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1引    言
工業(yè)配料是指將幾種不同的原料按照生產(chǎn)要求的比例進(jìn)行混和的過(guò)程,在建筑、化工、冶金等生產(chǎn)領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用,傳統(tǒng)的人工配料強(qiáng)度大、工作效率低,已不能適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了由微機(jī)、微控制器和智能儀表構(gòu)成的自動(dòng)配料系統(tǒng),極大提高了生產(chǎn)效率和配料精度。但目前的配料系統(tǒng)精度低、各組分重量大,難以應(yīng)用在醫(yī)藥、精細(xì)化工等生產(chǎn)領(lǐng)域。本研究為解決醫(yī)學(xué)、精細(xì)化工等生產(chǎn)過(guò)程中配料重量小,精度高,并需同時(shí)對(duì)液體和固體粉末進(jìn)行配料的要求,進(jìn)行微量配料系統(tǒng)的研究。
2系統(tǒng)組成及原理
本系統(tǒng)由上位機(jī)PC、下位機(jī)sPCE061、數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換模塊、傳感器模塊、進(jìn)料控制模塊和料斗6部分組成,如圖1所示。用戶在上位機(jī)上設(shè)
定好各組分的重量后系統(tǒng)開(kāi)始配料,傳感器模塊接收到命令后,將重量信息傳遞給數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給上位機(jī),下位機(jī)將上位機(jī)發(fā)送的重量數(shù)據(jù)和設(shè)定重量進(jìn)行比較后控制進(jìn)料模塊的啟停。料斗則用來(lái)存放物料并通過(guò)進(jìn)料控制模塊來(lái)控制進(jìn)料與否。

