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隨著我國飼料工業(yè)的飛速發(fā)展，飼料行業(yè) [1] 的競爭也越來越激烈，雖然飼料配方的研制有了飛速的發(fā)展，但生產(chǎn)廠家卻無法快速準(zhǔn)確的生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品，究其原因則是飼料企業(yè)所使用的配料生產(chǎn)系統(tǒng)過于落后，因此，改造現(xiàn)有落后的配料生產(chǎn)系統(tǒng)，使之能精確、快速生產(chǎn)不同配方的飼料已迫在眉睫。

1 配料系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

原有的配料系統(tǒng)中存在很多問題[2-3] :1 ）大部分配料系統(tǒng)采用快慢速給料方式，多為單物料工作方式，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)配料，生產(chǎn)效率低。 2 ）多采用傳統(tǒng)控制算法更本無法滿足高精度的配料要求。 3 ）大部分配料現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，強(qiáng)度大，粉塵大，對(duì)工人的身體造成很大的危害?；谝陨弦螅碌呐淞舷到y(tǒng)必須要滿足以下幾個(gè)要求： 1 ） 改善工人的工作環(huán)境，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。 2 ）要適用于多種配方的配料以及連續(xù)配料，具備配方管理功能，可以隨時(shí)建立、修改、或刪除配方。 3 ）要實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并具備記錄，打印，查詢等功能。 4 ）可以實(shí)時(shí)監(jiān)控連續(xù)生產(chǎn)過程，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出報(bào)警。 5 ）具備存儲(chǔ)功能，顯示歷史數(shù)據(jù)。

基于以上要求，制定出的飼料廠配料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

本系統(tǒng)采用兩級(jí)分布式微機(jī)配料控制系統(tǒng)，上位機(jī)采用微型計(jì)算機(jī)，對(duì)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)集中管理，通過上位機(jī)，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類存儲(chǔ)，產(chǎn)生各種歷史報(bào)表。上位機(jī)與下位機(jī)采用 RS-232 或 RS-485串行總線進(jìn)行通訊。 下位機(jī)采用以 PLC 為核心的控制器，實(shí)現(xiàn)物料的定量給料。

如圖 1 中上位機(jī)采用工業(yè)研華工控機(jī)，主要完成以下任務(wù)： 1 ）人機(jī)交互及管理； 2 ）實(shí)時(shí)監(jiān)控國； 3 ）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及保密；4 ）報(bào)警； 5 ）打?。?6 ）通訊。

系統(tǒng)現(xiàn)場控制器采用 S7-200 PLC 控制：由它輸出控制量控制給料系統(tǒng)快慢速給料、給料器的起停、料倉門的開關(guān)等等相關(guān)控制開關(guān)的動(dòng)作，另外要接受來自上位機(jī)發(fā)送的相關(guān)配料量，所以它是飼料配比系統(tǒng)的核心控制器件。

變頻器—異步機(jī)接受 PLC 發(fā)送的控制指令，調(diào)整電磁振動(dòng)給料機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)變速給料。我們選用西門子公司的 MM440 變頻器。

給料器選用電磁振動(dòng)給料機(jī)，根據(jù)頻率變化來控制料速度。

稱重傳感器用于實(shí)時(shí)測量稱量料斗中物料的重量，考慮到稱重的精度及稱重傳感器量程的選擇，采用 3 個(gè) BHR-4M應(yīng)變式荷重傳感器并聯(lián)組秤的方式。

稱重采樣接口用于將稱重傳感器的稱重信號(hào)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)在送入 CPU 。 它主要包括濾波器、放大器、模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換器及控制命令寄存器等。 其中，放大器采用了超低漂移高精度運(yùn)算放大器 OP07 。 為了保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度，模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換器采用美國 MAXIM公司推出的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX111 芯片，具有 ±14 位的分辨率，不需要外加元件來解決溫漂和時(shí)漂的問題， 采用內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)；線性度為 0.05% ，性能較好，可適用于精度要求較高的場合。

電源電路用于將交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的、并符合一定要求的直流電，它是整個(gè)系統(tǒng)的能量來源。

