VI摘要隨著科研投資的增長，自動控制技術在工業(yè)制造中扮演著日益重要的角色，極大地推動了經濟進步。傳統(tǒng)配料作業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)，如長時間配料、低精度、管理復雜混亂以及信息交流不暢等。對于那些配方蘊含高商業(yè)價值的企業(yè)，若保密措施不到位，可能導致嚴重的經濟損失。本研究以貴州一家酒廠的自動化配料系統(tǒng)項目為實例，根據(jù)釀酒工藝及配料標準，提出全面的生產解決方案。立足于實際的釀造配料流程，設計了雙層稱重配料平臺。考慮到操作環(huán)境，我們選擇了由PLC和上位機構建的兩級計算機系統(tǒng)來執(zhí)行全部生產控制任務。S7-200smart被選為核心控制器，以滿足特定需求。通信方面，利用工業(yè)以太網(wǎng)和RS-485總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制指令的設定。上位機通過wincc和西門子1000IE觸摸屏的組態(tài)編程，實現(xiàn)了生產過程的可視化和自動化。整個配料系統(tǒng)遵循模塊化設計理念，設備具有高度的穩(wěn)定性。硬件主要包含稱重模塊、供電系統(tǒng)、變頻調速裝置、料位檢測、執(zhí)行機構等組件。本研究根據(jù)配料流程和指標，對進料、出料的動態(tài)過程進行了定性分析，明確了影響精度的關鍵因素。結合常規(guī)給料算法，我們設計了一套高精度控制策略，其中進料的滴定階段采用動態(tài)抖動技術，而出料的精細配比階段則運用迭代控制預測剩余物料，并針對實際存在的電磁兼容問題提出了硬件和軟件的解決辦法。該配置體系已正式啟用，并展現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性。其特性包括簡便的操作流程、高精準的配料控制、安全的配方存儲機制、故障智能識別、電源中斷保護、持續(xù)穩(wěn)定的運行狀態(tài)、以及低噪音的運行周期。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了配料流程的全面監(jiān)控與精確調控，顯著提升了配料效率，還成功地迎合了客戶需求。此外，本系統(tǒng)的普適性強，只需少量調整，即可適應各種不同的產品釀造過程，具有極大的實踐價值，為同類企業(yè)樹立了優(yōu)秀的參考樣本。關鍵詞：PLC；串口通信；變頻調速；動態(tài)抖動；迭代控制

第1章緒論1.1研究背景自從進入21世紀以來，科技進步引領著工業(yè)革命的步伐，德國早在2013年提出工業(yè)4.0時代，但作為發(fā)展中國家的我國，不要說工業(yè)4.0了，絕大部分工業(yè)還是徘徊在工業(yè)2.0-3.0之間，尤其是在化工、農業(yè)加工、電氣自動化等關鍵領域，我國與發(fā)達國家的差距更為明顯。例如國外基于plc的自動配料系統(tǒng)發(fā)展迅速，目前已經成為有效的自動化控制系統(tǒng)，并且得到大規(guī)模應用，而在我國應用率并不高。然而，隨著技術的發(fā)展，配料設備被賦予了新的性能指標，如高效、精準、低噪音以及更符合人性化操作。因此，優(yōu)化配料策略成為了提高生產效率的關鍵，同時保護商業(yè)秘密也顯得尤為重要[2]。對于那些依賴核心配方的企業(yè)而言，傳統(tǒng)的配料方法難以確保保密性，一旦配方泄露，可能會帶來重大的經濟損失。如果配料過程完全依賴人工，可能會導致技術人員的寶貴時間被浪費在基礎操作上，這顯然不符合資源最優(yōu)化利用的原則。因此，尋求創(chuàng)新的配料解決方案，既能提升生產效率，又能保障商業(yè)機密，是當前亟待解決的問題。