混凝土搅拌配料控制系统

文章编号：１００１－９９４４（２００７）０１－００４４－０４

混凝土搅拌配料控制系统

郭泉江，凌玉华，廖力清

（中南大学信息科学与工程学院，长沙，４１００８３）

摘要：在分析、研究日本公司的ＣＢ９２０、美国托利多的Ｐａｎｔｈ以及长沙建设电子的ＰＬＣ－３的基础上，提出了一种新型螺旋加料动态定量称重控制方法。该方法基于自校正预测控制算法，较好地解决了动态定量称重过程中精度和速度的矛盾。从系统硬件结构、控制策略及软件设计策略三方面论述了４通道混凝土搅拌配料控制系统。

关键词：配料控制系统；螺旋加料；自校正预测控制算法；软件抗干扰中图分类号：ＴＰ２７１

文献标志码：Ｂ

ＭｉｘｅｄＣｅｍｅｎｔＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ

ＧＵＯＱｕａｎ－ｊｉａｎｇ，ＬＩＮＧＹｕ－ｈｕａ，ＬＩＡＯＬｉ－ｑｉｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇＪａｐａｎｅｓｅＣＢ９２０、ＡｍｅｒｉｃａｎＰａｎｔｈａｎｄＣｈａｎｇｓｈａｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｌｅｃｔｒｏｎ’ＰＬＣ－３，ａｎｅｗｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｗｅｉｇｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｓｐｉｒａｌｆｅｅｄｉｎｇｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｂａｓｅｄｏｎｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍ，ｓｏｉｔｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｏｌｖｅｔｈｅｃｏｎｆｌｉｃｔｂｅｔｗｅｅｎａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｐｅｅｄｉｎｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｗｅｉｇｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｆｏｕｒ－ｃｈａｎｎｅｌｓｍｉｘｅｄｃｅｍｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｓｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｒｏｍｔｈｒｅｅａｓｐｅｃｔｓａｓｆｏｌｌｏｗ：ｈａｒｄｗａｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；ｓｐｉｒａｌｆｅｅｄｉｎｇ；ｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍ；ｓｏｆｔｗａｒｅａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ

我国自６０年代开始研制混凝土搅拌站，主要用于水利工程。８０年代中期开始生产小型混凝土搅拌站，用于工业与民用建筑工程。９０年代后我国的搅拌站技术发展很快。现今国内配料搅拌控制器大多是单通道，如果要对水泥、泥沙、水、外添加剂进行同时称量，需要４个控制盒，通过上微机协调控制，显然这种状况制约了组建大型搅拌站。研制的ＷＹ２００６采用高速ＳＯＣＣ８０５１Ｆ系列单片机及多任务分时复用方法，有效地把４个盒子集成为一个盒子。ＷＹ２００６采用了高精度多路模拟开关，有效地把

收稿日期：２００６－０６－１６；修订日期：２００６－１０－２５

四路放大滤波保护电路缩减为一路，减小了体积和

制作成本。目前在国内动态定量配料行业存在动态精度与速度不能两全的状况。该系统采用自校正预测控制算法较好地解决了这个问题。

１

１．１

控制系统硬件结构

系统实物简介

小型混凝土配料搅拌控制系统由九个料仓、四个称量斗、１６个压力传感器、一台搅拌机、一个ＷＹ２００６搅拌控制器、一台上位机、一台微型打印

作者简介：郭泉江（１９８１－），男，硕士研究生，主要研究方向为测控与智能仪表及广义预测自适应递推优化控制算法在实际

，女，教授，硕士生导师，研究方向为现代检测技术与智能仪器、信息融合技术；廖工程中的应用；凌玉华（１９６５－）力清（１９６５－），男，教授，主要从事电力电子与电力传动、电力系统及其自动化的教学与研究。

４４Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ２００７（１）控制系统

机、一些避雷器、中间继电器等。小型搅拌站实物简

如果是大型商用搅拌站，一台上位机能监图如图１。

组成集散控制系统（ＤＣＳ）。控几台ＷＹ２００６，

出料门控

物料１

…物料ｎ出料门控

高精度模拟开关、仪用放大器、巴特沃滋滤波器、带

ＡＤ的单片机等组成。这部分电路如图３。由于模拟

ｍＶ，因此，使用一般的模拟信号比较微弱，为（０￣２０）

开关（例如：ＣＤ４０５１等）恐怕无法胜任，必须选用高精度模拟开关作为微弱信号的切换芯片将４路差分信号通过时分复用的手段转换成１路差分信号送入ＩＮＡ１３１仪用放大器放大１００倍，然后通过一个

