飼料廠自動配料系統(tǒng)的設(shè)計

劉艷榮

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學院 新疆 烏魯木齊 830021）

隨著我國飼料工業(yè)的飛速發(fā)展，飼料行業(yè)[1]的競爭也越來越激烈，雖然飼料配方的研制有了飛速的發(fā)展，但生產(chǎn)廠家卻無法快速準確的生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品，究其原因則是飼料企業(yè)所使用的配料生產(chǎn)系統(tǒng)過于落后，因此，改造現(xiàn)有落后的配料生產(chǎn)系統(tǒng)，使之能精確、快速生產(chǎn)不同配方的飼料已迫在眉睫。

1 配料系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計

原有的配料系統(tǒng)中存在很多問題[2-3]:1）大部分配料系統(tǒng)采用快慢速給料方式，多為單物料工作方式，不能實現(xiàn)連續(xù)配料，生產(chǎn)效率低。2）多采用傳統(tǒng)控制算法更本無法滿足高精度的配料要求。3）大部分配料現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，強度大，粉塵大，對工人的身體造成很大的危害。基于以上要求，新的配料系統(tǒng)必須要滿足以下幾個要求：1）改善工人的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。2）要適用于多種配方的配料以及連續(xù)配料，具備配方管理功能，可以隨時建立、修改、或刪除配方。3）要實時采集數(shù)據(jù)，并具備記錄，打印，查詢等功能。4）可以實時監(jiān)控連續(xù)生產(chǎn)過程，隨時發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出報警。5）具備存儲功能，顯示歷史數(shù)據(jù)。

基于以上要求，制定出的飼料廠配料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 飼料廠配料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of feed mill batching system

本系統(tǒng)采用兩級分布式微機配料控制系統(tǒng)，上位機采用微型計算機，對生產(chǎn)線實現(xiàn)集中管理，通過上位機，可實現(xiàn)人機通訊，實時監(jiān)控生產(chǎn)過程，實時采集數(shù)據(jù)，進行分類存儲，產(chǎn)生各種歷史報表。上位機與下位機采用 RS-232或RS-485串行總線進行通訊。下位機采用以PLC為核心的控制器，實現(xiàn)物料的定量給料。

如圖1中上位機采用工業(yè)研華工控機，主要完成以下任務(wù)：1）人機交互及管理；2）實時監(jiān)控國；3）數(shù)據(jù)存儲及保密；4）報警；5）打印；6）通訊。

系統(tǒng)現(xiàn)場控制器采用S7-200 PLC控制：由它輸出控制量控制給料系統(tǒng)快慢速給料、給料器的起停、料倉門的開關(guān)等等相關(guān)控制開關(guān)的動作，另外要接受來自上位機發(fā)送的相關(guān)配料量，所以它是飼料配比系統(tǒng)的核心控制器件。

變頻器—異步機接受PLC發(fā)送的控制指令，調(diào)整電磁振動給料機的電機轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)變速給料。我們選用西門子公司的MM440變頻器。

給料器選用電磁振動給料機，根據(jù)頻率變化來控制料速度。

稱重傳感器用于實時測量稱量料斗中物料的重量，考慮到稱重的精度及稱重傳感器量程的選擇，采用3個BHR-4M應(yīng)變式荷重傳感器并聯(lián)組秤的方式。

稱重采樣接口用于將稱重傳感器的稱重信號濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號在送入CPU。它主要包括濾波器、放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及控制命令寄存器等。其中，放大器采用了超低漂移高精度運算放大器OP07。為了保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采用美國MAXIM公司推出的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX111芯片，具有±14位的分辨率，不需要外加元件來解決溫漂和時漂的問題，采用內(nèi)部校準技術(shù)；線性度為0.05%，性能較好，可適用于精度要求較高的場合。

電源電路用于將交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的、并符合一定要求的直流電，它是整個系統(tǒng)的能量來源。

