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目前稱(chēng)重配料系統(tǒng)在飼料、食品、添加劑、制藥、建材等生產(chǎn)行業(yè)廣泛應(yīng)用, 所謂稱(chēng)重配料, 即將若干種原料按一定重量比例混合起來(lái)。近年來(lái), 飼料生產(chǎn)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈, 稱(chēng)重配料系統(tǒng)是整個(gè)飼料生產(chǎn)工藝的核心, 穩(wěn)定并提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量是飼料生產(chǎn)發(fā)展的主要目標(biāo)?；谶@個(gè)目標(biāo)開(kāi)發(fā)的適用于飼料生產(chǎn)的稱(chēng)重配料系統(tǒng)必須具有高速、高性能、高精度、高可靠穩(wěn)定性等特點(diǎn), 而其生產(chǎn)工藝決定了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程需要?jiǎng)討B(tài)連續(xù)或間歇性動(dòng)態(tài)連續(xù)進(jìn)行。稱(chēng)重配料控制器是稱(chēng)重配料系統(tǒng)的核心, 出于成本、抗干擾及性能擴(kuò)展等因素考慮, 一般采用基于單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的稱(chēng)重配料控制器。本文介紹的稱(chēng)重配料控制器是基于美國(guó)Cygnal 公司生產(chǎn)的高速高性能C8051F005 單片機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的新型稱(chēng)重配料控制器[ 1] 。在稱(chēng)重配料控制器中與8051 全兼容的C8051F005 單片機(jī)的使用, 使系統(tǒng)擴(kuò)展電路及芯片大大減少, 系統(tǒng)再擴(kuò)成為可能, 線(xiàn)路簡(jiǎn)單化, 便于維護(hù), 并且有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[ 2] 。本文著重對(duì)應(yīng)用于飼料生產(chǎn)的稱(chēng)重配料系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行研究, 同時(shí)就該稱(chēng)重配料控制器的軟硬件技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵進(jìn)行應(yīng)用性探討。
1 飼料生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介
1. 1 投料
飼料生產(chǎn)原料一般從各投料口投入, 按產(chǎn)品要求, 部分原料需先期進(jìn)行粉碎、預(yù)混合等加工, 由刮板機(jī)和提升機(jī), 通過(guò)分配器把各配料原料投放到規(guī)定的配料倉(cāng)中。為了加強(qiáng)投料口原料的計(jì)量管理, 在送入配料倉(cāng)前可安裝定量秤( 或流量秤) 進(jìn)行計(jì)量。
1. 2 配料
這是整個(gè)飼料生產(chǎn)的中心環(huán)節(jié)。由稱(chēng)重配料控制器、吊裝式秤體及高精度稱(chēng)重傳感器共同組成的稱(chēng)重配料系統(tǒng)的核心部分, 與喂料絞龍、氣動(dòng)( 或電動(dòng)) 開(kāi)關(guān)門(mén)裝置、混合機(jī)等其它設(shè)備配合使用完成整個(gè)稱(chēng)重配料過(guò)程。
1. 3 出料
從混合機(jī)出來(lái)的混合粉料, 按產(chǎn)品要求, 部分直接到打包秤定量打包出品; 還有一部分進(jìn)入制粒工段, 進(jìn)行制粒加工, 隨后也進(jìn)入顆粒成品倉(cāng), 再由打包秤定量打包出品。
2 稱(chēng)重配料系統(tǒng)的主要控制策略
2. 1 控制方案
