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配料控制器的應(yīng)用要求。
帶式輸送機(jī)廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、碼頭、化工等行業(yè)，能夠自動輸送散裝固體原料，特別適用于高溫、高海拔和有害環(huán)境。皮帶秤作為測量和控制帶式輸送機(jī)物料流量的實時控制器，能夠準(zhǔn)確測量物料流量，保證配料比例準(zhǔn)確，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。單片機(jī)控制的配料秤功能強、結(jié)構(gòu)簡單，是電子配料秤的發(fā)展方向。
動態(tài)配料計量控制原理。
皮帶物流的動態(tài)測量是在物料輸送過程中連續(xù)自動完成的。為了測量一段時間內(nèi)皮帶物流的累計重量(或位移)，可以采用兩種方法:累計法或積分法。
堆積法的稱重計量原理是:物料通過圖1所示的稱重計量段時，輸送帶運行距離L=kl(k為稱重托輥數(shù)，此處k=3)時，稱重傳感器的力Fm測量一次，并累計。在一段時間內(nèi)，當(dāng)傳送帶運行nl距離時，這段時間內(nèi)物料的累計重量。
實際上，這種累加方法只用于純機(jī)械皮帶秤的稱重測量，其精度并不令人滿意。目前廣泛采用的是積分法。
配料系統(tǒng)的硬件組成。
1個負(fù)載傳感器。
用于測量傳送帶上的瞬時重量。使用應(yīng)變式負(fù)載傳感器，將重量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，并通過電阻應(yīng)變儀將其轉(zhuǎn)換成與其成比例的電壓信號。該方法具有靈敏度高、線性好的優(yōu)點。
2速度傳感器。
用于測量傳送帶的速度。設(shè)置滾輪與皮帶接觸，并與皮帶同步轉(zhuǎn)動，滾輪的另一端連接光電齒盤，將滾輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號，輸入單片機(jī)。
3單片機(jī)。
單片機(jī)選用洪晶科技生產(chǎn)的STC89c58rd+，是新一代8位單片機(jī)，具有超強的抗干擾能力，高速低功耗。
4A模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
AD轉(zhuǎn)換器AD7799，AD7799是美國某公司的3通道24位δ2∑ADC，適用于高精度工業(yè)級轉(zhuǎn)換。其特點是:均方根噪聲極低；功耗低；內(nèi)置增益為12128的低噪聲可編程稱重儀表放大器；內(nèi)置自校準(zhǔn)電路；50Hz和60Hz同步陷波器，消除50Hz和60Hz電源干擾；內(nèi)置時鐘振蕩器節(jié)省外部晶體振蕩器。
5稱重顯示器和鍵盤。
顯示部分分為兩部分，一部分是128×64低功耗位圖形式的LCD模塊，用于選擇參數(shù)和實現(xiàn)功能；第二，保留常用的7位數(shù)碼管，可以動態(tài)醒目的顯示參數(shù)。鍵盤使用軟膜觸摸鍵盤。
6D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
Ad5664用作數(shù)模轉(zhuǎn)換器，這是一款16位四數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用3mm×3mm10引腳LFCSP(引腳架構(gòu)芯片級封裝)超小型封裝。
配料控制器稱重模塊。
稱重模塊包括激勵電源、傳感器、稱重儀表放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
為了提高測試精度，采用六線制進(jìn)行長線測量[3]。即在原有四線制的基礎(chǔ)上，增加兩條電纜作為供電橋電壓的反饋，連接到ADC的參考電壓端，如圖3所示。激勵電壓的漂移會引起輸出信號的相應(yīng)漂移。在六線系統(tǒng)中，ADC輸入信號和基準(zhǔn)來自同一個激勵源。如果測量不變，ADC的數(shù)字輸出不會隨著電橋激勵電壓的漂移而變化。因此，在沒有精確穩(wěn)定的參考源的情況下，可以實現(xiàn)精確測量。
