數字化砂石料動態配料機的設計與應用*

劉超英，高 康，李俊峰，王軍華

（1.廣州工商學院工學院，廣東 佛山 528100；2.國家建筑五金產品質量監督監測中心（廣東），廣東 肇慶 526000）

0 引言

配料是工業生產中最常見的一道重要生產工序，不同比例的原材料配方對于后期最終產品的性能起著決定性的作用。玻璃（主要原料是石英砂、石灰石、長石等）、水泥等基礎建筑材料都是由幾種天然砂石原料經過一定比例的配料，再經過后續的攪拌、燒結或熔煉等加工工序，形成最終產品[1-2]。通過改變砂石比例，或者添加其他微量元素，可以改變產品的性能參數，以適應不同場合的需要。一般來說，材料的配方是一種產品的核心技術之一。

數字化是現代工業發展、特別制造業轉型發展的必然趨勢。配料機的數字化改造是整個生產線數字化改造的基礎，也是生產線柔性化、智能化以及生產品種多樣化的基礎[3-5]。傳統砂石配料設備一般工作低頻狀態，驅動信號的產生、處理、運算大都由模擬電路配合外圍的電位器、切換開關等完成，除了體積龐大外，驅動信號的穩定性、抗干擾能力、波形種類等都難以同數字電路相比擬，當生產工藝需要升級改造時，模擬電路往往需要升級或更換原有硬件，而數字化系統的一般只需升級其軟件或程序即可[6-8]。另外，現有砂石料配料機一旦配比參數設定，生產過程中不再容易變化，稱之為靜態配料。報告一種利用嵌入式微處理器和變頻調速器組成的數字化砂石動態配料裝置，實現生產過程中配料參數的動態修改和調節[5-9]。本配料裝置已經在彩石金屬瓦生產線上的使用，可實現彩石原料配比的動態調整，生產出不同花型花色的迷彩型彩石金屬瓦。

1 機械結構與電氣控制部分的升級與改造

1.1 配料機機械結構的升級與改造

目前，單一的砂石輸送基本都實現了機械化，通過漏斗、電機、減速器以及對應的電氣控制等設備實現砂石料的落料控制[10-12]，本配料機是在原有落料機的基礎上，經過雙層漏斗結構的技術升級和改造而構成。用多個（圖1中為2個）單一砂石料落料機作為內核，在內核下方再配裝一個混料漏斗組成雙層漏斗的配料機，如圖1所示。每個單一砂石料落料機標記為S1、S2，外層混料漏斗下方設置一定數量的三角形混料導柱，從S1、S2落下來的幾種砂石料經過混料導柱的多次彈射均勻混合在一起。

圖1 砂石配料機機械結構

在S1小型漏斗的出口加裝一個落料輥以調節砂石料的落料速度：當落料輥處于靜止的狀態時，盡管落料輥兩則留有較大的縫隙，由于自身重量砂石料之間的摩擦力足以阻止砂石料自由落下。只有當落料輥按一定速度旋轉時，砂石料才能以與落料輥旋轉速度成比例的速度落下。S2的結構與S1完全相同。

總落料量等于單個落料機的落料量之和，即：

1.2 電氣控制部分的技術升級與改造

如圖1 中，每種砂石料的落料速度和落料量都可以通過電氣系統控制，每個砂石料落料通道的電氣控制系統是相同的，在原有電動機、減速器等設備的基礎上，加裝變頻調速器和數字控制系統組成，如圖2 所示。電機（M1和M2）、減速器是原有落料機配套設備，作用是驅動落料輥按一定速度轉動。實現數字化配料的核心是前級的變頻調速器和數字控制系統兩個模塊，其中數字控制模塊是整個生產線數字改造的核心。

圖2 砂石配料機電氣控制框

1.3 變頻調速器工作狀態設置

為實現配料機整機的數字化控制，需要對變頻調速器的工作模式進行預設置。變頻調速器有面板調速、外部電流環調速、外部電壓調速等多種工作模式，在本案例中，變頻調速器的主要參數設置是：外部電壓控制頻率工作模式（VCF/Voltage Controlled Frequency），變頻范圍0～60 Hz，自由停機，線性加減速，單向運轉（禁止反轉）[1,3]。其他非主要參數保持出廠狀態即可。

2 數字化方案

2.1 總體框圖

數字控制系統的核心是一個嵌入式微處理器（Micro Controller Unit，MCU）及其外圍的DAC 電路，從圖3 可以看出，數字控制系統將幾個原來獨立的落料通道有機的關聯在一起，從而實現幾個落料通道的協同控制。由于變頻調速器設置為外部電壓控制方式，也就是說通過改變電壓Vout1和Vout2就可以實現對砂石料S1和S2落料量的調節。