1.2研究意義綜述而言，智能化的釀造配料系統(tǒng)依據(jù)預設配方比例，在配料平臺上執(zhí)行精確的物料投放、稱重、混合及成品產出，嚴格符合精度誤差規(guī)定。借助上位機的圖形界面，用戶能清晰掌握系統(tǒng)的運行狀況，并實現(xiàn)自動料位監(jiān)測。遇到故障時，系統(tǒng)能提供可視化警告，以便及時應對，簡化了用戶的系統(tǒng)維護工作。自動配料系統(tǒng)不僅解決了配料速度的問題，還顯著提升了混合比例的精確度，允許用戶僅通過上位機的簡單操作就能完成全部生產流程，實現(xiàn)了全程自動化。對企業(yè)而言，這一系統(tǒng)帶來了諸多優(yōu)勢：首先，它顯著縮短了配料時間，自動配料的產能遠超人工操作，減少了物料搬運、稱重和混合的人力需求，只需將原料存入倉庫，系統(tǒng)會按照編程指令自動操控[3]。其次，對于需即時配料的原料，設備能即用即停，有效降低了配料成本。再者，考慮到保密性，該系統(tǒng)可設定多重加密算法，保護配方安全，大大降低了配方泄露的風險和不確定因素引發(fā)的潛在損失。第2章釀造過程配料系統(tǒng)總體設計2.1配料控制系統(tǒng)設計要求在釀制過程中，我們選用的是高價位的德國原裝麥芽，其成本高昂。任何配料比例的失誤都將引致后續(xù)釀造工序的全面失利，進而造成批量原料報廢，對客戶造成顯著的財務損失。因此，系統(tǒng)的穩(wěn)定性是核心關注點，必須確保在驗收階段能連續(xù)50次無誤運行。配料比例蘊含著巨大的商業(yè)機密，一旦泄露，可能引起激烈的市場競爭，導致經濟損失[4]。因此，配方保護措施嚴密，僅授權的技術人員有權查閱和管理配方。同時，為防止工作人員通過解析傳感器的重量信息、辨識谷物類型或中斷生產流程等方式破解配方，也采取了相應的防范措施。2.2系統(tǒng)總體結構設計該配料體系由操作工作站、控制柜及配料平臺（生產線）三大組件協(xié)同運作。整體架構示意如圖2-1所示：操作工作站：全部配料活動在上位機上執(zhí)行，它加載關鍵的生產參數(shù)到控制器，控制器據(jù)此執(zhí)行相應動作。同時，上位機接收下位機的重量計量信息，用于數(shù)據(jù)展現(xiàn)、管理、儲存，以及實時顯示設備運行狀況和原料庫存，工作人員據(jù)此提示可及時補給原料，確保原料供應不斷檔?？刂乒瘢浩渲饕δ苁菍崿F(xiàn)全系統(tǒng)的控制輸出，由調速單元、控制器和數(shù)據(jù)收集模塊構成。(1)變速組件：依據(jù)控制器的特定控制策略，于物料輸送階段調整進料速率，確保系統(tǒng)能執(zhí)行精確的配料操作。(2)處理單元：解析來自上級設備的指令信號，通過調控裝置來操作給料設備的啟動、停止、高速、低速以及瞬時運行，以適應各種流量需求的給料方式。通過收集數(shù)據(jù)采集模塊的資料，選取適用的控制策略，實現(xiàn)完整的配料工序。該控制器還能監(jiān)控外部硬件狀態(tài)，觸發(fā)如緊急停止、低料位警告等控制行為[5]。(3)信息采集單元：負責收集重量數(shù)據(jù)和料位等相關信息。配料工作站：包含上料設備、稱重支架、卸料裝置和傳感器等，其功能在于執(zhí)行麥芽原料的精確稱量配料及生成制品料的作業(yè)。圖2-1系統(tǒng)總體結構圖2.3配料工藝方案設計2.3.1給料方案設計由于其持續(xù)的振動，物料前進的狀態(tài)類似波浪形運動。在設計過程中，應使激勵頻率接近或等同于喂料機的自然頻率，這樣能引發(fā)共振現(xiàn)象，從而提高喂料效率，同時降低能耗。優(yōu)點主要有：（1）具備平順的振動性能，能夠均勻分配物料，設備調整到位后，操作簡便，可輕松實現(xiàn)無級變速，適應不同重量物料的處理需求。