為了提高配料精度, 首先必須選用高精度、高性能稱(chēng)重傳感器。配料時(shí)物料從喂料絞龍出口落入秤體, 秤體重量變化經(jīng)由支承秤體的稱(chēng)重傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的毫伏電壓信號(hào)變化量, 輸入C8051F005 單片機(jī)后經(jīng)放大、A/ D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量, MCU 對(duì)該數(shù)字量進(jìn)行數(shù)字濾波處理并與設(shè)定值比較, 確定該種物料的當(dāng)前配料情況, 并決定下一步的喂料方式。使用變頻調(diào)速器可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速喂料, 在本稱(chēng)重配料控制器中, 從實(shí)用及方便的角度出發(fā), 配方中每種物料的配料過(guò)程采用三級(jí)喂料速度: 開(kāi)始用高速喂料, 以縮短配料時(shí)間; 通過(guò)中速喂料來(lái)調(diào)整喂料步伐; 再經(jīng)慢速喂料( 或喂料電機(jī)點(diǎn)動(dòng)) 達(dá)到配料精度。
至于當(dāng)前物料剩余配料量到多少進(jìn)入相應(yīng)的喂料速度為宜, 需要考慮物料的密度等因素進(jìn)行設(shè)置并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)作出調(diào)整, 這與整個(gè)配料時(shí)間密切相關(guān), 為了降低生產(chǎn)成本, 提高單位時(shí)間產(chǎn)量, 其設(shè)置及調(diào)整的目標(biāo)就是保證配料精度, 盡可能縮短配料時(shí)間[ 3] 。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo), 除考慮喂料絞龍?jiān)O(shè)計(jì)及電機(jī)配置等因素外, 一方面可運(yùn)用變頻調(diào)速器的的調(diào)速功能, 在剛開(kāi)始配料時(shí), 采用高速喂料, 若同一物料有多個(gè)配料倉(cāng), 可多個(gè)喂料絞龍同時(shí)喂料, 到適當(dāng)時(shí)候進(jìn)入單喂料絞龍的三級(jí)喂料速度方式; 另一方面選擇最佳的當(dāng)前物料剩余配料量到多少進(jìn)入相應(yīng)的喂料速度的設(shè)置值, 在保證配料精度前提下盡可能縮短慢速及中速喂料時(shí)間, 特別是慢速喂料時(shí)間; 另外還需對(duì)整個(gè)配料系統(tǒng)的秤開(kāi)門(mén)時(shí)間、混合機(jī)混合時(shí)間、混合機(jī)開(kāi)門(mén)時(shí)間、配兩種物料之間的切換等待時(shí)間等進(jìn)行合理的設(shè)置, 在保證質(zhì)量和生產(chǎn)正常的前提下, 應(yīng)盡可能減少所有等待時(shí)間。
2. 2 空中落差的計(jì)算
能否真正實(shí)現(xiàn)高精度配料主要取決于慢速喂料階段的軟件處理, 特別是空中落差處理, 這是稱(chēng)重配料系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。所謂空中落差是指當(dāng)某一物料喂料絞龍停止喂料時(shí), 還有一部分在空中待落入秤體的物料。一般情況下, 同一物料配料倉(cāng)基本固定, 即對(duì)應(yīng)的喂料絞龍及電機(jī)不變, 而同一物料慢速喂料停止前喂料電機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料絞龍內(nèi)物料填充度等因素基本相同, 故對(duì)同一物料來(lái)講其空中落差也是基本相同的。空中落差與物料的密度密切相關(guān)。
假設(shè)喂料絞龍口到秤體內(nèi)物料平面的平均高度為H ( m) , 喂料速度為U(m/ s) = K 0f ( f 為變頻調(diào)速器的輸出頻率) , 喂料絞龍內(nèi)徑為d (m) , 喂料絞龍內(nèi)物料的填充系數(shù)為Q0 , 空氣阻力為物料重量的K 1 倍, 料的密度為C( kg/ m3) 。則物料從喂料絞龍口下落到秤體所需的時(shí)間T 為: T = 2H Þ ( 1- K 1) g ( 1)進(jìn)而可推得喂料絞龍停止喂料后空中落差重量值$W 為:
