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本文在闡述動態(tài)配料控制器計量原理的基礎(chǔ)上,優(yōu)化設(shè)計了該控制器的稱重模塊、測速模塊,并提出了一種新的PID控制算法。經(jīng)帶式輸送機(jī)的實驗證明:該配料控制器性能穩(wěn)定,滿足工業(yè)稱重配料自動化使用的要求。
配料控制器的應(yīng)用需求
帶式輸送機(jī)被廣泛地用于礦山、冶金、碼頭和化工等行業(yè),對于散裝的固態(tài)原料進(jìn)行自動輸送,特別適合于高溫、高空和有害環(huán)境下作業(yè)。皮帶配料秤作為一種測量和控制帶式輸送機(jī)的物料流量的實時控制器,能夠?qū)ξ锪狭髁窟M(jìn)行準(zhǔn)確測量,保證配料的精確比例,實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。由單片機(jī)控制的配料秤具有功能強(qiáng)和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點,是電子配料秤的發(fā)展方向。
動態(tài)配料計量控制原理
帶式物料流的動態(tài)計量是在物料輸送過程中連續(xù)、自動地完成的。為了測量帶式物料流在一段時間(或位移)內(nèi)的累積重量,可以用累加法或積分法兩種方法。
累加法的稱重計量原理是:當(dāng)物料通過圖1所示的稱重計量段時,輸送帶每運行一段距離L=kl時(k為稱重托輥的個數(shù),此處k=3),就測一次稱重傳感器的力Fm,并進(jìn)行累加。在一段時間內(nèi),輸送帶運行了n個L距離,則這段時間的物料累積重量
這種累加方法實際上只用于純機(jī)械式皮帶秤的稱重計量中,其準(zhǔn)確度很難讓人滿意。目前廣泛采用的是積分法。
積分法的計量原理是:當(dāng)物料通過圖1中的觀察界面A時,若測得t時刻A截面處物料的重量分布q(t),并與輸送帶在同一時刻的速度v(t)相乘,其結(jié)果即為物料的瞬時重量流量Q(t)。在一段時間T內(nèi),物料的累積重量G為
3　配料系統(tǒng)硬件組成
配料控制系統(tǒng)的硬件組成,主要包括以下幾個部分:
1 荷重傳感器
用于測量輸送帶上的瞬時重量。采用的是應(yīng)變式荷重傳感器,它將稱重力轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變量,通過電阻應(yīng)變片將其轉(zhuǎn)化為與之成比例的電壓信號,這種方法具有靈敏度高、線性好等優(yōu)點。
2　測速傳感器
用于測量輸送帶的走速。設(shè)置一滾輪和皮帶接觸,隨皮帶同步轉(zhuǎn)動,滾輪的另一端接一個光電齒盤,把滾輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?yīng)的脈沖信號,輸入到單片機(jī)。
3　單片機(jī)
單片機(jī)選用宏晶科技生產(chǎn)的STC89C58RD+,STC89C58RD是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的8位單片機(jī)
4 A/D轉(zhuǎn)換器
AD轉(zhuǎn)換器采用AD7799,AD7799是美國模擬器件公司(ADI)的一款3通道24位Δ2∑型ADC,適用于高精度工業(yè)級轉(zhuǎn)換。其特點是:極低的RMS噪聲;低功耗;內(nèi)置12128增益的低噪聲可編程稱重儀表放大器;內(nèi)設(shè)自校準(zhǔn)電路;50Hz與60Hz同步陷波,消除50Hz與60Hz電源干擾;內(nèi)置時鐘振蕩器,省去外接晶振等。
5 稱重顯示器及鍵盤
顯示部分分為兩部分,一為采用128×64低功耗的點陣圖形式LCD模塊,用其來進(jìn)行參數(shù)選擇和功能實現(xiàn);二為保留常用的7位數(shù)碼管,能動態(tài)、醒目地顯示參數(shù)。鍵盤采用軟膜輕觸鍵盤。
6 D/A轉(zhuǎn)換器
D/A轉(zhuǎn)換器采用AD5664,AD5664是一款采用3mm×3mm10引腳LFCSP(引腳架構(gòu)芯片級封裝)超小型封裝的16位四數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
配料控制器的稱重模塊
稱重模塊包括激勵電源、傳感器、稱重儀表放大器、ADC。
