料过程是否按照规定的配比( 组成产品的各种原材料 重量值之比) 进行是衡量企业产品质量的关键，因此在配料生产过程中对组成 产品的每一种原材料的重量值进行控制就显得尤为重要。如果配料的质量达不 到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重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整个生产酿成事故。以水泥熟料配料来说， 水泥是建筑、水利工程中应用最广泛的材料之一，其经济、技术指标对整个建 筑、水利质量和成本有着举足轻重的关系。同时水泥又是一种特殊的材料，其 质量不合格就不能拿来使用，否则会造成重大的质量和安全事故。在冶余行业 中，配料是其生产过程的重要组成部分，炼钢生产中所用的保护渣是由石灰石、 玻璃粉、石墨、水泥、工业氯化钠、苏打等8 种物料按照一定比例配制的。1 ；烧 结工艺中的配料自动化是烧结矿生产的关键，它决定了烧结矿的铁分、碱度、 氧化镁、煤耗等几大指标；在高炉生产过程中称重计量的自动控制更是必不可 少，它对提高炼铁生产产量，提高质量，降低焦比等起到了决定性的作用：在 转炉生产自动化中必不可少的是原料配料自动化，在转炉炼钢过程中，按化学 反应要求按一定的比例定量加入各类副原料进入炉内，去除有害元素、控制成 分。其它如煤炭能源工业中的连续物料称重计量；造纸厂中自动涂料制备车间 的配料系统；作为纸张或纸板涂色料成分的配料；在塑料工业中，p v c 绝缘材料 的生产需要4 种能处理5 0 至j j 7 0 个配方的配料系统，原料通常为p v c 粉末、p v c 颗粒 四川大学硕士学位论文 料和填充粉的组合；在洗涤剂生产中，配制浆料包括对预先计算好的几种液体 和粉末成分进行配料。在玻璃生产中，主要原材料如砂子、碎玻璃、化学制品 和有色粉末等的配料等等”1 。因此，配料精度的高低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制给予足够重视。 但是由于这些行业工作环境恶劣、灰尘大，电网电压波动大且组分多，生 产线长、控制过程复杂，所以要求配科系统具有控制可靠、配料准确、抗干扰 能力强等特点。目前，我国这些行业装备简陋，大多采用手动或半自动控制， 普遍存在配料称重不准、装料次序混乱、系统可靠性不高等缺陷，这将会影响 产品的质量和特性，也远远不能满足生产的要求。伴随着计算机技术和自动化 技术的迅速发展，人们对生产过程自动化程度的要求也越来越高，目前利用微 型计算机组成的自动化配料系统在建筑、水泥、冶金、建材、化工、医药、玻 璃等诸多行业的应用越来越广泛。这是因为微型机配料控制系统可以按照设定 配比和流量控制各输入物料的瞬时流量，从而达到控制各种产品和产量的目的： 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 。我们可通过设计相应的软硬件来完成修改配方 ( 配比) 、自动去皮、自动累加、自动显示、自动打印等功能。这将能明显地提 高工厂的经济效益和管理的现代化水平。 1 1 2 配料系统的现状 t 1 2 1 从配料系统总体控钢方式分析现状 水泥行业是我国重要的基础产业，随着国民经济的飞速发展水泥行业也 获得了飞速的发展，全国水泥产量# 4 1 9 5 2 年的2 3 6 万吨发展蛩j 1 9 9 9 年的5 4 亿吨， 增长了近1 9 d 倍。早期我国的水泥生产控制非常简单，动力设各的起停与联锁联 动控制用继电器实现，生产过程控制则是非常简单的几块仪表。随着生产工艺 水平的提高、生产规模的扩大及计算机技术的发展，计算机控制系统逐渐在水 泥生产中得到应用，这对于稳定生产过程、提高水泥产量与质量、提高水泥企 业的劳动生产率及经济效益起了十分重要的作用。 我国水泥自动化科技人员早在七十年代中就已经开始研究计算机在水泥 生产过程中的应用由于受当时计算杌技术水平的限制实际工业应用还存在 2 四| l 大学硕士学位论文 很多困难。可以说，七十年代是我国水泥行业计算机控制系统应用的探索阶段， 为下一步计算机控制系统的广泛应用作了很多基础性工作。 