【文章內(nèi)容簡介】 不僅是提供重量數(shù)據(jù)的儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，更加推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和管理的現(xiàn)代化。 皮帶配料系統(tǒng) 作為一種動(dòng)態(tài)衡器，已經(jīng)廣泛用于工礦企業(yè)、交通運(yùn) 輸、冶金、化工、建材等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的配料中，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。能否準(zhǔn)確配料已經(jīng)成為影響人們生產(chǎn)生活的一個(gè)重要因素，但是我國現(xiàn)有的這方面的產(chǎn)品少且設(shè)備功能不齊全 、精度不高、工作不穩(wěn)定 。因此，改善現(xiàn)有配料裝置，開發(fā)更精確、更方便的 配料系統(tǒng) 控制器勢在必行。 研究皮帶配料系統(tǒng)的意義 皮帶配料系統(tǒng) 簡稱為 配料系統(tǒng) ，它與 皮帶傳輸系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)原理和組成結(jié)構(gòu)基本相同，不同的是， 配料系統(tǒng) 在 皮帶傳輸系統(tǒng) 的基礎(chǔ)上又增加了 “配料 ” 2 這一功能。 它廣泛用于煤炭、化工、食品加工、建材等行業(yè)的物料配比當(dāng)中，其配料的準(zhǔn)確與否直 接影響著國民生產(chǎn)的各個(gè)部門。 配料系統(tǒng) 的使用可以提高各個(gè)部門的自動(dòng)化水平和各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率 和產(chǎn)品質(zhì)量，從而擴(kuò)大公司的效益 。 在煤炭行業(yè)， 配料系統(tǒng) 用于定量供煤，能否準(zhǔn)確配料直接決定配煤質(zhì)量。在化工行業(yè)， 配料系統(tǒng) 用于多種原材料的定量配比，它可以起到減員增效，節(jié)約成本，減少誤差，從而創(chuàng)造更大的利潤。在食品加工行業(yè)， 配料系統(tǒng) 的使用代替了大量的手工勞動(dòng)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，使得食品加工更方便、快捷。在建材行業(yè)，沙子、粘土、水泥、石灰、石子等物料的混合需要用 配料系統(tǒng) 對(duì)其進(jìn)行定量配比。由 此可見， 配料系統(tǒng) 的應(yīng)用非常廣泛。 目前，配料控制系統(tǒng)己廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，配料控制系統(tǒng)也隨之不斷改進(jìn)。在很多生產(chǎn)工藝過程中，人們除了要求衡器能準(zhǔn)確地進(jìn)行稱量，滿足產(chǎn)品質(zhì)量的需要外，還要求稱重過程能大幅度提高生產(chǎn)效率。尤其是冶金、煤炭、化工、水泥等行業(yè)中，常需要對(duì)散料進(jìn)行皮帶輸送過程中的動(dòng)態(tài)連續(xù)稱量，而且還要對(duì)輸送中的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制、達(dá)到準(zhǔn)確的配比。配料質(zhì)量控制的優(yōu)劣直接關(guān)系著企業(yè)生產(chǎn)能否順利進(jìn)行。如果配制的質(zhì)量達(dá)不到要求，輕則造成原料、能源的浪費(fèi)，重則影響產(chǎn) 品的質(zhì)量和生產(chǎn)率川，并且有些重要生產(chǎn)崗位的配料失誤甚至?xí)o整個(gè)生產(chǎn)釀成事故。因此，配料精度的高低和配料速度的快慢制約著整個(gè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，因此應(yīng)對(duì)配料過程的質(zhì)量和產(chǎn)量控制給予足夠重視。 隨著我國工業(yè)自動(dòng)化程度的提高， 配料系統(tǒng) 將在現(xiàn)在和未來的市場需求中占據(jù)相當(dāng)大的比例。 皮帶配料系統(tǒng) 作為一種新興的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)而越來越受到世界各國的普遍關(guān)注。在西方發(fā)達(dá)國家， 配料系統(tǒng) 的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)完善；而在中國，由于先前的技術(shù)水平落后，這使得積極開發(fā)研制更加精確、方便、可靠、功能更強(qiáng)大的 配料系統(tǒng) 控制器具有重要意義。而且， 中國地大物博、資源豐富，各項(xiàng)工業(yè)生產(chǎn)正在以不可阻擋的勢頭向前發(fā)展?？梢钥吹?， 3 中國廣大的市場為 配料系統(tǒng) 的發(fā)展提供了廣闊的前景。 另一方面，我國目前的主要矛盾是落后的生產(chǎn)力滿足不了人民日益增長的物質(zhì)文化需要。在物質(zhì)方面，我們需要又快又好的生產(chǎn)出我們所需要的物質(zhì)產(chǎn)品，所以我們要進(jìn)行生產(chǎn)自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的快速性與精確性。 綜上所述，我們可以看到配料自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)對(duì)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著很重要的意義，精確的配料技術(shù)不僅可以擴(kuò)大生產(chǎn)量，還可以是生產(chǎn)出來的產(chǎn)品具有很高的質(zhì)量和性能，經(jīng)得起市場的考驗(yàn)，使我們的產(chǎn)品在世界經(jīng)濟(jì) 市場上更具有競爭力。 