1、緒論
1.1課題背景及其意義
電子皮帶秤是工業生產過程中對皮帶傳送的散裝固體物料進行連續稱量的計量設備，在科學技術日益發展的今天也隨之日益改進，不僅要求稱量準確，在冶金、煤炭、化工、煙草、水泥等行業中還要求稱量過程能大幅度提高生產效率。原料在輸送中進行動態連續稱量的同時還要在輸送中對K8凯发登录入口進行調節、控製，以達到準確的配比。
本設計主要針對的是皮帶秤配料係統中配料這一環節，因為配料的質量如果達不到要求，一是會浪費原材料，二是影響生產的順利進行，重則影響和生產效率，在某些重要生產崗位上，配料失誤甚至會釀成事故。可見配料精度與配料速度影響著整個生產的質量和產量，所以要對配料過程的質量和有足夠的重視。
皮帶秤有如下幾個特點：
(l)皮帶秤的計量對象是連續流動的物料可以顯示物料的瞬時K8凯发登录入口和在某一段時間內的累計K8凯发登录入口。
(2)皮帶秤是在皮帶運行中進行測量，所以測量的穩定性很重要。當物料多少不等、皮帶輕重不均勻和上下跳動以及皮帶速度發生變化時，皮帶秤應有較好的適應能力。
(3)由於傳送皮帶速度大多在1～2m/s左右，故皮帶秤必須具有較高的響應速度。
現實中，許多皮帶秤的控製精度並不很理想，易發生故障，在複雜的生產工藝中不能適應一些惡虐的環境。所以僅僅是傳統的PID控製是不能實現良好的調節效果的。鑒於此狀況，需要設計技術更為先進，更合理有效的設計方案。
本課題設計的電子皮帶秤自動配料係統能有效解決動態計量衡器的控製精度問題。可以完全替代原有的陳舊設備，應用模糊控製使得係統具有優良的性能，就配料係統而言，配料壞節采用模糊控製後，可以提高配料速度及質量，也降低了工人的勞動強度。從更深的角度去說，是為企業創收，為國家經濟發展做出貢獻。
1.2係統工作現狀及工藝難點問題
1.2.1皮帶秤配料係統的現場結構組成
配料係統的結構組成中有4個稱重單元，每個單元有料倉、給料電機、皮帶秤組成。這是一種使用最為廣泛的皮帶秤配料係統，也是最簡單最基本的結構形式。
煤炭、化工、水泥等行業中的配料係統是要把多種原料按照一定的配比混合到一起。本設計研究的是4種原料的混合。係統共設有4個給料倉，每個給料倉通過各自的給料電機來控製給料速度，進而調節給料量。電機的調速方式有多種，在第二章中分析了電機的調速方式。物料到達皮帶秤後，由皮帶秤測量原料的瞬時K8凯发登录入口以及累計K8凯发登录入口等數據送入控製器去控製執行器。每個料倉的下料最後到達主皮帶，混合後再送入下一級。
1.2.2一般的控製方案
目前各行業中使用的電子皮帶秤的生產廠家也比較多，一些廠家采用的是用基於單片機的PID調節，這樣的配料係統控製精度不高，可靠性也不高。而一些大型廠家的皮帶秤配料係統則是基於PID調節器和WINDOWS平台的。係統中的傳感器將測量到的信號送到稱重儀表，皮帶秤儀表將接收到的重量信號和速度信號經積算後以4～20mA模擬電流的形式送至PID調節器，PID調節器根據測量的瞬時K8凯发登录入口值與設定K8凯发登录入口值的偏差，進行比較運算後通過變頻器去調整電機的轉速，以達到穩定瞬時K8凯发登录入口的目的。如果需要改變K8凯发登录入口或者配比時就可以直接在調節器上操作，操作起來簡單方便快捷。
1.2.3現有配料係統的難點問題
對於現有皮帶秤要想使係統穩定，受到幹擾時有好的調節品質，而且要求穩、準、快。那麽就需要滿足以下幾個條件：
第一，物料出量要與給料機的控製電機轉速成正比。
第二，皮帶秤係統結構要穩定，由實踐總結出一些共同的結構性質，對調節對象的動態特性有影響的性質有：容量係數、阻力、傳遞距離。容量係數大，對象抵抗擾動的能力強，被調量在受擾動後變化慢，呈現較大慣性。反之，容量係數小，被調量變化快，慣性小；調節對象的阻力或大或小，例如，物料在下料時會遇到倉壁或閥門等給它的阻力，所以阻力也是調節對象的一種結構性質；物料在運送過程中有一定的傳送距離，從而有一定的傳遞時間，這也是控製的難點。
