1、绪论
1.1课题背景及其意义
电子皮带秤是工业生产过程中对皮带传送的散装固体物料进行连续称量的计量设备，在科学技术日益发展的今天也随之日益改进，不仅要求称量准确，在冶金、煤炭、化工、烟草、水泥等行业中还要求称量过程能大幅度提高生产效率。原料在输送中进行动态连续称量的同时还要在输送中对流量进行调节、控制，以达到准确的配比。
本设计主要针对的是皮带秤配料系统中配料这一环节，因为配料的质量如果达不到要求，一是会浪费原材料，二是影响生产的顺利进行，重则影响和生产效率，在某些重要生产岗位上，配料失误甚至会酿成事故。可见配料精度与配料速度影响着整个生产的质量和产量，所以要对配料过程的质量和有足够的重视。
皮带秤有如下几个特点：
(l)皮带秤的计量对象是连续流动的物料可以显示物料的瞬时流量和在某一段时间内的累计流量。
(2)皮带秤是在皮带运行中进行测量，所以测量的稳定性很重要。当物料多少不等、皮带轻重不均匀和上下跳动以及皮带速度发生变化时，皮带秤应有较好的适应能力。
(3)由于传送皮带速度大多在1～2m/s左右，故皮带秤必须具有较高的响应速度。
现实中，许多皮带秤的控制精度并不很理想，易发生故障，在复杂的生产工艺中不能适应一些恶虐的环境。所以仅仅是传统的PID控制是不能实现良好的调节效果的。鉴于此状况，需要设计技术更为先进，更合理有效的设计方案。
本课题设计的电子皮带秤自动配料系统能有效解决动态计量衡器的控制精度问题。可以完全替代原有的陈旧设备，应用模糊控制使得系统具有优良的性能，就配料系统而言，配料坏节采用模糊控制后，可以提高配料速度及质量，也降低了工人的劳动强度。从更深的角度去说，是为企业创收，为国家经济发展做出贡献。
1.2系统工作现状及工艺难点问题
1.2.1皮带秤配料系统的现场结构组成
配料系统的结构组成中有4个称重单元，每个单元有料仓、给料电机、皮带秤组成。这是一种使用最为广泛的皮带秤配料系统，也是最简单最基本的结构形式。
煤炭、化工、水泥等行业中的配料系统是要把多种原料按照一定的配比混合到一起。本设计研究的是4种原料的混合。系统共设有4个给料仓，每个给料仓通过各自的给料电机来控制给料速度，进而调节给料量。电机的调速方式有多种，在第二章中分析了电机的调速方式。物料到达皮带秤后，由皮带秤测量原料的瞬时流量以及累计流量等数据送入控制器去控制执行器。每个料仓的下料最后到达主皮带，混合后再送入下一级。
1.2.2一般的控制方案
目前各行业中使用的电子皮带秤的生产厂家也比较多，一些厂家采用的是用基于单片机的PID调节，这样的配料系统控制精度不高，可靠性也不高。而一些大型厂家的皮带秤配料系统则是基于PID调节器和WINDOWS平台的。系统中的传感器将测量到的信号送到称重仪表，皮带秤仪表将接收到的重量信号和速度信号经积算后以4～20mA模拟电流的形式送至PID调节器，PID调节器根据测量的瞬时流量值与设定流量值的偏差，进行比较运算后通过变频器去调整电机的转速，以达到稳定瞬时流量的目的。如果需要改变流量或者配比时就可以直接在调节器上操作，操作起来简单方便快捷。
1.2.3现有配料系统的难点问题
对于现有皮带秤要想使系统稳定，受到干扰时有好的调节品质，而且要求稳、准、快。那么就需要满足以下几个条件：
第一，物料出量要与给料机的控制电机转速成正比。
第二，皮带秤系统结构要稳定，由实践总结出一些共同的结构性质，对调节对象的动态特性有影响的性质有：容量系数、阻力、传递距离。容量系数大，对象抵抗扰动的能力强，被调量在受扰动后变化慢，呈现较大惯性。反之，容量系数小，被调量变化快，惯性小；调节对象的阻力或大或小，例如，物料在下料时会遇到仓壁或阀门等给它的阻力，所以阻力也是调节对象的一种结构性质；物料在运送过程中有一定的传送距离，从而有一定的传递时间，这也是控制的难点。
