摘要：在分析、研究日本公司的CB920、美國托利多的Panth 以及長(zhǎng)沙建設(shè)電子的PLC- 3 的基礎(chǔ)上，提出了一種新型螺旋加料動(dòng)態(tài)定量稱重控制方法。該方法基于自校正預(yù)測(cè)控制算法，較好地解決了動(dòng)態(tài)定量稱重過程中精度和速度的矛盾。從系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、控制策略及軟件設(shè)計(jì)策略三方面論述了4 通道混凝土攪拌配料控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：配料控制系統(tǒng)；螺旋加料；自校正預(yù)測(cè)控制算法；軟件抗干擾
中圖分類號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
我國自60 年代開始研制混凝土攪拌站，主要用于水利工程。80 年代中期開始生產(chǎn)小型混凝土攪拌站，用于工業(yè)與民用建筑工程。90 年代后我國的攪拌站技術(shù)發(fā)展很快?，F(xiàn)今國內(nèi)配料攪拌控制器大多是單通道，如果要對(duì)水泥、泥沙、水、外添加劑進(jìn)行同時(shí)稱量，需要4 個(gè)控制盒，通過上微機(jī)協(xié)調(diào)控制，顯然這種狀況制約了組建大型攪拌站。研制的WY2006 采用高速SOC C8051F 系列單片機(jī)及多任務(wù)分時(shí)復(fù)用方法，有效地把4 個(gè)盒子集成為一個(gè)盒子。WY2006 采用了高精度多路模擬開關(guān)，有效地把四路放大濾波保護(hù)電路縮減為一路，減小了體積和制作成本。目前在國內(nèi)動(dòng)態(tài)定量配料行業(yè)存在動(dòng)態(tài)精度與速度不能兩全的狀況。該系統(tǒng)采用自校正預(yù)測(cè)控制算法較好地解決了這個(gè)問題。
1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
1.1 系統(tǒng)實(shí)物簡(jiǎn)介
小型混凝土配料攪拌控制系統(tǒng)由九個(gè)料倉、四個(gè)稱量斗、16 個(gè)壓力傳感器、一臺(tái)攪拌機(jī)、一個(gè)WY2006 攪拌控制器、一臺(tái)上位機(jī)、一臺(tái)微型打印機(jī)、一些避雷器、中間繼電器等。小型攪拌站實(shí)物簡(jiǎn)圖如圖1。如果是大型商用攪拌站，一臺(tái)上位機(jī)能監(jiān)控幾臺(tái)WY2006，組成集散控制系統(tǒng)（DCS）。
1.2 WY2006 硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
控制盒WY2006 采用三片高速SOC 分級(jí)控制：C8051F020、C8051F350、C8051F320。WY2006 的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2。
C8051F020 是主控制芯片，它通過UART 口與C8051F350 和C8051F320 通信，它才是系統(tǒng)的決策者。C8051F350 是模擬信號(hào)采集部分的副控，內(nèi)置了24 位Σ- ΔADC。C8051F320 控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AT45DB081、232 轉(zhuǎn)換芯片、485 轉(zhuǎn)換芯片。并且C8051F320 內(nèi)置了USB2.0 轉(zhuǎn)換芯片可直接接USB接口，不需外擴(kuò)其它外圍電路，做成的USB 口可以高速（12Mb/s）或低速（1.5Mb/s）運(yùn)行。采用多片單片機(jī)分級(jí)控制是有許多好處的，比如：可以減少程序的嵌套、提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)調(diào)試方便。
控制盒的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是模擬信號(hào)處理部分，它由高精度模擬開關(guān)、儀用放大器、巴特沃滋濾波器、帶AD 的單片機(jī)等組成。這部分電路如圖3。由于模擬信號(hào)比較微弱，為（0~20）mV，因此，使用一般的模擬開關(guān)（例如：CD4051 等）恐怕無法勝任，必須選用高精度模擬開關(guān)作為微弱信號(hào)的切換芯片將4 路差分信號(hào)通過時(shí)分復(fù)用的手段轉(zhuǎn)換成1 路差分信號(hào)送入INA131 儀用放大器放大100 倍，然后通過一個(gè)OP07 組成的巴特沃滋濾波器，將信號(hào)通頻帶限制在大約30Hz 以下。最后，通過帶高精度AD 的單片機(jī)C8051F350，將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，然后單片機(jī)直接就對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后將優(yōu)選數(shù)據(jù)送給主控單片機(jī)芯片，同時(shí)，此單片機(jī)肩負(fù)著切換模擬開關(guān)的任務(wù)。
