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本文討論并設(shè)計了一種實用的分布式自動配料系統(tǒng)；該系統(tǒng)采用分布式控制技術(shù)，以一臺上位機為主機，若干臺（最多可有64臺）SPCE061A[3]系統(tǒng)為下位機組成主從式結(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成自動配料的自動控制，又可對配方設(shè)定，修改及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理，存儲和報表打印，具有良好的人機界面，也可由下位機單獨運行及進行配方設(shè)定和修改控制，具有控制準(zhǔn)確簡單，運行可靠等優(yōu)點。
一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
在食品、化工、飼料行業(yè)都有配料工序，配料系統(tǒng)的好壞直接影響到工廠的生產(chǎn)效率。
以單片機為主體構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，因為其電路結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性高而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制中。目前廣泛使用的單片機產(chǎn)品都集成了串行通信接口，使用串行通信接口，通過RS485接口驅(qū)動芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)，把多臺單片機系統(tǒng)連接成一個分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)[4]。但為了克服單片機的不足，引入了PC機，采用主從式結(jié)構(gòu)模式，即PC機為主機，分布在現(xiàn)場的各個單片機系統(tǒng)為從機。
上位機安裝在主控室（辦公室）中，下位機安裝在生廠車間；下位機的數(shù)量根據(jù)生廠線數(shù)量來定，上下位機之間通過雙芯屏蔽線連接；每臺下位機控制一條生產(chǎn)線的自動配料控制，通過鍵盤可輸入、修改配方及生產(chǎn)匹次，同時通過LCD顯示屏顯示生產(chǎn)狀態(tài)及配方序號。主機的主要任務(wù)是設(shè)定，修改配方并將配方及生產(chǎn)匹次等生產(chǎn)任務(wù)下傳給下位機，同時巡回與下位機通訊以獲取有關(guān)數(shù)據(jù)及上位機當(dāng)前設(shè)定監(jiān)控的生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀態(tài)并在屏幕上顯示出來。定時處理、統(tǒng)計和保存各種原料的配料量等信息；在顯示器上以動畫形式模擬顯示生產(chǎn)工藝過程；實時顯示配料生產(chǎn)工藝過程中數(shù)據(jù)的趨勢曲線；根據(jù)需要隨時可打印出各種管理文件和報表。
二、硬件電路設(shè)計
單片機和配料控制器稱重儀表是以SPCE061A單片機[5]為核心的控制系統(tǒng),主要由以下7大功能模塊構(gòu)成:
(1)單片機主控模塊該模塊由SPCE061A單片機、AT24C256組成,主要完成配料控制的數(shù)據(jù)運算、處理和存儲任務(wù)；
(2)系統(tǒng)時鐘日歷模塊該模塊由數(shù)字時鐘日歷芯片DS1302組成，主要給系統(tǒng)提供時間、日歷以便配料數(shù)據(jù)存儲和故障記錄；
(3)稱重測量模塊該模塊主要包括料斗稱重傳感器、稱重變送器、V/I變換電路等。料斗稱重傳感器將料斗及料斗中的原料重量變換成毫伏級的模擬量信號,經(jīng)信號放大器放大和V/I變換將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號遠程傳輸至配料控制器的SPCE061A內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器,將V/I變換后的模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號,傳送至數(shù)據(jù)處理模塊；
(4)電磁振動給料機控制模塊該模塊主要由開關(guān)量輸出電路和可控硅功率驅(qū)動電路組成。根據(jù)配料控制需要,該模塊輸出不同的開關(guān)量信號改變電磁振動給料機振動頻率,從而實現(xiàn)原料的給料量控制。為了避免強電信號對弱電信號的干擾,在該模塊中采取了光電隔離措施；
(5)螺旋給料機控制模塊該模塊主要由SPCE061A內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器、開關(guān)量輸出電路、變頻器組成。根據(jù)配料控制需要,該模塊通過變頻器、開關(guān)量輸出電路控制螺旋給料機的起停,通過變頻器、D/A轉(zhuǎn)換輸出控制螺旋給料機電動機的轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)給料速度的控制；
(6)按鍵顯示模塊該模塊主要由按鍵接口電路和顯示接口電路組成。在按鍵顯示模塊中,按鍵主要由數(shù)字鍵和功能鍵組成:數(shù)字鍵主要用于單機運行時各種配方參數(shù)的設(shè)置；功能鍵主要用于選擇配料控制器的運行模式(單機運行、與上位機聯(lián)網(wǎng)運行)。顯示系統(tǒng)主要包括2部分:一部分是用LCD實時顯示稱量料斗中物料的重量或設(shè)置參數(shù)；另一部分用8個發(fā)光二極管實時顯示控制器的各種工作狀態(tài)(如配料開始,通訊等)；
(7)通訊模塊為了實現(xiàn)與上位機的通訊,該模塊按照RS232標(biāo)準(zhǔn)和RS485標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計:一個是通過MAX232芯片將單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232接口電平,以滿足近距離通訊的要求；另一個是通過MAX487芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS485接口電平,這樣可以將由單片機作為控制核心的配料控制器掛接在RS485通訊網(wǎng)絡(luò),以滿足遠距離通訊的要求；