第三，PID的三个参数的设置要合理。
只有这些条件都满足，而且他们之间相互配合，才可以获得令人满意的控制效果，调节器才可以稳定快速的运行。
当然在这些条件中系统自身结构的稳定是最基本的，只有在这个前提下，才能去设置合理的PID控制参数，传统的PID控制对参数固定的系统有好的调节品质，因为它的参数整定是按照阶跃响应的过渡过程去整定的。所以理想中可以做到无误差。但是，实际生产中不可能做到像上述描述中的那么理想，实际电子皮带秤自动配料系统的控制精度会受到如下多个因素的影响。
首先是物料物理特性的影响，物料的粒度、湿度、温度会因为外界因素的变化而变化，这样给料设备无法正常工作供料。比如物料在气温低或者湿度大时会出现结块的情况，从而影响给料设备的给料，应该采取一些保护措施。保证物料不结块、结球，粒度保持一致，水分适中，流动性好。这样才能达到控制准确度指标。湿度的影响一般在皮带受潮最初的巧分钟之内能及时的调整零点，可以消除，当湿度变化剧烈时，此影响要引起重视。
第二是设备机械震动和设备安装的影响，皮带传输物料时机械振动会造成瞬时流量不稳定，要尽量避免机械振动对系统控制精度的影响。安装时要尽量避免周围输送设备的振动。给料设备的安装要严格按照要求，否则会把设备安装精度的误差转化为给料量的误差，使系统控制精度降低。
另外还有料仓形状的影响，料仓的形状有多种，要选择适合物料下放的形状及内壁材料，防止“悬料”现象的发生。
综合以上的影响，物料瞬时流量的测量误差会较大，再加上系统工作时工艺现场受其它外界的干扰，比如仪表附近的大功率变频器、电磁波的干扰、电机的频繁启停等现场情况，都使系统计量准确度和配料精度降低。通常只是工作人员根据多年的工作经验人工给出粗略的PID参数。使系统在一个较宽范围内控制。还需解决的问题有:电机调速方式的选择;传感器的选择;系统抗干扰能力的提高;管理软件的设计;系统调试等问题。
1.3本设计解决的问题及主要内容
本设计要解决的问题是物料在皮带传送过程中的控制精度问题，基于考虑上节提到的配料系统现存的难点及影响系统控制的诸多因素，本设一计主要在配料环节中采用模糊PID控制，即综合模糊控制技术和传统PID控制。本设计的主要内容是结合皮带秤的现状及实际工艺中遇到的难点问题给出自己的设计方案。在保证系统称量精度及控制精度的前提下，选择合理的软硬件配置。从而提高系统的总体设计方案。通过系统分析结合配料系统的现场实际工作情况，由模糊控制技术的理论，给出模糊控制结构框图。根据模糊控制器的设计步骤，设计出与传统PID相结合的模糊PID控制器。解决了皮带秤配料系统的控制及误差调节问题，从而提高配料系统的配料速度及精度。最后通过仿真看出，引入模糊控制后，在系统受到干扰出现偏差时调节效果很好。解决了原配料系统有较大的误差，动态特性不理想，超调量较大时的控制精度及配料速度问题，大大提高了系统的计量精度和配料速度。
为了保证整个控制系统的可靠性，选用研华工控机作为上位机，内装四端口串行扩展卡。工控机与4台称重配料仪表采用RS232通讯协议。上位机软件在Windows环境下，采用汇编语言编写，实现全汉化用户界面。程序由生产监控、系统设置、物料设置、客户管理、任务管理和配方管理及各种统计报表等模块组成，具有界面友好、操作简便、功能强大等特点。使整个系统实现了白动化，节省了劳动力，提高了生产效率。
本论文第二章阐述了皮带秤配料系统的总体结构设计:第三章是具体分析模糊PID控制器的设计过程;第四章是控制系统电气部分的具体实现;第五章用MATLAB软件对模糊PID控制进行仿真。