进入八十年代，一些国外引进的大型水泥生产线配套了计算机集中控制系 统，如冀东、淮海、宁国、柳州等水泥厂，都配有小型计算机集中检测、控制， 但中控室监控、操作仍以集中仪表盘为主。八十年代后半期，国外引进的大型 水泥生产线开始配套使用集散控制系统( 简称d c s ) ，如顺昌水泥厂等。与此同 时，国内自行设计的水泥生产线也开始采用d c s 控制，但仅仅处于设计、研究阶 段，还没有进入实际运行。八十年代是我国水泥行业计算机控制系统应用的初 级阶段。 九十年代以来，随着计算机技术的迅猛发展，国外弓 进或国内设计的大中 型水泥生产线绝大多数使用了计算机控制系统。如琉璃河、邯郸等水泥厂采用 b a i l e y 公司的n 一9 0 系统；北京、葛洲坝等水泥厂采用了a b b 公司的m a s t e r 系统； 合肥水泥设计研究院牵头完成的国家“八五”攻关项目在江西水泥厂2 0 0 0 t d 生产线上采用了h o n e y w e l l 公司的m i c r ot d c - - 3 0 0 0 系统：铁道部巢湖水泥厂采 用了美国l n 公司的姒x 1 0 0 0 系统。九十年代是我国水泥行业计算机控制系统应 用走向成熟的阶段。 目前，由单片机组成的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”1 。这是因为由单片机构成的配料系统设计电路较为简单、可 靠性高、实时性好、价格便宜。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 总线的工业控制计算机提上了 日程，并且迅速在中国形成热潮，主要是因为工业控制计算机可靠性高，小板 结构，组成系统功能灵活，组态方便，具有小型化、模块化、组合化、标准化 的特点”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，工控杌配料系统较单片机 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 四川大学硕士学位论文 及其测控电路要求较高，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e 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 了两级微机配料控制方式。它是由一台主机和一台从机组成，两个部分通过网 络联结起来j 主机不参与被控对象的直接控制，而是将控制任务交给从机完成。 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。从机与主机( 工业控制计算机) 相连，从而组成两级微机配料系统。这 不仅大大简化线路结构，便于系统制造与安装维护，显著提高系统的性能价格比 和组成灵活性，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， 人机接口更加完善，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，进一步提高了配料系统的可靠性。 1 1 2 2 从配料系统计量方式分析现状 目前，配料系统常用的计量控制设备主要有4 种：调速电子皮带秤；悬臂 式电子皮带秤加上电磁振动给料机；失重秤：料斗秤。前两种配料装置存在着 严重的零点漂移，配料精度低，无法满足水泥配科的要求。失重秤要求安装高 度较高，不利于旧系统改造。料斗秤为水泥配料系统提供了一个比较理想的计 量控制手段，它在工作原理上突破了传统的连续称重设备所采用的动态计量方 式，采用静态称重原理，工作稳定可靠，计量准确度高。 1 2 迭代学习控制技术在国内外的应用水平 1 2 1 迭代学习控制技术在国外的应用 早在2 0 世纪7 0 年代，美国华裔学者傅京孙首次系统地提出了学习控制的 概念叫。从此有关学习控制的研究一直很活跃，先后有大量的学术论文发表， 论文提出了许多具有不同学习结构的控制技术与方案“”，。 