（2）在喂料結束后，振動的停頓不會導致過多的物料過?，F(xiàn)象。（3）該設備摒棄了傳統(tǒng)的傳動裝置，完全依賴能量傳遞方式運行，因此無需定期進行潤滑維護。然而，其不足之處主要包括：（1）對負荷的變化反應靈敏，調試過程相對復雜。（2）噪音問題顯著，偶爾伴有劇烈的沖擊聲。（3）對使用環(huán)境條件有較高標準，安裝難度較大。圖2-2電磁振動給料機原理圖螺旋輸送機的操作原理是利用螺旋葉片促使固態(tài)顆粒原料進入稱重設備，設備自身的機械振動微小，安裝便捷，只需將其安置于水平地面上并固定，即可確保料倉穩(wěn)定運行。運行噪音低，工作時聲音不大，不會造成明顯的噪音困擾。雖然螺旋輸送方式相對于電磁輸送在物料分布均勻性上稍遜一籌，停機后可能出現(xiàn)瞬時過量輸送的問題，但隨著現(xiàn)代驅動技術的發(fā)展，已能找到有效的控制策略，以適應不同流量的調控需求。圖2-3螺旋給料機結構考慮設備的應用環(huán)境、造價成本、加料的方便性、安裝難易、以及整個生產線的高度等因素。本設計采用螺旋給料機做為釀酒糧食配料系統(tǒng)的上料裝置，完成整個系統(tǒng)的上料任務。圖2-4螺旋給料機2.3.2配料稱重平臺設計稱重技術主要包括兩種策略：減量式和增量式。減量式方法涉及使用螺旋輸送機將原料送入特定的稱重容器。依據(jù)預設重量，原料從倉庫釋放，通過導向槽進入混合設備，直至重量匹配預設值時迅速關閉閥門。此法需為每種物料配置獨立的電子秤，若混合物料種類繁多，則成本高昂，并且安裝空間需求較大。此外，減量式對閥門的關閉速度敏感，要求快速操作以防止過量。然而，該方法在輸送物料時能保持穩(wěn)定，避免設備振動[7]。配料平臺的核心功能包含：1、實施對所有種類麥芽原料精確的重量分配；2、確保混合均勻后按照規(guī)定量進行釋放；圖2-5配料平臺在計量方法上，對漸增法進行了優(yōu)化調整，步驟如下：初次測量后避免立即卸料，而是先評估第二類物料的重量加上倉內現(xiàn)有重量是否超出80公斤的安全稱重界限。如果未超過，則繼續(xù)加載物料，此操作既能實現(xiàn)預混合，又能起到安全防護作用。卸料則運用減量法，通過在攪拌筒側壁設置排放口，并利用執(zhí)行器控制閥門開啟以實現(xiàn)物料的排出。兩級計量的優(yōu)勢還在于能實現(xiàn)小重量的精確稱量，提高整體稱重精度。如此布局可保護傳感器免受運行過程中的損壞，同時確保傳感器與攪拌倉穩(wěn)定接觸，保證稱量的精確度。針對實際應用環(huán)境可能出現(xiàn)的地基不平導致的設備傾斜問題，設計中在平臺底座的所有接觸點增設可調節(jié)高度的腳座，以便對各部分的高度進行獨立調整。2.4電控系統(tǒng)硬件方案由于PLC具有出色的穩(wěn)定性及強大的抗干擾能力，它在自動化生產環(huán)境中被廣泛應用。故此，我們選擇PLC作為控制系統(tǒng)的核心，來執(zhí)行整個系統(tǒng)的配料控制任務?；诖?，我們構建了如圖2-6所示的硬件電氣控制結構。從該圖中可以清晰地了解到，構建配料電氣控制系統(tǒng)所需的儀表設備與PLC之間的連接配置。圖2-6釀造配料電控系統(tǒng)為了啟用與PLC的通信功能，首步驟涉及將PC上開發(fā)的程序傳輸?shù)接|摸屏設備。觸摸屏配置有符合標準的RJ45以太網(wǎng)端口，這與PLC接口兼容。運用計算機網(wǎng)絡的基本概念，特別是局域網(wǎng)的原理，我們可以配置觸摸屏的網(wǎng)絡設置，以確保它與PLC位于相同的網(wǎng)絡段內。一旦完成這個配置，就能建立起兩者間的通信橋梁。通信建立后，便能通過觸摸屏來修改狀態(tài)標志位、狀態(tài)變量等各類參數(shù)。