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 1引言

    在工業(yè)生產(chǎn)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(jìn)行靜態(tài)的機(jī)械稱重，然后再進(jìn)行人工包裝或者配料。這樣往往會(huì)導(dǎo)致效率極低，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度極大，而且精度不高。電子秤的出現(xiàn)改善了靜態(tài)機(jī)械稱重的精度，但是在快速生產(chǎn)過程中，動(dòng)態(tài)稱重精度卻是一個(gè)問題。于是如何解決高速稱重過程中的動(dòng)態(tài)精度問題成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

    就目前來看，國內(nèi)在動(dòng)態(tài)稱重的技術(shù)上比國外還有不小的差距。雖然在過去的一二十年內(nèi)我國的定量稱重包裝設(shè)備的自動(dòng)化程度有了大幅的提高，但是由于國內(nèi)的技術(shù)儲(chǔ)備不夠，而在最近的一二十年內(nèi)，國外在動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)上不斷應(yīng)用了先進(jìn)技術(shù)，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）技術(shù)，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(jì)（Fuzzy logic estimator）的新數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)[1]等。然而國內(nèi)也在吸收和消化引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)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(yīng)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(jià)格比較實(shí)惠[2]。但是總的來說，由于國內(nèi)在技術(shù)儲(chǔ)備、研發(fā)水平、制造水平與國外的差距，導(dǎo)致了現(xiàn)今國內(nèi)的定量稱重設(shè)備的技術(shù)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(shè)備與生產(chǎn)線上的其它控制設(shè)備的數(shù)據(jù)通信等方面與國外的產(chǎn)品還是有很大的差距。

    在參考當(dāng)前國內(nèi)外動(dòng)態(tài)稱重研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)用化肥生產(chǎn)對定量稱重包裝設(shè)備的具體要求，設(shè)計(jì)了一種適用于農(nóng)用化肥生產(chǎn)過程的電子定量包裝動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。

    2整體設(shè)計(jì)

    2.1系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

    根據(jù)國家對農(nóng)用化肥包裝重量精度的要求并結(jié)合農(nóng)用化肥企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際需求，提出以下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：（1）稱重計(jì)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(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)力學(xué)原理所建立的定量包裝秤數(shù)學(xué)模型如下[3]
    式中：M（t）—物料質(zhì)量；m—稱料倉等的質(zhì)量；c—系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)；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(diǎn)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(guān)鍵參數(shù)是m，c，c1，F(xiàn)（t），從而可知影響系統(tǒng)性能的關(guān)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(shù)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(shù)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(guān)，還與儲(chǔ)料倉的儲(chǔ)料數(shù)量、稱料倉的留空體積等眾多因素相關(guān)，是一個(gè)典型的時(shí)變參量，因此上述數(shù)學(xué)模型所表達(dá)的系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)的控制理論難于對它進(jìn)行控制，目前也沒有成熟而且實(shí)用的新處理方法。所以我們只能嘗試在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，尋找系統(tǒng)中存在的規(guī)律，從而達(dá)到準(zhǔn)確定量稱重控制的目的。

     2.3電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要由進(jìn)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(jī)械國內(nèi)和國外的差別不大，研究的重點(diǎn)都放在了進(jìn)料部分和定量稱重部分。

    進(jìn)料系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)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(dòng)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(jī)構(gòu)簡單，速度快，但是會(huì)使得稱重的精度與料位高度及物料流動(dòng)的均勻性與平衡性有密切的關(guān)系。由于農(nóng)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(jìn)料系統(tǒng)采用了直流式供料方式，同時(shí)為達(dá)到生產(chǎn)線快速稱重的實(shí)際需要，在稱重結(jié)構(gòu)上采用雙秤結(jié)構(gòu)（分A，B秤）。整個(gè)電子定量包裝秤動(dòng)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(chǔ)料斗，然后由直流式供料裝置供料。

    動(dòng)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(shí)，稱重速度快，但稱重的計(jì)量精度將難于保證，反之下料流量小時(shí)，稱重的計(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用三級給料控制方式已經(jīng)可以較好的解決速度和精度這對矛盾。所設(shè)計(jì)的電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)原理。
        2.4電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)

    電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中的控制部分是協(xié)調(diào)整個(gè)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(yuǎn)程指令，監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，產(chǎn)生氣動(dòng)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(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)控制器的實(shí)現(xiàn)原理圖。

     在控制器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)關(guān)注的主要問題有以下幾個(gè)方面：（1）輸入輸出信號間的時(shí)序關(guān)系，這主要由控制器軟件來體現(xiàn)；（2）在惡劣的工業(yè)現(xiàn)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(jìn)行密封與散熱；（3）硬件電路參數(shù)對動(dòng)態(tài)稱重計(jì)量精度的影響。控制器中傳感器及其后的放大調(diào)理電路、A/D的參數(shù)、CPU的性能對系統(tǒng)精度影響較大?？刂破髟O(shè)計(jì)中我們首先選定的是高性能的ATmega128單片機(jī)，其帶有豐富的I/O接口以及內(nèi)部資源，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS，特別的是ATmega128帶有性價(jià)比很高的A/D轉(zhuǎn)換器，它具有10位精度，轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)采樣率高達(dá)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(yuǎn)小于系統(tǒng)的精度要求，可見是滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

