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1、刘宜华-在电子皮带秤自动配料系统中模糊控制技术的应用 在电子皮带秤自动配料系统中模糊控制技术的应用 【摘要】电子皮带秤属于动态性计量衡器，对其自动配料系统进行系统性研究，不断提高其配料速度以及计量准确度，能够有效降低劳动强度，提高生产效率和生产质量。本文简要分析现阶段电子皮带秤自动配料系统国内外现状，并介绍影响配料精度的主要原因，通过系统性的分析，提出模糊控制理论在电子皮带秤自动配料系统中的运用方法，以此不断改善电子皮带秤控制准确度中存在的不足，该研究具有实际性意义。 【关键词】电子皮带秤;自动配料系统;模糊控制技术 1. 前言 现阶段，电子皮带秤在农业生产以及社会生活中均得到了广泛运用，特别
2、是在水泥、化工、冶金、煤炭等行业中，经常需要对皮带传送过程中的散料进行动态连续称量，同时，在输送过程中，工作人员也需要对其流量进行控制与调节，使其达到准确的配比。电子皮带秤自动配料系统可以根据设定的流量、配比控制各种输入物料的质量，进而达到控制各种产品生产产量的目标。这一控制方案是实现企业科学化管理，提高生产可靠性与稳定性的主要手段，同时也是达到系统节能减耗生产，并逐步向生产智能化与自动化发展的重要途径。在企业实际的生产过程中，将微机配料控制系统运用其中并充分发挥其作用，能够有效减轻工作人员的工作强度，提高生产效率，对于提高企业经济效益具有重要的意义。 2.电子皮带秤自动配料系统现状及其主要问
3、题 本次以金属冶炼车间电子皮带秤自动配料系统的九种混合原料作为案例，分析其系统组成，这一系统结构属于使用较为广泛的、技术技能基础的皮带配料系统。该金属冶炼车间的配料系统主要包括九个配料仓，在各配料仓内具备一台给料机，使用一台电机带动驱动，通过驱动电机的转速控制给料机的流量，电机的运转速度可进行调控。在各给料仓下具备一个皮带秤，可通过皮带秤计算下料流以及物料累积量等信息；各皮带秤下方具备一输送皮带，将混合均匀的物料输送至下一容器中。 现阶段，我国大部分生产厂家处于成本考虑，使用单片机调节PID，并进行简单的称量计算，该系统功能简单，操作简便，但可靠性较低，难以良好控制其 准确度，不易于生产管理。
4、某些规模较大的生产企业一般使用以WINDOWS平台以及调节器为基础的皮带秤配料系统，在该系统工作过程中，主要使用配料仪表接收信号，通过累积计算秤体的测速信号与称重信号，显示其累积量、流量信息。然后，使用5-20mA模拟电流，将瞬时流量输送至PID调节器，调节器将调节测量的输入信号与机内设定值对比分析后，输出模拟信号，以控制给料电机的运转速度，进而有效调节物料的下料流量，保障九种物料的累积量与流量均符合生产要求。如果需要更改流量及其配比，则可以直接设定操作调节器。 适用于该解决形式的生产现场应当满足一定条件，即物料的给出量必须同给料控制电机的运转速度呈正相关关系。同时，要让系统具备更好的调节性能
5、，实现系统的准确性、稳定性与快速性，则自动配料系统还应当具备以下条件： （1）系统本身的结构性质稳定性较强，即系统传递距离、容量系数及其阻力等方面的内容。 （2）调节器具备科学的PID参数，只有将相关作用强度进行有效的配合，才能实现调节器的平稳、准确、告诉运行，以此取得良好的控制效果，就该层面分析，条件（1）作为条件（2）的基础，主要原因为由系统的动态特性决定其PID参数，而系统动态特性的主要影响原因为系统自身的结构与性质。由于在以往的配料系统方案设计过程中，通常使用PID控制算法，PID参数通常根据阶跃响应的过渡时间进行调整，其敏感度较高，针对某些系统，尤其是参数固定的系统具有良好的调节性质