第三，PID的三個參數的設置要合理。
隻有這些條件都滿足，而且他們之間相互配合，才可以獲得令人滿意的控製效果，調節器才可以穩定快速的運行。
當然在這些條件中係統自身結構的穩定是最基本的，隻有在這個前提下，才能去設置合理的PID控製參數，傳統的PID控製對參數固定的係統有好的調節品質，因為它的參數整定是按照階躍響應的過渡過程去整定的。所以理想中可以做到無誤差。但是，實際生產中不可能做到像上述描述中的那麽理想，實際電子皮帶秤自動配料係統的控製精度會受到如下多個因素的影響。
首先是物料物理特性的影響，物料的粒度、濕度、溫度會因為外界因素的變化而變化，這樣給料設備無法正常工作供料。比如物料在氣溫低或者濕度大時會出現結塊的情況，從而影響給料設備的給料，應該采取一些保護措施。保證物料不結塊、結球，粒度保持一致，水分適中，流動性好。這樣才能達到控製準確度指標。濕度的影響一般在皮帶受潮最初的巧分鍾之內能及時的調整零點，可以消除，當濕度變化劇烈時，此影響要引起重視。
第二是設備機械震動和設備安裝的影響，皮帶傳輸物料時機械振動會造成瞬時K8凯发登录入口不穩定，要盡量避免機械振動對係統控製精度的影響。安裝時要盡量避免周圍輸送設備的振動。給料設備的安裝要嚴格按照要求，否則會把設備安裝精度的誤差轉化為給料量的誤差，使係統控製精度降低。
另外還有料倉形狀的影響，料倉的形狀有多種，要選擇適合物料下放的形狀及內壁材料，防止“懸料”現象的發生。
綜合以上的影響，物料瞬時K8凯发登录入口的測量誤差會較大，再加上係統工作時工藝現場受其它外界的幹擾，比如儀表附近的大功率變頻器、電磁波的幹擾、電機的頻繁啟停等現場情況，都使係統計量準確度和配料精度降低。通常隻是工作人員根據多年的工作經驗人工給出粗略的PID參數。使係統在一個較寬範圍內控製。還需解決的問題有:電機調速方式的選擇;傳感器的選擇;係統抗幹擾能力的提高;管理軟件的設計;係統調試等問題。
1.3本設計解決的問題及主要內容
本設計要解決的問題是物料在皮帶傳送過程中的控製精度問題，基於考慮上節提到的配料係統現存的難點及影響係統控製的諸多因素，本設一計主要在配料環節中采用模糊PID控製，即綜合模糊控製技術和傳統PID控製。本設計的主要內容是結合皮帶秤的現狀及實際工藝中遇到的難點問題給出自己的設計方案。在保證係統稱量精度及控製精度的前提下，選擇合理的軟硬件配置。從而提高係統的總體設計方案。通過係統分析結合配料係統的現場實際工作情況，由模糊控製技術的理論，給出模糊控製結構框圖。根據模糊控製器的設計步驟，設計出與傳統PID相結合的模糊PID控製器。解決了皮帶秤配料係統的控製及誤差調節問題，從而提高配料係統的配料速度及精度。最後通過仿真看出，引入模糊控製後，在係統受到幹擾出現偏差時調節效果很好。解決了原配料係統有較大的誤差，動態特性不理想，超調量較大時的控製精度及配料速度問題，大大提高了係統的計量精度和配料速度。
為了保證整個控製係統的可靠性，選用研華工控機作為上位機，內裝四端口串行擴展卡。工控機與4台稱重配料儀表采用RS232通訊協議。上位機軟件在Windows環境下，采用匯編語言編寫，實現全漢化用戶界麵。程序由生產監控、係統設置、物料設置、客戶管理、任務管理和配方管理及各種統計報表等模塊組成，具有界麵友好、操作簡便、功能強大等特點。使整個係統實現了白動化，節省了勞動力，提高了生產效率。
本論文第二章闡述了皮帶秤配料係統的總體結構設計:第三章是具體分析模糊PID控製器的設計過程;第四章是控製係統電氣部分的具體實現;第五章用MATLAB軟件對模糊PID控製進行仿真。
2、皮帶秤配料係統工作原理及總體設計方案