圖2-7人機界面工作原理系統(tǒng)配置了緊急停止裝置，以應對如電機卡死等突發(fā)異常情況。按下此按鈕后，系統(tǒng)會在保存當前生產數(shù)據(jù)的同時，自動停止設備運行，等待故障排除后即可恢復正常。為了提供清晰的異常警示，我們設置了蜂鳴器，它會與上位機界面協(xié)同工作，向操作人員發(fā)出警告。此外，系統(tǒng)采用五個獨立的料位傳感器，分別置于料倉底部，用以監(jiān)測物料是否充足。一旦料倉內的原料量不足，傳感器將發(fā)送信號至PLC，PLC解析該信號并將其反饋給人機交互界面，同時聯(lián)動蜂鳴器發(fā)出相應的提示[9]。稱重變送器和變頻器都利用RS485與PLC通信，這種485總線具備強大的抗干擾能力和多站連接能力，允許多個設備同時接入。485通信方式是半雙工的，即在同一時點只能進行發(fā)送或接收，將變頻器接入串口，簡化了控制，并且節(jié)約了PLC的外部資源，尤其是INO口，為未來的功能擴展創(chuàng)造了可能性。圖2-8485通訊接口2.5系統(tǒng)軟件方案用戶界面是軟件的核心部分，直接影響到項目的成敗。一個直觀且用戶友好的界面能夠顯著提升工作效能，所以在編程時需注重易用性?？紤]到操作過程中可能出現(xiàn)的誤操作，比如在啟動卸料過程時用戶錯誤觸發(fā)裝料鍵，系統(tǒng)應具備提示功能，確保每個按鈕在正確的時間點啟用。程序結構應力求模塊化和簡潔化，使得操作簡便，便于快速掌握，同時提高開發(fā)效率和后期維護性。需規(guī)劃每個功能的操作流程以及軟件的整體流程，特別是基礎模塊，需要嚴謹?shù)卦O計變量和接口，并提供相應的測試報告[11]。通訊模塊和數(shù)據(jù)處理模塊需要進行性能測試。上位機主要由登錄模塊、系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示、故障診斷提示和參數(shù)設置等構成。下位機則包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制策略、通信模塊、硬件檢測、網(wǎng)絡通信以及輔助模塊等。第五章將深入探討軟件設計的各個方面。圖2-9配料系統(tǒng)軟件框架

第3章釀造過程配料控制3.1螺旋給料機控制已知通過調整螺旋軸的旋轉速度n，可以調控喂料機的供料量。該系統(tǒng)的傳動機構是由電機經由減速器間接驅動螺旋軸，所以需要選用可調速電機以控制供料量。考慮到性價比、耐久性和穩(wěn)定性，三相異步電機是一個理想的選擇，它被廣泛應用于整個配料生產流程。在運行時，三相交流異步電機的轉子軸始終受到阻力矩的作用，導致其運行速度與同步速度存在恒定的差距，正是這種特性使得它被稱為異步電機[12]。3.2上料控制物料裝載系統(tǒng)采取遞增式稱重法，PLC借助變頻器來直接管理螺旋輸送機，向計量筒添加物料。電機停止工作時，由于動態(tài)響應和延遲效應，螺旋管、導向槽及空氣中會有不規(guī)則下落的殘余物料進入計量筒，這部分便是殘余物料。如果能精確預測殘余物料，提前停止裝載，總量就能保持在合理范圍。然而，由于傳動裝置的不確定性及空中物料量的非線性變化，建立數(shù)學模型十分困難，這給預測帶來了巨大挑戰(zhàn)。最終的控制目標是誤差不超過50g，因此，精確預測殘余物料并不實際。因此，我們需要設計一套合理的配料策略，以確保系統(tǒng)能實現(xiàn)精確配料。3.3出料控制根據(jù)實際的控制對象，分析了出料的特點，本文設計了一種合理的出料解決方案，出料過程如圖3-1所示：圖3-1出料過程(1)體系啟動時以最大開口排放物料，持續(xù)至總量達到h1，完成初步的原料混合；(2)粗配完成后，閥門逐漸減小開度，轉為細流配料，直至重量達到h2時，關閉卸料閥。在細流配料的末期，系統(tǒng)進入預估偏差階段。當配料接近尾聲，我們設定控制量，即提前終止量h2，為通過迭代P控制算法計算得出的值。主要挑戰(zhàn)在于準確確定提前停止量，本文利用迭代P控制方法來求得最終的控制參數(shù)。

