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配料工序是水泥、化工、食品、建材等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),也是水泥、 化工、 食品、建材等生產(chǎn)的源頭工序。例如水泥生產(chǎn)需要由各種原料按一定的比例進(jìn)行混合；飼料的生產(chǎn)需根據(jù)各種牲畜的生長(zhǎng)規(guī)律,在不同的生長(zhǎng)期需要成份含量不同的飼料；各種化工產(chǎn)品、建筑材料、農(nóng)藥的生產(chǎn)也是一樣。配料質(zhì)量控制的優(yōu)劣直接關(guān)系著下游生產(chǎn)能否順利進(jìn)行。如果配制料液的質(zhì)量達(dá)不到要求,輕則造成原料、 能源的浪費(fèi),重則影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率,并且有些重要生產(chǎn)崗位的配料失誤甚至?xí)o整個(gè)生產(chǎn)釀成事故[3]。因此，配料精度的高低和配料速度的大小制約著整個(gè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，應(yīng)對(duì)配料過(guò)程的質(zhì)量和產(chǎn)量控制給予高度重視。

微機(jī)配料控制系統(tǒng)是配料工藝過(guò)程控制和質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。微機(jī)配料控制系統(tǒng)可以按照設(shè)定配比和流量控制各輸入物料的瞬時(shí)流量， 從而達(dá)到控制各種產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量的目的；同時(shí)它也是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和智能化、企業(yè)的科學(xué)管理、安全穩(wěn)定生產(chǎn)和節(jié)能降耗的重要技術(shù)手段。微機(jī)配料控制系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用不僅可以提高配料質(zhì)量和產(chǎn)量,也大大減輕了崗位工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)效率。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)研制技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備成熟、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的微機(jī)配料控制系統(tǒng)至關(guān)重要。

然而目前現(xiàn)存的微機(jī)配料系統(tǒng)總存在一定的不足，有的成本高，不易推廣；有的精度與可靠性差，無(wú)法在環(huán)境惡劣、現(xiàn)場(chǎng)干擾大的場(chǎng)合滿足高精度的配料要求。并且大多數(shù)使用的是通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因而成本高、靠干擾能力差。本文提出的基于單片機(jī)微控制器的多通道微機(jī)配料系統(tǒng)采用高可靠性的專用處理器芯片8031 構(gòu)成中央控制單元，是一種高精度、智能化的新型斗式配料設(shè)備，它能夠精確控制 8 個(gè)通道的物料的配料量，還可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)配料與各通道的自動(dòng)校稱，無(wú)需人為干預(yù)，可以極大地提高產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。而且，系統(tǒng)采用高分辨率彩顯技術(shù)設(shè)計(jì)人機(jī)對(duì)話界面，并能驅(qū)動(dòng)通用打印機(jī)打印報(bào)表，針對(duì)各種故障信息，系統(tǒng)能夠提供異常報(bào)警，減小事故的發(fā)生。因此，系統(tǒng)具有極高的推廣價(jià)值。

1 微機(jī)配料系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)微處理器控制單元采用間歇式的靜態(tài)稱重原理，即每一循環(huán)周期完成下料、稱重、放料、混合配料、再下料的過(guò)程。由于這種計(jì)量采用斷續(xù)進(jìn)料、 斷續(xù)出料的間歇式靜態(tài)稱量的工作方式，在一定程度上克服了給料沖擊、皮重不均、零點(diǎn)漂移的影響。

在整套系統(tǒng)運(yùn)行初期，首先進(jìn)行校秤。校秤在配料系統(tǒng)中具有重要的作用。校秤直接影響到配料的精度。其次設(shè)定參數(shù)。根據(jù)工藝不同，參數(shù)的設(shè)定有所不同，但主要是臺(tái)時(shí)產(chǎn)量和配比關(guān)系的設(shè)定。當(dāng)參數(shù)設(shè)定好后，啟動(dòng)系統(tǒng)。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)每個(gè)料斗秤進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，初步判斷給料是否達(dá)到配料設(shè)定值。如果動(dòng)態(tài)檢測(cè)到達(dá)到設(shè)定值，則停止給料。停機(jī)后緩沖一定時(shí)間才開(kāi)始稱量。對(duì)于由于動(dòng)態(tài)檢測(cè)所帶來(lái)的給料誤差以及其它原因引起的單次配料誤差，通過(guò)下一次配料的補(bǔ)充或一定的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)這種誤差的降低。

