基于計(jì)算機(jī)控制的飼料稱重配料系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用

周穎琦

（河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450008）

配料是按照飼料配方的要求應(yīng)用特定的配料裝置，準(zhǔn)確稱量不同的飼料原料。配料是飼料生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。過(guò)去主要由人工完成飼料配料工作，根據(jù)需求手動(dòng)操作各種配料，依據(jù)電子秤反饋的重量數(shù)值添加或停止。由于許多人為因素、非人為因素的影響，不利于飼料生產(chǎn)工藝的順利進(jìn)行，容易出現(xiàn)配料不準(zhǔn)確等問(wèn)題。并且在密閉環(huán)境中加工飼料，工作人員長(zhǎng)時(shí)間吸入異味，可能會(huì)出現(xiàn)惡心、頭暈等不良反應(yīng)。改進(jìn)飼料配料稱重方式，提升配料自動(dòng)化水平，對(duì)提高飼料生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率有重要意義，也是現(xiàn)代飼料加工發(fā)展的方向。配料秤是配料裝置的核心設(shè)備。配料質(zhì)量受配料秤的直接影響。通常對(duì)配料秤的性能進(jìn)行評(píng)定，通過(guò)配料精度來(lái)衡量。配料精度反映了配料系統(tǒng)的誤差，實(shí)際上描述的是稱量結(jié)果接近實(shí)際值的程度。在飼料配料稱重環(huán)節(jié)，控制儀表用計(jì)算機(jī)控制代替，能自動(dòng)補(bǔ)償稱量誤差，提升配料精度，滿足準(zhǔn)確性的要求。計(jì)算機(jī)控制也方便人機(jī)對(duì)話，利用顯示器、鍵盤(pán)等對(duì)工藝設(shè)定進(jìn)行檢查和修改，設(shè)置合理的參數(shù)，及時(shí)診斷報(bào)警故障。并且計(jì)算機(jī)控制能對(duì)稱重配料的生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視。使用計(jì)算機(jī)也可以自動(dòng)完成統(tǒng)計(jì)工作，利用管理程序及時(shí)打印生產(chǎn)報(bào)表，為使用者提供參考。應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制飼料稱重配料系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的科學(xué)管理有積極作用，可以有效減少原料不必要的消耗。

1 基于計(jì)算機(jī)控制的飼料稱重配料系統(tǒng)工藝要求及設(shè)計(jì)思想

1.1 工藝要求 以計(jì)算機(jī)控制為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)飼料稱重配料系統(tǒng)，要達(dá)到良好的配料效果需要滿足以下要求：首先，計(jì)算機(jī)控制飼料稱重配料系統(tǒng)，需要能準(zhǔn)確、快速的稱量飼料原料，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，與生產(chǎn)要求相符合（鄭海英，2018）。其次，系統(tǒng)要有良好的適應(yīng)性，能滿足不同的工藝形式，適應(yīng)環(huán)境變化，以及多配比、多品種的生產(chǎn)要求。最后，系統(tǒng)在保證配料精度的基礎(chǔ)上要方便后續(xù)維修，使用可靠性高，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)化。

1.2 設(shè)計(jì)思想 本文研究計(jì)算機(jī)控制飼料稱重配料系統(tǒng)，有快稱也有慢稱，目的是提升稱量精度及生產(chǎn)效率。料倉(cāng)慢稱下，小流量的方式出料（倪瑞等，2019）。料倉(cāng)快稱下，大流量的方式出料。零點(diǎn)跟蹤電子秤，補(bǔ)償前置放大器與傳感器的零點(diǎn)漂移。

