本文在阐述动态配料控制器计量原理的基础上,优化设计了该控制器的称重模块、测速模块,并提出了一种新的PID控制算法。经带式输送机的实验证明:该配料控制器性能稳定,满足工业称重配料自动化使用的要求。
配料控制器的应用需求
带式输送机被广泛地用于矿山、冶金、码头和化工等行业,对于散装的固态原料进行自动输送,特别适合于高温、高空和有害环境下作业。皮带配料秤作为一种测量和控制带式输送机的物料流量的实时控制器,能够对物料流量进行准确测量,保证配料的精确比例,实现生产过程自动化,提高生产效率和产品质量[1]。由单片机控制的配料秤具有功能强和结构简单的优点,是电子配料秤的发展方向。
动态配料计量控制原理
带式物料流的动态计量是在物料输送过程中连续、自动地完成的。为了测量带式物料流在一段时间(或位移)内的累积重量,可以用累加法或积分法两种方法。
累加法的称重计量原理是:当物料通过图1所示的称重计量段时,输送带每运行一段距离L=kl时(k为称重托辊的个数,此处k=3),就测一次称重传感器的力Fm,并进行累加。在一段时间内,输送带运行了n个L距离,则这段时间的物料累积重量
这种累加方法实际上只用于纯机械式皮带秤的称重计量中,其准确度很难让人满意。目前广泛采用的是积分法。
积分法的计量原理是:当物料通过图1中的观察界面A时,若测得t时刻A截面处物料的重量分布q(t),并与输送带在同一时刻的速度v(t)相乘,其结果即为物料的瞬时重量流量Q(t)。在一段时间T内,物料的累积重量G为
3　配料系统硬件组成
配料控制系统的硬件组成,主要包括以下几个部分:
1 荷重传感器
用于测量输送带上的瞬时重量。采用的是应变式荷重传感器,它将称重力转变为应变量,通过电阻应变片将其转化为与之成比例的电压信号,这种方法具有灵敏度高、线性好等优点。
2　测速传感器
用于测量输送带的走速。设置一滚轮和皮带接触,随皮带同步转动,滚轮的另一端接一个光电齿盘,把滚轮的转动转变为相对应的脉冲信号,输入到单片机。
3　单片机
单片机选用宏晶科技生产的STC89C58RD+,STC89C58RD是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的8位单片机
4 A/D转换器
AD转换器采用AD7799,AD7799是美国模拟器件公司(ADI)的一款3通道24位Δ2∑型ADC,适用于高精度工业级转换。其特点是:极低的RMS噪声;低功耗;内置12128增益的低噪声可编程称重仪表放大器;内设自校准电路;50Hz与60Hz同步陷波,消除50Hz与60Hz电源干扰;内置时钟振荡器,省去外接晶振等。
5 称重显示器及键盘
显示部分分为两部分,一为采用128×64低功耗的点阵图形式LCD模块,用其来进行参数选择和功能实现;二为保留常用的7位数码管,能动态、醒目地显示参数。键盘采用软膜轻触键盘。
6 D/A转换器
D/A转换器采用AD5664,AD5664是一款采用3mm×3mm10引脚LFCSP(引脚架构芯片级封装)超小型封装的16位四数模转换器。
配料控制器的称重模块
称重模块包括激励电源、传感器、称重仪表放大器、ADC。
为了提高试验精确度,长线测量时,采用六线制[3]。即在原有四线制的基础上增加两根电缆作为供桥电压的反馈,并接到ADC的基准电压端,如图3。激励电压的漂移都会使输出信号产生相应的漂移,六线制中ADC输入信号及基准由同一激励源导出,若被测量未改变,ADC的数字量输出不会随电桥激励电压的漂移而改变。因此无需精确、稳定的基准源便可以实现精确测量。
AD模块
典型传感器的灵敏度一般为2mV/V。对于这样的传感器,在728V电压激励的情况下,最大的输出为16mV。但是为了保证线性的电压输出,通常只用到最大输出范围的2/3,一般为10mV。在LCD上显示的称为外码。为了保证外码的精度,通常需要更高数量级的内码作为保证[4]。如一些标准的衡器就需要内码为20倍的外码。因此显示分辨为1:10000的高端衡器的就需要1:200000的内码分辨率。增益设为100时,ADC的输入范围为1000mV,如果参考电压为215V,这就意味着只利用约1/3ADC的动态范围。如果对1000mV需要达到1:200000内码的要求,那就需要ADC可以达到l:600000的分辨率,也就需要l9204～大20位的精度。
AD7799是美国模拟器件公司(ADI)的一款3通道24位Δ2∑型ADC,适用于高精度工业级转换。
配料仪表的精度主要取决于模数转换器的分辨率,模数转换器的选择对决定仪表性能至关重要,AD转换器的位数不仅决定采集电路所能转换的模拟电压动态范围,也在很大程度上影响测试电路的转换精度。AD7799有效分辨率23位,峰2峰分辨率15位(gain=1,转换率为4117Hz)。
转换速率,确定AD转换器的转换速率时,应该考虑系统的采样速率,AD7799可达4117～470Hz。