迭代学习控制具有拟人的学习过程与特性，类似于人的“循序渐进”的学 习规律，“边学边干”的学习方法。客观上看，迭代学习控制采用“在重复中学 习”的学习策略，它具有记忆系统和经验修正机制。具体来说，迭代学习控制 通过对被控系统进行控制尝试，以输出轨迹与给定理想轨迹的偏差修正不理想 四川大学硕士学位论文 的控制信号，产生新的控制信号，使锝控制系统的实际输出高精度跟踪给定理 想轨迹。这种控制技术以非常简单的方式和需要简单的先验知识处理不确定程 度相当高的动态系统。它有以下显著的特点：( 1 ) 适合于具有某种重复运动( 运 行) 性质的被控对象。( 2 ) 实现完全跟踪。这不同于渐进跟踪。( 3 ) 在不精确已 知( 甚至未知) 被控对象动力学特性的情况下设计控制器。适合于般非线性 控制系统。( 4 ) 在线计算负担小，适合于快速运动控制。( 5 ) 具有记忆功能。在遇 到类似控制任务时，它根据记忆系统中的信息迅速调整控制信号。 迭代学习控制起源于对机器人( a r i m o t o “”) 的研究。经过几十年的发展， 迭代学习控制在机器人领域驭得了很大的应用成果。并且随着迭代学习控制理 论的逐渐成熟，它在越来越多的领域都得到了很好的应用。如g u d 讨论了迭代 学习控制在运输工具中的应用。c h i e n 研究了迭代学习控制在化学处理过程 中的应用“。g e n g 等人将迭代学习控制应用于由三个级联水箱、一个蓄水池、 四个阀门组成的对象很好地解决了水位控制问题”“。p a n d i t 等人将基于优化 技术的迭代学习控制应用于实际工业过程( 铝压机) ，使得产量可以比原先增 长1 0 “。h i m 等人应用迭代学习控制解决有扰动力矩时伺服电机转速的精确 控毒目题”。 1 2 2 迭代学习控制技术在国内的应用 在国内，季利伟将迭代学习控制算注用于混凝土搅拌系统中的动态称量配 料中，用于解决配料过程产生的落差补偿问题，可以将水泥的下料糖度保持在 1 ，有效地解决了配料精度问题“。骆传刚等将迭代学习法应用于机械压力 机滑块位置控制，可以伎位移误差达到0 5 m m “0 3 。赵升吨，宋涛等将迭代学习 法应用于开关式液压阀位置控制，可使送进缸停止位置的误差由原来的5 5 m m 降低为0 8 m m ”“。刘伟，秦伟王蜀霞将迭代学习控制策略应用于液压缸的 同步运动控制，可以使两缸的同步定位误差达到0 0 2 m m ，获得了满意的结果o “。 杨友良等将迭代学习控制应忍于电脑自动加、穗祝上，控制精度高达每百公升 0 i o ，远远高于3 的国标要求。“。李果，张良起，张彭将迭代学习控制应用 于自动汽车速度跟踪问题，以解决汽车纵向动力学中存在的严重非线性和不确 定带来的问题”。 因埘大学硕学位论文 1 2 3 迭代学习控制在水泥生产上的应用 在水泥行业采用迭代学习算法，就目前来说，暂时还比较少。 水泥熟料配料的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，如电振机的振幅、电磁场的干扰、熟料颗粒的大小、潮湿程度、粘稠度等 多种因素的影响。所以系统的模型不能精确得到。 迭代学习控制作为高级的智能控制方法，很有必要结合水泥熟料配料控制 系统，寻找最优的算法，使配料系统的精度尽量提高。 1 3 课题的研究内容 为了解决现有微机配料系统中的一些闷题，以便找到一种更好的检测控制 方法，四川省宜宾宏字水泥厂、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 ) 微机配料控制系统硬件设计与调试； ( 5 ) 微机配料控制系统软件设计与调试： ( 6 ) 迭代学习算法理论在系统中的应用。 四j i i 大学硕士学位论文 2 水泥熟料配料控制系统的总体结构方案设计 2 1 水泥熟料配料工艺 工作过程可简述为：水泥厂将已准备好的各种原材料，分别放入各个原料 库中，料库下端出料口接电磁振动给料机( 即所谓的电振机) 。待校秤完毕后， 系统开始喂料，由电振机控制箱的单向可控硅输出脉；孛电流，使电振机振动喂 料；喂料量的大小可以通过调整可控硅触发导通角来改变。