2 稱重控制策略的研究
國內(nèi)定量配料、定量包裝中缺少先進(jìn)的螺旋加料動(dòng)態(tài)定量稱重控制方法，所以動(dòng)態(tài)精度低，速度慢。在一些不能快速在線準(zhǔn)確稱重的行業(yè)中，為防止因重量不足而失去信譽(yù)，不得不采用稍微超重稱重裝料的方法。本文在研制水泥動(dòng)態(tài)定量稱重配料中，通過分析螺旋加料動(dòng)態(tài)在線定量稱重過程，給出了一種新型雙速變徑變距螺旋加料動(dòng)態(tài)定量稱重控制方法。該方法采用“先快后慢、最后點(diǎn)動(dòng)”的控制方式，較好地解決了動(dòng)態(tài)定量稱重過程中精度和速度的矛盾。理論和實(shí)驗(yàn)的研究表明，該方法對(duì)動(dòng)態(tài)在線定量配料方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。
2.1 控制方案
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(shí)物料從物料儲(chǔ)存罐落入秤體，秤體重量變化經(jīng)由支承秤體的稱重傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的毫伏電壓信號(hào)變化量，輸入儀用放大器（抑制共模對(duì)差模的干擾）放大100 倍，通過A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，MCU 對(duì)該數(shù)字量進(jìn)行數(shù)字濾波處理并與設(shè)定值比較，確定該種物料的當(dāng)前配料情況，并決定下一步的配料方式。
螺旋加料裝置是保證動(dòng)態(tài)定量稱重精度和均勻度的重要環(huán)節(jié)。由于螺旋加料機(jī)電一體化裝置的非線性和強(qiáng)無自衡性，以及在加料過程中物料的粒度、濕度和料倉壓力等又會(huì)引起加料流量的不穩(wěn)定性。若加快稱重速度，則物料對(duì)料斗的沖擊將影響稱重的精度和穩(wěn)定性。而若提高稱重精度，就不得不降低加料速度。為了協(xié)調(diào)稱重精度和稱重速度的矛盾，目前大部分動(dòng)態(tài)在線定量稱重設(shè)備采用兩段加料方式，該加料方式只在一定程度上能夠兼顧精度和速度的要求，精度不高，且存在超差。由于螺旋加料的不可逆性，定量稱重超差無法彌補(bǔ)，只能重新進(jìn)行。
為了提高效率和解決超差問題，使用變頻調(diào)速器可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速下料，在本稱重配料控制器中，從實(shí)用及方便出發(fā)，配方中每種物料的配料過程采用三級(jí)下料速度（如圖4）。在稱重開始時(shí)“快速加料”，當(dāng)達(dá)到快速加料預(yù)測(cè)給定值Wg1 時(shí)開始“慢速加料”；當(dāng)?shù)竭_(dá)慢速加料預(yù)測(cè)給定值Wg2 時(shí)，延遲一段時(shí)間等待空中料落入料斗，如還達(dá)不到物料定量值Ws 的系統(tǒng)允許誤差下限值WsL 時(shí)，則開始慢速“點(diǎn)動(dòng)加料”，直到物料凈重大于WsL 時(shí)才開料斗門卸料。由于每次點(diǎn)動(dòng)加料時(shí)間隨著物料差值的減小而減小，所以有效地避免了超差的發(fā)生。
由于螺旋加料機(jī)械裝置的時(shí)變性，與圖4 中時(shí)間（t1～t4）所對(duì)應(yīng)的加料流量曲線如圖5 所示。當(dāng)發(fā)出加料信號(hào)后，螺旋機(jī)械總要滯后一段時(shí)間才開始加料；當(dāng)停止加料時(shí)，螺旋加料機(jī)械慣性又要延遲一段時(shí)間才能停止；螺旋加料停止后，空中還有尚未落入料斗的空間料（稱為落差B，也稱為提前停機(jī)量），使稱量值增加，其增加量的大小與停止加料前的流量有關(guān)。慢速加料時(shí)間越長(zhǎng)，Qg2 越穩(wěn)定，相應(yīng)預(yù)測(cè)的B 越準(zhǔn)確，但降低了稱重速度。若從定量稱重速度上考慮，Wg1 越大越好，但Wg1 越大則慢速加料時(shí)間越短，又會(huì)影響定量稱重精度。因此，如何正確預(yù)測(cè)B 并如何動(dòng)態(tài)在線修正Wg1 和Wg2，是同時(shí)實(shí)現(xiàn)定量稱重精度和速度的關(guān)鍵問題。
2.2 空中落差補(bǔ)償
能否真正實(shí)現(xiàn)高精度配料主要取決于慢速下料階段的軟件處理，特別是空中落差處理，這是稱重配料系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。所謂空中落差是指當(dāng)某一儲(chǔ)料罐停止下料時(shí)，還有一部分在空中待落入秤體的物料?？罩新洳顭o法用一個(gè)固定的參數(shù)加以補(bǔ)償，落差可以用如下二階預(yù)報(bào)模型予以補(bǔ)償：