AD模塊。
典型傳感器的靈敏度一般為2mV/V..對于這種傳感器，當(dāng)受到728伏電壓激勵時，最大輸出為16毫伏。但為了保證線性電壓輸出，一般只用最大輸出范圍的2/3，一般為10mV。LCD上顯示的叫做外碼。為了保證外碼的準(zhǔn)確性，通常需要更高數(shù)量級的內(nèi)碼作為保證[4]。例如，一些標(biāo)準(zhǔn)稱重儀器需要一個外部代碼，內(nèi)部代碼是20倍。因此，顯示分辨率為1:10000的高端稱重儀器需要1:200000的內(nèi)部代碼分辨率。當(dāng)增益設(shè)置為100時，ADC的輸入范圍為1000mV。如果參考電壓為215V，這意味著只使用了ADC動態(tài)范圍的1/3左右。如果1000mV需要1:200，000內(nèi)碼，那么ADC的分辨率可以達(dá)到1:600，000，需要l9204~~20位的精度。
AD7799是美國某公司的3通道24位δ2∑ADC，適合高精度工業(yè)轉(zhuǎn)換。
配料儀的精度主要取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇對決定儀器性能至關(guān)重要。AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不僅決定了采集電路可以轉(zhuǎn)換的模擬電壓的動態(tài)范圍，而且很大程度上影響了測試電路的轉(zhuǎn)換精度。AD7799的有效分辨率為23位，峰值分辨率為15位(增益=1，轉(zhuǎn)換速率為4117Hz)。
轉(zhuǎn)化率:在確定AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化率時，要考慮系統(tǒng)的采樣率，AD7799可以達(dá)到4117~470Hz。
范圍，輸入信號的最小值從零開始或從非零開始。AD7799的絕對輸入電壓為(gnd+100mv)~(avdd210mv)(增益=1，帶輸入緩沖器)。
線性度，ADC實際傳遞函數(shù)與理想直線的最大偏差，AD7799的非線性度為0.0015%。其他參數(shù)可以在某公司的規(guī)格中找到。
比例儀表放大器
批處理儀表放大器是一種放大輸入差分信號電壓并抑制兩個輸入端共模信號的放大器。在一般的采樣系統(tǒng)中，信號在進(jìn)入ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，必須經(jīng)過放大器放大。放大器的功能如下:
l)過去大多數(shù)ADC的模擬輸入電壓范圍在110V之間，而大多數(shù)模擬轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的模擬輸入信號相對較小，因此放大器是最基本的外圍模擬電路之一。
2)共模抑制功能:在模數(shù)轉(zhuǎn)換前對信號進(jìn)行調(diào)理，抑制噪聲。
3)阻抗變換功能。有些ADC的模擬輸入端輸入電阻比較小，而模擬信號源的內(nèi)阻往往比較大，因此需要選擇高輸入低輸出阻抗的放大器。
A1和A2運算放大器緩沖輸入電壓。整個差分輸入電壓出現(xiàn)在電阻Rg兩端，因此可以通過并聯(lián)電阻Rg來調(diào)整差分增益，但共模增益和誤差不會增加，即差分信號將與增益成比例增加，但共模誤差不會增加。電阻網(wǎng)絡(luò)集成在配料儀表放大器的芯片中。一旦這個減法器電路的增益由比值匹配電阻設(shè)置，那么在改變增益電阻Rg時就不需要電阻匹配，也就不存在電阻匹配問題。INA131就是這樣一種批量儀表放大器。傳遞函數(shù)見下式，無外部增益電阻時放大倍數(shù)為100.057。