物料经电振机抖动， 进入料斗，斗下面根据所装物料的多少，装有一只或两只精度为万分之三的传 感器，通过该传感器，可准确称出斗内的物料重量和皮重。c p u 根据检测到的 传感器的电信号，确定斗内物料达到设定重量后，通过固态继电器关断电振机 电流，停止喂料。待料斗稳定后，c p u 称出此时物料的静态重量，随后打开料 斗门并开始同步下料，物料通过运输皮带送到下一工序。下完料，c p u 将自动 关闭料斗门，准备进行下一周期的配料。其中，每放完一斗物料，开始新一轮 的配料时，要重新进行测量皮重，并计算落差补偿值，流程图见图2 一l 。其各 部分功能说明如下： 开 图2 - 1 水泥熟料配料流程 电磁振动给科机：在水泥熟料生产工艺中，该设备用于将料仓卒的物料通 过振动从漏斗定量均匀连续地送到称料装置中，下料多少由振幅决定，而振幅 由外部供给电流大小决定。电流越大振幅越大，反之振幅就小。 原料仓：在本系统中我们采用钢制圆形原料仓来储存水泥熟料可以存储 四川大学硕士学位论文 2 吨左右的水泥熟料。 称料斗：是配料中的一个关键环节，所有物料在放料到皮带输送机之前都 要经过称料斗的计量，根据称料斗所反馈的重量信号来控制给料机的给料量的 大小其体积较小，一次可以称量3 0 0 公斤左右，传感器安装在称料斗底部。 称料斗门控制器：料斗门的_ 丌关门装置采用永磁式同步电机带动的糕斗门 控制器，它具体的工作情况是：用电机驱动丝杼旋转，丝抒与旋转的电机柱采 用键连接的方式。通过电机带动丝杆旋转，可以使螺母秆沿着导向套滑动。这 样。与螺母杼紧紧锁在一起的支杆就来回移动，从而起到控制料斗开关门的作 用。料门在物料重力的作用下，有一个被打开的倾向，因此，料门关闭对关门 机构必须有很好的自锁性能，所使用控制器是丝杆螺母结构，具有很好的自锁 性能。 2 2 配料控制系统的组成 水泥熟料配料系统的组成见图2 2 _ 一 h 蕊 翼 是 壁 。 牟 墨 其各部分功能说明如下 圈2 2 配料系统的组成 四川大学硕士学位论文 称重传感器：将非电量( 重量) 转换成电量的转换元件。它是把支承力变换成 电的或其它形式的适合计量求值的信号所用的一种辅助手段。在配料系统称量 中，最常用的仍然是电阻应变式称重传感器。 放大器：完成称重传感器信号放大的作用，可以将由称重传感器送来的0 2 0 m v 信号放大为a d 转换器所能接受的o 5 v 电压信号。 a d 转换器：将模拟信号转换为单片机c p u 所能接受的数字信号，其种类较多， 可以根据具体需要选择相应的转换器。 c p u 单元；0 故障分类报警；手动、自动切换：给料系统的起停控制； 配料相关量( 各通道配比、台时量、配比周期等) 输入；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。 工业控制计算机：( 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。( 3 ) 人机功能：建立软件校秤的参数设 置窗口。查询分为报警信息查询和数据查询。查询条件可分为小时、日、旬、 月、班次、通道号等。查询做到准确、快速。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。( 5 ) 报警功能：若该 系统出现漂移时及时在显示画面上出现报罄信号及校秤提示框；若出现断料、 过料、漏料等情况报警。( 6 ) 保密设麓：对称重的数据进行加密保护，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。 r s 2 3 2 通讯：完成上下位机之间的数据交换。 四川大学硕士学位论文 3 下位机控制系统软硬件设计 3 1 下位机设计目的 3 1 1 微机配料系统类型的选择 目前，国内的微机配料控制系统主要有两种类型： ( - - ) 工业控制计算机配料系统 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板，如a r d 板、d a 板、i t 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。 