1、引言

配料生产是橡胶生产中的重要环节，包括原料受料，燃料破碎，配料，混料，配料和筛分等几方面，其中配料又是整个配料生产过程的关键。以往的配料多采用智能仪表控制器进行简单的称量积算和PID调节，功能简单，控制准确度低，管理功能弱，可靠性不高。为此给出的方案:

自动配料系统用功能强大的plc取代以往由二次仪表或上位机完成的复杂控制算法，二次仪表仅仅用于数据的收集；称重配料机在控制算法上，取代了简单PID调节器，采用了基于人工智能的FUZZY-PID算法，使控制更稳定；配料用Profibus_DP取代通讯速率低的485通讯。

2、总体设计

配料系统软、硬件组态

配料机分两级：过程监控级和基础自动化级。

基础自动化级：

①6台圆盘给料机采用变频控制，变频器采用施耐德ATV71,具有现场机旁手动和上位机自动双重控制功能，来控制圆盘给料机的给料量。

②6台圆盘配料皮带秤采用恒速皮带秤，具有现场手动和上位自动双重功能。皮带秤选用北京恒信天正系列电子皮带秤。

③7台直拖式皮带秤采用调速皮带秤，变频器采用施耐德ATV71,电子皮带秤具有现场手动和上位自动双重功能。控制原理如图3。

④两台螺旋称星型给料器由变频驱动，变频器采用施耐德ATV71产品，计量螺旋恒速，控制原理如图2所示。计量秤选用北京恒信天正系列电子皮带秤产品。

⑤选用西门子公司的S7-300系列PLC（CPU315-2DP）对配料系统进行数据采集、顺控和配料自动控制。PLC编程编程软件采用：STEP7V5.3。

⑥采用称重配料控制器实现对配料系统的后备仪表控制功能。

⑦PLC自动控制和仪表控制可选。

配料过程监控级

计量配料系统配有一台上位机作为操作站。上位机采用台湾研华公司的工业控制机IPC，主频不低于P42.4G，硬盘80G，内存512MB，在定量配料系统开发时兼工程师站使用。监控级具有数据库管理与维护功能、配料优化计算与设定、称量配料系统数据实时显示、超限报警、趋势记录以及存档打印等功能。配料系统配置一台EPSON打印机。监控软件采用:WINCC6。

混合通讯组态

调速采用两级通讯网络

①为保证数据采集的准确和传输的快捷，称重控制器和PLC之间通讯采用Profibus-DP。

②PLC和工控机之间采用工业以太网。

3、变频配料功能

3.1调速配料的工艺要求

搅拌配料的主要任务是按配料机对物料的需求量，计算、分配、控制原料矿槽的下料量，以保证物料平衡和化学成分符合要求。工艺上对控制配料系统的要求是:

(1)实现各配料秤和集料皮带机的顺序起停、单机起停和同时起停;

(2)实现各配料秤的重量配比控制;

(3)配比计算功能

根据总量和各台秤的配比，计算每台秤的流量设定值;

(4)流量计算功能

搅拌自动上料系统根据检测到的重量信号和皮带速度信号，计算一段时间内物料的平均流量，以此平均流量作为反馈量进行PID调节;

(5)报警功能

对经常出现的故障如堵料、皮带打滑、电机过流过载等进行声光报警，出现堵料情况时，要求自动起动矿槽上的振动器电机，恢复下料后自动停振;

(6)后备功能

当PLC配料系统出现故障时，能迅速切换到后背仪表控制器进行控制;

(7)报表打印功能

人工干预和定时打印各种时报、班报、月报等报表;

(8)停电保护功能

停电后再次供电时，配料进行初始化复位，保证各台设备均处于停机状态，以防人身事故和设备事故的发生。

3.2混合工作原理

搅拌配料开始工作时，工控机首先根据本次生产任务进行各种初始化，包括原料各成分的名称、仓号、产量、标准配比，并优化计算出各仓的标准流量等，然后工控机将计算出的标准流量传递个plc和仪表控制器。plc按一定时序控制各给料机和皮带秤的启动，各给料机按一定流量给料。仪表控制器根据现场采集的皮带机速度信号和重量信号累积计算出实际流量，并把此信号传递给plc和工控机，plc根据各成分累积量值计算当前的实际配比，通过与标准配比的比较修正各给料机的给料量，控制皮带电机变频器，控制给料流量，使配料系统工作在最佳配比状态。

