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詳細介紹了面粉自動稱重控制器的設(shè)計思想、硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用軟件,重點闡述了解決計量精度、可靠性問題所采取的措施?？刂破魇且粋€機電一體化的計算機控制系采用單片計算機配以必要的測控接口和應(yīng)用軟件,實現(xiàn)對機械下料過程的動態(tài)檢測和定量稱重控制?，F(xiàn)場運行結(jié)果表明,面粉自動定量包裝秤儀表控制器的各項技術(shù)指標(biāo)已達到或超過了面粉定量包裝的出廠標(biāo)準(zhǔn),具有較為明顯的經(jīng)濟效益和廣闊的應(yīng)用前景。

多年以來,我國的面粉包裝生產(chǎn)線大多采用機械稱重。當(dāng)給料量達到定量時,利用機械秤標(biāo)尺的通過杠桿放大機構(gòu)或光電效應(yīng)控制執(zhí)行機構(gòu)的杠桿原理等手段實現(xiàn)定量控制。這種方法稱重精度低、操作復(fù)雜、工人勞動強度大,并且必須隨時進行零位標(biāo)定及成品復(fù)驗,一旦出現(xiàn)超差只能靠增加或減少稱體上的附加配重來進行調(diào)整極不方便。

為改變這種局面,近年來出現(xiàn)了一些機電一體化的智能稱重設(shè)備。這種稱重控制器集機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化技術(shù)、計算機技術(shù)于一體,從根本上改變了用電子傳感元件代替了機械杠桿,使計量電子化;特別是計算機技術(shù)的應(yīng)用,使動態(tài)計量設(shè)備成為具備了數(shù)字化和智能化的機電產(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。但是計量精度及可靠性仍然沒有能夠達到令人滿意的水平。因此,本文設(shè)計的面粉自動稱重控制機首先是要解決計量精度和可靠性問題。其次完善設(shè)備的功能,使之更具有通用性和實用性。

2稱重控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的面粉自動定量包裝秤儀表控制器是一個機電一體化的計算機控制系統(tǒng)。控制裝置采用單片計算機配以必要的測量控制接口和控制軟件,以實現(xiàn)對機械下料過程的實時動態(tài)檢測和定量控制?？刂蒲b置具有較高的性能價格比,系統(tǒng)稱重誤差<±4‰。非常適合于粉粒狀物體的定量計量控制。系統(tǒng)分為機械給料和信號檢測及控制，和稱重控制儀表3大部分。

1)機械給料結(jié)構(gòu)
紙型機械給料部分主要由螺旋給料機、緩沖料斗、稱重料斗、變頻電機、電磁鐵等部分組成。機械結(jié)構(gòu)性能的好壞直接影響著稱重計量儀器的各項技術(shù)指標(biāo),是機電一體化產(chǎn)品能否成功的最基本條件。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,吸取了有關(guān)廠家的稱重設(shè)備的優(yōu)點,創(chuàng)立自己的特點。對給料器、緩沖料斗,稱重料斗及斗門機構(gòu)進行了設(shè)計。
給料器由大小兩個不同口徑的螺旋推進器組成。在高速裝料階段,為提高裝料速度,雙絞輪同時高速運行;在低速精調(diào)階段,用離合器將大絞輪脫開,由小絞輪單獨裝料。整個裝料過程配以變頻電機的無級調(diào)速特性,從而可以實現(xiàn)精確裝料。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),絞刀給料的均勻性、穩(wěn)定性對稱重精度影響很大。因此,在螺旋推進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。緩沖料斗由儲料倉和雙扇料門組成。它與螺旋給料器出口相連,當(dāng)物料達到額定值附近時,關(guān)閉緩沖料門,截取空中滯留的物料,減少落差物料對計量精度的影響。
稱重料斗由儲料倉、傳感器吊掛機構(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雙絞鏈結(jié)構(gòu)將稱重斗按對稱結(jié)構(gòu)吊起。物體質(zhì)量通過三只拉力傳感器變換成疊加的mV信號送計算機處理。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偏移、信號失真的問題。
料斗門均采用拉桿互鎖機構(gòu),由電磁鐵控制其動作,開關(guān)門響應(yīng)速度快,一致性好。在傳感器吊掛機構(gòu)中,增加阻尼裝置,減少機械振動對傳感器信號的影響。

