混凝土攪拌車控制原理在飼料攪拌機系統中的應用

黃克亮

(武昌首義學院，武漢 430064)

0 引言

近年來，國家不斷鼓勵和扶持農民群眾大力發展畜牧養殖業，大大加快畜牧業發展步伐。隨著畜牧養殖業的不斷發展，畜牧業養殖戶對自動化設備的要求將會越來越高，而現階段，飼料的混合配比大多還是由人工完成，效率低下。為此，本文以解決飼料原材料自動配比為出發點，設計了一套基于AT9621全混飼料攪拌機智能控制系統，大大地減少了畜牧養殖業的勞動力。

1 混凝土攪拌車優選配合比控制系統

混凝土質量的好壞會直接影響水木工程的施工質量，因此在原材料配比設計中重點需要考慮混凝土的耐久性和穩定性，確保整個工程的質量安全。混凝土原材料主要包括水、砂、石和水泥等，在施工過程中要嚴格按照施工材料標準進行控制；另外，對各個原材料的占比也應該嚴格進行管理，采用優選配占比進行原材料的比配。實現高性能混凝土的優選配占比應注意如下幾個方面：①添加減水劑；②嚴格控制水灰比；③使用礦物摻和料；④使用合適的砂、石。

除了控制原材料優選配占比，制作高效的混凝土還需要有一個可靠的混凝土攪拌機控制系統，其核心功能是保證配料系統、供水系統及攪拌系統的可靠運作，從而保證各個物料的精確配比。為了實現配料系統、供水系統、攪拌系統控制的精準度，系統采用變頻器控制電機的轉速，該系統采用Atmel公司的AT9621控制器實現混凝土攪拌機工業控制系統。混凝土攪拌機工業控制系統整體框架如圖1所示。

圖1 混凝土攪拌機工業控制系統整體框架圖Fig.1 The overall frame diagram of industrial control system for concrete mixer

系統采用Atmel公司的AT9621微處理器為核心控制器件，配料系統(包括稱重傳感器、電動機等)由微處理器進行控制，人機交互由模塊接口連接輸入輸出實現，服務器與微處理器之間通過TCP/IP的方式進行數據的傳輸與共享。

從系統網絡功能來分，整個攪拌機控制可以分為控制層、監測層和設備驅動層。

從網絡層次結構上來說，系統網絡分為3個層次：控制層、監控層和設備層。 其中，控制層主要由服務器和AT9621微處理器構成，二者是整個控制系統的大腦，通過讀取現場信號、對內部程序的掃描和接收服務器發送過來的指令信息，輸出信號對現場控制柜進行控制操作；監控層則通過人機交互界面對微處理器的一些原先設定的參數信息進行修改，并實現對整個混凝土攪拌機工作流程的監視；設備層則包括現場的傳感器、電動機、電磁閥和現場控制開關，具體是通過傳感器獲取現場的作業信息，實現對設備的驅動控制。

混凝土攪拌機工業控制系統的作業流程如圖2所示。

圖2 混凝土攪拌機工業控制系統的作業流程圖

Fig.2 The operation flow chart of industrial control system of concrete mixer

2 全混飼料攪拌機智能控制系統

全混飼料攪拌機是根據牛、羊、豬等牲畜生產階段，按照配方將各原材料混合攪拌成的一種富有營養的全價日糧。本文在混凝土攪拌車優選配合比控制系統的基礎上，結合飼料攪拌機的特性，研發了一種全混飼料攪拌機控制系統。該系統采用合理的控制方法，能夠對原材料進行攪拌、切割等操作，使各種飼料按比例混合，保證了飼料的營養價格，達到科學飼養的目的。

2.1 全混飼料攪拌裝置的設計方案

本文根據全混飼料原材料剪切、揉搓、混合等攪拌特點，在混凝土攪拌車優選配合比控制系統上設計了一種全混飼料攪拌機智能控制系統。該系統的攪拌裝置由加料和卸料機構、拌倉、原動機、混合室、出料門、傳動機構、螺旋攪龍、梅花刀片、機架，以及支承裝置等組成。全混飼料攪拌裝置總體設計方案，如圖3所示。

全混飼料攪拌裝置是一種新型高效混合設備，螺旋攪龍共有3個，上層兩個攪龍將物料從中央向兩側輸送，完成物料的對流混合，下層單個攪龍將攪拌好的物料進行輸出；其減速電機主要為旋轉攪龍提供動力，安裝于攪龍螺旋葉片上的梅花刀片隨攪龍旋轉。

圖3 全混飼料攪拌裝置總體設計方案Fig.3 The overall design scheme of mixing equipment for whole mixed feed

2.2 智能控制系統的硬件設計

2.2.1 控制系統結構設計

攪拌機智能控制系統以AT9621微處理器為核心，根據全混飼料的攪拌規則，結合螺旋攪龍控制方式，以物料的分類稱重及均勻攪拌為目的，按照配料控制算法自動、連續地控制各部分物料的計量，自動進行配料、投料，實現麥秸稈、小麥粉、玉米粉的精細混合，完成生產任務。攪拌機智能控制系統包括微處理器、稱重傳感器、可控硅、控制柜、LCD、鍵盤、鼠標和網口等部件。攪拌機智能控制系統結構框架如圖4所示。

圖4 攪拌機智能控制系統結構框架圖Fig.4 The structure diagram of intelligent control system of mixer

