飼料廠自動配料系統的設計

劉艷榮

（新疆輕工職業技術學院 新疆 烏魯木齊 830021）

隨著我國飼料工業的飛速發展，飼料行業[1]的競爭也越來越激烈，雖然飼料配方的研制有了飛速的發展，但生產廠家卻無法快速準確的生產出高品質的產品，究其原因則是飼料企業所使用的配料生產系統過于落后，因此，改造現有落后的配料生產系統，使之能精確、快速生產不同配方的飼料已迫在眉睫。

1 配料系統的系統結構及硬件設計

原有的配料系統中存在很多問題[2-3]:1）大部分配料系統采用快慢速給料方式，多為單物料工作方式，不能實現連續配料，生產效率低。2）多采用傳統控制算法更本無法滿足高精度的配料要求。3）大部分配料現場工作環境惡劣，強度大，粉塵大，對工人的身體造成很大的危害。基于以上要求，新的配料系統必須要滿足以下幾個要求：1）改善工人的工作環境，降低工人的勞動強度，提高生產效率。2）要適用于多種配方的配料以及連續配料，具備配方管理功能，可以隨時建立、修改、或刪除配方。3）要實時采集數據，并具備記錄，打印，查詢等功能。4）可以實時監控連續生產過程，隨時發現異常情況，發出報警。5）具備存儲功能，顯示歷史數據。

基于以上要求，制定出的飼料廠配料系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 飼料廠配料系統的結構框圖Fig.1 Block diagram of feed mill batching system

本系統采用兩級分布式微機配料控制系統，上位機采用微型計算機，對生產線實現集中管理，通過上位機，可實現人機通訊，實時監控生產過程，實時采集數據，進行分類存儲，產生各種歷史報表。上位機與下位機采用 RS-232或RS-485串行總線進行通訊。下位機采用以PLC為核心的控制器，實現物料的定量給料。

如圖1中上位機采用工業研華工控機，主要完成以下任務：1）人機交互及管理；2）實時監控國；3）數據存儲及保密；4）報警；5）打??；6）通訊。

系統現場控制器采用S7-200 PLC控制：由它輸出控制量控制給料系統快慢速給料、給料器的起停、料倉門的開關等等相關控制開關的動作，另外要接受來自上位機發送的相關配料量，所以它是飼料配比系統的核心控制器件。

變頻器—異步機接受PLC發送的控制指令，調整電磁振動給料機的電機轉速，以實現變速給料。我們選用西門子公司的MM440變頻器。

給料器選用電磁振動給料機，根據頻率變化來控制料速度。

稱重傳感器用于實時測量稱量料斗中物料的重量，考慮到稱重的精度及稱重傳感器量程的選擇，采用3個BHR-4M應變式荷重傳感器并聯組秤的方式。

稱重采樣接口用于將稱重傳感器的稱重信號濾波、放大、模數轉換后轉換成數字信號在送入CPU。它主要包括濾波器、放大器、模/數轉換器及控制命令寄存器等。其中，放大器采用了超低漂移高精度運算放大器OP07。為了保證系統的數據采集精度，模/數轉換器采用美國MAXIM公司推出的模擬數字轉換器MAX111芯片，具有±14位的分辨率，不需要外加元件來解決溫漂和時漂的問題，采用內部校準技術；線性度為0.05%，性能較好，可適用于精度要求較高的場合。

電源電路用于將交流電轉化為穩定的、并符合一定要求的直流電，它是整個系統的能量來源。

在自動配料系統中，上、下位機之間的通信方式采用RS-485。

在飼料生產現場，各種干擾問題十分突出.本系統在硬件方面采取了以下幾點抗干擾措施.電容濾波、屏蔽傳輸、光電耦合、稱斗排氣、互鎖控制。所有硬件的設計在滿足系統的必要要求時還必須兼顧到軟件的設計，使得軟硬件的設計讓整個系統取得最好的性價比。

2 軟件設計

系統軟件包括上位機軟件設計和下位機軟件的設計。上位機軟件包括系統監控軟件和控制界面的設計，下位機包括PLC編程、數據采集、軟件濾波等軟件抗干擾技術的應用。整個系統軟件設計采用模塊化設計，方便使用、維護，從而提高整個控制系統的控制及管理性能。

下位機軟件設計主要考慮稱重信號的實時采集、傳輸、處理，各種開關量信號、控制量及時準確地傳送。所以軟件設計要考慮PLC控制程序的編寫，數據采集以及相應的軟件抗干擾技術。由于篇幅有限下面主要給出整個配料軟件流程圖如圖2所示。

上位機操作系統選用windows xp，數據庫選用access 2003，監控軟件采用組態王（KingView），對現場進行實時監控。包括主監控畫面設計、用戶加密設置、生產批次設置等，并通過組態軟件實現上下位機的通信。采用VB6.0實現控制軟件設計，以良好的人機界面形式主要完成配方管理、配料批次設置、配料秤管理以及其他設備管理。

3 提高配比精度的控制算法

圖2 配料軟件整體流程圖Fig.2 Flow chart of batching software overall

該配料系統采用變頻器控制電磁振動給料器的給料速度，物料通過給料器采用進料式倒入稱重料斗中，當給料設備停止動作后的一瞬間，空中還有一部分物料沒有落入稱量料斗，這部分物料成為落差，落差的大小隨物料的特性不同而不同，這就造成最終的測量重量與設定值不符，這也是配料誤差產生的最主的原因也是最難消除的。通過對配料系統分析建立數學模型如下：