2)信號檢測及控制
控制器是以ATMEL公司單片機89C52為核心部件的智能化儀器。
Fig11Systemstructurediagram系統(tǒng)由單片計算機、拉力傳感器、稱重信號變送器,AΠD,DΠA轉(zhuǎn)換器及交流無觸點隔離開關(guān)等組成。由于采用單片計算機和大規(guī)模集成電路技術(shù),模塊化電路結(jié)構(gòu)設(shè)計,因此該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能強、性能穩(wěn)定、控制精度高、操作維護方便等優(yōu)點。
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(0～5mV)送入由高精度、低溫漂集成運算放大器(OP07)組成的兩級差動輸入式信號放大器(精度<0A3A01%)進行放大,變成0～5V直流信號送12位ΠD轉(zhuǎn)換器變換成0～4095的數(shù)字供計算機處理。
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進行無級調(diào)速。開關(guān)量輸出通道采用光電控制電磁鐵動作。開關(guān)量輸入通道由霍爾開關(guān)作為檢測元件將料斗門的隔離驅(qū)動無觸點交流開關(guān),開、關(guān)狀態(tài)反饋給計算機,保證稱重順序準(zhǔn)確無誤，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,可將稱重控制過程的數(shù)據(jù)實時傳送給上位管理機,為現(xiàn)代化管理奠定了基礎(chǔ)。

3，稱重控制器控制軟件

控制裝置的軟件采用C51程序設(shè)計語言編寫,模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,分主程序模塊、測試模塊、定時采樣模塊、自適應(yīng)模塊及端口刷新模塊。

本系統(tǒng)的中斷定時時間為2ms,中斷中進行ΠD采樣、自適應(yīng)控制及IΠO端口刷新處理等工作。

3)控制器控制過程
磨面機加工輸出的面粉經(jīng)輸料器直接(或經(jīng)緩沖料倉)送往包裝車間。在包裝車間內(nèi)按照生產(chǎn)規(guī)模安裝有多臺動態(tài)定量秤及相應(yīng)的打包機械。輸料器來料分成多個下料口將面粉分別送入各個動態(tài)定量稱的緩沖料槽內(nèi)。計算機控制定量秤的螺旋給料器變速將面粉送入稱重料斗,并實時地檢測，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)達到定量值時,停給料器并關(guān)閉緩沖料門截取空中滯留的面粉,實現(xiàn)定量計量控制。,定量計量結(jié)束由計算機判斷卸料開關(guān)狀態(tài),若需卸料,則打開稱重斗門將面粉倒入打包機械,由打包機械完成裝袋封口。

1)定時采樣

稱重控制器按照2ms中斷采集一個數(shù)據(jù),10次為一個周期對機械下料過程中檢測到的動態(tài)數(shù)據(jù)進行采樣、濾波。由于動態(tài)定量計量的特殊性,可將濾波處理分成兩個部分:一部分用來濾除物料下落過程中引起的沖擊、振動的影響。為了有效地濾除這類干擾,獲得真實的數(shù)據(jù),在程序中引入了兩個判別數(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。物料在下落過程中,稱重斗內(nèi)質(zhì)量累計增長,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);又因為物料是以一定速度下落的,相鄰兩次采樣值之差一定小于或等于某個門限值em即滿足式(2)。對本裝置而言,定時采樣約為2ms,其平均下料量(按3s重量達到額定值的95%計算)為01016kgΠ2ms,AΠD轉(zhuǎn)換器的分辨率為01007kg。故取em=0102。凡不能同時滿足式(1),式(2)的采樣數(shù)據(jù)均視為無效,在下一步求平均值時將其去掉。另一部分為了濾除工頻干擾,選定采樣周期為20ms。即定時采樣10次求平均、濾波,消除工頻干擾,獲得真實數(shù)據(jù)。

