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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)各種牲畜的生長規(guī)律,在不同的生長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生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，應(yīng)對配料過程的質(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；同時它也是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化和智能化、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，無法在環(huán)境惡劣、現(xiàn)場干擾大的場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 個通道的物料的配料量，還可以實(shí)現(xiàn)全自動配料與各通道的自動校稱，無需人為干預(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)對話界面，并能驅(qū)動通用打印機(jī)打印報(bào)表，針對各種故障信息，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，但主要是臺時產(chǎn)量和配比關(guān)系的設(shè)定。當(dāng)參數(shù)設(shè)定好后，啟動系統(tǒng)。

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

2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)可以分為四個組成部分，即檢測部分、數(shù)據(jù)處理部分、人機(jī)接口部分以及控制部分。檢測部分主要是將從稱重傳感器出來的很低的信號通過前置放大器進(jìn)行放大，然后通過濾波電路取出干擾，接著通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳給單片機(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，二是通過鍵盤等輸入設(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^驅(qū)動器控制執(zhí)行器件，其中電機(jī)用以控制放料時開關(guān)門動作，而電振機(jī)控制下料的動作。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)，并如將傳感器傳過來的信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的重量信息并通過人機(jī)接口部分顯示出來，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， 灰塵和干擾都很嚴(yán)重，若采用通用計(jì)算機(jī)則無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，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，它是一個完整的 12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由 8 路多路開關(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)字信號處理、高精度過程控制、自動測試系統(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。傳感器將重量信號轉(zhuǎn)換為電信號后，由數(shù)據(jù)放大器將轉(zhuǎn)換所得的弱電信號進(jìn)行前置放大，提高信號的共模抑制比，以便提高有效電信號在傳輸過程中的抗干擾能力，否則，由于傳輸過程中信號的衰減，就會造成有效信號的畸變、失真，使有效信號被噪聲掩蓋，以至于不能識別。然后由濾波網(wǎng)絡(luò)將傳過來的電壓信號進(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，并且將電信號轉(zhuǎn)換成 A/D （模/數(shù)） 轉(zhuǎn)換器 MAX180 所要求的大信號模擬電壓。 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)過放大、 濾波處理的電信號經(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)的控制對象包括有 8 個電振機(jī)和 8 個料斗門。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。料斗門的開關(guān)是由微處理器控制相應(yīng)的固態(tài)繼電器來實(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)，保證了料斗開關(guān)門的可靠性。

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)，由于模擬信號在傳輸和放大過程中通常會產(chǎn)生一定的非線性失真，因此需要對采樣值進(jìn)行非線性修正處理[33] 。通常是將實(shí)際測量值與一組經(jīng)驗(yàn)值相比較，并根據(jù)其對應(yīng)關(guān)系，對測量值進(jìn)行修正。

考慮到在傳感信號、放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換和傳輸過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)一步保證了測量值在整個測量信號范圍之內(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)。表示測得的重量值與測得 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。

使用線性插值時把 0 到滿量程 Wmax分成 n段,以各段直線 AB、BC、CD 來代替對應(yīng)的曲線。當(dāng)測得的電壓 U 滿足 U _2  3 時， 插值法計(jì)算重

量時 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,對曲線中曲率大的部分,插值的距離要小；反之，對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）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，將各個功能編制成功能子程序，以便系統(tǒng)測試和功能的擴(kuò)充。在程序中有數(shù)據(jù)處理、自動校稱、鍵盤響應(yīng)、CRT 顯示、報(bào)表打印等多個子程序。系統(tǒng)編程語言采用匯編語言 MCS-51，下面以MAX180 的數(shù)據(jù)采集為例說明系統(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、顯示器、通用打印機(jī)等外設(shè)。同時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，操作簡便等特點(diǎn)。經(jīng)過在重慶市榮昌長橋水泥廠、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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