量程,输入信号最小值有从零开始,也有从非零开始的。AD7799绝对输入电压(GND+100mV)～(AVDD2100mV)(gain=1,有输入缓冲)。
线性度,ADC实际转移函数与理想直线的最大偏移,AD7799非线性度为±0.0015%。其他参数可参考ADI的说明书。
配料仪表放大器
配料仪表放大器是一种放大输入差分信号电压而抑制两输入端的共模信号的放大器。在一般的采样系统中,信号都要先经过放大器的放大,再进入ADC进行模数转换。其中放大器的作用如下:
l)以往大多数ADC的模拟输入电压范围在110V之间,而多数模转换系统的模拟输入信号比较小,因此放大器是最基本的外围模拟电路之一。
2)共模抑制功能,对信号在进行模数转换前先进行调理,实现对噪声的抑制。
3)阻抗变换功能。某些ADC的模拟输入端输入电阻比较小,而模拟信号源的内阻常常比较,这时选用高输入、低输出阻抗的放大器是必要的。
Al和A2运算放大器缓冲输入电压。整个差分输入电压都呈现在电阻Rg两端,所以差分增益可以通过在Rg两端并联电阻来调整,但不增加共模增益和误差,即差分信号将按增益成比例增加,而共模误差则不然。电阻网络集成在配料仪表放大器芯片内部,一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后,在改变增益电阻Rg时不再对电阻匹配有任何要求,也不存在电阻匹配问题。INA131就是一款这样的配料仪表放大器。传递函数见以下公式,不接外界增益电阻时放大倍数为100.057。
由于INA131是双电源放大器,当接在单电源电路里,必须在Ref端接适当的偏置电压。(Vin+-Vin-)最大为20mV时,(Vout2Vref)为2V,可选择Ref为215V,Vout最大为415V,满足ADC的输入要求。同时将Vout和Vref分别连接到ADC的IN+、IN-端,形成全差分输入。另外,在信号进入仪表放大器之前,简单的RC或LC滤波是很有必要的。
配料控制器的测速模块
根据脉冲计数来测量转速的方法有以下三种:
1)在规定时间内测量所产生的脉冲个数来获得被测速度,称为M法测速;
2)测量相邻两个脉冲的时间来测量速度,称为T法测速;
3)同时测量检测时间和在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数来测量速度,称为M/T法测速[5]。
以上三种测速方法中,M法适合于测量较高的速度,能获得较高分辨率;T法适合于测量较低的速度,这时能获得较高的分辨率;而M/T法则无论高速低速都适合测量,且具有较高的测量精度。因此通常采用M/T法进行测速。
M/T法是指在测速过程中,不仅测取转速传感器的脉冲个数m1,而且同时测取高频时钟脉冲的个数m2,关键是让测量时间始终等于转速传感器m1个脉冲信号的周期之和。其测量原理如图5。
具体实现方法是将测速传感器的脉冲输出经过整形滤波后,经光耦引到单片机的外部中断0的输入端,INT0采用下降沿触发方式,依靠外部中断0测取测速传感器的脉冲个数m1,依靠定时器T2测取高频时钟脉冲的个数m2,在INT0的中断服务程序中,记录测速传感器的脉冲个数m1,同时记录T2的初值和终值;在T2的中断服务程序中,记录T2溢出的次数。外部中断0服务程序流程如图6。
动态配料控制系统
在输送带的上方有一个给料圆盘,给料圆盘由电机驱动。输送带运动时物料随输送带输送出去。输送带有电机驱动,测速传感器输出信号的频率和输送带的速度成正比,称重传感器输出的电压信号和输送带上的物料成正比。输送带配料控制器接收速度信号和重量信号,经过计算得到输送带上物料的瞬时流量，把瞬时流量和配料控制器内设定的流量定值相比较,经过PID调节,输出0～10mA或4～20mA的电流信号从而调节给料圆盘驱动电机的转速,使物料流量尽可能的稳定在设定值附近,并且有良好的静态指标和动态指标。
配料控制器对配料的要求从理论上说是要求每个瞬间都准确,但是在实际工艺过程中,后续通常都有一些缓冲环节,如混合器、搅拌机、贮料仓等,这都会将配料的不均匀予以稀释,从而降低了高度瞬时准确度的意义。另外,针对配料控制执行机构的特性和被控对象的特点,累积量的控制要比瞬时量的控制容易。因此,只要控制一定时间间隔Δt内物料的累积量,就足以满足工艺配比的要求。
本文给出了一种串级动态配料控制方案,主回路控制累计量偏差,副回路控制物料的瞬时流量,将原本标准PID算法对物料瞬时流量偏差的一次修偏,改为对累积量偏差的n(n=Δt/t,其中t为采样周期)次纠偏,大大提高了调节品质[6]。
结　语
本文介绍了动态配料控制器的原理和设计方法。着重介绍了该控制器的称重模块、测速模块和自动配料系统的设计。现已投入了试用阶段,实践证明,该称重配料仪表取得了很好的效果,使用方便,性能稳定,可靠性高,具有较高的计量精度和配料精度。

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