外驱

称重传感器信号称斗出料门控ＷＹ２００

外驱

搅拌

计算机

ＯＰ０７组成的巴特沃滋滤波器，将信号通频带限制在大约３０Ｈｚ以下。最后，通过带高精度ＡＤ的单片机Ｃ８０５１Ｆ３５０，将模拟信号变换成数字信号，然后单片机直接就对采样数据进行处理之后将优选数据送给主控单片机芯片，同时，此单片机肩负着切换模拟开关的任务。

多路模拟开关

ＣＤ４０５２仪用放大器

打印机

图１

Ｆｉｇ．１

小型搅拌站实物简图

Ｆａｃｔｕａｌｓｋｅｔｃｈｏｆｐｉｎｔ－ｓｉｚｅｄｍｉｘｅｄｓｔａｔｉｏｎ

１．２ＷＹ２００６硬件结构简介

控制盒ＷＹ２００６采用三片高速ＳＯＣ分级控制：Ｃ８０５１Ｆ０２０、Ｃ８０５１Ｆ３５０、Ｃ８０５１Ｆ３２０。ＷＹ２００６的硬件结构框图如图２。

实时时钟事件记录上位机微型打印机

Ｘ１２２７Ｓ８ＡＴ４５ＤＢ０８１

ＵＳＢ接口４８５转换２３２转换优盘

副控Ｃ８０５１Ｆ３２０

操作显示面板

键盘及显示芯片ＣＨ４５２

主控芯片Ｃ８０５１Ｆ０２０副控Ｃ８０５１Ｆ３５０

信号滤波放大及前置保护电路

８选２多路模拟开关

１６个传感器

１８路输入继电器光耦

ＴＬＰ５２１－４

２０路输出继电器

ＩＮＡ１３１

巴特沃滋滤波器

ＯＰ０７

图３

Ｆｉｇ．３

模拟信号电路

Ｇｒａｐｈｏｆａｎａｌｏｇｓｉｇｎａｌｓｃｉｒｃｕｉｔ

２称重控制策略的研究

图２

Ｆｉｇ．２

ＷＹ２００６硬件结构框图

ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆＷＹ２００６ｈａｒｄｗａｒｅ

Ｃ８０５１Ｆ０２０是主控制芯片，它通过ＵＡＲＴ口与Ｃ８０５１Ｆ３５０和Ｃ８０５１Ｆ３２０通信，它才是系统的决策者。Ｃ８０５１Ｆ３５０是模拟信号采集部分的副控，内置了２４位Σ－ΔＡＤＣ。Ｃ８０５１Ｆ３２０控制实时时钟、ＡＴ４５ＤＢ０８１、２３２转换芯片、４８５转换芯片。并且Ｃ８０５１Ｆ３２０内置了ＵＳＢ２．０转换芯片可直接接ＵＳＢ接口，不需外扩其它外围电路，做成的ＵＳＢ口可以高速（１２Ｍｂ／ｓ）或低速（１．５Ｍｂ／ｓ）运行。采用多片单片机分级控制是有许多好处的，比如：可以减少程序的嵌套、提高系统的实时性、系统调试方便。

控制盒的设计难点是模拟信号处理部分，它由

自动化与仪表２００７（１）国内定量配料、定量包装中缺少先进的螺旋加料动态定量称重控制方法，所以动态精度低，速度慢。在一些不能快速在线准确称重的行业中，为防止因重量不足而失去信誉，不得不采用稍微超重称重装料的方法。本文在研制水泥动态定量称重配料中，通过分析螺旋加料动态在线定量称重过程，给出了一种新型双速变径变距螺旋加料动态定量称重控制方法。该方法采用“先快后慢、最后点动”的控制方式，较好地解决了动态定量称重过程中精度和速度的矛盾。理论和实验的研究表明，该方法对动态在线定量配料方面具有广泛的应用潜力。２．１控制方案

为了提高配料精度，首先必须选用高精度、高性能称重传感器。配料时物料从物料储存罐落入秤体，秤体重量变化经由支承秤体的称重传感器转变为相应的毫伏电压信号变化量，输入仪用放大器（抑制共模对差模的干扰）放大１００倍，通过Ａ／Ｄ转换成数

