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1 概 述

配料系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用在各生產(chǎn)部門中?？v觀現(xiàn)有的配料系統(tǒng)，控制大多采用人工控制、 PLC控制和工業(yè)微機控制系統(tǒng)。但是， 這些配料控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍比較窄，專用性比較強， 通用性比較差， 成本也比較高。市場迫切需要一種自動化程度高、 通用性強、工作可靠性高、 人機交互界面友好、 成本低的新型配料系統(tǒng)。

在制造、生產(chǎn)領(lǐng)域， 配方是用來描述生產(chǎn)一件產(chǎn)品所用的不同配料之間的比例關(guān)系，是生產(chǎn)過程中一些變量對應(yīng)的參數(shù)設(shè)定值的集合。例如陶瓷生產(chǎn)產(chǎn)品過程為： 采用不同顏色的粉料以一定的比例進行混合 →壓制 → 燒成。陶瓷生產(chǎn)具體的配料過程為：陶瓷工廠采用進廠的原材料，經(jīng)過球磨、噴霧干燥等過程形成一定顆粒級配的粉料，粉料由皮帶輸送機送入不同的粉箱中存儲， 這些粉料中因在原料配料過程中引入了不同顏色的色料，故此有不同顏色的粉料。配料過程采用電子秤配料， 電子秤采用電腦控制，在不同的粉箱下面有一臺由電腦控制的皮帶，通過控制流量來達到配比的要求。不同比例的粉料經(jīng)配料秤后到一個混合器混合為壓機壓制的粉料， 至此配料過程完成。

為了探討自動配料系統(tǒng)向這一方向發(fā)展的可能性，本文結(jié)合陶瓷生產(chǎn)配料的過程和特點， 設(shè)計了這一套自動配料系統(tǒng)，以供工程設(shè)計人員參考。

這種控制方案具有通用性強、自動化程度高、 工作可靠性高、 人機界面友好、 成本低等優(yōu)點。

2 總體方案的初步制定

為了實現(xiàn)對系統(tǒng)所預(yù)定的要求，我提出了以下三種設(shè)計方案。

方案一：

這種方案采用一級控制結(jié)構(gòu)——直接利用工業(yè)PC 機安裝上通用I/O 卡和A/D 擴展卡進行數(shù)據(jù)采集和控制。這種方案利用A/D擴展卡對配料系統(tǒng)中的壓力傳感器進行A/D轉(zhuǎn)換、 數(shù)據(jù)采樣，再通用 I/O卡控制繼電器板， 控制配料系統(tǒng)中的各個繼電器。這種方案的工作原理見圖 1 。 這種方案的工作原理是： 稱重料斗上的壓力傳感器的模擬電壓或電流信號經(jīng)過多路信號放大器放大后，送到工業(yè)PC 機上的A/D擴展卡， 由 A/D擴展卡進行A/D轉(zhuǎn)換。再利用工業(yè) PC機上的配料控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件對A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行采樣， 然后進行邏輯控制， 通過通用 I/O卡輸出到繼電器板上， 控制各個繼電器。這種方案將多路信號放大器和繼電器板、電源模塊做到一塊， 形成一個輸入輸出模塊。這種方案的特點是結(jié)構(gòu)簡單，控制原理簡單明了， 硬件設(shè)置、 配方修改簡單容易， 但成本比較高， 同時因為多路信號放大器和 A/D擴展卡不是做在一起， 那么工業(yè) PC 機與多路信號放大器的距離沒有太遠， 否則就會引起比較大的測量誤差。工業(yè) PC 機必須放在生產(chǎn)車間， 其工作環(huán)境就變差， 影響工作的可靠性和減少其工作壽命。

