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1前言

詳細(xì)介紹了面粉自動(dòng)稱重控制器的設(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。控制器是一個(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)和定量稱重控制?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明,面粉自動(dòng)稱重控制器的各項(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)線大多采用機(jī)械稱重。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)電一體化的智能稱重設(shè)備。這種稱重控制器集機(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)到令人滿意的水平。因此,本文設(shè)計(jì)的面粉自動(dòng)稱重控制機(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?？刂蒲b置具有較高的性能價(jià)格比,系統(tǒng)稱重誤差<±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,稱重料斗及斗門機(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重精度。緩沖料斗由儲(chǔ)料倉(cāng)和雙扇料門組成。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,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。
稱重料斗由儲(chǔ)料倉(cāng)、傳感器吊掛機(jī)構(gòu)和雙扇料門組成。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)將稱重斗按對(duì)稱結(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。
Fig11Systemstructurediagram系統(tǒng)由單片計(jì)算機(jī)、拉力傳感器、稱重信號(hào)變送器,AΠD,DΠA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ΠD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)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))送往包裝車間。在包裝車間內(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)稱重斗門將面粉倒入打包機(jī)械,由打包機(jī)械完成裝袋封口。

3.稱重控制器控制軟件
控制裝置的軟件采用C51程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫,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ΠD采樣、自適應(yīng)控制及IΠO端口刷新處理等工作。定時(shí)中斷程序。

1)定時(shí)采樣

稱重控制器按照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)蔚南拗坪瘮?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為門限值。物料在下落過(guò)程中,稱重斗內(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)門限值em即滿足式(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01016kgΠ2ms,AΠD轉(zhuǎn)換器的分辨率為01007kg。故取em=0102。凡不能同時(shí)滿足式(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。特別要在滿足高速裝料(200～300Πh)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。

定量稱重控制器算法如下:
①第一控制點(diǎn)大、小絞輪以額定轉(zhuǎn)速同時(shí)送料,達(dá)到控制點(diǎn)時(shí)停大、小絞輪。公式為
Wk1=Wm1-(Q2-Q1)(Δtc1+k13tg1)(3)式中,Wk3為第四控制點(diǎn)質(zhì)量;k3為沖量系數(shù)。
Vs=250(4)式中,Wk1為第一控制點(diǎn)質(zhì)量;Wm1為額定質(zhì)量的95%,Q1為實(shí)測(cè)流量,Q1=ΔWΠT;ΔW為實(shí)測(cè)量增量;T為采樣周期;Q2為上次停大絞輪時(shí)刻流量;Δtc1為絞輪出口軸線至稱重斗料面落差時(shí)間,為辯識(shí)值;Δtg1為大小絞輪共同轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的慣性時(shí)間;k1為比例系數(shù),Vs為速度對(duì)應(yīng)數(shù)字量。
②第二控制點(diǎn)大、小絞輪以慣性衰減曲線進(jìn)行自由停車,當(dāng)質(zhì)量達(dá)到W1時(shí)分大絞輪,小絞輪以額定轉(zhuǎn)速的30%送料,辯識(shí)計(jì)算大、小絞輪慣性時(shí)間Δtg1。公式為Wk2≤W1(5)W1=Wm1-Qm23Δtc2(6)Vs=80(7)式中,Wk2為第二控制點(diǎn)質(zhì)量;W1為上次分大絞輪時(shí)刻質(zhì)量;Qm2為上次低速穩(wěn)定流量值;Δtc2為緩沖料斗門至稱重斗料面落差時(shí)間。
③第三控制點(diǎn)在未達(dá)到控制點(diǎn)之前,不斷地測(cè)試物料流量,計(jì)算速度差,與上次低速穩(wěn)定流量比較,調(diào)整給料速度(當(dāng)速度小于額定值的16%時(shí)保持)。當(dāng)達(dá)到上次低速穩(wěn)定流量即控制點(diǎn)時(shí),計(jì)算本次低速流量穩(wěn)定值Qm2,辯識(shí)計(jì)算小絞輪慣性時(shí)間Δtg2。公式為Q2≤Qm2(8)Qm2=Wm2-Wm1-Q2k2-Δtg2(9)
Vs-ΔVs=Vs-(Q2-Qm2)3TΠΔtg2(10)
式中,Q2為實(shí)測(cè)流量;Q2=ΔWΠT;Qm2為低速流量穩(wěn)定值;Wm2為額定質(zhì)量;k2為比例系數(shù);Δtg2為小絞輪慣性時(shí)間,為辯識(shí)值。

④第四控制點(diǎn)保持恒速給料,當(dāng)達(dá)到控制點(diǎn)時(shí),關(guān)緩沖料門、停電機(jī);辯識(shí)計(jì)算比例系數(shù)k2公式為Wk3=Wm2-Qm23Δtc2+Qm23k3(11)
⑤辯識(shí)計(jì)算落差時(shí)間及沖量系數(shù)測(cè)流量計(jì)時(shí),當(dāng)流量為零時(shí),辯識(shí)計(jì)算落差時(shí)間Δtc2和沖量系數(shù)k3。
3)端口刷新
為了提高稱重控制系統(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似粉粒狀物體的定量包裝控制和稱重控制儀表。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)。

作者簡(jiǎn)介:安世奇
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