6、，从理论角度分析，能够实现系统的无误差调节，其误差调节范围非常长，独居优势。但是，在实际的电子皮带秤自动配料系统中，其准确度控制会受到多方面因素的影响，比如给料仓的结构、形状，给料设备安装的合理度以及物料的化学、物理性质，外界干扰等，同时，由于生产现场的环境较为恶劣、复杂，由于多种因素的影响，导致控制系统难以达到理想的控制效果，系统误差通常较大，动态水平不高且超调量较大，在这一情况下，皮带秤的配料准确度以及计量性能将会受到不同程度的影响。 3.模糊控制配料系统的组成及其工作原理 将九台皮带秤所组成的配料系统作为案例进行分析，该系统的主要组成部分包括：配料电子皮带秤、仪表控制柜、变频器柜、动力控
7、制柜、低压开关柜、生产操作盘、生产调控微型计算机、监控管理设备等多个部分。在系统开始工作时， 首先通过工控机根据实际的生产任务开展多种初始化工作，主要包括各个物料成分的名称、产量、仓号以及标准流量、配比等；然后，按照一定的时序控制皮带秤及其九种给料机的运转，保障各个给料机按照合理的流量给料，另外，使用微量计算机记录电子皮带称重仪的累积量及其重量信息，根据各种物料成分的累积量，合理运算实际生产中的配比。通过运算配比同标准配比的对比，及时修正各台给料机的给定量，使工作系统处于合理的配比状态下，在系统达到预设产量时，再根据一定时序停止各台给料机的工作1。 在工作过程中，工控机是上位机，利用RS485
8、双向通讯接口同电子皮带秤仪表的连接，利用RS232双向通讯接口同系统动力控制柜的PLC进行连接，以此输出模拟量控制信号，有效调节给料机的流量，形成完好的配料系统。同时，工控机应当预留RS485双向通讯接口，以此实现其余企业上位工控机之间的信息共享。 监控系统的主要功能包括：通过生产配方与产量目标实现称重工作全过程的自动化控制，比如模糊控制和PID控制；对称重数据进行打印与统计管理，比如变频器在控制过程中的计算。系统软件包括多种配方输入方式以及系统监控方式，为了适应不同生产要求，工作人员可以设置报警时间、打印时间等数据。其界面利用菜单方式进行管理，工作人员仅通过键盘以及鼠标的操作，即可系统化管控
9、配料系统的运作。 4.模糊控制配料系统控制模型分析 以九台皮带秤所组成的配料系统来看，这一系统仅通过一台上位机变管控九台给料机，为了满足配比要求，各台给料机之间的工作存在一定联系，同时给料量应当根据实际的生产要求进行有效的配比调整，所以该控制系统相对较为复杂。在该配料系统中具备多闭环联合控制结构，就第i号给料仓进行分析，其具备一个前馈与两个闭环，内环为FUZZY-PID控制器，根据给定的流量Fgi调控给料机的运转速度去控制调速给料机，保障给料流量Fi良好控制于事先给定流量Fgi周围。外环则应当通过前馈环节的给料机调整其内环的给定值，同时也应将累积值与预期产量的差P纳入考虑环节。控制器通过FUZ
10、ZY- PID复合调控形式进行调控，即在误差较大时利用模糊控制，而在误差范围减小到可控范围时进行PID控制，通过这样的方式能够改善系统误差太大，动态特性不佳，超调量过 大这一问题。通常来说，PID控制器通过一般的增量式数字算法进行整定，理想的模拟PID控制计算公式为：P=Kp(e+1/TIedt+Td de/dt） 备注：在上式中，p为调节器输出；e为调节器偏差输入信号； Kp为比例系数，常用比例带P表示，P1/Kp；TI为积分时间，TI越大表示积分作用越弱， 积分时间越长；Td为微分时间。 模糊控制技术通过近似原理以及模糊逻辑，将人的经验转变为模型化，使其成为计算机可以控制的形式，利用计算机
11、替代人类进行实时控制，为了达到模糊控制的目的，计算机作为模糊控制器，应当处理的主要问题包括：（1）输入量及其输出量的模糊控制；（2）成立模式控制原则或者管理控制制度；（3）相关重要信息的模糊分析。在实际的系统运作过程中发现，利用FUZZY-PID复合控制形势相对于使用PID控制而言，其系统波动性不强，且稳定性更为突出，能够促进系统时间的显著性完善2。 5.电子皮带秤自动配料系统中模糊控制技术的应用 电子皮带秤的优势较为突出，其运输效率高、设备性能稳定，且计量精确度确切，在传统的静态配料设备中，由于其工作效率较低，难以适应高效率配料的需求。近年来，随着动态配料精确技术的提升，皮带秤在配料方面的作