在自動配料系統(tǒng)中，上、下位機之間的通信方式采用RS-485。

在飼料生產(chǎn)現(xiàn)場，各種干擾問題十分突出.本系統(tǒng)在硬件方面采取了以下幾點抗干擾措施.電容濾波、屏蔽傳輸、光電耦合、稱斗排氣、互鎖控制。所有硬件的設(shè)計在滿足系統(tǒng)的必要要求時還必須兼顧到軟件的設(shè)計，使得軟硬件的設(shè)計讓整個系統(tǒng)取得最好的性價比。

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括上位機軟件設(shè)計和下位機軟件的設(shè)計。上位機軟件包括系統(tǒng)監(jiān)控軟件和控制界面的設(shè)計，下位機包括PLC編程、數(shù)據(jù)采集、軟件濾波等軟件抗干擾技術(shù)的應(yīng)用。整個系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，方便使用、維護，從而提高整個控制系統(tǒng)的控制及管理性能。

下位機軟件設(shè)計主要考慮稱重信號的實時采集、傳輸、處理，各種開關(guān)量信號、控制量及時準確地傳送。所以軟件設(shè)計要考慮PLC控制程序的編寫，數(shù)據(jù)采集以及相應(yīng)的軟件抗干擾技術(shù)。由于篇幅有限下面主要給出整個配料軟件流程圖如圖2所示。

上位機操作系統(tǒng)選用windows xp，數(shù)據(jù)庫選用access 2003，監(jiān)控軟件采用組態(tài)王（KingView），對現(xiàn)場進行實時監(jiān)控。包括主監(jiān)控畫面設(shè)計、用戶加密設(shè)置、生產(chǎn)批次設(shè)置等，并通過組態(tài)軟件實現(xiàn)上下位機的通信。采用VB6.0實現(xiàn)控制軟件設(shè)計，以良好的人機界面形式主要完成配方管理、配料批次設(shè)置、配料秤管理以及其他設(shè)備管理。

3 提高配比精度的控制算法

圖2 配料軟件整體流程圖Fig.2 Flow chart of batching software overall

該配料系統(tǒng)采用變頻器控制電磁振動給料器的給料速度，物料通過給料器采用進料式倒入稱重料斗中，當給料設(shè)備停止動作后的一瞬間，空中還有一部分物料沒有落入稱量料斗，這部分物料成為落差，落差的大小隨物料的特性不同而不同，這就造成最終的測量重量與設(shè)定值不符，這也是配料誤差產(chǎn)生的最主的原因也是最難消除的。通過對配料系統(tǒng)分析建立數(shù)學模型如下：

上式中，G為物料重量，n為給料器頻率，K為采樣次數(shù)，T為采樣的周期。

模型中涉及到的參數(shù)比如料斗的直徑、高度、給料器的參數(shù)都可實測，但物料的容重中即空中料柱單位體積的重量則無法確定，會隨溫度、濕度及物料的不同而不同，故采用傳統(tǒng)PID控制無法達到高精度的要求，文中采用在PID控制的基礎(chǔ)上引入蟻群算法[5]，蟻群算法是根據(jù)仿生進化算法提出的一種源于大自然生物世界的仿生類算法，在很多尋優(yōu)問題上得到很好的結(jié)果，具有良好的魯棒性，算法靈活，很容易應(yīng)用于其他能被表達為在圖表上尋優(yōu)的問題上，故可將PID控制的3個參數(shù)KP、Ti及Td用圖表的形式表示，通過蟻群算法尋優(yōu)來動態(tài)調(diào)節(jié)控制參數(shù)，步驟如下：

1）先要將KP、Ti及Td這3個有待優(yōu)化的參數(shù)用圖表的形式表示，用5位有效數(shù)字去表示每一個參數(shù)，其中小數(shù)點后有4位，小數(shù)點前有一位，最簡單的圖表形式就是用坐標軸來表示，為每只螞蟻設(shè)一個數(shù)組，該數(shù)組有15個元素，代表該螞蟻走過的縱坐標的數(shù)值。令時間t=0和迭代次數(shù)N=0，τ0=0。

