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 1引言

    在工業(yè)生產過程中有很多的環(huán)節(jié)都涉及到定量稱重問題，比如食品的包裝過程，醫(yī)藥化工的配料過程，飼料的配料包裝過程等等。傳統(tǒng)的模式都是采用先進行靜態(tài)的機械稱重，然后再進行人工包裝或者配料。這樣往往會導致效率極低，工人的勞動強度極大，而且精度不高。電子秤的出現改善了靜態(tài)機械稱重的精度，但是在快速生產過程中，動態(tài)稱重精度卻是一個問題。于是如何解決高速稱重過程中的動態(tài)精度問題成為了當前研究的熱點。

    就目前來看，國內在動態(tài)稱重的技術上比國外還有不小的差距。雖然在過去的一二十年內我國的定量稱重包裝設備的自動化程度有了大幅的提高，但是由于國內的技術儲備不夠，而在最近的一二十年內，國外在動態(tài)稱重技術上不斷應用了先進技術，如人工神經網絡（ANN）技術，非線性回歸（NLR）理論，以及基于線性高斯法（LOG），卡爾曼濾波（Kalman filter），模糊邏輯估計（Fuzzy logic estimator）的新數字濾波器的設計[1]等。然而國內也在吸收和消化引進技術的基礎上自主開發(fā)了一批定量稱重系統(tǒng)，比如由某公司所研究開發(fā)的應用于煤粉定量控制系統(tǒng)中的SKPLC，其穩(wěn)定性比較可靠，功能也比較完善，價格比較實惠[2]。但是總的來說，由于國內在技術儲備、研發(fā)水平、制造水平與國外的差距，導致了現今國內的定量稱重設備的技術含量、功能，特別是在稱重精度和速度這對矛盾的解決上并不是很成功，此外包裝設備與生產線上的其它控制設備的數據通信等方面與國外的產品還是有很大的差距。

    在參考當前國內外動態(tài)稱重研究成果的基礎上，結合農用化肥生產對定量稱重包裝設備的具體要求，設計了一種適用于農用化肥生產過程的電子定量包裝動態(tài)稱重系統(tǒng)。

    2整體設計

    2.1系統(tǒng)技術指標

    根據國家對農用化肥包裝重量精度的要求并結合農用化肥企業(yè)的生產實際需求，提出以下的系統(tǒng)設計技術指標：（1）稱重計量精度：<（±0.5）%；（2）稱重范圍：（20~50）Kg；（3）稱重包裝速度：20包/min。

    2.2電子定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)的數學模型根據力學原理所建立的定量包裝秤數學模型如下[3]
    式中：M（t）—物料質量；m—稱料倉等的質量；c—系統(tǒng)等效阻尼系數；c1—系統(tǒng)等效剛度；F（t）—物料下落的沖擊力；x—稱體相對參考零點的位移；g—重力加速度。

    從上式可以看出對系統(tǒng)精度和速度有影響的關鍵參數是m，c，c1，F（t），從而可知影響系統(tǒng)性能的關鍵因素有：由喂料系統(tǒng)帶來的沖擊力大小的影響，傳感器數量與布置方式對系統(tǒng)等效剛度的影響，系統(tǒng)各組件連接方式對系統(tǒng)等效阻尼系數的影響[3]等。其中下落物料的沖擊力對稱重的精度影響較大，該物理量不僅與物料的流速有關，還與儲料倉的儲料數量、稱料倉的留空體積等眾多因素相關，是一個典型的時變參量，因此上述數學模型所表達的系統(tǒng)是一個時變系統(tǒng)，這就導致了傳統(tǒng)的控制理論難于對它進行控制，目前也沒有成熟而且實用的新處理方法。所以我們只能嘗試在大量實驗的基礎上通過對實驗數據的分析，尋找系統(tǒng)中存在的規(guī)律，從而達到準確定量稱重控制的目的。

     2.3電子定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)機械結構設計電子定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)主要由進料系統(tǒng)、定量稱重系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)所組成。由于單純的包裝機械國內和國外的差別不大，研究的重點都放在了進料部分和定量稱重部分。

