微机自动配料控制系统设计

第1章绪论
1.1 课题背景及其意义
配料工序是化工、食品、建材等工农业生产中的一个重要环节，也是化工、食品、建材等工农业生产中的一个重要源头工序。

饲料生产需要由各种原料按一定的比例进行混合，配料质量控制的优劣直接关系着牲畜的生长。

如果配制料的质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则影响产品的质量和产率，并且有些重要生产岗位的配料失误甚至会给整个生产酿成事故。

因此，配料精度的高低和配料速度的大小制约整个生产的产品质量和产量.应对配料过程的质量和产量拉制给予足够重视。

微机配料控制系统是饲料配料工艺过程控制和质量控制的关键环节之一。

微机配料控制系统可以按照设定配比和流量控制各输入物料的瞬时流量，从而达到控制各种产品的质量和产量的目的；同时它也是实现生产过程自动化和智能化、企业的科学管理、安全稳定生产和节能降耗的重要技术手段，微机配料控制系统在生产中的应用不仅可以提高配料质量和产量，也大大减轻了岗位工人的劳动强度，提高了生产效率。

因此，优化设计研制技术先进、设备成熟、经济实用的微机配料控制系统至关重要。

1.2 微机配料控制系统的现状
1.2.1 从配料系统总体控制方式分析现状
随着计算机技术和微电子技术的发展，微机配料控制系统的发展经历了人工手动控制、机械电气控制、单片机控制、工业控制计算机集中控制等几个阶段。

在第一阶段中，微机配料设备庞大，各设备之间互不联系，或联系甚少，由现场的操作人员决定是否要调整控制器。

一个操作人员只能监视和操作一个至两个计量秤，并且手工记录配料的相关数据，在很大程度上产品的质量取决于操作员熟练程度[1]；在第二阶段，随着电子管、晶体管技术的飞速发展，逐渐出现了各种小型化的微机配料电动组合仪表。

但电动组合仪表也存在着两大问题，一是电噪声的问题比较严重，为克服噪声，不得不采用极为复杂的电子线路；另一个问题由于微机配料系统所控对象所处环境常常都很恶劣，电子元器件的老化严重，抗干扰的能力和可靠性不高，单片机配料系统是在大规模集成芯片技术成熟基础上应运而生的[2]。

单片机配料系统较之前两种配料系统设计电路复杂程度降低，可靠性大大的提高而且满足了用户实用性的要求。

所以迄今为止，单片机配料系统仍然在一定程度上占据了中小型企业配料生产的主控地位。

同时随着我国经济的发展，工业生产规模的扩大，计算机技术的迅猛发展，基于
STD总线或PC总线的工业控制计算机提上了日程，并且迅速的在中国形成热潮，主要是因为工业控制计算机可靠性高，小板结构，组成系统功能灵活，组态方便，具有小型化、模块化、组合化、标准化的特点。

随着工业控制计算机的广泛应用，基于工控机的配料系统也出现在工业场合。

这种配料系统大多采用集中控制方式，计算机除具有工艺流程控制、工况实时显示、提供数据存储、报表打印等功能外，还要完成对各对象的直接控制和数据采集任务。

比较单片机配料系统和工控机集中式配料系统，工控机配料系统较单片机配料系统整体结构简单，人机界面更加美观，交互功能更加强大，设计和调试难度相对降低。

但是由于配料生产现场往往距控制室较远，强、弱模拟信号混杂，必须采取较完整的屏蔽抗干扰措施才能保证系统的稳定运行。

集中控制对主机及其测控电路要求较高，整个系统的通用性和灵活性较差，成本较高，而且系统整体风险大，一旦计算机出现故障，将造成整个系统瘫痪，影响生产正常进行。

基于上述情况，根据微处理器技术、网络技术、通信技术的发展情况，提出了微机配料集散控制方式。

它是由一台主机和多台从机组成，各个部分通过网络联结起来，主机不参与被控对象的直接控制，而是将控制任务交给各从机完成。

即每台配料称可视为一个独立的生产单元，用单片机就地对一台秤实施测量与控制。

若干台控制器(从机)经数字通信接口联网，并且与工业控制计算机(主机)相连，从而组成集散式微机配料系统。

这不仅大大简化线路结构，便于系统制造与安装维护，显著提高系统的性能价格比和组成灵活性，同时使配料系统整体故障风险分散，数据管理与过程控制分离，人机接口更加完善，满足了企业管理人员远离控制现场实时监视整个配料系统工作情况的需求，进一步提高了配料系统的可靠性。

