面粉自動(dòng)定量稱(chēng)重控制器設(shè)計(jì)

詳細(xì)介紹了面粉自動(dòng)稱(chēng)重控制器的設(shè)計(jì)思想、硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用軟件,重點(diǎn)闡述了解決計(jì)量精度、 可靠性問(wèn)題所采取的措施?？刂破魇且粋€(gè)機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制系采用單片計(jì)算機(jī)配以必要的測(cè)控接口和應(yīng)用軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械下料過(guò)程的動(dòng)態(tài)檢測(cè)和定量稱(chēng)重控 制?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明,面粉自動(dòng)稱(chēng)重控制器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到或超過(guò)了面粉定量包裝的出廠標(biāo)準(zhǔn),具有較為明顯的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。

多年以來(lái),我國(guó)的面粉包裝生產(chǎn)線(xiàn)大多采用機(jī)械稱(chēng)重。當(dāng)給料量達(dá)到定量時(shí),利用機(jī)械秤標(biāo)尺的通過(guò)杠桿放大機(jī)構(gòu)或光電效應(yīng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的杠桿原理等手段實(shí) 現(xiàn)定量控制。這種方法稱(chēng)重精度低、操作復(fù)雜、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,并且必須隨時(shí)進(jìn)行零位標(biāo)定及成品復(fù)驗(yàn),一旦出現(xiàn)超差只能靠增加或減少稱(chēng)體上的附加配重來(lái)進(jìn)行 調(diào)整極不方便。

為改變這種局面,近年來(lái)出現(xiàn)了一些機(jī)電一體化的智能稱(chēng)重設(shè)備。這種稱(chēng)重控制器集機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體,從根本上改變了 用電子傳感元件代替了機(jī)械杠桿,使計(jì)量電子化;特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,使動(dòng)態(tài)計(jì)量設(shè)備成為具備了數(shù)字化和智能化的機(jī)電產(chǎn)品。到目前為止,這些設(shè)備在一定 程度上改善了包裝生產(chǎn)線(xiàn)的條件。但是計(jì)量精度及可靠性仍然沒(méi)有能夠達(dá)到令人滿(mǎn)意的水平。因此,本文設(shè)計(jì)的面粉自動(dòng)稱(chēng)重控制機(jī)首先是要解決計(jì)量精度和可靠性 問(wèn)題。其次完善設(shè)備的功能,使之更具有通用性和實(shí)用性。

2稱(chēng)重控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的面粉自動(dòng)稱(chēng)重控制器是一個(gè)機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。控制裝置采用單片計(jì)算機(jī)配以必要的測(cè)量控制接口和控制軟件,以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械下料過(guò)程 的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)和定量控制。控制裝置具有較高的性能價(jià)格比,系統(tǒng)稱(chēng)重誤差<±4‰。非常適合于粉粒狀物體的定量計(jì)量控制。系統(tǒng)分為機(jī)械給料和信號(hào)檢 測(cè)及控制，和稱(chēng)重控制儀表3大部分。

1）機(jī)械給料結(jié)構(gòu)

紙型機(jī)械給料部分主要由螺旋給料機(jī)、緩沖料斗、稱(chēng)重料斗、變頻電機(jī)、電磁鐵等部分組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的好壞直接影響著稱(chēng)重計(jì)量?jī)x器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),是 機(jī)電一體化產(chǎn)品能否成功的最基本條件。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),吸取了有關(guān)廠家的稱(chēng)重設(shè)備的優(yōu)點(diǎn),創(chuàng)立自己的特點(diǎn)。對(duì)給料器、緩沖料斗,稱(chēng)重料斗及斗門(mén)機(jī)構(gòu)進(jìn) 行了設(shè)計(jì)。

給料器由大小兩個(gè)不同口徑的螺旋推進(jìn)器組成。在高速裝料階段,為提高裝料速度,雙絞輪同時(shí)高速運(yùn)行;在低速精調(diào)階段,用離合器將大絞輪脫開(kāi),由小絞輪 單獨(dú)裝料。整個(gè)裝料過(guò)程配以變頻電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速特性,從而可以實(shí)現(xiàn)精確裝料。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),絞刀給料的均勻性、穩(wěn)定性對(duì)稱(chēng)重精度影響很大。因此,在螺旋推 進(jìn)器葉輪前端采用了多葉片和出頭短一節(jié)的特殊結(jié)構(gòu),大大地改善了料流,特別是低速料流的均勻性和穩(wěn)定性,從而有效地提高了稱(chēng)重精度。緩沖料斗由儲(chǔ)料倉(cāng)和雙 扇料門(mén)組成。它與螺旋給料器出口相連,當(dāng)物料達(dá)到額定值附近時(shí),關(guān)閉緩沖料門(mén),截取空中滯留的物料,減少落差物料對(duì)計(jì)量精度的影響。