3.3调速控制策略

目前常规配料自动控制策略

配料仪表接受来自秤体的称重信号和测速信号，经积算后显示瞬时流量和累计量，并将瞬时流量以4～20毫安模拟电流的形式送往PID调节器作为调节测量输入信号，调节器将该信号与机内设定值比较运算后输出4～20毫安模拟调节信号，控制给料电机转速，从而进一步控制该种物料的下料流量，最终使几种煤料的瞬时下料流量与阶段累计量都保持在用户要求的范围内。要改变流量及配比可直接在调节器上进行设定操作，操作简单方便。

适用上述解决方案的工艺现场首先必须满足这样一个前提条件，那就是物料给出量必须与给料控制电机的转速成正比。要使配料具有良好的调节品质，即有较高的稳定性、准确性和快速性，称重配料系统还必须具备两个条件：

1）自身的结构性质稳定，这包括它的容量系数、阻力和传递距离等内容。

2）调节器有合理的PID参数。只有将这三种作用的强度作适当的配合，才可以使调节器快速、平稳、准确地运行，从而获得满意的控制效果。

在这两者中，条件1）是条件2）的前提，因为PID参数取决于配料的动态特性，而影响计量配料动态特性的主要因素是系统本身的结构性质。

因为以往常用调速称重配料方案设计是采用一般的PID控制算法，其参数一般是按阶跃响应的过渡过程时间来整定的，灵敏度较高，对于固定参数的混合配料系统有着较好的调节品质，从理论上讲能做到无误差调节，在误差较小的范围内确有其优越性。但是，实际中电子皮带秤动态自动配料的控制准确度会受到多个因素的影响。如：物料物理特性、机械震动、给料设备安装准确度、料仓结构形状等因素的影响；而且现场环境较为复杂、恶劣，其他外界干扰频繁。由于以上因素的存在，配料误差往往较大，其动态特性并不理想，超调量一般较大，导致称量配料无法实现理想的控制效果。此时，皮带秤的计量性能和配料准确度都会受到影响。在这里我们采用模糊-PID复合控制技术、将模糊控制技术结合传统的PID控制策略应用在定量配料的调节中，可有效解决上述问题。

FUZZY-PID控制模型

该混合系统的特点是由一台上位机进行监控，由一套plc来控制多台给料机，为了实现一定的配比，各给料机之间的工作又是相互联系的，而且给定量要随当前的实际配比进行修改，因此其控制结构是较为复杂的。

该搅拌投料系统属于一个多闭环有关联控制结构。就第i号给料仓而言，有两个闭环和一个前馈，内环是一个FUZZY-PID控制器，据给定流量Fgi去控制调速给料机，使其给料流量Fi控制在理想的给定值Fgi附近,由plc实现。外环根据当前的累积值和希望产量之差ΔP以及前馈环节的给料机当前流量来修正内环的给定值有，由上位机实现。

控制器采用FUZZY-PID复合控制方式，当偏差较大时采用模糊控制，当偏差减小到较小范围时采用PID控制方式。这样就可以解决配料系统误差较大，其动态特性不理想，超调量较大的控制难题。

FUZZY-PID复合控制器的设计

调速配料采用FUZZY-PID复合控制方式，当偏差较大时采用模糊控制，当偏差减小到较小范围时采用PID控制方式。二种控制采用并行的方法，由Bang-Bang开关进行切换。

1）Bang-Bang转换开关

Bang-Bang转换开关实际上是控制器中的软件开关，由其决定采用那种控制算法。

2）PID控制器

PID控制器采用一般的增量式数字算法，其参数按常规整定。

3）模糊控制原理及模糊控制器的实现

模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经验形式化，模型化，变成计算机可以接受的控制模型，让计算机代替人来进行有效的实时控制，为实现模糊控制，计算机作为模糊控制器，必须解决以下三个问题：

输入量输出量的模糊量化；

建立模糊控制规则，或模糊控制规则表；

输出信息的模糊判决。

调速的设定值，是精确量。

定频配料系统偏差与偏差变化率，均是精确量。

经模糊量化处理后，偏差与偏差变化率变成的模糊量。