1 概 述

配料系统被广泛地应用在各生产部门中。纵观现有的配料系统，控制大多采用人工控制、 PLC控制和工业微机控制系统。但是， 这些配料控制系统应用范围比较窄，专用性比较强， 通用性比较差， 成本也比较高。市场迫切需要一种自动化程度高、 通用性强、工作可靠性高、 人机交互界面友好、 成本低的新型配料系统。

在制造、生产领域， 配方是用来描述生产一件产品所用的不同配料之间的比例关系，是生产过程中一些变量对应的参数设定值的集合。例如陶瓷生产产品过程为： 采用不同颜色的粉料以一定的比例进行混合 →压制 → 烧成。陶瓷生产具体的配料过程为：陶瓷工厂采用进厂的原材料，经过球磨、喷雾干燥等过程形成一定颗粒级配的粉料，粉料由皮带输送机送入不同的粉箱中存储， 这些粉料中因在原料配料过程中引入了不同颜色的色料，故此有不同颜色的粉料。配料过程采用电子秤配料， 电子秤采用电脑控制，在不同的粉箱下面有一台由电脑控制的皮带，通过控制流量来达到配比的要求。不同比例的粉料经配料秤后到一个混合器混合为压机压制的粉料， 至此配料过程完成。

为了探讨自动配料系统向这一方向发展的可能性，本文结合陶瓷生产配料的过程和特点， 设计了这一套自动配料系统，以供工程设计人员参考。

这种控制方案具有通用性强、自动化程度高、 工作可靠性高、 人机界面友好、 成本低等优点。

2 总体方案的初步制定

为了实现对系统所预定的要求，我提出了以下三种设计方案。

方案一：

这种方案采用一级控制结构——直接利用工业PC 机安装上通用I/O 卡和A/D 扩展卡进行数据采集和控制。这种方案利用A/D扩展卡对配料系统中的压力传感器进行A/D转换、 数据采样，再通用 I/O卡控制继电器板， 控制配料系统中的各个继电器。这种方案的工作原理见图 1 。 这种方案的工作原理是： 称重料斗上的压力传感器的模拟电压或电流信号经过多路信号放大器放大后，送到工业PC 机上的A/D扩展卡， 由 A/D扩展卡进行A/D转换。再利用工业 PC机上的配料控制系统应用软件对A/D 转换数据进行采样， 然后进行逻辑控制， 通过通用 I/O卡输出到继电器板上， 控制各个继电器。这种方案将多路信号放大器和继电器板、电源模块做到一块， 形成一个输入输出模块。这种方案的特点是结构简单，控制原理简单明了， 硬件设置、 配方修改简单容易， 但成本比较高， 同时因为多路信号放大器和 A/D扩展卡不是做在一起， 那么工业 PC 机与多路信号放大器的距离没有太远， 否则就会引起比较大的测量误差。工业 PC 机必须放在生产车间， 其工作环境就变差， 影响工作的可靠性和减少其工作寿命。

方案二：

这种方案采用两级控制结构——利用可编程控制器PLC 进行模拟数据采集、 控制配料系统、 与工业 PC机通讯以实现程序修改和配方修改。这种方案的工作原理见图2 。这种方案的工作原理是：称重料斗上的压力传感器的模拟电压或电流信号经过多路信号放大器放大后，接入可编程控制器PLC 的模拟单元。PLC 根据程序对模拟单元中的模拟信号进行 A/D 转换、 数据采集， 然后根据配方数据进行控制， 直接在 PLC 上的输出单元输出控制模拟信号。工业 PC机的主要作用是对 PLC 进行程序修改、 配方修改， 利用通讯模块与 PLC进行数据通讯。 这种方案将多路信号放大器、电源模块和 PLC 做到一起， 可以脱离工业 PC 机工作。这种方案的特点是控制可靠性高， 自动化程度高， 工业 PC 机可以距离控制单元 ( 即 PLC 控制系统 ) 比较远， 可以把工业 PC 放到车间里的机房里， PLC控制系统对工作环境的要求并不高， 直接安装在生产机器附近。 但是这种方案采用的模拟单元、通讯单元、 PC 机上的通讯插卡成本高， 大大地影响了它的应用。

方案三：

这种方案采用两级集散型控制结构——利用单片机控制系统进行模拟数据采集、控制配料系统、 把采集的重量数据送到 PC 机显示， 还能利用可接入的辅助键盘 / 显示模块进行控制；PC 机除了显示各称重料斗的瞬时重量数据， 还具有硬件设置、配方设置、 修改、 加载、 配料系统控制逻辑设置的功能。这种方案的工作原理见图3。其工作原理是： 称重料斗上的压力传感器的模拟电压或电流信号经过多路信号放大器放大后，接到单片机系统中的 A/D 转换模块， 单片机系统对输入模拟信号进行 A/D 转换、 数据采集，利用存储在 EEPROM 中的配方数据进行控制，同时将采集的数字信号通过 RS-232标准通信模式送到 PC 机显示。 输出信号经过I/O模块输出到配料系统中，对配料系统进行控制。 PC机这种方案把多路信号放大器、I/O模块、 电源模块和单片机系统做到一起，控制可靠性高； PC 机把从单片机控制系统送上来的数据显示到屏幕上， 并通过形象的图形效果把配料系统的工作情况显示到屏幕上。PC机的配料系统应用软件还能实现硬件设置、 配方的管理， 使得单片机系统在配料机械系统改变是实现不需要改变程序就能够满足新的配料机械系统的控制要求。

