奶粉自動配料稱量控制系統設計

賀小艷

河源職業技術學院電子與信息工程學院（河源 517000）

隨著經濟的不斷發展，生活水平逐步提高，不同年齡段消費者對于奶粉的需求量不斷提升。不同奶粉具有不同配方，在奶粉配料過程中需要將不同物料按照一定比例混合，從而形成營養豐富的食品。定量配料是奶粉加工生產過程中的重要工藝，定量精度對于企業產品品質和生產效率具有直接影響。傳統奶粉加工通常采用人工進行稱量、人工進行配料，但傳統人工生產方式已不能滿足企業現代化的生產需求，企業生產方式及生產設備也急需更新換代，以實現自動高速地對奶粉食品進行加工生產。

自動配料稱量控制技術是按照一定配方比例將不同物料混合，結合動態稱量數據采集技術和計算機控制技術，實時完成送料、分裝、稱量等工藝[1-3]。國內自動配料、分裝設備控制系統主要有三大類：（1）工控機控制。通過數據采集卡對稱重信號進行采集，通過A/D信號轉換傳送到計算機中；通過特定的語言編程開發人機交互系統和主控程序。該控制器在軟件上具有一定靈活性，但人機交互性差軟件不具有兼容性。（2）單片機控制。單片機控制雖然成本低，但單片機控制系統開發周期長、抗干擾能力差。（3）可編程控制器控制。可編程控制器控制即PLC進行控制，采用梯形圖進行PLC編程，通過模擬量采集模塊采集稱重信號[4]。該控制系統穩定性高、可編程性強，但該控制方法對于復雜處理算法具有一定局限性。數字信號處理器（DSP）是一款專門為數字信號處理而設計的擁有高速運算能力的芯片，該芯片內部能夠完成A/D轉換、數字輸入和輸出、串口通信等接口。試驗以DSP為自動配料系統核心控制器，開發一套基于TMS320F2812為核心控制芯片的奶粉自動配料系統，利用DSP強大的數字處理能力設計奶粉加工生產控制系統。

1 配料稱量工作原理

設計通過DSP控制的奶粉自動配料稱量系統，傳送系統采用螺旋輸送機進行輸送，該系統進行密閉式傳送更適合粉狀體的傳送，通過DSP對螺旋絞龍進行控制，通過控制電機的轉速實現物料的快速加料以及緩慢加料。連續配料稱量系統主要由下料斗、放料閥、螺旋輸送機，實現自動送料和卸料，其結構如圖1所示。系統上電后，通過控制系統人機畫面使得稱量機開始動作，控制器發出命令使得電磁鐵開始振動，通過振動將物料沿著給料斗將物料落入稱重斗中，稱重傳感器將數據采集并傳送到控制器中進行判斷，控制系統根據采集到的值與設定目標值差值大小自動調節電磁鐵振幅大小。奶粉自動配料稱量采用兩級給料，在給料初期采用快速下料的方式使物料快速下落，當物料達到所設定的物料時，調節振動器使得振動器緩慢振動，從而保證物料緩慢穩定下落。電磁鐵振動的振幅可以根據控制器數據處理結構自動調節。

圖1 配料稱量工作原理

2 控制系統硬件設計

根據自動配料稱量系統控制要求，奶粉自動配料稱量分裝機控制系統硬件結構如圖2所示。控制系統采用DSP嵌入式芯片TMS320F2812作為配料稱量系統的核心控制元件。TMS320F2812為32位定點微控單元，主要應用于自動化控制以及最優網絡處理等領域，工作頻率可達150 MHz，高頻率特性保持了控制器對數據和信號處理的快速性和實時性，高速的信號能夠為控制器提供實時處理信息的能力；外部擁有A/D轉換所需的大容量存儲器，16位和32位定時器比較模塊、PWM波形發生器，能夠實現電機的靈活控制。DSP擁有快速的中斷處理能力及硬件尋址控制等特有功能，提高TM320F2812在電機控制中的應用。

圖2 控制系統硬件結構

圖3 為電源電路，為保證控制系統能夠穩定可靠運行，需對控制器提供波形穩定的電源對其進行供電。為保證供電穩定，需要考慮對電壓進行濾波處理，在電源設計中通過引入電阻和電容濾波器對電源信號進行處理，從而達到抑制電源中的雜波。由于控制器內部需要為光電開關提供一組12 V直流電源，因此經過整流橋后串接UA7812，UA7805將電源從12 V轉換為5 V直流電源，5 V電源可以給AD轉換電路的運算放大電路供電。

圖3 電源電路

3 控制系統軟件設計

3.1 控制系統主流程

奶粉自動配料稱量控制系統主要是對奶粉顆粒的流量進行控制，控制面板上外接液晶顯示，通過該顯示可對物料狀態及質量進行實時顯示，系統上電后設備一切正常后會在液晶顯示上顯示正常，此時才滿足開機運行的條件。通過鍵盤輸入參數以及下發控制指令，當系統接到運行指令后開機進行分裝流程。通過模擬量采集模塊對物料質量進行采集并傳送到控制器中。分裝稱量系統主要功能為啟動、振動放料、實時顯示物料質量、系統參數設置、卸料等。控制系統主流程如圖4所示。主程序主要包含各功能模塊初始化、顯示模塊及振動控制模塊。

圖4 控制系統主流程

3.2 模糊PID控制

自動配料稱量算法是指在未達到目標值時通過質量信號實時對電磁鐵和電機控制信號進行調整，使得需要分裝的物料質量達到最初的目標設定值。分裝機由于工作環境復雜多變，其對控制器的參數變化影響較大，此外由于物料下落的振動和沖擊等不可預測因素的影響，使得傳統PID控制很難精確控制下落物料的流量。為提高分裝稱量精度，使得系統能夠根據外部環境因素變化對控制器參數進行自適應調整，在傳統PID控制器中引入模糊控制理論。模糊PID控制器結構如圖5所示。

圖5 模糊PID控制器結構

利用模糊控制方法對傳統PID控制器中的參數進行自適應調整，調整方式為[5-9]。

式中：Kp、Ki、Kd分別為PID控制器中的比例、積分、微分參數；ΔKp、ΔKi、ΔKd為經過優化后的PID參數增量。通過粉狀食品質量偏差e(k)和偏差變化率ec，利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊規則對其參數進行在線調整。

4 試驗分析

為驗證設計的控制系統和智能控制算法的有效性，進行動態稱量試驗分析。設定下料目標值分別為100，200，300，400和500 g。物料稱量值如表1所示，設置完成一次稱量所用時間為5 s。

由表1可以看出，在設置不同稱量質量時，設計的配料分裝控制系統能夠快速實現稱量目標，且動態稱量誤差不超過±1 g。在配料稱量過程中采用模糊PID控制方法進行稱量，保證了稱量精確性，并使控制系統具有自我適應能力。

表1 試驗結果 g

5 結語

為滿足奶粉生產廠家對奶粉自動配料稱量需求，提高分裝機定量精度，提高分裝稱量自動化程度，設計奶粉自動配料稱量控制系統。系統采用DSP嵌入式芯片TMS320F2812作為控制器核心，為提高系統抗干擾能力，對控制系統電源電路進行設計。在硬件結構基礎上對控制系統軟件進行設計，針對傳統PID控制器魯棒性，在PID控制器中引入模糊控制理論，提高系統魯棒性。試驗數據證明，該控制系統定量精度能夠控制在±1 g，該控制精度完全能夠滿足生產企業定量稱量質量要求。