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隨著我國飼料工業(yè)的飛速發(fā)展，飼料行業(yè) [1] 的競爭也越來越激烈，雖然飼料配方的研制有了飛速的發(fā)展，但生產(chǎn)廠家卻無法快速準確的生產(chǎn)出高品質的產(chǎn)品，究其原因則是飼料企業(yè)所使用的配料生產(chǎn)系統(tǒng)過于落后，因此，改造現(xiàn)有落后的配料生產(chǎn)系統(tǒng)，使之能精確、快速生產(chǎn)不同配方的飼料已迫在眉睫。

1 配料系統(tǒng)的系統(tǒng)結構及硬件設計

原有的配料系統(tǒng)中存在很多問題[2-3] :1 ）大部分配料系統(tǒng)采用快慢速給料方式，多為單物料工作方式，不能實現(xiàn)連續(xù)配料，生產(chǎn)效率低。 2 ）多采用傳統(tǒng)控制算法更本無法滿足高精度的配料要求。 3 ）大部分配料現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，強度大，粉塵大，對工人的身體造成很大的危害。基于以上要求，新的配料系統(tǒng)必須要滿足以下幾個要求： 1 ） 改善工人的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。 2 ）要適用于多種配方的配料以及連續(xù)配料，具備配方管理功能，可以隨時建立、修改、或刪除配方。 3 ）要實時采集數(shù)據(jù)，并具備記錄，打印，查詢等功能。 4 ）可以實時監(jiān)控連續(xù)生產(chǎn)過程，隨時發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出報警。 5 ）具備存儲功能，顯示歷史數(shù)據(jù)。

基于以上要求，制定出的飼料廠配料系統(tǒng)的結構框圖如圖 1 所示。

本系統(tǒng)采用兩級分布式微機配料控制系統(tǒng)，上位機采用微型計算機，對生產(chǎn)線實現(xiàn)集中管理，通過上位機，可實現(xiàn)人機通訊，實時監(jiān)控生產(chǎn)過程，實時采集數(shù)據(jù)，進行分類存儲，產(chǎn)生各種歷史報表。上位機與下位機采用 RS-232 或 RS-485串行總線進行通訊。 下位機采用以 PLC 為核心的控制器，實現(xiàn)物料的定量給料。

如圖 1 中上位機采用工業(yè)研華工控機，主要完成以下任務： 1 ）人機交互及管理； 2 ）實時監(jiān)控國； 3 ）數(shù)據(jù)存儲及保密；4 ）報警； 5 ）打??； 6 ）通訊。

系統(tǒng)現(xiàn)場控制器采用 S7-200 PLC 控制：由它輸出控制量控制給料系統(tǒng)快慢速給料、給料器的起停、料倉門的開關等等相關控制開關的動作，另外要接受來自上位機發(fā)送的相關配料量，所以它是飼料配比系統(tǒng)的核心控制器件。

變頻器—異步機接受 PLC 發(fā)送的控制指令，調整電磁振動給料機的電機轉速，以實現(xiàn)變速給料。我們選用西門子公司的 MM440 變頻器。

給料器選用電磁振動給料機，根據(jù)頻率變化來控制料速度。

稱重傳感器用于實時測量稱量料斗中物料的重量，考慮到稱重的精度及稱重傳感器量程的選擇，采用 3 個 BHR-4M應變式荷重傳感器并聯(lián)組秤的方式。

稱重采樣接口用于將稱重傳感器的稱重信號濾波、放大、模數(shù)轉換后轉換成數(shù)字信號在送入 CPU 。 它主要包括濾波器、放大器、模 / 數(shù)轉換器及控制命令寄存器等。 其中，放大器采用了超低漂移高精度運算放大器 OP07 。 為了保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度，模 / 數(shù)轉換器采用美國 MAXIM公司推出的模擬數(shù)字轉換器MAX111 芯片，具有 ±14 位的分辨率，不需要外加元件來解決溫漂和時漂的問題， 采用內部校準技術；線性度為 0.05% ，性能較好，可適用于精度要求較高的場合。