圖3 數字控制系統原理

數字化配料機的主要優點是配料方案修改靈活，每種砂石料的落料量在無需改動硬件情況下均可以ISP（In-system Programming） 方 法 或IAP （In-Application programming）方法編程控制，通過編程或應用預先編制好程序實現各種不同方案的配料方法。經過加裝通信和接口線路，還可以進行遠程控制，符合現代工業生產的發展趨勢[6-8]。

2.2 核心微處理器（MCU）選擇

目前MCU 可供選擇的品種很多，本項目對MCU 的運行速度要求并不高，主要要求工作穩定、性能可靠。國產STC 系列（宏晶科技出品）微處理器內置時鐘，精度可到0.1%，內置8 路ADC 通道，內部Flash 最大可達16 kB，加密性好，抗干擾性強，完全可以滿足項目的要求。最主要的是開發環境優良，很多開源的例程、應用程序都可以在網上查找。

盡管宏晶的MCU 提供了ISP（在系統編程）和IAP（在應用編程）兩種升級方案，但是在生產線上并不建議采用IAP 方案，主要原因是一條生產線涉及的子裝備很多，除了配料機，還有上游的傳送裝備以及下游的燒結、烘干等裝備，一旦它們之間出現協同方面的問題，反而容易造成更大的誤工。因此本項目選擇ISP方案。

為便于數字控制系統與上位PC 機之間的數據通信，ISP 硬件方面采用標準USB 接口進行聯接，通信協議為STC-ISP-V8xx(版本號)。驅動方式簡單，只需在上位機（PC機）下載并安裝STC-USB Driver驅動程序即可。

2.3 數字化升級的優點

與改造前的模擬控制配料機相比，數字控制的配料機主要具有以下優點。

（1） 靈活性強，適合與柔性生產線配套。工業生產線的發明極大的提高了工業生產效率。但是傳統工業生產線的缺點是設備專用、生產品種單一。近些年同時兼顧工業生產多樣性和高效率的柔性生產線（Flexible Production Line）的概念提出并開始走向應用。數字化砂石料配料機就是一種非常適合柔性生產線的設備，在硬件不改變的情況下即可實現配料方式的調整。

（2）可靠性和穩定性高。傳統的配料機模擬控制器往往需要大量三極管、運算放大器等電子電路完成一個特定的控制過程，而數字化的配料機控制器以微處理器為核心，僅使用很少的外圍器件。由于一個系統使用的元件越多其可靠性越低，因此數字化配料機控制器的可靠性要比模擬控制器高。

另外，模擬控制器的控制信號周期、濾波器截止頻率等主要參數的穩定性受外部物理條件（如溫度、濕度）影響較大。而數字化控制器的核心器件是微處理器，它的主頻一般都是由穩定度極高的石英晶體產生，一旦主頻穩定，其指令周期也就穩定，通過一定算法實現的控制器穩定性必然高。

（3）系統性能提高。數字系統取代模擬系統已經成為必然，凡模擬系統能實現的，數字系統也完全能實現。砂石料配料機的動態配料主要通過改變控制波形來實現，模擬控制器只有方波、三角波、正弦波幾種基本波形，改變波形形狀只能通過微分、積分等方法整形而來，不僅電路結構復雜，而且靈活性不強。而數字化的控制器通過算法即可實現任意波形，因此數字化控制的砂石料配料機不僅可以實現原有模擬配料機的全部功能，而且在性能方面得到提高。

（4）系統成本降低。隨著半導體集成電路技術的高速發展，微處理器（芯片）的性能不斷提高，而價格不斷降低，使得數字化配料機，特別是控制器的成本越來越低。

3 應用實例

彩石金屬瓦（Stone-chip Coated Metal Roof Tile）是在彩鋼瓦基礎上開發出來的一種新型屋頂建筑裝飾材料，彩石金屬瓦與彩鋼瓦的主要區別是：用一層小顆粒花崗巖砂石替代原來的涂料涂層，由于花崗巖的導熱性遠低于金屬的導熱性，使得彩石金屬瓦的隔熱性能大大提高。另外彩鋼瓦在下雨天的噪聲也是其飽受詬病的缺陷之一，彩石金屬瓦的砂石涂層也可以有效改善雨天的噪聲特性。在安裝和施工方面，兩者幾乎沒有太大的區別[10-13]。