2、皮带秤配料系统工作原理及总体设计方案
皮带秤配料系统中配料皮带秤作为在线测量的动态称量衡器，有着重要的作用，目前已广泛用于冶金、煤炭、烟草、化工、建材等行业中，是集输送、称量、配料于一体的设备。皮带秤仪表除了显示瞬时流量和累积流量外，还能根据由接线盒传过来的数据与给定值的偏差来控制给料机的给料，从而保证瞬时流量的恒定。这样就构成了一个闭环控制系统。
2.1皮带秤配料系统组成及工作原理
2.1.1皮带秤配料系统组成
配料皮带秤系统由三大部分组成，分别是料斗、给料设备和皮带秤。
简要介绍一下各部分的功能：
1、料斗
料斗主要将物料通过给料设备送至配料皮带秤。料斗一般用普通薄钢板或镀锌薄板冲压或焊接而成。输送磨损性强的物料时料斗的边缘常用折边，卷入钢丝和附加衬板加强，以防止快速磨损。为了防止料斗内聚集和沉附物料，前后壁多做成圆弧连接，略带斜角。安装时，也要注意位置距离要合适，避免下料时对皮带秤的冲力。
2、给料设备
皮带秤配料系统是通过给料设备把物料送入下一级的，给料速度决定了物料流量，给料速度又是通过调速电机去控制的。在调速配料方式中由配料皮带秤本身代替，而在恒速配料和双调速配料方式中给料设备是一个独立设备。给料设备也是形式多样，有电磁振动给料式、圆盘给料式、密封叶轮给料式、螺旋给料式等，对于粘性和含有少量水分的粒状物料可以选择电磁振动给料式或者圆盘给料式;对于干燥的细粉末状物料可以选择密封叶轮给料式或者螺旋给料式。实际当中要根据物料的特性进行选择，而且设备要可以接收上一级的4～20mA(或1～5V)模拟信号。在本设计中，针对物料的物理特性选择的是电磁振动给料式给料设备。
另外，对给料设备的基本要求是：
l)应能保证一定的给料量，便于随时调节其给料量；
2)给料量的准确度应能满足生产工艺的要求；
3)应满足生产过程中其它工艺要求，如自动计量、自动控制等；
4)给料设备应结构简单、紧凑、工作可靠、便于维护。
3、配料皮带秤(机械部分和电气部分)
配料皮带秤机械部分由秤架和皮带传输组成，其中秤架是皮带秤的荷重承受和重力传递装置，按照外部特性进行分类，秤架可以分为多托辊式、单托辊式和悬臂式三种。配料皮带秤电气部分由称重传感器、测速传感器、称重仪表和调速电机等部分组成。各部分的工作情况是:当料仓中的物料由给料设备投入到配料皮带上，物料随皮带运行到达称量点时，由称重传感器A将物料的重量转化为电信号，由测速传感器B将皮带的速度值转化为电信号，信号经过接线盒D进行汇总后送入称重仪表E，仪表再对采集到的信号进行相应的运算、处理，最后转化为瞬时流量和累积流量。与此同时称重仪表输出一个标准的控制信号到调速电机来调节给料速度，使物料流量保持稳定，最终可以使系统的配比更为准确。
2.1.2皮带秤工作原理
皮带秤的计量对象是连续流动的物料，可以显示物料的瞬时流量和在某一段时间内的累计流量。皮带秤是在皮带运行中进行测量，所以测量的稳定性很重要。当物料多少不等、皮带轻重不均匀和上下跳动以及皮带速度发生变化时，皮带秤应有较好的适应能力。所以皮带秤的主要特点是连续、自动地称重。
如果测单位长度的瞬时流量，一段距离的物料重量，或在一段时间和一段距离的累积重量。这些量的计算可采用积分法和累加法两种方法进行计算。在本设计中采用积分法表示一段时间的累积流量。电子皮带秤输送物料时，物料的瞬时流量为：qxv(kg/s)，其中q(kg/m)为皮带上单位长度的载重，v(m/s)为同一时刻皮带运行的速度。但是实际中，单位长度的载重与物料本身特性有关，可能出现不均匀的情况。
