目前称重配料系统在饲料、食品、添加剂、制药、建材等生产行业广泛应用, 所谓称重配料, 即将若干种原料按一定重量比例混合起来。近年来, 饲料生产行业的竞争日趋激烈, 称重配料系统是整个饲料生产工艺的核心, 稳定并提高产品质量和产量是饲料生产发展的主要目标。基于这个目标开发的适用于饲料生产的称重配料系统必须具有高速、高性能、高精度、高可靠稳定性等特点, 而其生产工艺决定了整个生产过程需要动态连续或间歇性动态连续进行。称重配料控制器是称重配料系统的核心, 出于成本、抗干扰及性能扩展等因素考虑, 一般采用基于单片机系统开发的称重配料控制器。本文介绍的称重配料控制器是基于美国Cygnal 公司生产的高速高性能C8051F005 单片机设计开发的新型称重配料控制器[ 1] 。在称重配料控制器中与8051 全兼容的C8051F005 单片机的使用, 使系统扩展电路及芯片大大减少, 系统再扩成为可能, 线路简单化, 便于维护, 并且有利于提高系统的稳定性和可靠性[ 2] 。本文着重对应用于饲料生产的称重配料系统的控制策略进行研究, 同时就该称重配料控制器的软硬件技术特点和实现关键进行应用性探讨。
1 饲料生产工艺简介
1. 1 投料
饲料生产原料一般从各投料口投入, 按产品要求, 部分原料需先期进行粉碎、预混合等加工, 由刮板机和提升机, 通过分配器把各配料原料投放到规定的配料仓中。为了加强投料口原料的计量管理, 在送入配料仓前可安装定量秤( 或流量秤) 进行计量。
1. 2 配料
这是整个饲料生产的中心环节。由称重配料控制器、吊装式秤体及高精度称重传感器共同组成的称重配料系统的核心部分, 与喂料绞龙、气动( 或电动) 开关门装置、混合机等其它设备配合使用完成整个称重配料过程。
1. 3 出料
从混合机出来的混合粉料, 按产品要求, 部分直接到打包秤定量打包出品; 还有一部分进入制粒工段, 进行制粒加工, 随后也进入颗粒成品仓, 再由打包秤定量打包出品。
2 称重配料系统的主要控制策略
2. 1 控制方案
为了提高配料精度, 首先必须选用高精度、高性能称重传感器。配料时物料从喂料绞龙出口落入秤体, 秤体重量变化经由支承秤体的称重传感器转变为相应的毫伏电压信号变化量, 输入C8051F005 单片机后经放大、A/ D 转换成数字量, MCU 对该数字量进行数字滤波处理并与设定值比较, 确定该种物料的当前配料情况, 并决定下一步的喂料方式。使用变频调速器可实现无级调速喂料, 在本称重配料控制器中, 从实用及方便的角度出发, 配方中每种物料的配料过程采用三级喂料速度: 开始用高速喂料, 以缩短配料时间; 通过中速喂料来调整喂料步伐; 再经慢速喂料( 或喂料电机点动) 达到配料精度。
至于当前物料剩余配料量到多少进入相应的喂料速度为宜, 需要考虑物料的密度等因素进行设置并根据现场实测作出调整, 这与整个配料时间密切相关, 为了降低生产成本, 提高单位时间产量, 其设置及调整的目标就是保证配料精度, 尽可能缩短配料时间[ 3] 。为了实现这个目标, 除考虑喂料绞龙设计及电机配置等因素外, 一方面可运用变频调速器的的调速功能, 在刚开始配料时, 采用高速喂料, 若同一物料有多个配料仓, 可多个喂料绞龙同时喂料, 到适当时候进入单喂料绞龙的三级喂料速度方式; 另一方面选择最佳的当前物料剩余配料量到多少进入相应的喂料速度的设置值, 在保证配料精度前提下尽可能缩短慢速及中速喂料时间, 特别是慢速喂料时间; 另外还需对整个配料系统的秤开门时间、混合机混合时间、混合机开门时间、配两种物料之间的切换等待时间等进行合理的设置, 在保证质量和生产正常的前提下, 应尽可能减少所有等待时间。
2. 2 空中落差的计算
能否真正实现高精度配料主要取决于慢速喂料阶段的软件处理, 特别是空中落差处理, 这是称重配料系统软件设计的关键。所谓空中落差是指当某一物料喂料绞龙停止喂料时, 还有一部分在空中待落入秤体的物料。一般情况下, 同一物料配料仓基本固定, 即对应的喂料绞龙及电机不变, 而同一物料慢速喂料停止前喂料电机转速、喂料绞龙内物料填充度等因素基本相同, 故对同一物料来讲其空中落差也是基本相同的。空中落差与物料的密度密切相关。
假设喂料绞龙口到秤体内物料平面的平均高度为H ( m) , 喂料速度为U(m/ s) = K 0f ( f 为变频调速器的输出频率) , 喂料绞龙内径为d (m) , 喂料绞龙内物料的填充系数为Q0 , 空气阻力为物料重量的K 1 倍, 料的密度为C( kg/ m3) 。则物料从喂料绞龙口下落到秤体所需的时间T 为: T = 2H Þ ( 1- K 1) g ( 1)进而可推得喂料绞龙停止喂料后空中落差重量值$W 为:
$W = UTQ0 CPd 2 Þ 4 = K 0f Q0CPd2 2H ( 1- K 1) g Þ 4( 1 - K 1) g ( 2)
从( 2) 式可以看出, 空中落差重量值$W 与高度H , 绞龙内径d , 喂料速度U , 物料的密度C有关,在整个称重配料系统中, 由于喂料绞龙和秤体的位置已经固定, 即H , d 是常量, 在配料过程中, 慢加料速度也是不变的, 即U = K 0f 是常量, 而Q0, P, K 1, g 均是常数, 因此, 空中落差重量值$W 仅与物料的密度C成正比关系。