方案二：

這種方案采用兩級控制結(jié)構(gòu)——利用可編程控制器PLC 進行模擬數(shù)據(jù)采集、 控制配料系統(tǒng)、 與工業(yè) PC機通訊以實現(xiàn)程序修改和配方修改。這種方案的工作原理見圖2 。這種方案的工作原理是：稱重料斗上的壓力傳感器的模擬電壓或電流信號經(jīng)過多路信號放大器放大后，接入可編程控制器PLC 的模擬單元。PLC 根據(jù)程序?qū)δM單元中的模擬信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換、 數(shù)據(jù)采集， 然后根據(jù)配方數(shù)據(jù)進行控制， 直接在 PLC 上的輸出單元輸出控制模擬信號。工業(yè) PC機的主要作用是對 PLC 進行程序修改、 配方修改， 利用通訊模塊與 PLC進行數(shù)據(jù)通訊。 這種方案將多路信號放大器、電源模塊和 PLC 做到一起， 可以脫離工業(yè) PC 機工作。這種方案的特點是控制可靠性高， 自動化程度高， 工業(yè) PC 機可以距離控制單元 ( 即 PLC 控制系統(tǒng) ) 比較遠， 可以把工業(yè) PC 放到車間里的機房里， PLC控制系統(tǒng)對工作環(huán)境的要求并不高， 直接安裝在生產(chǎn)機器附近。 但是這種方案采用的模擬單元、通訊單元、 PC 機上的通訊插卡成本高， 大大地影響了它的應(yīng)用。

方案三：

這種方案采用兩級集散型控制結(jié)構(gòu)——利用單片機控制系統(tǒng)進行模擬數(shù)據(jù)采集、控制配料系統(tǒng)、 把采集的重量數(shù)據(jù)送到 PC 機顯示， 還能利用可接入的輔助鍵盤 / 顯示模塊進行控制；PC 機除了顯示各稱重料斗的瞬時重量數(shù)據(jù)， 還具有硬件設(shè)置、配方設(shè)置、 修改、 加載、 配料系統(tǒng)控制邏輯設(shè)置的功能。這種方案的工作原理見圖3。其工作原理是： 稱重料斗上的壓力傳感器的模擬電壓或電流信號經(jīng)過多路信號放大器放大后，接到單片機系統(tǒng)中的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊， 單片機系統(tǒng)對輸入模擬信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換、 數(shù)據(jù)采集，利用存儲在 EEPROM 中的配方數(shù)據(jù)進行控制，同時將采集的數(shù)字信號通過 RS-232標(biāo)準通信模式送到 PC 機顯示。 輸出信號經(jīng)過I/O模塊輸出到配料系統(tǒng)中，對配料系統(tǒng)進行控制。 PC機這種方案把多路信號放大器、I/O模塊、 電源模塊和單片機系統(tǒng)做到一起，控制可靠性高； PC 機把從單片機控制系統(tǒng)送上來的數(shù)據(jù)顯示到屏幕上， 并通過形象的圖形效果把配料系統(tǒng)的工作情況顯示到屏幕上。PC機的配料系統(tǒng)應(yīng)用軟件還能實現(xiàn)硬件設(shè)置、 配方的管理， 使得單片機系統(tǒng)在配料機械系統(tǒng)改變是實現(xiàn)不需要改變程序就能夠滿足新的配料機械系統(tǒng)的控制要求。

這種方案的特點是自動化程度高，控制可靠性高，通用性強， 可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測和管理， 可以把 PC 機安裝在生產(chǎn)車間里的機房里或者安裝在再高一級的管理部門里， 方便管理部門實時管理生產(chǎn)活動，它的設(shè)計、 制造成本較低。

通過上述三種方案的比較，我們認為方案三的優(yōu)點比較突出。它的通用性強， 能充分利用PC 機的強大功能， 編寫出自動配料控制系統(tǒng)友好的人機界面，這也符合目前計算機應(yīng)用軟件向智能化發(fā)展的趨勢。