為了提高試驗精確度,長線測量時,采用六線制[3]。即在原有四線制的基礎(chǔ)上增加兩根電纜作為供橋電壓的反饋,并接到ADC的基準(zhǔn)電壓端,如圖3。激勵電壓的漂移都會使輸出信號產(chǎn)生相應(yīng)的漂移,六線制中ADC輸入信號及基準(zhǔn)由同一激勵源導(dǎo)出,若被測量未改變,ADC的數(shù)字量輸出不會隨電橋激勵電壓的漂移而改變。因此無需精確、穩(wěn)定的基準(zhǔn)源便可以實現(xiàn)精確測量。
AD模塊
典型傳感器的靈敏度一般為2mV/V。對于這樣的傳感器,在728V電壓激勵的情況下,最大的輸出為16mV。但是為了保證線性的電壓輸出,通常只用到最大輸出范圍的2/3,一般為10mV。在LCD上顯示的稱為外碼。為了保證外碼的精度,通常需要更高數(shù)量級的內(nèi)碼作為保證[4]。如一些標(biāo)準(zhǔn)的衡器就需要內(nèi)碼為20倍的外碼。因此顯示分辨為1:10000的高端衡器的就需要1:200000的內(nèi)碼分辨率。增益設(shè)為100時,ADC的輸入范圍為1000mV,如果參考電壓為215V,這就意味著只利用約1/3ADC的動態(tài)范圍。如果對1000mV需要達(dá)到1:200000內(nèi)碼的要求,那就需要ADC可以達(dá)到l:600000的分辨率,也就需要l9204～大20位的精度。
AD7799是美國模擬器件公司(ADI)的一款3通道24位Δ2∑型ADC,適用于高精度工業(yè)級轉(zhuǎn)換。
配料儀表的精度主要取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率,模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇對決定儀表性能至關(guān)重要,AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不僅決定采集電路所能轉(zhuǎn)換的模擬電壓動態(tài)范圍,也在很大程度上影響測試電路的轉(zhuǎn)換精度。AD7799有效分辨率23位,峰2峰分辨率15位(gain=1,轉(zhuǎn)換率為4117Hz)。
轉(zhuǎn)換速率,確定AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率時,應(yīng)該考慮系統(tǒng)的采樣速率,AD7799可達(dá)4117～470Hz。
量程,輸入信號最小值有從零開始,也有從非零開始的。AD7799絕對輸入電壓(GND+100mV)～(AVDD2100mV)(gain=1,有輸入緩沖)。
線性度,ADC實際轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移,AD7799非線性度為±0.0015%。其他參數(shù)可參考ADI的說明書。
配料儀表放大器
配料儀表放大器是一種放大輸入差分信號電壓而抑制兩輸入端的共模信號的放大器。在一般的采樣系統(tǒng)中,信號都要先經(jīng)過放大器的放大,再進(jìn)入ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中放大器的作用如下:
l)以往大多數(shù)ADC的模擬輸入電壓范圍在110V之間,而多數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的模擬輸入信號比較小,因此放大器是最基本的外圍模擬電路之一。
2)共模抑制功能,對信號在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前先進(jìn)行調(diào)理,實現(xiàn)對噪聲的抑制。
3)阻抗變換功能。某些ADC的模擬輸入端輸入電阻比較小,而模擬信號源的內(nèi)阻常常比較,這時選用高輸入、低輸出阻抗的放大器是必要的。
Al和A2運算放大器緩沖輸入電壓。整個差分輸入電壓都呈現(xiàn)在電阻Rg兩端,所以差分增益可以通過在Rg兩端并聯(lián)電阻來調(diào)整,但不增加共模增益和誤差,即差分信號將按增益成比例增加,而共模誤差則不然。電阻網(wǎng)絡(luò)集成在配料儀表放大器芯片內(nèi)部,一旦這個減法器電路的增益用比率匹配的電阻器設(shè)定后,在改變增益電阻Rg時不再對電阻匹配有任何要求,也不存在電阻匹配問題。INA131就是一款這樣的配料儀表放大器。傳遞函數(shù)見以下公式,不接外界增益電阻時放大倍數(shù)為100.057。