2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)可以分為四個(gè)組成部分，即檢測(cè)部分、數(shù)據(jù)處理部分、人機(jī)接口部分以及控制部分。檢測(cè)部分主要是將從稱重傳感器出來(lái)的很低的信號(hào)通過(guò)前置放大器進(jìn)行放大，然后通過(guò)濾波電路取出干擾，接著通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)。人機(jī)接口部分主要處理與人的交互，一是通過(guò)顯示器等顯示設(shè)備將系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)顯示給用戶，二是通過(guò)鍵盤(pán)等輸入設(shè)備將系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)輸入到計(jì)算機(jī)?？刂撇糠种饕ㄟ^(guò)驅(qū)動(dòng)器控制執(zhí)行器件，其中電機(jī)用以控制放料時(shí)開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作，而電振機(jī)控制下料的動(dòng)作。數(shù)據(jù)處理部分是系統(tǒng)的核心，主要是負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其余三部分的工作，并完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)，并如將傳感器傳過(guò)來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的重量信息并通過(guò)人機(jī)接口部分顯示出來(lái)，根據(jù)當(dāng)前下料或放料的狀態(tài)控制電機(jī)和電振機(jī)的啟停等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

（1）8031 微處理器的采用。由于微機(jī)配料系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境比較惡劣， 灰塵和干擾都很?chē)?yán)重，若采用通用計(jì)算機(jī)則無(wú)法滿足可靠性的要求，而且價(jià)格比較高。而單片機(jī)具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，而且抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高， 因此本系統(tǒng)采用了 8031 單片機(jī)作為系統(tǒng)的微處理器。

（2）高性能 A/D 轉(zhuǎn)換器的選用。在 A/D 轉(zhuǎn)換器的選用上，我們采用了 MAX180，它是一個(gè)完整的 12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由 8 路多路開(kāi)關(guān)、大帶寬采樣保持電路、低漂移的穩(wěn)壓基準(zhǔn)和多適應(yīng)性的微處理接口組成。具有高轉(zhuǎn)換率和低功耗的特點(diǎn)，適用于高速伺服回路、數(shù)字信號(hào)處理、高精度過(guò)程控制、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等。根據(jù)以上特點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際需要，本系統(tǒng)選擇了 MAX180。

（3）前向通道處理技術(shù)。系統(tǒng)的前向通道主要由傳感器、數(shù)據(jù)放大器、濾波網(wǎng)絡(luò)及模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，該部分主要完成數(shù)據(jù)的采集，預(yù)處理和轉(zhuǎn)換。

為保證配料精度，特采用 0.02%的高精度電阻應(yīng)變式壓力傳感器。物料重量的變化會(huì)引起電橋兩端電壓的變化，由傳感器完成重量到電壓的轉(zhuǎn)換，從而拾取物料的重量。傳感器將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，由數(shù)據(jù)放大器將轉(zhuǎn)換所得的弱電信號(hào)進(jìn)行前置放大，提高信號(hào)的共模抑制比，以便提高有效電信號(hào)在傳輸過(guò)程中的抗干擾能力，否則，由于傳輸過(guò)程中信號(hào)的衰減，就會(huì)造成有效信號(hào)的畸變、失真，使有效信號(hào)被噪聲掩蓋，以至于不能識(shí)別。然后由濾波網(wǎng)絡(luò)將傳過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波，濾除空間雜散電容和電磁輻射等高頻干擾，提高信噪比，并且將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成 A/D （模/數(shù)） 轉(zhuǎn)換器 MAX180 所要求的大信號(hào)模擬電壓。 本系統(tǒng)中MAX180 工作在單極性、單端工作方式，則就通道 0 而言其控制字為E0H。MAX180 CS 端接于 8031 的 P 2.7 端，故其地址是 7FFFH，MAX180與 8031 的連接。

