目前稱重配料係統在飼料、食品、添加劑、製藥、建材等生產行業廣泛應用, 所謂稱重配料, 即將若幹種原料按一定重量比例混合起來。近年來, 飼料生產行業的競爭日趨激烈, 稱重配料係統是整個飼料生產工藝的核心, 穩定並提高產品質量和產量是飼料生產發展的主要目標。基於這個目標開發的適用於飼料生產的稱重配料係統必須具有高速、高性能、高精度、高可靠穩定性等特點, 而其生產工藝決定了整個生產過程需要動態連續或間歇性動態連續進行。稱重配料控製器是稱重配料係統的核心, 出於成本、抗幹擾及性能擴展等因素考慮, 一般采用基於單片機係統開發的稱重配料控製器。本文介紹的稱重配料控製器是基於美國Cygnal 公司生產的高速高性能C8051F005 單片機設計開發的新型稱重配料控製器[ 1] 。在稱重配料控製器中與8051 全兼容的C8051F005 單片機的使用, 使係統擴展電路及芯片大大減少, 係統再擴成為可能, 線路簡單化, 便於維護, 並且有利於提高係統的穩定性和可靠性[ 2] 。本文著重對應用於飼料生產的稱重配料係統的控製策略進行研究, 同時就該稱重配料控製器的軟硬件技術特點和實現關鍵進行應用性探討。
1 飼料生產工藝簡介
1. 1 投料
飼料生產原料一般從各投料口投入, 按產品要求, 部分原料需先期進行粉碎、預混合等加工, 由刮板機和提升機, 通過分配器把各配料原料投放到規定的配料倉中。為了加強投料口原料的計量管理, 在送入配料倉前可安裝定量秤( 或K8凯发登录入口秤) 進行計量。
1. 2 配料
這是整個飼料生產的中心環節。由稱重配料控製器、吊裝式秤體及高精度稱重傳感器共同組成的稱重配料係統的核心部分, 與喂料絞龍、氣動( 或電動) 開關門裝置、混合機等其它設備配合使用完成整個稱重配料過程。
1. 3 出料
從混合機出來的混合粉料, 按產品要求, 部分直接到打包秤定量打包出品; 還有一部分進入製粒工段, 進行製粒加工, 隨後也進入顆粒成品倉, 再由打包秤定量打包出品。
2 稱重配料係統的主要控製策略
2. 1 控製方案
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。配料時物料從喂料絞龍出口落入秤體, 秤體重量變化經由支承秤體的稱重傳感器轉變為相應的毫伏電壓信號變化量, 輸入C8051F005 單片機後經放大、A/ D 轉換成數字量, MCU 對該數字量進行數字濾波處理並與設定值比較, 確定該種物料的當前配料情況, 並決定下一步的喂料方式。使用變頻調速器可實現無級調速喂料, 在本稱重配料控製器中, 從實用及方便的角度出發, 配方中每種物料的配料過程采用三級喂料速度: 開始用高速喂料, 以縮短配料時間; 通過中速喂料來調整喂料步伐; 再經慢速喂料( 或喂料電機點動) 達到配料精度。
至於當前物料剩餘配料量到多少進入相應的喂料速度為宜, 需要考慮物料的密度等因素進行設置並根據現場實測作出調整, 這與整個配料時間密切相關, 為了降低生產成本, 提高單位時間產量, 其設置及調整的目標就是保證配料精度, 盡可能縮短配料時間[ 3] 。為了實現這個目標, 除考慮喂料絞龍設計及電機配置等因素外, 一方麵可運用變頻調速器的的調速功能, 在剛開始配料時, 采用高速喂料, 若同一物料有多個配料倉, 可多個喂料絞龍同時喂料, 到適當時候進入單喂料絞龍的三級喂料速度方式; 另一方麵選擇最佳的當前物料剩餘配料量到多少進入相應的喂料速度的設置值, 在保證配料精度前提下盡可能縮短慢速及中速喂料時間, 特別是慢速喂料時間; 另外還需對整個配料係統的秤開門時間、混合機混合時間、混合機開門時間、配兩種物料之間的切換等待時間等進行合理的設置, 在保證質量和生產正常的前提下, 應盡可能減少所有等待時間。
2. 2 空中落差的計算
能否真正實現高精度配料主要取決於慢速喂料階段的軟件處理, 特別是空中落差處理, 這是稱重配料係統軟件設計的關鍵。所謂空中落差是指當某一物料喂料絞龍停止喂料時, 還有一部分在空中待落入秤體的物料。一般情況下, 同一物料配料倉基本固定, 即對應的喂料絞龍及電機不變, 而同一物料慢速喂料停止前喂料電機轉速、喂料絞龍內物料填充度等因素基本相同, 故對同一物料來講其空中落差也是基本相同的。空中落差與物料的密度密切相關。
假設喂料絞龍口到秤體內物料平麵的平均高度為H ( m) , 喂料速度為U(m/ s) = K 0f ( f 為變頻調速器的輸出頻率) , 喂料絞龍內徑為d (m) , 喂料絞龍內物料的填充係數為Q0 , 空氣阻力為物料重量的K 1 倍, 料的密度為C( kg/ m3) 。則物料從喂料絞龍口下落到秤體所需的時間T 為: T = 2H Þ ( 1- K 1) g ( 1)進而可推得喂料絞龍停止喂料後空中落差重量值$W 為:
$W = UTQ0 CPd 2 Þ 4 = K 0f Q0CPd2 2H ( 1- K 1) g Þ 4( 1 - K 1) g ( 2)