由于INA131是雙電源放大器,當(dāng)接在單電源電路里,必須在Ref端接適當(dāng)?shù)钠秒妷骸?Vin+-Vin-)最大為20mV時,(Vout2Vref)為2V,可選擇Ref為215V,Vout最大為415V,滿足ADC的輸入要求。同時將Vout和Vref分別連接到ADC的IN+、IN-端,形成全差分輸入。另外,在信號進(jìn)入儀表放大器之前,簡單的RC或LC濾波是很有必要的。
配料控制器的測速模塊
根據(jù)脈沖計數(shù)來測量轉(zhuǎn)速的方法有以下三種:
1)在規(guī)定時間內(nèi)測量所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)來獲得被測速度,稱為M法測速;
2)測量相鄰兩個脈沖的時間來測量速度,稱為T法測速;
3)同時測量檢測時間和在此時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖個數(shù)來測量速度,稱為M/T法測速[5]。
以上三種測速方法中,M法適合于測量較高的速度,能獲得較高分辨率;T法適合于測量較低的速度,這時能獲得較高的分辨率;而M/T法則無論高速低速都適合測量,且具有較高的測量精度。因此通常采用M/T法進(jìn)行測速。
M/T法是指在測速過程中,不僅測取轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖個數(shù)m1,而且同時測取高頻時鐘脈沖的個數(shù)m2,關(guān)鍵是讓測量時間始終等于轉(zhuǎn)速傳感器m1個脈沖信號的周期之和。其測量原理如圖5。
具體實現(xiàn)方法是將測速傳感器的脈沖輸出經(jīng)過整形濾波后,經(jīng)光耦引到單片機(jī)的外部中斷0的輸入端,INT0采用下降沿觸發(fā)方式,依靠外部中斷0測取測速傳感器的脈沖個數(shù)m1,依靠定時器T2測取高頻時鐘脈沖的個數(shù)m2,在INT0的中斷服務(wù)程序中,記錄測速傳感器的脈沖個數(shù)m1,同時記錄T2的初值和終值;在T2的中斷服務(wù)程序中,記錄T2溢出的次數(shù)。外部中斷0服務(wù)程序流程如圖6。
動態(tài)配料控制系統(tǒng)
在輸送帶的上方有一個給料圓盤,給料圓盤由電機(jī)驅(qū)動。輸送帶運動時物料隨輸送帶輸送出去。輸送帶有電機(jī)驅(qū)動,測速傳感器輸出信號的頻率和輸送帶的速度成正比,稱重傳感器輸出的電壓信號和輸送帶上的物料成正比。輸送帶配料控制器接收速度信號和重量信號,經(jīng)過計算得到輸送帶上物料的瞬時流量，把瞬時流量和配料控制器內(nèi)設(shè)定的流量定值相比較,經(jīng)過PID調(diào)節(jié),輸出0～10mA或4～20mA的電流信號從而調(diào)節(jié)給料圓盤驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使物料流量盡可能的穩(wěn)定在設(shè)定值附近,并且有良好的靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)。
配料控制器對配料的要求從理論上說是要求每個瞬間都準(zhǔn)確,但是在實際工藝過程中,后續(xù)通常都有一些緩沖環(huán)節(jié),如混合器、攪拌機(jī)、貯料倉等,這都會將配料的不均勻予以稀釋,從而降低了高度瞬時準(zhǔn)確度的意義。另外,針對配料控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性和被控對象的特點,累積量的控制要比瞬時量的控制容易。因此,只要控制一定時間間隔Δt內(nèi)物料的累積量,就足以滿足工藝配比的要求。
本文給出了一種串級動態(tài)配料控制方案,主回路控制累計量偏差,副回路控制物料的瞬時流量,將原本標(biāo)準(zhǔn)PID算法對物料瞬時流量偏差的一次修偏,改為對累積量偏差的n(n=Δt/t,其中t為采樣周期)次糾偏,大大提高了調(diào)節(jié)品質(zhì)[6]。
結(jié)　語
本文介紹了動態(tài)配料控制器的原理和設(shè)計方法。著重介紹了該控制器的稱重模塊、測速模塊和自動配料系統(tǒng)的設(shè)計?，F(xiàn)已投入了試用階段,實踐證明,該稱重配料儀表取得了很好的效果,使用方便,性能穩(wěn)定,可靠性高,具有較高的計量精度和配料精度。

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