这种工业控制计算机配料系统特点是”： ( 1 ) 该系统采用计算机集中控制方式，在这种控制系统中，计算机不但完成 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入机对话功能，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 用系统功能要求所必须的软、硬件设置与系统实际具有的软、硬件规模之比。 该比值愈小，系统成本愈商，但二次开发时，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： 塑型奎堂婴主量堡笙苎一一 ( 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，系统调试医难； ( 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钝要求为原 则，因此，系统的软、硬件应用配置比接近于1 ，具有最佳的性能价格比e ( 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。 “) 系统人机界面差，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。 3 1 2 控制系统的确定 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各自的缺点同时又 各具优点。为了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 于两级分布式控制系统的微机配料控制系统。 采用两级分布式控制方式时，系统的下位机一般采用单片机为核心的控制 器，每台控制器直接控制一台秤，实现一路物料的定量给料。系统的上位机一 般采用微型计算机，一般是使用工业控制计算机。一台上位机连接一台或多台 下位机，用于生产线的集中管理。上位机具有数据采集和分类储存的功能，还 可实现人机对话，完成集中监视、集中操作瓤集中管理等多项任务。系统懿上 下位机之间通过r s 一4 8 5 或r s 2 3 2 等串行通讯总线进行信息交换。 3 2 下位机硬件设计 m c s 一5 1 系列单片机在国内的市场占有率最大、成本低、可靠性高、指令 丰富，非常适合作工业控制用，而a 1 r m e l 公司的a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机与m c s - 5 1 系列单片机兼容，且其片内带有8 k b 可f l a s h 编程和擦除的只读存储器 ( e p r o m ) ，具有功能强大、集成度高、使用方便的特点，故在该检测系统中 我们选用了a t 8 9 s 8 2 5 2 来构建单片机测控系统。 就水泥熟料配料控制系统中下位机电气控制系统的总体构成来说可分为 硬件系统和软件系统两大部分。硬件和软件的设计是楣辅相成，不可分割的。 硬件设计在考虑实现系统要求功能的同时，还必须考虑为软件提供尽可能方便 婴型盔兰堡主堂焦堡奎。 而有效的环境，软件设计则应尽可能充分利用硬件环境，灵活高效地实现系统 功能。 下位机电气控制系统的硬件设计主要分为各功能单元模块设计及集成、节 能设计和抗干扰设计三个方面a 一般基于嵌入式计算机系统的自动控制系统要求具有的功能有：键盘接口、 a d ( 或d i a ) 转换单元、数据存储器的扩展、可扩充的输入，输出控制接口和与计 算机通信的串行接口、硬件的简单加密和看门狗的使用等，另外还提供特殊情 况下用于其它功能进一步扩展的可能性。在水泥熟料配料控制系统的设计中， 我们根据系统所要实现的功能以及单片机应用系统构建的自身需要，在功能设 计上将下位机电气控制系统硬件系统分为电源模块、c p u 模块、模数转换模块、 输入，输出接口模块、串口通讯模块五个部分，如图3 1 所示。 