1.2.2 从配料系统计量方式分析现状
配料过程中的计量和检测是十分重要的。

其计量方式也是多种多样，各有利弊。

如果选择不合理，不仅使用效果不佳，也将给生产造成不应有的损失。

微机配料计量秤的分类计量按其称重方式分为:容量法和重量法两种。

在饲料行业中，微机配料控制系统选用的都是重量法。

重量法按其计量过程状态分为静态计量，生产微机配料系统中常用的静态计量设备有:斗式秤、减量法斗式配料秤(失重秤)、双悬臂间断给料皮带秤。

其动态计量设备有:单悬臂恒速皮带秤、双悬臂连续给料恒速皮带秤、调速皮带秤、核子秤等。

由于动态连续计量，可以保持生产过程的连续性，从而适应连续性生产工艺要求，并为配料时物料的均匀混合提供有利条件。

同时，其计量速度快，有利于减轻计量过程的劳动强度，改善劳动条件和为生产过程自动化提供有利条件。

但是由于计量过程是在动态情况下进行，随之而来的是干扰因素增多，计量精度不如静态计量高，设备的结构也比较复杂。

静态计量采用间断给料，计量能力
受到限制，但结构简单，计量精度稳定，维护保养方便。

微机配料计计量的发展方向还是以重量法为主，要求结构简单，操作和维护方便，计量准确且范围宽，应用场合广，称定可靠，经久耐用。

笔者认为，选择计量评，选择计量精度高、易维修、造价低廉、使用方便、适合自己企业的具体情况的计量设各，才能达到预期的效果[3]。

1.3课题的研究内容
为了解决现有微机配料系统中的一些问题，以便找到一种更好的检测控制方法，对微机配料控制系统进行研究和开发。

研究内容主要包括:
(1) 微机配料控制系统方案论证和可行性分析；
(2) 微机配料控制系统总体方案的设计；
(3) 微机配料控制系统电器元件的选用；
(4) 微机配料控制系统传感器的设计；
(5) 微机配料控制系统软件的编写；
(6) 微机配料控制系统硬件制作和实验室调试。

论文内容主要包括微机配料控制系统的设计，从整体结构的设计到软硬件的设计;微机配料控制系统控制数学模型的建立，控制算法的确定，数据采集信号的处理;配料系统精度的分析及其提高的解决方法等方面[4]。

第2章微机配料系统的总体结构方案设计
2.1 方案确定的理论基础
2.1.1 微机配料系统类型比较
随着计算机技术的发展，计算机芯片技术水平的提高，微机配料系统构成的随意性不断加大。

目前可以按照各种测量、控制功能要求，构成各种类型的微机配料应用系统。

按照硬件系统的组合形式，微机配料系统的构成，主要有两种类型:
(一) 工业控制计算机配料系统
这种系统的计算机部分是通用计算机系统，即利用通用计算机的扩展槽或扩展区，设计应用系统硬件模板，如A/D板、D/A板、I/O扩展板等测控功能板，与通用计算机构成一个用于完成预定测控功能的配料系统。

这种工业控制计算机配料系统特点是:
(1)该系统采用计算机集中控制方式，在这种控制系统中，计算机不但完成操作处理，更主要是可直接根据给定值、过程变量和过程中其他测定值，通过一定的算法运算控制执行机构的运动及位置。

(2)系统有较强的软、硬件支持。

利用通用计算机系统的软、硬件资源来支持配料系统进行工作。

(3)具有自开发能力。

配料系统功能模板均由通用计算机的CPU控制。

通用计算机具有较强的操作系统及人机对话功能，可用来编制、调试配料系统的应用软件。

(4)系统的软、硬件的应用/配比较小。

所谓的应用/配置比是指为满足应用系统功能要求所必须的软硬件与系统实际具有的软、硬件规模之比。

该比值愈小，系统成本愈高，但二次开发时，软、硬件的扩展能力较好。

(5)由于采用集中控制方式，所有的控制回路都由一台计算机控制，当功能增多，系统响应时间受到影响。

同时，一旦某一控制回路出现问题，将导致整个控制系统的瘫痪。

(二) 单片机配料系统
随着集成芯片技术的不断提高，特别是高档8位单片机出现后，用单片机设计专用计算机应用系统的趋势越来越盛，单片机配料系统是一种用单片计算机及其外围芯片构成的配料系统，这种配料系统在目前仍在一定程度上占据了微机配料系统的中小型市场。