電源電路用于將交流電轉化為穩(wěn)定的、并符合一定要求的直流電，它是整個系統(tǒng)的能量來源。

在自動配料系統(tǒng)中，上、 下位機之間的通信方式采用RS-485 。

在飼料生產(chǎn)現(xiàn)場，各種干擾問題十分突出 . 本系統(tǒng)在硬件方面采取了以下幾點抗干擾措施 . 電容濾波、屏蔽傳輸、光電耦合、稱斗排氣、互鎖控制。 所有硬件的設計在滿足系統(tǒng)的必要要求時還必須兼顧到軟件的設計，使得軟硬件的設計讓整個系統(tǒng)取得最好的性價比。

2 軟件設計

系統(tǒng)軟件包括上位機軟件設計和下位機軟件的設計。上位機軟件包括系統(tǒng)監(jiān)控軟件和控制界面的設計，下位機包括PLC 編程、數(shù)據(jù)采集、軟件濾波等軟件抗干擾技術的應用。 整個系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計，方便使用、維護，從而提高整個控制系統(tǒng)的控制及管理性能。

下位機軟件設計主要考慮稱重信號的實時采集、傳輸、處理，各種開關量信號、控制量及時準確地傳送。 所以軟件設計要考慮 PLC 控制程序的編寫，數(shù)據(jù)采集以及相應的軟件抗干擾技術。 由于篇幅有限下面主要給出整個配料軟件流程圖如圖 2 所示。

上位機操作系統(tǒng)選用 windows xp ， 數(shù)據(jù)庫選用 access 2003 ，監(jiān)控軟件采用組態(tài)王（ KingView ），對現(xiàn)場進行實時監(jiān)控。 包括主監(jiān)控畫面設計、用戶加密設置、生產(chǎn)批次設置等，并通過組態(tài)軟件實現(xiàn)上下位機的通信。采用 VB6.0 實現(xiàn)控制軟件設計，以良好的人機界面形式主要完成配方管理、配料批次設置、配料秤管理以及其他設備管理。

3 提高配比精度的控制算法

該配料系統(tǒng)采用變頻器控制電磁振動給料器的給料速度，物料通過給料器采用進料式倒入稱重料斗中，當給料設備停止動作后的一瞬間，空中還有一部分物料沒有落入稱量料斗，這部分物料成為落差，落差的大小隨物料的特性不同而不同，這就造成最終的測量重量與設定值不符，這也是配料誤差產(chǎn)生的最主的原因也是最難消除的。通過對配料系統(tǒng)分析建立數(shù)學模型如下：

上式中， G 為物料重量， n 為給料器頻率， K 為采樣次數(shù)，T 為采樣的周期。

模型中涉及到的參數(shù)比如料斗的直徑、高度、給料器的參數(shù)都可實測，但物料的容重中即空中料柱單位體積的重量則無法確定，會隨溫度、濕度及物料的不同而不同，故采用傳統(tǒng) PID 控制無法達到高精度的要求，文中采用在 PID 控制的基礎上引入蟻群算法 [5]，蟻群算法是根據(jù)仿生進化算法提出的一種源于大自然生物世界的仿生類算法，在很多尋優(yōu)問題上得到很好的結果，具有良好的魯棒性，算法靈活，很容易應用于其他能被表達為在圖表上尋優(yōu)的問題上，故可將 PID 控制的 3 個參數(shù) KP 、 Ti 及 Td 用圖表的形式表示， 通過蟻群算法尋優(yōu)來動態(tài)調節(jié)控制參數(shù)，步驟如下：

1 ）先要將 KP 、 Ti 及 Td 這 3 個有待優(yōu)化的參數(shù)用圖表的形式表示，用 5 位有效數(shù)字去表示每一個參數(shù)，其中小數(shù)點后有 4 位，小數(shù)點前有一位，最簡單的圖表形式就是用坐標軸來表示，為每只螞蟻設一個數(shù)組，該數(shù)組有 15 個元素，代表該螞蟻走過的縱坐標的數(shù)值。 令時間 t=0 和迭代次數(shù) N=0 ， τ0 =0 。