最后， 將經(jīng)過(guò)放大、 濾波處理的電信號(hào)經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)處理。

（4）后向通道控制技術(shù)。本系統(tǒng)的控制對(duì)象包括有 8 個(gè)電振機(jī)和 8 個(gè)料斗門(mén)。采用可控硅控制電振機(jī)的起停，根據(jù)可控硅移相調(diào)壓原理，來(lái)調(diào)整電振機(jī)的下料速度，從而保證配料的準(zhǔn)確性。料斗門(mén)的開(kāi)關(guān)是由微處理器控制相應(yīng)的固態(tài)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，固態(tài)繼電器具有帶負(fù)載能力強(qiáng)，隔離可靠等特點(diǎn)，保證了料斗開(kāi)關(guān)門(mén)的可靠性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

（1）非線性修正技術(shù)

非線性修正技術(shù)是智能儀器儀表中一種常用的技術(shù)，由于模擬信號(hào)在傳輸和放大過(guò)程中通常會(huì)產(chǎn)生一定的非線性失真，因此需要對(duì)采樣值進(jìn)行非線性修正處理[33] 。通常是將實(shí)際測(cè)量值與一組經(jīng)驗(yàn)值相比較，并根據(jù)其對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正。

考慮到在傳感信號(hào)、放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換和傳輸過(guò)程中客觀的一些非線性因素存在，在配料系統(tǒng)中，利用單片微機(jī)軟件對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行快速非線性修正,從而在精度上進(jìn)一步保證了測(cè)量值在整個(gè)測(cè)量信號(hào)范圍之內(nèi)具有良好的線性。

下面介紹本系統(tǒng)使用的線性插值法的實(shí)現(xiàn)。表示測(cè)得的重量值與測(cè)得 的電壓值之間的關(guān)系，圖中的曲線就是實(shí)際的輸出結(jié)果。

使用線性插值時(shí)把 0 到滿量程 Wmax分成 n段,以各段直線 AB、BC、CD 來(lái)代替對(duì)應(yīng)的曲線。當(dāng)測(cè)得的電壓 U 滿足 U _2  3 時(shí)， 插值法計(jì)算重

量時(shí) W=W ₂ +K(U － U ₂ ) ，其中 k=(W ₃ －W ₂ )/( U₃－U ₂ )同理可以計(jì)算其它區(qū)段的重量值。為減小誤差的產(chǎn)生，在插值法進(jìn)行修正時(shí),對(duì)曲線中曲率大的部分,插值的距離要??；反之，對(duì)曲線中曲率小的部分，插值的距離可以大一點(diǎn)。

（2）軟件去皮及誤差補(bǔ)償技術(shù)

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

（3）模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，將各個(gè)功能編制成功能子程序，以便系統(tǒng)測(cè)試和功能的擴(kuò)充。在程序中有數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)校稱、鍵盤(pán)響應(yīng)、CRT 顯示、報(bào)表打印等多個(gè)子程序。系統(tǒng)編程語(yǔ)言采用匯編語(yǔ)言 MCS-51，下面以MAX180 的數(shù)據(jù)采集為例說(shuō)明系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法。
 

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用 8031 單片機(jī)作為中央處理器， 利用 8255 擴(kuò)展，外接了鍵盤(pán)、顯示器、通用打印機(jī)等外設(shè)。同時(shí)采用了前向通道處理、后向通道處理等硬件設(shè)計(jì)措施及非線性修正、軟件去皮、誤差補(bǔ)償?shù)溶浖O(shè)計(jì)措施，從而保證了系統(tǒng)的可靠性高、控制精確，且具有人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)在重慶市榮昌長(zhǎng)橋水泥廠、宜賓高縣水泥廠的使用，取得了滿意的控制效果，因此具有較高推廣價(jià)值，可廣泛應(yīng)用于建材、 火電、礦山等行業(yè)的配料中。

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