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配料控制器的應(yīng)用要求。
帶式輸送機(jī)廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、碼頭、化工等行業(yè)，能夠自動(dòng)輸送散裝固體原料，特別適用于高溫、高海拔和有害環(huán)境。皮帶秤作為測(cè)量和控制帶式輸送機(jī)物料流量的實(shí)時(shí)控制器，能夠準(zhǔn)確測(cè)量物料流量，保證配料比例準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。單片機(jī)控制的配料秤功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是電子配料秤的發(fā)展方向。
動(dòng)態(tài)配料計(jì)量控制原理。
皮帶物流的動(dòng)態(tài)測(cè)量是在物料輸送過(guò)程中連續(xù)自動(dòng)完成的。為了測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)皮帶物流的累計(jì)重量(或位移)，可以采用兩種方法:累計(jì)法或積分法。
堆積法的稱(chēng)重計(jì)量原理是:物料通過(guò)圖1所示的稱(chēng)重計(jì)量段時(shí)，輸送帶運(yùn)行距離L=kl(k為稱(chēng)重托輥數(shù)，此處k=3)時(shí)，稱(chēng)重傳感器的力Fm測(cè)量一次，并累計(jì)。在一段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)傳送帶運(yùn)行nl距離時(shí)，這段時(shí)間內(nèi)物料的累計(jì)重量。
實(shí)際上，這種累加方法只用于純機(jī)械皮帶秤的稱(chēng)重測(cè)量，其精度并不令人滿(mǎn)意。目前廣泛采用的是積分法。
配料系統(tǒng)的硬件組成。
1個(gè)負(fù)載傳感器。
用于測(cè)量傳送帶上的瞬時(shí)重量。使用應(yīng)變式負(fù)載傳感器，將重量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，并通過(guò)電阻應(yīng)變儀將其轉(zhuǎn)換成與其成比例的電壓信號(hào)。該方法具有靈敏度高、線(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)。
2速度傳感器。
用于測(cè)量傳送帶的速度。設(shè)置滾輪與皮帶接觸，并與皮帶同步轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪的另一端連接光電齒盤(pán)，將滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)，輸入單片機(jī)。
3單片機(jī)。
單片機(jī)選用洪晶科技生產(chǎn)的STC89c58rd+，是新一代8位單片機(jī)，具有超強(qiáng)的抗干擾能力，高速低功耗。
4A模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
AD轉(zhuǎn)換器AD7799，AD7799是美國(guó)某公司的3通道24位δ2∑ADC，適用于高精度工業(yè)級(jí)轉(zhuǎn)換。其特點(diǎn)是:均方根噪聲極低；功耗低；內(nèi)置增益為12128的低噪聲可編程稱(chēng)重儀表放大器；內(nèi)置自校準(zhǔn)電路；50Hz和60Hz同步陷波器，消除50Hz和60Hz電源干擾；內(nèi)置時(shí)鐘振蕩器節(jié)省外部晶體振蕩器。
5稱(chēng)重顯示器和鍵盤(pán)。
顯示部分分為兩部分，一部分是128×64低功耗位圖形式的LCD模塊，用于選擇參數(shù)和實(shí)現(xiàn)功能；第二，保留常用的7位數(shù)碼管，可以動(dòng)態(tài)醒目的顯示參數(shù)。鍵盤(pán)使用軟膜觸摸鍵盤(pán)。
6D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
Ad5664用作數(shù)模轉(zhuǎn)換器，這是一款16位四數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用3mm×3mm10引腳LFCSP(引腳架構(gòu)芯片級(jí)封裝)超小型封裝。
配料控制器稱(chēng)重模塊。
稱(chēng)重模塊包括激勵(lì)電源、傳感器、稱(chēng)重儀表放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
為了提高測(cè)試精度，采用六線(xiàn)制進(jìn)行長(zhǎng)線(xiàn)測(cè)量[3]。即在原有四線(xiàn)制的基礎(chǔ)上，增加兩條電纜作為供電橋電壓的反饋，連接到ADC的參考電壓端，如圖3所示。激勵(lì)電壓的漂移會(huì)引起輸出信號(hào)的相應(yīng)漂移。在六線(xiàn)系統(tǒng)中，ADC輸入信號(hào)和基準(zhǔn)來(lái)自同一個(gè)激勵(lì)源。如果測(cè)量不變，ADC的數(shù)字輸出不會(huì)隨著電橋激勵(lì)電壓的漂移而變化。因此，在沒(méi)有精確穩(wěn)定的參考源的情況下，可以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。