第4章配料系統(tǒng)硬件設計與調試4.1PLC與觸摸屏選型4.1.1PLC選型采用SiemensS7-200Smart系列作為核心控制組件，構建于控制層之中。該控制器的關鍵組成部分包括CPU、數(shù)字輸入/輸出模塊、信號板端口、RS485通信接口、狀態(tài)指示燈以及電源輸入/輸出設施，如圖4-1所示。這款裝置是西門子基于中國市場調研而研發(fā)出的高性價比和實用性兼?zhèn)涞膭?chuàng)新產品。其獨特優(yōu)勢如下：（1）提供了6種不同類型的CPU模塊，最大I/O點數(shù)可達60點，并且具備快速的內部處理能力。我們選擇了SR40型號，它屬于繼電器控制類別，能有效管理和適應與繼電器相關的接口電路，賦予了系統(tǒng)更高的靈活性。（2）相較于S7-200，SR40CPU增設了信號板，擁有24KB的用戶程序空間和16KB的數(shù)據(jù)存儲空間，使其能夠勝任更為復雜的控制任務。（3）該控制器與西門子的其他產品設備無縫對接，簡化了用戶的選擇過程，促進了自動化產業(yè)的進步，同時為中小型企業(yè)提供了高性價比的解決方案，使用者能獲得顯著的投資回報。（4）控制器具備強大的通訊性能，可通過網(wǎng)絡交換機連接多臺設備，RS485接口支持多種通信協(xié)議，為通信方式提供了更多可能性和靈活性[13]。圖4-1S7-200SMART4.1.2觸摸屏選型本系統(tǒng)采用Siemens1000IE作為配料控制系統(tǒng)的高級終端，它通過以太網(wǎng)接口或RS485串行總線無縫對接PLC。這款創(chuàng)新的SmartPanel繼承了IMATIC的優(yōu)良品質，以其直觀易用和高效功能著稱。用戶不僅可以利用內置的控制工具，還能自由創(chuàng)作獨一無二的圖形用戶界面，配置編程相對C#更為簡易，使得用戶能高效地完成上位機軟件的開發(fā)工作，從而有效地縮減了產品的研發(fā)周期。在工業(yè)控制領域，該產品深受工程師們的青睞。4.1.3以太網(wǎng)通信測試為了實現(xiàn)PLC與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)交互，需經由以太網(wǎng)進行連接。在系統(tǒng)硬件準備階段，首要任務是配置各設備的IP地址。設定PLC的IP地址為192.168.0.120，而1000IE觸摸屏的IP則設定為192.168.0.110。在IP配置時，確保前三段地址相同，且第四段地址需介于1和254之間，避免0（網(wǎng)絡廣播地址）。如此，兩者便能處于相同的網(wǎng)絡環(huán)境中。接下來，對PLC進行編程，利用模擬燈的開閉狀態(tài)進行通信測試。其中，M0.0表示燈亮，M0.1表示燈滅，對應的程序結構如圖2-2所示。完成編程后，進行編譯并下載到PLC，下載成功后，界面上會顯示程序下載完畢的信息，至此，PLC的編程工作告一段落。圖4-2數(shù)據(jù)通信測試程序4.2變頻調速模塊4.2.1變頻器選型變頻器在選型時需要考慮變頻器的使用環(huán)境、成本、品控、體積大小、能否完美適配控制器，本系統(tǒng)選用V20型號6SL3210-5BE21-5UV0變頻器作為變頻裝置用于控制三相異步電機完成給料機的調速任務。圖4-3V20變頻器西門子的V20變頻器是一款專為小型企業(yè)設計的經濟高效解決方案，其在市場的持久應用證明了它的穩(wěn)定性和可靠性。