在線估計(jì)θ（k+1），并用估計(jì)參數(shù)來代替真實(shí)參數(shù)θ，而得到最小方差自校正調(diào)節(jié)器。在實(shí)際控制過程中，β0一次取定為0.9，不參與估計(jì)運(yùn)算；遺忘因子λ取值0.99；遞推初始值θ（0）取在線辨識(shí)的一組定常參數(shù)；y（0）由實(shí)驗(yàn)選定；取u（0）=0，經(jīng)過3～4 次稱重，就可使落差補(bǔ)償預(yù)測(cè)值逼近真值?？焖偌恿辖o定值的修正原理是根據(jù)慢速加料的時(shí)間長(zhǎng)短來調(diào)節(jié)Wg1，即用如下一階預(yù)測(cè)模型：
Wg1 （k+1）=Wg1 （k）+[Wg2 （k）-Wg1 （k）][T2 （k）- T2]/T2
式中：Wg1 （k）和Wg2 （k）分別是第k 次快速加料與慢速加料預(yù)測(cè)給值；[Wg2 （k）-Wg1 （k）]為第k 次慢速加料重量；T2 （k）是第k 次慢速加料時(shí)間；T2 是常數(shù)，它是由實(shí)驗(yàn)整定的最佳慢速加料時(shí)間；Wg1 （k+1）是第（k+1）次快速加料預(yù)測(cè)給定值。
3 軟件設(shè)計(jì)策略
3.1 軟件去皮及誤差補(bǔ)償
皮重即配料計(jì)量秤在配料開始前已具有重量。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)配料過程中皮重不可避免，因此在每一次配料開始時(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。
3.2 數(shù)字信號(hào)的輸入輸出方法
干擾信號(hào)多呈毛刺狀，作用時(shí)間短。利用這一特點(diǎn)，在采集或輸出數(shù)字信號(hào)時(shí)，多次重復(fù)采集或重復(fù)輸出。連續(xù)兩次或兩次以上采集結(jié)果完全一致，方為采集信號(hào)有效。若多次采集后，信號(hào)總是變化不定，可停止采集，給出報(bào)警信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)只是1 和0 的變換，所以對(duì)這些信號(hào)不能采用多次平均方法，必須絕對(duì)一致才行。重復(fù)輸出周期盡可能短些，外部設(shè)備接受到一個(gè)被干擾的錯(cuò)誤信息后，還來不及做出有效反應(yīng)，一個(gè)正確的輸出信息又到來，可以及時(shí)防止錯(cuò)誤動(dòng)作的產(chǎn)生。
3.3 數(shù)字濾波
數(shù)字濾波有硬件的功效，但卻不需要硬件投資。由于軟件算法的靈活性，其效果往往是硬件電路所達(dá)不到的，它的不足之處是要占用CPU 資源。本系統(tǒng)的模擬板單獨(dú)使用一塊CPU 有利于處理數(shù)字濾波、非線性修正、傳感器掉線檢測(cè)以及修正傳感器激勵(lì)源電壓變化對(duì)采集信號(hào)的影響等方面。干擾信號(hào)分周期性和隨機(jī)性兩種，采用積分時(shí)間為20ms 整數(shù)倍的雙積分型A/D 變換方式，能有效地抑制50Hz工頻干擾。對(duì)于非周期性的隨機(jī)干擾，常采用數(shù)字濾波方式來抑制。數(shù)字濾波算法有程序判斷濾波、中值濾波、算術(shù)平均濾波、去極值平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動(dòng)平均濾波及低通濾波等。WY2006 采用低通濾波算法。
4 結(jié)語
經(jīng)過系統(tǒng)研發(fā)及產(chǎn)品長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，得出如下結(jié)論：
?。?）系統(tǒng)采用多CPU 分級(jí)控制，優(yōu)點(diǎn)是編程方便快速，少嵌套。
?。?）傳感器測(cè)得的小信號(hào)經(jīng)過儀用放大器、巴特沃滋濾波器后，模擬信號(hào)變得穩(wěn)定精確。
（3）采用高精度多路模擬開關(guān)ISL43741IR 使得切換電壓小信號(hào)成為可能，并且放大濾波采集電路分時(shí)復(fù)用使得電路板面積縮小，成本降低。
?。?）本文給出的動(dòng)態(tài)定量稱重螺旋加料控制方法采用“先快后慢、最后點(diǎn)動(dòng)”并引入自校正預(yù)測(cè)控制算法，較好地解決了動(dòng)態(tài)定量稱重精度和速度的矛盾。
參考文獻(xiàn)：
[1] 鄭德忠，何群.一種加權(quán)廣義預(yù)測(cè)自適應(yīng)遞推優(yōu)化控制算法[J].電子學(xué)報(bào)，2005，33（8）：1442- 1445.
[2] 王偉.廣義預(yù)測(cè)自適應(yīng)控制的直接算法及全局收斂性分析[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，1995，21（1）：57- 62.
[3] 郭靜，劉付火，王章瑞.單片機(jī)C8051F320 及其USB 接口應(yīng)用[N].電子世界，2004.
[4] 張迎新，雷文，姚靜波.C8051F 系列SOC 單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005
