混凝土攪拌配料控制系統(tǒng)

摘要：在分析、研究日本公司的CB920、美國托利多的Panth 以及長沙建設(shè)電子的PLC- 3 的基礎(chǔ)上，提出了一種新型螺旋加料動態(tài)定量稱重控制方法。該方法基于自校正預(yù)測控制算法，較好地解決了動態(tài)定量稱重過程中精度和速度的矛盾。從系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、控制策略及軟件設(shè)計策略三方面論述了4 通道混凝土攪拌配料控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：配料控制系統(tǒng)；螺旋加料；自校正預(yù)測控制算法；軟件抗干擾

中圖分類號：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

　　我國自60 年代開始研制混凝土攪拌站，主要用于水利工程。80 年代中期開始生產(chǎn)小型混凝土攪拌站，用于工業(yè)與民用建筑工程。90 年代后我國的攪拌站技術(shù)發(fā)展很快?，F(xiàn)今國內(nèi)配料攪拌控制器大多是單通道，如果要對水泥、泥沙、水、外添加劑進(jìn)行同時稱量，需要4 個控制盒，通過上微機(jī)協(xié)調(diào)控制，顯然這種狀況制約了組建大型攪拌站。研制的WY2006 采用高速SOC C8051F 系列單片機(jī)及多任務(wù)分時復(fù)用方法，有效地把4 個盒子集成為一個盒子。WY2006 采用了高精度多路模擬開關(guān)，有效地把四路放大濾波保護(hù)電路縮減為一路，減小了體積和制作成本。目前在國內(nèi)動態(tài)定量配料行業(yè)存在動態(tài)精度與速度不能兩全的狀況。該系統(tǒng)采用自校正預(yù)測控制算法較好地解決了這個問題。

1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)實物簡介

　　小型混凝土配料攪拌控制系統(tǒng)由九個料倉、四個稱量斗、16 個壓力傳感器、一臺攪拌機(jī)、一個WY2006 攪拌控制器、一臺上位機(jī)、一臺微型打印機(jī)、一些避雷器、中間繼電器等。小型攪拌站實物簡圖如圖1。如果是大型商用攪拌站，一臺上位機(jī)能監(jiān)控幾臺WY2006，組成集散控制系統(tǒng)（DCS）。

1.2 WY2006 硬件結(jié)構(gòu)簡介

　　控制盒WY2006 采用三片高速SOC 分級控制：C8051F020、C8051F350、C8051F320。WY2006 的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

C8051F020 是主控制芯片，它通過UART 口與C8051F350 和C8051F320 通信，它才是系統(tǒng)的決策者。C8051F350 是模擬信號采集部分的副控，內(nèi)置了24 位Σ- ΔADC。C8051F320 控制實時時鐘、AT45DB081、232 轉(zhuǎn)換芯片、485 轉(zhuǎn)換芯片。并且C8051F320 內(nèi)置了USB2.0 轉(zhuǎn)換芯片可直接接USB接口，不需外擴(kuò)其它外圍電路，做成的USB 口可以高速（12Mb/s）或低速（1.5Mb/s）運行。采用多片單片機(jī)分級控制是有許多好處的，比如：可以減少程序的嵌套、提高系統(tǒng)的實時性、系統(tǒng)調(diào)試方便。

　　控制盒的設(shè)計難點是模擬信號處理部分，它由高精度模擬開關(guān)、儀用放大器、巴特沃滋濾波器、帶AD 的單片機(jī)等組成。這部分電路如圖3。由于模擬信號比較微弱，為（0~20）mV，因此，使用一般的模擬開關(guān)（例如：CD4051 等）恐怕無法勝任，必須選用高精度模擬開關(guān)作為微弱信號的切換芯片將4 路差分信號通過時分復(fù)用的手段轉(zhuǎn)換成1 路差分信號送入INA131 儀用放大器放大100 倍，然后通過一個OP07 組成的巴特沃滋濾波器，將信號通頻帶限制在大約30Hz 以下。最后，通過帶高精度AD 的單片機(jī)C8051F350，將模擬信號變換成數(shù)字信號，然后單片機(jī)直接就對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后將優(yōu)選數(shù)據(jù)送給主控單片機(jī)芯片，同時，此單片機(jī)肩負(fù)著切換模擬開關(guān)的任務(wù)。