稱(chēng)重料斗由儲(chǔ)料倉(cāng)、傳感器吊掛機(jī)構(gòu)和雙扇料門(mén)組成。采用懸掛式結(jié)構(gòu),由三只拉力傳感器通過(guò)雙絞鏈結(jié)構(gòu)將稱(chēng)重斗按對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)吊起。物體質(zhì)量通過(guò)三只拉力傳 感器變換成疊加的mV信號(hào)送計(jì)算機(jī)處理。這種結(jié)構(gòu)消除了由于物料在稱(chēng)重料斗內(nèi)分布不均勻所造成的受力點(diǎn)偏移、信號(hào)失真的問(wèn)題。
料斗門(mén)均采用拉桿互鎖機(jī)構(gòu),由電磁鐵控制其動(dòng)作,開(kāi)關(guān)門(mén)響應(yīng)速度快,一致性好。在傳感器吊掛機(jī)構(gòu)中,增加阻尼裝置,減少機(jī)械振動(dòng)對(duì)傳感器信號(hào)的影響。

2）信號(hào)檢測(cè)及控制 控制器是以ATMEL公司單片機(jī)89C52為核心部件的智能化儀器,稱(chēng)重控制器
Fig11Systemstructurediagram系統(tǒng)由單片計(jì)算機(jī)、拉力傳感器、稱(chēng)重信號(hào)變送器,A蠨,D蠥轉(zhuǎn)換器及交流無(wú)觸點(diǎn)隔離開(kāi)關(guān)等組 成。由于采用單片計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路技術(shù),模塊化電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),因此該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)、性能穩(wěn)定、控制精度高、操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

模擬量輸入通道由三只S型剪切梁式拉力傳感器（精度<0105%）將物料質(zhì)量疊加的信號(hào)（0～5mV）送入由高精度、低溫漂集成運(yùn)算放大器 （OP07）組成的兩級(jí)差動(dòng)輸入式信號(hào)放大器（精度<0A3A01%）進(jìn)行放大,變成0～5V直流信號(hào)送12位蠨轉(zhuǎn)換器變換成0～4095的數(shù)字供 計(jì)算機(jī)處理。

模擬量輸出通道采用D/A轉(zhuǎn)換,經(jīng)變頻器控制變頻電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。開(kāi)關(guān)量輸出通道采用光電控制電磁鐵動(dòng)作。開(kāi)關(guān)量輸入通道由霍爾開(kāi)關(guān)作為檢測(cè)元件將料斗門(mén)的隔離驅(qū)動(dòng)無(wú)觸點(diǎn)交流開(kāi)關(guān),開(kāi)、關(guān)狀態(tài)反饋給計(jì)算機(jī),保證稱(chēng)重順序準(zhǔn)確無(wú)誤，提高了系統(tǒng)的可靠性。

操作面板采用直觀的LED數(shù)字顯示及運(yùn)行狀態(tài)模擬屏顯示。設(shè)置了通訊網(wǎng)絡(luò)接口（RS2485）,支持半雙工異步通訊協(xié)議,可將稱(chēng)重控制過(guò)程的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給上位管理機(jī),為現(xiàn)代化管理奠定了基礎(chǔ)。

3，稱(chēng)重控制器控制軟件

控制裝置的軟件采用C51程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě),模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分主程序模塊、測(cè)試模塊、定時(shí)采樣模塊、自適應(yīng)模塊及端口刷新模塊。

本系統(tǒng)的中斷定時(shí)時(shí)間為2ms,中斷中進(jìn)行蠨采樣、自適應(yīng)控制及I蠴端口刷新處理等工作。定時(shí)中斷程序,。

3）控制器控制過(guò)程磨面機(jī)加工輸出的面粉經(jīng)輸料器直接（或經(jīng)緩沖料倉(cāng)）送往包裝車(chē)間。在包裝車(chē)間內(nèi)按照生產(chǎn)規(guī)模安裝有多臺(tái)動(dòng)態(tài)定量秤及相應(yīng)的打包機(jī) 械。輸料器來(lái)料分成多個(gè)下料口將面粉分別送入各個(gè)動(dòng)態(tài)定量稱(chēng)的緩沖料槽內(nèi)。計(jì)算機(jī)控制定量秤的螺旋給料器變速將面粉送入稱(chēng)重料斗,并實(shí)時(shí)地檢測(cè)，經(jīng)電子傳 感元件所反映的稱(chēng)重料斗內(nèi)面粉的質(zhì)量（流量）,按最佳方案控制給料器的轉(zhuǎn)速,當(dāng)達(dá)到定量值時(shí),停給料器并關(guān)閉緩沖料門(mén)截取空中滯留的面粉,實(shí)現(xiàn)定量計(jì)量控 制。,定量計(jì)量結(jié)束由計(jì)算機(jī)判斷卸料開(kāi)關(guān)狀態(tài),若需卸料,則打開(kāi)稱(chēng)重斗門(mén)將面粉倒入打包機(jī)械,由打包機(jī)械完成裝袋封口。