称 输信一邀h 邀h 竺1 重 入号模i l 互 传 调放数h 感 零大转广 器 电滤换i 路波 叵 ，单 叵 给料机状态片 机 手动、舀丽 料斗门状态 切换 r s 2 3 2 通讯接口i ： l 一料斗门 图3 1 单片机系统组成 3 2 1 电源单元设计 电源单元是整个电气控制系统的”电髓来源。电源变换i c 芯片是将非稳定交 1 2 四川大学硕士学位论文 流电压变换成稳定直流电压的集成稳压器。集成稳压器按工作方式可分为串联 型稳压器，并联型稳压器及开关稳压器3 种。其中开关型稳压器的效率最高， 可达7 0 以上，但其输出电压纹波最大。 3 端集成稳压器仅有输入端、输出端及公共端3 个引脚。芯片内部设有过 流、过热保护及调整管安全保护电路，其所需外部元件少，使用方便、可靠， 作为稳定电源广泛用于各种电子设备中。 按输出电压是否可调，3 端集成稳压器分为固定输出电压稳压器和输出电 压可调式稳压器2 种。 在输入输出电压共地情况下，按输出电压为正电压和负电压来分，3 端固 定电压稳压器又可分为3 端固定正电压稳压器和3 端固定负电压稳压器2 种”1 。 在本系统中，我们选用3 端固定输出正电压稳压器7 8 0 0 系列和3 端固定输 出负电压稳压器7 9 0 0 系列。具体电路如图3 2 和3 3 所示。 | r i i v ( 2 a ) ；” v引 l 芒 ：y 2 i 净“) | 。y 3 i 删舢i l ； v ， m “ 川 l i i v i i a ii ” 【0 v ” i i l i 1 a l ：y 8 图3 2 变压器电路 图中2 2 0 v 交流电源先通过1 0 a 的保险管f 5 ，再通过火花抑制器h b 9 2 0 3 - - 2 1 ，最后送到变压器的输入端。输出端包括4 组：l i v ( 2 a ) 、1 i v ( i a ) 、 1 6 v ( 1 a ) 和3 6 v ( 1 a ) 。 四j 大学硕士学位论文 一品“3 l il l ir _ 1 ， 觋j鄹 f g l i踏考。| _ 毫 考 云i =焉j ：j ：m 0 0 ， 强。 鬣。 芒i警 五5 1搿 v hv o z 圭。l = l m ，脏n = = c 3 | 圭ji = = 黑：j 【l n l ， t 1u 盟。 蜀。 图3 3 电源电路 来自变压器的交流信号先通过n 型二极管整流，再通过2 2 0 0 u 5 0 v 大电容 滤波，输入端o ，l u f 小电容的作用是改善纹波和抑制输入的羼时过电压，保证 芯片的输入与输出问的电压差不会超过允许值。输出端并联一只2 2 0 u 1 6 v 大容 量电解电容的目韵是减，、输出纹波电压。芯片输入与输出端之间跨接1 个二极 塑型查兰堡圭堂堕笙茎一 管的目的是为输出端大容量电解电容上的电荷的泄放提供了一个分流通路，对 集成稳压器起到了保护作用呻m ”。输出端0 ，i u f 电容起滤波作用、二极管起 保护作用。 3 2 2 称重传感器原理及选择 传感、通讯、计算机技术构成现代信息i o 三_ j c 基础，8 0 年代是个人计算机， 9 0 年代是计算机网络，预计2 1 世纪第个1 0 年热点很可能是传感、执行与检 测。 传感器的作用主要是获取信息，它是信息技术的源头。在信息时代里，随 着各种系统的自动化程度和复杂性的增加，需要获取的信息量越来越多，不仅 对传感器的精度、可靠性和响应要求越来越高，还要求传感器具有标准输出形 式以便和系统联接。显然传统的传感器因其功能差，体积大，很难满足要求。 发展高性能的、以硅材料为主的各种先进传感器已成为必然。如谐振式、电容 式、光电式、和场效应化学传感器等。尽管它们的敏感机理不同，但其总的共 同特点是向微型化、智能化方向发展。1 。 微机配料计量秤是微机配料系统的重要组成部分。使用精度高、性能稳定 的力传感器是计量秤的关键。力传感器通常以应变片为敏感元件。力传感器一 般按检测对象分类，包括加速度传感器、荷重传感器、扭矩传感器，位移传感 器。检测原理有压阻式和压电式之分。 本系统采用称重