    進料系統(tǒng)從結構形式上又可劃分為絞龍輸送供料、皮帶輸送供料、直流式供料[4]、柱塞供料、螺旋供料、振動供料[5]等等，各種方式都是優(yōu)缺并存。其中直流式喂料的機構簡單，速度快，但是會使得稱重的精度與料位高度及物料流動的均勻性與平衡性有密切的關系。由于農用化肥包裝屬較重物料的包裝，為了兼顧效率和精度，我們的進料系統(tǒng)采用了直流式供料方式，同時為達到生產線快速稱重的實際需要，在稱重結構上采用雙秤結構（分A，B秤）。整個電子定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)先是通過皮帶傳輸供料裝置送料到直流式供料裝置的儲料斗，然后由直流式供料裝置供料。

    動態(tài)稱重過程中物料流量大小直接決定物料對稱重系統(tǒng)的沖擊力大小，物料下料流量大時，稱重速度快，但稱重的計量精度將難于保證，反之下料流量小時，稱重的計量精度可獲得提高，但稱重效率很低。為滿足系統(tǒng)稱重的計量精度，并兼顧稱重速度，我們在給料的速率上采用多級流量控制方式。實驗結果表明，采用三級給料控制方式已經可以較好的解決速度和精度這對矛盾。所設計的電子定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)的整體結構原理。
        2.4電子定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)控制部分設計

    電子定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)中的控制部分是協(xié)調整個系統(tǒng)有序工作的大腦?？刂破鰿PU采集來自稱重傳感器的信號，接收人工鍵盤或異地遠程指令，監(jiān)視整個系統(tǒng)的狀態(tài)，產生氣動閥門的控制信號，在顯示器上輸出系統(tǒng)的狀態(tài)信息。如圖2所示，給出了動態(tài)稱重系統(tǒng)控制器的實現原理圖。

     在控制器的設計中，應關注的主要問題有以下幾個方面：（1）輸入輸出信號間的時序關系，這主要由控制器軟件來體現；（2）在惡劣的工業(yè)現場環(huán)境下工作的可靠性問題。在化肥廠空氣中存有大量的腐蝕性氣體，對控制器電路板需要進行密封與散熱；（3）硬件電路參數對動態(tài)稱重計量精度的影響?？刂破髦袀鞲衅骷捌浜蟮姆糯笳{理電路、A/D的參數、CPU的性能對系統(tǒng)精度影響較大。控制器設計中我們首先選定的是高性能的ATmega128單片機，其帶有豐富的I/O接口以及內部資源，工作于16MHz時性能高達16MIPS，特別的是ATmega128帶有性價比很高的A/D轉換器，它具有10位精度，轉換時間為（13~260）μs，0.5 LSB的非線性度，（±2）LSB的絕對精度，最高分辨率時采樣率高達15 kSPS [6]。對于10位的A/D，在最大量程為50Kg的情況下，其最小分度值為48.8g，遠小于系統(tǒng)的精度要求，可見是滿足系統(tǒng)設計要求。

    另外A/D轉換速度是否能滿足連續(xù)的高速轉換，這里我們在參考ATmega128手冊下知道：在最高精度的要求下，ADC的工作頻率可以最高達200kHz，而正常單端連續(xù)轉換的一次時間是14.5個ADC周期，那么可以計算出來一次的轉換時間是：14.5/200kHz =75μs，可見轉換速度是夠的。對AD的采樣速率來說，通過試驗可以知道物料動態(tài)稱重中信號的頻譜成份主要集中在小于10Hz的低頻范圍，而ATmega128 的ADC 最高分辨率時采樣率高達15 Ksps，可見也是完全滿足要求的。

    傳感器我們選擇梅特勒-托利多的單點彎曲梁式傳感器IL-250，最大量程重量是250Kg，在12V 激勵電源下輸出范圍是：（0.2~27）mV。使用中，為降低傳感器自身非線性的影響，采用精密砝碼進行標定，并將標定值存于控制器中。定量包裝秤的工作范圍為（20~50）Kg，那么最好的情況是滿量程的情況下進入ADC的電壓值可以逼近參考電壓但是小于參考電壓，而在零點時候的電壓最好就是傳感器在無料狀態(tài)下的輸出電壓。通過測試得到傳感器在50 Kg 下的輸出電壓為14mV 左右為此必須對傳感器輸出的信號進行放大，為了使系統(tǒng)可以達到我們的設計目標，這里我們的放大倍數選擇為350倍。