AD模塊。
典型傳感器的靈敏度一般為2mV/V..對(duì)于這種傳感器，當(dāng)受到728伏電壓激勵(lì)時(shí)，最大輸出為16毫伏。但為了保證線(xiàn)性電壓輸出，一般只用最大輸出范圍的2/3，一般為10mV。LCD上顯示的叫做外碼。為了保證外碼的準(zhǔn)確性，通常需要更高數(shù)量級(jí)的內(nèi)碼作為保證[4]。例如，一些標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)重儀器需要一個(gè)外部代碼，內(nèi)部代碼是20倍。因此，顯示分辨率為1:10000的高端稱(chēng)重儀器需要1:200000的內(nèi)部代碼分辨率。當(dāng)增益設(shè)置為100時(shí)，ADC的輸入范圍為1000mV。如果參考電壓為215V，這意味著只使用了ADC動(dòng)態(tài)范圍的1/3左右。如果1000mV需要1:200，000內(nèi)碼，那么ADC的分辨率可以達(dá)到1:600，000，需要l9204~~20位的精度。
AD7799是美國(guó)某公司的3通道24位δ2∑ADC，適合高精度工業(yè)轉(zhuǎn)換。
配料儀的精度主要取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇對(duì)決定儀器性能至關(guān)重要。AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不僅決定了采集電路可以轉(zhuǎn)換的模擬電壓的動(dòng)態(tài)范圍，而且很大程度上影響了測(cè)試電路的轉(zhuǎn)換精度。AD7799的有效分辨率為23位，峰值分辨率為15位(增益=1，轉(zhuǎn)換速率為4117Hz)。
轉(zhuǎn)化率:在確定AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化率時(shí)，要考慮系統(tǒng)的采樣率，AD7799可以達(dá)到4117~470Hz。
范圍，輸入信號(hào)的最小值從零開(kāi)始或從非零開(kāi)始。AD7799的絕對(duì)輸入電壓為(gnd+100mv)~(avdd210mv)(增益=1，帶輸入緩沖器)。
線(xiàn)性度，ADC實(shí)際傳遞函數(shù)與理想直線(xiàn)的最大偏差，AD7799的非線(xiàn)性度為0.0015%。其他參數(shù)可以在某公司的規(guī)格中找到。
比例儀表放大器
批處理儀表放大器是一種放大輸入差分信號(hào)電壓并抑制兩個(gè)輸入端共模信號(hào)的放大器。在一般的采樣系統(tǒng)中，信號(hào)在進(jìn)入ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，必須經(jīng)過(guò)放大器放大。放大器的功能如下:
l)過(guò)去大多數(shù)ADC的模擬輸入電壓范圍在110V之間，而大多數(shù)模擬轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)相對(duì)較小，因此放大器是最基本的外圍模擬電路之一。
2)共模抑制功能:在模數(shù)轉(zhuǎn)換前對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，抑制噪聲。
3)阻抗變換功能。有些ADC的模擬輸入端輸入電阻比較小，而模擬信號(hào)源的內(nèi)阻往往比較大，因此需要選擇高輸入低輸出阻抗的放大器。
A1和A2運(yùn)算放大器緩沖輸入電壓。整個(gè)差分輸入電壓出現(xiàn)在電阻Rg兩端，因此可以通過(guò)并聯(lián)電阻Rg來(lái)調(diào)整差分增益，但共模增益和誤差不會(huì)增加，即差分信號(hào)將與增益成比例增加，但共模誤差不會(huì)增加。電阻網(wǎng)絡(luò)集成在配料儀表放大器的芯片中。一旦這個(gè)減法器電路的增益由比值匹配電阻設(shè)置，那么在改變?cè)鲆骐娮鑂g時(shí)就不需要電阻匹配，也就不存在電阻匹配問(wèn)題。INA131就是這樣一種批量?jī)x表放大器。傳遞函數(shù)見(jiàn)下式，無(wú)外部增益電阻時(shí)放大倍數(shù)為100.057。
INA131是一個(gè)雙功率放大器，因此當(dāng)它連接到單功率電路時(shí)，必須在Ref端連接到適當(dāng)?shù)钠秒妷骸?Vin+-Vin-)最大為20mV時(shí)，(Vout2VRef)為2V，Ref為215v，Vout最大為415V，滿(mǎn)足ADC的輸入要求。同時(shí)，Vout和Vref連接到ADC的IN+和IN-端，形成全差分輸入。此外，在信號(hào)進(jìn)入儀表放大器之前，需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的RC或LC濾波。
配料控制器的測(cè)速模塊。