皮带秤是按照力学中的悬索原理工作的，皮带的力平衡关系介于弹性静不定和柔性悬索之间，因为皮带的横向能力小，更接近于悬索状态，所以皮带秤的计量是以线分布密度代替体分布，按流量进行测量的。
2.2配料皮带秤工作方式
配料皮带秤是装有皮带秤整个称量装置的皮带输送机，其中给料设备是调节物料多少的，按照给料设备调速方式的不同，配料皮带秤有以下几种工作方式：
2.2.1拖料式配料方式
拖料式配料的皮带秤指的是无专用的给料机，仅用皮带机调速方式的配料皮带秤。所以也称作调速配料方式。配料皮带秤直接安装在进料斗的下方，以拖料的方式从进料斗中拖出物料。这样可调速的皮带机既完成物料的称量任务，又完成物料量多少的调节任务，所以在拖料皮带秤这种工作方式中，严格地讲，不能称为无给料机，只是无专用的给料机，给料机的功能由配料皮带秤的皮带机顺带完成。
拖料式配料方式优点：1)无专有给料机，系统结构简单，设备投资省；2)节省电能消耗；3)皮带上的物料负荷不随物料量的多少而变，对物料称量精确度和控制精确度的提高有好处;的系统无滞后，电机速度一变化，给料量也随之改变，控制精确度高。拖料式配料方式缺点：1)是进料仓直接在皮带秤的皮带机上，入料时对皮带的张力大；2)没有专用的给料机，所以调零、更换皮带较难操作；3)对于干粉状和粘性较大的物料不适用;所以对于湿度适中、流动性能较好的物料系统可以采用这种工作方式。
2.2.2恒速配料方式
恒速式配料指的是给料机调速、皮带机恒速方式的配料皮带科。
给料机调速可以完成物料量多少的调节任务，而皮带机不可调速则皮带上的物料负荷随物料量的多少而变。早期的配料皮带秤采用这种方式的较多。
恒速式配料的优点是：1)进料斗与配料皮带秤之间有专用给料机，便于皮带秤的调零、更换皮带等操作。2)计量准确度高，可靠性好，应用范围较广。
缺点是：1)有专用给料机，投资较大；2)皮带上的物料负荷随物料量的多少而变对物料称量精确度有影响。所以对于配料控制精度要求不高，流量设定值变化范围小的物料系统适用恒速式配料方式。
2.2.3双调速式配料方式
双调速式配料皮带秤指的是给料机、皮带机均调速方式的配料皮带秤。给料机调速是为了改变物料给料量，皮带机调速是为了使皮带上的物料负荷始终保持稳定。双调速有两种方式:一是给料机、皮带机同步调速，即采用机械方法，由一台变频器同步带动给料机与皮带机的电机;二是由两台变频器分别带动给料机与皮带机的电机。同步调速方式多了机械装置，但省了一台变频器，总的来说节省了投资;两台变频器调速多用了一台变频器，投资虽然增加了一点，但调整更加灵活，适应物料量设定的变化范围更大，目前绝大多数应用都采用两台变频器分别带动给料机与皮带机电机的调速方式。
双调速式配料方式优点是：1)皮带上的物料负荷不随物料量的多少而变，可提高物料称量精确度；2)有专用给料机，便于皮带秤的调零、更换皮带等操作。双调速式配料方式缺点是：系统构成较为复杂，有两台设备需要调速，投资最高。所以对于配料精确度要求高、流量设定值变化范围大的配料系统适用双调速配料方式。
总之，在实际当中采用哪种配料方式，要视具体情况确定，要根据控制准确度、系统可靠性、投资大小等方面的因素综合考虑。由于本设计中配料系统是用于煤焦配比，要求系统可靠性好，计量准确度高，综合多方面考虑所以选择拖料式配料方式。
2.3皮带秤配料系统总体设计
该设计的配料系统是由4台皮带秤组成。该系统主要由配料电子皮带秤、仪表控制柜、动力控制柜、变频器柜、低压开关柜、现场操作盘、工业控制微型计算机(以下简称工控机)、及监控管理软件几部分组成。
l)配料电子皮带秤
配料电子皮带秤具有运输和计量两种功能，对经过皮带的物料进行自动地连续地称量和累积。称重部分采用电阻应变式工作原理，多托辊杠杆式结构，实际工作时，通过调节上级给料设备的给料速度来改变物料流量，此种皮带秤大多用于企业内部生产工艺的控制。