受各種因素的影響，實(shí)際的配料稱重過(guò)程要求目標(biāo)值與實(shí)際稱量值存在偏差問(wèn)題。超過(guò)一定值的正向偏差就是超稱。要控制實(shí)際配比誤差，將其限制在允許范圍內(nèi)，卸料時(shí)需要注意減量。稱量不足就是負(fù)向偏差超過(guò)一定值，需要將稱量值補(bǔ)足，繼續(xù)稱量直到達(dá)到要求（關(guān)立風(fēng)等，2018）。為提升下一秤的稱量精度，應(yīng)用線性誤差跟蹤法，能對(duì)下一次稱量提前量進(jìn)行自動(dòng)修正。

秤斗和料倉(cāng)存放有不同的物料品種，物料可能出現(xiàn)滯留的問(wèn)題，主要是由于物料容易結(jié)塊，要解決這一問(wèn)題需要考慮相應(yīng)的設(shè)計(jì)，要求系統(tǒng)監(jiān)督容易結(jié)塊的物料。以適宜的流量為準(zhǔn)，如果流量不足，系統(tǒng)可以及時(shí)報(bào)警，破空抖動(dòng)。

飼料配料中，混料和出料需要較長(zhǎng)的時(shí)間，混料進(jìn)入混合機(jī)后下一次稱量相應(yīng)開(kāi)始，從而提高生產(chǎn)效率。

2 基于計(jì)算機(jī)控制的飼料稱重配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 如下圖1 所示，使用IBMPC/AT微型計(jì)算機(jī)，為控制系統(tǒng)主機(jī)。允許多任務(wù)操作。用戶區(qū)內(nèi)存為640K。計(jì)算機(jī)可以插入PC/AT 選件板、PC 選件板，擴(kuò)充槽有8 個(gè)，主機(jī)使用2 個(gè)，用戶可使用其他6 個(gè)。擴(kuò)充槽可以互換使用，結(jié)構(gòu)為AT 總線結(jié)構(gòu)。可以連接I/O 卡、A/D 轉(zhuǎn)換板等。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，中心為計(jì)算機(jī)。

2.2 系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)

2.2.1 A/D 轉(zhuǎn)換接口 應(yīng)用高精度的ADC1210實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換，其為12 位A/D 片子，利用模擬輸入通道，可以轉(zhuǎn)換輸入通道上的模擬量，使其成為12 位的二進(jìn)制數(shù)字量。A/D 轉(zhuǎn)換板為12 位數(shù)字量輸出，16 路模擬通道。ADC1210 的輸入通道只有一個(gè)，使用多路模擬開(kāi)關(guān)的方式，解決輸入16個(gè)模擬量的問(wèn)題。16 路模擬通道，使用八路模擬開(kāi)關(guān)電路CD4501 兩片。前置放大器連接A/D 轉(zhuǎn)換板。使用IC7652 構(gòu)成，與理想運(yùn)算放大器接近。溫度穩(wěn)定性很好，并且輸入失調(diào)電壓很低。使用電阻應(yīng)變式拉壓傳感器BHR 型，作為系統(tǒng)的稱重傳感器。

2.2.2 輸出輸入接口 應(yīng)用MS4201 型120 路開(kāi)關(guān)量I/O 接口板，為系統(tǒng)的輸出輸入接口?？傮w上可以滿足40 個(gè)開(kāi)關(guān)量回答信號(hào)，作為系統(tǒng)輸入接口，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行判斷。輸出接口中驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)有80 路開(kāi)關(guān)量。與固態(tài)繼電器連接，采取光電隔離電路，對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)作執(zhí)行進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。遠(yuǎn)距離控制各路控制信號(hào)。采取光電隔離方式，模擬屏、顯示器可以直接顯示整個(gè)配料過(guò)程，具有良好的抗干擾性，并且無(wú)噪聲（王均斌，2019）。方便使操作人員操作。為提高環(huán)境的適應(yīng)性，用雙屏蔽控制電纜為控制線，使用密封插件焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行接線，即使是粉塵較大的環(huán)境，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2.2.3 定時(shí)電路 數(shù)據(jù)選擇器74LS153、可編程計(jì)數(shù)器74LS161 組成出料、混合的定時(shí)電路。由編程確定出料時(shí)間、混合時(shí)間，可以根據(jù)飼料生產(chǎn)要求任意搭配，定時(shí)時(shí)間為10 ～160 s。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 為方便人機(jī)對(duì)話、容易編程，應(yīng)用BASIC 語(yǔ)言編制為管理軟件。管理軟件和控制軟件共同構(gòu)成系統(tǒng)的軟件部分。管理軟件可以實(shí)現(xiàn)表格處理、數(shù)據(jù)計(jì)算、系統(tǒng)初始化等。應(yīng)用80286 匯編語(yǔ)言編制為控制軟件，可以相互嵌套兩種語(yǔ)言，互相調(diào)用，并且執(zhí)行速度快。