這款變頻器具備出色的抗干擾能力，廣泛的調速范圍，以及平滑的調速性能，同時在節(jié)能方面表現(xiàn)出色。它支持數(shù)字、模擬及485總線輸入控制，能勝任多種控制任務。更重要的是，內置的控制模塊簡化了對電機理論知識要求不高的開發(fā)者的工作，只需根據(jù)具體應用環(huán)境調整相應參數(shù)即可。其主要技術參數(shù)包括220V的交流電源輸入和1.5KW的額定功率[14]。圖4-4V20控制電路4.2.2Modbus協(xié)議變頻器的控制方式涵蓋數(shù)字、模擬及485串行總線控制，其中，系統(tǒng)采納485總線上的Modbus協(xié)議作為數(shù)據(jù)交互的基礎。在產品制造商設計階段，他們往往預設一套專屬的通信協(xié)議，但由于產品種類繁多且研發(fā)人員的習慣各異，缺乏統(tǒng)一的標準，導致多產品互聯(lián)時常出現(xiàn)兼容性問題，每個制造商可能都有獨特的開發(fā)協(xié)議。這使得在選取設備時，多數(shù)情況下需選用同一家的自動化部件，對自動化設備的開發(fā)帶來了巨大挑戰(zhàn)，同時也加大了選擇傳感器設備的復雜性。隨著自動化技術的演進，業(yè)界開始意識到這個問題亟待解決，以實現(xiàn)不同廠商設備間的網(wǎng)絡連接，步入大數(shù)據(jù)時代，增強信息交流和流動，簡化工程開發(fā)，提升系統(tǒng)整體效率，降低成本，從而增強企業(yè)的市場競爭力。圖4-5變頻控制流程圖4-6ModBus數(shù)據(jù)應用格式4.2.3V20參數(shù)配置與變頻測試V20在使用之前需要在控制面板進行必要的配置以實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸、精準調速控制。主要包括：電機參數(shù)輸入、通信方式、控制方式選?？刂撇藛稳鐖D所示。圖4-7V20控制菜單在執(zhí)行測試之前，需對PLC的CPU設定參數(shù)。首要步驟是于MBUS_CTRL程序塊中設定一個接口為Modbus操作模式，并開啟此接口。接著，需設定通信速率、超時期限以及校驗方法。隨后，需分配內部存儲器，因為Modbus應用時，用戶需手動在PLC的存儲區(qū)域劃定空間，并執(zhí)行初始配置，以保障數(shù)據(jù)交換的可靠性。應注意，分配的地址不應出現(xiàn)在主程序中，否則可能導致嚴重錯誤，且此類錯誤通常難以診斷。根據(jù)從站的功能地址，可以執(zhí)行對保持寄存器的讀取或寫入操作。若在控制系統(tǒng)中遇到警報錯誤，可通過分析返回的指令信息，參照表4-1來確定故障源頭，并依據(jù)具體情況解決調試過程中遇到的難題。表4-1modbus錯誤代碼配置完畢后，可執(zhí)行變速測試。對于V20，其起動配置寄存器設定為40100，預備啟動的指令是16#047E，啟動指令則是16#047F，而頻率調整寄存器設為40101。啟動變頻的步驟如下：首先，將預備啟動的信號寫入到變頻器的特定寄存器，接著變頻器會回應此操作。然后，在PLC程序中，將頻率設定值寫入40101寄存器，待變頻器響應后，PLC再把啟動指令存入40100寄存器，由此啟動變頻操作。通過修改40101寄存器的值，可按需求調整變頻速度。4.3稱重采集模塊4.3.1稱重變送器與稱重傳感器選型（1）稱重變送器選型重量變送器的關鍵功能在于接收重量傳感器產生的模擬電壓信號，并在放大后將數(shù)字化的數(shù)據(jù)通過485通訊線路傳送到PLC系統(tǒng)。裝置內置微控制器、模數(shù)轉換器、485通信模塊以及直流-直流轉換器。本系統(tǒng)選用的是上海天賀自動化儀表公司的RW-GT01D軌道式數(shù)字重量變送器，它具備諸多優(yōu)勢，如24位高精度、卓越的穩(wěn)定性、強抗干擾性及MODBUS協(xié)議支持。