用单片机构成的专用计算机应用系统，具有下列特点:
(1)该系统不具有自开发能力。

因此，系统的软、硬件开发必须借助于开发工具，系统调试困难。

(2)系统的硬件、软件的设计与配置规模都是以满足配料系统功能要求为原则，因此，系统的软、硬件应用/配置比接近于1，具有最佳的性能/价格比。

(3)由于单片机本身具有小巧、功耗低、控制功能强的优点，系统实时控制功能强。

(4)系统人机界面差，不适用于数据的管理，后期处理。

(5)仍存在集中控制弊端。

2.1.2 集散控制在微机配料系统中应用的确定
通过上节单片机配料系统和工业控制计算机配料系统性能的比较，我们发现目前单片机配料系统和工业控制计算机配料系统都存在集中控制的缺点，同时又各具优点。

配料系统各回路都用一台计算机或专用单片机系统控制，控制风险很大，一旦系统出现故障，整个配料生产就无法进行。

为了分散系统故障带来的风险，同时充分利用当前工业控制计算机和单片机的优点，我们提出了基于集散控制系统(DCS)的微机配料控制系统。

集散控制系统是计算机系统、通信系统、控制论、信息论与自动化、系统工程结合的产物。

它是可靠性互相促进、互相渗透、综合发展的最好、最高的典范。

它自70年代问世以来，发展异常迅速，它的应用己遍及许多工业部门。

计算机、微型计算机以及微处理器是集散控制系统的主体和核心。

集散控制系统的发展经历了计算机集中控制系统、计算机和模拟仪表混合控制系统、计算机监视控制系统几个阶段后，随着生产过程日趋复杂，大规模集成芯片集成度越来越高，微处理器成本大幅度降低并大量的涌入市场，分散化的思想日益成熟。

集散控制系统应运而生。

集散控制系统的特点是更完整的体现了分散化和分层化的思想。

该系统将计算机集中控制系统(DDC)彻底分散:一个回路由一个微处理器控制。

充分发挥微处理器效用，由当初的多回路变为单回路，这样设备上的分散使故障产生的危险性也就分散了，再附之以冗余措施，可以得到高可靠性的系统。

这一点是集散控制系统的根本所在。

同时由于人们不仅仅关心单纯的过程控制及生产自动化方面，而更多把注意力转向工厂的生产效率、能源消耗以及利润指标等信息管理方面来，把生产过程的监控与科学化的企业管理结合起来，是集散控制系统无论从结构、性能、还是应用功能上都达到了很高的水平。

综上所述，把集散控制系统的设计原则运用于微机配料控制系统是提高微机配料可靠性，提高企业管理信息化的最优选择方案。

2.2 系统概述及功能要求
2.2.1 微机配料系统总体系统结构框图
根据集散控制系统的基础理论，并总结现有各类微机配料系统的优、缺点，将计算机与单片机技术相结合，设计开发研制出具有集散控制结构的微机配料系统。

该系统的结构框图如图2-1所示:
图2-1基于DCS的微机配料控制系统的结构图
基于DCS的微机配料控制系统结构如图2-1所示，一级(俗称上位机)由工业计算机ADVANTECH610组成。

包括键盘、显示器、打印机、RS232C通讯接口；二级(俗称下位机)是由AT89C51CPU为核心构成的控制单元，每台下位机单独控制一种物料的下料，上位机为用户提供一个友好的人机界面，控制和监视各下位机的运行情况，并进行数据统计、报表打印等工作，并设计了网络扩展接口，为集散式微机配料控制系统的升级以及向现场总线的控制系统发展作好了准备。