皮帶秤配料係統中配料皮帶秤作為在線測量的動態稱量衡器，有著重要的作用，目前已廣泛用於冶金、煤炭、煙草、化工、建材等行業中，是集輸送、稱量、配料於一體的設備。皮帶秤儀表除了顯示瞬時K8凯发登录入口和累積K8凯发登录入口外，還能根據由接線盒傳過來的數據與給定值的偏差來控製給料機的給料，從而保證瞬時K8凯发登录入口的恒定。這樣就構成了一個閉環控製係統。
2.1皮帶秤配料係統組成及工作原理
2.1.1皮帶秤配料係統組成
配料皮帶秤係統由三大部分組成，分別是料鬥、給料設備和皮帶秤。
簡要介紹一下各部分的功能：
1、料鬥
料鬥主要將物料通過給料設備送至配料皮帶秤。料鬥一般用普通薄鋼板或鍍鋅薄板衝壓或焊接而成。輸送磨損性強的物料時料鬥的邊緣常用折邊，卷入鋼絲和附加襯板加強，以防止快速磨損。為了防止料鬥內聚集和沉附物料，前後壁多做成圓弧連接，略帶斜角。安裝時，也要注意位置距離要合適，避免下料時對皮帶秤的衝力。
2、給料設備
皮帶秤配料係統是通過給料設備把物料送入下一級的，給料速度決定了物料K8凯发登录入口，給料速度又是通過調速電機去控製的。在調速配料方式中由配料皮帶秤本身代替，而在恒速配料和雙調速配料方式中給料設備是一個獨立設備。給料設備也是形式多樣，有電磁振動給料式、圓盤給料式、密封葉輪給料式、螺旋給料式等，對於粘性和含有少量水分的粒狀物料可以選擇電磁振動給料式或者圓盤給料式;對於幹燥的細粉末狀物料可以選擇密封葉輪給料式或者螺旋給料式。實際當中要根據物料的特性進行選擇，而且設備要可以接收上一級的4～20mA(或1～5V)模擬信號。在本設計中，針對物料的物理特性選擇的是電磁振動給料式給料設備。
另外，對給料設備的基本要求是：
l)應能保證一定的給料量，便於隨時調節其給料量；
2)給料量的準確度應能滿足生產工藝的要求；
3)應滿足生產過程中其它工藝要求，如自動計量、自動控製等；
4)給料設備應結構簡單、緊湊、工作可靠、便於維護。
3、配料皮帶秤(機械部分和電氣部分)
配料皮帶秤機械部分由秤架和皮帶傳輸組成，其中秤架是皮帶秤的荷重承受和重力傳遞裝置，按照外部特性進行分類，秤架可以分為多托輥式、單托輥式和懸臂式三種。配料皮帶秤電氣部分由稱重傳感器、測速傳感器、稱重儀表和調速電機等部分組成。各部分的工作情況是:當料倉中的物料由給料設備投入到配料皮帶上，物料隨皮帶運行到達稱量點時，由稱重傳感器A將物料的重量轉化為電信號，由測速傳感器B將皮帶的速度值轉化為電信號，信號經過接線盒D進行匯總後送入稱重儀表E，儀表再對采集到的信號進行相應的運算、處理，最後轉化為瞬時K8凯发登录入口和累積K8凯发登录入口。與此同時稱重儀表輸出一個標準的控製信號到調速電機來調節給料速度，使物料K8凯发登录入口保持穩定，最終可以使係統的配比更為準確。
2.1.2皮帶秤工作原理
皮帶秤的計量對象是連續流動的物料，可以顯示物料的瞬時K8凯发登录入口和在某一段時間內的累計K8凯发登录入口。皮帶秤是在皮帶運行中進行測量，所以測量的穩定性很重要。當物料多少不等、皮帶輕重不均勻和上下跳動以及皮帶速度發生變化時，皮帶秤應有較好的適應能力。所以皮帶秤的主要特點是連續、自動地稱重。
如果測單位長度的瞬時K8凯发登录入口，一段距離的物料重量，或在一段時間和一段距離的累積重量。這些量的計算可采用積分法和累加法兩種方法進行計算。在本設計中采用積分法表示一段時間的累積K8凯发登录入口。電子皮帶秤輸送物料時，物料的瞬時K8凯发登录入口為：qxv(kg/s)，其中q(kg/m)為皮帶上單位長度的載重，v(m/s)為同一時刻皮帶運行的速度。但是實際中，單位長度的載重與物料本身特性有關，可能出現不均勻的情況。