3 自動配料系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

單片機控制的硬件系統(tǒng)主要由主機板、子卡和輸出卡組成。主機板主要功能是實現(xiàn)與微機控制系統(tǒng)通訊。 主機板可以同時插上多個子卡，以實現(xiàn)控制多個配料系統(tǒng)。 它不斷地從各子卡中輸入重量數(shù)字量，然后送到 PC 機， 在修改控制邏輯關(guān)系和參數(shù)時接收配方參數(shù)并送到對應(yīng)的子卡。子卡的功能就是不斷地將由多路信號放大器送過來的經(jīng)過放大后的模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字量，并通過和存儲在存儲器中的配方數(shù)據(jù)進行比較，在需要輸出控制信號的時候把數(shù)字輸出信號通過數(shù)據(jù)總線輸出到插在子卡上的輸出卡，由輸出卡通過光耦開關(guān)控制各繼電器。輸出卡做成一種插卡的形式插在功能模塊上， 通常一個子卡控制一套配料系統(tǒng)。單片機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖見圖 4 。

4 自動配料系統(tǒng)的上位軟件設(shè)計

PC機配料控制應(yīng)用軟件主要的功能是可以實時顯示各被控料斗的重量， 同時在配料系統(tǒng)的設(shè)置改變或配方改變的時候能重新進行系統(tǒng)設(shè)置和配方管理。為了能達到預(yù)期的目的， 同時還能實現(xiàn)人機界面友好的效果， 系統(tǒng)采用Borland公司的Delphi 5 編程軟件。該軟件具有強大的界面編程功能，能很方便地使用它編出界面友好的應(yīng)用程序， 同時它具有強大的數(shù)據(jù)庫功能，能很好地處理好配方數(shù)據(jù)， 還能制作自定義的ActiveX控件， 這恰好能滿足自動配料系統(tǒng)上位機應(yīng)用軟件的要求。因此決定采用Delphi5.0這種使用方便、功能強大的編程軟件編出自動配料控制系統(tǒng)的上位機應(yīng)用軟件。

在軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，考慮到該軟件要同時監(jiān)視多套配料系統(tǒng)的需要， 也就是說要求該軟件能夠同時顯示多個窗口，結(jié)構(gòu)上就應(yīng)該采用多文檔處理結(jié)構(gòu)， 類似于 Office文字處理軟件的結(jié)構(gòu)。這在Delphi 5.0中利用多文檔窗口是可以實現(xiàn)的。由于串行通訊只有一條通訊線路，為了同時能為多個配料系統(tǒng)提供重量數(shù)據(jù)而又不會產(chǎn)生資源沖突， 必須要設(shè)計一個后臺運行的通訊程序，不斷地從下位機中取出各稱重料斗的重量數(shù)據(jù)， 送到對應(yīng)的數(shù)據(jù)接口中。各個被控配料系統(tǒng)的監(jiān)視程序就利用這些數(shù)據(jù)接口接收到本配料系統(tǒng)的輸人數(shù)據(jù)。

關(guān)于配方數(shù)據(jù)庫管理方面，利用Delphi 5.0強大的對象聯(lián)接功能聯(lián)接SQL 7.0 數(shù)據(jù)庫，可以做到對配方數(shù)據(jù)庫的管理。

關(guān)于系統(tǒng)設(shè)置方面，參考利用北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司出品的“ 全中文工控組態(tài)軟件”采用的組態(tài)控制的概念， 利用圖像控件在屏幕上的移動組合和設(shè)置一些參數(shù)，就可以達到生成控制邏輯關(guān)系， 對系統(tǒng)進行控制、監(jiān)測的功能。利用Delphi 5.0 的自定義 Aclive X控件功能， 自定義一批控件及其參數(shù)、 接口， 可以達到組態(tài)控制的功能。這樣就可以達到預(yù)期人機界面友好、 控制使用方便明了的目的。