2. 3 空中落差的在线补偿算法
在实际配料生产过程中, 空中落差值还受喂料绞龙出口到秤体实际下落位置间的高度变化、喂料绞龙喂料速度波动等不确定因素的影响, 故需对空中落差值进行在线测量:
$Wi, k = Wi , k - Wi 0, k ( 3)
( 3) 式说明在配第k 批料中, Wi 0, k 为配第i 种物料喂料绞龙停止时刻的重量值, Wi, k 为配第i 种物料完成并经延时后的重量值。采用有限记忆估计空中落差修正值:$W^= $W^
i, k- 1 + [ $Wi , k - $Wi , k- N ] Þ N ( 4)
( 4) 式中N 为一个正整数。该递推估计算法的传递函数为:
G( z ) = ( 1- z- N ) Þ N ( 1- z- 1) ( 5)
( 5) 式所表示传递函数的频率特性为一低通滤波器。因此在称重配料过程中, 空中落差的修正正是利用空中落差修正后的重量估计值作为期望值同实际重量值相比较:W ^i , k = Wi , k - $W^i, k- 1 ( 6)
( 6) 式中W^i , k 为第i 种物料配料过程中的采样值。
2. 4 空中落差的处理
处理空中落差的原则是提前关闭喂料绞龙。配第一批料时各物料的提前量根据不同物料通过具体配料实践摸索得到的空中落差的经验值进行设置, 配后一批料时根据前一批料中各种物料的配料误差情况, 进行实时地、动态地在线调整空中落差值。
在实际应用中, 需在线递推辨识空中落差与喂料速度的变化率, 从而实现对空中落差进行自适应修正, 在每次生产结束时, 将各物料空中落差的最终估计值( 可能是最佳值) 保存, 以提供下一次同一配料仓同一物料配第一批料时作为提前量的经验值使用。
在整个配料过程中, 由于喂料绞龙出料口到物料在秤体的实际下落位置之间的高度存在波动, 并对空中落差产生一定的影响, 为了最大限度降低该影响, 一般情况下, 采用某一批料中大比例物料先配小比例物料后配的配料顺序。
3 称重配料系统的主要软硬件技术特点及实现关键
3. 1 自动配料过程的软件实现
自动配料过程的流程如下: 首先称重配料控制器确认秤体中无料且秤门已关, 根据配方, 由称重配料控制器控制喂料绞龙及变频调速器先后对各配料仓中的原料进行定量喂料; 等一批料配完后, 检查混合机, 确认无上一批料且门已关后, 开秤门卸料, 延时并确认料已卸完, 关好秤门继续配下一批料。同时开始混合延时计时, 混合时间一到, 开门放料, 由刮板机和提升机把混合料运到成品仓, 开门延时一到, 关闭混合机门, 从秤体中卸下第二批料, 继续开始混合。这样周而复始, 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过料仓和秤体添加的物料, 如微量料或油脂等, 可由称重配料控制器在开秤门时发出通知, 由人工、气动或电动装置直接投入混合机) 。
由于饲料配方包含物料品种较多, 同时考虑到配料精度及生产工艺, 一般情况下, 根据物料在整个配方中的重量比例, 分别在主( 大秤) 、副( 小秤) 称重配料系统中完成配料( 投料时即要求定向投放, 大比例料在大秤, 小比例料在小秤) , 大秤和小秤之间建立联锁关系, 卸料后进入同一混合机完成混合。
3. 2 称重传感器的连接
在本文介绍的称重配料系统中, 秤体采用柱状吊装式结构, 为了使秤体平衡一般配置三只拉式称重传感器吊装。而同一型号的称重传感器在相同的重量下的毫伏电压输出值与供桥电压有关。为了得到相同重量下的相同的毫伏输出, 需给三只传感器分别提供可调整的高精度供桥电压, 克服物料从喂料绞龙下落到秤体的不均衡性, 使物料处于秤体的任何位置, 均得到相同的毫伏电压信号, 并把各称重传感器的毫伏输出进行串联连接。
3. 3 开关量输出驱动的实现
饲料生产现场环境恶劣, 干扰源多, 为了增强系统抗干扰能力并提高系统可靠性, 在开关量输出驱动中采用专门设计的光电耦合隔离技术: 一级光电耦合采用TLP521 芯片, 二级使用光电耦合无触点可控硅触发芯片MOC3063, 直接输出控制可控硅驱动接触器。
4 结束语
本文通过对饲料生产称重配料系统的控制策略的研究, 特别是对配料过程中的空中落差的研究, 推出了实现该控制策略的高性能称重配料控制器, 针对饲料生产工艺, 进行合理、可靠的软硬件设计, 既具有高性能的自动配料控制功能, 也具有完善的人工手动配料功能; 同时具有打印报表、贮存配方等一般管理功能, 在饲料厂可单独使用, 也可与计算机配合使用, 建立通讯, 进一步增强管理功能; 另外在硬件设计中, 充分考虑系统的可扩展性, 只要稍加修改就可以应用于其它行业的称重配料系统, 因此该称重配料控制器具有较高的性价比, 值得继续研究并加以推广应用。

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