上式中，G為物料重量，n為給料器頻率，K為采樣次數，T為采樣的周期。

模型中涉及到的參數比如料斗的直徑、高度、給料器的參數都可實測，但物料的容重中即空中料柱單位體積的重量則無法確定，會隨溫度、濕度及物料的不同而不同，故采用傳統PID控制無法達到高精度的要求，文中采用在PID控制的基礎上引入蟻群算法[5]，蟻群算法是根據仿生進化算法提出的一種源于大自然生物世界的仿生類算法，在很多尋優問題上得到很好的結果，具有良好的魯棒性，算法靈活，很容易應用于其他能被表達為在圖表上尋優的問題上，故可將PID控制的3個參數KP、Ti及Td用圖表的形式表示，通過蟻群算法尋優來動態調節控制參數，步驟如下：

1）先要將KP、Ti及Td這3個有待優化的參數用圖表的形式表示，用5位有效數字去表示每一個參數，其中小數點后有4位，小數點前有一位，最簡單的圖表形式就是用坐標軸來表示，為每只螞蟻設一個數組，該數組有15個元素，代表該螞蟻走過的縱坐標的數值。令時間t=0和迭代次數N=0，τ0=0。

2）將m個螞蟻置于各自的初始化區域，并將該點放至tabuk中，每個螞蟻按照式（2）所示轉移概率移動。

3）tabuk是否滿，是繼續往下，否轉第（2）步

4）記錄各螞蟻的目標函數 JK（j=1，2……m），并記錄 P ID控制器最優解。

5）按式（3）所給出的螞蟻信息素更新規則進行更新。

6）循環次數 Ni+1。

7）若Ni小于預定迭代次數則轉向第2步。

8）輸出PID控制最優解。

其中，目標函數JK要能體現被控系統的性能，控制系統的性能好壞體現在穩、準、快上，所以在著我們就用系統單位階躍響應時的穩態誤差ess，上升時間tr以及調整時間ts，作為衡量標準，構建目標函數，根據譚冠政等人在2004年的相關研究結果[2]，目標函數為式（4）：

上式中，κ0、κr、κs為各項指標的加權系數，通?？蔀?0.5、0.1、0.3，ess0、tr0、tr0為采用Z-N 法得到的系統性能指標。

4 系統仿真結果

我們采用MATLAB軟件工具箱 Simulink，根據式（8）對配料系統進行仿真后按上述步驟尋優在實驗中，蟻群算法的參數選擇是非常重要的，根據相關研究取參數[6]α=2，ρ在0.5～0.9之間，m=5，Q=100，尋優終止條件為兩次最優結果小于0.001，初始信息素τ0=0，為驗證蟻群算法的適應性，采用不同的物料容重進行測試：

1）取參數 α=2，ρ=0.8，m=5，Q=100，ψ=200 kg/m3，設定值為100 kg時，迭代次數為7，實際值與給定值相差0.02 kg，達到很高的控制精度。如圖3中曲線（1）所示。

2）但當比重增大10%即ψ=220 kg/m3時，迭代次數增大為10，實際值與給定值相差0.03，控制精度仍然很高，但迭代次數增加了3次，配料速度有所降低，如圖3中曲線（2）所示。

3）而當比重增大50%時，迭代次數需要20次，控制精度略有下降但仍然在允許范圍內，只是系統快速性及實時性得不到保證，這也證明了蟻群算法具有適應性，即螞蟻在覓食過程中如果途中出現障礙物也能重新找到最優路徑，只是尋優時間會增長，如圖3中曲線（3）所示。

4）當取 α=3，ρ=0.6，迭代次數為 10 時，配料精度可以控制在±0.2 kg以內，達到配方要求。此時算法具有較好的適應性，能在比重發生變化的情況下找到最優解。如圖3中曲線（4）所示。

圖3 仿真結果Fig.3 Simulation results

5 結 論

該設計目前已順利通過測試并投產使用，運行數月來配料過程中稱量誤差最大為0.2 kg，最小為0，達到預期效果，該廠自從改造后，不僅配料精度得到提高，產量亦提高了80%，整個配料系統人員由原來的8人減少為2人，降低了生產成本，工人也不用長時間工作在噪聲大、粉塵大的生產現場。該系統設計雖然針對飼料的配比，但其自動稱重過程適用于多種配料場合，比如冶金、陶瓷、醫藥、建材等等，也可以適用于各種包裝生產線上，均可達到較好的控制效果。

[1]金艷梅.飼料企業質量控制 [D].北京：中國農業科學院，2007.

[2]李瑩，劉海英，張靜.360m2燒結機配料系統的自動化控制[J].電氣技術，2007（3）：105－108.LI Ying，LIU Hai-ying，ZHANG Jing.Automatic control of 360m2sintering machine proportioning system[J].Electrical Technology，2007（3）：105－108.

[3]王珊珊，王利寧.摩擦材料生產過程的配料及調度自動控制系統[J].長春大學學報，2007，17（5）:38－42.WANG Shan-shan，WANG Li-ning，Batching systems and automatic control of the friction material[J].Journal of Changchun University，2007，17（5）：38－42.

[4]王永華.現代電器控制及PLC應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[5]李聞.蟻群優化算法及其應用研究 [D].長沙：湖南大學，2005.

[6]尹宏鵬，柴毅.基于蟻群算法的PID控制參數優化[J].計算機工程與應用，2007，43（17）：4－7.YIN Hong-peng，CHAIYi.Optimization design of PID controller based on ant colony algorithms[J].Computer Engineering and Applications，2007，43（17）：4－7.