三、系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
1．上位機軟件結(jié)構(gòu)及功能
本系統(tǒng)選擇VB6.0[6]作為上位機軟件平臺,其可方便地編出界面友好的應(yīng)用程序,具有強大的數(shù)據(jù)庫功能,能很好地處理好配方數(shù)據(jù),便于進行系統(tǒng)設(shè)置或配方改變,同時還能制作自定義ActiveX控件,實時顯示被控系統(tǒng)的運行情況和料斗物料的重量,能很好滿足自動配料系統(tǒng)上位機應(yīng)用軟件平臺的要求。
主程序窗體主要由三大部分組成,即系統(tǒng)監(jiān)控部分、配方管理部分和系統(tǒng)設(shè)置部分。采用Frame控件將各功能模塊分組。選擇某功能鍵,相應(yīng)Frame的內(nèi)容就會顯示出來。
(1)系統(tǒng)監(jiān)控部分
在配料系統(tǒng)的監(jiān)控部分做了大小料斗兩種自定義控件進行顯示圖樣設(shè)計,利用圖形效果把整套配料系統(tǒng)的工作情況和配料控制系統(tǒng)的重量數(shù)據(jù)在屏幕上顯示出來,用戶可非常直觀地對下位機混合料斗的工作情況進行監(jiān)視,并可用對話方式進行設(shè)置和控制。數(shù)據(jù)采集由單片機完成。上位計算機與單片機之間用總線連成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以問答方式進行數(shù)據(jù)通信。為更加形象地顯示和區(qū)分各料斗的工作情況,用戶可根據(jù)情況和愛好設(shè)定它們各工作狀態(tài)的顏色。所有設(shè)定在關(guān)閉系統(tǒng)時會自動記錄在文件中。在這部分的通信模塊中,使用COM控件建立與串行端口的連接,通過串行端口連接到下位機通訊網(wǎng)絡(luò),發(fā)出命令、交換數(shù)據(jù)、監(jiān)視和響應(yīng)串行連接中發(fā)生的事件和錯誤,并使用OnComm事件和CommEvent屬性檢查通訊事件和錯誤的值,使應(yīng)用程序?qū)@些情況作出相應(yīng)的反應(yīng)。
(2)配方管理部分
配方管理程序主要對系統(tǒng)配方進行編輯、管理、打印。本系統(tǒng)利用VB6.0的引用功能,引用MicrosoftActiveXDataobjects2.0Library,以編程形式和用ADO編程數(shù)據(jù)庫技術(shù)創(chuàng)建MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫文件,然后把配方數(shù)據(jù)加入數(shù)據(jù)庫文件中保存下來。利用VB6.0中的ADOData控件和MSHFLexGrid網(wǎng)格控件顯示配方數(shù)據(jù)庫文件,包括各成分的名稱、質(zhì)量、百分比等。利用COM組件中的對象,在VB中直接訪問Excel數(shù)據(jù),進行Excel預(yù)覽和報表打印。
(3)系統(tǒng)設(shè)置部分
系統(tǒng)設(shè)置功能主要有修改登錄密碼,修改通訊端口,顯示數(shù)據(jù)刷新設(shè)定,小閥切換時間和系統(tǒng)周期間隔設(shè)定等。
2．下位機軟件
SPCE061A單片機是16位單片機，編程語言可以是匯編或C語言。下位機的軟件包括主程序、子程序及各功能程序，采用模塊化的程序設(shè)計方法，可讀性強，便于維護升級。程序主要有以下幾個部分構(gòu)成：
（1）系統(tǒng)初始化模塊：實現(xiàn)下位機地址讀取、與上位機的通訊初始化，系統(tǒng)時間讀取、配料閥復(fù)位等；
（2）系統(tǒng)自測試及故障處理模塊：系統(tǒng)發(fā)生故障、停電時關(guān)閉配料閥、停止工作做出故障狀態(tài)指示，自動配料狀態(tài)時向上位機發(fā)送故障信息；
（3）鍵盤、顯示模塊：實現(xiàn)下位機地址設(shè)置，手動操作時的系統(tǒng)時間修改和配方匹次輸入及當(dāng)前配方、匹次顯示；
（4）自動配料模塊：根據(jù)配方、匹次等配方數(shù)據(jù)自動配料；讀取電子稱信號，根據(jù)電子稱信號來確定控制配料閥的開關(guān)狀態(tài)來完成各種料加入攪拌罐；
（5）時間日歷數(shù)據(jù)讀寫模塊：讀取時間、日歷以便配料數(shù)據(jù)存儲和故障記錄；
（6）數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)讀、寫模塊：完成下位機地址、配方、匹次數(shù)據(jù)的讀、寫功能；
（7）通信模塊：實現(xiàn)下位機與上位機的配方、匹次、工作狀態(tài)、故障等數(shù)據(jù)傳送。
四、結(jié)束語
由凌陽公司的高性能16位SPCE061A構(gòu)成的分布式自動配料控制系統(tǒng)通過RS485網(wǎng)絡(luò)將諸多分立的單片機配料控制器與上位工業(yè)稱重控制計算機連接起來,可以在工控機上通過監(jiān)控軟件輕松地實現(xiàn)集中監(jiān)控和配方等數(shù)據(jù)的管理,具有結(jié)構(gòu)靈活、人機界面好、集控制和管理于一體等優(yōu)點。該系統(tǒng)采用分布式控制，下位機可單獨運行，上位機關(guān)機或死機不影響數(shù)據(jù)保存和正常的生產(chǎn)，上位機正常后數(shù)據(jù)可由下位機發(fā)出并保存到上位機上；系統(tǒng)的抗干擾性方面采取了多重措施：在通訊線路中加壓敏電阻和單片機與外部接口電路采用了光藕隔離防雷擊；數(shù)據(jù)通訊采用雙從應(yīng)答方式和雙芯屏蔽通訊線，確保通訊可靠性；使用軟件陷阱保證系統(tǒng)能長時間正常運行等等。該分布式微機配料控制系統(tǒng)現(xiàn)已用于飼料生產(chǎn)中,實踐證明,該系統(tǒng)功能全面,工作穩(wěn)定可靠,性能價格比高,具有很高的實際應(yīng)用價值。

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