圖2 軟件總體框架

2.3.1 初始化模塊 初始設(shè)定值由人機(jī)對(duì)話選擇，包括混合時(shí)間、混合容量、配方、出料時(shí)間等。同時(shí)對(duì)各種物料稱量的目標(biāo)值及稱量的關(guān)門(mén)值進(jìn)行計(jì)算。修正初始配方的容量。

2.3.2 增量型稱重模塊 向秤斗里連續(xù)給料，這一過(guò)程就是稱量過(guò)程。停止給料的標(biāo)準(zhǔn)為各種物料的關(guān)門(mén)值等于稱量值。經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)，秤斗為全部原料，對(duì)實(shí)際稱重值檢測(cè)（劉艷榮，2020），計(jì)算稱重誤差，由此可以作為自動(dòng)修正下次稱量提前量的參考。

2.3.3 累計(jì)型稱重模塊 對(duì)每種原料進(jìn)行稱重，前一種完成后對(duì)繼續(xù)稱重的關(guān)門(mén)值、目標(biāo)值進(jìn)行修正。依據(jù)下一種原料的關(guān)門(mén)值、稱量值繼續(xù)修正。對(duì)每種原料的稱量誤差、實(shí)際稱重值進(jìn)行記錄計(jì)算。如生產(chǎn)某種飼料，在配料環(huán)節(jié)中，8 種原料混合組成飼料，嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行配料。第一種料配料，達(dá)到給定量。停止喂料。然后第二種料開(kāi)始配料，直到完成8 種。全部配料結(jié)束應(yīng)用計(jì)算機(jī)檢測(cè)混合料。要料信號(hào)出現(xiàn)后向飼料混合機(jī)送料。給輸送機(jī)、電磁閥發(fā)送指令，一個(gè)配料周期結(jié)束，模擬屏相應(yīng)指示燈變亮，上述工作過(guò)程由計(jì)算機(jī)不斷重復(fù)，原料超過(guò)給定范圍時(shí)，為保證固定的配比，計(jì)算機(jī)對(duì)原料進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

2.3.4 減量型卸料稱重模塊 飼料配料稱重結(jié)束后，對(duì)原料的減量卸料關(guān)門(mén)值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)時(shí)間順序打開(kāi)秤斗，然后卸料。秤斗里留的原料重量等于關(guān)門(mén)值，卸料工作停止。對(duì)實(shí)際卸料值進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算卸料稱重誤差，進(jìn)行相應(yīng)的處理。原料稱重時(shí)存在超稱的問(wèn)題，采取減量型的方式進(jìn)行卸料，開(kāi)展超稱處理工作。秤斗內(nèi)會(huì)殘留部分原料，從而控制實(shí)際卸料量在允許的誤差范圍。下一次稱量的預(yù)稱值即為秤斗內(nèi)的殘留原料。多倉(cāng)一秤配料系統(tǒng)適用累計(jì)型稱重模塊。一倉(cāng)一秤配料系統(tǒng)適用減量型卸料稱重模塊、增量型稱重模塊。