此重量變送器常用于電壓檢測，特別是在稱重和扭矩等梁式傳感器的應用中[15]。技術參數(shù)包括：24伏直流電源，額定功率小于1瓦（適用于單個350Q傳感器），適用的傳感器靈敏度范圍為0.8至3.9毫伏/伏，內部編碼分辨率超過50000Digit。圖4-8稱重變送器（2）稱重傳感器選型配置控制系統(tǒng)規(guī)定：確保每次配料不超過150kg，并且保證單次配料重量誤差不超過50克。因此，選擇了Z6FC3和Z6FC6型傳感器作為高精度的稱重解決方案。這些傳感器基于平衡電橋原理，當負荷增加時，電橋兩端的電壓差異會產生，形成與重量對應的電壓變化。由于其高精度特性，傳感器的安裝需謹慎，應確保傳感器受到的力垂直向下，并且作用點盡可能小。圖4-9稱重傳感器安裝(局部)表4-2Z6FC3傳感器數(shù)據(jù)表4-3Z6FC6傳感器數(shù)據(jù)4.4料位檢測模塊4.4.1料位傳感器選型（1）接近傳感器是一種能感知附近物體存在的裝置，廣泛應用于工業(yè)檢測領域，它能在無物理接觸的情況下快速觸發(fā)電氣信號。這類傳感器的不同種類采用不同的工作原理。常見的類型包括電容型、光電型、電感型以及霍爾效應型。其中，光電型接近開關因其顯著的感應距離優(yōu)勢而顯得與眾不同。（2）本設計采用的是可調電容型CM30-3015NB接近開關。選擇電容式而非光電式的原因在于，考慮到實際生產環(huán)境，麥芽原料可能存在灰塵，容易粘附在光電開關上導致信號誤判。在配料過程中，由于變頻器的頻繁啟動和停止可能產生電磁干擾，而CM30-3015NB允許根據(jù)環(huán)境調整其靈敏度，確保配料檢測的準確性，從而增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該開關的技術參數(shù)包括：工作電壓為10-30DC；感應范圍為10mm；額定電流小于200mA，并具有短路保護和極性保護功能；圖4-10NPN常開電容接近開關4.4.2料位傳感器電路設計NPN型接近傳感器的運行原理類比于一個放大回路，其在檢測到信號，即物體接近時，開關會閉合，導致信號輸出端的電壓降至0V。反之，若無物體接近，信號輸出端則維持24V的電壓。由于其輸出端負載能力有限，不推薦直接連接負載。因此，推薦采用如圖4-13所示的布線方案。PLC的輸入端配置為繼電器模式，電路設計選擇外部電源模式，工作流程如下：當物體靠近，電路接通，I0.0指示燈亮起，標志著物料充沛；相反，當物體遠離，COM端電壓升至24V，同時I0.0接口電壓也保持24V，無法形成電壓差，沒有有效的輸入信號，這表明物料短缺，需要添加原料；圖4-11接線電路由于麥芽原來存在一定灰塵，在安裝時盡量將傳感器探頭向下傾斜，這樣可以借助灰塵自身重力脫落，盡量減小產生錯誤判斷的機會。4.5出料閥門設計本設計采用的是LUILEC-XTL系列的低噪聲直線勻速電機，其特點是采用推桿結構，動力來源為24伏特直流電。該電機的運行速度為60毫米每秒，且行程長度可按具體需求定制。在本設計中，我們選取了行程為150毫米的執(zhí)行器，完成一次行程的時間為2.5秒，確保了運行過程中的速度穩(wěn)定性。圖4-12直線執(zhí)行器設計了一種方案，利用單路電源配以單刀雙擲開關來控制閥門的開啟和關閉，以適應PLC指令對出料流量的調控需求。電路布置如圖所示，其運作機制如下：當主開關接通時，直線電機啟動并進行順時針旋轉，進而通過拉桿驅動料門升起，開始物料排放。若接到PLC的繼電器信號指示，雙擲開關會改變連接方向，此時主開關保持閉合，但直線電機的供電極性反轉，電機隨即反向旋轉。這種設計巧妙地實現(xiàn)了電源節(jié)約的目的。