根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量轉(zhuǎn)速有三種方法:
1)測(cè)量指定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)，得到測(cè)量速度，稱(chēng)為m法測(cè)速；
2)測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間來(lái)測(cè)量速度，稱(chēng)為T(mén)法測(cè)速；
3)通過(guò)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和脈沖發(fā)生器同時(shí)發(fā)出的脈沖數(shù)來(lái)測(cè)量速度，稱(chēng)為M/T法[5]。
以上三種測(cè)速方法中，M法適合測(cè)量更高的速度，可以獲得更高的分辨率；t法適用于低速測(cè)量，此時(shí)可以獲得較高的分辨率；M/T規(guī)則適用于高速和低速測(cè)量，測(cè)量精度高。因此，通常采用M/T法進(jìn)行測(cè)速。
M/T法是指在測(cè)速過(guò)程中，不僅測(cè)速傳感器的脈沖數(shù)m1同時(shí)測(cè)量，高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)m2也同時(shí)測(cè)量。關(guān)鍵是要使測(cè)量時(shí)間始終等于速度傳感器m1脈沖信號(hào)的周期之和。

具體實(shí)現(xiàn)方法如下:將速度傳感器的脈沖輸出整形濾波后，通過(guò)光耦引至單片機(jī)外部中斷0的輸入端。INT0采用下降沿觸發(fā)方式，速度傳感器的脈沖數(shù)m1由外部中斷0測(cè)量，高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)m2由定時(shí)器T2測(cè)量。在INT0的中斷服務(wù)程序中，記錄速度傳感器的脈沖數(shù)m1，同時(shí)記錄T2的初始值和最終值。在T2的中斷服務(wù)程序中，記錄T2的溢出次數(shù)。
動(dòng)態(tài)配料控制系統(tǒng)。
傳送帶上方有一個(gè)進(jìn)料盤(pán)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)傳送帶移動(dòng)時(shí)，材料隨傳送帶一起傳送。傳送帶由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。速度傳感器輸出信號(hào)的頻率與輸送帶的速度成正比，稱(chēng)重傳感器輸出的電壓信號(hào)與輸送帶上的物料成正比。輸送帶配料控制器接收速度信號(hào)和重量信號(hào)，通過(guò)計(jì)算獲得輸送帶上物料的瞬時(shí)流量，并將瞬時(shí)流量與配料控制器中的設(shè)定流量值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)后輸出0~10mA或4~20mA的電流信號(hào)，從而調(diào)節(jié)進(jìn)料盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使物料流量盡可能穩(wěn)定在設(shè)定值附近，具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。
理論上配料控制器要求每時(shí)每刻配料準(zhǔn)確，但實(shí)際過(guò)程中通常會(huì)有一些緩沖環(huán)節(jié)，比如攪拌機(jī)、攪拌機(jī)、料倉(cāng)等。，這會(huì)沖淡配料的不均勻性，從而降低高瞬時(shí)精度的意義。此外，根據(jù)配料控制執(zhí)行器和被控對(duì)象的特點(diǎn)，累計(jì)量的控制比瞬時(shí)量的控制容易。因此，只要控制一定時(shí)間間隔內(nèi)的物料累計(jì)量δt，就足以滿(mǎn)足工藝比的要求。
本文提出了一種級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)配料控制方案，如圖7所示。主回路控制累積偏差，輔助回路控制物料的瞬時(shí)流量。原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)PID算法對(duì)物料瞬時(shí)流量的偏差校正一次，而不是對(duì)累計(jì)偏差校正n次(n=δt/t，其中t為采樣周期)，大大提高了調(diào)整質(zhì)量[6]。
結(jié)束語(yǔ)。
介紹了動(dòng)態(tài)配料控制器的原理和設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)介紹了控制器的稱(chēng)重模塊、測(cè)速模塊和自動(dòng)配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入試用階段。實(shí)踐證明，該稱(chēng)重配料儀取得了良好的效果，使用方便，性能穩(wěn)定，可靠性高，計(jì)量精度和配料精度高。

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