INA131是一個雙功率放大器，因此當(dāng)它連接到單功率電路時，必須在Ref端連接到適當(dāng)?shù)钠秒妷骸?Vin+-Vin-)最大為20mV時，(Vout2VRef)為2V，Ref為215v，Vout最大為415V，滿足ADC的輸入要求。同時，Vout和Vref連接到ADC的IN+和IN-端，形成全差分輸入。此外，在信號進(jìn)入儀表放大器之前，需要進(jìn)行簡單的RC或LC濾波。
配料控制器的測速模塊。
根據(jù)脈沖計數(shù)測量轉(zhuǎn)速有三種方法:
1)測量指定時間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)，得到測量速度，稱為m法測速；
2)測量相鄰兩個脈沖的時間來測量速度，稱為T法測速；
3)通過測量檢測時間和脈沖發(fā)生器同時發(fā)出的脈沖數(shù)來測量速度，稱為M/T法[5]。
以上三種測速方法中，M法適合測量更高的速度，可以獲得更高的分辨率；t法適用于低速測量，此時可以獲得較高的分辨率；M/T規(guī)則適用于高速和低速測量，測量精度高。因此，通常采用M/T法進(jìn)行測速。
M/T法是指在測速過程中，不僅測速傳感器的脈沖數(shù)m1同時測量，高頻時鐘脈沖數(shù)m2也同時測量。關(guān)鍵是要使測量時間始終等于速度傳感器m1脈沖信號的周期之和。

具體實現(xiàn)方法如下:將速度傳感器的脈沖輸出整形濾波后，通過光耦引至單片機(jī)外部中斷0的輸入端。INT0采用下降沿觸發(fā)方式，速度傳感器的脈沖數(shù)m1由外部中斷0測量，高頻時鐘脈沖數(shù)m2由定時器T2測量。在INT0的中斷服務(wù)程序中，記錄速度傳感器的脈沖數(shù)m1，同時記錄T2的初始值和最終值。在T2的中斷服務(wù)程序中，記錄T2的溢出次數(shù)。
動態(tài)配料控制系統(tǒng)。
傳送帶上方有一個進(jìn)料盤，由電機(jī)驅(qū)動。當(dāng)傳送帶移動時，材料隨傳送帶一起傳送。傳送帶由電機(jī)驅(qū)動。速度傳感器輸出信號的頻率與輸送帶的速度成正比，稱重傳感器輸出的電壓信號與輸送帶上的物料成正比。輸送帶配料控制器接收速度信號和重量信號，通過計算獲得輸送帶上物料的瞬時流量，并將瞬時流量與配料控制器中的設(shè)定流量值進(jìn)行比較，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后輸出0~10mA或4~20mA的電流信號，從而調(diào)節(jié)進(jìn)料盤驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使物料流量盡可能穩(wěn)定在設(shè)定值附近，具有良好的靜態(tài)和動態(tài)指標(biāo)。
理論上配料控制器要求每時每刻配料準(zhǔn)確，但實際過程中通常會有一些緩沖環(huán)節(jié)，比如攪拌機(jī)、攪拌機(jī)、料倉等。，這會沖淡配料的不均勻性，從而降低高瞬時精度的意義。此外，根據(jù)配料控制執(zhí)行器和被控對象的特點，累計量的控制比瞬時量的控制容易。因此，只要控制一定時間間隔內(nèi)的物料累計量δt，就足以滿足工藝比的要求。
本文提出了一種級聯(lián)動態(tài)配料控制方案，如圖7所示。主回路控制累積偏差，輔助回路控制物料的瞬時流量。原來的標(biāo)準(zhǔn)PID算法對物料瞬時流量的偏差校正一次，而不是對累計偏差校正n次(n=δt/t，其中t為采樣周期)，大大提高了調(diào)整質(zhì)量[6]。
結(jié)束語。
介紹了動態(tài)配料控制器的原理和設(shè)計方法。重點介紹了控制器的稱重模塊、測速模塊和自動配料系統(tǒng)的設(shè)計。現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入試用階段。實踐證明，該稱重配料儀取得了良好的效果，使用方便，性能穩(wěn)定，可靠性高，計量精度和配料精度高。

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