这种方案的特点是自动化程度高，控制可靠性高，通用性强， 可以实现远程监测和管理， 可以把 PC 机安装在生产车间里的机房里或者安装在再高一级的管理部门里， 方便管理部门实时管理生产活动，它的设计、 制造成本较低。

通过上述三种方案的比较，我们认为方案三的优点比较突出。它的通用性强， 能充分利用PC 机的强大功能， 编写出自动配料控制系统友好的人机界面，这也符合目前计算机应用软件向智能化发展的趋势。

3 自动配料系统的硬件结构设计

单片机控制的硬件系统主要由主机板、子卡和输出卡组成。主机板主要功能是实现与微机控制系统通讯。 主机板可以同时插上多个子卡，以实现控制多个配料系统。 它不断地从各子卡中输入重量数字量，然后送到 PC 机， 在修改控制逻辑关系和参数时接收配方参数并送到对应的子卡。子卡的功能就是不断地将由多路信号放大器送过来的经过放大后的模拟信号转成数字量，并通过和存储在存储器中的配方数据进行比较，在需要输出控制信号的时候把数字输出信号通过数据总线输出到插在子卡上的输出卡，由输出卡通过光耦开关控制各继电器。输出卡做成一种插卡的形式插在功能模块上， 通常一个子卡控制一套配料系统。单片机控制系统的结构简图见图 4 。

4 自动配料系统的上位软件设计

PC机配料控制应用软件主要的功能是可以实时显示各被控料斗的重量， 同时在配料系统的设置改变或配方改变的时候能重新进行系统设置和配方管理。为了能达到预期的目的， 同时还能实现人机界面友好的效果， 系统采用Borland公司的Delphi 5 编程软件。该软件具有强大的界面编程功能，能很方便地使用它编出界面友好的应用程序， 同时它具有强大的数据库功能，能很好地处理好配方数据， 还能制作自定义的ActiveX控件， 这恰好能满足自动配料系统上位机应用软件的要求。因此决定采用Delphi5.0这种使用方便、功能强大的编程软件编出自动配料控制系统的上位机应用软件。

在软件的结构设计上，考虑到该软件要同时监视多套配料系统的需要， 也就是说要求该软件能够同时显示多个窗口，结构上就应该采用多文档处理结构， 类似于 Office文字处理软件的结构。这在Delphi 5.0中利用多文档窗口是可以实现的。由于串行通讯只有一条通讯线路，为了同时能为多个配料系统提供重量数据而又不会产生资源冲突， 必须要设计一个后台运行的通讯程序，不断地从下位机中取出各称重料斗的重量数据， 送到对应的数据接口中。各个被控配料系统的监视程序就利用这些数据接口接收到本配料系统的输人数据。

关于配方数据库管理方面，利用Delphi 5.0强大的对象联接功能联接SQL 7.0 数据库，可以做到对配方数据库的管理。

关于系统设置方面，参考利用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司出品的“ 全中文工控组态软件”采用的组态控制的概念， 利用图像控件在屏幕上的移动组合和设置一些参数，就可以达到生成控制逻辑关系， 对系统进行控制、监测的功能。利用Delphi 5.0 的自定义 Aclive X控件功能， 自定义一批控件及其参数、 接口， 可以达到组态控制的功能。这样就可以达到预期人机界面友好、 控制使用方便明了的目的。

上位软件的设计难点是利用组态的技术实现配料系统的设置和监视，还有配方的管理和后台通讯模块的设计。上位软件主要结构分为两级：主窗体系统和子窗体系统。主窗体系统主要是一个主窗体， 它主要负责对于窗体系统的管理和负责与下位机的数据交换。子窗体系统主要由监视子窗体、编辑子窗体、 控件属性子窗体组和配方数据库子窗体组组成。监视子窗体负责显示配料系统的工作情况；编辑子窗体负责编辑一个新的或者对原有的配料系统的设置进行编辑； 控件属性子窗体组负责对控件的属性进行设置；配方数据库子窗体组负责对配方数据进行管理。所有的系统设置都用文件的形式保存下来，配方数据库也用 ABC 文件保存下来，每次打开监视子窗体的时候，都要求选择配料系统设置文件， 把系统设置读取出来后就按照设置文件运行监视程序。程序的结构简图见图 5。