$W = UTQ0 CPd 2 Þ 4 = K 0f Q0CPd2 2H ( 1- K 1) g Þ 4( 1 - K 1) g ( 2)
從( 2) 式可以看出, 空中落差重量值$W 與高度H , 絞龍內(nèi)徑d , 喂料速度U , 物料的密度C有關(guān),在整個(gè)稱(chēng)重配料系統(tǒng)中, 由于喂料絞龍和秤體的位置已經(jīng)固定, 即H , d 是常量, 在配料過(guò)程中, 慢加料速度也是不變的, 即U = K 0f 是常量, 而Q0, P, K 1, g 均是常數(shù), 因此, 空中落差重量值$W 僅與物料的密度C成正比關(guān)系。
2. 3 空中落差的在線(xiàn)補(bǔ)償算法
在實(shí)際配料生產(chǎn)過(guò)程中, 空中落差值還受喂料絞龍出口到秤體實(shí)際下落位置間的高度變化、喂料絞龍喂料速度波動(dòng)等不確定因素的影響, 故需對(duì)空中落差值進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量:
$Wi, k = Wi , k - Wi 0, k ( 3)
( 3) 式說(shuō)明在配第k 批料中, Wi 0, k 為配第i 種物料喂料絞龍停止時(shí)刻的重量值, Wi, k 為配第i 種物料完成并經(jīng)延時(shí)后的重量值。采用有限記憶估計(jì)空中落差修正值:$W^= $W^
i, k- 1 + [ $Wi , k - $Wi , k- N ] Þ N ( 4)
( 4) 式中N 為一個(gè)正整數(shù)。該遞推估計(jì)算法的傳遞函數(shù)為:
G( z ) = ( 1- z- N ) Þ N ( 1- z- 1) ( 5)
( 5) 式所表示傳遞函數(shù)的頻率特性為一低通濾波器。因此在稱(chēng)重配料過(guò)程中, 空中落差的修正正是利用空中落差修正后的重量估計(jì)值作為期望值同實(shí)際重量值相比較:W ^i , k = Wi , k - $W^i, k- 1 ( 6)
( 6) 式中W^i , k 為第i 種物料配料過(guò)程中的采樣值。
2. 4 空中落差的處理
處理空中落差的原則是提前關(guān)閉喂料絞龍。配第一批料時(shí)各物料的提前量根據(jù)不同物料通過(guò)具體配料實(shí)踐摸索得到的空中落差的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)置, 配后一批料時(shí)根據(jù)前一批料中各種物料的配料誤差情況, 進(jìn)行實(shí)時(shí)地、動(dòng)態(tài)地在線(xiàn)調(diào)整空中落差值。
在實(shí)際應(yīng)用中, 需在線(xiàn)遞推辨識(shí)空中落差與喂料速度的變化率, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空中落差進(jìn)行自適應(yīng)修正, 在每次生產(chǎn)結(jié)束時(shí), 將各物料空中落差的最終估計(jì)值( 可能是最佳值) 保存, 以提供下一次同一配料倉(cāng)同一物料配第一批料時(shí)作為提前量的經(jīng)驗(yàn)值使用。
在整個(gè)配料過(guò)程中, 由于喂料絞龍出料口到物料在秤體的實(shí)際下落位置之間的高度存在波動(dòng), 并對(duì)空中落差產(chǎn)生一定的影響, 為了最大限度降低該影響, 一般情況下, 采用某一批料中大比例物料先配小比例物料后配的配料順序。
3 稱(chēng)重配料系統(tǒng)的主要軟硬件技術(shù)特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵
3. 1 自動(dòng)配料過(guò)程的軟件實(shí)現(xiàn)