2.2.2 微机配料系统的工作原理及工艺过程概述
该系统微处理器控制单元采用间歇式的静态称重原理，即每一循环周期完成下料、称重、放料、混合配料、再下料的过程。

由于这种计量采用断续进料、断续出料的间歇式静态称量的工作方式，在一定程度上克服了给料冲击、皮重不均、零点漂移的影
响。

在整套系统运行初期，首先进行校秤。

校秤在配料系统中具有重要的作用。

校秤直接影响到配料的精度。

其次设定参数。

根据工艺不同，参数的设定有所不同，但主要是台时产量和配比关系的设定。

当参数设定好后，启动系统。

系统运行时，对每个料斗秤进行动态检测，初步判断给料是否达到配料设定值。

如果动态检测到达到设定值，则停止给料。

停机后缓冲一定时间才开始称量。

对于由于动态检测所带来的给料误差以及其它原因引起得单次配料误差，通过下一次配料的补充或一定的算法来实现这种误差的降低。

2.2.3 微机配料系统的要求
1.工艺要求
为了保证良好的配料效果。

在设计和使用中，对配料系统的工艺要求是:
(l)具有良好的稳定性能，实现快速、准确的称量。

(2)在保证配料精度的前提下，应当结构简单，使用可靠，维修方便。

(3)具有较好的适应性，不但能够适应多品种、多配比的变化，而且能够适应环境及工艺形式的不同要求。

2.功能要求
通过吸收现有微机配料系统的经验，结合实际，提出本微机配料系统的一些重要的功能要求:
A 上位机软件功能:
(1)数据显示:上位机主画面分为二部分:实时模拟配料状态；实时显示每个通道的称重重量；实际配比等相关的配料数据及有关操作提示。

(2)数据存储及备份修复:建立数据库对采集到的数据进行存储。

数据库容量要求至少能够连续存储一年的数据。

同时为了防止数据库数据由于某些原因丢失及损坏，须具备数据库备份修复功能。

参数的设定有所不同，但主要是台时产量和配比关系的设定。

当参数设定好后，启动系统。

系统运行时，对每个料斗秤进行动态检测，初步判断给料是否达到配料设定值。

如果动态检测到达到设定值，则停止给料。

停机后缓冲一定时间才开始称量。

对于由于动态检测所带来的给料误差以及其它原因引起得单次配料误差，通过下一次配料的补充或一定的算法来实现这种误差的降低。

(3)人机功能:建立软件校秤的参数设置窗口。

查询分为报警信息查询和数据查询。

查询条件可分为日、月通道号等。

查询做到准确、快速建立配比等参数并设置窗口。

(4)打印功能:打印希望时间内，希望的配料相关数据。

(5)报警功能:若该系统出现漂移时及时在显示画面出现报警信号及校秤提示框若
出现断料、过料、漏料等情况报警。

(6)通讯功能:上下位机之间可以随时交换数据及命令。

B 下位机软硬件功能：
(a)故障分类报警；
(b)手动、自动切换；
(c)配料通道数据及相关状态显示；
(d)重要数据掉电保护；
(e)给料系统的无级调速；
(f)上下位机通讯接口预留；
(g)配料相关量(各通道配比、台时量、配比周期等)输入；
(h)配料相关量(各通道实际配比、实际单次重量、故障编码等)的输出。

上位机留有网络接口，以备厂方将来建立现场总线系统，进行网络化管理。

第3章微机配料控制器硬件的设计
3.1 系统总体结构
如图3-1所示，配料物料通过压力传感器进行重量的拾取，并将拾取的重量信号进行放大、滤波后，进入A/D转换器进行模拟量到数字量的转换，然后送入单片机进行信号的分析、处理，其结果通过RS232C通讯串口输出到工业控制计算机，同时根据信号的结果做出相应的反应并执行相应的操作。

图3-1控制器硬件系统框图
图3-2给出了微处理器控制单元的基本控制过程。

由单片机、控制电路、键盘、显示屏、配料称、混料机等组成。

每个给单片机对应一个料仓（存放一种原料），分别给混合机配料，每个配料秤均
装入传感器，信号送入单片机。

配料时，微机通过检测得到的重量信号和生产配方给定的原料配比，产品要求的混合时间，以及饲料流入打包装置所需时间来生产给料机、秤门和混合机门的开关控制信号，并通过控制电路将秤门和混合机门状态反馈给系统。

图3-2 微处理器控制过程框图
配料工作过程如下：原料从给料机落人秤斗，称斗重量发生变化，重量值经支承重秤斗的压式荷重传感器转变成相应的电压；该电压信号经调理电路放大和滤波，通过A/D板转后换成数字信号；该信号被计算机采集后，经软件变换处理，比较判断，以确定某料是否到达设定值。

如采样值小于设定值，则给料机快加料；如采样值接近设定值，则给料机减缓加料；如采样值已达到设定值，经输出电路隔离放大后，相继关闭下料的给料机。

当生产配方中的各种料都配好完后，等待混合机中的料混合完毕，单片机给各推杆电机发出相应的控制信号，使混合好的料从混合机中卸出，再将配好的一秤送入混合机中并开始下一秤配料。

3.2 传感器原理
传感、通讯、计算机技术构成现代信息的三大基础，80年代是个人计算机，90年代是计算机网络，预计21世纪第一个10年热点很可能是传感、执行与检测。

传感器的作用主要是获取信息，它是信息技术的源头。

在信息时代里，随着各种系统的自动化程度和复杂性的增加，需要获取的信息量越来越多，不仅对传感器的精度、可靠性和响应要求越来越高，还要求传感器具有标准输出形式以便和系统联接。