配料系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 根據(jù)最新 配料系統(tǒng) 國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定， 皮帶配料系統(tǒng) 是一種連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器。衡器是利用作用于物體上的重力來確定該物體質(zhì)量的計(jì)量儀器，按其操作方式可分為：自動(dòng)衡器和非自動(dòng)衡器。所謂自動(dòng)衡器就是指在稱量過程中無需操作者干預(yù)便能按預(yù)定的處理程序自動(dòng)稱量的衡器。其中，連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器是無需對(duì)質(zhì)量細(xì)分就可對(duì)皮帶上散裝物料進(jìn)行連續(xù)稱量的自動(dòng)衡器。 皮帶配料系統(tǒng) 就是在皮帶輸送物料的過程中同時(shí)對(duì)物料進(jìn)行連續(xù)累計(jì)稱量的一種自動(dòng)衡器。 配料系統(tǒng) 起源于 19 世紀(jì)末，工業(yè)革命以來，各 項(xiàng)新技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，隨著 皮帶傳輸系統(tǒng) 的出現(xiàn)， 配料系統(tǒng) 也應(yīng)運(yùn)而來。最早的 皮帶傳輸系統(tǒng)稱重原理來自于斗式輸送機(jī)對(duì)散狀物料連續(xù)自動(dòng)稱量的裝置。第二次世界大戰(zhàn)之后，隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)的迅猛發(fā)展， 配料系統(tǒng) 的發(fā)展也是突飛猛進(jìn)。 配料系統(tǒng) 的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下四個(gè)階段： 第一階段是上世紀(jì)五、六十年代的純機(jī)械式 配料系統(tǒng) ，普遍采用機(jī)械式、光電式掃描或增量式編碼器等，這一階段的 配料系統(tǒng) 僅具有識(shí)別計(jì)數(shù)和啟動(dòng)功能。 第二階段是六、七十年代的傳感器電子儀表 配料系統(tǒng) ，隨著模擬電路和 4 數(shù)字電路的飛速發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了各種小型化的配料 電動(dòng)儀表。可用儀表來實(shí)現(xiàn)平衡、識(shí)別和累計(jì)計(jì)算等功能。 第三、第四階段是 20 世紀(jì)七十年代末的微機(jī)智能化的 配料系統(tǒng) 。計(jì)算機(jī)首次被引入電子 配料系統(tǒng) ，大大提高了它的集成度。此時(shí)的 配料系統(tǒng) 累計(jì)量運(yùn)算采用累加法代替了積分法。 第一、二階段的 配料系統(tǒng) 只能進(jìn)行簡單的測量、累計(jì)計(jì)算，而且準(zhǔn)確度不高，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的變化不可控制，因此其計(jì)量過程準(zhǔn)確度低，動(dòng)態(tài)性能差，缺乏穩(wěn)定性。而第三、四階段的 配料系統(tǒng) 控制器集合了微機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代計(jì)量技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)控制等技術(shù)，不僅增強(qiáng)了計(jì)量的準(zhǔn)確性，而且對(duì)其在計(jì)量過程中出現(xiàn)的問題 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和控制，同時(shí)，儀表的顯示、報(bào)警、調(diào)零等功能的自動(dòng)控制也越來越完善。而通訊技術(shù)的發(fā)展更是增強(qiáng)了儀表的遠(yuǎn)程維護(hù)診斷與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋? 在自動(dòng)配料系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì)方面，歐美發(fā)達(dá)國家的起步較早，而當(dāng)時(shí)的中國在清政府的統(tǒng)治下，采取閉關(guān)鎖國的外交政策，使得我國沒有及時(shí)的引進(jìn)這些先進(jìn)技術(shù)。鴉片戰(zhàn)爭以后，我國一些先進(jìn)知識(shí)分子開始意識(shí)到西方科學(xué)技術(shù)的強(qiáng)大，漸漸摘掉了夜郎自大的眼睛，放眼看世界，開始在西方列強(qiáng)的壓迫下摸索前進(jìn)。 新中國成立后，政府高度重視科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。我國的科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，不斷地克服技術(shù)上的難題 。其中配料控制系統(tǒng)作為一個(gè)在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域方面都有其重要作用關(guān)鍵環(huán)節(jié)更是取得了很大成就。 