    另外A/D轉(zhuǎn)換速度是否能滿足連續(xù)的高速轉(zhuǎn)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(dá)200kHz，而正常單端連續(xù)轉(zhuǎn)換的一次時(shí)間是14.5個(gè)ADC周期，那么可以計(jì)算出來一次的轉(zhuǎn)換時(shí)間是：14.5/200kHz =75μs，可見轉(zhuǎn)換速度是夠的。對AD的采樣速率來說，通過試驗(yàn)可以知道物料動(dòng)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(shí)采樣率高達(dá)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(diǎn)彎曲梁式傳感器IL-250，最大量程重量是250Kg，在12V 激勵(lì)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(jìn)行標(biāo)定，并將標(biāo)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(jìn)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(diǎn)時(shí)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(jìn)行放大，為了使系統(tǒng)可以達(dá)到我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)，這里我們的放大倍數(shù)選擇為350倍。

    3軟件設(shè)計(jì)

    軟件設(shè)計(jì)部分的主要工作是對信號噪聲濾除的數(shù)字濾波設(shè)與實(shí)現(xiàn)，對雙秤結(jié)構(gòu)下的三級流速控制流程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。工業(yè)控制中對信號噪聲進(jìn)行簡單濾除的主要方法有：算術(shù)平均值濾波，加權(quán)平均值濾波，滑動(dòng)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(fù)合數(shù)字濾波等等。每種濾波方法特色各異，在動(dòng)態(tài)稱重的系統(tǒng)中，經(jīng)試驗(yàn)反復(fù)對比，中值濾波和滑動(dòng)平均值對本系統(tǒng)現(xiàn)場信號噪聲的濾波作用比較明顯，在最終系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，我們采用了N=8的中值濾波器設(shè)計(jì)。以下給出當(dāng)雙秤同時(shí)獨(dú)立工作時(shí)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(guān)，中投喂料開關(guān)，小投喂料開關(guān)的控制?？刂频膶?shí)現(xiàn)是通過對A/D采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后與系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定的各臨界值進(jìn)行比較，只要當(dāng)前值大于等于所設(shè)定值就關(guān)閉相應(yīng)的喂料開關(guān)。對于雙秤結(jié)構(gòu)，可以設(shè)定多種工作模式（A、B 秤同時(shí)獨(dú)立工作；A、B聯(lián)動(dòng)工作；A、B秤只選擇其一工作）。卸料控制應(yīng)針對不同的工作模式進(jìn)行相應(yīng)的處理。以雙秤同時(shí)獨(dú)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(dāng)A秤在卸料則B秤不能卸料，而且都必須是在定值以后當(dāng)夾帶開關(guān)打開，表示物料帶已經(jīng)準(zhǔn)備好的時(shí)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(shí)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(huì)使得計(jì)量斗內(nèi)的物料卸料不完全導(dǎo)致誤差的引入。在工廠生產(chǎn)的實(shí)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(fù)對不同包裝規(guī)格進(jìn)行標(biāo)定而帶來的很多問題，系統(tǒng)采用對不同包裝規(guī)格預(yù)先保存不同標(biāo)定配方數(shù)據(jù)的方法來應(yīng)對。為便于調(diào)試，系統(tǒng)還添加了全手動(dòng)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(jī)的通信接口，可通過上位機(jī)實(shí)時(shí)對稱重設(shè)備進(jìn)行參數(shù)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(xiàng)重要工作就是通過大量的顯示內(nèi)容來增強(qiáng)人機(jī)間的交互，使得對設(shè)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(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變非線性系統(tǒng)，只能通過大量的實(shí)驗(yàn)來尋求一些控制規(guī)律。所以系統(tǒng)的調(diào)試對定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)來說是很重要的一環(huán)。在調(diào)試中我們主要是通過調(diào)整系統(tǒng)的不同參數(shù)（例如各延時(shí)參數(shù)和三級流速控制的各臨界值）來使系統(tǒng)可以精確快速運(yùn)行。在實(shí)際生產(chǎn)中有很多的因素影響著系統(tǒng)的精度，比如儲(chǔ)料斗中的料位，化肥顆粒的狀態(tài)（有些化肥容易結(jié)塊）等。

    5結(jié)束語

    通過現(xiàn)場的運(yùn)行情況來看，本系統(tǒng)基本可以滿足設(shè)計(jì)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(shù)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(jìn)算法等等。如果可以改進(jìn)進(jìn)料系統(tǒng)使得進(jìn)料速度可以嚴(yán)格的控制，那么對動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的控制部分的要求將會(huì)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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