上位軟件的設(shè)計難點是利用組態(tài)的技術(shù)實現(xiàn)配料系統(tǒng)的設(shè)置和監(jiān)視，還有配方的管理和后臺通訊模塊的設(shè)計。上位軟件主要結(jié)構(gòu)分為兩級：主窗體系統(tǒng)和子窗體系統(tǒng)。主窗體系統(tǒng)主要是一個主窗體， 它主要負責(zé)對于窗體系統(tǒng)的管理和負責(zé)與下位機的數(shù)據(jù)交換。子窗體系統(tǒng)主要由監(jiān)視子窗體、編輯子窗體、 控件屬性子窗體組和配方數(shù)據(jù)庫子窗體組組成。監(jiān)視子窗體負責(zé)顯示配料系統(tǒng)的工作情況；編輯子窗體負責(zé)編輯一個新的或者對原有的配料系統(tǒng)的設(shè)置進行編輯； 控件屬性子窗體組負責(zé)對控件的屬性進行設(shè)置；配方數(shù)據(jù)庫子窗體組負責(zé)對配方數(shù)據(jù)進行管理。所有的系統(tǒng)設(shè)置都用文件的形式保存下來，配方數(shù)據(jù)庫也用 ABC 文件保存下來，每次打開監(jiān)視子窗體的時候，都要求選擇配料系統(tǒng)設(shè)置文件， 把系統(tǒng)設(shè)置讀取出來后就按照設(shè)置文件運行監(jiān)視程序。程序的結(jié)構(gòu)簡圖見圖 5。

4.1 配料系統(tǒng)監(jiān)視程序的設(shè)計

配料系統(tǒng)監(jiān)視程序的功能是通過后臺通訊模塊的輸出接口接收對應(yīng)的配料系統(tǒng)的重量數(shù)據(jù)并且在屏幕上顯示出來，同時利用圖形效果把整套配料系統(tǒng)的工作情況顯示出來。監(jiān)視程序的主體界面就是監(jiān)視自窗體。配料系統(tǒng)監(jiān)視程序不處理用戶的任何操作，它一直工作在監(jiān)視狀態(tài)下， 因此該窗體上沒有任何的操作按鈕。

監(jiān)視程序在子窗體加載時首先打開所選擇的配料系統(tǒng)設(shè)置文件和對應(yīng)的配方文件，讀取系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)和配方參數(shù)， 然后進入監(jiān)視程序。配料系統(tǒng)設(shè)置文件和對應(yīng)的配方聯(lián)系設(shè)置文件在保存的時候就把它們定為同名但不同擴展名的順序文本文件。系統(tǒng)設(shè)置文件和配方文件都是采用順序文件形式保存，因此打開和讀取這兩個文件的時候是采用讀取順序文件的方法讀取它們。監(jiān)視程序也是利用Timer 控件不斷地從通訊模塊的輸出接口讀取重量數(shù)據(jù)，然后對配方數(shù)據(jù)參數(shù)進行比較，需要改變系統(tǒng)狀態(tài)的時候就調(diào)用改變狀態(tài)顯示子程序。

4.2 配料系統(tǒng)編輯程序的設(shè)計（組態(tài)技術(shù)的應(yīng)用）

配料系統(tǒng)編輯程序主要由編輯子窗體、屬性框和料斗配方設(shè)置框， 它的功能是實現(xiàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)置、配方編輯和管理。它的設(shè)計應(yīng)用了組態(tài)的概念， 即利用圖像控件在屏幕上的移動組合和設(shè)置一些參數(shù)，就可以達到生成控制邏輯關(guān)系， 對系統(tǒng)進行控制、監(jiān)測的功能。為了實現(xiàn)組態(tài)的