2）將m個螞蟻置于各自的初始化區(qū)域，并將該點放至tabuk中，每個螞蟻按照式（2）所示轉(zhuǎn)移概率移動。

3）tabuk是否滿，是繼續(xù)往下，否轉(zhuǎn)第（2）步

4）記錄各螞蟻的目標函數(shù) JK（j=1，2……m），并記錄 P ID控制器最優(yōu)解。

5）按式（3）所給出的螞蟻信息素更新規(guī)則進行更新。

6）循環(huán)次數(shù) Ni+1。

7）若Ni小于預(yù)定迭代次數(shù)則轉(zhuǎn)向第2步。

8）輸出PID控制最優(yōu)解。

其中，目標函數(shù)JK要能體現(xiàn)被控系統(tǒng)的性能，控制系統(tǒng)的性能好壞體現(xiàn)在穩(wěn)、準、快上，所以在著我們就用系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)時的穩(wěn)態(tài)誤差ess，上升時間tr以及調(diào)整時間ts，作為衡量標準，構(gòu)建目標函數(shù)，根據(jù)譚冠政等人在2004年的相關(guān)研究結(jié)果[2]，目標函數(shù)為式（4）：

上式中，κ0、κr、κs為各項指標的加權(quán)系數(shù)，通常可為 0.5、0.1、0.3，ess0、tr0、tr0為采用Z-N 法得到的系統(tǒng)性能指標。

4 系統(tǒng)仿真結(jié)果

我們采用MATLAB軟件工具箱 Simulink，根據(jù)式（8）對配料系統(tǒng)進行仿真后按上述步驟尋優(yōu)在實驗中，蟻群算法的參數(shù)選擇是非常重要的，根據(jù)相關(guān)研究取參數(shù)[6]α=2，ρ在0.5～0.9之間，m=5，Q=100，尋優(yōu)終止條件為兩次最優(yōu)結(jié)果小于0.001，初始信息素τ0=0，為驗證蟻群算法的適應(yīng)性，采用不同的物料容重進行測試：

1）取參數(shù) α=2，ρ=0.8，m=5，Q=100，ψ=200 kg/m3，設(shè)定值為100 kg時，迭代次數(shù)為7，實際值與給定值相差0.02 kg，達到很高的控制精度。如圖3中曲線（1）所示。

2）但當比重增大10%即ψ=220 kg/m3時，迭代次數(shù)增大為10，實際值與給定值相差0.03，控制精度仍然很高，但迭代次數(shù)增加了3次，配料速度有所降低，如圖3中曲線（2）所示。

3）而當比重增大50%時，迭代次數(shù)需要20次，控制精度略有下降但仍然在允許范圍內(nèi)，只是系統(tǒng)快速性及實時性得不到保證，這也證明了蟻群算法具有適應(yīng)性，即螞蟻在覓食過程中如果途中出現(xiàn)障礙物也能重新找到最優(yōu)路徑，只是尋優(yōu)時間會增長，如圖3中曲線（3）所示。

4）當取 α=3，ρ=0.6，迭代次數(shù)為 10 時，配料精度可以控制在±0.2 kg以內(nèi)，達到配方要求。此時算法具有較好的適應(yīng)性，能在比重發(fā)生變化的情況下找到最優(yōu)解。如圖3中曲線（4）所示。

圖3 仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results

5 結(jié) 論

該設(shè)計目前已順利通過測試并投產(chǎn)使用，運行數(shù)月來配料過程中稱量誤差最大為0.2 kg，最小為0，達到預(yù)期效果，該廠自從改造后，不僅配料精度得到提高，產(chǎn)量亦提高了80%，整個配料系統(tǒng)人員由原來的8人減少為2人，降低了生產(chǎn)成本，工人也不用長時間工作在噪聲大、粉塵大的生產(chǎn)現(xiàn)場。該系統(tǒng)設(shè)計雖然針對飼料的配比，但其自動稱重過程適用于多種配料場合，比如冶金、陶瓷、醫(yī)藥、建材等等，也可以適用于各種包裝生產(chǎn)線上，均可達到較好的控制效果。

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