显然传统的传感器因其功能差，体积大，很难满足要求。

发展高性能的、以硅材料为主的各种先进传感器己成为必然。

如谐振式、电容式、光电式、和场效应化学传感器等。

尽管它们的敏感机理不同，但其总的共同特点是向微型化、智能化方向发展。

微机配料计量秤是微机配料系统的重要组成部分。

使用精度高、性能稳定的力传感器是计量秤的关键。

力传感器通常以应变片为敏感元件。

力传感器一般按检测对象分类，包括加速度传感器、荷重传感器、扭矩传感器，位移传感器。

检测原理有压阻式和压电式之分。

本系统选用的是梅特勒-托利多公司的IL系列称重传感器，是压阻式传感器。

3.2.1 压阻效应
我们知道Si，GaAs半导体材料的导带都是多个极值，由于受应力作用，晶格间距发生变化，导带极值发生移动，导致极带宽度的变化；同时能谷发生转移，使载流子的填充水平发生变化，由于不同能谷的载流子迁移率不相同，故引起电阻率的变化，这种现象称为压阻效应。

3.2.2 半导体应变片的工作原理
电阻应变片是进行应力应变测量的关健元件，同时也是用来制造荷重、扭矩、加速度、位移、压力等传感器的敏感元件。

电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片。

IL系列称，传感器采用半导体电阻应变片综合精度高，长期德定性好。

半导体应变片种类很多，目前使用较多的是体型硅应变片和扩教硅应变片。

3.3 单片机的选择
单片计算机出现的历史并不长，但它的种类繁多。

单片微机经历了4位、低档8位、高档8位、16位，现正在向32位和双CPU方向发展。

如果以8位单片机的推出作为起点，那末，单片机的发展历史大致可分为三个阶段。

第一阶段(1976-1978年):初级单片机阶段。

以Intel公司的MCS-48为代表。

这个系列的单片机内集成有8位的CPU、并行I/O口、8位定时/计数器，寻址范围不大于4k，且无串行口。

第二阶段(1978年-):高性能单片机阶段。

在这个阶段推出的单片机普遍带有串行I/O口，有多级中断处理系统、16位定时/计数器。

片内RAM，ROM容量加大，且寻址范围可达64k字节，有的片内还带有A/D转换接口。

这类单片机有Intel公司的MCS-51，
Motorola公司的6801和Zilog公司的Z80等。

由于这类单片机应用领域极其广泛，各公司正在大力改进其结构和性能[5]。

第三阶段（1982年-):8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段此阶段主要特征是一方面发展36位单片机及专用单片机:另一方面同时不断完善高档8位单片机，改普其结构，以满足不同的用户需要[6]。

目前国内市场上有不少类型的8位及16位单片机，由于各种原因，很多的单片机都未能在国内形成主流系列。

而国内目前仍然是以Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96为主流系列。

MCS-48(8位机)系列的型号有8048，8748，8035，8049，8749等。

MCS-51(8位机)系列单片机的型号有8031，8051，8151，8032，8052，80C31，80C32，80C52等。

MCS-96系列单片机是16位机，有8094，8095，8096，8097等的型号，其性能有了一定的提高。

本系统采用AT89C51单片机。

89C51是与MCS-51芯片兼容的产品。

芯片内部带有8K 快速擦写程序存储器(可擦写次数可达1000次)；运算速度快频率可达24兆赫；32位I/O 口总线；三个16位的记时/记数器[7]。

AT89C51提供了如下的标准特性:8K的可擦除程序存储器，256字节的数据存储器，32位的1/0口总线，三个16位的记时/记数器，六个中断源两层中断优先级，全双工串行口，内部晶振和时钟周期。

另外，AT89C51是以静态逻辑运行到零频率的方式设计的并且支持两种可利用软件选择的掉电保护模式。

休眠模式停止CPU运行，但允许数据存储器，计时/计数器，串行口和
中断系统继续运行。

掉电模式保
存数据存储器的内容，但停止了
晶振，使其它所有芯片停止工作
直到下一次复位时为止。

AT89C51芯片的引脚如图3-3所
示：
其引脚描述如下:
Vcc: 正常操作，对EPROM
编程和验证时接+5V电源。

GND: 地线。

PO口: PO口是一个8位的双向
I/O口/作为愉入口，每个引脚能
驱动8个TTL输入。

当1被写到PO
口各引脚时，这些引脚可用于高图3-3 AT89C51芯片引脚。