3 提升飼料配料稱量精度的策略

3.1 動(dòng)態(tài)提前量跟蹤 原料稱量結(jié)束后，對(duì)秤斗中原料的重量進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，同時(shí)比較飼料生產(chǎn)要求的目標(biāo)值，明確誤差。在下一次測(cè)量關(guān)門(mén)值補(bǔ)償此誤差，為下一次稱量提供參考，減少接下來(lái)的誤差。許多因素會(huì)對(duì)提前量產(chǎn)生影響，如機(jī)電設(shè)備的疲勞程度、氣動(dòng)關(guān)門(mén)裝置的壓力、物料的流動(dòng)性、料位高低、稱量裝置的結(jié)構(gòu)等。這些因素只要是緩慢變化的，就可以有效使用提前量跟蹤法提升配料稱量的可靠性。

3.2 采用變速稱量法 為提升飼料配料的稱量精度，可以采取減小配料流量的方式，這種方法雖然有效，但會(huì)降低生產(chǎn)效率，增加配料稱重的時(shí)間。變速稱重法是一種良好的方式，開(kāi)始時(shí)采取高速喂料的形式，隨著配料到達(dá)一定的程度采取低速的方式喂料（吳峰等，2018）。這種方法不僅可以提升稱量精度，也能保證生產(chǎn)效率。

3.3 多電源供電 由于電源負(fù)載的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，為避免這種相互影響，對(duì)于A/D 轉(zhuǎn)換板、前置放大器，采取單獨(dú)供電的形式，對(duì)于數(shù)字接口電路公用一組直流電源。

3.4 采樣頻率為工頻的整數(shù)倍 為有效消除工頻干擾，使工頻電壓與采樣時(shí)間保持同步，形成固定的工頻干擾大小，并作為稱量的零點(diǎn)值。如果要進(jìn)一步消除工頻干擾，可以將A/D 轉(zhuǎn)換板、前置放大器單獨(dú)供電，使用精密穩(wěn)壓電源。具體要根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用，綜合考慮性價(jià)比。

3.5 多次核實(shí)稱量值 關(guān)門(mén)值比稱量值更小時(shí)，對(duì)稱量值要反復(fù)核實(shí)。進(jìn)入程序連續(xù)3 次，并都是同樣的結(jié)果，可以認(rèn)為稱重有效。

3.6 充分利用A/D 轉(zhuǎn)換的電壓范圍 為降低A/D 轉(zhuǎn)換的相對(duì)誤差，可以使被轉(zhuǎn)換的摸擬電壓最大化，盡量提升前置放大器的電壓放大倍數(shù)。

3.7 斷電保護(hù)措施 電源是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)操作的基礎(chǔ)，出現(xiàn)斷電時(shí)，計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)保存主要參數(shù)。來(lái)電后依據(jù)參數(shù)特征繼續(xù)執(zhí)行相關(guān)操作。

3.8 自檢電路 原料稱重每次采樣時(shí)對(duì)A/D 板上的標(biāo)準(zhǔn)電壓源先采樣。在允許范圍內(nèi)的電壓值被認(rèn)為正常工作。不在允許范圍內(nèi)的電壓值判斷出現(xiàn)故障，停止稱重操作。計(jì)算機(jī)發(fā)出指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要及時(shí)返回信息。如果出現(xiàn)故障會(huì)立即報(bào)警，系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)。

4 總結(jié)

總之，畜牧業(yè)的發(fā)展需要大量的飼料，飼料企業(yè)要提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本才能獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，提升經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)化生產(chǎn)是飼料生產(chǎn)的重要趨勢(shì)，加快改進(jìn)飼料生產(chǎn)技術(shù)，改造生產(chǎn)設(shè)備對(duì)飼料生產(chǎn)有重要意義。飼料配料稱重是飼料生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，本文采用模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)飼料稱重配料系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)控制稱重配料。配料系統(tǒng)有零點(diǎn)跟蹤、提前量跟蹤、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N方法，可以強(qiáng)化稱重管理，有效提升配料精度，提高生產(chǎn)效率。