    3軟件設計

    軟件設計部分的主要工作是對信號噪聲濾除的數字濾波設與實現，對雙秤結構下的三級流速控制流程的設計與實現。工業(yè)控制中對信號噪聲進行簡單濾除的主要方法有：算術平均值濾波，加權平均值濾波，滑動平均值濾波，中值濾波，程序判斷濾波（包括限幅和限速濾波），復合數字濾波等等。每種濾波方法特色各異，在動態(tài)稱重的系統(tǒng)中，經試驗反復對比，中值濾波和滑動平均值對本系統(tǒng)現場信號噪聲的濾波作用比較明顯，在最終系統(tǒng)的實現中，我們采用了N=8的中值濾波器設計。以下給出當雙秤同時獨立工作時的軟件流程圖，如圖3所示。

    在三級流速控制部分，主要完成的是對大投喂料開關，中投喂料開關，小投喂料開關的控制?？刂频膶崿F是通過對A/D采集的數據進行處理后與系統(tǒng)中預先設定的各臨界值進行比較，只要當前值大于等于所設定值就關閉相應的喂料開關。對于雙秤結構，可以設定多種工作模式（A、B 秤同時獨立工作；A、B聯(lián)動工作；A、B秤只選擇其一工作）。卸料控制應針對不同的工作模式進行相應的處理。以雙秤同時獨立工作模式為例，在這種工作模式下，雙秤卸料必須滿足不能互相干擾的問題。也就是說當A秤在卸料則B秤不能卸料，而且都必須是在定值以后當夾帶開關打開，表示物料帶已經準備好的時候才可以卸料。在程序中我們采用的是A秤優(yōu)先的模式。另外卸料的時間控制比較重要，過長雖然可以使物料一次卸料干凈但是影響效率，過短則會使得計量斗內的物料卸料不完全導致誤差的引入。在工廠生產的實際過程中，存在多種不同的包裝規(guī)格。為減少由于需要重復對不同包裝規(guī)格進行標定而帶來的很多問題，系統(tǒng)采用對不同包裝規(guī)格預先保存不同標定配方數據的方法來應對。為便于調試，系統(tǒng)還添加了全手動的工作控制模式。為便于工廠的管理，在程序中增加了與上位機的通信接口，可通過上位機實時對稱重設備進行參數的查詢、控制管理等工作。系統(tǒng)采用DMF50174液晶顯示屏，一次可顯示的信息量豐富。在軟件部分的一項重要工作就是通過大量的顯示內容來增強人機間的交互，使得對設備的使用和管理更加的便捷。

    4系統(tǒng)測試

    由于定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)是一個時變非線性系統(tǒng)，只能通過大量的實驗來尋求一些控制規(guī)律。所以系統(tǒng)的調試對定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)來說是很重要的一環(huán)。在調試中我們主要是通過調整系統(tǒng)的不同參數（例如各延時參數和三級流速控制的各臨界值）來使系統(tǒng)可以精確快速運行。在實際生產中有很多的因素影響著系統(tǒng)的精度，比如儲料斗中的料位，化肥顆粒的狀態(tài)（有些化肥容易結塊）等。

    5結束語

    通過現場的運行情況來看，本系統(tǒng)基本可以滿足設計要求。但是在控制精度方面依然有可改善的空間，比如可以通過采用高性能的AD，使用放大倍數更高、性能更好的放大器，使用工作頻率更高的處理器如DSP，改進算法等等。如果可以改進進料系統(tǒng)使得進料速度可以嚴格的控制，那么對動態(tài)稱重系統(tǒng)的控制部分的要求將會大大降低，就可以采用一些傳統(tǒng)而十分有效的控制方式。
 

 作者 繆剛; 韓震宇; 溫顯超

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