在工業(yè)配料過(guò)程中,常用稱(chēng)量方式有進(jìn)料式稱(chēng)量和卸料式稱(chēng)量2種。進(jìn)料式稱(chēng)量有2種實(shí)現(xiàn)方法:零位法和增量法,零位法的稱(chēng)量精度比增量法高。卸料式稱(chēng)量需要傳感器的量程較大而造成精度太低故較少使用[1]。
本系統(tǒng)使用零位法進(jìn)行稱(chēng)量,為了保證稱(chēng)量精度和稱(chēng)量速度,在稱(chēng)量時(shí)采用快、中、慢三速給料,先快速給料至設(shè)定重量的80%,然后中速給料至95%,最后采用慢速給料。
3硬件設(shè)計(jì)
3.1控制核心
SPCE061是本系統(tǒng)的核心硬件,現(xiàn)對(duì)它做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹:
SPCE061是臺(tái)灣某科技生產(chǎn)的16位微處理器,在2.6V-3.6V工作電壓范圍內(nèi).其工作頻率可由程序設(shè)定在0.320MHz-49.152MHz,當(dāng)工作頻率為49.152MHz時(shí).指令周期約為20ns。sPCE061單片機(jī)采用模塊化結(jié)構(gòu).以16位微控制器（微信號(hào)處理器)為內(nèi)核。sPCE061單片機(jī)內(nèi)嵌:32KB的閃速只讀存儲(chǔ)器(F1ashR0M）和2KB的靜態(tài)存儲(chǔ)器(sRAM）:32位可編程多功能I/0端口:2個(gè)可自動(dòng)賦初值的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器:8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器:雙通道10位D/A轉(zhuǎn)換器:通用異步串行接口(UART）:看門(mén)狗(watchdog）電路[2]。
SPCE061工作效率高,運(yùn)行可靠,所以在本系統(tǒng)中選用該微控制器作為控制核心。
3.2串行通訊接口電路
SPCE061單片機(jī)提供了一個(gè)全雙工通用異步串行接口UART模塊,用于完成與外設(shè)之間的串行通信。本系統(tǒng)采用某公司的MAI232C與UART相連接.完成TTL電平和Rs232電平的相互轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)sPCE061和計(jì)算機(jī)的串行通訊。
3.3進(jìn)料控制模塊
本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粉末和液體的配料,粉末物料的進(jìn)料控制部分由料斗、V形槽和微型振動(dòng)馬達(dá)構(gòu)成,當(dāng)振動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)V形槽一起振動(dòng),將物料從V形槽中振落至配料容器:液體物料的給料控制由料斗、管路、電磁繼電器和電磁閥構(gòu)成,電磁繼電器動(dòng)作時(shí),控制電磁閥打開(kāi),液體物料通過(guò)管路進(jìn)入配料容器:這樣就可以通過(guò)控制振動(dòng)馬達(dá)的啟停和電磁閥的通斷來(lái)控制進(jìn)料。
3.4數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換模塊
本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊使用某電子國(guó)際有限公司推出的A1pha911模塊,該模塊提供20個(gè)通道的電壓和電流測(cè)量,完成A/D轉(zhuǎn)換并通過(guò)Rs232或Rs485和其它設(shè)備進(jìn)行通訊。利用該公司自主開(kāi)發(fā)的通訊協(xié)議,可以設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間,轉(zhuǎn)換精度,波特率,并可以一次讀取全部通道的數(shù)據(jù)
或和指定通道的數(shù)據(jù)。
4軟件設(shè)計(jì)
4.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
Visua1Basic簡(jiǎn)單易學(xué),具有面向?qū)ο缶幊痰乃泄δ?可以充分利用windows提供的圖形環(huán)境,含有豐富的控件,功能強(qiáng)大,人機(jī)界面友好,所以在本系統(tǒng)中,上位機(jī)軟件使用VB進(jìn)行開(kāi)發(fā)[4,5]。
上位機(jī)主要完成以下功能:(1）設(shè)定各通道數(shù)據(jù):(2）在微控制器MC和數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換模塊間傳遞數(shù)據(jù)。
4.1.1設(shè)定各通道數(shù)據(jù)
要使系統(tǒng)正常工作,應(yīng)對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置,在本系統(tǒng)中這些數(shù)據(jù)包括通道號(hào)、物料名稱(chēng)、物料性質(zhì)（粉末或液體)、設(shè)定重量和誤差范圍等項(xiàng),也可以根據(jù)實(shí)際需要增加或刪除。
各通道數(shù)據(jù)的設(shè)置可以從已有的配方數(shù)據(jù)庫(kù)中通過(guò)配方號(hào)讀取,也可以在配料前逐個(gè)設(shè)定。
軟件界面如圖2所示,本系統(tǒng)最多可以支持20個(gè)通道,如果需要更多通道,可以使用多個(gè)A1pha911模塊通過(guò)Rs485組成網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)配料失敗時(shí),可以使用醒目的顏色來(lái)顯示當(dāng)前狀態(tài)信息,并可添加蜂鳴器和發(fā)光二極管等硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并予以解決

4.1.2在微控制器MC和數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換模塊之間傳遞數(shù)據(jù)
上位機(jī)的另外一個(gè)功能在微控制器MC和數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換模塊之間傳遞數(shù)據(jù)。由于大多數(shù)微控制器(包括SPCE061）只有一個(gè)UART接口,不能同時(shí)和上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行連接,所以微控制器和數(shù)據(jù)采集模塊之間的通訊只能通過(guò)上位機(jī)中轉(zhuǎn)。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后進(jìn)行簡(jiǎn)單處理,去掉幀中的格式單位等信息,只將數(shù)值發(fā)送給微控制器MC。上位機(jī)PC的流程圖如圖3所示。

4.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
微控制器MC上的軟件是本軟件的核心,這部分算法設(shè)計(jì)的好壞將直接關(guān)系到本系統(tǒng)的優(yōu)劣,影響系統(tǒng)的性能。下位機(jī)流程圖如圖4所示。
5影響配料精度的主要因素及相應(yīng)措施