配料系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)原有配料系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)方面改進(jìn)已經(jīng)成為必然的趨勢，提出了通過數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)視、報(bào)警、運(yùn)行管理、變頻調(diào)速等多方面的技術(shù)改進(jìn)方法。在生產(chǎn)任務(wù)繁重的時(shí)候，要求系統(tǒng)能夠加快生產(chǎn)速度，集中控制電機(jī)的啟動(dòng)、瀏覽生產(chǎn)工業(yè)流程圖、作出事故報(bào)警響應(yīng)、調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度等功能，實(shí)現(xiàn)所需功能的集中控制，這 5 就要求系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，并且實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。 第一， 大規(guī)模集成芯片的產(chǎn)生和廣泛應(yīng)用使得穩(wěn)定安全的控制系統(tǒng)得到了基本的保證，但是在一些嚴(yán)酷的環(huán)境下，系統(tǒng)故障還是時(shí)常發(fā)生，導(dǎo)致我們生產(chǎn)出來的產(chǎn)品會(huì)因?yàn)橥饨鐢_動(dòng)配料失調(diào)而不合格，所以系統(tǒng)在惡劣環(huán)境的抗干擾能力有待提高。 第二，在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中尤其是化學(xué)工藝中，對(duì)物料的配料精度有著極高的要求，一般的配料自動(dòng)控制系統(tǒng)很難滿足要求，需要開發(fā)高精度高靈敏度的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)這類一行業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化。對(duì)于這一點(diǎn)，我們除了在硬件方面采取一些措施，選擇性能較高的元器件：也可以在軟件編程上面下功夫。 第三，現(xiàn)代的工業(yè)自動(dòng)化雖然給我們的生產(chǎn)生 活帶來了極大的便利，但與此同時(shí)對(duì)環(huán)境也產(chǎn)生了不良影響，我們需要在生產(chǎn)過程中采用一些手段使得我們的生產(chǎn)更環(huán)保、更節(jié)能，認(rèn)真貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 通過以上的分析，可以看到配料自動(dòng)控制系統(tǒng)還要經(jīng)過一些完善，具有很深刻的研究意義。 6 第 2 章 配料自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 配料自動(dòng)控制系統(tǒng)可控直流源的選擇 直流調(diào)速的主要方法是變壓調(diào)速：即通過改變直流電機(jī)的電樞電壓來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。 調(diào)節(jié)電樞電壓常用的可控直流源有三種 [1]： 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組； 靜止式可控整流器； 直流斬波器或脈寬調(diào)制 器。 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組是至少要包含兩臺(tái)與調(diào)速電機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還需要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多，體積龐大，費(fèi)用高，不便于維護(hù)，運(yùn)行噪聲大。早已經(jīng)被淘汰。這里主要對(duì)比后兩種方案。 配料自動(dòng)控制系統(tǒng)可控直流源的方案比較 方案一：靜止式可控整流器 1957 年，晶閘管問世，很快便生產(chǎn)出整套的晶閘管整流裝置，使變流技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。 通過調(diào)節(jié)閥裝置的控制電壓 cU 來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓 dU ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都很大提高，而且在技術(shù)性能上也現(xiàn)實(shí)出較大的優(yōu)越性 [2]。 三相半波可控整流電路使用的晶閘管個(gè)數(shù)只是三相全控橋整流電路的一半，但它的性能不及三相全控橋整流電路。三相全控橋整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動(dòng)小，適合直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，并且該電 7 路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣（將近 50）。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。 但是 VM系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)還有很多的缺點(diǎn) ： 由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，要?shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，必須采用正、反兩組全控橋整流電路； 晶閘管對(duì)過電壓和過電流十分敏感，因此必須有可靠地保護(hù)電路和符合要求的散熱條件； 當(dāng)系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，晶閘管的導(dǎo)通角度很小，系統(tǒng)功率因數(shù)低，會(huì)產(chǎn)生很大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓的畸變。