皮帶秤是按照力學中的懸索原理工作的，皮帶的力平衡關係介於彈性靜不定和柔性懸索之間，因為皮帶的橫向能力小，更接近於懸索狀態，所以皮帶秤的計量是以線分布密度代替體分布，按K8凯发登录入口進行測量的。
2.2配料皮帶秤工作方式
配料皮帶秤是裝有皮帶秤整個稱量裝置的皮帶輸送機，其中給料設備是調節物料多少的，按照給料設備調速方式的不同，配料皮帶秤有以下幾種工作方式：
2.2.1拖料式配料方式
拖料式配料的皮帶秤指的是無專用的給料機，僅用皮帶機調速方式的配料皮帶秤。所以也稱作調速配料方式。配料皮帶秤直接安裝在進料鬥的下方，以拖料的方式從進料鬥中拖出物料。這樣可調速的皮帶機既完成物料的稱量任務，又完成物料量多少的調節任務，所以在拖料皮帶秤這種工作方式中，嚴格地講，不能稱為無給料機，隻是無專用的給料機，給料機的功能由配料皮帶秤的皮帶機順帶完成。
拖料式配料方式優點：1)無專有給料機，係統結構簡單，設備投資省；2)節省電能消耗；3)皮帶上的物料負荷不隨物料量的多少而變，對物料稱量精確度和控製精確度的提高有好處;的係統無滯後，電機速度一變化，給料量也隨之改變，控製精確度高。拖料式配料方式缺點：1)是進料倉直接在皮帶秤的皮帶機上，入料時對皮帶的張力大；2)沒有專用的給料機，所以調零、更換皮帶較難操作；3)對於幹粉狀和粘性較大的物料不適用;所以對於濕度適中、流動性能較好的物料係統可以采用這種工作方式。
2.2.2恒速配料方式
恒速式配料指的是給料機調速、皮帶機恒速方式的配料皮帶科。
給料機調速可以完成物料量多少的調節任務，而皮帶機不可調速則皮帶上的物料負荷隨物料量的多少而變。早期的配料皮帶秤采用這種方式的較多。
恒速式配料的優點是：1)進料鬥與配料皮帶秤之間有專用給料機，便於皮帶秤的調零、更換皮帶等操作。2)計量準確度高，可靠性好，應用範圍較廣。
缺點是：1)有專用給料機，投資較大；2)皮帶上的物料負荷隨物料量的多少而變對物料稱量精確度有影響。所以對於配料控製精度要求不高，K8凯发登录入口設定值變化範圍小的物料係統適用恒速式配料方式。
2.2.3雙調速式配料方式
雙調速式配料皮帶秤指的是給料機、皮帶機均調速方式的配料皮帶秤。給料機調速是為了改變物料給料量，皮帶機調速是為了使皮帶上的物料負荷始終保持穩定。雙調速有兩種方式:一是給料機、皮帶機同步調速，即采用機械方法，由一台變頻器同步帶動給料機與皮帶機的電機;二是由兩台變頻器分別帶動給料機與皮帶機的電機。同步調速方式多了機械裝置，但省了一台變頻器，總的來說節省了投資;兩台變頻器調速多用了一台變頻器，投資雖然增加了一點，但調整更加靈活，適應物料量設定的變化範圍更大，目前絕大多數應用都采用兩台變頻器分別帶動給料機與皮帶機電機的調速方式。
雙調速式配料方式優點是：1)皮帶上的物料負荷不隨物料量的多少而變，可提高物料稱量精確度；2)有專用給料機，便於皮帶秤的調零、更換皮帶等操作。雙調速式配料方式缺點是：係統構成較為複雜，有兩台設備需要調速，投資最高。所以對於配料精確度要求高、K8凯发登录入口設定值變化範圍大的配料係統適用雙調速配料方式。
總之，在實際當中采用哪種配料方式，要視具體情況確定，要根據控製準確度、係統可靠性、投資大小等方麵的因素綜合考慮。由於本設計中配料係統是用於煤焦配比，要求係統可靠性好，計量準確度高，綜合多方麵考慮所以選擇拖料式配料方式。
2.3皮帶秤配料係統總體設計
該設計的配料係統是由4台皮帶秤組成。該係統主要由配料電子皮帶秤、儀表控製櫃、動力控製櫃、變頻器櫃、低壓開關櫃、現場操作盤、工業控製微型計算機(以下簡稱工控機)、及監控管理軟件幾部分組成。
l)配料電子皮帶秤
配料電子皮帶秤具有運輸和計量兩種功能，對經過皮帶的物料進行自動地連續地稱量和累積。稱重部分采用電阻應變式工作原理，多托輥杠杆式結構，實際工作時，通過調節上級給料設備的給料速度來改變物料K8凯发登录入口，此種皮帶秤大多用於企業內部生產工藝的控製。