在本系統(tǒng)中,選取美國(guó)某公司4503系列產(chǎn)品,非線性誤差為0.02%,磁滯為0.02%,重復(fù)性為0.01%,能很好地滿足我們的要求。
5.2稱(chēng)重儀表
影響稱(chēng)重儀表測(cè)量精度的主要因素有:(1）內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的A/D轉(zhuǎn)換方式、采樣精度及轉(zhuǎn)換精度:(2）儀表數(shù)據(jù)傳送方式,稱(chēng)重儀表可以通過(guò)模擬.
對(duì)于配料系統(tǒng)而言,配料精度是關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵,尤其在本系統(tǒng)中配料精度要求高,稍有不慎,便不能達(dá)到精度要求。影響稱(chēng)重配料系統(tǒng)精度的因素很多,主要有以下幾個(gè)方面。
5.1稱(chēng)重傳感器
電阻應(yīng)變式傳感器是目前稱(chēng)重配料系統(tǒng)中最常用的稱(chēng)重傳感器,影響其精度的主要因素是其性能指標(biāo),主要指非線性誤差、遲滯、重復(fù)性、蠕變等,這些誤差將對(duì)傳感器的合成誤差產(chǎn)生影響[6]。
量傳輸和數(shù)字量傳輸2種方式將重量信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)。
本系統(tǒng)采用的希蒙國(guó)際推出的Alpha9ll模塊,可以根據(jù)時(shí)間需要來(lái)編程設(shè)定其A/D的分辨率和積分時(shí)間,當(dāng)設(shè)置為l7位時(shí),其積分時(shí)間為20ms,而設(shè)置為l3位時(shí),其積分時(shí)間為lms:對(duì)于數(shù)據(jù)的傳送方式,在本系統(tǒng)中,采用的是數(shù)字量的傳送,抗干擾能力強(qiáng),精度高。
5.3控制元件的響應(yīng)時(shí)間和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程時(shí)間
控制元件的響應(yīng)時(shí)間和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程時(shí)間都會(huì)影響配料系統(tǒng)的精度,而這兩個(gè)時(shí)間都與器件本身的性能和使用時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。
為了減少元件的響應(yīng)時(shí)間和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程時(shí)間,在方案的選擇和產(chǎn)品的選型時(shí),盡量采用響應(yīng)時(shí)間短的元件,并減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程,以控制其行程時(shí)間。
5.4落差和稱(chēng)重控制算法的影響
本系統(tǒng)采用進(jìn)料式稱(chēng)量,由于落差的影響,當(dāng)停止給料后,還將有一部分物料落入稱(chēng)量料斗而產(chǎn)生誤差,并且由于重量加速度的影響,而造成稱(chēng)盤(pán)上重量的抖動(dòng)。為了保證精度,應(yīng)使出料口盡量靠近稱(chēng)量料斗而減小落差,另外必須設(shè)計(jì)一個(gè)合理的算法,對(duì)終止給料提前進(jìn)行控制,使實(shí)際配料值保持在誤差范圍內(nèi)。

6配料精度驗(yàn)證及分析
本系統(tǒng)在交付用戶使用前,筆者對(duì)其做了一些使用,其數(shù)據(jù)如表1所示,其中A表示配料結(jié)束后最終重量與設(shè)定重量的差值,6表示所允許的誤差。在6=0.5g、0.2g、0.1g時(shí)各做了1000次試驗(yàn),從結(jié)果可以看出,在6=0.5g和6=0.2g時(shí),系統(tǒng)的成功率高達(dá)99%,完全滿足用戶的需求。在6=0.1g時(shí),成功率僅有86%,但效果不理想,在后續(xù)的研究中,希望能通過(guò)硬件的設(shè)計(jì)和算法的優(yōu)化來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。本系統(tǒng)在可靠工作時(shí),精度能夠達(dá)到為0.2g。
7結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)上位機(jī)使用VisualBasic6.0開(kāi)發(fā),人機(jī)界面友好、控制靈活:下位機(jī)使用sPCE061,運(yùn)行速度快,并且有看門(mén)狗電路,工作可靠。適合醫(yī)藥、精細(xì)化工等行業(yè)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)微量配料。經(jīng)試驗(yàn)證明,配料精度高達(dá)0.2g,可以很好的解決在醫(yī)藥、精細(xì)化工中重量少、精度高的要求,并能同時(shí)對(duì)固體粉末和液體進(jìn)行配料。

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