2 ） 將 m 個螞蟻置于各自的初始化區(qū)域， 并將該點放至tabuk 中，每個螞蟻按照式（ 2 ）所示轉移概率移動。

3 ） tabu k 是否滿，是繼續(xù)往下，否轉第（ 2 ）步

4 ）記錄各螞蟻的目標函數(shù) J K （ j=1，2 …… m ），并記錄 PID控制器最優(yōu)解。

5 ）按式（ 3 ）所給出的螞蟻信息素更新規(guī)則進行更新。

τij（ t+n）=（1-ρ）·τij（t）+Δτij （3）

6 ）循環(huán)次數(shù) Ni+1 。

7 ）若 Ni 小于預定迭代次數(shù)則轉向第 2 步。

8 ）輸出 PID 控制最優(yōu)解。

其中，目標函數(shù) J K 要能體現(xiàn)被控系統(tǒng)的性能，控制系統(tǒng)的性能好壞體現(xiàn)在穩(wěn)、準、快上，所以在著我們就用系統(tǒng)單位階躍響應時的穩(wěn)態(tài)誤差 e ss ，上升時間 t r 以及調整時間 t s ，作為衡量標準，構建目標函數(shù)，根據(jù)譚冠政等人在 2004 年的相關研究結果[2]，目標函數(shù)為式（ 4 ）：

J K =κ0（e ss /e ss0 ）+κr（t r / t r0）+κs（t s /t s0） （ 4 ）

上式中，κ0、 κr、 κs 為各項指標的加權系數(shù)， 通常可為 0.5 、0.1 、 0.3 ， e ss0、 t r0、 t r0為采用 Z-N 法得到的系統(tǒng)性能指標。

4 系統(tǒng)仿真結果

我們采用 MATLAB 軟件工具箱 Simulink ，根據(jù)式（ 8 ）對配料系統(tǒng)進行仿真后按上述步驟尋優(yōu)在實驗中，蟻群算法的參數(shù)選擇是非常重要的，根據(jù)相關研究取參數(shù) [6] α=2 ， ρ 在 0.5~0.9 之間， m=5 ， Q=100 ， 尋優(yōu)終止條件為兩次最優(yōu)結果小于0.001 ，初始信息素 τ 0 =0 ，為驗證蟻群算法的適應性，采用不同的物料容重進行測試：

1 ）取參數(shù) α=2 ， ρ=0.8 ， m=5 ， Q=100 ， ψ=200 kg/m 3 ，設定值為 100 kg 時，迭代次數(shù)為 7 ，實際值與給定值相差0.02 kg ，達到很高的控制精度。 如圖 3 中曲線（ 1 ）所示。

2 ）但當比重增大 10% 即 ψ=220 kg/m 3 時，迭代次數(shù)增大為 10 ，實際值與給定值相差0.03 ，控制精度仍然很高，但迭代次數(shù)增加了 3 次，配料速度有所降低，如圖3 中曲線（ 2 ）所示。

3 ）而當比重增大 50% 時，迭代次數(shù)需要 20 次，控制精度略有下降但仍然在允許范圍內，只是系統(tǒng)快速性及實時性得不到保證，這也證明了蟻群算法具有適應性，即螞蟻在覓食過程中如果途中出現(xiàn)障礙物也能重新找到最優(yōu)路徑，只是尋優(yōu)時間會增長，如圖 3 中曲線（ 3 ）所示。

4 ）當取 α=3 ， ρ=0.6 ，迭代次數(shù)為 10 時，配料精度可以控制在 ±0.2 kg 以內，達到配方要求。 此時算法具有較好的適應性，能在比重發(fā)生變化的情況下找到最優(yōu)解。 如圖 3 中曲線（ 4 ）所示。

5 結 論

該設計目前已順利通過測試并投產(chǎn)使用，運行數(shù)月來配料過程中稱量誤差最大為 0.2 kg ，最小為 0 ，達到預期效果，該廠自從改造后， 不僅配料精度得到提高， 產(chǎn)量亦提高了80% ，整個配料系統(tǒng)人員由原來的8 人減少為 2 人，降低了生產(chǎn)成本，工人也不用長時間工作在噪聲大、粉塵大的生產(chǎn)現(xiàn)場。 該系統(tǒng)設計雖然針對飼料的配比，但其自動稱重過程適用于多種配料場合，比如冶金、陶瓷、醫(yī)藥、建材等等，也可以適用于各種包裝生產(chǎn)線上，均可達到較好的控制效果。

 

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