自動(dòng)配料過(guò)程的流程如下: 首先稱(chēng)重配料控制器確認(rèn)秤體中無(wú)料且秤門(mén)已關(guān), 根據(jù)配方, 由稱(chēng)重配料控制器控制喂料絞龍及變頻調(diào)速器先后對(duì)各配料倉(cāng)中的原料進(jìn)行定量喂料; 等一批料配完后, 檢查混合機(jī), 確認(rèn)無(wú)上一批料且門(mén)已關(guān)后, 開(kāi)秤門(mén)卸料, 延時(shí)并確認(rèn)料已卸完, 關(guān)好秤門(mén)繼續(xù)配下一批料。同時(shí)開(kāi)始混合延時(shí)計(jì)時(shí), 混合時(shí)間一到, 開(kāi)門(mén)放料, 由刮板機(jī)和提升機(jī)把混合料運(yùn)到成品倉(cāng), 開(kāi)門(mén)延時(shí)一到, 關(guān)閉混合機(jī)門(mén), 從秤體中卸下第二批料, 繼續(xù)開(kāi)始混合。這樣周而復(fù)始, 直到完成了某一配方配料的全部批次。( 有些配方需加入不宜通過(guò)料倉(cāng)和秤體添加的物料, 如微量料或油脂等, 可由稱(chēng)重配料控制器在開(kāi)秤門(mén)時(shí)發(fā)出通知, 由人工、氣動(dòng)或電動(dòng)裝置直接投入混合機(jī)) 。
由于飼料配方包含物料品種較多, 同時(shí)考慮到配料精度及生產(chǎn)工藝, 一般情況下, 根據(jù)物料在整個(gè)配方中的重量比例, 分別在主( 大秤) 、副( 小秤) 稱(chēng)重配料系統(tǒng)中完成配料( 投料時(shí)即要求定向投放, 大比例料在大秤, 小比例料在小秤) , 大秤和小秤之間建立聯(lián)鎖關(guān)系, 卸料后進(jìn)入同一混合機(jī)完成混合。
3. 2 稱(chēng)重傳感器的連接
在本文介紹的稱(chēng)重配料系統(tǒng)中, 秤體采用柱狀吊裝式結(jié)構(gòu), 為了使秤體平衡一般配置三只拉式稱(chēng)重傳感器吊裝。而同一型號(hào)的稱(chēng)重傳感器在相同的重量下的毫伏電壓輸出值與供橋電壓有關(guān)。為了得到相同重量下的相同的毫伏輸出, 需給三只傳感器分別提供可調(diào)整的高精度供橋電壓, 克服物料從喂料絞龍下落到秤體的不均衡性, 使物料處于秤體的任何位置, 均得到相同的毫伏電壓信號(hào), 并把各稱(chēng)重傳感器的毫伏輸出進(jìn)行串聯(lián)連接。
3. 3 開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
飼料生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣, 干擾源多, 為了增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力并提高系統(tǒng)可靠性, 在開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)中采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的光電耦合隔離技術(shù): 一級(jí)光電耦合采用TLP521 芯片, 二級(jí)使用光電耦合無(wú)觸點(diǎn)可控硅觸發(fā)芯片MOC3063, 直接輸出控制可控硅驅(qū)動(dòng)接觸器。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)飼料生產(chǎn)稱(chēng)重配料系統(tǒng)的控制策略的研究, 特別是對(duì)配料過(guò)程中的空中落差的研究, 推出了實(shí)現(xiàn)該控制策略的高性能稱(chēng)重配料控制器, 針對(duì)飼料生產(chǎn)工藝, 進(jìn)行合理、可靠的軟硬件設(shè)計(jì), 既具有高性能的自動(dòng)配料控制功能, 也具有完善的人工手動(dòng)配料功能; 同時(shí)具有打印報(bào)表、貯存配方等一般管理功能, 在飼料廠(chǎng)可單獨(dú)使用, 也可與計(jì)算機(jī)配合使用, 建立通訊, 進(jìn)一步增強(qiáng)管理功能; 另外在硬件設(shè)計(jì)中, 充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性, 只要稍加修改就可以應(yīng)用于其它行業(yè)的稱(chēng)重配料系統(tǒng), 因此該稱(chēng)重配料控制器具有較高的性?xún)r(jià)比, 值得繼續(xù)研究并加以推廣應(yīng)用。

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