2)儀表控製櫃
儀表控製櫃由4台稱重儀表組成。每台稱重儀表接受來自各個稱重傳感器的重量毫伏信號和來自測速傳感器的帶速脈衝信號，計算出瞬時K8凯发登录入口和累計量，並將K8凯发登录入口信號以4～20mA模擬電流的形式送給工控機，工控機將K8凯发登录入口信號與設定值比較後，根據一定的控製規則輸出4～20mA調節信號，去控製現場給料設備的轉速，從而構成單機閉環係統，達到控製某種物料K8凯发登录入口的目的。稱重儀表通過RS-485通訊接口與工控機進行通訊。
3)動力控製櫃
動力控製櫃是動力部分的中央控製部件，裏邊安裝有電流表、控製按鈕、指示燈、可編程控製器(以下稱PLC)及電機保護電路。用於監控現場皮帶機的運行;對現場皮帶機和給料設備的啟停進行控製;指示電機運行狀態;聯鎖控製及打滑跑偏報警等。其中PLC通過RS-232通訊接口與工控機進行通訊。
4)變頻器櫃
櫃中的變頻器，接收動力控製櫃的開關信號控製上級給料電機的啟停，同時也接收來自工控機的4～20mA調節信號，通過改變輸出動力電源的頻率，從而控製現場4台給料設備的轉速。
5)低壓開關櫃
低壓開關櫃內配置有開關、電壓表、電流表、斷路器、隔離變壓器等器件，為係統各部分和配煤係統動力部分提供電源，同時檢測動力電源部分的線電流和相間電壓。
6)現場操作盤
本設計的皮帶秤配煤係統電機的現場控製部件，裝有控製按鈕、指示燈，可以在設備旁對現場皮帶機和給料設備的啟停進行控製，指示可編程邏輯控製器PLC對電機的命令狀態。
7)工控機及監控軟件
工控機主機選用研華IPC-610型14架裝式工業PC機箱，配置
PCA-6179L全長CPU卡、512M內存、80G硬盤、一個PCL-746+四端口RS232/422/485通訊接口卡、2個pCI-1720U型4通路隔離模擬量輸出卡(設置為4～20mA模擬量輸出)。
工控機作為上位機，通過RS485雙向通訊接口與稱重儀表進行通訊，通過RS232雙向通協接口與動力控製櫃中的PLC進行通訊，輸出模擬信號控製給料設備的給料K8凯发登录入口，進而構成了完整的配料係統。工控機另外留有一個RS485雙向通訊接口，以備用。
監控軟件的界麵采用菜單方式，用戶可以通過鼠標或鍵盤進行操作，使用非常方便，對整個配料係統進行主要是根據生產配方和產量要求對稱重過程進行自動控製，對稱重數據進行統計管理。
6、總結
皮帶秤配料係統目前還大都采用傳統PID進行調節，本設計中將模糊控製理論應用到PID控製中，采用模糊PID控製器和傳統PID相結合，當偏差較大時采用模糊控製，當偏差減小到較小範圍時采用傳統PID控製方式。二種控製方式由Bang-Bang開關進行切換。這樣係統受到大的幹擾時也會有比較理想的調節效果。
首先，對現有的皮帶秤配料係統進行分析，找出其優點及難點所在。根據配料係統具體的工藝要求進行深入分析，給出一套合理有效的結構設計。並且對係統中的重要器件傳感器進行選擇。在對係統結構充分設計的基礎上，設計出模糊屍z。控製器對係統進行實時調節，通過查找模糊查詢表來對3個參數進行在線調整，以滿足不同e和ec對3個參數的不同要求。
對現場的配料設備采用PLC協調控製，控製程序可變，使用方便，功能強適用廣，編程簡單，容易掌握，維護方便，可靠性更高。
另外直接利用MATLAB中Simulink圖形化工具平台對配料秤儀表中采用的模糊PID控製算法進行了仿真。
但也有一些不足之處，那就是雖然在MATLAB環境下進行仿真效果很好，能更好的適應瞬時K8凯发登录入口的變化。但是理論和實際有些脫節，還沒有真正應用到配料係統實際當中。所以還有待進一步的改進。

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