2.2.2 稱重傳感單元

稱重傳感單元由稱重傳感器、信號調理電路、閥門開關及電機驅動等部分構成，如圖5所示。

稱重傳感器將原料倉輸送過來的物料質量轉化為微弱的模擬信號，傳送給微處理器。由于工業環境比較復雜多變，為了使稱重傳感器輸出的模擬信號準備被單片機采集到，特加入信號調理電路，通過放大、濾波和AD轉換后傳送給微處理器，解決了信號線路中的衰減誤差。另外，為了準確控制原材料的質量，采用電機驅動的方式對閥門開關進行實時關閉，保證優選配比的精度。

圖5 稱重傳感單元結構圖Fig.5 The structure of weighing sensor unit

2.2.3 控制柜與操作臺

攪拌現場的控制柜中，微處理器AT9621輸出的I/O信號經過放大驅動電路去控制繼電器，由繼電器的閉合和斷開實現對其他功率負載的控制。而其他生產過程中的正常信號及異常信號則經過電平轉化后由微處理器AT9621的IO采集，并根據實現預設的軟件子系統進行處理。

操作臺配備手動切換開關，現場工作人員可以通過該操作平臺上的各種開關按鈕實現對整個攪拌流程的控制。其中，原材料的質量以及攪拌時序都可以通過現場的LCD顯示屏進行了解，方便操作人員進行生產控制和調試。

2.3 智能控制系統的軟件設計

軟件設計是整個系統正常運行的核心，全混飼料攪拌機是按照預設的程序流程運行的。智能控制系統軟件主程序流程如圖6所示。

圖6 軟件主程序流程圖Fig.6 The flowchart of software main program

系統上電后，首先會經過一系列的初始化操作，然后會設置一些參數，進而可以選擇采用自動配料或手動配料方式，接下來根據流程跳用其他個子程序進行上料攪拌等操作，實現全混飼料的攪拌功能。

3 全混飼料攪拌機配比設計

3.1 全混飼料攪拌機配比設計

為了確保全混飼料攪拌機原材料在攪拌過程中混合均勻，本文采用閉環反饋的控制方法對麥秸稈、小麥粉、玉米粉等流量和比例進行精準控制。為了提高系統整體的智能化程度，本文采用微處理器驅動電機和稱重的方式嚴格控制原材料管道的流量。全混飼料攪拌機配比設計框架如圖7所示。

圖7 全混飼料攪拌機配比設計框架圖

Fig.7 The frame diagram of mix proportion design for full mixing feed mixer

本文采用驅動電機的方式控制3種物料的流量，省去了人類機械式的體力勞動，大大節省了人力財力。其中，電機1、2、3分別用于A、B、C物料管道的流量，3個電機則使用PID調節控制，極大地提高原材料混合前的比例程度。另外，在攪拌過程中，攪拌機啟停的延時、空中物料對稱量傳感器的沖擊，都會影響配料誤差。為了提高原材料配比精度，系統專門有一個PID調節控制部件對攪拌電機進行控制，系統可以根據攪拌流程實現轉速的控制，如開始時高速攪拌，當流程快結束時轉為慢速攪拌。

3.2 配比結果檢驗標準

本文采用變異系數為全混飼料物料混合度評價方法，并使用大米為攪拌均勻度示蹤劑。設定變異系數在10%以下表示混合效果好；10%～20%之間表示效果一般但是可以接收；超過20%則表示不合格。全混飼料變異系數計算公式為

(1)

其中，C為全混飼料變異系數；S為示蹤劑大米含量標準差；x為示蹤劑大米含量平均值。

4 試驗結果與分析

為了驗證全混飼料攪拌機智能控制系統可行性與準確性，進行了麥秸稈、小麥粉及玉米粉的精細混合試驗。試驗中，選用新鮮收割的麥秸稈，其含水率在15.6%左右，長度約200mm，玉米粉含水率為13.2%，小麥粉含水率16.8%；另外，作為示蹤劑的大米含水率為14.9%。試驗原材料如圖8所示。

圖8 試驗原材料Fig.8 Test raw materials

試驗中，原材料麥秸稈、小麥粉、玉米粉的比例分別為70%、15%、15%進行配比，然后對麥秸稈、小麥粉、玉米粉以及配比均勻度進行計算，即對選取的樣本中的麥秸稈、小麥粉、玉米粉及示蹤劑大米的所占比例進行計算。試驗結果如表1所示。

表1 試驗結果Table 1 Test result %

由表1可以看出：經過該攪拌機配比后的全混飼料變異度全部在20%以下，有3份樣本在10%以下，說明飼料混合均勻度很高；而5份樣本中，麥秸稈、小麥粉和玉米粉都分別在75%、15%和15%左右，精度非常高，能夠達到設計要求，證明該系統的有效性和可行性。

5 結論

針對現代農業養殖的發展需求，以全混飼料攪拌為研究對象，在混凝土攪拌車優選配合比控制系統的基礎上，設計和研究了一套全混飼料攪拌機智能控制系統。該系統硬件包括微處理器、稱重傳感器、可控硅、控制柜、LCD、鍵盤、鼠標和網口等部件。軟件上以C語言編寫開發，可以選擇采用自動或手動兩種配料模式。試驗結果表明：該全混飼料攪拌機智能控制系統精度非常高，能夠達到設計要求，具有較高的有效性和可行性。