12、用愈发不可忽视，由于配料通常具备多种物料，因此，配料系统一般具备多台皮带秤。如果采取二次仪表作为主机，则应当使用与之适应的数量仪表，由于仪表具有一定的局限性，操作性及其联动性均不突出，同时其数据管理及其界面管理效果也欠佳，因此，在实际的配料过程中通常使用计算机进行控制。就目前来说，也存在使用仪表计量、计算机管理的方式，就就市场实际情况而言，使用工业控制计算机联合PLC的方式能够更加适应社会的发展3。 通过测力传感器测试皮带秤物料质量，得到相关电信号，通过信号的变换将其转换为电流信号，并在模拟量采集卡的光点隔离之下转换，通过AD转换为抗数字信号，并将可进行远距离传输、抗干扰能力强的信号输入控制计
13、算机；测速传感器系统性检测皮带秤的运行速度，并将脉冲信号通过光点隔离传入计算机；使用计算机同PLC连接，测试给料设备及其电子皮带秤的运行情况；计算机在全面分析流量后，将其同要求的瞬时流量进行对比，由计算机输出相关调速信号，通过光电隔离转换为调速信号，以此调整变频器的运行效率，以此有效调控电机 的运行，实现给料量的控制目标。 可以将模糊控制运用在调速信号中，也就是将流量同实现预算进行对比，若两者差别太大，则调节幅度也较大，若两者差别不大，则调速信号的调节幅度也不大，仅微调即可4。也可以进行预先判断，也就是分析流量的变化情况，实现控制调速信号，并且使用调速信号在一段时间之内的平均值作为信号限幅，以
14、此有效改善由于出料不通，所引起的流量调节不合理的情况，下图为流量与设定、PID的变化曲线（图1）： 图1 使用PLC可简化电路，提高系统可靠性，实现操作流程的简单化，同时，利用PLC输入点、输出点能够实现设备故障及其运行状态的实时检测，利用计算机读取PLC的状态，以此便可在显示器上直观显示设备情况；同时，运用计算机控制PLC输出状态，以此控制设备运行，简化操作台的设计，实现操作的直观性。以下通过VB程序同PLC通信作为案例加以分析，本部分采用ASCII格式添加MScomm控件设置： 比如查询PLC输入点X0-X27则MSComm1.Output=：010203000018E1+Chr(10)+
15、Chr(13)； 比如查询PLC输入点X0-X27则MSComm1.Output=：010104000018E1+Chr(10)+ Chr(13)； 比如，收到PLC的X0-X27的信号数据，检测数据的准确性后，即可读取X0 -X27各输入点的状态： Index=Val(&H+Mid(XY-States,8,2) X(0)=IIf(Index And &H1)=&H1,1,0) X(1)=IIf(Index And &H2)=&H2,1,0) 使用同样的方式能够读取PLC多个输出点的状态，通过计算机的读取直观显示PLC的输入及其输出点的状态，然后将各个设备的实际情况全面反映出来。由于电子皮带秤的性能稳定性强、输送效率较高，且计量精准度较高，其在配料控制系统中的运用更加广泛、在电子秤自动配料系统中，需要进行大量的数据采集，配方管理、生产报表处理、数据处理等，要求其操作负责性低，通过计算机联合控制，能够有效满足该要求，进一步提高其技术性，满足现代社会的发展要求。 6.结束语 现阶段，电子皮带秤自动配料系统在各行各业的应用十分广泛，尤其是将先进的模糊控制理论运用在其中，其技术更加成熟，有效改善了传统皮带秤自动配料系统中动态效果不佳、系统误差大等问题，全面提升了自动配料系统的可靠性以及准确性，统