4.1 配料系统监视程序的设计

配料系统监视程序的功能是通过后台通讯模块的输出接口接收对应的配料系统的重量数据并且在屏幕上显示出来，同时利用图形效果把整套配料系统的工作情况显示出来。监视程序的主体界面就是监视自窗体。配料系统监视程序不处理用户的任何操作，它一直工作在监视状态下， 因此该窗体上没有任何的操作按钮。

监视程序在子窗体加载时首先打开所选择的配料系统设置文件和对应的配方文件，读取系统设置参数和配方参数， 然后进入监视程序。配料系统设置文件和对应的配方联系设置文件在保存的时候就把它们定为同名但不同扩展名的顺序文本文件。系统设置文件和配方文件都是采用顺序文件形式保存，因此打开和读取这两个文件的时候是采用读取顺序文件的方法读取它们。监视程序也是利用Timer 控件不断地从通讯模块的输出接口读取重量数据，然后对配方数据参数进行比较，需要改变系统状态的时候就调用改变状态显示子程序。

4.2 配料系统编辑程序的设计（组态技术的应用）

配料系统编辑程序主要由编辑子窗体、属性框和料斗配方设置框， 它的功能是实现系统的系统设置、配方编辑和管理。它的设计应用了组态的概念， 即利用图像控件在屏幕上的移动组合和设置一些参数，就可以达到生成控制逻辑关系， 对系统进行控制、监测的功能。为了实现组态的

功能，利用 Delphi 5.0 的自定义控件开发功能， 制作了 8个配料系统结构控件，并且为它们分别定义了有关的属性， 通过改变这些属性就可以对其进行控制。在子窗体上添加一个工具栏以方便操作。子窗体的所有功能都通过单击工具栏上的按钮执行对应的功能程序来实现。程序在设计的时候就分别为子窗体添加了这 8 个配料系统结构控件， 但把它们都隐藏起来， 程序运行的时候就把它们或利用控件数组所创建的新控件显示出来。系统还有删除控件的功能，方便在设置系统的时候能把多余的控件从屏幕上删除掉。删除控件功能的实现主要靠在单击任何控件的时候都把该控件记录下来，当按下键盘上的Delete“键或单击工具栏上的删除键时就执行删除程序把记录的控件删除掉或把它们隐藏起来（ 对第一个控件）。 8 个系统结构控件都由工具栏上的 8 个按钮控制。为了实现组态的功能，每个重要的控件都需要对其进行参数设置。对控件的参数设置都可以通过双击该控件弹出控件屑性框来设置。通过设置该属性框里的参数就可以为控件设置了新的属性值。在设置完成后，通过工具栏上的保存系统设置按钮把系统的设置保存成文件。在各控件设置完了之后， 还要和系统对应的配方联系上， 也就是哪个料斗装配方中的哪种物料还需要设置。本系统还允许用户对同一套配料系统拥有两个料斗秤，分别为高精度配料秤和低精度配料秤， 目的是为了当遇到某些成分在配方中的比例太小，但却比较重要的情况时能满足用户的要求。设置系统与配方联系的窗体由于窗体上的工具栏上设定的一个按钮来控制。设定完成后程序把设定为系统文件。在运行监视程序的时候，先读取这两个文件， 就可以按照系统设置运行程序，组态技术就实现了。

4.3 通讯模块的设计

作为与下位机通讯的通讯模块，按照通讯的内容不同而分成三部分： 硬件设置通讯模块、配方数据通讯模块和重量数据通讯模块。所有的通讯模块都使用了通讯组件中的串行通讯控件。整个通讯模块都采用一个统一的通讯协议，该通信协议是设计者制订的。所有的通讯模块都在主窗体程序中。硬件设置发送之前先运行标准输入对话框，用户选择要发送的硬件配置文件。配方数据通讯模块的运行模式也是这样。重量数据通讯模块的设计利用了Timer定时器控件定时响应Timer()事件的特点，在每次响应Timer() 事件的时候就向下位机发出读取数据的命令， 然后就执行接收数据的程序。

5结束语

本文完成了自动配料系统的上位软件的开发和下位单片机控制模块的设计，并利用现成的设备改造成一套自动化的应用系统， 能够将自动配料系统的大概的工作情况进行管理和监控。利用上位软件可以实现配方的编辑、管理和统计， 可以对下位机的硬件设备进行设置，并且可以送到下位机中，可以对整套配料系统的结构进行编辑、 保存，可以对整套配料系统进行监视， 可以说基本上达到了系统对上位机的所有要求。

通过利用上述系统对我们设计的自动配料系统的验证，我们得出了这样的结论： 自动配料控制系统的设计采用这种方案是可行的，而且具有控制自动化程度高、 通用性强、 成本低的优点， 可以说为自动配料系统应用领域提供了一种高效、通用的设计方案和技术。细心的读者不难发现， 在陶瓷生产自动配料系统的设计基础上，结合实际，稍加修改， 即可设计出其它行业的自动配料系统。

 

本文源于网络转载，如有侵权，请联系删除