因此， VM系統(tǒng)必須添加無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。 方案二：直流斬波器 通過 PWM 方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。 PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相 等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用， PWM 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM控制技術(shù) [3]。 PWM 控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為 PWM 控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 8 配料自動(dòng)控制系統(tǒng)可控直流源的方案確定 PWM 系統(tǒng)相對(duì)于 VM 系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn) [4]： 主電路簡單，需要用的電力電子器件少； 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱功率都很??； 低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬； 若與快速響應(yīng)的 電機(jī)配合，系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)； 電力電子器件導(dǎo)通損耗小，裝置效率高； 直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 由于本設(shè)計(jì)所要控制的電機(jī)要求響應(yīng)速度快，基于以上優(yōu)點(diǎn)，所以系統(tǒng)就是利用脈寬調(diào)制器這種控制方式來改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。論文中采用了專門的芯片組成了 PWM 信號(hào)的發(fā)生系統(tǒng)，然后通過控制直流電機(jī)電路中的 IGBT 來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用旋轉(zhuǎn)編碼器測得電機(jī)速度，同時(shí)利用霍爾式電流傳感器取得到電流信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為合適的電壓信號(hào)，把電壓信號(hào)輸入給 A/D 轉(zhuǎn)換芯片再送 給給單片機(jī)，在內(nèi)部通過軟件編程進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)速控制。 直流調(diào)速系統(tǒng) PWM 電路方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)一個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)皮帶傳輸系統(tǒng)所測得的物料重量來調(diào)節(jié)上一級(jí)傳輸皮帶的物料傳輸速率，即控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制皮帶傳輸系統(tǒng)上物料重量的目的。由于系統(tǒng)僅需要控制皮帶傳輸加減速，不需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)、四象限運(yùn)行，固選擇有制動(dòng)電流通路的不可逆 PWM變換器即可。 不可逆 PWM 變換器 電樞平均端電壓為： 9 ssond UUTtU ??? （ 21） ρ = dU / sU 定義 PWM 電壓的占空比，改變?chǔ)眩?10 ??? ）即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)工作于電動(dòng)、制動(dòng)和停止運(yùn)行。 PWM 變換器控制方案選擇 采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同 .PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開 關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制 ,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形 .按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率 [5]。 硬件調(diào)試法： 硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形 .通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是 SPWM 波形 .其實(shí)現(xiàn)方法簡單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正 弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)