４５控制系统

字量，ＭＣＵ对该数字量进行数字滤波处理并与设定值比较，确定该种物料的当前配料情况，并决定下一步的配料方式。

螺旋加料装置是保证动态定量称重精度和均匀度的重要环节。由于螺旋加料机电一体化装置的非线性和强无自衡性，以及在加料过程中物料的粒度、湿度和料仓压力等又会引起加料流量的不稳定性。若加快称重速度，则物料对料斗的冲击将影响称重的精度和稳定性。而若提高称重精度，就不得不降低加料速度。为了协调称重精度和称重速度的矛盾，目前大部分动态在线定量称重设备采用两段加料方式，该加料方式只在一定程度上能够兼顾精度和速度的要求，精度不高，且存在超差。由于螺旋加料的不可逆性，定量称重超差无法弥补，只能重新进行。为了提高效率和解决超差问题，使用变频调速器可实现无级调速下料，在本称重配料控制器中，从实用及方便出发，配方中每种物料的配料过程采用三级

。在称重开始时“快速加料”，当达下料速度（如图４）到快速加料预测给定值Ｗｇ１时开始“慢速加料”；当

到达慢速加料预测给定值Ｗｇ２时，延迟一段时间等待空中料落入料斗，如还达不到物料定量值Ｗｓ的系统允许误差下限值ＷｓＬ时，则开始慢速“点动加料”，直到物料净重大于ＷｓＬ时才开料斗门卸料。由于每次点动加料时间随着物料差值的减小而减小，所以有效地避免了超差的发生。

Ｗ／ｋｇＷｓＷｓＬＷｇ２Ｗｇ１

皮重ｔ１

快加ｔ２

ｔ３

ｔ４

Ｑｇ２越稳定，相应预测量有关。慢速加料时间越长，

的Ｂ越准确，但降低了称重速度。若从定量称重速

Ｗｇ１越大越好，但Ｗｇ１越大则慢速加料时度上考虑，

间越短，又会影响定量称重精度。因此，如何正确预测Ｂ并如何动态在线修正Ｗｇ１和Ｗｇ２，是同时实现定量称重精度和速度的关键问题。

Ｑｇ１

落差Ａ

落差Ｂ

Ｑｇ２

ｔ１

ｔ２

ｔ／ｓ

ｔ３

ｔ４

Ｑ（／ｋｇ・ｓ－１）图５

Ｆｉｇ．５

ｍａｔｅｒｉａｌ

控制加料流量示意图

Ｆｌｏｗｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｉｖｅｆｅｅｄｉｎｇｉｎ

２．２空中落差补偿

能否真正实现高精度配料主要取决于慢速下料

阶段的软件处理，特别是空中落差处理，这是称重配料系统软件设计的关键。所谓空中落差是指当某一储料罐停止下料时，还有一部分在空中待落入秤体的物料。空中落差无法用一个固定的参数加以补偿，落差可以用如下二阶预报模型予以补偿：

（ｙｋ＋１）＝β（ｋ）＋θＸｋ０ｕ

Ｔ

其中：参数向量θ和数据向量Ｘｋ分别为

Ｔθ＝［ααββ１，２，１，２］

Ｘｋ＝［ｙ（ｋ），（ｙｋ－１），（ｋ－１）ｕ，（ｋ－２）ｕ］

Ｔ

Ｂ

点动加慢加

卸料

ｔ／ｓ

图４

Ｆｉｇ．４

ｍａｔｅｒｉａｌ

控制加料方式示意图

式中：（ｙｋ）是第ｋ次落差补偿量；ｕ（ｋ）是第ｋ次定量称重误差；因此是基于第ｋ次及以前的落差补偿量和称重误差，预报第（ｋ＋１）次的落差补偿量，其控制目标是选择一个合适的ｕ（ｋ），使控制目标Ｊ＝Ｅ［ｙ（ｋ＋！）－ｙｒ］２为最小。

根据自校正调节，有控制方程

（ｕｋ）＝１／β０［ｙｒ－Ｘｋθｋ］

当取到数据（ｙｋ＋１）时，对参数向量θ采用带遗忘因子λ的在线递推最小二乘法，

（θｋ＋１）＝（θｋ）＋Ｐ（ｋ）Ｘｋ－１［λ＋Ｘｋ－１Ｐ（ｋ）Ｘｋ－１］－１・［ｙ（ｋ）－

β（ｋ）－（θｋ）Ｘｋ－１］，０ｕ

Ｐ（ｋ＋１）＝１／λ｛Ｐ（ｋ）－Ｐ（ｋ）Ｘｋ－１・［λ＋Ｘｋ－１Ｐ（ｋ）Ｘｋ－１］－１・

Ｘｋ－１Ｐ（ｋ）｝。

Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ２００７（１）Ｔ

Ｔ

Ｔ

Ｔ

Ｔ

Ｍｏｄｅｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｉｖｅｆｅｅｄｉｎｇｉｎ

由于螺旋加料机械装置的时变性，与图４中时间（ｔ１～ｔ４）所对应的加料流量曲线如图５所示。当发

出加料信号后，螺旋机械总要滞后一段时间才开始加料；当停止加料时，螺旋加料机械惯性又要延迟一段时间才能停止；螺旋加料停止后，空中还有尚未落入料斗的空间料（称为落差Ｂ，也称为提前停机量），使称量值增加，其增加量的大小与停止加料前的流