下面以彩石金屬瓦生產線的配料為例，介紹這種數字化砂石配料機的典型應用。

3.1 等比例配料

第一種配料方法是等比例靜態配料，這是工業生產中最常見的配料方法。

在現代化生產過程中，生產工序分工越來越細，彩石金屬瓦的上游主要材料包括鍍鋅薄鋼板、彩色砂石料、粘合劑等。上游供應商提供彩石砂石料的彩石種類僅有幾種，通過不同的比例配料可以獲得更多的色彩涂層，以滿足下游客戶的需求。例如：利用紅色和白色兩種原始砂石料的配料，得到粉色的涂層。調節紅色砂石料和白色砂石料的比例，得到不同灰度的粉色涂層。

調配顏色是彩石金屬瓦生產過程的一項重要工藝，本數字化配料機為砂石色彩調配提供了一種方便的手段。根據式（1），涂層總的厚度由Rstatol決定，而Rstatol又是由Rs1和Rs2混合組成的，所以只需按固定比例把兩種彩石原料混料即可。由于S1和S2的落料多少是由兩個落料輥的轉速決定，經過圖2 所示的電氣控制，把混料的問題轉化成電機轉速控制的問題，最后轉化成設置兩個電壓（V1、V2）比例的問題。這種配料方法也適用于水泥、砂子按給定比例的混凝土（砼）配料。

3.2 動態配料

在原彩石金屬瓦生產線上，采用動態配料方法，即可實現迷彩型彩石金屬瓦的生產，后續工序基本不變。在動態配料過程中，兩個控制電壓V1和V2按照一定的關系隨時間變化，即兩個電壓是時間的函數，表達為V1(t)和V2(t) 。

（1）條紋疏密度控制

由于兩種顏色的砂石料S1和S2的落料多少完全由控制電壓V1(t) 和V2(t) 決定，在傳送帶速度固定的條件下，改變控制電壓V1(t)和V2(t)的周期就可以調節砂石涂層色彩條紋的疏密度，如圖4所示。

圖4 控制電壓V1(t)和V2(t)的周期決定彩色條紋的疏密度

（2）色彩過渡過程控制

改變控制電壓V1(t)和V2(t)的波形形狀，可以調節色彩過渡過程。當V1(t)和V2(t)按方波規律變化，得到的迷彩條紋的邊界過渡過程迅速；當V1(t)和V2(t)按正弦波規律變化，兩種色彩的邊界過渡則緩慢，如圖5所示。

（3）機械與電氣系統的適配

動態配料是數字化配料機的顯著優勢之一。由于機械系統、電子系統對時間的響應速度完全不在一個數量級上，而且電機、減速器等機電設備在啟動與減速過程存在較大的慣性，如果兩者不能適配，動態配料過程中配料電機會出現頻繁急速啟動、急速停機的現象。為消除這一現象，通過程序在驅動方波的前沿和后沿增加一段0.1 s 的過渡時間。圖5（a）所示的方波信號V1(t) 和V2(t)中，設置了一段上升沿和下降沿過渡時間，目的是消除生產過程中電機頻繁的急速啟動和急速停止現象。

圖5 控制電壓波形以及對應的迷彩條紋彩石金屬瓦

（4）砂石涂層厚度的控制

由式（1）得，砂石料總量是幾種砂石料的疊加，彩石金屬瓦砂石涂層的厚度與砂石總量有關。在動態配料過程中，每種砂石料都是實時變化的，為保持彩石金屬瓦的砂石涂層厚度不變，不出現時厚、時薄現象，控制電壓V1(t) 和V2(t) 應滿足此消彼長但兩者的代數和恒定這一條件，當一個電壓增加時，另一個電壓應該減少；一個為最大值時，一個為最小值，如圖5（a）所示的波形。

4 結束語

本文介紹的數字化砂石料配料機主要用于彩石金屬瓦、混凝土等各類生產線的前端配料。配料機的數字化升級改造硬件方面主要由變頻調速器、嵌入式微處理器及外圍電路完成，在現有等比例配料的基礎上，通過在系統編程技術ISP 升級應用程序即可實現砂石配料方案的修改與升級，實現實時動態比例砂石配料。作為應用，本配料機對原單色彩石金屬瓦生產線進行技術改造，成功實現迷彩型彩石金屬瓦生產的技術改造，表面砂石套色層的彩條疏密度、厚度等主要參數等均可通過程序調節。與傳統上由模擬電路控制的砂石料配料機相比，數字化控制的砂石料配料機優勢明顯。