功能，利用 Delphi 5.0 的自定義控件開發(fā)功能， 制作了 8個配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控件，并且為它們分別定義了有關(guān)的屬性， 通過改變這些屬性就可以對其進行控制。在子窗體上添加一個工具欄以方便操作。子窗體的所有功能都通過單擊工具欄上的按鈕執(zhí)行對應(yīng)的功能程序來實現(xiàn)。程序在設(shè)計的時候就分別為子窗體添加了這 8 個配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控件， 但把它們都隱藏起來， 程序運行的時候就把它們或利用控件數(shù)組所創(chuàng)建的新控件顯示出來。系統(tǒng)還有刪除控件的功能，方便在設(shè)置系統(tǒng)的時候能把多余的控件從屏幕上刪除掉。刪除控件功能的實現(xiàn)主要靠在單擊任何控件的時候都把該控件記錄下來，當(dāng)按下鍵盤上的Delete“鍵或單擊工具欄上的刪除鍵時就執(zhí)行刪除程序把記錄的控件刪除掉或把它們隱藏起來（ 對第一個控件）。 8 個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控件都由工具欄上的 8 個按鈕控制。為了實現(xiàn)組態(tài)的功能，每個重要的控件都需要對其進行參數(shù)設(shè)置。對控件的參數(shù)設(shè)置都可以通過雙擊該控件彈出控件屑性框來設(shè)置。通過設(shè)置該屬性框里的參數(shù)就可以為控件設(shè)置了新的屬性值。在設(shè)置完成后，通過工具欄上的保存系統(tǒng)設(shè)置按鈕把系統(tǒng)的設(shè)置保存成文件。在各控件設(shè)置完了之后， 還要和系統(tǒng)對應(yīng)的配方聯(lián)系上， 也就是哪個料斗裝配方中的哪種物料還需要設(shè)置。本系統(tǒng)還允許用戶對同一套配料系統(tǒng)擁有兩個料斗秤，分別為高精度配料秤和低精度配料秤， 目的是為了當(dāng)遇到某些成分在配方中的比例太小，但卻比較重要的情況時能滿足用戶的要求。設(shè)置系統(tǒng)與配方聯(lián)系的窗體由于窗體上的工具欄上設(shè)定的一個按鈕來控制。設(shè)定完成后程序把設(shè)定為系統(tǒng)文件。在運行監(jiān)視程序的時候，先讀取這兩個文件， 就可以按照系統(tǒng)設(shè)置運行程序，組態(tài)技術(shù)就實現(xiàn)了。

4.3 通訊模塊的設(shè)計

作為與下位機通訊的通訊模塊，按照通訊的內(nèi)容不同而分成三部分： 硬件設(shè)置通訊模塊、配方數(shù)據(jù)通訊模塊和重量數(shù)據(jù)通訊模塊。所有的通訊模塊都使用了通訊組件中的串行通訊控件。整個通訊模塊都采用一個統(tǒng)一的通訊協(xié)議，該通信協(xié)議是設(shè)計者制訂的。所有的通訊模塊都在主窗體程序中。硬件設(shè)置發(fā)送之前先運行標(biāo)準輸入對話框，用戶選擇要發(fā)送的硬件配置文件。配方數(shù)據(jù)通訊模塊的運行模式也是這樣。重量數(shù)據(jù)通訊模塊的設(shè)計利用了Timer定時器控件定時響應(yīng)Timer()事件的特點，在每次響應(yīng)Timer() 事件的時候就向下位機發(fā)出讀取數(shù)據(jù)的命令， 然后就執(zhí)行接收數(shù)據(jù)的程序。

5結(jié)束語

本文完成了自動配料系統(tǒng)的上位軟件的開發(fā)和下位單片機控制模塊的設(shè)計，并利用現(xiàn)成的設(shè)備改造成一套自動化的應(yīng)用系統(tǒng)， 能夠?qū)⒆詣优淞舷到y(tǒng)的大概的工作情況進行管理和監(jiān)控。利用上位軟件可以實現(xiàn)配方的編輯、管理和統(tǒng)計， 可以對下位機的硬件設(shè)備進行設(shè)置，并且可以送到下位機中，可以對整套配料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行編輯、 保存，可以對整套配料系統(tǒng)進行監(jiān)視， 可以說基本上達到了系統(tǒng)對上位機的所有要求。

通過利用上述系統(tǒng)對我們設(shè)計的自動配料系統(tǒng)的驗證，我們得出了這樣的結(jié)論： 自動配料控制系統(tǒng)的設(shè)計采用這種方案是可行的，而且具有控制自動化程度高、 通用性強、 成本低的優(yōu)點， 可以說為自動配料系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域提供了一種高效、通用的設(shè)計方案和技術(shù)。細心的讀者不難發(fā)現(xiàn)， 在陶瓷生產(chǎn)自動配料系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)上，結(jié)合實際，稍加修改， 即可設(shè)計出其它行業(yè)的自動配料系統(tǒng)。

 

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