1）定時(shí)采樣

稱(chēng)重控制器按照2ms中斷采集一個(gè)數(shù)據(jù),10次為一個(gè)周期對(duì)機(jī)械下料過(guò)程中檢測(cè)到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、濾波。由于動(dòng)態(tài)定量計(jì)量的特殊性,可將濾波處理 分成兩個(gè)部分:一部分用來(lái)濾除物料下落過(guò)程中引起的沖擊、振動(dòng)的影響。為了有效地濾除這類(lèi)干擾,獲得真實(shí)的數(shù)據(jù),在程序中引入了兩個(gè)判別數(shù)據(jù)真?zhèn)蔚南拗坪? 數(shù),即:xn-xn-1≥0（1）xn-xn-1≤em（2）式中,xn為本次采樣值;xn-1為上次采樣值;em為門(mén)限值。物料在下落過(guò)程中,稱(chēng)重斗內(nèi) 質(zhì)量累計(jì)增長(zhǎng),因此,當(dāng)前采樣值xn一定大于或等于上次采樣值xn-1即應(yīng)滿(mǎn)足式（1）;又因?yàn)槲锪鲜且砸欢ㄋ俣认侣涞?相鄰兩次采樣值之差一定小于或等 于某個(gè)門(mén)限值em即滿(mǎn)足式（2）。對(duì)本裝置而言,定時(shí)采樣約為2ms,其平均下料量（按3s重量達(dá)到額定值的95%計(jì)算）為01016kg?2ms,A蠨 轉(zhuǎn)換器的分辨率為01007kg。故取em=0102。凡不能同時(shí)滿(mǎn)足式（1）,式（2）的采樣數(shù)據(jù)均視為無(wú)效,在下一步求平均值時(shí)將其去掉。另一部分為 了濾除工頻干擾,選定采樣周期為20ms。即定時(shí)采樣10次求平均、濾波,消除工頻干擾,獲得真實(shí)數(shù)據(jù)。

2）自適應(yīng)控制算法

在動(dòng)態(tài)定量計(jì)量中,計(jì)量精度不僅取決于測(cè)量精度,也取決于控制精度。特別要在滿(mǎn)足高速裝料（200～300衕）的情況下,保證裝袋的計(jì)量精度為±4‰ ,控制精度起著重要作用。在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,本文從結(jié)構(gòu)上充分地考慮了機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)在的因素,為軟件控制奠定了基礎(chǔ)。但是由于物料來(lái)料流量不穩(wěn)定以及機(jī)械慣 性所造成的純滯后,給提高控制精度帶來(lái)了很大困難。

通?？筛鶕?jù)操作經(jīng)驗(yàn)給出一個(gè)控制提前量,但是這種固定不變的控制模式往往不能滿(mǎn)足控制要求。為此本文設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制算法。具體思路是:將整個(gè)裝料時(shí) 間劃分為幾個(gè)階段,按照流量2時(shí)間曲線(xiàn)分別采用不同的控制模型控制,并根據(jù)每次實(shí)際控制效果來(lái)辯識(shí)下一次的控制值。這樣除第一袋是人為設(shè)置的控制值外,以 后各袋均根據(jù)上一次的控制效果或產(chǎn)生的錯(cuò)誤來(lái)加以修正。

3）端口刷新

為了提高稱(chēng)重控制系統(tǒng)的抗干擾能力,除電路硬件設(shè)計(jì)中考慮抗干擾措施外,在軟件設(shè)計(jì)中,利用定時(shí)端口刷新的方法,對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量、顯示數(shù)據(jù)等進(jìn)行定時(shí)刷新,確保輸出邏輯關(guān)系準(zhǔn)確無(wú)誤。

4）測(cè)試模塊

為提高系統(tǒng)的可維護(hù)性,便于維護(hù)人員及時(shí)查找分析處理故障,在控制軟件中設(shè)計(jì)了一套可對(duì)系統(tǒng)硬件環(huán)境進(jìn)行測(cè)試、故障診斷、系統(tǒng)標(biāo)定的程序。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),維護(hù)人員可通過(guò)鍵盤(pán)按故障性質(zhì)逐一對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行檢測(cè)。

面粉自動(dòng)稱(chēng)重控制器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)面粉定量包裝秤的出廠標(biāo)準(zhǔn)。它的基本原理和思路適用于所有類(lèi)似粉粒狀物體的定量包裝控制和稱(chēng)重控制儀表。并且已經(jīng)成功應(yīng)用在作者參與開(kāi)發(fā)的工業(yè)設(shè)備中,獲得了很好的實(shí)用價(jià)值和使用評(píng)價(jià)。