在自動(dòng)配料系統(tǒng)中，上、 下位機(jī)之間的通信方式采用RS-485 。

在飼料生產(chǎn)現(xiàn)場，各種干擾問題十分突出 . 本系統(tǒng)在硬件方面采取了以下幾點(diǎn)抗干擾措施 . 電容濾波、屏蔽傳輸、光電耦合、稱斗排氣、互鎖控制。 所有硬件的設(shè)計(jì)在滿足系統(tǒng)的必要要求時(shí)還必須兼顧到軟件的設(shè)計(jì)，使得軟硬件的設(shè)計(jì)讓整個(gè)系統(tǒng)取得最好的性價(jià)比。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件包括系統(tǒng)監(jiān)控軟件和控制界面的設(shè)計(jì)，下位機(jī)包括PLC 編程、數(shù)據(jù)采集、軟件濾波等軟件抗干擾技術(shù)的應(yīng)用。 整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，方便使用、維護(hù)，從而提高整個(gè)控制系統(tǒng)的控制及管理性能。

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要考慮稱重信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理，各種開關(guān)量信號(hào)、控制量及時(shí)準(zhǔn)確地傳送。 所以軟件設(shè)計(jì)要考慮 PLC 控制程序的編寫，數(shù)據(jù)采集以及相應(yīng)的軟件抗干擾技術(shù)。 由于篇幅有限下面主要給出整個(gè)配料軟件流程圖如圖 2 所示。

上位機(jī)操作系統(tǒng)選用 windows xp ， 數(shù)據(jù)庫選用 access 2003 ，監(jiān)控軟件采用組態(tài)王（ KingView ），對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 包括主監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)、用戶加密設(shè)置、生產(chǎn)批次設(shè)置等，并通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信。采用 VB6.0 實(shí)現(xiàn)控制軟件設(shè)計(jì)，以良好的人機(jī)界面形式主要完成配方管理、配料批次設(shè)置、配料秤管理以及其他設(shè)備管理。

3 提高配比精度的控制算法

該配料系統(tǒng)采用變頻器控制電磁振動(dòng)給料器的給料速度，物料通過給料器采用進(jìn)料式倒入稱重料斗中，當(dāng)給料設(shè)備停止動(dòng)作后的一瞬間，空中還有一部分物料沒有落入稱量料斗，這部分物料成為落差，落差的大小隨物料的特性不同而不同，這就造成最終的測量重量與設(shè)定值不符，這也是配料誤差產(chǎn)生的最主的原因也是最難消除的。通過對(duì)配料系統(tǒng)分析建立數(shù)學(xué)模型如下：

上式中， G 為物料重量， n 為給料器頻率， K 為采樣次數(shù)，T 為采樣的周期。

模型中涉及到的參數(shù)比如料斗的直徑、高度、給料器的參數(shù)都可實(shí)測，但物料的容重中即空中料柱單位體積的重量則無法確定，會(huì)隨溫度、濕度及物料的不同而不同，故采用傳統(tǒng) PID 控制無法達(dá)到高精度的要求，文中采用在 PID 控制的基礎(chǔ)上引入蟻群算法 [5]，蟻群算法是根據(jù)仿生進(jìn)化算法提出的一種源于大自然生物世界的仿生類算法，在很多尋優(yōu)問題上得到很好的結(jié)果，具有良好的魯棒性，算法靈活，很容易應(yīng)用于其他能被表達(dá)為在圖表上尋優(yōu)的問題上，故可將 PID 控制的 3 個(gè)參數(shù) KP 、 Ti 及 Td 用圖表的形式表示， 通過蟻群算法尋優(yōu)來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制參數(shù)，步驟如下：

1 ）先要將 KP 、 Ti 及 Td 這 3 個(gè)有待優(yōu)化的參數(shù)用圖表的形式表示，用 5 位有效數(shù)字去表示每一個(gè)參數(shù)，其中小數(shù)點(diǎn)后有 4 位，小數(shù)點(diǎn)前有一位，最簡單的圖表形式就是用坐標(biāo)軸來表示，為每只螞蟻設(shè)一個(gè)數(shù)組，該數(shù)組有 15 個(gè)元素，代表該螞蟻?zhàn)哌^的縱坐標(biāo)的數(shù)值。 令時(shí)間 t=0 和迭代次數(shù) N=0 ， τ0 =0 。

2 ） 將 m 個(gè)螞蟻置于各自的初始化區(qū)域， 并將該點(diǎn)放至tabuk 中，每個(gè)螞蟻按照式（ 2 ）所示轉(zhuǎn)移概率移動(dòng)。