2 稱重控制策略的研究

　　國內(nèi)定量配料、定量包裝中缺少先進(jìn)的螺旋加料動態(tài)定量稱重控制方法，所以動態(tài)精度低，速度慢。在一些不能快速在線準(zhǔn)確稱重的行業(yè)中，為防止因重量不足而失去信譽(yù)，不得不采用稍微超重稱重裝料的方法。本文在研制水泥動態(tài)定量稱重配料中，通過分析螺旋加料動態(tài)在線定量稱重過程，給出了一種新型雙速變徑變距螺旋加料動態(tài)定量稱重控制方法。該方法采用“先快后慢、最后點動”的控制方式，較好地解決了動態(tài)定量稱重過程中精度和速度的矛盾。理論和實驗的研究表明，該方法對動態(tài)在線定量配料方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。

2.1 控制方案

　　為了提高配料精度，首先必須選用高精度、高性能稱重傳感器。配料時物料從物料儲存罐落入秤體，秤體重量變化經(jīng)由支承秤體的稱重傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的毫伏電壓信號變化量，輸入儀用放大器（抑制共模對差模的干擾）放大100 倍，通過A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，MCU 對該數(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，并決定下一步的配料方式。

　　螺旋加料裝置是保證動態(tài)定量稱重精度和均勻度的重要環(huán)節(jié)。由于螺旋加料機(jī)電一體化裝置的非線性和強(qiáng)無自衡性，以及在加料過程中物料的粒度、濕度和料倉壓力等又會引起加料流量的不穩(wěn)定性。若加快稱重速度，則物料對料斗的沖擊將影響稱重的精度和穩(wěn)定性。而若提高稱重精度，就不得不降低加料速度。為了協(xié)調(diào)稱重精度和稱重速度的矛盾，目前大部分動態(tài)在線定量稱重設(shè)備采用兩段加料方式，該加料方式只在一定程度上能夠兼顧精度和速度的要求，精度不高，且存在超差。由于螺旋加料的不可逆性，定量稱重超差無法彌補(bǔ)，只能重新進(jìn)行。

　　為了提高效率和解決超差問題，使用變頻調(diào)速器可實現(xiàn)無級調(diào)速下料，在本稱重配料控制器中，從實用及方便出發(fā)，配方中每種物料的配料過程采用三級下料速度（如圖4）。在稱重開始時“快速加料”，當(dāng)達(dá)到快速加料預(yù)測給定值Wg1 時開始“慢速加料”；當(dāng)?shù)竭_(dá)慢速加料預(yù)測給定值Wg2 時，延遲一段時間等待空中料落入料斗，如還達(dá)不到物料定量值Ws 的系統(tǒng)允許誤差下限值WsL 時，則開始慢速“點動加料”，直到物料凈重大于WsL 時才開料斗門卸料。由于每次點動加料時間隨著物料差值的減小而減小，所以有效地避免了超差的發(fā)生。

　　由于螺旋加料機(jī)械裝置的時變性，與圖4 中時間（t1～t4）所對應(yīng)的加料流量曲線如圖5 所示。當(dāng)發(fā)出加料信號后，螺旋機(jī)械總要滯后一段時間才開始加料；當(dāng)停止加料時，螺旋加料機(jī)械慣性又要延遲一段時間才能停止；螺旋加料停止后，空中還有尚未落入料斗的空間料（稱為落差B，也稱為提前停機(jī)量），使稱量值增加，其增加量的大小與停止加料前的流量有關(guān)。慢速加料時間越長，Qg2 越穩(wěn)定，相應(yīng)預(yù)測的B 越準(zhǔn)確，但降低了稱重速度。若從定量稱重速度上考慮，Wg1 越大越好，但Wg1 越大則慢速加料時間越短，又會影響定量稱重精度。因此，如何正確預(yù)測B 并如何動態(tài)在線修正Wg1 和Wg2，是同時實現(xiàn)定量稱重精度和速度的關(guān)鍵問題。

2.2 空中落差補(bǔ)償

　　能否真正實現(xiàn)高精度配料主要取決于慢速下料階段的軟件處理，特別是空中落差處理，這是稱重配料系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(guān)鍵。所謂空中落差是指當(dāng)某一儲料罐停止下料時，還有一部分在空中待落入秤體的物料?？罩新洳顭o法用一個固定的參數(shù)加以補(bǔ)償，落差可以用如下二階預(yù)報模型予以補(bǔ)償：

　　在線估計θ（k+1），并用估計參數(shù)來代替真實參數(shù)θ，而得到最小方差自校正調(diào)節(jié)器。在實際控制過程中，β0一次取定為0.9，不參與估計運算；遺忘因子λ取值0.99；遞推初始值θ（0）取在線辨識的一組定常參數(shù)；y（0）由實驗選定；取u（0）=0，經(jīng)過3～4 次稱重，就可使落差補(bǔ)償預(yù)測值逼近真值?？焖偌恿辖o定值的修正原理是根據(jù)慢速加料的時間長短來調(diào)節(jié)Wg1，即用如下一階預(yù)測模型：