４６控制系统

在线估计（θｋ＋１），并用估计参数来代替真实参数θ，而得到最小方差自校正调节器。在实际控制过程中，

不参与估计运算；遗忘因子λ取β０一次取定为０．９，

值０．９９；递推初始值（θ０）取在线辨识的一组定常参数；（ｙ０）由实验选定；取ｕ（０）＝０，经过３～４次称重，就可使落差补偿预测值逼近真值。

快速加料给定值的修正原理是根据慢速加料的时间长短来调节Ｗｇ１，即用如下一阶预测模型：Ｗｇ（＝Ｗｇ（＋［Ｗｇ（－Ｗｇ（］［Ｔ（－Ｔ２］／Ｔ２１ｋ＋１）１ｋ）２ｋ）１ｋ）２ｋ）式中：Ｗｇ（和Ｗｇ（分别是第ｋ次快速加料与慢１ｋ）２ｋ）速加料预测给值；［Ｗｇ（－Ｗｇ（］为第ｋ次慢速加料重量；２ｋ）１ｋ）

Ｔ（是第ｋ次慢速加料时间；２ｋ）

Ｔ２是常数，它是由实验整定的最佳慢速加料时间；Ｗｇ（是第（ｋ＋１）次快速加料预测给定值。１ｋ＋１）

３．３

数字滤波

数字滤波有硬件的功效，但却不需要硬件投资。

由于软件算法的灵活性，其效果往往是硬件电路所达不到的，它的不足之处是要占用ＣＰＵ资源。本系统的模拟板单独使用一块ＣＰＵ有利于处理数字滤波、非线性修正、传感器掉线检测以及修正传感器激励源电压变化对采集信号的影响等方面。干扰信号分周期性和随机性两种，采用积分时间为２０ｍｓ整数倍的双积分型Ａ／Ｄ变换方式，能有效地抑制５０Ｈｚ工频干扰。对于非周期性的随机干扰，常采用数字滤波方式来抑制。数字滤波算法有程序判断滤波、中值滤波、算术平均滤波、去极值平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波及低通滤波等。ＷＹ２００６采用低通滤波算法。

４结语

经过系统研发及产品长期现场运行，得出如下

３

３．１

软件设计策略

软件去皮及误差补偿

皮重即配料计量秤在配料开始前已具有重量。由于物料具有一定的粘性或秤斗出现一些死角，秤斗会存在一些黏附物质。配料系统中对皮重允许有

结论：

（１）系统采用多ＣＰＵ分级控制，优点是编程方便快速，少嵌套。（２）传感器测得的小信号经过仪用放大器、巴特沃滋滤波器后，模拟信号变得稳定精确。

（３）采用高精度多路模拟开关ＩＳＬ４３７４１ＩＲ使得切换电压小信号成为可能，并且放大滤波采集电路分时复用使得电路板面积缩小，成本降低。

（４）本文给出的动态定量称重螺旋加料控制方法采用“先快后慢、最后点动”并引入自校正预测控制算法，较好地解决了动态定量称重精度和速度的矛盾。

参考文献：

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［４］张迎新，雷文，姚静波．Ｃ８０５１Ｆ系列ＳＯＣ单片机原理及应用［Ｍ］．

北京：国防工业出版社，２００５．

■

一定范围，若超过范围则认为皮重超重错误，须人工

或自动进行去皮重操作。考虑到自动配料过程中皮重不可避免，因此在每一次配料开始时均须测量皮重，再根据皮重值修正配料要求的最终值，最终测得称量时再将其去除。

３．２数字信号的输入输出方法

干扰信号多呈毛刺状，作用时间短。利用这一特点，在采集或输出数字信号时，多次重复采集或重复输出。连续两次或两次以上采集结果完全一致，方为采集信号有效。若多次采集后，信号总是变化不定，可停止采集，给出报警信号。由于数字信号只是１和０的变换，所以对这些信号不能采用多次平均方法，必须绝对一致才行。重复输出周期尽可能短些，外部设备接受到一个被干扰的错误信息后，还来不及做出有效反应，一个正确的输出信息又到来，可以及时防止错误动作的产生。

自动化与仪表２００７（１）４７