圖4-13直線行程器接線圖4.6系統(tǒng)電氣連接完成所有的模塊測試任務后，進行電控系統(tǒng)的整體電氣化設計，根據(jù)電氣接線圖完成整體連接工作。1、供電系統(tǒng)分配如下：電源L1，N1為變頻器供電，電源L2，N2為PLC供電。PLC模塊自帶一路24V輸出，驅動電流為300mA可以為觸摸屏供電，L3，N3為五路接觸器供電。24V-3A電源為兩路單刀雙擲開關以及直線電機供電，24V-1A為料位傳感器以及稱重變送器供電。圖4-14供電系統(tǒng)2、PLC資源分配如下：I0.0-I0.4為料位傳感器、Q0.0-Q0.4為接觸器、Q0.5為攪拌電機繼電器、Q1.0為報警開關、Q1.1-1.4為單刀雙擲開關。圖4-15PLC資源分配3、變頻器接線電氣設計圖4-16變頻器接線圖4、實物連接圖4-17配料系統(tǒng)控制柜圖4-18配料平臺

第5章系統(tǒng)調試5.1上料聯(lián)調按照既定的控制策略，我們需要在底層設備的編程中設置的關鍵參數(shù)包括：重量閾值W1，即從高速到低速轉換的參照點，提前終止量W2，基于誤差e確定的振動步長調整因子t，誤差接近系數(shù)λ，以及最小振動步長T等未定參數(shù)。實驗表明，20Hz是電機運行的最高速度，可確保避免由于流道容量限制導致的物料堆積問題。我們通過獲取電機停止瞬間稱重桶的讀數(shù)，并與全部物料完全落入桶后的讀數(shù)相減，來估算懸空物料的大致重量。隨后，我們將收集到的數(shù)據(jù)輸入到MATLAB環(huán)境中，分別對五個料倉的剩余物料量進行圖形化展示。圖5-120hz情況五個料倉余料大小從5-1的分析中，我們可以了解到每個料倉在以20hz頻率運行時，電機停止后物料落差的大概區(qū)間。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們在設定每個給料機的W1參數(shù)時應采取較為謹慎的策略。W1的設定公式為W1=S-(f1+1000+F)，其中S代表設定的目標值，f1表示余料落差的最大估計，F(xiàn)則是考慮到的干擾因素，而1000作為安全余地，確保物料切換過程中不會超出設定的界限。系統(tǒng)采用5hz作為低速運行頻率，在電機停止前捕獲稱重桶的重量數(shù)據(jù)，并在所有物料完全落入桶后再次測量，通過這兩點數(shù)據(jù)的差值來估算低速運行時懸空物料的大致量。隨后，將這些收集到的數(shù)據(jù)輸入到MATLAB環(huán)境中進行繪圖處理。圖5-25hz情況下五個料倉余料大小依據(jù)圖5-2的數(shù)據(jù)，我們可定義W2如下：W2=S-(f2+150)，其中S表示預設值，f2表示低速運行時的最大殘余物料差值，F(xiàn)表示干擾量，而150g作為安全余地以保證系統(tǒng)能進入動態(tài)振蕩階段。在動態(tài)振蕩階段，設定運行頻率為2.5hz，并通過提升變頻器的輸出電壓5%來補償電壓，以保持扭矩穩(wěn)定。利用MATLAB的內置庫函數(shù)進行多項式擬合，在最終調整階段，料桶內的物料重量幾乎與目標值相等，此時，剩余物料的量基本上與高度無關，而是與給料機的旋轉時間存在一定的線性關系。因此，我們采用線性擬合來構建誤差與運行時間的函數(shù)關系。圖5-3不同運行時間所對應的余料大小參數(shù)設置結束后對方案進行了實際測試，測試了十種配方，對每種配方單品誤差配方進行采集測試表格如下：表5-1上料測試結果

由表中數(shù)據(jù)單品最大偏差可以看到能夠滿足要求的50g控制精度，能夠很好的實現(xiàn)按比例將麥芽原料進行配比。5.2出料聯(lián)調5.2.1撥料算法改進（1）優(yōu)化撥料算法，新增一個判斷機制，評估目標值與實際出料量的差距。如果接近預設值且仍需撥料，