2)自適應(yīng)控制算法

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

通?？筛鶕?jù)操作經(jīng)驗給出一個控制提前量,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)計了自適應(yīng)控制算法。具體思路是:將整個裝料時間劃分為幾個階段,按照流量2時間曲線分別采用不同的控制模型控制,并根據(jù)每次實際控制效果來辯識下一次的控制值。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)生的錯誤來加以修正。

定量稱重控制器算法如下:
①第一控制點大、小絞輪以額定轉(zhuǎn)速同時送料,達到控制點時停大、小絞輪。公式為
Wk1=Wm1-(Q2-Q1)(Δtc1+k13tg1)(3)式中,Wk3為第四控制點質(zhì)量;k3為沖量系數(shù)。
Vs=250(4)式中,Wk1為第一控制點質(zhì)量;Wm1為額定質(zhì)量的95%,Q1為實測流量,Q1=ΔWΠT;ΔW為實測量增量;T為采樣周期;Q2為上次停大絞輪時刻流量;Δtc1為絞輪出口軸線至稱重斗料面落差時間,為辯識值;Δtg1為大小絞輪共同轉(zhuǎn)動時的慣性時間;k1為比例系數(shù),Vs為速度對應(yīng)數(shù)字量。
②第二控制點大、小絞輪以慣性衰減曲線進行自由停車,當(dāng)質(zhì)量達到W1時分大絞輪,小絞輪以額定轉(zhuǎn)速的30%送料,辯識計算大、小絞輪慣性時間Δtg1。公式為Wk2≤W1(5)W1=Wm1-Qm23Δtc2(6)Vs=80(7)式中,Wk2為第二控制點質(zhì)量;W1為上次分大絞輪時刻質(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間。
③第三控制點在未達到控制點之前,不斷地測試物料流量,計算速度差,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%時保持)。當(dāng)達到上次低速穩(wěn)定流量即控制點時,計算本次低速流量穩(wěn)定值Qm2,辯識計算小絞輪慣性時間Δtg2。公式為Q2≤Qm2(8)Qm2=Wm2-Wm1-Q2k2-Δtg2(9)

Vs-ΔVs=Vs-(Q2-Qm2)3TΠΔtg2(10)
式中,Q2為實測流量;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為小絞輪慣性時間,為辯識值。

④第四控制點保持恒速給料,當(dāng)達到控制點時,關(guān)緩沖料門、停電機;辯識計算比例系數(shù)k2公式為Wk3=Wm2-Qm23Δtc2+Qm23k3(11)
⑤辯識計算落差時間及沖量系數(shù)測流量計時,當(dāng)流量為零時,辯識計算落差時間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)計中考慮抗干擾措施外,在軟件設(shè)計中,利用定時端口刷新的方法,對系統(tǒng)的開關(guān)量、顯示數(shù)據(jù)等進行定時刷新,確保輸出邏輯關(guān)系準(zhǔn)確無誤。
4)測試模塊
為提高系統(tǒng)的可維護性,便于維護人員及時查找分析處理故障,在控制軟件中設(shè)計了一套可對系統(tǒng)硬件環(huán)境進行測試、故障診斷、系統(tǒng)標(biāo)定的程序。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,維護人員可通過鍵盤按故障性質(zhì)逐一對系統(tǒng)硬件進行檢測。

面粉自動定量包裝秤儀表控制器的各項技術(shù)指標(biāo)達到或超過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)用在作者參與開發(fā)的工業(yè)設(shè)備中,獲得了很好的實用價值和使用評價。

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