基于計算機控制的飼料稱重配料系統開發應用

周穎琦

（河南水利與環境職業學院，河南鄭州 450008）

配料是按照飼料配方的要求應用特定的配料裝置，準確稱量不同的飼料原料。配料是飼料生產中的關鍵環節。過去主要由人工完成飼料配料工作，根據需求手動操作各種配料，依據電子秤反饋的重量數值添加或停止。由于許多人為因素、非人為因素的影響，不利于飼料生產工藝的順利進行，容易出現配料不準確等問題。并且在密閉環境中加工飼料，工作人員長時間吸入異味，可能會出現惡心、頭暈等不良反應。改進飼料配料稱重方式，提升配料自動化水平，對提高飼料生產質量和生產效率有重要意義，也是現代飼料加工發展的方向。配料秤是配料裝置的核心設備。配料質量受配料秤的直接影響。通常對配料秤的性能進行評定，通過配料精度來衡量。配料精度反映了配料系統的誤差，實際上描述的是稱量結果接近實際值的程度。在飼料配料稱重環節，控制儀表用計算機控制代替，能自動補償稱量誤差，提升配料精度，滿足準確性的要求。計算機控制也方便人機對話，利用顯示器、鍵盤等對工藝設定進行檢查和修改，設置合理的參數，及時診斷報警故障。并且計算機控制能對稱重配料的生產全過程進行監視。使用計算機也可以自動完成統計工作，利用管理程序及時打印生產報表，為使用者提供參考。應用計算機控制飼料稱重配料系統，對生產過程的科學管理有積極作用，可以有效減少原料不必要的消耗。

1 基于計算機控制的飼料稱重配料系統工藝要求及設計思想

1.1 工藝要求 以計算機控制為基礎設計飼料稱重配料系統，要達到良好的配料效果需要滿足以下要求：首先，計算機控制飼料稱重配料系統，需要能準確、快速的稱量飼料原料，系統性能穩定，與生產要求相符合（鄭海英，2018）。其次，系統要有良好的適應性，能滿足不同的工藝形式，適應環境變化，以及多配比、多品種的生產要求。最后，系統在保證配料精度的基礎上要方便后續維修，使用可靠性高，結構最簡化。

1.2 設計思想 本文研究計算機控制飼料稱重配料系統，有快稱也有慢稱，目的是提升稱量精度及生產效率。料倉慢稱下，小流量的方式出料（倪瑞等，2019）。料倉快稱下，大流量的方式出料。零點跟蹤電子秤，補償前置放大器與傳感器的零點漂移。

受各種因素的影響，實際的配料稱重過程要求目標值與實際稱量值存在偏差問題。超過一定值的正向偏差就是超稱。要控制實際配比誤差，將其限制在允許范圍內，卸料時需要注意減量。稱量不足就是負向偏差超過一定值，需要將稱量值補足，繼續稱量直到達到要求（關立風等，2018）。為提升下一秤的稱量精度，應用線性誤差跟蹤法，能對下一次稱量提前量進行自動修正。

秤斗和料倉存放有不同的物料品種，物料可能出現滯留的問題，主要是由于物料容易結塊，要解決這一問題需要考慮相應的設計，要求系統監督容易結塊的物料。以適宜的流量為準，如果流量不足，系統可以及時報警，破空抖動。

飼料配料中，混料和出料需要較長的時間，混料進入混合機后下一次稱量相應開始，從而提高生產效率。

2 基于計算機控制的飼料稱重配料系統設計

2.1 結構設計 如下圖1 所示，使用IBMPC/AT微型計算機，為控制系統主機。允許多任務操作。用戶區內存為640K。計算機可以插入PC/AT 選件板、PC 選件板，擴充槽有8 個，主機使用2 個，用戶可使用其他6 個。擴充槽可以互換使用，結構為AT 總線結構?？梢赃B接I/O 卡、A/D 轉換板等。整體系統設計組成閉環控制系統，中心為計算機。

2.2 系統接口電路設計

2.2.1 A/D 轉換接口 應用高精度的ADC1210實現A/D 轉換，其為12 位A/D 片子，利用模擬輸入通道，可以轉換輸入通道上的模擬量，使其成為12 位的二進制數字量。A/D 轉換板為12 位數字量輸出，16 路模擬通道。ADC1210 的輸入通道只有一個，使用多路模擬開關的方式，解決輸入16個模擬量的問題。16 路模擬通道，使用八路模擬開關電路CD4501 兩片。前置放大器連接A/D 轉換板。使用IC7652 構成，與理想運算放大器接近。溫度穩定性很好，并且輸入失調電壓很低。使用電阻應變式拉壓傳感器BHR 型，作為系統的稱重傳感器。

2.2.2 輸出輸入接口 應用MS4201 型120 路開關量I/O 接口板，為系統的輸出輸入接口?？傮w上可以滿足40 個開關量回答信號，作為系統輸入接口，對執行機構的狀態進行判斷。輸出接口中驅動輸出信號有80 路開關量。與固態繼電器連接，采取光電隔離電路，對機構動作執行進行驅動。遠距離控制各路控制信號。采取光電隔離方式，模擬屏、顯示器可以直接顯示整個配料過程，具有良好的抗干擾性，并且無噪聲（王均斌，2019）。方便使操作人員操作。為提高環境的適應性，用雙屏蔽控制電纜為控制線，使用密封插件焊接結構進行接線，即使是粉塵較大的環境，也可以實現遠距離控制。