3 ） tabu k 是否滿，是繼續(xù)往下，否轉(zhuǎn)第（ 2 ）步

4 ）記錄各螞蟻的目標(biāo)函數(shù) J K （ j=1，2 …… m ），并記錄 PID控制器最優(yōu)解。

5 ）按式（ 3 ）所給出的螞蟻信息素更新規(guī)則進(jìn)行更新。

τij（ t+n）=（1-ρ）·τij（t）+Δτij （3）

6 ）循環(huán)次數(shù) Ni+1 。

7 ）若 Ni 小于預(yù)定迭代次數(shù)則轉(zhuǎn)向第 2 步。

8 ）輸出 PID 控制最優(yōu)解。

其中，目標(biāo)函數(shù) J K 要能體現(xiàn)被控系統(tǒng)的性能，控制系統(tǒng)的性能好壞體現(xiàn)在穩(wěn)、準(zhǔn)、快上，所以在著我們就用系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差 e ss ，上升時(shí)間 t r 以及調(diào)整時(shí)間 t s ，作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)譚冠政等人在 2004 年的相關(guān)研究結(jié)果[2]，目標(biāo)函數(shù)為式（ 4 ）：

J K =κ0（e ss /e ss0 ）+κr（t r / t r0）+κs（t s /t s0） （ 4 ）

上式中，κ0、 κr、 κs 為各項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)， 通?？蔀?0.5 、0.1 、 0.3 ， e ss0、 t r0、 t r0為采用 Z-N 法得到的系統(tǒng)性能指標(biāo)。

4 系統(tǒng)仿真結(jié)果

我們采用 MATLAB 軟件工具箱 Simulink ，根據(jù)式（ 8 ）對(duì)配料系統(tǒng)進(jìn)行仿真后按上述步驟尋優(yōu)在實(shí)驗(yàn)中，蟻群算法的參數(shù)選擇是非常重要的，根據(jù)相關(guān)研究取參數(shù) [6] α=2 ， ρ 在 0.5~0.9 之間， m=5 ， Q=100 ， 尋優(yōu)終止條件為兩次最優(yōu)結(jié)果小于0.001 ，初始信息素 τ 0 =0 ，為驗(yàn)證蟻群算法的適應(yīng)性，采用不同的物料容重進(jìn)行測試：

1 ）取參數(shù) α=2 ， ρ=0.8 ， m=5 ， Q=100 ， ψ=200 kg/m 3 ，設(shè)定值為 100 kg 時(shí)，迭代次數(shù)為 7 ，實(shí)際值與給定值相差0.02 kg ，達(dá)到很高的控制精度。 如圖 3 中曲線（ 1 ）所示。

2 ）但當(dāng)比重增大 10% 即 ψ=220 kg/m 3 時(shí)，迭代次數(shù)增大為 10 ，實(shí)際值與給定值相差0.03 ，控制精度仍然很高，但迭代次數(shù)增加了 3 次，配料速度有所降低，如圖3 中曲線（ 2 ）所示。

3 ）而當(dāng)比重增大 50% 時(shí)，迭代次數(shù)需要 20 次，控制精度略有下降但仍然在允許范圍內(nèi)，只是系統(tǒng)快速性及實(shí)時(shí)性得不到保證，這也證明了蟻群算法具有適應(yīng)性，即螞蟻在覓食過程中如果途中出現(xiàn)障礙物也能重新找到最優(yōu)路徑，只是尋優(yōu)時(shí)間會(huì)增長，如圖 3 中曲線（ 3 ）所示。

4 ）當(dāng)取 α=3 ， ρ=0.6 ，迭代次數(shù)為 10 時(shí)，配料精度可以控制在 ±0.2 kg 以內(nèi)，達(dá)到配方要求。 此時(shí)算法具有較好的適應(yīng)性，能在比重發(fā)生變化的情況下找到最優(yōu)解。 如圖 3 中曲線（ 4 ）所示。

5 結(jié) 論

該設(shè)計(jì)目前已順利通過測試并投產(chǎn)使用，運(yùn)行數(shù)月來配料過程中稱量誤差最大為 0.2 kg ，最小為 0 ，達(dá)到預(yù)期效果，該廠自從改造后， 不僅配料精度得到提高， 產(chǎn)量亦提高了80% ，整個(gè)配料系統(tǒng)人員由原來的8 人減少為 2 人，降低了生產(chǎn)成本，工人也不用長時(shí)間工作在噪聲大、粉塵大的生產(chǎn)現(xiàn)場。 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖然針對(duì)飼料的配比，但其自動(dòng)稱重過程適用于多種配料場合，比如冶金、陶瓷、醫(yī)藥、建材等等，也可以適用于各種包裝生產(chǎn)線上，均可達(dá)到較好的控制效果。

 

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