從( 2) 式可以看出, 空中落差重量值$W 與高度H , 絞龍內徑d , 喂料速度U , 物料的密度C有關,在整個稱重配料係統中, 由於喂料絞龍和秤體的位置已經固定, 即H , d 是常量, 在配料過程中, 慢加料速度也是不變的, 即U = K 0f 是常量, 而Q0, P, K 1, g 均是常數, 因此, 空中落差重量值$W 僅與物料的密度C成正比關係。
2. 3 空中落差的在線補償算法
在實際配料生產過程中, 空中落差值還受喂料絞龍出口到秤體實際下落位置間的高度變化、喂料絞龍喂料速度波動等不確定因素的影響, 故需對空中落差值進行在線測量:
$Wi, k = Wi , k - Wi 0, k ( 3)
( 3) 式說明在配第k 批料中, Wi 0, k 為配第i 種物料喂料絞龍停止時刻的重量值, Wi, k 為配第i 種物料完成並經延時後的重量值。采用有限記憶估計空中落差修正值:$W^= $W^
i, k- 1 + [ $Wi , k - $Wi , k- N ] Þ N ( 4)
( 4) 式中N 為一個正整數。該遞推估計算法的傳遞函數為:
G( z ) = ( 1- z- N ) Þ N ( 1- z- 1) ( 5)
( 5) 式所表示傳遞函數的頻率特性為一低通濾波器。因此在稱重配料過程中, 空中落差的修正正是利用空中落差修正後的重量估計值作為期望值同實際重量值相比較:W ^i , k = Wi , k - $W^i, k- 1 ( 6)
( 6) 式中W^i , k 為第i 種物料配料過程中的采樣值。
2. 4 空中落差的處理
處理空中落差的原則是提前關閉喂料絞龍。配第一批料時各物料的提前量根據不同物料通過具體配料實踐摸索得到的空中落差的經驗值進行設置, 配後一批料時根據前一批料中各種物料的配料誤差情況, 進行實時地、動態地在線調整空中落差值。
在實際應用中, 需在線遞推辨識空中落差與喂料速度的變化率, 從而實現對空中落差進行自適應修正, 在每次生產結束時, 將各物料空中落差的最終估計值( 可能是最佳值) 保存, 以提供下一次同一配料倉同一物料配第一批料時作為提前量的經驗值使用。
在整個配料過程中, 由於喂料絞龍出料口到物料在秤體的實際下落位置之間的高度存在波動, 並對空中落差產生一定的影響, 為了最大限度降低該影響, 一般情況下, 采用某一批料中大比例物料先配小比例物料後配的配料順序。
3 稱重配料係統的主要軟硬件技術特點及實現關鍵
3. 1 自動配料過程的軟件實現
自動配料過程的流程如下: 首先稱重配料控製器確認秤體中無料且秤門已關, 根據配方, 由稱重配料控製器控製喂料絞龍及變頻調速器先後對各配料倉中的原料進行定量喂料; 等一批料配完後, 檢查混合機, 確認無上一批料且門已關後, 開秤門卸料, 延時並確認料已卸完, 關好秤門繼續配下一批料。同時開始混合延時計時, 混合時間一到, 開門放料, 由刮板機和提升機把混合料運到成品倉, 開門延時一到, 關閉混合機門, 從秤體中卸下第二批料, 繼續開始混合。這樣周而複始, 直到完成了某一配方配料的全部批次。( 有些配方需加入不宜通過料倉和秤體添加的物料, 如微量料或油脂等, 可由稱重配料控製器在開秤門時發出通知, 由人工、氣動或電動裝置直接投入混合機) 。
由於飼料配方包含物料品種較多, 同時考慮到配料精度及生產工藝, 一般情況下, 根據物料在整個配方中的重量比例, 分別在主( 大秤) 、副( 小秤) 稱重配料係統中完成配料( 投料時即要求定向投放, 大比例料在大秤, 小比例料在小秤) , 大秤和小秤之間建立聯鎖關係, 卸料後進入同一混合機完成混合。
3. 2 稱重傳感器的連接
在本文介紹的稱重配料係統中, 秤體采用柱狀吊裝式結構, 為了使秤體平衡一般配置三隻拉式稱重傳感器吊裝。而同一型號的稱重傳感器在相同的重量下的毫伏電壓輸出值與供橋電壓有關。為了得到相同重量下的相同的毫伏輸出, 需給三隻傳感器分別提供可調整的高精度供橋電壓, 克服物料從喂料絞龍下落到秤體的不均衡性, 使物料處於秤體的任何位置, 均得到相同的毫伏電壓信號, 並把各稱重傳感器的毫伏輸出進行串聯連接。
3. 3 開關量輸出驅動的實現
飼料生產現場環境惡劣, 幹擾源多, 為了增強係統抗幹擾能力並提高係統可靠性, 在開關量輸出驅動中采用專門設計的光電耦合隔離技術: 一級光電耦合采用TLP521 芯片, 二級使用光電耦合無觸點可控矽觸發芯片MOC3063, 直接輸出控製可控矽驅動接觸器。
4 結束語
本文通過對飼料生產稱重配料係統的控製策略的研究, 特別是對配料過程中的空中落差的研究, 推出了實現該控製策略的高性能稱重配料控製器, 針對飼料生產工藝, 進行合理、可靠的軟硬件設計, 既具有高性能的自動配料控製功能, 也具有完善的人工手動配料功能; 同時具有打印報表、貯存配方等一般管理功能, 在飼料廠可單獨使用, 也可與計算機配合使用, 建立通訊, 進一步增強管理功能; 另外在硬件設計中, 充分考慮係統的可擴展性, 隻要稍加修改就可以應用於其它行業的稱重配料係統, 因此該稱重配料控製器具有較高的性價比, 值得繼續研究並加以推廣應用。

本文源於網絡轉載，如有侵權，請聯係刪除