圖1 系統結構框架

2.2.3 定時電路 數據選擇器74LS153、可編程計數器74LS161 組成出料、混合的定時電路。由編程確定出料時間、混合時間，可以根據飼料生產要求任意搭配，定時時間為10 ～160 s。

2.3 系統軟件設計 為方便人機對話、容易編程，應用BASIC 語言編制為管理軟件。管理軟件和控制軟件共同構成系統的軟件部分。管理軟件可以實現表格處理、數據計算、系統初始化等。應用80286 匯編語言編制為控制軟件，可以相互嵌套兩種語言，互相調用，并且執行速度快。

圖2 軟件總體框架

2.3.1 初始化模塊 初始設定值由人機對話選擇，包括混合時間、混合容量、配方、出料時間等。同時對各種物料稱量的目標值及稱量的關門值進行計算。修正初始配方的容量。

2.3.2 增量型稱重模塊 向秤斗里連續給料，這一過程就是稱量過程。停止給料的標準為各種物料的關門值等于稱量值。經過一定的延時，秤斗為全部原料，對實際稱重值檢測（劉艷榮，2020），計算稱重誤差，由此可以作為自動修正下次稱量提前量的參考。

2.3.3 累計型稱重模塊 對每種原料進行稱重，前一種完成后對繼續稱重的關門值、目標值進行修正。依據下一種原料的關門值、稱量值繼續修正。對每種原料的稱量誤差、實際稱重值進行記錄計算。如生產某種飼料，在配料環節中，8 種原料混合組成飼料，嚴格按照工藝要求進行配料。第一種料配料，達到給定量。停止喂料。然后第二種料開始配料，直到完成8 種。全部配料結束應用計算機檢測混合料。要料信號出現后向飼料混合機送料。給輸送機、電磁閥發送指令，一個配料周期結束，模擬屏相應指示燈變亮，上述工作過程由計算機不斷重復，原料超過給定范圍時，為保證固定的配比，計算機對原料進行自動補償。

2.3.4 減量型卸料稱重模塊 飼料配料稱重結束后，對原料的減量卸料關門值進行計算。根據時間順序打開秤斗，然后卸料。秤斗里留的原料重量等于關門值，卸料工作停止。對實際卸料值進行檢測，計算卸料稱重誤差，進行相應的處理。原料稱重時存在超稱的問題，采取減量型的方式進行卸料，開展超稱處理工作。秤斗內會殘留部分原料，從而控制實際卸料量在允許的誤差范圍。下一次稱量的預稱值即為秤斗內的殘留原料。多倉一秤配料系統適用累計型稱重模塊。一倉一秤配料系統適用減量型卸料稱重模塊、增量型稱重模塊。

3 提升飼料配料稱量精度的策略

3.1 動態提前量跟蹤 原料稱量結束后，對秤斗中原料的重量進行實際檢測，同時比較飼料生產要求的目標值，明確誤差。在下一次測量關門值補償此誤差，為下一次稱量提供參考，減少接下來的誤差。許多因素會對提前量產生影響，如機電設備的疲勞程度、氣動關門裝置的壓力、物料的流動性、料位高低、稱量裝置的結構等。這些因素只要是緩慢變化的，就可以有效使用提前量跟蹤法提升配料稱量的可靠性。

3.2 采用變速稱量法 為提升飼料配料的稱量精度，可以采取減小配料流量的方式，這種方法雖然有效，但會降低生產效率，增加配料稱重的時間。變速稱重法是一種良好的方式，開始時采取高速喂料的形式，隨著配料到達一定的程度采取低速的方式喂料（吳峰等，2018）。這種方法不僅可以提升稱量精度，也能保證生產效率。

3.3 多電源供電 由于電源負載的波動會產生一定的影響，為避免這種相互影響，對于A/D 轉換板、前置放大器，采取單獨供電的形式，對于數字接口電路公用一組直流電源。

3.4 采樣頻率為工頻的整數倍 為有效消除工頻干擾，使工頻電壓與采樣時間保持同步，形成固定的工頻干擾大小，并作為稱量的零點值。如果要進一步消除工頻干擾，可以將A/D 轉換板、前置放大器單獨供電，使用精密穩壓電源。具體要根據實際情況應用，綜合考慮性價比。

3.5 多次核實稱量值 關門值比稱量值更小時，對稱量值要反復核實。進入程序連續3 次，并都是同樣的結果，可以認為稱重有效。

3.6 充分利用A/D 轉換的電壓范圍 為降低A/D 轉換的相對誤差，可以使被轉換的摸擬電壓最大化，盡量提升前置放大器的電壓放大倍數。

3.7 斷電保護措施 電源是計算機控制系統操作的基礎，出現斷電時，計算機可以自動保存主要參數。來電后依據參數特征繼續執行相關操作。

3.8 自檢電路 原料稱重每次采樣時對A/D 板上的標準電壓源先采樣。在允許范圍內的電壓值被認為正常工作。不在允許范圍內的電壓值判斷出現故障，停止稱重操作。計算機發出指令給執行機構，需要及時返回信息。如果出現故障會立即報警，系統進入手動狀態。

4 總結

總之，畜牧業的發展需要大量的飼料，飼料企業要提高產品質量，降低生產成本才能獲得競爭優勢，提升經濟效益。自動化生產是飼料生產的重要趨勢，加快改進飼料生產技術，改造生產設備對飼料生產有重要意義。飼料配料稱重是飼料生產中的重要環節，本文采用模塊化結構，設計開發飼料稱重配料系統，利用計算機控制稱重配料。配料系統有零點跟蹤、提前量跟蹤、自動補償等多種方法，可以強化稱重管理，有效提升配料精度，提高生產效率。