2)仪表控制柜
仪表控制柜由4台称重仪表组成。每台称重仪表接受来自各个称重传感器的重量毫伏信号和来自测速传感器的带速脉冲信号，计算出瞬时流量和累计量，并将流量信号以4～20mA模拟电流的形式送给工控机，工控机将流量信号与设定值比较后，根据一定的控制规则输出4～20mA调节信号，去控制现场给料设备的转速，从而构成单机闭环系统，达到控制某种物料流量的目的。称重仪表通过RS-485通讯接口与工控机进行通讯。
3)动力控制柜
动力控制柜是动力部分的中央控制部件，里边安装有电流表、控制按钮、指示灯、可编程控制器(以下称PLC)及电机保护电路。用于监控现场皮带机的运行;对现场皮带机和给料设备的启停进行控制;指示电机运行状态;联锁控制及打滑跑偏报警等。其中PLC通过RS-232通讯接口与工控机进行通讯。
4)变频器柜
柜中的变频器，接收动力控制柜的开关信号控制上级给料电机的启停，同时也接收来自工控机的4～20mA调节信号，通过改变输出动力电源的频率，从而控制现场4台给料设备的转速。
5)低压开关柜
低压开关柜内配置有开关、电压表、电流表、断路器、隔离变压器等器件，为系统各部分和配煤系统动力部分提供电源，同时检测动力电源部分的线电流和相间电压。
6)现场操作盘
本设计的皮带秤配煤系统电机的现场控制部件，装有控制按钮、指示灯，可以在设备旁对现场皮带机和给料设备的启停进行控制，指示可编程逻辑控制器PLC对电机的命令状态。
7)工控机及监控软件
工控机主机选用研华IPC-610型14架装式工业PC机箱，配置
PCA-6179L全长CPU卡、512M内存、80G硬盘、一个PCL-746+四端口RS232/422/485通讯接口卡、2个pCI-1720U型4通路隔离模拟量输出卡(设置为4～20mA模拟量输出)。
工控机作为上位机，通过RS485双向通讯接口与称重仪表进行通讯，通过RS232双向通协接口与动力控制柜中的PLC进行通讯，输出模拟信号控制给料设备的给料流量，进而构成了完整的配料系统。工控机另外留有一个RS485双向通讯接口，以备用。
监控软件的界面采用菜单方式，用户可以通过鼠标或键盘进行操作，使用非常方便，对整个配料系统进行主要是根据生产配方和产量要求对称重过程进行自动控制，对称重数据进行统计管理。
6、总结
皮带秤配料系统目前还大都采用传统PID进行调节，本设计中将模糊控制理论应用到PID控制中，采用模糊PID控制器和传统PID相结合，当偏差较大时采用模糊控制，当偏差减小到较小范围时采用传统PID控制方式。二种控制方式由Bang-Bang开关进行切换。这样系统受到大的干扰时也会有比较理想的调节效果。
首先，对现有的皮带秤配料系统进行分析，找出其优点及难点所在。根据配料系统具体的工艺要求进行深入分析，给出一套合理有效的结构设计。并且对系统中的重要器件传感器进行选择。在对系统结构充分设计的基础上，设计出模糊尸z。控制器对系统进行实时调节，通过查找模糊查询表来对3个参数进行在线调整，以满足不同e和ec对3个参数的不同要求。
对现场的配料设备采用PLC协调控制，控制程序可变，使用方便，功能强适用广，编程简单，容易掌握，维护方便，可靠性更高。
另外直接利用MATLAB中Simulink图形化工具平台对配料秤仪表中采用的模糊PID控制算法进行了仿真。
但也有一些不足之处，那就是虽然在MATLAB环境下进行仿真效果很好，能更好的适应瞬时流量的变化。但是理论和实际有些脱节，还没有真正应用到配料系统实际当中。所以还有待进一步的改进。

本文源于网络转载，如有侵权，请联系删除