Wg1 （k+1）=Wg1 （k）+[Wg2 （k）-Wg1 （k）][T2 （k）- T2]/T2

　　式中：Wg1 （k）和Wg2 （k）分別是第k 次快速加料與慢速加料預(yù)測給值；[Wg2 （k）-Wg1 （k）]為第k 次慢速加料重量；T2 （k）是第k 次慢速加料時間；T2 是常數(shù)，它是由實驗整定的最佳慢速加料時間；Wg1 （k+1）是第（k+1）次快速加料預(yù)測給定值。

3 軟件設(shè)計策略

3.1 軟件去皮及誤差補(bǔ)償

　　皮重即配料計量秤在配料開始前已具有重量。由于物料具有一定的粘性或秤斗出現(xiàn)一些死角，秤斗會存在一些黏附物質(zhì)。配料系統(tǒng)中對皮重允許有一定范圍，若超過范圍則認(rèn)為皮重超重錯誤，須人工或自動進(jìn)行去皮重操作?？紤]到自動配料過程中皮重不可避免，因此在每一次配料開始時均須測量皮重，再根據(jù)皮重值修正配料要求的最終值，最終測得稱量時再將其去除。

3.2 數(shù)字信號的輸入輸出方法

　　干擾信號多呈毛刺狀，作用時間短。利用這一特點，在采集或輸出數(shù)字信號時，多次重復(fù)采集或重復(fù)輸出。連續(xù)兩次或兩次以上采集結(jié)果完全一致，方為采集信號有效。若多次采集后，信號總是變化不定，可停止采集，給出報警信號。由于數(shù)字信號只是1 和0 的變換，所以對這些信號不能采用多次平均方法，必須絕對一致才行。重復(fù)輸出周期盡可能短些，外部設(shè)備接受到一個被干擾的錯誤信息后，還來不及做出有效反應(yīng)，一個正確的輸出信息又到來，可以及時防止錯誤動作的產(chǎn)生。

3.3 數(shù)字濾波

　　數(shù)字濾波有硬件的功效，但卻不需要硬件投資。由于軟件算法的靈活性，其效果往往是硬件電路所達(dá)不到的，它的不足之處是要占用CPU 資源。本系統(tǒng)的模擬板單獨使用一塊CPU 有利于處理數(shù)字濾波、非線性修正、傳感器掉線檢測以及修正傳感器激勵源電壓變化對采集信號的影響等方面。干擾信號分周期性和隨機(jī)性兩種，采用積分時間為20ms 整數(shù)倍的雙積分型A/D 變換方式，能有效地抑制50Hz工頻干擾。對于非周期性的隨機(jī)干擾，常采用數(shù)字濾波方式來抑制。數(shù)字濾波算法有程序判斷濾波、中值濾波、算術(shù)平均濾波、去極值平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動平均濾波及低通濾波等。WY2006 采用低通濾波算法。

4 結(jié)語

經(jīng)過系統(tǒng)研發(fā)及產(chǎn)品長期現(xiàn)場運行，得出如下結(jié)論：

　　（1）系統(tǒng)采用多CPU 分級控制，優(yōu)點是編程方便快速，少嵌套。

　　（2）傳感器測得的小信號經(jīng)過儀用放大器、巴特沃滋濾波器后，模擬信號變得穩(wěn)定精確。

　?。?）采用高精度多路模擬開關(guān)ISL43741IR 使得切換電壓小信號成為可能，并且放大濾波采集電路分時復(fù)用使得電路板面積縮小，成本降低。

　?。?）本文給出的動態(tài)定量稱重螺旋加料控制方法采用“先快后慢、最后點動”并引入自校正預(yù)測控制算法，較好地解決了動態(tài)定量稱重精度和速度的矛盾。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 鄭德忠，何群.一種加權(quán)廣義預(yù)測自適應(yīng)遞推優(yōu)化控制算法[J].電子學(xué)報，2005，33（8）：1442- 1445.

　　[2] 王偉.廣義預(yù)測自適應(yīng)控制的直接算法及全局收斂性分析[J].自動化學(xué)報，1995，21（1）：57- 62.

　　[3] 郭靜，劉付火，王章瑞.單片機(jī)C8051F320 及其USB 接口應(yīng)用[N].電子世界，2004.

　　[4] 張迎新，雷文，姚靜波.C8051F 系列SOC 單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005